Filtrage du signal : filtre d’antenne

Les filtres sont des dispositifs généralement passifs dont l’objectif est de sélectionner, rejeter ou encore supprimer des signaux répartis dans diverses bandes de fréquences. On retrouve ainsi quatre types de filtres : passe-bas, passe-haut, passe-bande et stop-bande.

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Circuit d'alimentation _rayonnants^Éléments Diagramme de rayonnement

Direction du lobe Atténuateur / Déphaseur θ θ Brouilleur Brouilleur Satellite Brouilleur Brouilleur Satellite

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 32

Licence CC BY-NC-ND 3.0

Dans ce travail de thèse, c’est la fonction passe-bande qui sera notre centre d’intérêt. Un filtre passe-bande va permettre, en faisant une discrimination sur la fréquence, de sélectionner le signal utile qui doit être traité par la suite. Pratiquement, ce dispositif est transparent pour le signal sur une fenêtre fréquentielle appelée bande-passante. A contrario, en dehors de cette bande de fréquence, les signaux sont atténués ce qui, dans notre cas, permet d’éviter le brouillage du signal utile.

De la même manière que les antennes, l’ensemble des caractéristiques définissant un filtre ont été définies par l’IEEE au sein de standards [30]. Parallèlement, un ouvrage en deux volumes réalisé par Matthaei, Young et Jones en 1963 est considéré comme une référence de base en matière de conception et de réalisation de filtres microondes [31], [32].

Filtres microondes : généralités

L’exemple exposé en Figure 3 va permettre de présenter simplement le fonctionnement d’un filtre hyperfréquence. Dans ce cas, le principe de changement de fréquence qui caractérise les systèmes hétérodynes rend vulnérable le système à des signaux émis aux « fréquences images ».

Figure 8 : Actions des différents filtres dans la chaîne de réception superhétérodyne. Filtre RF Filtre FI Réception - Antenne Entrée du mélangeur Sortie du mélangeur f f f f fFI fFI fRX fFI fOL fimage Signal utile Signal parasite Sortie du filtre FI

En effet, les signaux situés à ces fréquences peuvent être acceptés par la chaîne de réception et venir perturber l’information reçu. Situé à la suite de l’antenne, il incombe au filtre d’antenne ou « présélecteur » d’éliminer ces signaux parasites. De plus, ce filtre est placé en amont de l’amplificateur radiofréquence afin d’éviter sa saturation par des signaux en dehors de la bande utile. Pour finir, le filtre intermédiaire vient avec une sélectivité plus élevée discriminer le signal utile parmi l’ensemble des signaux transmis par l’étage radiofréquence.

La Figure 8 illustre bien l’opération effectuée par les filtres hyperfréquences : la sélection fréquentielle du signal. Généralement constitués de deux accès d’entrée/sortie, ils peuvent être constitués par un ou plusieurs éléments réfléchissants ou résonants.

Dans le cas d’un filtre à éléments réfléchissants, les éléments constitutifs du filtre viennent à chaque étage réfléchir une partie de l’énergie du signal incident. La superposition en phase des signaux est alors destructive ou constructive en fonction de leur longueur d’onde. À l’inverse, les filtres à éléments résonants visent à transmettre l’énergie fournie d’un accès à l’autre en passant par des éléments qui accepteront un signal correspondant à leur fréquence de résonance. C’est cette dernière catégorie qui sera au centre de l’étude fournie dans ce manuscrit.

Sélection et état de l’art

Les deux dernières décennies ont vu exploser le nombre de terminaux opérant à l’aide de communications sans fil [33]. Cette gigantesque augmentation entraine une forte densification du nombre de signaux électromagnétiques se propageant dans l’espace libre. De cette situation est née la problématique de la sécurité et donc de la robustesse des systèmes aux perturbations par l’ensemble de ces signaux.

Si l’on s’intéresse particulièrement au domaine de la radionavigation, on parle de système suffisamment précis et fiable pour offrir un service dit « SoL » 4 [34], [35] (suffisamment digne de confiance pour qu’il soit à l’origine de la sécurité du transport de la population). Pour les signaux situés dans la bande utile, les compétences de « beamforming » développées par les réseaux d’antennes (présentées en I.2.2.2) répondent en partie au problème.

Ceux situés en dehors de la bande utile peuvent eux aussi être gênants et venir, par exemple, perturber le fonctionnement de l’amplificateur faible bruit (ou « LNA »5) situé en amont du mélangeur [36]. Comme illustré en Figure 8, le tri des informations recueillies est assuré par les différents filtres. Ils doivent alors offrir deux compétences essentielles à leur tâche :

• Une réjection hors bande suffisamment importante pour rendre négligeable l’énergie des signaux situés hors de la bande utile.

• Une bonne sélectivité pour que les canaux situés à proximité de la bande utile ne parasitent pas le message reçu.

Avec le nombre d’applications dans lesquelles sont impliqués les filtres, on retrouve une grande diversité de solutions de filtrage dans la littérature. Parmi les groupes disponibles, les filtres dits volumiques ne peuvent être une solution adaptée à nos besoins. Ces derniers, largement exploités dans les premiers radars, s’appuient sur les propriétés de modes résonants au sein de cavité ou se propageant à l’intérieur d’un guide. Leurs résonateurs présentent des facteurs de qualité à vide important (de l’ordre de 1000 à 10000). Le principal

4 Acronyme de l’anglais : Safety-of-Life.

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 34

Licence CC BY-NC-ND 3.0

désavantage de ces filtres est de présenter un encombrement important ce qui, dans notre logique de forte intégration, les exclut automatiquement de notre étude prospective.

Les structures réalisées à partir d’éléments localisés ne conviennent pas non plus. Ces éléments, inductances et capacités essentiellement, permettent de réaliser des circuits résonants. Ces derniers, contrairement aux résonateurs volumiques, offrent l’avantage d’être compacts. Néanmoins, le facteur de qualité à vide associé est souvent très faible et leur mise en œuvre au-delà de 500 MHz devient complexe [37], [38].

Pour répondre au cahier des charges, il faut considérer des technologies qui vont permettre une intégration du filtre au plus près de l’antenne et de l’amplificateur faible bruit. Nous allons donc nous pencher sur les technologies de filtres planaires, multicouches et semi-volumiques.

I.3.2.1. Filtres planaires

Le développement des filtres planaires s’est effectué de la même manière que pour les antennes patchs. En effet, bien que des concepts aient existé dans la littérature dès les années 50 [39], c’est l’avènement de la microélectronique qui va permettre un déploiement de ces technologies. Leur production ayant été rendu plus aisée grâce aux développements de techniques de gravure.

Réalisés sur un substrat diélectrique partiellement métallisé, ces filtres présentent l’avantage d’être facilement intégrables avec d’autres dispositifs. De plus, ils offrent un encombrement réduit, un faible poids ainsi qu’une reproductibilité aisée. Leur principal inconvénient réside dans leur facteur de qualité généralement faible.

La littérature affiche un grand nombre de technologies qui cherchent à compenser ces faibles performances tout en conservant leur forte faculté d’intégration. Afin de réduire les pertes liées aux substrats, des recherches ont été menées avec des matériaux faibles pertes et la réalisation de filtres sur membranes [40], [41]. D’autres recherches visant à réduire les pertes métalliques ont exploré les possibilités offertes par les supraconducteurs [42]–[44].

Nous aborderons le concept de filtres actifs dans la partie dédiée à l’amplification faible bruit. On peut, néanmoins, le signaler ici en tant que solution apportée aux pertes inhérentes à cette famille de filtres.

Malgré l’efficacité relative de ces filtres, ils se sont abondamment développés, favorisés par le besoin d’avoir des systèmes toujours plus intégrables. Ils se divisent en plusieurs familles offrant chacune des performances et des possibilités de configuration variées.