Filtres volumiques métalliques

Les technologies volumiques métalliques étant généralement encombrantes et massiques, elles répondent peu au besoin de report de composant peu volumineux, au moins dans le domaine des ondes centimétriques. Néanmoins, leurs performances électriques, avec des facteurs de qualité pouvant aller jusqu’à plusieurs milliers, rendent leur emploi indispensable pour certaines applications. Un point très critique est lié à leur excitation, qui nécessite la réalisation d’une transition spécifique pour être connecté à une carte planaire, qui peut être complexe à réaliser et contribue fortement aux pertes. Par ailleurs, il peut être

complexe de maîtriser des différentiels importants de coefficient d’expansion mécanique entre filtre et carte. Au niveau de cet état de l’art, nous allons donc nous concentrer sur les nombreuses études publiées sur les différents systèmes de compensation ou stabilisation thermique qui ont été mis en place au niveau des filtres, indépendamment donc de l’aspect report.

Pour éviter les dilatations thermiques des filtres, pour des écarts de température d’environ 80 °C, les solutions actuelles intégrant des résonances dans cavités métalliques utilisent généralement des matériaux stables en température, telles que l’Invar [10]. L’Invar a cependant le désavantage d’être très dense (trois fois l’aluminium) et d’avoir une faible conductivité thermique. Il est alors préférable d’éviter de réaliser des dispositifs composés de ce seul matériau. L’idée est alors de combiner plusieurs matériaux, dont les dilatations sont connues et maitrisées, pour réaliser une stabilisation en température du filtre. De nombreux brevets à ce sujet ont été déposés [42], [43]. Cette compensation est très intéressante car passive et auto-réalisatrice, dans le sens où la température, phénomène que l’on cherche à compenser, est aussi le phénomène qui déclenche le phénomène de compensation. Classiquement, la technique de compensation consiste à effectuer un assemblage Invar-Aluminium. La cavité est réalisée en Aluminium, tandis que des structures en Invar sont ajoutées de manière à contraindre la structure en Aluminium, pour que ses dilatations ne produisent pas de décalage en fréquence. Un exemple est donné en Figure 15 pour illustrer ce principe.

Figure 15 : conception d’un résonateur à cavité circulaire compensé en température (à gauche) et photos de filtres compensés en bande Ku (à gauche) [10]

Certaines zones de la cavité sont maintenues de telle sorte que lorsque la cavité en aluminium se dilate, les bras en Invar produisent une contrainte s’opposant à la dilation. Le mode de résonance utilisé, dont la fréquence de résonance diminuerait dans une cavité en aluminium avec l’augmentation de température, est alors perturbé en retour par les bras en Invar, ce qui réalise la compensation du filtre. Les dimensions de la cavité ont donc changé à cause de la température, mais l’assemblage fait que la cavité déformée conserve toujours la même fréquence centrale, dans la gamme de température souhaitée. Cette technique permet de réduire la dérive fréquentielle de -23,6 ppm/°C (Aluminium seul avec un CET d’environ 24 ppm/°C) à 0,5 ppm/°C (combinaison Invar-Aluminium) contre 1,4 ppm/°C pour l’Invar seul.

Cette technique nécessite néanmoins un investissement dans des matériaux avec d’excellentes propriétés thermomécaniques, pour lesquelles des concessions sont faites sur ses désavantages (ici la densité importante de l’invar). Une autre technique présentée en Figure 16 et dans la partie précédente consiste à accepter et utiliser la dilatation des matériaux constituant le résonateur. Ainsi, dans les travaux présentés dans [41], un mode coaxial est utilisé. Le corps de la cavité est en aluminium tandis que le cylindre intérieur est en Fer. Un effet capacitif est généré entre le haut de ce cylindre et la face supérieure de la cavité. Lors des dilatations différentes de la cavité en aluminium et de sa charge en fer, cet effet capacitif va évoluer selon les dimensions de la structure et permettre de contrôler la fréquence de résonance du mode pour qu’elle reste constante. Un assemblage de ces résonateurs est ensuite effectué de manière à réaliser des filtres. La dérive en fréquence est ainsi réduite de -23,6 ppm/°C à -0,5 ppm/°C.

Figure 16 : structure du résonateur à mode coaxial avec résonateur à marches, corps de la cavité (housing) en aluminium, charge (resonators) en fer, et photo des filtres réalisés [41]

Ces précédents assemblages permettent la compensation en température, mais nécessite une conception dédiée du dispositif en fonction des matériaux utilisés. La méthode de compensation présentée en [44] (et également en [39] dans la partie précédente) utilise, quant à elle, une structure de filtre à volet traditionnelle dans laquelle sont ajoutées des vis de réglage comprenant une lame bimétal. Cet insert utilise l’effet bilame, dans lequel deux matériaux à CET différents sont assemblés pour former un actuateur mécanique, se déformant avec les variations de température. Cette lame est ensuite placée dans un filtre classique dans lequel elle perturbe le champ du mode de résonance, de manière à maintenir sa fréquence de résonance constante malgré les effets de changement de température, comme présenté en Figure 17. La dérive en fréquence dans ce cas est ainsi réduite de -23,6 ppm/°C à 2,35 ppm/°C.

Figure 17 : influence de la lame bimétal sur le champ électrique du mode de résonance (en haut à gauche), photos du filtre et de la vis, et principe d’actuation de la lame [44]

Plusieurs techniques sont ainsi possibles pour éviter la dérive en fréquence des filtres volumiques, pour réduire la dérive fréquentielle du matériau seul, -23,6 ppm/°C dans le cas de l’Aluminium, à quelques ppm/°C. Celles-ci utilisent principalement des matériaux avec des caractéristiques thermomécaniques maitrisées, en les combinant au mieux, ou en utilisant leurs faibles sensibilités aux effets thermiques. Cette conception particulière nécessite également de sélectionner un mode de résonance spécifique, permettant d’être contrôlé par le système mis en place. Le Tableau 3 présente une synthèse de l’évaluation de ce type de dispositifs.

Technologie Critère

Volumique métallique Figure de mérite

Taille/masse Importante

Report/intégration Mauvaise

Facteur de qualité ^{Plusieurs milliers} > 1 000 – 10 000 Compensation en

température ^{Très bonne}

Tableau 3 : évaluation de la technologie volumique compensée en température