Filtres " passe bande " 10 GHz
La réalisation de filtres est souvent liée à de la " mécanique " , et sur les fréquences trés élevées cela se sent plus encore .Pour la bande des 3 cm ( 10 GHz ) les filtres utilisés couramment sont souvent conçus à l'aide de capuchons en laiton utilisés en tant que bouchon d'extrémité par les installateurs sanitaires sur des canalisations en cuivre. Ces filtres , facile à réaliser, présentent malheureusement une courbe de réponse assez large à la base, et cette courbe ressemble plus à un chapeau " Napoléonien " qu'à un un filtre. J'ai tenté pour ma part d'améliorer ces filtres en essayant d'exploiter d'autres modes de transmissions .Tout d'abord , sur un premier type, je me suis servi de 2 cavités règlables et couplées entre elles par un " iris ". . Comme l'on peut le voir sur les images, les 2 cavités cylindriques sont séparées par une paroi à trou ( iris ) Chaque cavité est dotée d'une vis de règlage en teflon, ou nylon .Suite à de nombreux essais , un test avec des vis métalliques à également donné des résultats valables.Sur les images on voit également que la courbe de réponse est " malléable "si je puis dire car on arrive aisément à resserrer ou élargir cette courbe suivant l'utilisation du filtre. Son "facteur de forme " n'est bien entendu pas comparable à celui d'un filtre en guide d'onde, qui lui, reste parmi les plus efficaces .Pour la réalistion on prépare d'abord les 2 cavités constituées de cylindres de 21mm de diamètre intérieur et de 8 mm de hauteur ( résonnance à 10800 MHz sans les vis de règlage ).Sur leur circonférence est pratiqué un taraudage recevant une vis " M6 "Ce taraudage demande des explications .En effet , au vu de la mince paroi, il ne faudra pas passer les 3 taraux ( N° 1-- N° 2 --N° 3 ) sinon la vis aura trop de jeu .La place manquant pour souder un écrou à cet endroit .Il faut donc passer le tarau N° 1 et essayer la vis .Dans la plus part des cas il faudra passer partiellement seulement, le tarau N°2 et refaire un essai avec la vis de façon à pouvoir règler celle ci par " frottement " dur. La paroi centrale est percée d'un trou de 5.5 mm constituant l'iris.Les 2 autres parois sont garnies respectivement de façon centrale, d'une prise type "SMA ". ( soudée !!! ) Les 2 éléments transmettant l'énergie "HF " sont simplement constitués par les picots des "SMA " raccourcis à env 1 mm.
Voici 3 formes de courbes obtenues lors des premiers tests ou l'on s'aperçoit de suite que ces filtres vont être utilisables
Ci dessous les pièces en laiton avant assemblage .On y voit toutes les parties du filtre, sans les vis .
Lors de l'assemblage il faudra veiller à pratiquer des soudures le plus proprement possible et éviter de mettre trop d'étain, ce qui à souvent comme effet de créer des " aspérités " non appréciées sur ces fréquences .
Sur les 2 images en dessous on s'aperçoit que les 2 filtres sont réalisés de façon légèrement différente.
Résonnance de cavités cylindriques en fonction du diamètre de la cavité .
Diam 20 mm = 11.538 MHz
Diam 21 mm = 10.989 MHz
Diam 22 mm = 10.490 MHz
Diam 23 mm = 10.033MHz
En fait il vaut mieux parler de la formule permettant de calculer cette résonnance ..............
Résonnance cavité ronde = 230,77 : par le diamètre intérieur .
------------------------
A présent, je voudrais ouvrir une parenthèse qui m'à inquiété et dont j'ai été surpris.
En faisant des essais sur différents filtres décrits plus haut, j'ai fait la constatation suivante : lors de la déconnection d'un des filtres en test , je me suis aperçu d'une réaction inhabituelle du-dit- filtre, en effet , lors de la déconnection de la liaison " SMA " en sortie de filtre , il y à eu à un moment précis, ou une courbe de réponse beaucoup plus " étroite "est apparue , juste au moment ou la" pin " centrale de la fiche " SMA "venait à ne plus être connectée " électriquement ".A ma grande surprise , à ce moment précis, , la courbe de réponse du filtre est venue prendre une forme inhabituelle, une forme beaucoup plus étroite . Je rajoute de suite que cette "position " semble " critique à maintenir" car il y va de quelques dixièmes de mm .J'en ai donc conclu que lorsque l'énergie " HF " était transmise via une capa de trés faible valeur ,( cela pourrait être de l'ordre de 0.3 à 0.5 Pf ), le filtre se comporte autrement en matière de bande passante , pour devenir beaucoup plus étroit .Suite à cette constatation j'ai donc réalisé une liaison "SMA " ayant une " air gap " c.à.d. n'ayant pas de contact "electrique " réel, mais présentant en fait une trés faible capacité, et en utilisant cette liaison le phénomène était réellement visible et contrôlable .La courbe de réponse ci dessous en est le résultat . Ce résultat est le même, que le connecteur à "air gap " soit placé en entrée ou en sortie de filtre .Si quelqu'un y trouve une explication , contactez moi , expliquez moi cela .
ci dessous la bande passante obtenue, réellement surprenante avec des pertes d'insertion acceptables.
17- 01- 2009 : en déplaçant l'endroit de ce connecteur spécial par rapport au filtre, on déplace la fréquence centrale du filtre sans en altérer la courbe .Un déplacement de 40 mm engendre une variation de fréquence centrale de 24 MHz env. !!!!
Sur un deuxième filtre les résultats ontenus sont meilleurs .
Largeur de bande : à 3 dB = 20 MHz, à10 dB =40 MHz, à 20 dB =79 MHz et à 30 dB = 180 Mhz
Ci dessous la fiche "SMA " spéciale utilisée pour le test .
Essais avec 3 cavités
Voici quelques résultats obtenus en mettant 3 cavités en cascade .
Le fitre est devenu plus sélectif et les pertes d'insertion sont restées entre 1.8 et 2.3 dB selon l'utilisation de vis nylon ou métalliques .Sur ce type de filtre à 3 cavités le phénomène mentionné au dessus ( en rouge ) n'est pas apparu.On s'aperçoit que le filtre utilisant 3 vis nylon est le plus étroit .Un essai en utilisant des vis en téflon donnerait certainement de meilleurs résultats .
Les courbes changent de forme en fonction de l'utilisation de vis métal " ferreux ou non ferreux "
Filtre à résonateur céramique (DRO )
Quelques spécimens utilisés lors des essais .
Ci dessous un essai de filtre passe bande utilisant un "DRO " dans un capuchon laiton traditionel.La différence avec les filtres connus sur 10 GHz réside dans la position des "probes " in et out qui sont là aussi pratiquées latéralement , et non pas sur le dessous,et d'autre part, la vis de règlage est garnie du résonateur ( collé ) Ce résonateur n'est donc pas monté sur un substrat , mais uniquement collé sur la vis de règlage . A ma grande surprise, la bande passante de ce type de filtre s'avère trés large avec cependant une coupure brusque aux 2 extrémités et une ondulation résiduelle demandant à être améliorée.Un essai en plaçant le DRO sur le fond de la cavité s'est soldé par l'apparition de nombreuses résonnances parasites.
Sur l'image au dessus à droite , la pastille DRO est simplement posée à l'envers sur la vis,pour la photo.
En réalité celle ci est collée comme le montre le schéma au dessus à gauche.
Ci dessous la courbe obtenue ayant trop d'ondulation sur un côté mais des " flancs" trés " raides "
La courbe de réponse est trés différente selon le type de résonateur utilisé.
Ci dessous un essai qui à était un échec .De nombreuses résonnances indésirables n'ont pas pu être supprimées.
Il aurait sans doute fallu cloisonner les 3 étages ??????????
Ces essais sont partiellement basés sur les brevets suivants : publication n° 0392417 - n° 0064799 et n° 6538533
20 - 05 - 2107
Voici un modèle 4 cavités .
En dessous on distingue le picot de la SMA qui fait 2 mm de long .Il faut impérativement essayer plusieurs longueurs de ce picot !!!!
On remarquera que les rondelles ne sont plus percées sur la périphérie .En perçant uniquement les deux flasques dotées des SMA"
cela permet un démontage - remontage plus simple et plus rapide pour les essais ...............
Ci dessous la courbe de réponse, l'ondulation résiduelle fait env 0.5 dB
La largeur à 3 dB = 284 MHz
à 10dB = 388 MHz
à 20 dB = 454 MHz
à 30 dB = 593 MHz
La réalisation de filtres est souvent liée à de la " mécanique " , et sur les fréquences trés élevées cela se sent plus encore .Pour la bande des 3 cm ( 10 GHz ) les filtres utilisés couramment sont souvent conçus à l'aide de capuchons en laiton utilisés en tant que bouchon d'extrémité par les installateurs sanitaires sur des canalisations en cuivre. Ces filtres , facile à réaliser, présentent malheureusement une courbe de réponse assez large à la base, et cette courbe ressemble plus à un chapeau " Napoléonien " qu'à un un filtre. J'ai tenté pour ma part d'améliorer ces filtres en essayant d'exploiter d'autres modes de transmissions .Tout d'abord , sur un premier type, je me suis servi de 2 cavités règlables et couplées entre elles par un " iris ". . Comme l'on peut le voir sur les images, les 2 cavités cylindriques sont séparées par une paroi à trou ( iris ) Chaque cavité est dotée d'une vis de règlage en teflon, ou nylon .Suite à de nombreux essais , un test avec des vis métalliques à également donné des résultats valables.Sur les images on voit également que la courbe de réponse est " malléable "si je puis dire car on arrive aisément à resserrer ou élargir cette courbe suivant l'utilisation du filtre. Son "facteur de forme " n'est bien entendu pas comparable à celui d'un filtre en guide d'onde, qui lui, reste parmi les plus efficaces .Pour la réalistion on prépare d'abord les 2 cavités constituées de cylindres de 21mm de diamètre intérieur et de 8 mm de hauteur ( résonnance à 10800 MHz sans les vis de règlage ).Sur leur circonférence est pratiqué un taraudage recevant une vis " M6 "Ce taraudage demande des explications .En effet , au vu de la mince paroi, il ne faudra pas passer les 3 taraux ( N° 1-- N° 2 --N° 3 ) sinon la vis aura trop de jeu .La place manquant pour souder un écrou à cet endroit .Il faut donc passer le tarau N° 1 et essayer la vis .Dans la plus part des cas il faudra passer partiellement seulement, le tarau N°2 et refaire un essai avec la vis de façon à pouvoir règler celle ci par " frottement " dur. La paroi centrale est percée d'un trou de 5.5 mm constituant l'iris.Les 2 autres parois sont garnies respectivement de façon centrale, d'une prise type "SMA ". ( soudée !!! ) Les 2 éléments transmettant l'énergie "HF " sont simplement constitués par les picots des "SMA " raccourcis à env 1 mm.
Voici 3 formes de courbes obtenues lors des premiers tests ou l'on s'aperçoit de suite que ces filtres vont être utilisables
Ci dessous les pièces en laiton avant assemblage .On y voit toutes les parties du filtre, sans les vis .
Lors de l'assemblage il faudra veiller à pratiquer des soudures le plus proprement possible et éviter de mettre trop d'étain, ce qui à souvent comme effet de créer des " aspérités " non appréciées sur ces fréquences .
Sur les 2 images en dessous on s'aperçoit que les 2 filtres sont réalisés de façon légèrement différente.
Résonnance de cavités cylindriques en fonction du diamètre de la cavité .
Diam 20 mm = 11.538 MHz
Diam 21 mm = 10.989 MHz
Diam 22 mm = 10.490 MHz
Diam 23 mm = 10.033MHz
En fait il vaut mieux parler de la formule permettant de calculer cette résonnance ..............
Résonnance cavité ronde = 230,77 : par le diamètre intérieur .
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A présent, je voudrais ouvrir une parenthèse qui m'à inquiété et dont j'ai été surpris.
En faisant des essais sur différents filtres décrits plus haut, j'ai fait la constatation suivante : lors de la déconnection d'un des filtres en test , je me suis aperçu d'une réaction inhabituelle du-dit- filtre, en effet , lors de la déconnection de la liaison " SMA " en sortie de filtre , il y à eu à un moment précis, ou une courbe de réponse beaucoup plus " étroite "est apparue , juste au moment ou la" pin " centrale de la fiche " SMA "venait à ne plus être connectée " électriquement ".A ma grande surprise , à ce moment précis, , la courbe de réponse du filtre est venue prendre une forme inhabituelle, une forme beaucoup plus étroite . Je rajoute de suite que cette "position " semble " critique à maintenir" car il y va de quelques dixièmes de mm .J'en ai donc conclu que lorsque l'énergie " HF " était transmise via une capa de trés faible valeur ,( cela pourrait être de l'ordre de 0.3 à 0.5 Pf ), le filtre se comporte autrement en matière de bande passante , pour devenir beaucoup plus étroit .Suite à cette constatation j'ai donc réalisé une liaison "SMA " ayant une " air gap " c.à.d. n'ayant pas de contact "electrique " réel, mais présentant en fait une trés faible capacité, et en utilisant cette liaison le phénomène était réellement visible et contrôlable .La courbe de réponse ci dessous en est le résultat . Ce résultat est le même, que le connecteur à "air gap " soit placé en entrée ou en sortie de filtre .Si quelqu'un y trouve une explication , contactez moi , expliquez moi cela .
ci dessous la bande passante obtenue, réellement surprenante avec des pertes d'insertion acceptables.
17- 01- 2009 : en déplaçant l'endroit de ce connecteur spécial par rapport au filtre, on déplace la fréquence centrale du filtre sans en altérer la courbe .Un déplacement de 40 mm engendre une variation de fréquence centrale de 24 MHz env. !!!!
Sur un deuxième filtre les résultats ontenus sont meilleurs .
Largeur de bande : à 3 dB = 20 MHz, à10 dB =40 MHz, à 20 dB =79 MHz et à 30 dB = 180 Mhz
Ci dessous la fiche "SMA " spéciale utilisée pour le test .
Essais avec 3 cavités
Voici quelques résultats obtenus en mettant 3 cavités en cascade .
Le fitre est devenu plus sélectif et les pertes d'insertion sont restées entre 1.8 et 2.3 dB selon l'utilisation de vis nylon ou métalliques .Sur ce type de filtre à 3 cavités le phénomène mentionné au dessus ( en rouge ) n'est pas apparu.On s'aperçoit que le filtre utilisant 3 vis nylon est le plus étroit .Un essai en utilisant des vis en téflon donnerait certainement de meilleurs résultats .
Les courbes changent de forme en fonction de l'utilisation de vis métal " ferreux ou non ferreux "
Filtre à résonateur céramique (DRO )
Quelques spécimens utilisés lors des essais .
Ci dessous un essai de filtre passe bande utilisant un "DRO " dans un capuchon laiton traditionel.La différence avec les filtres connus sur 10 GHz réside dans la position des "probes " in et out qui sont là aussi pratiquées latéralement , et non pas sur le dessous,et d'autre part, la vis de règlage est garnie du résonateur ( collé ) Ce résonateur n'est donc pas monté sur un substrat , mais uniquement collé sur la vis de règlage . A ma grande surprise, la bande passante de ce type de filtre s'avère trés large avec cependant une coupure brusque aux 2 extrémités et une ondulation résiduelle demandant à être améliorée.Un essai en plaçant le DRO sur le fond de la cavité s'est soldé par l'apparition de nombreuses résonnances parasites.
Sur l'image au dessus à droite , la pastille DRO est simplement posée à l'envers sur la vis,pour la photo.
En réalité celle ci est collée comme le montre le schéma au dessus à gauche.
Ci dessous la courbe obtenue ayant trop d'ondulation sur un côté mais des " flancs" trés " raides "
La courbe de réponse est trés différente selon le type de résonateur utilisé.
Ci dessous un essai qui à était un échec .De nombreuses résonnances indésirables n'ont pas pu être supprimées.
Il aurait sans doute fallu cloisonner les 3 étages ??????????
23 - 12 -
2009 Voici un dernier test effectué
sur un filtre à 6 cavités .
Les courbes de réponse ont été enregistrées sans dérègler le "span " du vobulateur afin de bien montrer la différence par rapport à un filtre à une seule cavité .
En fignolant les règlages on arrive à aplanir les 2 pics visibles sur la courbe de droite ,correspondant au filtre à 6 cavités .
La perte d'insersion du filtre à 6 cavités à été de 1,4 dB .Un deuxième exemplaire , également avec des vis en laiton,à donné 0.4 dB de pertes aprés "fignolage " du règlage . Attention , le règlage est trés pointu !!!!!!!! L'utilisation de vis " micrométriques" faciliterait la mise au point .
Les courbes de réponse ont été enregistrées sans dérègler le "span " du vobulateur afin de bien montrer la différence par rapport à un filtre à une seule cavité .
En fignolant les règlages on arrive à aplanir les 2 pics visibles sur la courbe de droite ,correspondant au filtre à 6 cavités .
La perte d'insersion du filtre à 6 cavités à été de 1,4 dB .Un deuxième exemplaire , également avec des vis en laiton,à donné 0.4 dB de pertes aprés "fignolage " du règlage . Attention , le règlage est trés pointu !!!!!!!! L'utilisation de vis " micrométriques" faciliterait la mise au point .
Ces essais sont partiellement basés sur les brevets suivants : publication n° 0392417 - n° 0064799 et n° 6538533
20 - 05 - 2107
Voici des infos
complémentaires sur la fabrication des filtres 10
GHz...................
Aprés avoir trouvé du tube laiton de diamètre ext 30 mm, et de diam int 20 mm j'ai repris les tests sur ces filtres .
D'abord merci à Francis de F1IRN pour le "saucissonnage " au tour , du tube en rondelles de 8 mm d'épaisseur .
Ceci à permis de tarauder un trou de "M6 " dans la paroi suffisamment épaisse cette fois ci.
Je me suis limité à 2 - 3 et 4 cavités pour les essais , cela à permis de rester dans des proportions raisonnables au point de vue pertes d'insertion .
Le tube laiton était trés lisse à l'intérieur .Les séparations ont d'abord été réalisées avec de l'aluminium tés fin , entrainant des pertes .Par la suite
j'ai utilisé du clinquant de cuivre 0.3 mm d'épaisseur .Finalement les parois internes des rondelles laiton on été recouvertes d'argent liquide , cela à permis
de grignoter plus de 1 dB !!! pour les pertes , j'ai essayé des vis métalliques et des vis nylon .Le résultat est sensiblement identique .Les pertes d'insertion sont
à présent nettement meilleures .J'ai mesuré 0.6 dB pour le modèle à 4 cavités, les 3 et 2 cavités ont encore moins de pertes .A l'origine , le diamètre
interne était prévu à 21.6 mm par l'auteur , je suis resté à 20 mm., cela à pour conséquence le fait de visser plus profondément les vis de réglage .
voici des images .
D'abord les différentes pièces .Note importante , pour l'utilisation de vis métalliques , on peut enrouler quelques tours de téflon trés fin sur les vis
cela supprime la nécessité d'un "contre écrou " de blocage , ne permet cependant pas un très grand nombre de manoeuvres ......
Le réglage est facilité par cette astuce et reste trés doux !!
Ce téflon se trouve au rayon " installation sanitaire " en grande surface .
Aprés avoir trouvé du tube laiton de diamètre ext 30 mm, et de diam int 20 mm j'ai repris les tests sur ces filtres .
D'abord merci à Francis de F1IRN pour le "saucissonnage " au tour , du tube en rondelles de 8 mm d'épaisseur .
Ceci à permis de tarauder un trou de "M6 " dans la paroi suffisamment épaisse cette fois ci.
Je me suis limité à 2 - 3 et 4 cavités pour les essais , cela à permis de rester dans des proportions raisonnables au point de vue pertes d'insertion .
Le tube laiton était trés lisse à l'intérieur .Les séparations ont d'abord été réalisées avec de l'aluminium tés fin , entrainant des pertes .Par la suite
j'ai utilisé du clinquant de cuivre 0.3 mm d'épaisseur .Finalement les parois internes des rondelles laiton on été recouvertes d'argent liquide , cela à permis
de grignoter plus de 1 dB !!! pour les pertes , j'ai essayé des vis métalliques et des vis nylon .Le résultat est sensiblement identique .Les pertes d'insertion sont
à présent nettement meilleures .J'ai mesuré 0.6 dB pour le modèle à 4 cavités, les 3 et 2 cavités ont encore moins de pertes .A l'origine , le diamètre
interne était prévu à 21.6 mm par l'auteur , je suis resté à 20 mm., cela à pour conséquence le fait de visser plus profondément les vis de réglage .
voici des images .
D'abord les différentes pièces .Note importante , pour l'utilisation de vis métalliques , on peut enrouler quelques tours de téflon trés fin sur les vis
cela supprime la nécessité d'un "contre écrou " de blocage , ne permet cependant pas un très grand nombre de manoeuvres ......
Le réglage est facilité par cette astuce et reste trés doux !!
Ce téflon se trouve au rayon " installation sanitaire " en grande surface .
Voici un modèle 4 cavités .
En dessous on distingue le picot de la SMA qui fait 2 mm de long .Il faut impérativement essayer plusieurs longueurs de ce picot !!!!
On remarquera que les rondelles ne sont plus percées sur la périphérie .En perçant uniquement les deux flasques dotées des SMA"
cela permet un démontage - remontage plus simple et plus rapide pour les essais ...............
Ci dessous la courbe de réponse, l'ondulation résiduelle fait env 0.5 dB
La largeur à 3 dB = 284 MHz
à 10dB = 388 MHz
à 20 dB = 454 MHz
à 30 dB = 593 MHz