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Article

1 - CARACTÉRISATION D'UN FILTRE

2 - POINTS COMMUNS ET DIFFÉRENCES ENTRE FILTRES ÉLECTROACOUSTIQUES

3 - FILTRES À ONDES DE SURFACE (SAW)

4 - RÉSONATEURS ET FILTRES À ONDES DE VOLUME SUR COUCHES MINCES (FBAR)

5 - COMPARAISON DES TECHNOLOGIES DE FILTRES ACOUSTIQUES

Article de référence | Réf : E2000 v1

Points communs et différences entre filtres électroacoustiques
Composants acoustiques utilisés pour le filtrage - Revue des différentes technologies

Auteur(s) : William STEICHEN, Sylvain BALLANDRAS

Date de publication : 10 févr. 2008

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Auteur(s)

  • William STEICHEN : Ancien Responsable Recherche et développement filtres SAW, TEMEX - Ingénieur physicien

  • Sylvain BALLANDRAS : Directeur de recherche CNRS - Docteur en Sciences pour l'Ingénieur, HDR

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INTRODUCTION

La notion de filtrage électrique est apparue avec les premiers systèmes de communication utilisant des bandes spectrales très étroites. Dans les années 1910, les premiers ingénieurs radioélectriciens envisagent la possibilité de transmettre plusieurs communications téléphoniques sur une même ligne : ils utilisent pour ce faire une modulation du signal autour d'une fréquence porteuse, différente pour chaque canal de communication. C'est la même idée qui préside encore aujourd'hui dans pratiquement toutes les communications multiplexes (comme dans le cas du dégroupage où la téléphonie, la télévision et les transmissions numériques coexistent sur une même ligne de transmission). De cette manière, le spectre du signal est réparti dans une bande de fréquence centrée autour de la fréquence porteuse. À la réception, la sélection d'un canal spécifique nécessite un filtrage du signal pour ne sélectionner que la bande utile. On en arrive donc à la notion de filtre sélectif, capable d'éliminer efficacement tout signal hors bande utile sans pour autant altérer de façon trop importante l'information transmise. Au départ, des filtres linéaires à éléments discrets de type résistance, inductance et capacité (R, L, C ) sont utilisés pour assurer des opérations de filtrage à des fréquences allant de 10 à 40 kHz. L'utilisation de méthodes de communication exploitant les ondes hertziennes et le besoin d'élargir les bandes utiles pour augmenter la quantité d'information véhiculée imposent rapidement la mise au point d'autres principes de filtrage, mieux adaptés à de tels besoins. La réalisation d'éléments passifs stables et compacts pour le filtrage a également poussé à rechercher des solutions alternatives aux guides d'ondes et cavités résonantes électromagnétiques généralement efficaces mais chères et encombrantes.

Les techniques de filtrage ont été rapidement étendues par l'introduction d'éléments actifs permettant de résoudre entre autre le problème des pertes dans la bande utile, généralement importantes, associées à l'utilisation d'éléments passifs (RLC ). Néanmoins, et malgré les progrès incessants de la microélectronique, les bandes passantes des circuits actifs d'amplification restent souvent peu compatibles avec les applications « télécoms » pour lesquelles les fréquences de travail ne cessent d'augmenter. De nombreuses tentatives ont été engagées pour remplacer le filtrage linéaire analogique par des techniques numériques. Celles-ci supposent l'existence de composants électroniques capables d'échantillonner et de traiter le signal à des fréquences également très élevées, et s'avèrent moins immunes aux parasites et aux effets de recouvrement spectral que les composants passifs.

On s'intéresse ici aux filtres « électriques », fondés sur l'utilisation de composants acoustoélectriques, dont la destination est d'être insérés dans un circuit électronique afin de réaliser une fonction de filtrage en fréquence. L'objet de cet article est de décrire et de comparer entre elles des technologies de filtres passifs appartenant à une catégorie particulière que sont les filtres « acoustiques » basés sur une conversion d'énergie électrique en énergie acoustique et vice versa. Un second article [E 2 001] sera consacré à la modélisation de ces filtres.

On limitera l'analyse aux filtres de bande, non dispersifs, parce que c'est le seul terrain commun à l'ensemble des filtres électroacoustiques. La technologie des ondes de surface permet par ailleurs d'adresser le domaine des filtres analogiques dispersifs, mais il s'agit là d'un sujet très spécifique.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e2000


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2. Points communs et différences entre filtres électroacoustiques

  • Différence fondamentale avec les filtres électromagnétiques

    Le point commun à tous les filtres électroacoustiques est qu'ils utilisent la conversion d'énergie électrique en énergie acoustique et vice versa. L'intérêt de ce passage dans le domaine acoustique est que la propagation des ondes acoustiques se fait avec une vitesse beaucoup plus faible que celle des ondes électromagnétiques. Selon les matériaux et les coupes cristallines, la vitesse acoustique se situe entre 2 000 et 10 000 m/s, au lieu de 300 000 km/s pour les ondes électromagnétiques. Les dimensions d'un composant étant proportionnelles à la longueur d'onde, il en résulte qu'à une fréquence donnée un filtre acoustique sera beaucoup plus petit qu'un filtre électromagnétique. Au-delà de quelques gigahertz, cela devient au contraire un inconvénient.

  • Transduction, effet piézoélectrique

    La transformation de l'énergie électrique en énergie acoustique s'appelle la « transduction ». Plusieurs principes permettent cette transformation :

    • le couplage capacitif (principe du condensateur vibrant) ;

    • le couplage électromagnétique (principe du haut-parleur à bobine) ;

    • l'électrostriction ;

    • l'effet piézoélectrique ;

    • l'effet piézomagnétique ;

    • la magnétostriction.

    Le couplage capacitif est le plus utilisé dans les résonateurs micro-usinés collectivement (ou MEMS pour Micro-Electro- Mechanical-Systems ). Il est non linéaire par nature mais un comportement quasi linéaire peut être obtenu pour des petits signaux grâce à l'application simultanée d'un champ électrique continu.

    Le couplage électromagnétique, de même que l'effet piézomagnétique ou la magnétostriction sont peu utilisés en raison de la difficulté pratique de générer des champs magnétiques dans des encombrements réduits et des pertes joules dans les bobines aux petites dimensions.

    L'électrostriction, non linéaire à la base, est peu utilisée. L'effet est très faible dans la plupart des matériaux. De même que pour les dispositifs électrostatiques, un comportement quasi linéaire peut être obtenu par l'application d'un champ électrique continu.

    L'effet piézoélectrique est de loin le...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WHITE (R.), VOLTMER -   Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves.  -  Applied Physic Letters 7, 314-316 (1965).

  • (2) - RAYLEIGH (L.) -   On waves propagating along the plane surface of an elastic solid.  -  Proc. London Math. soc., 17, 4-11 (1885).

  • (3) - TANCRELL (R.H.), HOLLAND (M.G.) -   Acoustic Surface Wave Filters.  -  Proc. IEEE, vol. 59, no 3, p. 393-409 (1971).

  • (4) - TANCRELL (R.H.) -   Principles of surface wave filter design.  -  In Matthews, H.(ed), « Surface Wave Filters, Design, Construction and Use ». Wiley Interscience (1977).

  • (5) - NARAINE (P.M.), CAMPBELL (C.K.) -   Wide band linear phase saw filters using apodized slanted finger transducers.  -  Proc. of the IEEE Ultrasonics Symposium, p. 113-116 (1983).

  • (6) - SOLIE (L.P.) -   Tapered transducers – design and applications.  -  ...

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