Brevet FR2002792A1 — publié le 19691031

La présente invention se rapporte a' des coupleurs díffe- ^entiels à quadrature à impédance localisée. et plus spécIale- mes à des coupleurs ayant deux bandes conductrices congruentes, chacune étant liée à une face d'un isolant diélectrique. Les coupleurs différentiels à quadrature à impédance localisée connus actuellement comportent une paire de fils torsadés dont la capacité et l'inductance série sont dimensionnées de maniez re à produire une impédance caractéristique particulière et un rapport de division d'énergie particulier. De tels coupleurs sont petits, efficaces et relativement peu coûteux mais la technique de torsion utilisée pour maintenir les fils en alignement correct, entraine un certain nombre de problèmes pratiques qui affectent préjudiciablement le out et les performances de ces coupleurs.Par exemple, étant donné que la capacité de la paire torsadée est fonction de l'épaisseur du diélectrique qui sépare les deux fils, des variations de l'épaisseur du revêtement isolant de l'un ou l'autre fil entraine des variations correspondantes des caractéris- tiques électriques du coupleur. En cours de fabrication, de telles variations réduisent le rendement et augmentent par conséquent le colit de chaque coupleur0 Une seconde difficulté provient du fait que, après torsion, les extrémités des fils doivent être séparées matériellement, puis dégarnies de leur isolant afin de réaliser un contact électrique avec le coupleur. Cette phase de séparation et de dénudage, qui constitue une phase séparée du procédéde fabrication, produit l'effet indésirable d'introduire une inductance parasite en série avec le coupleur, cette inductance parasite devant entre compensée en vue de maintenir les caractéristiques voulues du coupleur. Ici encore, la possibilité de variations indésirables des paramètres d'un coupleur à l'autre est sensible. La présente invention a donc pour objet de réduire le cot des coupleurs différent els à quadrature à impédance localisée et d'améliorer leur reproductibilité par l'utilisation de circuits imprimés. Au lieu d'une paire de fils torsadés, le coupleur comprend deux bandes onductrices congruentes, chacune desquelles est liée sur une face d'un isolant diélectrique. Selon une forme de réalisation de l'invention, les ban- des sont liées sur les Races opposées d'un organe diélectrique commun. Selon une autre forme de réalisation, les bandes sont liées à des organes diélectriques différents. Les dispositions permettent de faire usage de procédés et de matériaux qui donnent lieu à de grands nombres de coupleurs bien uniformisés. Rotant donné que es bandes conductrices sont djà nues et, partant, aisément accessibles, la phase de séparation et c dénudage se trouve éliminée au procède de fabrication, De plus, le contact peut être fait en un point quelconque des bandes ce qui assure une souplesse supplémentaire dans leur utilisation ainsi qu'on le verra plus loin en détail. Enfin, les coupleurs sen lon l'invention présentent des pertes qui sont typiquement d'un ordre de grandeur plus petites que celles des coupleurs connus a fils torsadés. L'invention apparaStra plus clairement à la lecture de la description qui J a suivre, faite en regard des dessins joints dns lesquels la Fig.1 montre une première forme de réalisation d'un coupleur différentiel à quadrature selon l'invention; ea Fig.2 est un circuit équivalent d'un coupleur différentiel à impédance localisée; la Fig.3 montre les variations de l'amplitude des composantes transmise et réfléchie, en fonction de la fréquence; les Fig.4,5 et 6 montrent d'autres formes de réalisation de cou pleurs différentiels selon l'invention; les Flg.7il6 illustrent diverses manières de connecter les cou pleurs selon l'invention à des circuits extérieurs; les Fig.17 et îa montrent une méthode pour réaliser un coupleur avec torsion de 180 degrés; les FSg4i9et 20 montrent les dispositions des branches dans les coupleurs sans torsion et dans les coupleurs avec tor sion de 180 degrés; les F#;21et 22 montrent une autre forme de réalisation du coupleur selon l'invention, dans laquelle chacune des deux bobines d'induction est montée sur un organe diélectrique séparé. La Fig 1. montre une première forme de réalisation d'un coupleur differentiel à quadrature 10 selon l'invention, connecté à quatre lignes de transmission à bandes parallèles, Par coupleur différentiel à quadrature on entend un réseau diviseur d'énergie comportant quatre branches agencées par paires, les branches constituant chaque paire étant conjuguées l'une l'autre et couplées aux branches de l'autre paire. De plus, les composantes de signal sont déphasées de 900, d'où l'expression "à quadrature", Le coupleur 10 représenté sur la Fig.1 en enforme de U, comprend un organe intérieur 15 constitué d'un diélectrique à faitias perLes,et deux conducteurs extérieurs sensiblement identiques 16 et 17. Ces conducteurs sont liés aux surfaces opposées de l'organe diélectrique et se trouvent donc isolés électriquement l'un de l'autre, En pratique, le coupleur est réalisé le plus commodément à partir de feuilles d'isolant revêtu d'un conducteur que lton trouve dans le commerce, par un processus de perforation. Dans cette forme de réalisation particulière, le coupleur est monté sur un isolant 25 et les quatre branches 1, 2, 3 et 4 sont connectées aux bandes conductrices 11, 12, 13 et 14 respectivement. Ces dernières sont des éléments de quatre lignes de transmission à bandes qui comprennent en outre l'isolant 25 et un plan de masse commun 26, Pour des raisons qui apparaitront plus loin, le coupleur selon laFig*1 comporte encore quatre petites réglettes métalliques 21, 22, 23 et 24 connectées en shunt sur les lignes de transmission à proximité du coupleur 10, Le coupleur 10 est du type à impédance localisée , c'est à-dire que la distance électrique entre les branches est une petite fraction de la longueur d'onde aux fréquences d'utilisation, On peut citer comme typiques des longueurs de l'ordre de un huit ième de la longueur d'onde et moins encore. Le circuit équivalent du coupleur peut astre représenté par des éléments à impédance localisée comme le montre laBYg.2.Dans ce circuit équivalent, la self-inductance de chaque conducteur 16, 17 est représentée par une bobine d'induction, d'inductance L,mesurée d'une façon commode en connectant les deux bobines d'induction en parallèle et en doublant l'inductance mesurée, Par suite de la proximité étroite de ces deux conducteurs et de leur étendue identique, leur inductance mutuelle est approximativement égale à la self-inductance d'un conducteur unioue. Dans la mesure où l'inductance mutuelle est réellement un peu plus petite que L, il existera une certaine inductance de fuite qui est représentée sur la Fig 2 par quatre bobines d'induction égales,d'inductance ty La capacité entre les deux conducteurs est représentée par les quatre capacités en pointillé et est indiquée par C.(Il convient de remarquer que, puisque le coupleur est du type à impédance localisée,la disposition des divers éléments dans le circuit équivalent est arbitraire), On peut montrer que l'impédance caractéristique Z0 d'un réseau différentiel du type représenté sur la Fig2, est donnE par la formule : et que le rapport de division est égal à l'unité à une fréquence donnée par : Pour compenser l'inductance de fuite, une capacité c est ajoutée dans chaque branche de telle sorte que Dans la forme de réalisation illustrées la ca- pacité de compensation est réalisée par les quatres réglettes con ductrices 21, 22, 23 et 24. Lorsqu'un signal unité est appliqué à la branche 1 du coupleur 10, il se trouve divisé en deux composantes en quadrature Z et k dans les branches 3 et 2 respectivement, et l'on a o |t| 2 SIEI 2 = 1. La variation d'amplitude de ces deux composan tes, en fonction de la fréquence, est représentée par les courbes 30 et 31 sur la Fig.3.La composante t ou composante transmise a une amplitude maximum à la fréquence zéro et son amplitude diminue à mesure que croit la fréquence, La composante k ou composante ré fléchie, par contre, a une amplitude minimum à la fréquence zéro et son amplitude augmente lorsque la fréquence augmente. Les deux comDosantes ont une amplitude égale à la fréquence #0. Les composantes t et k peuvent stexprimer mathématiquement couve suit: La division d'énergie est proportionnelle au carré des amplitudes des signaux , soit Le rapport de division R est alors O Cette dernière relation peut encore s'écrire La relation (8) donne la fréquence de croisement en fonction du rapport de division et de la fréquence d'utilisation, et elle sert de point de départ pour le calcul du réseau. Par exemple, en spécifiant le rapport de division voulu et la fréquence ce d'utilisation U , la fréquence wO du coupleur est donnée par (8). Ayant déterminé la fréquence de croisement, le rapport L/C stobtient à l'aide de la relation (2). Le produit LC s'obtient à partir de l'équation (1) en spécifiant une impédance caractéristi que pour le coupleur. A partir de ces relations les valeurs L et C du coupleur sont déterminées d'une façon biunivoque Les dimen- sions du coupleur peuvent alors entre déterminées, sachant que la capacité C d'une paire de plaques parallèles, de surface A, écar tées d'une distance d, est donnée sensiblement par : C 4#d et que la selfinductance L d'un conducteur rectangulaire est donnée par 2a b + c L = 0,00508a (2,303 Log (b+c) + 0,5 + 0R2235 a ) où a est la longueur du conducteur b est la largeur du conducteur c est l'épaisseur du conducteur, En raison de la complexité de l'expression de la self-inç ductance, cependant, et en raison de l'approximation due aux ef fets de proximité, la pratique a été de construire trois ou quatre coupleurs ayant la capacité voulue mais des dimensions différentes, et de mesurer l'impédance caractéristique du coupleur, Générales on peut déterminer aisément les dimensions d'un coupleur ayant ltimpédance voulue, à partir d'une courbeXde l'impédance en fonces tion des dimensions Il y a deux propriétés d'un coupleur à impédance localise qui le rendent particulièrement intéressant à l'usage, La premiers propriété est son indépendance relative à l'égard d'un plan de mas se quelconque. Il en résulte que le coupleur peut être utilisé avantageusement lorsque le plan de masse est peu défini ou lorsqu'il est nécessaire de passer d'un système de ligne de transmission Q bandes ayant un plan de masse à un second système ayant un plan de masse différent. (Bien que matériellement différends, les plans ds masse sont cependant connectés électriquement entre eux), La se- conde propriété intéressante est que pour toutes applications pra- tiques, le coupleur peut avoir une forme quelconque. Cela perme évidemment une grande souplesse dans la conception des circuits. Les Fig. 4 et 5 montrent diverses formes de réalisation de coupleurs qui illustrent comment ces deux propriétés peuvent titre utilisées, Par exemple, la Fig. 4 montre un coupleur 40 en forme de C et com prenant, comme dans l'exemple précédent, un organe isolant central 41 et deux organes conducteurs extérieurs 42 et 43, Le coupleur 40 sert à coupler deux systèmes de transmission différents 44 et 45. Le système supérieur 44 comprend deux bandes conductrices 46, 47 et un plan de masse commun 48 monté sur la face opposée de l'iso- lant 49, Le système inférieur 45 comprend les deux bandes conductrices 50 et 51 et un plan de masse commun 53 monté sur la face opposée de l'isolant 52. Les branches 1 et 2 du coupleur 40 sont connectées aux bandes 46 et 47 respectivement tandis que les bran ches 3 et 4 soit connectes aux bandes 50 et 51 respectivement0 La Fig.5 montre un coupleur 60 à profil linéaire, utilise pour coupler des lignes de transmission à bandes disposées sur les faces opposées deun plan de masse commun Les quatre lignes d transmission comprennent donc les bandes 61 et 62 disposées su l & surface supérieure de l'isolant 63, et les bandes 64 et 65 dispcsées sur la surface inférieure de l'isolant 63. Un plan de masse commun 67 est situé entre les isolants 63 et 66, Le coupleur 60 disposé dans un orifice 80 qui traverse les deux isolants 63 et 66, et dans le plan de masse commun 67,cc > rr prend un conducteur supérieur 70 qui se trouve en contact avec les bandes conductrices 61 et 62 à ses extrémités 1 et 33 et un conducteur inférieur 71 qui se trouve en contact avec les bandes con ductrices 64 et 65 à ses extrémités 2 et 4. Les deux conducteurs 70 et 71 sont séparés au moyen d'un isolant 72. La fig.6 montre le même coupleur 60 et les lignes de trans- mission 61,62,64 et 65 disposes sur la même face du plan de masse 67. Sur cette figure, on retrouve les mêmes références numériques que sur la fig. 5. Les Fig. 7 à 16 montrent différentes façons de connecter un coupleur à des circuits. La figs 7 montre les montages les plus simples : le conducteur gauche tt du coupleur 87 est soudé à la li gne de transmission 94, le conducteur droit 89 est connecté à la ligne de transmission 95 au moyen d'une équerre conductrice en L qui se trouve mise en place par pression mécanique ou par soudage par point. La Fig,7 illustre également un montage pour augmenter la capacité du coupleur0 Dans cette forme de réalisation, les deux ex trémités du coupleur stétendent sur une distance d au-delà des points de contact avec les conducteurs 94 et 95 au travers d'une ouverture ménagée dans l'isolant 32 et dans le plan de masse 33. La partie prolongée augmente la capacité du coupleur sans en augmen- ter l'inductance, procurant ainsi un moyen de réglage auxiliaire de l'impédance caractéristique, La Fig. 8 illustre l'utilisation d'un réceptacle isolé pour maintenir le coup leur 78 et pour connecter les branches corroie pondantes du coupleur aux lignes de transmission 34, 35ç 36 et 37 Les avantages de ce montage résident dans le fait que le coup leur 78 peut être aisément retiré et remplacé selon les besoins, Le contact entre les branches du coupleur peut être réalisé de divers ses façons dont deux sont illustrées sur les Fige 9 à 12. La Fig. 9 montre la face inférieure du réceptacle 79 et notamment, les évidements 81, 82, 83 et t4. Les évidements sont prtvus pour loger des boules de fil entrelacé. Une boule est insu, rée dans chacun des évidements. Lorsque le réceptacle est visse er position comme le montre la ?i%lO,les boules sont comprimées, faisant contact avec le coupleur et avec les lignes de transmission,La Figno est une vue en coupe transversale du réceptacle 79 et montre les boules 85 et 86 qui se trouvent comprimées et établissent le contact entre les faces opposées 76 et 77 du coupleur 78 d'une part et les lignes de transmission 35 et 37 d'autre part, respectivement. La Fig.11 montre l'utilisation de languettes métalliques 90, 91, 92 et 93 pour établir le contact entre le coupleur et les lignes de transmission. Comme montré sur le dessin, chaque langui te s'étend sous le réceptacle afin de venir en contact avec une ligne de transmission, et le long de la face intérieure de ltou- verture 95 afin de venir en contact avec une branche du coupleur. La Fig.12 montre une languette 98 isolée ainsi qutune lan guette 99 montée dans le réceptacle 79. Les Fig,13 et 14 montrent un coupleur et une disposition de montage comprenant un mécanisme de verrouillage destiné à assurer que le coupleur ne puisse être délogé accidentellement. Le coupleur 100, représente sur la Fig.13, comprend des bandes conductrices 101 et 102 montées sur les faces opposées d'un organe diélectrique intérieur 103. Une- ouverture de sûreté 104 est découpee dans l'organe diélectrique. LaCFig.14 est une vue en coupe transversale du coupleur 100 et d'un réceptacle 106 du type décrit plus haut mais adapté pour présenter deux rebords de verrouillage 107 et 108. Lorsque la coupleur est inséré dans le réceptacle, les deux rebords se donnent jusqu'à ce qu'ils soient alignés avec l'ouverture 104 pratiquée dans organe diélectrique du coupleur. A ce moment les rebords se dégagent et pénètrent dans l'ouverture 104, empêchant ainsi le délogement accidentel du coupleur hors du réceptacle, Pour dégager le coupleur, on introduit des pièces afin de faire rentrer les deux rebords, ce qui libère le coupleur et lui permet d'être extrait du réceptacle. La!Fig lf montre un autre agencement de verrouillage, dans lequel l'organe de verrouillage fait partie intégrante du coupleur. L'organe diélectrique 140 du coupleur 141 est pourvu de deux éyi dements 142 et 143 adaptés pour recevoir la partie isolante 146 des lignes de transmission auxquelles le coupleur 141 est connecte. La --Fig 16 est une vue en bout montrant le coupleur 141 introduit dans une fente pratiquée dans l'isolant 146* Cette figure montre aussi une autre méthode pour établir le contact entre les conducteurs 150 et 151 du coupleur et les conducteurs 152 et 153 des lignes de transmission. Au lieu d'utiliser des équerres séparées comme illustré sur la Fig.7, une partie de chacun des conducteurs 150 et 151 est séparée de l'isolant 147 et, soit soudée, soit connectée d'une autre manière à la ligne de transmission correspondante. I1 a été dit au début de la présente description, lors qu'on s'est référé à la Figel, qu'un signal appliqué à la branche 1 du coupleur 10 se trouve divisé entre les deux branches 2 et 3, Les signaux de sortie sont donc présents sur des faces opposées du coupleur. I1 est cependant quelquefois plus commode de voir appas raitre les deux signaux de sortie sur la même face du coupleur. Cette disposition peut être réalisée en tordant le coupleur de 180 degrés autour d'un axe parallèle à la longue dimension du coupleur comme 1 montrent les Fig. 17 et a Pour réaliser un coupleur en forme U avec une torsion de 180 , on le réalise d'abord comme illustré sur la Fig. 17 : les bras parallèles opposés 110 et 111 stétendent de part et d'autre de la partie centrale 112. L'un des bras, par exemple 110, est alors tourné autour d'un axe parallèle à la partie centrale 112 jusquoà ce que les deux bras soient de nouveau parallèles mais cette fois du même côté de la partie centrale 112, comme montré sur la Fig.lt La Fig.19 montre le schéma d'un coupleur sans torsion de ltO , les branches 2 et 3 étant disposées sur les faces opposées du coupleur.La Fig.20 montre lteffet de la torsion de 1800 sur la disposition des branches 2 et 3* En plus de la redisposition des branches on a constaté que les pertes d'un coupleur à torsion de 1800 sont de l'ordre du tiers de celles d'un coupleur équivalent ne comportant pas de torsion, On admet que le coupleur à torsion a une perte par rayonnement plus faible que le coupleur sans torsion par suite d'effets similaires à ceux qui favorisent l'utilisation de la transposition des conducteurs dans les lignes de transmission d'énergie Dans tous les coupleurs qui ont été décrits jusqutà présent, les bandes conductrices étaient posées sur les faces oppo- sées d'un organe diélectrique solide commun. On choisit habituellement un diélectrique présentant des propriétés électriques et mécaniques favorables, et parmi les propriétés électriques considérées figure la perte,Cela revêt une importance particulière si l'on sait que dans un certain nombre d'applications des coupleurs on prévoit de tels coupleurs par dizaines de milliers dans degranda réseaux binaires I1 existe cependant des matériaux qui, bien que présentant des propriétés mécaniques favorables, 1a présentent que des propriétes électriques défavorables ,Certains diélectriques, par exemple, sont d'excellents puits de chaleur mais présentent des pertes éle- vées, I1 est donc avantageux de prévoir certains moyens grâce aux. quels les principes de l'invention puissent être adaptés pour ren- dre l'utilisation de ces matériaux possible tout en évitant les ef- fets défavorables dûs à leur propriétés électriques médiocres, Un tel moyen est illustré sur la Fig. 21. Dans le montage selon la Fig. 21, les bandes conductriç ces 190 et 191 sont montées sur des surates adjacentes de deux organes diélectriques séparés 192 et 193 respectivement, Dans les cas particuliers où ce type de montage a été utilisé, le diélectrique a été choisi en raison de son coefficient de conductivité ther- mique relativement élavé et a été utilisé comme puits de chaleur pour le coupleur, Toutefois, étant donné que ce diélectrique était aussi caractérisé par un coefficient de pertes relativement élevé contrairement à la catégorie de diélectriqueb utilisés précédemmert, il était nécessaire qu'aucune partie de ce diélectriTle ne soit située dans le champ électrique entre les deux conducteurs, Le diélectri- que entre les conducteurs est avantageusement constitué d'airs le- quel , outre qu'il présente une perte faible, a une constante diélectrique relativement faible, qui permet aux deux conducteurs entre plus rapprochés. L'avantage qui résulte d'un écartement plus faible des conducteurs résida dans le fait qu'il réduit l'inductance de fuite. L'écartement entre conducteurs peut être maintenu de diverses manières. Dans la forme de réalisation illustrée, un dis- tanceur séparé 194 est inséré entre les organes 192 et 193. Le contact avec le coupleur est réalisé en prolongeant les extrémités des conducteurs sous les organes diélectriques formant des languettes de contact 200, 201, 202 et 203 qui sont soudées aux circuits extérieurs ou qui leur sont connectées d'une autre façon La a .22 montre le coupleur assemblé et comportant un dispositif à circulation d'eau pour assurer le refroidissement for cé du coupleur Toutes les autres références numériques sont iden- tiques à celles figurant sur la Fig. 21. REVENDICATIONS 1. Coupleur différentiel à quadrature comprenant une première et une seconde bobine d'induction ayant chacune une inductance L, ces bobines d'induction étant couplées entre elles et formant une capacité, de capacitance C,telle que le rapport de division d'énergie du coupleur soit égal à ltunité à une fréquence augulaire déterminée 0, caractérisé en ce que les bobines duin; duction sont constituées d'élément conducteurs en forme de rubans, sensiblement identiques, dont la longueur électrique est in- férieure au quart de la longueur d'onde à la fréquence Wo, et en ce que chacune des bobines d'induction est liée à la surface d'ur organe diélectrique. 2.- Coupleur différentiel à quadrature selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines d'induction sont liées aux faces opposées d'un organe diélectrique commun 3. Coupleur différentiel à quadrature selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines d'induction sont liées à des organes diélectriques séparés, 4.- Coupleur différentiel à quadrature selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un réceptacle est prévu pour recevoir le coupleur et pour connecter chaque extrémité des bobines d'induc- tion à un circuit extérieur. 5. Coupleur différentiel à quadrature selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que des moyens de verrouillage sont disposés sur le réceptacle afin de maintenir le coupleur en place. 6.- Coupleur différentiel à quadrature selon la revendication 4, caractérisé en cff que le réceptacle comprend des moyens pour connecter le coupleur à quatre lignes de transmission à bandes 7.- Coupleur différentiel à quadrature selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments sont tordus de 180 degrés autour d'un axe parallèle à leur dimension longuet 8.- Coupleur différentiel à quadrature selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le contact estréalisé avec le cou pleur entes points correspondants situés le long des deux élé- ments en forme de rubans, autres que leurs extrémités respectives, et en ce que la capacité totale C du coupleur est fonction de la longueur totale de ces éléments, tandis que l'inductance totale L du coupleur est fonction seulement deladistance prise le long de ces éléments entre les points de contact. 9,- Coupleur selon la revendication 1, dans lequel la pacité et l'inductance satisfont à la relatior