Brevet FR2003057A1 — publié le 19691107

La présente invention se rapporte à des discriminateurs hvperfréquences et plus particulièrement à des discrimateurs hvper-fréquences à lignes à bandes parallèles intégrées, à comparaison de phase. 5 On connaît une forme de discriminateur hvperfréquence dans laquelle un signal d'entrée atteint une sortie par deux itinéraires différents présentant des pertes identiques mais dont les longueurs diffèrent d'une quantité précise. Les ondes obtenues à la sortie ont donc des amplitudes identiques mais elles présentent 10 entre elles un déphasage qui est proportionnel à la fréquence de telle sorte qu'elles peuvent être additionnées afin de produire une amplitude nette proportionnelle à la fréquence. Bien que d'un principe simple, un tel discriminateur est malaisé à réaliser au moyen de dispositifs hvperfréquences disponibles étant donné que 15 les valeurs relatives de pertes et de phase requises pour les deux itinéraires sont très critiques s'il faut obtenir une fréquence de séparation définie et une caractéristique symétrique avec une sensibilité maximum. Ces difficultés se rencontrent à la fois dans les formes de réalisation à guides d'ondes et à lignes de transmission 20 coaxiales utilisant des coupleurs différentiels de 3 dB . La présente invention procure un discriminateur à comparaison de phase réalisé sous la forme d'une ligne à bandes parallèles grâce à l'introduction d'une désadaptation d'impédance, variable à la fois en grandeur et en position, combinée à des circu-25 latejirs disposés d'une façon particulière afin de diviser l'énergie entrante entre une voie indirecte à ligne à retard à bandes parallèles et une voie directe courte. Un réglage aisé de la désadaptation d'impédance permet à l'énergie entrante de se répartir entre les voies avec la phase correcte requise pour obtenir une 30 discrimination de part et d'autre d'une fréquence déterminée, dans une large bande de fréquences et avec l'amplitude correcte pour pouvoir régler les pertes relativement grandes de la voie indirecte. L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de 35 la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en plan du dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une vue éclatée, en perspective, d'une partie du dispositif selon la figure 1 ; 69 05533 2 2003057 - les figures 3, 4 et 5 sont des diagrammes vectoriels permettant d'expliquer le fonctionnement du dispositif selon l'ii; vention. La figure 1 montre une forme de réalisation d'un dis-. :• 5 minateur utilisant une ligne de transmission symétrique à mode .• •• • connue aussi sous le nom de ligne à bandes parallèles, dans laquelle un mince conducteur central se trouve disposé entre deux plàus de masse conducteurs. Il est bien entendu cependant que l'invention peut également s Appliquer à des lignes dissymétriques dans les™ 10 quelles un seul plan de masse est utilisé. Pour la simplicité au dessin on n'a pas représenté le plan de masse supérieur de mania-re à laisser voir la structure du conducteur central. Le circuit-est habituellement intégré dans un corps unique 10 en métal pressé ou coulé en un bloc, dans lequel sont formés des canaux 15 dont les surfaces intérieures plus larges forment les plans de masse. Le conducteur central 12 est, dans le cas d'espèce, support & dans ce canal en étant constitué d'un matériau conducteur plaqua imprimé sur une mince base en matériau à rigidité diélectrique élevée. Il est entendu cependant que l'invention peut être appliquée 20 à des lignes comportant un conducteur central autoportant ou à des conducteurs comprenant des surfaces plaquées ou imprimées en ir-structure sandwich. On peut suivre le tracé de la bande en partant de l'entrée 15 constituant une branche d'un premier circulateur 16 25 tant au moins trois branches, et assurant une transmission séoîi®n-tielle d'énergie entre les branches comme indiqué par les flèe?"--c sur le dessin. On connaît un certain nombre de formes de réalisation de circulateurs et n'importe laquelle de ces formes peut êt-t utilisée pour mettre en oeuvre les principes de l'invention. 30 " La branche suivante du circulateur 16 est connectée î\ /.us branche d'un deuxième circulateur 1? par une bande contenant partie courbe 18 laquelle, selon une forme de réalisation préfc-i^. a une longueur au moins égale à un quart de longueur d'onde, recette partie, en un emplacement variable, se trouve disposée ur?. comprenant la section courbe 18. Une partie d'une plaque de d-, forme le plan de masse supérieur dans lequel se trouve un trot: BAD ORIGINAL" 69 05533 3 2003057 culaire 30 qui reçoit une broche conductrice 31 propre à tourner dans le trou. La broche 31 présente un trou fileté 32, excentré de manière que lorsqu'on fait tourner la broche 31?le trou 32 se déplace sur et le long de la section 18 du conducteur central 12. Un 5 assemblage coaxial est prévu pour être engagé dans le filet du trou 32. Cet assemblage comprend, de l'extérieur vers l'intérieur, un cylindre conducteur 33 portant un filet extérieur correspondant à celui du trou 32, un cylindre 34 en matériau à constante diélectrique élevée et un noyau central 35 en matériau conducteur armé 10 par un ressort de compression 36 en sorte que le noyau 35 tende à sortir du cylindre diélectrique 34. L'assemblage est tel que le noyau 35 établit un contact électrique ferme avec un point situé sur la section 18 de la bande 12. Lorsque varie la pénétration du cylindre 33 dans le trou 32, le noyau 35 se déplace à 1'encontre 15 de l'action du ressort 36 de manière à augmenter ou à diminuer l'étendue de la longueur commune entre le noyau 35 et le cylindre 33, accroissant ou réduisant ainsi la capacité vers la terre à travers le diélectrique 34. Pour la commodité de l'exposé qui va suivre, cette capacité de l'assemblage de la figure 2 est représen-20 tée schématiquement sur la figure 1 par un condensateur 40 dont la valeur aussi bien que la position peuvent varier comme l'indiquent les vecteurs 41• Le condensateur 40 joue le rôle d'une discontinuité à impédance sensiblement purement réactive, réglée en sorte que la moitié environ de l'énergie incidente soit réfléchie vers 25 le circulateur 16 avec un déphasage de 90 degrés entre les composantes réfléchie et transmise en plus d'un déphasage supplémentaire qui déDend, comme on le verra plus loin, de la position du condensateur 40 sur la section courbe 18. L'énergie réfléchie est renvoyée au circulateur 21 par 30 la troisième branche du circulateur 16 et la composante transmise est acheminée vers le circulateur 17• Les deux circulateurs 21 et 17 peuvent être identiques au circulateur 16 sauf que la troisième branche de chacun d'eux se termine dans une terminaison dissipa-tive, 22 et 23 respectivement, de telle sorte que les circulateurs 35 à présent terminés jouent le rôle d'isolateurs. L'énergie qui quitte le circulateur 17 est appliquée à une extrémité d'une ligne à bandes parallèles indirecte 24 ayant une Rongeur électrique longue comme on le décrira plus loin. Pour raccourcir la longueur matérielle requise pour une longueur électrique donnée, il est préférable que la ligne soit complète 69 05533 4 2003057 ment chargée. L'espace compris entre le conducteur à bande et le plan de masse est à cet effet complètement rempli d'un matériau à constante diélectrique élevée, à faibles pertes, de manière à y réduire la vitesse de propagation le plus possible. Pour con-5 server une impédance caractéristique qui concorde avec celle des parties faiblement chargées de la structure de la ligne à bandes, il est préférable que la ligne à retard 24 ait une largeur de bande qui soit plus petite que celle de la partie non chargée. Dans la disposition indirecte on a constaté que des réflexions provenant des divers coudes peuvent être réduites à une perte mi-nimum uniforme sur une large bande si les branches plus courtes entre des coudes adjacents ont chacune une longueur égale à un multiple impair de quart de longueur d'onde et si les branches plus longues ont chacune une longueur égale à un multiple pair de quart de longueur d'onde. Les réflexions à chaqae extrémité de 15 chaque branche courte s'annulent donc à la fréquence centrale de la bande tandis que les réflexions à chaque extrémité d'une branche longue tendent à s'annuler aux limites de la bande de fréquences , Les réflexions résiduelles sont dissipées dans la terminaison 23 du circulateur 17. Les cireulatstirs de sortis 26 et 25 sont polarisés en jerts qus la transmission d'énergie sntrs Isurs branches ss fasse le sens du mouvement des aiguilles d5une montre et dans le 3 6ns cprcsé respectivement, afin de simplifier leur réalisation. La première branche du circulateur 26 reçoit l'énergie-du circulais 5 teur 21 tandis que la première branche du circulateur 25 reçoit la composante d * énergie retardée dans la ligne 24= Les branches suivantes des deux circulateurs 25 et 26 sont connectées ensemble et à une réactance capacitive shunt 42 située à mi-chemin entre les circulateurs 2 5 et 26. La réactance 42 peut être similaire à celle représentée sur la figure 2 bien qu'elle ne doive pas être réglable en position. Cette réactance, représentée schématique-rr.ent sur la figure 1 par le condensateur 42, constitue une discontinuité d'impédance et a une valeur telle que la moitié de l'énergie qu;elle reçoit de l'un ou l'autre circulateur soit réfléchie 3: tandis que 1'autre moitié de l'énergie est transmise à l'autre circulateur-. Les troisièmes branches successives des deux circulateurs 25 et 26 se terminent dans des détecteurs à diodes hyperfréquence s 27 et 28 respectivement, dont les sorties sont connectées sn parallèle et en opposition c'est-à-dire que 15anode de l'un et 69 05533 5 2003057 la cathode de l'autre sont connectées ensemble à une borne de la sortie 29, 1rs autres électrodes de ces diodes étant connectées à l'autre borne de la sortie. Les circuits de découplage sont classiques et représentés par les éléments 45 et 47. La ligne 46 adapte 5 l'impédance de la ligne à celle des diodes selon une pratique usuelle. Une voie "longue" et une voie "courte" entre l'entrée 15 et l'une ou l'autre des diodes 27 et 28 peuvent à présent être identifiées. La voie longue est celle que suit l'énergie qui, pas-10 sant au-delà de la discontinuité 40, traverse le circulateur 17 puis le trajet 24 jusqu'au circulateur 25 et est ensuite réfléchie par la discontinuité 42 et atteint la diode 27 ou celle qui suit l'énergie qui,passant au-delà de la discontinuité 42, traverse le circulateur 26 pour atteindre la diode 28. La voie courte est cel-15 le que suit l'énergie qui étant réfléchie par la discontinuité 40' retraverse le circulateur 16 et le circulateur 22 jusqu'au circulateur 26 puis est réfléchie par la discontinuité 42 et traverse le circulateur 26 jusqu'à la diode 28 ou celle qui suit l'énergie qui passant au-delà de la discontinuité 42, traverse le circulateur 25 20 pour atteindre la diode 27. Les figures 3, 4 et 5 montrent les relations de phase et d'amplitude requises des composantes pour assurer une discrimination par comparaison de phase. Les signaux arrivant aux diodes 27 et 28 par les voies longue et courte définies ci-dessus sont appe-25 lés et Eg respectivement. Les signaux arrivant à une diode sont représentés par des vecteurs en trait plein et ceux arrivant à i l'autre diode sont représentés par des vecteurs en pointillé ET et Eg, une inversion appropriée du sens des vecteurs représentant le résultat de l'orientation des diodes en sens opposés. Les condi-30 tions de phase et d'amplitude nécessaires au processus de discrimination sont désignées pour une porteuse non déviée donnée fo sur la figure 3. Les composantes acheminées suivant la voie longue et suivant la voie courte doivent donc être égales en amplitude et être en quadrature de phase entre elles à chaque diode détectrice 35 comme le sont les vecteurs Eg et E^ d'une part et les vecteurs Eg et E^, et doivent être en quadrature de phase avec l'autre moitié de la même composante entre les détecteurs opposés comme le 1 1 sont les vecteurs Eg et Eg d'une part et E^ et E^ d'autre part. Les signaux résultants E^ et E^ à chaque diode sont alors égaux en amplitude absolue et les courants résultants s'annulent dans la sortie continue 29 des détecteurs 27 et 28 orientés en sens opposés. 69 05533 6 2003057 Si la fréquence fo varie de A, la phase des composantes parcourant les voies respectives est déphasée dans un sens donné d'une quantité proportionnelle à la longueur de cette voie. Si la voie longue a une longueur égale à plusieurs fois celle de la voie courte, le 1 5 déphasage des vecteurs E^ et E^ sera grand comparé à celui des vecteurs Eg et Eg comme le montrent les figures 4 et 5 respectivement. Pour un déphasage dans un sens, fo-A par exemple, le signal E^ résultant à une diode est plus grand que le signal E^ à lfautre diode (figure 4), et pour un déphasage dans l'autre sens, fo+A par -1 10 exemple, le signal E^ à l'autre diode est plus grand que E^ comme le montre la figure 5. Comme le déphasage total de l'une ou l'autre voie est égal à la somme des accroissements de déphasage dans chaque section de cette voie, longue d'une longueur d'onde, plus longue est la voie longue comparée à la voie courte, plus rapide est 15 la variation de phase en fonction de la fréquence et plus raide est la caractéristique du discriminateur. Les relations de phase et d'amplitude illustrées par les figures 3, 4 et 5 donnent une démonstration pratique du fonctionnement d'un dispositif simple, économique et aisément réglable qui permet d'obtenir ces relations. 20 La discontinuité réactive 42 est située à mi-chemin en tre les circulateurs 25 et 26 et elle a une valeur telle qu'elle réfléchisse la moitié de l'énergie qu'elle reçoit de l'une ou l'autre voie. Etant donné que la réactance ne présente pas de perte, le déphasage entre les composantes réfléchie et transmise est 25 de 90 degrés. On obtient ainsi la relation de quadrature de phase requise aux détecteurs opposés pour les composantes E^ et E^ acheminées le long de la voie longue ou pour les composantes Eg et Eg acheminées le long de la voie courte. La position et la valeur de la discontinuité réactive 40 30 a plus d-'importance. On remarquera que la longueur de la voie longue vers l'une ou l'autre diode est indépendante de la position de la discontinuité 40, la position de celle-ci déterminant uniquement la longueur de la voie courte. Il est par conséquent seulement nécessaire de rendre la longueur de la voie longue à travers 3 5 la ligne à retard 24 égale à plusieurs fois celle de la voie courte. La longueur de celle-ci est alors réglée d'une façor indépendante de telle sorte qu'à la fréquence fo voulue, le signal 1 1 3g ou Eg est en quadrature avec le signal E^ ou E^ à chaque diode. Sachant que le déphasage de 90 degrés introduit- par les discontinuités entre les composantes réfléchie et transmise est 69 05533 7 2003057 indépendant de la fréquence et de la valeur ou de la position des discontinuités tandis que le déphasage introduit par l'une ou l'autre voie dépend de la fréquence, deux critères vont définir les conditions qui existent pour obtenir un réglage, correct du 5 discriminateur à une fréquence fo donnée. La différence entre les longueurs des voies longue et courte entre l'entrée et l'un ou l'autre détecteur est un multiple impair élevé du quart de longueur d'onde à la fréquence fo en sorte que Eg et E^ soient en quadrature à la fréquence fo mais forment entre eux des angles 10 différents à mesure que la fréquence varie. D'autre part, le déphasage indépendant de la fréquence le long de l'une ou l'autre voie vers les diodes opposées est de ÇO degrés à une fréquence 1 quelconque de sorte que et , par exemple, sont en quadrature. Selon l'invention, le réglage pour satisfaire à la première condi-15 tion est obtenu sans procéder à une mesure précise de la longueur de la ligne à retard 24, de la longueur de l'une quelconque des tendes de connexion ou du retard introduit par les différents circulateurs. Au lieu de procéder à une telle mesure, on fait tourner la broche 31 afin de déterminer la position pour laquelle le 20 i-ayau 3 5 vf.snt en contact avec la section 18. La longueur de la v-r-t s *&'c donc modifiée de deu;c fois le déplacement du noyau 3 3: la Icngu-sur de la section "8 est d'au moins un quart de 1 or.rieur d'ends à la fréquence de fonctionnement, on obtient l'ac-ccri eu dis criminat sur sur une large bande de fréquences en vue 2Ç d'obtenir les relations de phase requises à une fréquence fo vou-« lue quelconque quels que soient les retards de phase inhérents ou inconnus dus aux différents orpanes, Enfin, les pertes subies le long de la voie longue, y compris les pertes relativement grandes de la ligne à retard 24, 30 sont éviderinent plus grandes que celles introduites par la voie plus courte, nais elles le sont d¥une quantité inconnue. Cn obtient une puissance égale aux détecteurs 27 et 28 par le simple réglage de la pénétration du cylindre 33 de sorte qu'une puissance supplémentaire pour égaliser les pertes supplémentaires intro-35 duites par la veie longue, est transmise au-delà de la discontinuité 40 et- qu'une puissance plus faible se trouve réfléchie et réintroduite dans la voie courte. Il n'est donc pas requis d'atténuateurs encombrants, inefficaces et dissipant de l'énergie afin d?équilibrer les voies. 69 05533 8 2003057 Les circulateurs 17 et 21 qui servent d'isolateurs peuvent être omis si l'on constate que des signaux réfléchis y sont peu importants. D'autre part,- on peut ajouter d'autres circulateurs terminés jouant le rôle d'isolateurs, soit en supplément, 5 soit en remplacement des circulateurs 17 et 21. Par exemple, le degré d'adaptation d'impédance requis aux diodes 27 et 28 peut être réduit en incluant des circulateurs terminés dans les bandes de connexion entre ces diodes et les circulateurs 2 5 et 26 respectivement. 69 05533 9 2003057 REVENDICATIONS. 1.- Discriminateur hyperfréquence comprenant un réseau d'entrée présentant au moins trois branches, une première voie pour signal hyperfréquence, s'étendant à partir de la deuxième 5 branche du réseau, et une seconde voie pour signal hyperfréquence, s'étendant à partir de la troisième branche du réseau, caractérisé en ce que le réseau d'entrée est un circulateur assurant un transfert d'énergie successivement de la première branche à la deuxième puis à la troisième branche, en ce que la deuxième bran-10 che du réseau contient une désadaptation d'impédance réactive variable pour permettre de diviser l'énergie d'entrée entre la première voie et la seconde voie avec un déphasage correct pour assurer la discrimination autour d'une fréquence de séparation prescrite quelconque et avec une relation d'amplitude correcte requi-15 se pour permettre un réglage des pertes, et en ce qu'il comprend un circuit pour combiner et détecter la sQvmâe des amplitudes des signaux qui ont parcouru les voies correspondantes. 2.- Discriminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la désadaptation d'impédance est sensiblement purement 20 capacitive. 3.- Discriminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs électriques des première et seconde voies sont sensiblement différentes. 4.- Discriminateur selon la revendication 1, caractérisé 25 en ce que le circuit combineur et détecteur est constitué d'une paire de circulateurs ayant chacun une branche connectée aux extrémités prolongées des première et seconde voies respectivement, ayant chacun une branche connectée par l'intermédiaire d'une désadaptation d'impédance réactive, et ayant chacun une branche termi-30 née dans un détecteur à diode, ces diodes étant orientées en sens opposés. 5.- Discriminateur selon la revendication 1,caractérisé en ce que la désadaptation d'impédance est réalisée par un corps conducteur creux contenant un noyau conducteur qui se trouve sé- 35 paré dudit corps par un matériau diélectrique afin de former un condensateur connecté en shunt sur la première voie. 6.- Condensateur pour circuits à ligne de transmission à bandes parallèles du type comportant un conducteur central et au moins un plan de masse, caractérisé en ce qu'il comprend un corps conducteur creux supporté par le plan de masse et propre 05533 10 2003057 à se déplacer suivant un axe normal au conducteur central, un noyau conducteur agencé en sorte de s'appuyer contre le conducteur central et d'être reçu à l'intérieur du corps creux suivant ledit axe, et un séparateur en matériau diélectrique, interposé entre le noyau et le corps de telle sorte que le déplacement du corps conducteur fasse varier la capacité entre le noyau et le corps à travers le diélectrique.