Brevet FR2059694A1 — publié le 19710604

2632,S 1 2059694 La présente invention concerne les coupleurs directionnels, et plus particulièrement, les coupleurs directionnels hyperfréquences du type à impédance variable. Les coupleurs directionnels hyperfréquences et du type à impédance variable 5 sont bien connus dans la technique et sont décrits dans la littérature. On pourra se référer par exemple aux articles : "Theory and Tables of Optimum Symmetrical TEM-Mode Coupled-Transmission-Line Directional Couplers", de E.G. Cristal and L. Young, dans la revue "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques" volume MTT-13, numéro 5, pages 544-55B, septembre 1965 -, "Charac-10 teristic Impedances of Broadside-Coupled Strip Transmission Lines", de S.B. Cohn, dans "IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques", volume MTT-6, pages 633-637, novembre 1960 ; "Impedances of Offset Parallel-Coupled Strip Transmission Lines", de J.P. Shelton, jr., dans "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", vol. MTT-14, N° 1, pages 7-15, janvier 1966. 15 Jusqu'à présent on a trouvé que la forme de la région de transition associée à deux sections quart-d'onde adjacentes des coupleurs directionnels de l'art antérieur affecte le couplage entre les sections adjacentes. On pourra se référer par exemple à l'article intitulé "The Design and Construction of Broadband, High-Directivity, 90-Degree Couplers Using Nonuniform Line 20 Techniques", de C.P. Tresselt, dans "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", MTT-14 N°12, pages 647-656 Décembre 1966. Ainsi, comme on le pensait dans l'art antérieur, les bords de la région de transition sont généralement réalisées de façon qu'elles soient parallèles et/ou colinéaires l'une par rapport à l'autre. Par exemple, généralement les bords de la région de 25 transition entre deux sections quart d'onde adjacentes font un angle avec les sections quart d'onde adjacentes de 45 degrés, voir l'article intitulé "Tandem Couplers and Phase Shifters for Multi-Octave Banck/idth" de J.P. Shelton, J. Wolfe et R.C. VanWagoner, Microweves pages 14-19, atfril 1965 ; ou sont perpendiculaires à ces sections c.f; l'article intitulé "Tables for Asymmetric 30 Multi-Element Coupled-Transmission-Line Directional Couplers", de R. Levy, IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, volume MTT-12, pages 275-279, mai 1964. Bien qu'il ait résulté de l'utilisation de ces régions de transition ayant des bords parallèles et/ou colinéaires un couplage amélioré entre les 35 sections, elle n'a généralement conduit qu'à améliorer légèrement le taux d'ondulation résiduelle du coupleur directionnel particulier. Un objet de la présente invention est de réaliser un coupleur directionnel hyperfréquence du type à impédance variable ayant un taux d'ondulation résiduel amélioré, c'est-à-dire atténué. 40 Un autre objet de cette invention est de réaliser un coupleur directionnel 70 26326 2 2059694 hyperfréquence en forme de bande et du type mentionné précédemment. Conformément à un aspect de l'invention, on réalise un coupleur directionnel hyperfréquence à impédance variable, dans lequel plusieurs sections quart d'onde de lignes de transmission couplées en parallèle sont montées 5 en cascade, et qui comporte une région de transition pour au moins deux sections adajcentes ayant des bords obliques non parallèles. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte qui représentent un mode de réalisation préférée de celle-ci. 10 La figure 1 représente une vue de dessus d'une réalisation préférée du coupleur directionnel de la présente invention. La figure 2 représente une vue en coupe aggrandie du coupleur de la figure 1, la coupe étant faite le long de la ligne 2-2,les dimensions verticales de la figure 2 étant aggrandies par rapport aux dimensions horizontales dans 15 un but de clarté. La figure 3a représente un diagramme aggrandi des conducteurs constituant la ligne de transmission de la réalisation de la figure 1. Les figures 3b-3c sont des schémas aggrandis des conducteurs de certains coupleurs directionnels de l'art antérieur. 20 La figure 4 représente sous forme idéalisée la caractéristique de répon se d'un coupleur directionnel de la présente invention. Sur les figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. On va maintenant en se référant aux figures 1-2, faire une description 25 de la réalisation préférée du coupleur 10 directionnel hyperfréquence à impédance variable conformément à la présente invention. Le coupleur 10 comporte plusieurs sections quart-d'onde de lignes de transmission 11, 12 couplées en parallèle et montées en cascade. Dans la réalisation préférée,le coupleur 10 est formé d'une ligne en 30 forme de bande. En conséquence, chacun des conducteurs de la ligne de transmission 11 et 12 a une configuration plane. Les conducteurs 11 et 12 sont disposés dans des plans parallèles et sont distants de S. Des éléments de masse 13 et 14 qui ont aussi des configurations planes sont situés de part et d'autre des conducteurs 11 et 12 et distants de b. Les conducteurs 11 et 35 12 sont de préférence disposés parallèlement au plan des éléments 13 et 14. Cependant, comme cela est apparent pour l'homme de l'art, les conducteurs 11 et 12 peuvent avoir leurs configurations planes perpendiculaires aux plans des éléments 13 et 14. Dans la réalisation préférée un diélectrique solide 15-17 est placé entre 40 les éléments 13,14 et les conducteurs 11 et 12. Plus particulièrement comme 70 26326 3 2059694 représenté sur la figure 2, les lignes de transmission 11 et 12 sont séparées par un élément plan diélectrique interne 16. Les surfaces extérieures éloignées des conducteurs 11 et 12 sont placées à côté des éléments plans diélectriques externes 15 et 17 respectivement. 5 Sur la figure 2, comme mentionné précédemment, les dimensions verticales sont exagérées par rapport aux dimensions horizontales. En conséquence, la » distance verticale représentée entre les surfaces externes éloignées des conducteurs 11 et 12 et les éléments 15 et 17 respectivement sont très aggrandis, et en pratique ces distances sont négligeables et/ou pratiquement 10 inexistantes. Dans la réalisation préférée les conducteurs 11 et 12 sont de préférence formés sur l'élément diélectrique central 16 par un processus de réalisation de circuit imprimé ou autre. De cette manière les conducteurs 11 et 12 sont maintenus en permanence alignés l'un par rapport à l'autre. Ou bien les conducteurs 11 et 12 peuvent être formés sur les surfaces internes 15 des éléments. 15 et 17 respectivement et on peut placer des moyens d'alignement auxiliaires tels que des broches d'alignement pour les éléments 15 et 17 pour maintenir les conducteurs alignés les uns par rapport aux autres.Dans les ■ cas précéderrment décrits, les diélectriques solides 15-17 permettent aussi de supporter les conducteurs 11 et 12. On doit comprendre que l'invention peut 20 être mise en oeuvre en utilisant un diélectrique du type gazeux tel que l'air, par exemple, auquel cas on doit prévoir un support indépendant. Dans la réalisation préférée, les éléments diélectriques solides 15-17 sont réalisés en polyoléfine. Les extrémités du conducteur 12 sont connectées aux connecteurs coaxiaux 25 18 et 19 et le conducteur 12 fonctionne coirnie conducteur de transmission. Une extrémité du conducteur 11 est connectée à un connecteur coaxial 20. L'autre extrémité du conducteur 11 est connectée par soudure, non représentée, ou autre, moyen à une impédance terminale telle que la résistance 21 par l'intermédiaire de la prise conductrice centrale de cette dernière ou borne 21a 30 d'une manière bien connue de l'homme de l'art. Le conducteur 11 sert de conducteur de couplage. Les connecteurs 18, 19, et 20 ont les extrémités de leurs conducteurs centraux respectifs 18a, 19a, 20a ayant une forme appropriée et connectées par soudure ou autre, aux extrémités appropriées des conducteurs 11 et 12. 35 Des ouvertures annulaires 22 sont prévues dans les éléments 15-17 pour loger la résistance cylindrique 21. Deux éléments annulaires conducteurs en forme de ressort 23-24 sont placés entre les surfaces extrêmes de la résistance 21 et les éléments conducteurs cylindriques en forme de disques 25, 26. Les éléments 25, 26 sont placés dans des évidements annulaires prévus à cet 40 effet dans les éléments 13 et 14 respectivement. Chacune des deux surfaces 70 26326 4 2059694 extrêmes de la résistance 21 constitue une borne. En conséquence» deux circuits conducteurs symétriques reliant le conducteur 11 aux plans de masse 13, 14 sont réalisés par l'intermédiaire de la prise centrale de la résistance 21a et des bornes extrêmes. Les résistances du type utilisé pour la résistance 21 5 sont bien connues de l'homme de l'art. Dans la réalisation préférée on utilise comme résistance terminale, une résistance classique de 50 ohms. Les côtés de l'ensemble 11-17 sont insérés et montés dans un canal en forme de U formé dans les éléments latéraux conducteurs 27, 28. L'ensemble 11-17 est fixé à ce canal par des moyens appropriés tels que des vis 29 qui 10 passent dans les éléments 13-17 qui sont alésés en conséquence, ces éléments étant filetés de façon appropriée pour recevoir les vis 29. D'une manière analogue les extrémités de l'ensemble 11 - 17 sont insérées et montées dans les parties 30 du canal en forme de "U" formé par les éléments conducteurs 31, 32 et sont fixées par les vis 29'. Les éléments 13-17 sont munis de trous 15 appropriés et les parties 30 en forme de "U" des éléments 31, 32 sont filetées de façon appropriée pour fixer les vis 29'. Les éléments 27, 26, 31, 32 ont des formes appropriées pour constituer une enceinte blindée qui empêche les fuites de l'énergie hyperfréquence par les parois latérales et les extrémités du coupleur 10. La distance séparant les vis 29 et 29' est aussi choisie de 20 façon judicieuse pour empêcher les réflexions parasites ou non désirées de l'énergie hyperfréquence dans le coupleur 10. Les éléments 27 et 28 sont aussi filetés pour recevoir des vis par exemple les vis 18'. Ces vis fixent les connecteurs respectifs 18-20 et plus particulièrement, leurs gaines de masse aux éléments 27 et 28 et par suite les connectent aux plans de masse 13 et 14. 25 Afin de faciliter l'insertion de l'ensemble 11-17 dans les éléments 27, 28, 31, 32, l'ensemble 11-17 est maintenu par deux boulons 33 et écrous 34. Deux boulons creux 35 qui sont fixés à l'ensemble 11-17 par les écrous 36, peuvent être utilisés pour monter le dispositif 10 à un bâti non représenté. Deux ergots filetés non représentés .qui sont montés sur le bâti sont adaptés 30 pour passer dans les boulons creux 35. Deux écrous non représentés s'adaptent sur les ergots ce qui fixe le dispositif 10 au bâti. Pour passer les boulons 33 et 35 dans l'ensemble 11-17 les éléments 13-17 sont munis de trous correspondants . Sur la figure 3a le conducteur de transmission 12 est représenté en 35 trait plein, et superposé sur le conducteur de couplage 11 représenté en pointillé dans un but de clarté. Dans la réalisation préférée, le coupleur directionnel 10 est constitué de 9 sections quart-d'onde à impédance variable appelées Z1, Z2 Z9, respectivement. On peut noter que chaque section quart-d'onde comprend des parties couplées parallèles des conducteurs 11 et 12. 40 Dans la réalisation préférée, les conducteurs 11 et 12 ont une configuration 70 26326 5 2059694 symétrique. De plus, les parties centrales des conducteurs 11, 12 correspondant è la section centrale Z5 sont l'une au dessus de l'autre tandis que les parties des conducteurs 11 et 12 d'une quelconque des autres sections sont couplées mais décalées. Pour une fréquence centrale donnée fc et la 5 longueur d'onde correspondante Xc on obtient la dimension Àc/4. Comme cela est bien connu de l'homme de l'art, pour une largeur de bande donnée, une fréquence centrale donnée, un facteur d'ondulation résiduel donné, et une valeur de couplage en décibel, les largeurs S1, S2 S9 des conducteurs 11 et 12 ainsi que la valeur du décalage WC1-WC4, WC6-WC9, et les dimensions 10 S et b, voir figure 2 peuvent être facilement calculées. Les dimensions précédemment mentionnées peuvent être connues à partir des trois publications mentionnées précédemment de Crystal et Young, Cohn, et Shelton, jr. Dans la configuration symétrique de la figure 3a, on a les relations suivantes : S1=S9, S2=S8, S3=S7, S4=S6 ; S1 > S2 > S3 > S4 > S5 j et WC1=WC9, WC2=WC8, 15 WC3=WC7, WC4=WC6 et WC5=0. Les figures 3b et 3C représentent deux réalisations de 1'art antérieur de la région de transition entre deux sections quart-d'onde adjacentes, à impédance variable. Elles ont des bords 37 qui sont colinéaires comme représenté sur la figure 3b eu qui sont parallèles comme représenté sur 20 la figure 3c. Plus particulièrement comme représenté sur la figure 3c,les angles 61 et 02 sont égaux et sont de préférence égaux à 45° comme mentionné précédemment. En se référant de nouveau à la figure 3a on peut voir conformément à la présente invention , que dans la région de transition entre deux sections 25 quart-d'onde adjacentes sur bord oblique 37' de la région de transition particulière n'est pas parallèle à l'autre bord 37' de cette région particulière. Dans la réalisation préférée chacune des régions de transition de chaque couple de sections quart d'onde adjacentes, a ses bords qui sont obliques l'un par rapport à l'autre. 30 Conformément à l'invention, la dimension horizontale L de la région de transition est déterminée d'après l'équation : L=K. x Xc/4 où K est une constante égale à 0,148 + 0,025. La dimension horizontale L est symétrique par rapport à la ligne 36 35 qui est commune au couple particulier de sections quart d'onde adjacentes et elle est perpendiculaire a cette ligne. Chaque bord 37' a une configuration telle qu'il passe par le point milieu de la dimension verticale particulière par exemple H1 ou H2 qui se trouve entre les deux bords horizontaux parallèles particuliers des sections quart d'onde adjacentes qui sont à 40 connecter par le bord oblique particulier. Comme il est évident pour l'homme 70 26326 B 2059694 de l'art à cause de la différence dans les largeurs par exemple S2 et S3 et des différences dans les valeurs du décalage par exemple WC2 et WC3, que l'on rencontre pour les couples de sections quart d'onde adjacentes différentes par exemple Z2 et Z3 on peut démontrer facilement que les dimensions verticales 5 correspondantes par exemple H1 et H2 ne sont pas égales. En conséquence; les bords obliques 37' passent par les points milieux des dimensions verticales par exemple H1 et H2 et sous des angles différents, 61 est donc différent de 02. Comme représenté sur la figure 3a, les parties des conducteurs 11 et 12 10 associées aux sections quart d'onde extrêmes Z1 et Z9 sont connectées aux parties verticales 39. Les longueurs de ces parties verticales 39 font avec les sections Z1 et Z9 des angles de 90° et de 45°. En se référant maintenant à la figure 4 on peut voir les courbes caractéristiques de la réponse du couplage la, Ib du du conducteur ou bras couplé 11 15 et du conducteur ou bras 12, respectivement, du dispositif 10 et les caractéristiques améliorées du taux d'ondulation résiduel Aa et Ab. Dans le coupleur directionnel particulier à neuf sections quart d'onde à impédance variable réalisé conformément à l'invention, le bras couplé a une réponse mesurée de -8,7 + 0,7 décibels et l'autre bras à une réponse de -1,1 + 0,3 décibels pour 20 une largeur de bande de 2 à 10 gigahertz, c'est-à-dire 1/2 A a = 0,7 et 1/2 A b » 0,3 décibels respectivement. Dans un but de comparaison on a représenté sur la figure 4, les courbes caractéristiques correspondantes"lia, Ilb repréaen tées bb ligne pointillée pour un coupleur directionnel à neuf sections quart d'onde à impédance variable dans lesquelles les régions de transition ne sont 25 pas conformes à la présente invention. En fonctionnement, l'énergie hyperfréquence est de préférence amenée dans un orifice par exemple au connecteur 18 et est transmise aux autres orifices par exemples aux connecteurs 19,20. La présente invention peut s'appliquer à des conducteurs en bande mince 30 ou épaisse 11, 12 et/ou en utilisant des diélectriques solides ou gazeux comme' mentionné précédemment. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins, les caractéristiques essentielles de l'invention, appliquées à un mode de réalisation préférée de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut 35 y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 26326 7 2059694 REVENDICATIONS 1. Coupleur directionnel hyperfréquence à impédance variable dans lequel plusieurs sections quart d'onde de lignes de transmission couplées en parallèle sont montées en cascade, caractérisé en ce que la région de transition de deux des sections adjacentes au moins a ses bords obliques non parallèles. 5 2. Coupleur directionnel hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend : un certain nombre de sections quart d'onde d'un premier et second conducteurs de transmission du type à impédance variable, montées en cascade. des premier et second plans de masse ayant des surfaces planes opposées, pratiquement parallèles l'une à l'autre, 10 un moyen pour supporter les premier et second conducteurs dans les premier et second plans parallèles respectivement entre les première et seconde surfaces. un diélectrique prédéterminé disposé entre les premier et second plans de masse, les premier et second conducteurs étant disposés à l'intérieur 15 du diélectrique, un moyen couplé au plan de masse et au premier et au second conducteurs de transmission pour conduire l'énergie hyperfréquence à ce coupleur, la zone transition entre deux sections adjacentes au moins ayant des bords obliques non parallèles. 20 3. Coupleur directionnel hyperfréquence selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le coupleur est du type à lignes en forme de bande. 4. Coupleur directionnel hyperfréquence selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la région de transition a une dimension horizontale 25 parallèle à la direction longitudinale des lignes de transmission couplées parallèles, cette dimension horizontale étant égale à : L-K. x Xc/4, où K est une constante égale à 0,148 + 0,025 et Xc est la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale du coupleur. 30 5. Coupleur directionnel hyperfréquence selon la revendication 2 caractérisé en ce que le diélectrique est du type solide. 6. Coupleur directionnel hyperfréquence selon la revendication 5 caractérisé en ce que le moyen pour supporter les premier et second conducteurs et le diélectrique sont les mêmes.