Brevet FR2123364A1 — publié le 19720908

-1- 2123364 la présente invention concerne des connecteurs électriques dans lesquels un ou plusieurs éléments de contact sont portés par line partie du connecteur et':"des éléments de contact complémentaires, par une partie.asso"ciée du connecteur, de manière à constituer un ou plusieurs circuits électriques, lorsque les deux parties du connecteur sont associées. Plus particulièrement, elle concerne un tel connecteur dans lequel des ensembles de filtres à haute fréquence comprenant des éléments de circuit capacitifs, inductifs et/ou susceptibles de provoquer des pertes, sont connectés électriquement aux éléments de contact de l'une des parties du connecteur de façon à affaiblir les signaux gênants haute fréquence. Les* broches' du connecteur, qui constituent ces éléments de contact, sont introduites chacune dans un filtre à haute fréquence avec lequel elles sont en contact électrique, d'habitude avec sa surface interne, par soulage à l'étain ou par un organe de contact élastique. Le filtre est également connecté à la masse, d'habitude par sa surface extérieure et par l'enveloppe métallique du boîtier du connecteur. Lorsque le filtre est monté sur un équipement.électrique, l'enveloppe métallique est fixée sur l'équipement à la masse et elle est connectée à celui-ci. tJn circuit à faible résistance allant à la masse est offert ainsi aux signaux gênants haute fréquence, dont les fréquences peuvent être supérieures à 1,0 GHz et peuvent atteindre 10 GHs ou plus. L'efficacité du filtre d'un connecteur dépend en grande mesure de l'impédance shunt interne du filtre ainsi que de l'impédance du circuit de retour à la masse qui est associé au filtre. Aux fréquences élevées, l'impédance shunt équivalente du filtre devient très faible et, d'habitude, elle est inférieure à 1 mil-11ohm. Par ailleurs, l'impédance du circuit de retour à la masse, qui comporte une très faible inductance en série avec une résistance, augmente lorsque la fréquence croît. Cette augmenta-' tion est due à l'accroissement de réactance de 11 inductance intrinsèque du circuit de retour à la masse ainsi qu'à l'effet pelliculaire de la surface conductrice. A des fréquences supérieures à 1,0 GIIz, l'efficacité du filtrage dépend autant du circuit de retour à la masse que du filtre lui-même. En plus de l'inductance et de-la résistance en séx'ie que contient le plan de masse, la surface extérieure ou circuit de BAD ORIGINE 72 02213 -2- 2123364 masse d'un filtre comporte également une certaine impédance résiduelle, en forme d'inductance et de résistance en série, qui s'ajoute à l'impédance du circuit de retour et qui se manifeste particulièrement aux fréquences supérieures à 3,0 GHz. 5 Conformément au procédé habituel, le circuit de retour à la masse est un plan de masse en métal en feuille, disposé perpendiculairement à l'axe des broches du connecteur ou,en variante, unplan de masse en caoutchouc conducteur. Bien qu'un tel procédé de mise- à la masse permette un fonctionnement accepta-"10 ble pour certaines applications, son fonctionnement à haute fréquence laisse à désirer. En particulier, l'impédance d'ion circuit de retour à la masse qui ne comporte qu'un seul plan de masse conducteur est trop importante aux fréquences élevées pour permettre un-fonctionnement optimal. De plus, l'inductance et 15 la résistance en série du circuit de masse lui-même du filtre, c'est-à-dire d'habitude sa surface extérieure, deviennent gênantes aux hautes fréquences. L'impédance d'un plan de masse simple peut être réduite si son épaisseur est au moins égale à 2. épaisseurs de la pellicule superficielle, pour la fréquence la plus 20 basse envisagée. Bien qu'un plan de masse de plus grande épaisseur donne une certaine stabilité mécanique, l'impédance du circuit de masse n'est pas réduite et, en conséquence, cet accroissement d'épais.seur n'apporte aucune amélioration au fonctionnement électrique. 25 L'invention concerne un connecteur filtrant perfectionné. Le connecteur filtrant selon la présente invention comprend line broche de connecteur, conductrice de l'électricité, un filtre connecté électriquement à la broche, un boîtier, supportant la broche et le filtre, comportant une enveloppe conductrice de 30 l'électricité ainsi que plusieurs plans de masse conducteurs espacés et disposés entre une couche conductrice du filtre et 11 enveloppe. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur les-35 quels : - la figure 1 est line coupe d'un connecteur filtrant de la technique antérieure ; - la figure 2 est une coupe d'un connecteur filtrant selon 1 ' invention ; 72 02213 -3- 2123364 - la fip^ure 3 est une vue'à grande échelle d'une partie du connecteur de la figure 2 ; - la figure 4 est le schéma de circuit du connecteur de la figure 1 ; 5 - la figure 5 est un schéma de circuit semblable du connec teur de la figure 2 ; - la figure 6 est un graphique représentant des courbes de fonctionnement des filtres des connecteurs des figures 1 et 2 ; et 10 - la figure 7 est une coupe d'un autre connecteur selon l'invention. Dans l'exemple de connecteur filtrant.de la figure 1, des broches 10, entourées par des éléments filtrants tubulaires 12 connectés aux broches 10 par des contacts élastiques (non repré-15 sentés), sont maintenues à l'intérieur d'un boîtier 14 comportant une enveloppe conductrice 15 destinée à être connectée à un support mis à la masse, de manière à mettre l'ensemble à la masse. Le connecteur comprend également un isolant avant 16, un / isolant arrière 18, un plan de masse 20 et une rondelle 22. Le 20 plan de masse 20 est serré entre les isolants avant et arrière, 16 et 18. Des perforations 19 du plan de masse 20 sont alignées sur des ouvertures 21 de l'isolant avant 16, de l'isolant arrière 18 et de la rondelle 22, de manière à loger les broches 10 équipées de leurs filtres. Des dents 24, qui font 25 partie intégrante du plan de masse 20, sont en contact avec l'enveloppe métallique 15 et des dents semblables 26, disposées dans les perforations 19 du plan de masse 20, sont en contact avec les surfaces extérieures ou surfaces de masse des éléments filtrants 12. Le circuit filtrant ainsi réalisé comporte des bornes 30 d'entrée et de sortie constituées par les extrémités des broches 10 du connecteur et une connexion de masse qui comprend l'enveloppe métallique 15 et le plan de masse 20. La figure 2 représente le connecteur filtrant selon la présente invention, qui est semblable à celui de la figure 1, mais 35 qui comporte un isolant supplémentaire, à savoir un isolant intermédiaire 28 et deux plans de masse, parallèles et espacés 30, au lieu du plan de masse simple 20. Les impédances des circuits de retour à la masse des éléments filtrants 12 et l'effet des impédances résiduelles des circuits de masse des filtres, sur 72 02213 2123364 les surfaces externes des éléments filtrants 12, sont réduites par les deux plans de masse 30. Les deux plans de masse 30 constituent des supports espacés longitudinalement le long de chaque élément filtrant 12, à l'en-5 droit des dents 26. Les deux plans de masse 30 facilitent le maintien rigide du filtre en position et réduisent considérablement les efforts orientés radialement qui s'exercent sur le filtre 12 si la broche 10 est courbée accidentellement, comme elle l'est parfois pendant la manipulation ou le fonctionnement du 10 dispositif. Du fait de cette réduction des efforts, le risque de rupture du filtre est réduit. On voit qu'en plus du support mécanique qu'offrent les dents 26-, la connexion de masse comporte une certaine redondance qui augmente le facbeur de fiabilité du connecteur filtrant. De plus, l'assemblage des isolants avant et 15 arrière 16 et 18 est facilité par les deux plans de masse 30. La figure 3 représente la réalisation de chaque élément filtrant 12 qui comprend un élément tubulaire 32 en matière diélectrique, une couche conductrice extérieure 34- située à la surface externe ou surface de masse de l'élément diélectrique 32 et un 20 manchon en.ferrite conductrice 4-0 comportant une ouverture axiale dans laquelle est logée la broche 10 du connecteur et qui réalise un contact électrique entre celle-ci et le filtre. Une forme avantageuse.de l'élément filtrant 12 est décrite plus complètement dans le brevet français ÎT° 70.44195» 25 La figure 4 est un schéma de circuit qui correspond au con necteur filtrant à plan de masse simple de la figure 1. Le circuit comprend une borne d'entrée 41, une borne de sortie 42, une masse 44, un filtre 46 et un circuit 48 de retour à la masse. 41 Le circuit induetif-résistant situé entre la borne d'entrée/et 30 la borne de sortie 42 comprend une self 50 et une résistance 52 qui correspondent aux éléments constitués par la broche 10 et le. manchon en ferrite 40. Les condensateurs 54- et 56 représentent les circuits capacitifs entre les bornes 41 et 42 et la couche conductrice extérieure 34. Des selfs 58 et 60, en série avec 35 des résistances 62 et 64, représentent le circuit de masse du filtre ou le trajet induetif-résistant passant le long de la couche conductrice extérieure 34-. La self 58 et la résistance 62 représentent le trajet inductif-résistant situé sur le premier côté du plan de masse simple 2.0,et la self 60 et la résistance 72 02213 -5- 2123364 64 représentent le trajet induetif-résistant situé sur l'autre côté du plan de masse 20. En conséquence, le circuit 48 de retour à la masse comprend un circuit inductif-résistant-série comprenant une self 66 et 5 une résistance 68. Il est représenté monté entre la jonction des combinaisons de selfs et de résistances 58-62, 60-64 et la masse 44. La mise en oeuvre de plusieurs plans de masse a tendance à réduire l'impédance du circuit de retour à la masse ainsi que 10 l'effet de l'impédance résiduelle du circuit de masse du filtre. On peut le voir plus clairement sur le schéma de la figure 5- Comme on le voit sur la figure 5> l'impédance résiduelle de la couche extérieure 34 est subdivisée en trois trajets in-ductifs série différents comprenant des selfs 70 , 7.2, 74- et des 15 résistances 76, 78 et 80. Du fait que ,1e circuit de retour à la masse comprend deux plans de masse séparés 30, le circuit de retour 82 comprend un premier trajet inductif-résistant-série comportant une self 84 et une résistance 86 ainsi qu'un second trajet inductif-résistant comprenant une self 88 et une résistance 20 90. Si la distance qui sépare les plans de masse 30 est importante par rapport à l'épaisseur de chaque plan de masse mince, l'impédance de la self 72 et de la résistance 78 est importante, de sorte que les impédances des selfs 70 et 74- e"t On voit ainsi que lorsque le filtre comporte deux plans de masse au lieu d'un seul, l'impédance du circuit de retour à la masse est réduite d'au moins 50 %. Cette réduction en elle-même peut produire une amélioration d'environ 6 dB du fonctionnement 72 02213 ~6~ 2123364 du filtre si l'impédance shunt de celui-ci est faible en comparaison de l'impédance du plan de masse. De plus, l'effet de l'impédance résiduelle qui est due au circuit de masse du filtre en forme de couche extérieure 34-, peut être réduit considérable-5 ment, car la tension qui apparaît aux bornes de la self 84- et de la résistance 86 doit se diviser entre les selfs 72, 88 et les résistances 78, 90. On voit que l'espacement entre les plans de masse 30 et leurs connexions avec la couche conductrice extérieure en des 10 régions différentes et espacées sont très importants, car ils ont une influence sur la valeur de l'impédance représentée par la self 72 et la résistance 78. Un accroissement de la distance .de entre les plans de masse/1,6 mm peut augmenter la perte par insertion du filtre de 3 dB dans la plage des très hautes fréquen-15 ces. De plus, la mise en oeuvre de deux plans de masse en contact électrique permet au filtre un fonctionnement sensiblement identique au fonctionnement d'un ensemble de filtre ne comportant qu'un seul plan de masse. Il va de soi que d'autres améliorations peuvent être apportées au fonctionnement du filtre par 20 plus de deux plans de masse, comme on le voit sur la figure 7* La figure 6 représente plusieurs courbes de la perte par insertion tracées en fonction de la fréquence et correspondant à divers connecteurs filtrants. Du bas vers le haut, la première courbe est celle d'un connecteur filtrant comportant un seul 2.5 plan de masse métallique, la seconde courbe, celle d'un connecteur filtrant comportant ion plan de masse en caoutchouc conducteur simple de 1,6 mm, la troisième courbe est celle d'un filtre comportant un double plan de masse métallique et la quatrième courbe est celle d'un connecteur filtrant comportant un montage 30 coaxial. La courbe du connecteur à un seul plan de masse métallique représente le fonctionnement du connecteur- filtrant de la figure 1 comportant un plan de masse en cuivre au béryllium revê tu d'argent d'une épaisseur de 75 microns et comprenant six dents. Comme on le voit, la perte par insertion n'atteint jamais 35 70 dB, même aux basses fréquences. La courbe caractéristique d'un connecteur filtrant comportant un plan de masse en caoutchouc conducteur de 1,6 mm représente un fonctionnement quelque peu amélioré. Cependant, la perte par insertion maximale n'est que de 80 dB, et seulement pour des fréquences voisines de 72 02213 -7- 2123364 0,7 GHz. Au contraire, le fonctionnement du connecteur filtrant de la figure 2 comportant deux plans de masse en cuivre au "béryl lium revêtus d'argent, de 75 microns et comportant six dents, es pacés de la façon représentée, provoque une perte par insertion 5 d'environ 85 dB pour des plages de fréquences comprises entre 0,2 GHz et presque 5,0 GHz. Même pour des fréquences plus élevées se rapprochant de 10,0 GHz, le fonctionnement du connecteur à double plan de ruasse métallique est considérablement amélioré par rapport au connecteur à plan de masse en caoutchouc conduc-10 teur ou par rapport au connecteur à plan de masse métallique sim pie. Comme on le voit, l'amélioration est approximativement de 10 dB. La dernière courbe représentée est celle d'un connecteur filtrant monté dans un dispositif coaxial. Cette courbe représen 15 te presque un fonctionnement optimal avec une perte par insertion supérieure à 85 dB pour des fréquences comprises entre 0,3 et 10,0. GHz. Bien entendu, un tel connecteur filtrant ne peut être mis en oeuvre pratiquement pour les raisons indiquées précé demment. Il est Important de constater que le connecteur à dou-20 ble plan de masse métallique se rapproche d'un fonctionnement presque optimal pour une plage de fréquences importante. De plus le fonctionnement du connecteur à double plan de masse métallique peut être encore amélioré par des plans de masse supplémentaires, en plus des deux plans de masse représentés sur la figu-25 re 2. Bien entendu, seule une application à haute fréquence déli cate nécessiterait des plans de masse supplémentaires, car la perte par insertion d'un connecteur à double plan de masse métal lique est presque de 60 dB à 10,0 GHz. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être 30 apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 72 02213 -8- 2123364 EEVEIjDICATIOFS T. Connecteur" filtrant comprenant une broche conductrice de l'électricité à laquelle est connecté électriquement un filtre, un boîtier supportant la broche et le filtre comprenant une 5 enveloppe conductrice de l'électricité et un plan de masse conducteur disposé entre une couche conductrice du filtre et l'enveloppe, caractérisé en ce qu'au moins un autre plan de masse conducteur de l'électricité (30) est espacé du premier plan de masse (30) et disposé entre le filtre (12) et l'enveloppe (15)-10 2. Connecteur filtrant suivant la revendication 1, caracté risé en ce que les plans de masse (30) sont séparés par des isolants (16, 18, 28) disposés entre le filtre (12) et l'enveloppe (15). 3. Connecteur filtrant suivant l'une des revendications 1'. 15 et 2, caractérisé en ce que chaque plan de masse (30) est mince par rapport à la distance (28) qui les sépare. 4. Connecteur filtrant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque plan de masse (30) comprend une feuille de métal. filtrant 20 5» Connecfceur/suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre tubulaire comporte une couche conductrice extérieure et un alésage axial logeant la broche du connecteur avec laquelle le filtre est électriquement en contact, caractérisé en ce que des plans de masse (30) sont serrés 25 entre des isolants (16, 18, 28), les isolants (16, 18, 28) et les plans de masse (30) comportant des ouvertures alignées (19 et 21) dans lesquelles sont logés la broche (10) du connecteur et le filtre (12). 6. Connecteur filtrant suivant la revendication 5> caracté-30 risé' en ce que des premières dents de contact (24) faisant partie intégrante de chaque plan de masse (30) sont disposées latéralement par rapport aux plans de masse (30) et portent contre la couche conductrice extérieure (34) du filtre (12).