Brevet FR2122606A1 — publié le 19720901

La présente invention concerne un montage perfectionné pour coupler de l'énergie entre une première ligne de transmission principale et une seconde ligne de transmission branchée sur la première ligne en un point de dérivation9 ce 5 montage comprenant un transformateur ayant un enroulement primaire connecté à la première ligne de transmission et vin enroulement secondaire connecté à la seconde ligne de transmission» Dans les systèmes électroniques complexes tels que les systèmes de traitement de données et les systèmes de 10 commutation téléphonique .électroniques» par exemple 0 les données et les informations de commande doivent être distribuées depuis des points d'origine vers une multitude d'unités fonctionnelles du système. Dans un système téléphonique connu, de telles interconnexions sont établies par l'intermédiaire d'un 15 système de lignes chaudes» chaque ligne comprenant plusieurs paires deux-fils le long desquelles des dérivations convenables sont prévues pour diriger des signaux d'information vers les unités à commander. Un tel système téléphonique se trouve décrit dans The Bell System Technical Journalp volume 43, septembre 1964, 20 page 2046. Dans ce système le circuit spécifique pour effectuer la dérivation d'une paire deux-fils comprend un transformateur ayant deux enroulements primaires, un enroulement étant inséré dans chacun des deux filsp et l'enroulement secondaire étant connecté à l'unité de destination. Un autre montage connu connecte 25 simplement l'enroulement primaire du transformateur aux deux fils d'une paire. Dans ces montages se présente le problème d'assurer la terminaison correcte aux points de dérivation. Lorsque des signaux binaires, de fréquence très élevée et/ou de temps de 30 montée très rapide se trouvent transmis, la désadaptation d'impédance aux points de dérivation peut provoquer des réflexions d'amplitude suffisante pour produire des faux niveaux de signal logique et de donnée. Dans le montage de dérivation shuntj, par exemples l'impédance shunt doit être beaucoup plus grande que 35 l'impédance caractéristique de la ligne de transmission afin d'éviter les réflexions; dans le montage de dérivation série, l'impédance série doit être beaucoup plus petite. Dans l'un et l'autre cas, la quantité d'énergie dérivée doit résulter d'un compromis avec le degré de désadaptation d'impédance introduit. 40 De plus, le rendement de plusieurs dérivations en montage série 72 02153 2 2122606 ou shunt est faible. L'énergie qui poursuit son chemin sur la paire deux-fils est réduite d'une quantité supérieure à celle de l'énergie extraite à la dérivation, la différence d'énergie étant renvoyée vers la source sous forme de réflexion» Lorsqu'un 5 nombre de branches sont requises, la quantité d'énergie de signal disponible à chaque dérivation est ainsi très petite» Il en résulte qu'il est nécessaire de prévoir normalement un étage amplificateur pour régénérer le signal à ton niveau logique utilisable, ce qui introduit inévitablement un retard de propaga-10 tion. Ce retard, lorsqu'il s'ajoute au retard introduit dans la paire deux-fils par les montages antérieurs, est fréquemment critique pour maintenir les relations temporelles nécessaires entre les signaux d'information transmis » L'invention a pour objet un montage dans lequel 15 au moins une section de 1 ' enroulement primaire se trouve connectée en série avec un conducteur de la première ligne de transmission et une autre section de 1'enroulement primaire se trouve connectée entre les deux conducteurs de la première ligne de transmission d'un côté du point de branchement» 20 Suivant tin développement de l'idée inventive, la première ligne de transmission consiste en une ligne deux-fils équilibrée;une première section de l'enroulement primaire est connectée en série avec ion conducteur de la lignevune deuxième section de l'enroulement primaire est connectée en série avec 25 1 ' autre conducteur de la ligne, et une troisième section de 1 ' enroulement primaire, située entre les première et deuxième sections,, est connectée entre les deux conducteurs de la ligne d'un côté du point de branchement. Les première et deuxième sections de l'enroulement 30 primaire peuvent comprendre un nombre égal de spires» La première ligne de transmission peut comprendre plusieurs points de branchement et le rapport des nombres de spires du transformateur en chaque point de branchement est ajusté en sorte de compenser l'atténuation d'un segment de ligne de 35 transmission afin d'assurer un couplage d'énergie égal entre chacune des lignes de transmission de dérivation et le premier segment de la première ligne de transmission» Dans un exemple de forme de réalisation, un transformateur a son enroulement primaire connecté en série et en 40 dérivation dans une ligne de transmission deux-fils» Vues de la 72 02153 3 2122606 direction de propagation du signal, deux sections terminales de l'enroulement primaire sont connectées en série respectivement dans les deux fils d'un segment de ligne précédent,, une section médiane de l'enroulement primaire étant connectée entre les deux 5 fils d'un segment de ligne suivant. L5enroulement secondaire, qui peut avantageusement être connecté à une ligne de transmission' de dérivation ou à une unité fonctionnelle du système, est connecté inductivement à l'enroulement primaire tout entier» y compris les deux sections terminales. 10 Suivant 1?invention, la ligne de transmission voit toujours une impédance adaptée au point de dérivation de sorte qu'il ne s'y produit aucune perte d'énergie par réflexion» Suivant l'invention, chaque dérivation le long d'une ligne de transmission peut donc recevoir la même, fraction de l'énergie 15 restante après un transfert d'énergie précédent. Quoique chaque dérivation successive dispose d'une énergie progressivement plus faible, le rendement de ce montage est sensiblement plus grand que le montage de tous les transformateurs, soit en série, soit en dérivation, puisque dans ces cas il n'est guère possible de 20 réaliser une adaptation d'impédance pour éviter les perturbations sur la ligne de transmission. Suivant l'invention, il est possible d'obtenir un rendement de transfert d'énergie maximum dans une ligne de transmission comprenant plusieurs dérivations dont les trans-25 formateurs successifs ont des rapports de nombres de spires ajustés en sorte que la tension de sortie soit la même à chaque dérivation. Dans ce montage, le rapport entre le nombre de spires de la section médiane de l'enroulement primaire et le nombre de spires des sections terminales et le nombre de spires de 30 1•enroulement secondaire diminue progressivement aux dérivations successives. Dans le transformateur final, la section médiane de l'enroulement primaire se réduit à un nombre de spires nul; en fait, elle constitue une simple connexion en dérivation entre les deux fils de la ligne. Manifestement, les rapports 35 des nombres de spires peuvent être ajustés en sorte d'extraire une fraction d'énergie voulue quelconque de la ligne. En raison du rendement de couplage élevé9 il n'est point nécessaire dans la plupart des applications de prévoir une amplification de signal aux points de dérivation. Il 40 en découle immédiatement un avantage en ce que le montage selon 72 02153 4 2122606 l'invention n5introduit qu'un retard très faible, celui introduit par le transformateur lui-même seulement » entre la ligne de transmission et la ligne de dérivation ou l'unité fonctionnelle. 5 Le montage selon l'invention a encore un autre et important avantage; celui qu'un signal sur la ligne se trouve appliqué au segment de ligne suivant une dérivâtion,même avant qu'ait lieu l'action complète du transformateur. Il en résulte que le retard introduit dans la ligne elle-même est typiquement 10 d'un ordre de grandeur plus petit que pour le signal venant de la dérivation. L'importance d'un court retard négligeable à chaque dérivation apparaît si l'on songe qu'un certain nombre de tels retards se produisent en tandem le long du trajet de transmission principal. 15 Suivant un autre aspect de 1'invention„ des cir cuits de couplage sont prévus pour réaliser une série de points de dérivation sur une ligne de transmission» ce qui rend possible un choix totalement indépendant de l'énergie fractionnée dérivées, de la tension ou de l'impédance à une dérivation» et de 20 l'impédance d'entrée, A chaque point de dérivation du montages l'impédance d'entrée peut par conséquent être choisie de façon convenable afin de réaliser une adaptation d'impédance à la ligne de transmission pour un choix voulu quelconque des deux autres variables mentionnées, 25 L'invention apparaîtra plus clairement à la lectu re de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints sur lesquels s - la figure 1 représente schématiquement un circuit de dérivation à un étage pour extraire des signaux d'une ligne de trans- 30 mission deux-fils; - la figure 2 est le circuit équivalent du montage de la figure 1 ; - la figure 3 est un circuit équivalent plus simplifié du montage de la figure 1 ; 35 - la figure 4 représente une partie terminale d'une ligne de transmission ayant plusieurs circuits de dérivation selon l'invention. La figure 1 montre une ligne de transmission 10 comprenant une paire de conducteurs quis pour la commodité de la 40 description,, peuvent être considérés comme constitués de deux 72 02153 5 2122606 segments 10a,-lOb^ et 10a2~10b2 La ligne 10 n est pas représentée comme étant connectée à une source quelconque car lrorigine des signaux acheminés sur la ligne est sans importance pour la compréhension de l'invention» Le couplage entre les deux seg-5 ments de la ligne de transmission 10 et l'extraction des signaux de celle-ci sont assurés par un transformateur 11 ayant un enroulement primaire 12 et un enroulement secondaire 13- L5enroulement primaire 12 est connecté aux extrémités des segments 10a^ et 10b^ tandis que l'enroulement secondaire 13 est connecté à 10 une charge par l'intermédiaire d'une paire de conducteurs de dérivation 14. La charge est représentative de l'impédance de l'unité fonctionnelle du système avec lequel la ligne 10 est prévue pour être utilisée» La charge R^ peut aussi représenter l'impédance caractéristique d'une ligne de transmission de déri» 15 vation du système» Les segments 10a2 et 10b2 prolongent la ligne 10 à partir du transformateur 11 par des connexions à des dérivations prévues sur l'enroulement primaire 12 de manière à diviser celui-ci en deux sections terminales 12a et 12b ayant chacune n^ spires et une section médiane 12c ayant n2 spires» 20 La ligne 10 se termine sur son impédance caracté ristique ZQ représentée par la résistance R£ aux extrémités des segments 10a2 et 10b2» On voit que les sections de l'enroulement primaire 12 sont connectées en série dans la ligne 10 et qu'une section est connectée en dérivation sur cette ligne» La 25 manière dont ce nouveau montage série-shunt réalise l'adaptation d'impédance recherchée ressortira mieux de l'examen du circuit équivalent de la figure 2» Sur celle-ci9 les résistances R^ représentent les sections terminales 12a et 12b de 1cenroulement primaire 12a la 30 résistance R2 représente la section médiane 12c connectée en dérivation sur la ligne représentée par les conducteurs t et La résistance R^ représente l'impédance caractéristique ZQ de la ligne. On supposera ici que le sens de propagation du signal pour les deux circuits est de gauche à droite comme indiqué par 35 la flèche. Z^ représente l'impédance d'entrée» L'adaptation d'impédance est réalisée pour un signal lorsque Zin = ZQ ; on a alors la relation suivante % ZQ = 2R1 + w v- - • 72 02153 6 2122606 Pour une valeur ZQ prédéterminée, cette relation constitue une équation à deux inconnues R^ et Rp. Dans les limites de cette relation, il existe alors une famille de valeurs pour R^ et R2 qui permettent toutes d'obtenir une adaptation d'impédance» Le 5 choix d'un ensemble de valeurs détermine la fraction de l'énergie entrante qui se trouve dissipée dans ces résistances; le restant de l'énergie poursuit sa propagation sur la ligne de transmission. Les résistances R1 et R2 peuvent être réalisées par le circuit transformateur de la figure 1 dans lequel le rap 10 port des nombres de spires n^ s n2 détermine la relation liant R^ et R2, et dans lequel le rapport des nombres de spires n-^s n combiné aux valeurs de R^ et R^ détermine les valeurs absolues de R. et R0. 1 2 Ainsi qu'il est bien connu, une résistance connec 15 tée aux bornes d'un des enroulements d'un transformateur idéal est vue aux bornes d'un autre enroulement avec une valeur modifiée dans la proportion du carré du rapport des nombres de spires desdits enroulements. En vertu du théorème de superposition un groupement de plusieurs résistances connectées aux enroule-20 ments d'un transformateur peut être considéré aux bornes d'un enroulement particulier comme un groupement correspondant de résistances parallèles indépendantes ayant des valeurs transposées dans le rapport des nombres de spires. En conséquence, le circuit de la figure 1, qui possède deux résistances R^ et R^ s 25 peut également être représenté par le circuit équivalent de la figure 3. Ce circuit comprend deux résistances r^ et r£ en parallèle entre les deux conducteurs £ et d°une partie de ligne de transmission. Par suite du transformateur, les résis-30 tances sont modifiées proportionnellement au carré des nombres de spires, soit s 2n. + nQ 2 2n^ + n0 2 rt = Rt ri - Re • L'énergie dérivée de la ligne de transmission dans le circuit transformateur de la figure 1 est appliquée à R^ et correspond 35 à l'énergie dissipée dans la résistance gauche du circuit équivalent de la figure 3. L'énergie qui poursuit sa propagation sur la ligne aboutit dans R^ et correspond à l'énergie dissipée 72 02153 7 2122606 dans la résistance droite du circuit équivalent de la figure 3. Avec la condition que la combinaison parallèle de ces résistances doive être égale à ZQÎ il existe une famille de valeurs relatives parmi lesquelles le choix d'un ensemble 5 particulier détermine la fraction de l'énergie entrante qui se trouvera dissipée dans la résistance gauche9 c'est-à-dire 18énergie dérivée, le restant de 1 énergie étant appliqué à la résistance droite. Le circuit équivalent de la figure 2 qui illustre de façon précise la manière dont les impédances sont réfléchies 10 dans une ligne de transmission par le circuit transformateur de la figure 1„ est ainsi réduit à un circuit équivalent plus simple (figure 3) dont ressort aisément ion choix des paramètres. En se référant à la figure 39 les conditions pour qu'il y ait adaptation d'impédance sont données par s 2n. + np2 2n* + n0 2 15 ZQ = R^( —-—) en parallèle avec Rj?( n ) . (3) 3 ou 2xia + n0 2 Cette relation peut être simplifiée en multipliant le numérateur et le dénominateur par la quantité n2n, 2 (ôc:—. ) afin d'obtenir 25 2ni + n2 R+Rp(2n1 + n5) Z - t 1 | . (5) Rtn2 + Rjpn^ Plusieurs de ces paramètres sont déterminés préalablement en pratique par des considérations de réalisation comme suit : 30 comme indiqué pour le circuit de la figure 19 R£ = RQ lorsque le circuit est utilisé comme dispositif de couplage à une ligne de transmission; R^ est choisi d{après Ieimpédance ou la tension de dérivation voulue3 le nombre de spires d'un des enroulements (par exemple n^) est choisi d°après la gamme de fréquences 35 du signal transmis. Il reste ainsi deux inconnues n^ et n2 dans une équation qui représente la condition d5adaptation d'impédance . Dans le cas de deux résistances parallèles comme 72 02153 8 2122606 à la figure 3, la tension sur chacune d'elles est la même si l'on suppose un courant d'entrée I^n« La fraction de l'énergie d'entrée totale qui se trouve dissipée dans chacune d'elles est proportionnelle au courant qui la traverse. Pour la résistan-5 ce r,, on a donc s 't T7~ " r—+~rT '6' in t £ où 1^ est le courant dans la résistance r^. La fraction de l'énergie d'entrée dissipée dans la résistance r^ est par con-10 séquent donnée par ; Prt . h T± FT~ _ I.„ ~ r, + J.a in xn t ■ t Substituant les valeurs de r^ et r^ (voir Z\ la relation (7) peut s'écrire s 2ni + no2 PRt ° p- *r- . (8) in 2n* + n0 2n. + n0 Multipliant le numérateur et le dénominateur par la quanti-n2 n, 2 20 té (- ■- ■) » on obtient s (7) ' 2n-, +n2 PRt (9) PRt 25 dans laquelle les quantités R# 9 R, 9 n, et *—■ sont connues. in Il ne subsiste dès lors que n2 comme inconnue, et l'équation peut être aisément résolue par rapport à celle-ci. Substituant cette valeur de n2 dans l'équation (5)P tous les paramè tres se trouvent déterminés. 30 On a ainsi montré que deux équations indépen dantes découlent de ce montage9 l'une représentant la relation d'adaptation d'impédance et l'autre représentant la relation de l'énergie dérivée. On a également montré que la valeur de R^ est un paramètre indépendant qui apparaît dans les deux équa- 35 tions. 72 02153 9 2122606 Avec une valeur de R^ choisie librement, l'indépendance mathé-mathique des deux autres variables est ainsi à la disposition du réalisateur, et la solution simultanée de ces équations fournit une solution unique pour la réalisation. 5 L'optimum de rendement de distribution du signal peut être obtenu avantageusement dans une ligne de transmission suivant un autre aspect de l'invention, dans laquelle les rapports des nombres de spires des transformateurs de couplage successifs sont réglés en sorte que la tension de sortie déri-10 vée de chacun d'eux soit la même. Un tel montage, comme le montre la figure 4, comprend une ligne de transmission à deux conducteurs 40, qui peut être considérée comme divisée en plusieurs segments 40a - 40b^ à 40a^ - 40b^ par les points de dérivation ou de branchement. La ligne 40 comprend quatre bran-15 ches, dont une branche terminale, chaque branche comurenant un montage de transformateur selon la figure 1. En supposant un sens de transmission du signal allant de gauche à droite en regardant le dessin, comme l'indique une flèche, un premier transformateur 41 ayant un enroulement primaire 42 et un enrou-2 0 lement secondaire 43 procure un premier point de dérivation pour un circuit 44 se terminant dans la charge Hl^.. Des points de dérivation subséquents sont établis par les transformateurs 51 et 61 ayant des enroulements primaires 52 et 62, respectivement, et des enroulements secondaires 53 et 63, respectivement, ces 25 derniers étant connectés à des charges R2^ et R3^, respectivement. La ligne 40 se termine dans une branche constituée par le transformateur 71 ayant un enroulement primaire 72 et tan enroulement secondaire 73 t ce dernier étant connecté à la charge R4^ par l'intermédiaire d®un cir-30 cuit 74. Les charges R1^.~R4^ sont représentatives des impédances des unités fonctionnelles du système avec lequel la ligne 40 est destinée à être utilisée, ou bien les charges peuvent représenter les impédances caractéristiques des lignes de dérivation du système. 35 Comme dans le cas du transformateur 11 de la figure 1, chacun des enroulements primaires 42, 52 et 62 comporte des prises de dérivation afin de procurer des connexions pour le segment de ligne suivant, de sorte que l'enroulement primaire se trouve divisé en deux sections terminales comptant le même 4) nombre de spires,et une section médiane. Par exemple, l'enrou 72 02153 10 2122606 lement primaire 42 du transformateur 41 est divisé en deux sections terminales 42a et 42b et une section médiane 42c. D'une manière similaire, les enroulements primaires des transformateurs 51 et 61 comprennent les sections terminales 52a-52b et 5 62a-62b, et les sections médianes 52c-62c, respectivement, afin de réaliser l'interconnexion série-shunt des enroulements primaires avec la ligne de transmission 40. Les enroulements secondaires 43, 53 et 63 sont couplés à l'entièreté des enroulements primaires associés. L'enroulement primaire 72 du transformateur 10 terminal 71 est un cas spécial dans lequel la section médiane est réduite à zéro. On voit que comme les branches sxïëcessives dérivent une fraction de l'énergie de la ligne de transmission 40, l'énergie totale disponible à chaque branchement successif est 15 progressivement plus faible. En conséquence, afin que chacune des branches reçoive la même tension de sortie de la ligne, le premier transformateur 41 dérive la plus petite fraction de l'énergie disponible sur la ligne en ce point, le transformateur 51 dérive une fraction plus grande de l'énergie restante, et 20 ainsi de suite jusqu'à ce qu'enfin le transformateur terminal 71 dérive toute l'énergie restante. La fraction d'énergie dérivée en chaque point de branchement est aisément déterminée en réglant les rapports des nombres de spires des sections terminales des enroulements primaires des transformateurs 41, 51, 61 25 et 71 par rapport aux sections médianes respectives des mêmes enroulements. Bien que dans ce qui précède on ait admis que les tensions de sortie aux points de dérivation doivent être égales, on voit que la fraction de l'énergie disponible peut être réglée aux points de branchement afin d'obtenir divers niveaux de ten-30 sion simplement en déterminant les rapports des nombres de spires des enroulements secondaires par rapport à ceux des enroulements primaires. Quoique l'on ait décrit plus haut des formes de réalisation comportant une ligne de transmission deux-fils équili-35 brée, l'invention est parfaitement applicable à des lignes de transmission non équilibrées telles que la ligne coaxiale et la ligne à bandes parallèles. Dans ces cas il est souvent souhaitable de ne point perturber la continuité du conducteur extérieur d'une ligne coaxiale ou du plan de masse d'une ligne à 4) bandes parallèles, afin d'insérer une section série d'un enrou 72 02153 ii 2122606 lement de transformateur. Dans de tels cas, la section série de l'enroulement primaire est connectée en série avec le seul conducteur central de la ligne non équilibrée et le nombre de spires de cette section doit être le double de celui que l'on obtient 5 par les équations indiquées plus haut. Dans la pratique, diverses formes d'ondes de signaux peuvent être transmises et dérivées avec le même bénéfice» Les montages selon l'invention conviennent tout aussi bien pour la transmission de signaux à courant alternatif et de signaux de 3D porteuses modulées que pour la transmission d'impulsions unipolaires de courte durée, par exemple. Il est bien entendu que les formes de réalisation décrites plus haut ne sont que des exemples nullement limitatifs et que l'homme de l'art peut concevoir aisément diverses modifica-15 tions tout en restant dans le cadre de l'invention. 72 02153 12 2122606 REVENDICATIONS 1.- Montage perfectionné pour coupler de l'énergie entre une première ligne de transmission principale et une seconde ligne de transmission branchée sur la première ligne en un 5 point de dérivation, ce montage comprenant un transformateur ayant un enroulement primaire connecté à la première ligne de transmission et ton enroulement secondaire connecté à la seconde ligne de transmission, caractérisé en ce qu'au moins une section de l'enroulement primaire se trouve connectée en série avec un 10 conducteur de la première ligne de transmission et une autre section de l'enroulement primaire se trouve connectée entre les deux conducteurs de la première ligne de transmission d'un côté du point de branchement. 2.- Montage selon la revendication 1, caractérisé en 15 ce que la première ligne de transmission consiste en une ligne deux-fils équilibrée, une première section de l'enroulement primaire est connectée en série avec un conducteur de la ligne, une deuxième section de l'enroulement primaire est connectée en série avec l'autre conducteur de la ligne, et une troisième section 20 de l'enroulement primaire, située entre les première et deuxième sections, est connectée entre les deux conducteurs de la ligne d'un côté du point de branchement. 3.- Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les première et deuxième sections de l'enroulement pri- 25 maire comprennent un nombre égal de spires. 4.- Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première ligne de transmission comprend plusieurs points de branchement et le rapport des nombres de spires du transformateur en chaque point de branchement 30 est ajusté en sorte de compenser l'atténuation d'une section de ligne de transmission afin d'assurer un couplage d'énergie égal entre chacune des lignes de transmission de dérivation et la première section de la première ligne de transmission.