Brevet FR2332650A1 — publié le 19770617

La présente invention concerne un dispositif correcteur applicable à une ligne de transmission utilisée de manière unidirectionnelle, en particulier à une ligne coaxiale, dispositif ayant pour objet, lorsqu'il est associé à une telle ligne, de réduire à une faible valeur constante l'affaiblissement de l'ensemble tout en le rendant sensiblement indépendant de la fréquence du signal appliqué à son entrée. L'invention est en particulier applicable à la transmission des signaux numériques codés à des vitesses pouvant atteindre 500 Mbits/seconde. On connut déjà divers montages dans lesquels taffaiblissement d'une longueur de ligne de type commercial courant, par exemple une ligne coaxiale ayant des conducteurs intérieur et extérieur en cuivre de diamètres respectifs 3,7 nin et 13,5 mm avec une impédance caractéristique de 75 ohms, est réduit à une beaucoup plus faible valeur au moyen d'un ensemble d'amplificateurs et de cellules correctrices montés en cascade avec la ligne. L'invention est en particulier applicable à la transmission des signaux numériques codés à des vitesses pouvant atteindre 500 Mbits/seconde.Le fonctionnement désiré n'est cependant obtenu que si la ligne n'est pas trop longue et si, pour une longueur donnée, la fréquence maximale d'utilisation n'est pas trop élevée, la fréquence minimale étant la fréquence zéro (courant continu) ou une fréquence relativementbasse. Or, à ltheure actuelle, et spécialement- en vue de la transmission à très grande vitesse de données codées, il est devenu nécessaire d'envisager pour ladite fréquence maximale une valeur de l'ordre de 500 MHz. La réalisation selon les moyens classiques d'une installation capable de fonctionner dans de telles conditions avec une longueur de ligne de 2000 mètres, par exemple, exige que cette longueur soit fractionnée en plusieurs sections (par exemple quatre de 500 mètres chacune) chacune associée à un ensemble de circuits correcteurs et d'amplificateurs montés en cascade, afin d'obtenir à la sortie de chacune de ces sections un signal qui soit une reproduction fidèle de celui appliqué à son entrée.Une telle limitation des distances entre les ensembles en question est imposée par le fait que les circuits correcteurs, qui sont des roseaux destinés à compenser la variation de l'affaiblissement du cible avec la fréquence, ne peuvent donner les performances voulues dans une bande de fréquences atteignant 500 MHzs en raison de ce que les schémas théoriques des réseaux en question, qui sont calculables, ne peuvent être réalisés physiquement de manière parfaite, ceci surtout en raison de la présence inévitable dans les réseaux réels de type classique de capacités parasites et, en particulier, de capacités par rapport à la terre. Il est cependant désirable, au point de vue du prix de revient des installations de téléconmunications, de pouvoir espacer le plus possible les ensembles susmentionnés, par exemple en portant leur espacement à 2000 mètres pour une ligne coaxiale 3,7/13,5 (c'est-àdire dont les diamètres des conducteurs intérieur et extérieur en cuivre sont respectivement de 3,7 et t3,5 mm) ayant une impédance caractéristique de 75 ohms et un affaiblissement pour la longueur de 2000 m variant d'une valeur pratiquement nulle à la fréquence zéro jusqu'à 84 dB par exemple pour 500 Mezzo Dans le dispositif de la présente invention, on ne cherche toutefois pas à obtenir une compensation complète de l'affaiblissement en question, mais seulement à le ramener à une valeur constante, de 30 dB par exemple, et cela au-dessus d'une fréquence minimale de l'ordre de 500 Idiz, de telles conditions étant suffisantes pour la transmission des signaux codés grâce aux propriétés des appareils d'utilisation reliés à l'extrémité réceptrice de chaque longueur de ligne. Ce résultat est obtenu grâce à un mode de construction de ligne séparant deux ensembles corr ec teurs-ampliic ateurs conseoutifsO L'ensemble d'une telle longueur de ligne et des circuits qui lui sont associés sera appelé ci-après, pour la simplicité du langage, "section d'amplification". Selon la présente invention, il est prévu, dans une section d'amplification associée à une longueur de ligne de transmission, par exemple de ligne coaxiale, ayant une extrémité de départ et une extrémité d'arrivée et dont l'un des conducteurs est à potentiel constant, un ensemble d'éléments correcteurs comprenant - un précorrecteur relié à ladite extrémité de départ et atténuant les signaux des fréquences les plus basses de la gamine de fréquences à transmettre - une chaîne de plusieurs reseaux correcteurs d'affaiblissement en fonction de la fréquence et de plusieurs amplificateurs à gain constant montés en cascade, lesdits réseaux correcteurs et amplificateurs étant alternés et le premier desdits réseaux correcteurs étant inséré entre ladite extrémité d'arrivée et l'entrée du premier desdits amplificateurs, tandis que la sortie du dernier desdits amplificateurs est reliée à un circuit d'utilisation par un réseau atténuant les signaux de fréquences supérieures à celles de ladite @amme de fréquences à transmettre. Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce que chacun desdits précorrecteur:i et réseaux comprend au moins un élément formé par un longueur dé ligne de transnission en rubans du. type dit "mi@robande" ou "microstrip". De ratière connue, ces lignes en rubans peuvent être formées de ceux rubans de cuivre espacés par une plaque isolante en résine époxylique ou en alumine. Dans l'un des modes de réalisation de l'inv@ntion, chacun desdits réseaux correcteurs est formé d'une cellule en # comprenant dans chacune de ses branches shunt une longueur de ligne "microbande". Dans un autre mode de réalisation de l'invention, chacun desdits correcteurs est formé d'une cellule en T ponté dont les deux bras série sont formés de résistances égales ayant un point commun et dont le bras shunt est formé d'une première longueur de ligne "microbande"- dcnt une extrémité relie le point commun auxdites résistances à un point à potentiel constant et dont l'autre extrémité est fermée sur une première résistance fixe, tandis que les extrémités non communes desdites résistances égales sont reliées entre elles par ur bras de pontage formé d'une seconde longueur de ligne microbande dont les conducteurs sont respectivement reliés à une extrémité de cette seconde longueur auxdites extrémités non communes desdites résistances égales et d'autre part à l'autre extrémité de ladite seconde longueur à une seconde résistance fixe. L'avantage des dispositions sus-énoncées réside en ce que les éléments massés existant dans les réseaux correcteurs elassiques entre les points à potentiel actif du montage et le point à potentiel constant (ci-après dit "terre"), éléments qui présentent des capacités parasites dont l'effet est celui d'admittances shunt tendant à augmenter l'affaiblissement des signaux des fréquences les plus élevées de la gamme à transmettre, sont remplacés par des inçé- dances de longueurs de lignes en rubans qui peuvent être calculées pour présenter une impédance élevée même à ces dernières fréquences. L'invention et ses avantages seront mieux ccmpris à la lecture de la description donnée ci-après de divers exer-ples de réalisation, faite avec l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la Uibo 1 montre le schéma d'ensemble d'une section d'amplification selon l'invention - la Fir 2 montre le schéma d'un modèle particulier de reseau précorrecteur utilisable dan le dispositif de la Fig. 1 ; et -Jes ?igs. 3 et 4 montrent les schémas de deu@ modèles de réseaux correcteurs utilisables dans le dispositif dc la Fig. 1. Se reférant d'abord à la Fig 1, on voit sur celle-ci une borne d'entrée 1 à laquelle sont appliqués les signaux à transmettre. Cette borne est reliée à l'entrée du réseau précorrecteur E0 dont la sortie 2 est reliée à l'extrémité de départ de la ligne coaxiale L, dont l'extrémité d'arrivée ést reliée à entrée 3 du correcteur E1. La constitution du précorrecteur Eo est telle qu'il affaiblisse fortement et selon une loi connue, les signaux de fréquence infé- rieure à 150 MHz, ceci pour éviter que de tels signaux, qui ne sont que peu affaiblis par leur transmission dans le câble, ne se présentent avec une amplitude trop grande à entrée 3 de l'ensemble correcteur- amplificateur (E1, Â1, E2, A2, E3, ) qui reçoit en 3 les signaux dlarrivée transmis de Eo par I1 intermédiaire de la ligne. La réali- sation du précorrecteur E0 sera expliquée en détail plus loin. Â leur arrivée au point 3, les signaux issus de la ligne L sont appliqués à l'entrée 3 du réseau correcteur E1, qui est un réseau de filtrage du type passe-haut destine à compenser l'affaiblissement crois;;ant avec la fréquence croissante du câble L.La sortie du réseau E1 est reliée à l'entrée 4 de l'amplificateur A1, dont la sortie 5 attaque à son tour l'entrée du correcteur E2, dont la sortie attaque l'entrée 6 de l'amplificateur 4, dont la sortie attaque l'entrée 7 du correcteur E3, dont la sortie attaque à son tour lten- trée 8 de l'amplificateur Â3, dont la sortie est elle-même reliée à l'entrée 9 du montage C, qui est un réseau éliminant les signaux de fréquences supérieures à la fréquence maximale utile des signaux transmis, par exemple supérieures à 550 ou 600 MHz, ceci dans le but de réduire les bruits de fond et autres signaux indésirables. La sortie du montage C, ci-après dit "de coupure en haute fréquence" est elle-même reliée à l'entrée 10 d'un quatrième ampli ficateur au de même type que les précédents et dont la sortie est reliée à l'entrée 11 d'un dispositif D, ayant pour rôle la remise en forme (par exemple en forme rectangulaire) des signaux reçus en 11 et leur donnant en même temps une certaine amplification avant d'être transmis à la borne de sortie 12 de D, d'où ils sont dirigés vers un appareil d'utilisation de nature quelconcue ou vers une nouvelle section d'amplification (non représentés ur le dessin). De manière générale, mais non de façon obligatoire, il y a lieu de choisir pour les réseaux E1, E2, E3, ainsi que pour les amplificateurs A1, A2, A3, un mode de construction identique. Ces amplificateurs A1, A2, A3 seront du type à gain constant dans une large bande de fréquences (p.ex. 500 kHz à 500 MKz) avec des impédances d'entrée et de sortie de 50 ohms par exemple, un gain de 14 dB entre 500 kHz et 500 MHz, avec un facteur de réflexion d'entrée et de sortie inférieur à -14 dB. Les réseaux correcteurs E1, E2, E3, ainsi que le précorrecteur EQ, seront également calculés pour fonctionner avec des impédances entrée et de sortie de 50 ohms. Si, comme dans l'exemple donné plus haut de la ligne coaxiale 3,7/13,5 nini, L'impédance caractéristique de celle-ci est de 75 ohms, un transformateur d'adaptation 75/50 ohms (non représenté sur le dessin) sera connecté à la sortie du précorrecteur E0. On sait que la réalisation d'un tel transformateur, fonctionnant dans la bande 500 kHz/500 MHz, n'utilise que des moyens classiques et ne présente pas de difficulté particulière. Admettant que l'affaiblissement de la ligne L (formée par exemple d'une longueur de 2000 m de ligne coaxiale) soit de 85 dB à 500 MHz, et que l'on désire ramener, dans une bande utile de 500 khz à 500 MHz, cet affaiblissement à une valeur constante à + 0,5 dB près, cette valeur sera, en admettant un gain de 14 dB pour chacun des amplificateurs A1 à A4, ramenée à (85-4x14) = 29 dB. L'appareil "régénérateur de signauxfl D de la Fig. 1 est conçu pour fournir un gain compensant l'affaiblissement de 29 dB en question, et en même temps pour améliorer la forme d'onde des signaux transmis à la sortie 12 de D. De tels appareils sont bien connus dans la technique et ne font pas partie de la présente invention. Bien entendu, les amplificateurs A1 à A4 doivent entre choisis pour avoir le meilleur affaiblissement de réflexion possible à leur entrée comme à leur sortie, lorsque celles-ci sont fermées sur leur impédance nominale (p.ex. 50 ohms). Pratiquement, il est possible, pour des amplificateurs de types classiques, d'obtenir un facteur de réflexion inférieur à -14 dB depuis 500 Ez jusqu'à 500 MHz. Le choix de tels éléments impose à chacun des trois réseaux correcteurs E1, E2, E3 (si on les suppose identiques) une différence d'affai- blissement maximum à affaiblissement minimum (dans la bande utile) d'environ 20 dB. Se référant maintenant à la Fig. 2, on a représenté sur celle ci le schéma de principe d'un réseau utilisable comme précorrecteur E, dans le schéma de la Fig. 1. Comme on le voit sur la Fig. 2, le réseau en question possède deux bornes d'accès à potentiel actif 18 et 19 et une borne à potentiel constant (terre) 20 et se compose d'une résistance 24 reliée d'une part à 20 et- d1autre part à une extrémité de la ligne en ruban 23 dont l'autre extrémité est reliée au milieu de la longueur d'une autre ligne (21,22) dont les extrémités sont respectivement reliées aux bornes 18 et 19. Les longueurs L0 de chacune des moitiés de la ligne (21,22) ainsi que celle L1 de la li-ne 23 sont-choisies égales à un quart de la longueur d'onde de propagation pour la fréquence 312,5 MHz.Pour des impédances d'entrée et de sortie de 75 ohms du réseau de la Fig. 2, la valeur optimale de la résistance 24 a été trouvée égale à 3,75 ohms, avec des impédances caractéristiques respectives de 60 ohms pour la ligne (21,22) et de 135 ohms pour la ligne 23. Un réseau précorrecteur E0 du type de la Fig. 2, dont les valeurs numériques des éléments sont celles qui viennent d'être données, affaiblit progressivement les signaux de fréquences inférieures à 150 NHz, et cela d'autant plus que leur fréquence est plus basse. Au-dessus de 150 MHz, l'affaiblissement de ce meme réseau devient constant à + 0,2 dB, jusqu 500 MHz. Par tailleurs, la perte d'insertion n1 excède pas 0,4 dB à 450 MHz, pour un affaiblissement de réflexion de 25 dB à cette dernière fréquence. Se référant maintenant à la Fig. 3, on voit sur celle-ci le schéma de principe d'un premier type de cellule correctrice utilisable pour la réalisation des réseaux E1, E2 ou E3 de la Fig. 1. Cette cellule, du type en et calculée pour des impédances de fermeture de 50 ohms, comprend deux bornes d'accès à potentiel actif 31 et 32, une borne à potentiel constant 30, une résistance fixe 33 formant, en parallèle avec le condensateur ajustable 34, le bras série de la cellule, et deux bras shunt de construction identique et chacun, formé d'une longueur de ligne en rubans (35 ou 36), court-circuite à son extrémité reliée à la borne 30 et connectée respectivement par l'une de deux résistances égales 37 ou 38 aux bornes d'accès 31 et 32. Les longueurs des lignes en rubans 35 et 36 sont calculées pour entre égales à un quart de la longueur d'onde de propagation à 500 NEz, tandis que les résistances 37 et 38 ont une valeur comnune de 61 ohms, la résistance série 33 ayant une valeur de 247 ohms et le condensateur 34 étant un condensateur ajustable de 12 picofarads. L'affaiblissement de la cellule à la fréquence zéro est de 20 dB. A 500 MHz, les lignes en rubans 35 et 36 présentent une impédance infinie, en sorte que l'affaiblissement fourni par la cellule est simplement celui causé par le bras série (33,34). il est en fai@ de 0,4 dss avec un affaiblissement de réflexion supé entre entre la fréquence nulle et 500 MHz, on peut ajuster la f-crrr:e de la courbe affaiblissement-fréquence pal le choix de l'impédance caractéristique des lignes (35,36).En choisissant une valeur dc celle-ci égale à 25 ohms, on obtient pour cette courbe et pour trois cellules une ale ure se rapprochant à # 0,2 dB près de celle de la courbe d'affaiblissement-frequence d'une longueur de 2000 m de ligne coaxiale du type ci-dessus mentionnés En se référant mainttiiant a la Fig. 4, on voit sur celle-ci le schéma de principe d'un autre type de cellule correctrice utilisable pour les élément E1, E2, E3 de la Fig. 1. Comme on le voit sur la Fig. 4, cette dernière cellule est du type en T ponté.Elle comprend essentiellement deux bras série identiques formés de deux résistances 48 et 49 de valeur commune R0 reliant le point commun 43 respectivement aux deux bornes d'accès à potentiel actif 41 et42. Par ailleurs, le point commun 43 est relié au point à potentiel constant 40 (terre) par l'entrée d'une longueur de ligne en rubans 44 dont la sortie est fermée sur une résistance 46. Les bornes d'accès 41 et 42 sont reliées entre elles par l'entrée d'une autre longueur de ligne en rubans 45, dont l'un des conducteurs est relié à la borne 41 et l'autre à la borne 42, tandis que la sortie de 45 est fermée sur une résistance 47. De manière connue, la cellule de la Fig. 4 forme un réseau à impédances d'accès constantes et égales à Rg, pourvu que les impédances équivalentes aux lignes 44 et 45 vues de leurs entrées 2 soient telles que leur produit soit égal à Ro dans toute la bande des fréquences utiles. La condition qui vient d'entre énoncée relativement auxdites impédances équivalentes peut être satisfaite si ces dernières sont réalisées sous la forme de longueurs de lignes en rubans de même longueur électrique et d'impédances caractéristiques respectives Z1 et Z2 (avec Z1 Z2 = R02) terminées respectivement par des impédances dont le produit est aussi égal à R02.Si ces impédances terminales sont elles-memes des résistances pures R1 et N , on obtient pour le coefficient de transfert de la cellule une expression qui est une fonction homographique d'une quantité X égale au produit de l'unité imaginaire par la tan@ente du produit de la moitié de la fréquence angulaire # par le temps de propagation t correspondant à la longueur des lignes en rubans ùtemps qui est supposé le mime pour l'une et l'autre desdites lignes). En choisissant convenablement les valeur de #, de Z1 et A2 et des résistances R1 et N , on peut faire colncider avec une bonne approximation et dans une large garnie de frCquences le coefï'icient de transfert de la cellule avec une @onc tion donnée de la fréquence, en particulier avec une fonction compensatrice de l'affaiblissement de la ligne de transmis- ion que l'on veut @orriger, ou tout au moins d'une fraction choisie de cet affaiblissement On rappellera brièvement ci-après les principes de calcul qui permettent d'obtenir, pour une cellule en T ponté du type de la Fig. 4, un coefficient de transfert S (quotient de la tension de sortie par la tension d'entrée) très sensiblement égal à une fonction choisie de la fréquence angulaire # du signal transmis. On trouve ainsi, pour une cellule du type de la Fig. 4 et avec les notations ci-dessus définies (voir par exemple l'ouvrage de G. MATTHAEI, L. YOUNG et E.M.T. JONES, "Microwave Filters, Impedance-Matching Networks and Coupling Structures" édité par McGraw Hifl CO., New York 1964, Chape 5, Pages 163 et suivantes) avec Z1 et Z2 désignant toujours les impédances caractéristiques des lignes 45 et 44 de la Fig. 4. Une méthode de calcul permettant la simulation de l'affaiblis- sement d'un câble par celui d'une suite de réseaux en T ponté a été par ailleurs indiquée dans un article de J. SALZMANN publié dans la revue française "Câbles & Transmission", Vol, 27, N 4, Octobre 1973, pages 466-468e En bref, le principe de la méthode de calcul en question peut se résumer cormne suit A) Si F(z) est la fonction de transfert désiré pour l'enseible des réseaux correcteurs, on détermine une approximation satisfaisante de F(Q) par une fraction rationnelle en #, en appliquant dans le plan complexe la transformation de Richards # = j tg(# # /2) B) On décompose la fraction rationnelle en A ainsi ohteiltre en une suite de termes ayant chacun un zéro #o et un pôle #p. Désignant par Sm l'un de ces termes, on peut écrire avec et les quantités Ro, R1 et Z1 étant celles ci-dessus définies à propos de la Fig. 4. C) On réalise la fonction de transfert désirée parla mise en cascade de structures vérifiant individuellement la relation donnée ci-dessus pour chaque terme Sm, pour les valeurs correspondantes de N et dexp, grâce au choix de R1 et Z défini par les équations (4) et (5) ci-dessus0 Dans une réalisation pratique d'un tel dispositif correcteur, utilisant trois réseaux du type de la Fig. 4, on a pu ainsi obtenir une compensation à + 0,5 dB près dans toute la gamme des fréquences de 500 kHz jusqu'à 500 MHz et pour une longueur de ligne de 2000.m, avec un coefficient de réflexion inférieur à -22 dB jusqu'à cette dernière fréquence. Le principal avantage de l'emploi du schéma en T ponté de la Fig. 4, par rapport au schéma en échelle de la Fig. 3, est son très faible coefficient de réflexion, bien que sa perte d'insertion soit, toutes choses égales par ailleurs, légèrement plus forte que celle du montage de la Fig. 3. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif correcteur d'affaiblissement en fonction de la fréquence pour section d'amplification associée à une ligne de transmission, en particulier pour ligne coaxiale, ayant un ensemble d'éléments correcteurs comprenant - un précorrecteur relié à l'extrémité de départ de ladite ligne et affaiblissant les signaux des plus basses fréquences de la gamme de fréquence à transmettre - une chaSne de plusieurs réseaux correcteurs d'affaiblissement en fonction de la fréquence et de plusieurs amplificateurs à gain constant montés en cascade, lesdits réseaux correcteurs et amplificateurs étant alternés et le premier desdits réseaux correcteurs étantinséré entre ladite extrémité d'arrivée et ltentrée du premier desdits amplificateurs, tandis que la sortie du dernier desdits amplificateurs est reliée'9 un circuit d'utilisation par un réseau atténuant les signaux de fréquences supérieures à celles de ladite gamme de fréquences à transmettre, ledit dispositif étant caractérisé en ce que chacun desdits pré correcteurs et réseaux comprend au moins un élément formé par une longueur de ligne de transmission en rubans du type dit 1,microbande" ou "microstrip". 2 - Dispositif seillon la revendication 1, dans lequel au moins l'un desdits réseaux correcteurs est formé d'une cellule enit comprenant dans chacune de ses branches shunt une longueur de ligne "microbande". 3 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel au moins l'un desdits correeteurS est formé d'une cellule en T ponté dont les deux bras série sont formés de résistances égales ayant un point commun et dont le bras shunt est forma d'une première longueur de ligne "microbande" dont une extrémité relie le point commun auxdites résistances à un point à potentiel constant et dont l'autre extrémité est fermée sur une première résistance fixe, tandis que lesextrémités non communes desdites résistances égales sont reliées entre elles par un bras dc pontage formé d'une seconde longueur de ligne mîcrobande dont les conducteurs sont respectivement reliés d'une part, à -une extrémité de cette seconde longueur, auxdites extrémités non communes desdites résistances égales, et d'autre part, à l1autre extrémité de ladite seconde longueur, à une seconde résistance fixa,