Brevet FR2342564A1 — publié le 19770923

Llinvention concerne les dispositifs de compensation de la dérive de fréquence, en fonction de la température, des circuits résonnants et plus particulièrement des cavités de filtre constituées de lignes coaxiales. I1 est bien connu de compenser ces dérives de fréquence en utilisant des pièces en acier spécial présentant un faible coefficient de dilatation linéaire. Ces pièces ont, malheureusement, une très mauvaise conductibilité. I1 est dé ce fait indispensable de déposer en surface, par électrolyse, une épaisseur d'argent suffisante, fonction de la fréquence de fonctionnement, pour obtenir la surtension nécessaire. Cette disposition est coûteuse et ne permet pas d'éviter complètement toute dérive. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients et permet d'éliminer pratiquement la dérive de fréquence en température. Elle est applicable à des circuits résonnants utilisant des métaux bon conducteurs classiques (cuivre par exemple) ainsi qu'è des circuits en "invar" , afin d'éliminer la dérive résiduelle de ces derniers. Selon l'invention, un dispositif de compensation de la dérive en fréquence, en fonction de la température, d'une ligne résonnante ouverte à au moins une de ses extrémités, et constituée dlun conducteur extérieur et d'un conducteur intérieur, est caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur comporte intérieurement une première tige évidée axialement, dont une première extrémité est mécaniquement solidaire dudit conducteur intérieur en un point éloigné de ladite extrémité ouverte au niveau de laquelle aboutit la deuxième extrémité de ladite première tige, une deuxième tige en matériau diélectrique étant encastrée dans ladite.première tige et fixée cette dite première tige du côté de l'extrémité ouverte pour servir de support à un embout en matériau diélectrique constituant une capacité terminale de ladite ligne au niveau de ladite extrémité ouverte, ladite première tige étant constituée d'un matériau ayant un coefficient de dilatation en fonction de la température supérieur à celui du matériau constituant ladite ligne. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et du dessin s'y rapportant qui représente une cavité coaxiale résonnant en B/4 , ser-vant d'exemple à l'application du dispositif de compensation selon l'invention. Sur la figure, la cavité 12, réalisée par exemple avec des parois en cuivre, supporte, sur son fond 13, le conducteur central 2 , également en cuivre, prolongé par le piston amovible 1 , dont un déplacement longitudinal suivant l'axe Y Y' de la cavité permet le réglage en fréquence du circuit. Ce déplacement se fait par rotation du piston 1 , dont la partie inférieure filetée s'engage dans un écrou 10, soudé extérieurement sur le fond 13 de la cavité 12. Un système de freinage comportant une fente Il , ménagée dans l'écrou 10, et une vis de serrage 16, permet de bloquer le piston 1 après réglage. La longueur totale des éléments associés 1 et 2, qui correspond sensiblement au quart de la longueur d'onde de fonction nement, détermine la fréquence de résonance du circuit. La cavité est équipée de boucles de couplage 17 et 18 montées sur les prises coaxiales de raccordement respectives 14 et 15. La constitution de l'ame centrale de la cavité à l'aide des deux conducteurs 1 et 2 a uniquement pour but d'éviter un contact mobile de cette âme avec le fond de cavité, où l'intensité, donc les pertes, seraient les plus élevées. Limitée aux organes ci-dessous décrits la cavité présente une structure classique où toute variation de température modifie légèrement la longueur du piston 1 et, par suite, la fréquence de résonance de la cavité, d'où perte de gain et désadaptation d'autant plus importante que la surtension de la cavité est élevée, cas fréquemment rencontré. Les pièges 3 à 9 ont pour but de pallier ce défaut. Une pièce isolante 3 profondément évidée est engagée librement, mais sans jeu excessif, dans le piston 1 , percé longitudinalement en son centre, suivant l'axe Y Y'. Elle est rendue solidaire du piston 1 , à son extrémité inférieure, au moyen d'une goupille transversale métallique 9 s'engageant sans jeu dans les trous de fixation. Une tige 4 est engagée dans la partie tubulaire de la pièce 3 à laquelle elle est fixée par une goupille B , en sa partie proche de l t extrémité ouverte de l'âme centrale. Les fixations à l'aide des goupilles 8 et 9 doivent être soignées pour éviter tout jeu longitudinal entre les pièces 1-3 et 3-4. On utilisera, par exemple, des goupilles cylindriques fendues dont 11 élasticité maintient la périphérie en pression constante. La tige 4, sans s'engager à force dans le tube 3, pour éviter les contraintes dues aux différences de dilatation entre pièces, doit pratiquement remplir l'orifice aménagé, afin d'empêcher tout mouvement latéral de l'embout 5 , réalisé en matériau isolant, et fixé sur la partie extérieure de la tige 4 par exemple par filetage de cette tige 4 et taraudage de 11 embout 5 , avec blocage à l'aide des vis 6 et 7 réalisées dans le même matériau que cet embout de manière à éviter des contraintes ou des jeux entre les deux pièces lors des variations de température. La caractéristique essentielle quedoit présenter la pièce 3 est un coefficient de dilatation thermique sensiblement plus grand que celui du matériau constituant la cavité. L'embout 5 doit présenter un coefficient diélectrique nettement plus important que le milieu diélectrique de la cavité, soit l'air en l'occurrence. flans ces conditions, une variation de température, dans le sens positif par exemple, provoquera une augmentation des dimensions générales de la cavité, ce qui contribue à diminuer sa fréquence de résonance, mais elle provoquera aussi un éloignement de l'embout 5 par rapport à l'extrémité ouverte de la ligne, donc une diminution de sa capacité terminale, principalement par suite d'un engagement moins important de la jupe 19 de l'embout 5, entre l'amie centrale de la ligne et les parois de la cavité qui lui sont parallèles, c'est-à-dire les conducteurs respectifs intérieur et extérieur de la ligne. Le calcul montre que cette compensation est réalisable dans une large gamme de température. Dans le cas d'une ligne en court-circuit à une extrémité, on sait que l'impédance Z , en un point quelconque de la ligne, situé à la distance x du court-circuit, a pour valeur Z = jZc.tg ss x où Zc est l'impédance caractéristique de la ligne, et ss x = 2#x la longueur électrique de la ligne exprimée en radians, pour une longueur d'onde # de la fréquence F du signal d'excitation. La loi de variation de Z en fonction de ss x est la même que celie d'une tangente trigonométrique. - Cas d'une ligne k/4 une telle ligne sans capacité additionnelle à l'extrémité V ouverte, entrera en résonance sur une fréquence F = V/# pour ssx = ssl = #/2. L'impédance Z est alors maximale. Z est positif pour o k/4 L'impédance est alors inductive et de la forme Z = JX avec X = zc.tgssx Avec la capacité additionnelle c on obtient à la résonance (avec w= 2#F): c.w.Zc.tg ssl = 1 , en remplaçant x par 1 qui devient la variable indépendante. (1) D'où : c = #.Zc.tgss1 = f(l) En différentiant cette équation, il vient dc = -(1 + tgl) dl w.Zc.tg2ss1 1 est ici très peu différent de /4 puisque la capacité terminale ajoutée est très faible, et que la dérive de fréquence en température d'une ligne k/4 en cuivre est de l'ordre de 10 3 pour un #T de 800 C On a donc I'i 2 , et 1gssl > > > 1 1 En néligeant 1 devant tg2ss1 , il vient dc = #### dl 2# 2%F Or = = dY (V = Vitesse de propagation) d'où = dc = te de la forme = dc = - Kdl avec K = V.Zc = Cte- Ceci montre que la fonction (1) c = f(l), pour 1 voisin de k/4 est une fonction linéaire, c variant en sens inverse de 1 comme déjà montré plus haut. En fonction de la température, la longueur de la ligne 1 varie généralement linéairement, il devra donc en être de même pour c. A titre d'exemple la valeur moyenne de la capacité terminale c ajoutée dans une cavité en cuivre fonctionnant en k/4 , à la pulsation M = 2,75 109 , et d'impédance caractéristique Z = 1OD est de 45.10 -3 picofarads, l'embout 5 était réalisé en polyéthylène et la pièce 3 en résine époxy à base d'araldite ayant un coefficient linéaire en fonction de la température d'environ 60.10 6 par OC. Dans ces conditions, l'adjonction de la capacité terminale diminue la fréquence de la cavité de 0,8 % environ, ce qui justifie l'approximation faite, dans le calcul précédent, en négligeant 1 devant tg2fi5l , , qui est égal à environ 80. - Cas d'une ligne de longueur différente Si la ligne fonctionne sur un multiple impair de k/4 , le calcul est évidemment le même que ce-dessus à ceci près que la variation de capacité est multiplée par un coefficient égal au multiple considéré. Si la ligne est une ligne k/2 ouverte aux deux extrémités, on sait que son impédance Z = jZccotg ssx = j.Zcfg + soit une loi identique à celle d'une ligne k/4, puisque px est ici augmenté de 2 par rapport à la ligne La variation de la capacité terminale devra toutefois être doublée puisque la longueur de la ligne est doublée, à moins que la compensation soit effectuée à chaque extrémité de la ligne, ce qui revient à la considérer comme 2 cavités h/4 dos à dos. Le dispositif de compensation selon l'invention.est donc applicable à des lignes résonnantes selon divers modes, la réalisation étant effectuée sous forme de cavité coaxiale à section circulaire , comme le suppose la figure ou à l'aide de lignes plates, le conducteur extérieur étant réalisé, par exemple, sous forme des branches d'un U entourant un conducteur intérieur incluant, dans son épaisseur, le dispositif de compensation (pières 3 à 9). Les calculs ont été faits pour une fréquence donnée, et les formules montrent que les caractéristiques des éléments de compensation en sont fonction. En pratique, la gamme de5 fréquences d'utilisation est suffisamment étroite, en valeur relative, pour que la compensation établie en milieu de la gamme reste satisfaisante aux extrémités. C'est ainsi que la cavité prise en exemple, présente une dérive en fonction de la température, dans toute sa gamme d'utilisation, à savoir 425-470 MHz, 10 fois plus faible qu'en l'absence du système de compensation selon l'invention. La tige 3 peut etre réalisée en tout matériau connu, isolant ou conducteur. Dans ce dernier cas, toutefois, il y a lieu d'éviter d'éventuelles résonances parasites, pouvant provoquer des absorptions. La seule caractéristique essentielle est, comme déjà dit, le coefficient de dilatation thermique, qui doit etre supérieur à celui du matériau constituant la cavité, mais il est nécessaire également que ces coefficients restent dans un meme rapport le long de la gamme de température. Ce résultat sera obtenu si ces deux coefficients sont cnnstants dans la gamme de température choisie, ce qui est le cas de la ligne prise en exemple. Dans le cas contraire, le dispositif se prete à une compen sation de ce défaut en jouant sur la forme de la jupe 19 qui, au lieu d'avoir, comme sur la figure, une section constante le long de l'axe Y Y', qui donne une variation linéaire de capacité en fonction de son déplacement, peut présenter une section variable, adaptée aux variations de l'un ou des 2 coefficients en fonction de la température. Enfin, la tige 4, et notamment sa partie extérieure à l'ame centrale 1, devra avoir une section limitée à ce qui est nécessaire pour obtenir une rigidité mécanique suffisante, son allongement en fonction de la température dans I'espace -diélectrique de la cavité ayant un effet inverse à celui cherché et venant restreindre l'effet devra diminution de capacité terminale présenté par l'embout 5. Dans une fabrication en série d'éléments identiques on peut réunir les éléments 3 à 8 en une même pièce qui devra être constituée d'un matériau à la fois bon diélectrique en haute fréquence et présentant le coefficient de dilatation voulu. Un tel dispositif trouve une application intéressante dans la réalisation de filtres à haute surtension, comportant en cascade plusieurs lignes telles que celles décrites, et en particulier dans le cas de filtres passe bande de relativement faible largeur de bande. REVENDICATIONS 1. Dispositif de compensation d-e la dérive en fréquence, en fonction de la température, d'une ligne résonnante ouverte à au moins une de ses extrémités, et constitué d'un conducteur extérieur et d'un conducteur intérieur,caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur comporte intérieurement une première tige évidée axialement, dont une première extrémité est mécaniquement solidaire dudit conducteur intérieur en un point éloigné de ladite extrémité ouverte au niveau de laquelle aboutit la deuxième extrémité de ladite première tige, une deuxième tige en matériau diélectrique étant encastrée dans ladite première tige et fixée à cette dite première tige près de ladite extrémité ouverte, pour servir de support à un embout en matériau diélectrique constituant une capacité terminale de ladite ligne au niveau de ladite extrémité ouverte, ladite première tige étant constituée d'un matériau ayant un coefficient de dilatation en fonction de la température supérieur à celui du matériau constituant ladite ligne. 2. Dispositif de compensation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première tige est en matériau isolant, ledit embout comportant une jupe s'insérant entre les conducteurs extérieur et intérieur. 3. Dispositif de compensation selon la revendication 2 appliqué à une cavité comportant une ligne ayant une extrémité fermée et une extrémité ouverte, lesdits conducteurs extérieur et intérieur étant coaxiaux et de section circulaire, caractérisé en ce que ledit point est situé sensiblement au niveau de ladite extrémité fermée et en ce que ladite deuxième tige est fixé au niveau de ladite deuxième extrémité. 4. Dispositif de compensation selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite jupe présente le long de l'axe dudit conducteur intérieur, une section variable, déterminée en fonction des variations des coefficients de dilatation desdits conducteurs intérieur et extérieur et de ladite première tige en fonction de la température. 5. Dispositif de compensation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième tiges et ledit embout constituent une piece unique en matériau diélectrique de coefficient de dilatation en fonction de la température supérieur à celui du matériau constituant ladite ligne. 6. Filtre passe bande caractérisé en ce qu'il comporte n lignes résonnantes en cascade comportant un dispositif de compensation selon ltune des revendications 1 à 5.