Brevet FR2545282A1 — publié le 19841102

DISPOSITIF DE CONNEXION COAXIALE AMOVIBLE OU MOBILE EN ROTATION POUR HYPERFREQUENCES L'invention concerne un dispositif de connexion ou de liaison coaxiale amovible ou mobile en rotation pouvant équiper, notamment, un banc de test ou un joint tournant hyperfréquences, par exemple. Dans le domaine des hyperfréquences allant de quelques à une dizaine de Gigahertz, il est bien connu que les liaisons électriques coaxiales doivent être d'excellente qualité (impédance de contact aussi réduite que possible) et présenter une continuité des impédances caractéristiques (afin d'obtenir des rapports d'ondes stationnaires proches de l'unité), ce qui exclut des connexions par des simples contacts à affleurement, qui sont généralement peu fiables et qui occasionnent des pertes de contact fluctuantes. Divers types de connecteurs et de joints tournants coaxiaux avec ou sans contact galvanique, c'est-à-dire utilisant des couplages capacitifs ou inductifs, ont été respectivement décrits, par exemple, aux pages 100 à 109, 407 à 416 et 446 à 455 de l'ouvrage US de RAGAN intitulé "MICROWAVE TRANSMISSION CIRCUITS", publié en 1948 par Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY, INC, présentent le principal inconvénient de n'être adaptés que dans une bande de fréquences relativement étroite (pour laquelle la cavité du joint inductif représente une demi-longueur d'onde). En outre, la fabrication et l'assemblage imbriqué et centré des deux parties d'un tel connecteur ou joint (tournant ou non) doivent être effectués avec précision ce qui en augmente le coût.D'autres types de connecteurs coaxiaux hyperfréquence connus, du type à contact galvanique en ce qui concerne les conducteurs central et extérieur, exigent soit une manipulation (par vissage ou par fixation à baîonette), soit un guidage mécanique précis, et lorqu'ils sont soumis à des manipula tions fréquentes, comme c'est le cas sur des bancs d'essais et/ou de réglage, ils subissent une usure mécanique notable qui les détériore. La présente invention permet d'éviter les inconvénients susmentionnés des dispositifs de l'état de la technique. Elle a pour objet un dispositif de connexion coaxiale, amovible (ou dissociable) ou mobile en rotation, dans lequel le. contact galvanique, au moins en ce qui concerne le conducteur central, est assuré par des moyens simples et sans usure mécanique notable de celui-ci. Suivant l'invention, un dispositif de connexion ou de liaison coaxiale, amovible ou mobile en rotation, pour réunir temporal- rement ou de manière tournante un circuit. ou dispositif hyperfréquence comprenant au moins un terminal coaxial, tel qu'une traversée, dont le conducteur central isolé comprend une extrémité dénudée en forme de broche de diamètre prédéterminé, qui dépasse l'extrémité du conducteur extérieur, est principalement caractérisé en ce qu'il comporte une pièce diélectrique en forme de coupe, sensiblement verticalement orientée, composée d'une partie supérieure en forme de cuvette et d'une partie inférieure qui est traversée d'une aiguille conductrice dont l'extrémité supérieure pénètre à l'intérieur de la cuvette contenant un bain de métal liquide, tel que le mercure, dans lequel est plongée la broche, et en ce que cette pièce est logée entièrement dans un trou d'une embase métallique rigide qui entoure sa paroi latérale et qui sert de conducteur extérieur relié ou couplé à celui du circuit ou dispositif hyperfréquence et de support à ces derniers. L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit et des dessins annexés s'y rapportant, donnés à titre d'exemple, sur lesquels: - la figure 1 montre une coupe partielle en élévation d'un dispositif de connexion coaxiale amovible suivant l'invention ; et - la figure 2 montre une application d'un dispositif suivant l'invention à un joint tournant coaxial. Sur ces figures, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes repères. La figure 1 est une coupe partielle en élévation d'un dispositif de connexion ou connecteur coaxial amovible, conforme à l'invention. Le dispositif de connexion amovible 1 de la figure 1 comprend un support ou une embase métallique rigide 2 qui constitue en même temps son conducteur extérieur et le support du circuit hyperfréquence 10 avec lequel il est destiné à établir une liaison coaxiale adaptée. Ce circuit 10 comprend un fond métallique 11 sur lequel est monte un circuit en microbande 12 (dit "microstrip" en anglais) composé d'un substrat diélectrique 13 dont l'une des faces, représentée ici comme inférieure, porte un revêtement métallique 14 quasi-continu, appelé plan de masse. L'autre face du substrat 13 porte des circuits hyperfréquence sous la forme de bandes ou rubans métalliques 15 à l'aide desquels on y a constitué, notamment, des lignes de tran mission, des éléments de couplage et de découplage, des réactances inductives et capacitives et des circuits résonnants, par exemple. C'est également cette face supérieure qui porte des composants actifs et passifs rapportés, reliés au reste du circuit par des soudures (non représentés). Le plan de masse 14 repose sur la face supérieure du fond métallique 1 1 en forme de plaque.Le circuit de la face supérieure du substrat 13 est généralement recouvert d'un blindage métallique (non représenté) dont les parois latérales sont galvanique ment réunies par leurs extrémités inférieures à la plaque de fond 11 de façon à constituer un boîtier fermé. L'entrée et/ou la sortie des signaux hyperfréquence, ainsi qu'éventuellement l'application des tensions ou courants d'alimentation, est généralement réalisée à l'aide de traversées coaxiales 16, pratiquées à travers la plaque de fond 11. Un trou 17 de diamètre j 17 prédéterminé est percé dans le fond 11, le traversant de part en part, normalement aux faces parallèles respectives du substrat 13 et de la plaque 1 1 A l'endroit de ce trou 17, la face inférieure du substrat 13 comprend une zone épargnée 18, non recouverte de métal. Une pièce ou perle diélectrique 19 de forme cylindrique est insérée dans ce trou 17 en le remplissant. Dans son axe, cette perle 19 est traversée par une broche 20 métallique qui en émerge des deux côtés. L'extrémité supérieure de la broche 20 traverse le substrat 13 à travers un trou qui aboutit au centre de l'une des bandes 15, à laquelle elle est galvaniquement reliée par une soudure. La partie inférieure de la broche 20 est nue et présente une longueur prédéterminée.Les diamètres respectifs C15 20 de la broche 20 et # 17 du trou 17 sont choisis en fonction de la permittivité relative r du diélectrique utilisé pour la perle isolante 19, afin d'assurer la continuité de l'impédance de la traversée 16 avec celle du circuit en microbande 15.La broche 20 présente généralement un diamètre Q5 20 et une longueur -de la partie émergeant de la perle 19 normalisés, on choisit donc le diamètre intérieur Q1 17 du trou 17 de façon à obtenir l'impédance caractéristique Zc en fonction de la permittivité relative r du matériau utilisé pour la perle 19 (calculée selon la formule connue In 8 17/ 20 = (138/##r). log10 # 17/#20). La face inférieure de la perle 19ne doit pas dépasser celle du fond 11 conducteur afin qu'un contact galvanique puisse être établi avec celui-ci. Le circuit hyperfréquence 10 devant être temporairement connecté à son environnement pour essais ou réglage, peut être un oscillateur ou un filtre passe-bande du type à résonateur diélectrique, décrit dans les publications FR-A-2 504 325 ou EP-A-0 064 000, par exemple. Le dispositif de connexion ou connecteur coaxial amovible, suivant l'invention, comporte une traversée coaxiale adaptée, insérée dans un trou 3 percé dans son embase métallique 2. Ce trou 3 comporte une partie supérieure 4 de plus grand diamètre ç 4 et une partie inférieure 5 de plus petit diamètre Qj 5. Les deux parties 4 et 5 du trou 3 sont coaxiales et traversent l'embase 2 de haut en bas. La transition entre ces parties 4 &commat;t et 5 de diamètres différents peut présenter une forme radiale, c'est-à-dire transversale, ou tronconique, de préférence avec un grand angle d'ouverture (par exemple, compris entre 130 et 170 degrés), afin de mieux assurer la continuité des impédances caractéristiques. Ce trou 3 est destiné à recevoir une pièce diélectrique 6 en forme de coupe dont la partie supérieure 7 présente un diamètre extérieur sensiblement égal à celui de la partie supérieure 4 du trou 3 et dont la partie inférieure 8 s'insère dans celle 5 de ce trou 3. La hauteur de la pièce 6 est sensiblement égale à l'épaisseur E de l'embase métallique 2 à ltendroit du trou 3. La pièce diélectrique 6 comprend également une transition entre ces parties supérieure 7 et inférieure 8 dont la forme s'adapte à celle du trou 3, afin que son pourtour soit partout au contact direct du métal de l'embase 2 qui constitue le conducteur extérieur de cette traversée coaxiale. La partie supérieure 7 de cette pièce 6 comprend un trou central 9 formant une cuvette cylindrique, coaxiale avec la paroi extérieure de cette partie 7, et dont le diamètre intérieur 9)9 9est choisi de telle sorte qu'il soit supérieur au diamètre extérieur z 20 de la broche 20 qui s'y insère, mais inférieur à celui 17 de la perle 19.Le trou central 9 de la partie supérieure 7 de la pièce diélectrique 6 formant cuvette, est rempli d'un métal conducteur qui est liquide à la température ambiante, tel que le mercure (Hg). La hauteur H9 du bain de mercure M est choisie de telle sorte qu'elle soit supérieure à la longueur de la partie inférieure, nue de la broche 20 émergeant de la traversée 16 et introduite dans le bain M. Il est également avantageux de choisir cette hauteur H9 sensiblement égale à un quart de la longueur d'onde sur la ligne (gag/4 étant fonction de la permittivité relative r du matériau utilisé pour réaliser la pièce 6) du signal transmis, pour constituer un transformateur d'impédance classique. Le remplissage de la cuvette centrale 9 par le mercure doit également tenir compte du volume de liquide déplacé par la partie immergée de la broche 20, afin que le liquide ne déborde pas sur la face annulaire supérieure de la pièce isolante 6 et ne constitue un court-circuit. De tels débordements, ainsi que des variations importantes du niveau de liquide dans la cuvette 9 peuvent être évités en choisissant le diamètre de cette dernière notablement supérieur à celui 20 de la broche 20 (de préférence, Cb 9 est compris entre 3 et 5 fois # 2d) Un chanfrein 21 pratiqué sur le bord supérieur de la cuvette 9 permet également de limiter le débordement du liquide. La partie inférieure 8 de la pièce diélectrique 6, qui est contenue dans la partie correspondante 5 du trou 3, est traversée en sàn axe par une aiguille métallique ou broche 22 dont l'extrémité supérieure penètre dans la cuvette par le fond de façon à assurer la liaison électrique entre le bain de mercure M et un connecteur coaxial 23 classique (maIe) dont la partie centrale est constituée par un prolongement retréci de l'aiguille 22. Un connecteur femelle 24 vissé dans une saillie annulaire 25 solidaire du fond 2, qui est munie d'un filetage intérieur, est monté au bout d'un câble coaxial 26 de même impédance. Le diamètre extérieur (B 4 de la partie supérieure 7 de la pièce 6 est calculé de façon à assurer la continuité des impédances, d'une part, avec la traversée 16 du circuit 10 et d'autre part, avec sa partie inférieure 8 munie de l'aiguille 22 qui doit présenter la même impédance caractéristique où R. = .12). i i Dans tous les cas, 1 4 sera supérieur à 17 et à Qi 5 et j 9 sera inférieur à 17. Les matériaux diélectriques choisis pour réaliser la pièce 6 (ainsi que la perle 19) sont, de préférence, ceux qui présentent de faibles pertes (diélectriques ainsi qu'ohmiques), tels que des matériaux plastiques (genre polytétrafluoroéthylène) et qui sont aisément usinables (par tournage ou perçage). Au cas où le matériau diélectrique présenterait une perméabilité relativeAl r différente de l'unité, il faut remplacer r dans la formule par le rapport E r/pr, Du fait de la présence du métal liquide dans la cuvette 9 de la pièce 6, l'axe de celle-ci doit être sensiblement verticale, c'est-à-dire que le support 2 fixe doit être maintenu horizontalement.On remarquera ici que cet axe peut être légèrement incliné par rapport à la verticale (jusqu'à + 45 degrés), si l'on tient compte de cette inclinaison, lors du remplissage de la cuvette 9. Par ailleurs, ni la face supérieure de la pièce 6, ni la face inférieure de la perle 19, ne doivent dépasser leurs surfaces métalliques environnantes respectives, afin que celles-ci puissent être mises en contact intime, éventuellement à l'aide de vérins, de pinces ou d'étaux. Le dispositif de connexion coaxiale dissociable ou amovible est applicable notamment à des bancs de réglage et ou d'essai d'un composant ou d'un sous-ensemble hyperfréquence, tel qu'un oscil lateur, résonateur, filtre ou amplificateur, par exemple. Une autre application possible du connecteur coaxial à bain de mercure de l'invention est constitué par un joint tournant, c'est-à-dire un dispositif de connexion mobile en rotation autour d'un axe qui peut être vertical ou incliné par rapport à la verticale jusque + 45 degrés, par exemple (afin d'éviter un écoulement du mercure). La figure 2 représente schématiquement une coupe transversale partielle en élévation d'une telle application de Pinvention Le dispositif de connexion coaxial mobile en rotation comporte ici une partie fixe 1 comprenant le support métallique rigide 2 muni d'un trou 3 dans lequel est insérée la pièce diélectrique 6 en forme de coupelle, dont la cuvette centrale 9 est remplie de mercure M et dont le fond est traversé par- une aiguille 27 pénétrant dans le bain métallique. L'extrémité inférieure de l'aiguille 27 est reliée à une transition guide-coaxial 28 classique à l'aide de laquelle est -effec- tuée la transmission entre un guide d'ondes rectangulaire 29 et un joint tournant coaxial dont fait partie le support 2. La partie mobile 30 du joint comporte un conducteur central 31 cylindrique plein et un conducteur extérieur tubulaire 32 rigide. Le conducteur central 31 est maintenu centré à l'intérieur du conducteur tubulaire 32 au moyen de pièces annulaires (rondelles) 33 espacées, en un matériau diélectrique. L'extrémité inférieure du conducteur central 31 est terminée par une partie rétrécie 34 qui est immergée dans le bain de mercure M, afin d'assurer un contact galvanique pratiquement sans usure. Le diamètre intérieur du conducteur extérieur doit être supérieur au diamètre intérieur de la cuvette contenant le métal liquide. Le bas du conducteur extérieur 32 est terminé par un épau lement 35 qui a été muni d'une gorge annulaire 36 coaxiale qui forme avec la largeur de l'espacement 37 séparant Ba face supérieure du support métallique 2 de la face inférieure de sa partie centrale, une cavité résonnante d'une demi-longueur d'onde (représentant un court-circuit électrique pour la fréquence correspondante). L'extrémité inférieure de la paroi extérieure de l'épaulement est pourvue d'une gorge dans laquelle est inséré un roulement à billes 38 qui sert d'élément de liaison mécanique entre la partie mobile 30 et la partie fixe 1 du joint tournant. I1 est également possible d'assurer un contact galvanique entre l'épaulement 35 et la face supérieure du support 2 à l'aide de languettes ou dlun anneau en graphite, ou de réduire l'espacement en pratiquant une gorge annulaire dans la face supérieure du support 2 et en y insérant une jupe tubulaire, solidaire du conducteur central ou de l'épaulement 35. Le dispositif de connexion hyperfréquence amovible ou mobile en rotation, objet de l'invention, est notamment destiné à interconnecter un appareillage fixe, tel qu'un générateur, un ondemètre, un mesureur de tension, de puissance, de rapport d'ondes stationnaires, un détecteur ou un émetteur-récepteur à un circuit amovible ou une antenne tournante. REVENDICATIONS 1. Dispositif de connexion ou de liaison coaxiale, amovible ou mobile en rotation, pour réunir temporairement ou de manière tournante un circuit (10) ou dispositif (30) hyperfréquence comprenant au moins un terminal coaxial, tel qu'une traversée (16), dont le conducteur central (20, 31) isolé comprend une extrémité dénudée en forme de broche (20) de diamètre prédéterminé ( 20) qui dépasse l'extrémité du conducteur extérieur (32, 11), caractérisé en ce qu'il comporte une pièce diélectrique (6) en forme de coupe, sensiblement verticalement orientée, composée d'une partie supérieure (7) en forme de cuvette (9) et d'une partie inférieure (8) qui est traversée d'une aiguille (22) conductrice dont l'extrémité supérieure pénètre à l'intérieur de la cuvette (9) contenant un bain de métal liquide (M), tel que le mercure, dans lequel est plongée la broche (20), et en ce que cette pièce (6) est logée entièrement dans un trou (3) d'une embase métallique rigide (2) qui entoure sa paroi latérale et qui sert de conducteur extérieur relié ou couplé à celui du -circuit ou dispositif hyperfréquence (10, 30) et de support à ces derniers. 2. Dispositif de connexion suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre intérieur (Q)9) de la cuvette (9) est supérieur au diamètre extérieur ( 20) de la broche (20) et inférieur au diamètre intérieur (17) du conducteur extérieur (17, 32) du circuit ou dispositif hyperfréquence (10, 3Q). 3. Dispositif de connexion suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre intérieur ( 9) de la cuvette (9) est au moins égal au triple du diamètre extérieur ( 20) de la broche (20). 4. Dispositif de connexion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les diamètres extérieur ( 4) de la cuvette (9) et intérieur de la partie supérieure (4) du trou (3) qui la contient sont calculés de façon à assurer la continuité de l'impédance caractéristique, d'une part, avec le terminal coaxial du circuit ou dispositif hyperfréquence (10, 30) et avec la partie inférieure (8) contenant l'aiguille (22), d'autre part. 5. Dispositif de connexion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur (H9) du bain de mercure (M), compte-tenu de la broche (20) plongée dedans, est choisie sensiblement égale à un quart de la longueur dlf3nde sur la ligne du signal qu'il doit transmettre. 6. Dispositif de connexion suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bord supérieur (21) de la cuvette (9) est chanfreiné. 7. Application du dispositif de connexion suivant l'une des revendications précédentes, à un banc d'essai ou de réglage de circuits hyperfréquence (10). 8. Application du dispositif de connexion suivant l'une des revendications 1 à 6, à un joint tournant hyperfréquence réunissant une partie fixe (1) d'un dispositif hyperfréquence à une partie mobile (30) en rotation, telle qu'une antenne tournante.