Brevet FR2556508A1 — publié le 19850614

Symétriseur pour coupler une ligne dissymétrique à un élément symétrique La présente invention se rapporte aux symétriseurs, appelés baluns dans la littérature anglo-saxonne et destinés à coupler, dans une très large bande de fréquences, une ligne dissymétrique d'impédance Zd à un élément symétrique d'impédance Zs différente de Zd, généralement constitué par une ligne symétrique aérienne alimentant une ou des antennes.L'invention se rapporte plus précisément aux symétriseurs comportant d'une part, connectés en série, un tronçon de câble coaxial à deux conducteurs, d'impédance Zd et une ligne symétrique, de longueur L, à deux conducteurs et dont l'impédance varie environ de Zd, à son extrémité connectée au tronçon, à Zs, à son autre extrémité, en restant comprise entre Zd et Zs, et d'autre part une liaison par un conducteur entre le conducteur extérieur du tronçon et la connexion entre le conducteur intérieur du tronçon et la ligne symétrique. De tels symétriseurs sont connus et utilisés, en particulier en radiodiffusion par ondes décamétriques; vu leurs dimensions ils constituent généralement des installations fixes montées en plein air; ils ont pour rôle d'assurer la liaison entre une ligne coaxiale, généralement d'impédance égale à 50 ohms, qui constitue la sortie d'un émetteur de grande puissance (quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts) et une ligne symétrique aérienne alimentant des antennes et présentant une impédance élevée, généralement égale à 300 ohms. Les symétriseurs connus nécessitent, pour obtenir un fonctionnement à large bande avec des rapports d'ondes stationnaires (R.O.S) faibles, I'utilisation de condensateurs de compensation montés en série, comme il sera indiqué ci-après dans la partie de la description se rapportant aux figures I à 3.Or l'expérience montre que l'emploi d'un condensateur de compensation monté en série dans des matériels de puissance, présente de nombreux inconvénients: - il est fragile et très sensible à l'environnement climatique et radioélectrique, d'où des risques de claquages dus à la présence de charges statiques, de poussieres, d'insectes et une destruction systèmatique s'il est soumis à un coup de foudre - il isole certaines parties du symétriseur, ce qui peut empêcher une mise à la terre correcte de l'ensemble du matériel. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients. Ceci est obtenu en donnant à la ligne symétrique du symétriseur dont il a été question dans le premier paragraphe de cette description, une variation d'impédance, d'une de ses extrémités à l'autre, telle qu'unie compensation capacitive soit inutile. Dans le cas où la ligne symétrique du symétriseur est du type à variation continue d'impédance de Zd. à Zs d'une de ses extrémités à l'autre, cette impédance étant représentée par la fonction Z = f(x) où Z est l'impédance en un point de la ligne distant d'une longueur x (Ofx(LxLet L, longueur de la ligne) de l'extrémité d'impédance Zd et f une fonction donnée, selon l'invention la courbe représentative de Z = f(x) en coordonnées rectilignes planes coupe le segment qui joint les extrémités de la courbe un peu au-dessus du milieu du segment et la courbe présente une pente continûment croissante du point pour x = O au point d'intersection entre la courbe et le segment et continûment décroissante du point d'intersection au point pour x = L. La courbe Z = f(x) a l'allure générale d'un S très aplati. Dans le cas où la ligne symétrique du symétriseur est du type à segments quart d'onde en cascade, avec une longueur L et une impédance moyenne Z = f(x) (0(Owf x I'ensemble constitué par les points d'abscisses x égale aux distances des milieux des segments quart d'onde à une extrémité d'impédance Zd, de la ligne et d'ordonnées Z égales à l'impédance caractéristique des segments dont les distances des milieux sont considérées et par les points d'abscisses x = O et x = L et d'ordonnées Z = Zd et Z = Zs (avec Zd différent de Zs et Z compris entre Zd et Zs pour O(x(L), selon l'invention la courbe moyenne coupe le segment de droite qui joint les extrémités de la courbe, un peu au-dessus du milieu du segment de droite et la courbe présente une pente continûrnent croissante du point pour x = 0 sur point d'intersection entre la courbe et le segment de droite et continûment décroissante du point d'intersection au point pour x = L. L'allure générale de la courbe générale est un S très aplati La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - les figures 1 et 2 des symétriseurs selon l'art connu, - la figure 3 des courbes d'impédance, relatives aux symétriseurs selon les figures 1 et 2, - la figure 4 des courbes d'impédance, relatives à des symétriseurs selon l'invention, - les figures 5 et 6 les symétriseurs selon l'invention dont les courbes d'impédance sont données sur la figure 4. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. Les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques de deux symétriseurs selon l'art connu, prévus pour fonctionner à l'extérieur, sans commutation et dans une très large bande de fréquences: 6 à 26 MHZ (ou plus exactement 5,95 à 26,1 MHz). Ces symétriseurs comportent un tronçon de ligne coaxiale, 1, d'une impédance caractéristique égale à 50 ohms dont une première extrémité, E, constitue l'accès dissymétrique du symétriseur destiné au branchement d'un émetteur et dont, la seconde extrémité comporte un conducteur, 3, qui forme court-circuit entre le conducteur interne 11 et le conducteur externe 10 du tronçon coaxial, pour empêcher les courants d'aller sur la paroi externe du conducteur extérieur du tronçon coaxial. Ces symétriseurs comportent également une ligne symétrique, 2, qui réalise la transformation d'impédance de 50 ohms à 300 ohms dans toute la bande de fréquences d'utilisation. Cette ligne symétrique à deux conducteurs, 2a, 2b, est connectée, à son extrémité à faible impédance, par ses deux conducteurs respectivement aux deux conducteurs de la seconde extrémité du tronçon coaxial. L'extrémité à haute impédance de la ligne symétrique 2 constitue l'accès symétrique, S, du symétriseur sur lequel est branchée une ligne symétrique aérienne d'alimentation d'antenne; l'impédance caractéristique, égale à 300 ohms, de cette ligne aérienne est représentée schématiquement par une impédance de charge, R. Pour des raisons de prix de revient, la ligne symétrique 2 est choisie aussi courte que possible, compte tenu des résultats à obtenir; dans les exemples décrits ces lignes avaient une longueur L de 28 mètres. Sa longueur est conditionnée par la fréquence basse d'utilisation ici 5,95 MHz; en effet il est connu que la longueur de la ligne symétrique ne doit pas être inférieure à la demi longueur d'onde à la fréquence basse. Dans le cas de la figure 1, la ligne symétrique est à variation continue d'impédance de la valeur Zd = 50 ohms jusqu'à la valeur Zs = 300 ohms; cette variation continue est obtenue par des conducteurs 2a, 2b constitués par deux plaques en regard, dont l'écartement va en augmentant et dont la largeur va en diminuant de l'extrémité connectée au tronçon coaxial 1 vers l'accès S. La courbe Z'1 de la figure 2 montre comment il est connu de faire varier cette impédance de la ligne symétrique 2 de la figure i; cette courbe, dessinée en coordonnées rectilignes planes, donne l'impédance Z en un point de la ligne 2 en fonction de la distance de ce point au tronçon coaxial 1.La courbe Z'1 est une courbe continue qui va du point A (x = 0, Z = 50 ohms) au point B (x = L = 28 mètres, Z = 300 ohms) tout en étant située au-dessous du segment AB, en restant comprise entre les ordonnées des points A et B et en présentant une pente toujours croissante; dest même, dans le cas décrit et dans la majorité des réalisations, une courbe exponen tielle: Z = Zo.ekx. Pour obtenir un R.O.S inférieur à 1,2 il s'avère que des compensations sont nécessaires à l'entrée et à la sortie de la ligne symétrique 2 de la figure 1. Ces compensations sont selfiques, parallèles du côté basse impédance: ceci est réalisé par le conducteur 3 dont la longueur, 1, est déterminée pour amener l'impédance désirée; ces compensations sont capacitives, série du côté haute impédance: ce sont deux condensateurs, Ca, Cb, branchés en série respectivement avec les deux conducteurs 2a, 2b de la ligne symétrique. Les inconvénients de ces condensateurs ont été indiqués au début de cette description. Dans l'exemple de réalisation présenté sur la figure 2, la ligne symétrique 2 est formée de six segments quart d'onde en cascade: 20 à 25; la longueur d'onde considérée pour ces segments quart d'onde est la longueur d'onde moyenne dans la bande des fréquences d'utilisation c'est à-dire 18,75 mètres, correspondant à une fréquence de La courbe Z'2 de la figure 3 montre comment, dans le symétriseur selon l'art connu de la figure 2, varie l'impédance en un point de la ligne à segments quart d'onde, 2, en fonction de la distance de ce point au tronçon coaxial 1 ; il s'agit d'une courbe en marches d'escalier dont les six marches correspondent respectivement aux impédances caractéristiques des six segments quart d'onde 20 à 25 ; il est à noter que la courbe moyenne associée à la courbe Z'2 et reliant entre eux les milieux des marches d'escalier correspond sensiblement à la courbe Z'1. Dans la réalisation selon la figure 2 où la courbe de variation de l'impédance de la ligne symétrique 2 du symétriseur est la courbe Z'2 de la figure 2 il s'avère qu'un condensateur, C10, monté en série, est nécessaire du côté des basses impédances pour compenser l'effet de self parallèle dû au conducteur 3. La cascade de transformateurs quart d'onde que constituent les segments, assure la transformation parfaite dans la bande et le condensateur série compense l'effet de self parallèle. Là encore les inconvénients provenant de l'emploi d'un condensateur dans le symétriseur, apparaissent. La figure 4 montre deux courbes Z1 et ZZ correspondant aux variations d'impédance des lignes symétriques de deux symétriseurs selon l'invention, représentés sur les figures 5 et 6 ; ces symétriseurs sont destinés à remplacer les symétriseurs décrits ci-avant et ne nécessitent pas de condensateurs de compensation. Les courbes Z1, Z2 se distinguent principalement des courbes Z'1, Z'2 de la figure 3 par le fait qu'elles ne sont pas entièrement situées sous le segment de droite AB (A: x = 0, Z = 50 B : x = 28, Z = 300). La courbe Z1 de la figure 4 coupe le segment AB vers son milieu et présente une pente continûment croissante du point A au point d'intersection avec le segment AB et continûment décroissante du point d'intersection au point B. Avec cette variation d'impédance de sa ligne symétrique il a été possible de réaliser un symétriseur, représenté schématiquement sur la figure 5, qui ne nécessite aucun condensateur de compensation pour atteindre un ROS de 1,1 et qui, sur le schéma, ne se distingue donc du symétriseur de la figure 1 que par le remplacement des condensateurs Ca Cb par des courts-circuits;; dans le symétriseur selon la figure 5 le conducteur 3 a une longueur de 4,7 mètres et la ligne symétrique correspond aux groupes de quatre valeurs ci-après dans lesquels la première valeur donne en mètres la distance x du point de la ligne 2 au tronçon coaxial 1, la deuxième et la troisième valeurs donnent respectivement la largeur et l'écartement en millimètres des deux conducteurs de la ligne au point considéré et la quatrième valeur donne l'impédance en ohms au point considéré: 0-800-138-53 3-721-159-64 6-641-205-88 9-562-259-114 12-483-309-144 ; 15-404-405-176 18-324-498-210 ; 21-245-490-242 24-166-487-268 ; 27-86-370-284 28-60-333-296. I1 est à préciser que la variation d'impédance selon la courbe Z1 de la figure 4 n'a pas, à la connaissance des inventeurs, de formulation analytique simple. La courbe Z2 de la figure 4 est une courbe formée de six marches successives qui correspond à la réalisation du symétriseur selon l'invention, représenté sur la figure 6; le schéma de ce symétriseur est le même que celui de la figure 1, à la différence près que le condensateur C10 a été remplacé par un court-circuit.Le symétriseur selon la figure 6 comporte un conducteur, 3, de 3 mètres de long et une ligne symétrique, 2, formée de six segments quart d'onde en cascade, d'une longueur totale, L, de 28 mètres; les segments quart d'onde de la ligne symétrique 2 correspondent respectivement, en commençant du tronçon coaxial 1, aux groupes de quatre chiffres ci-après dans lesquels le premier chiffre indique la référence du segment quart d'onde sur la figure 6, les deuxième et troisième chiffre indiquent respectivement la largeur et l'écartement, exprimés en millimètres, entre les deux plaques du segment quart d'onde et le quatrième chiffre indique l'impédance caractéristique, exprimée en ohms, du tronçon quart d'onde considéré: : 20-740-148-60 ; 21-621-217-93 22-493-300-140 23-364-485-194 24-235-489-246 ; 25-116-422-283. Comme dans le cas des courbes Z'1, Z'2 de la figure 3, la courbe ZI de la figure 4 est sensiblement la courbe moyenne qui relie les milieux des marches d'escalier de la courbe Z2. Là encore la variation d'impédance impartie à la ligne symétrique 2 du symétriseur selon la figure 6 a permis de réduire le ROS à des valeurs au plus égales à 1,1 dans toute la bande des fréquences d'utilisation: 6-26 MHz. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ; elle s'applique à tous les symétriseurs dont la variation d'impédance de la ligne symétrique a une représentation, en coordonnées rectilignes planes, du genre des courbes Z1 ou Z2 de la figure 4; c'est-à-dire, des lignes dont la variation d'impédance, ou dont la variation d'impédance moyenne dans le cas des lignes à segments quart d'onde, décrit une courbe à concavité tournée vers le haut du côté des impédances basses et tournée vers le bas du côté des impédances hautes. I1 est à noter que, dans le cas de symétriseurs dont la ligne symétrique est à segments quart d'onde, le nombre de ces segments peut, comme dans les symétriseurs selon l'art connu, être réduit à cinq tout en gardant des résultats acceptables et, bien entendu, être porte à sept et plus en fonction des largeurs de bande désirées. REVENDICATIONS 1. Symétriseur pour coupler une ligne dissymétrique d'impédance Zd à un élément symétrique d'impédance Zs différente de Zd et comportant d'une part, connectés en série, un tronçon de câble coaxial (1) à deux conducteurs (10, 11), d'impédance Zd et une ligne symétrique (2) de longueur L, à deux conducteurs (2a, 2b) et dont l'impédance varie de façon continue environ de Zd, à son extrémité connectée au tronçon, à Zs, à son autre extrémité, en restant comprise entre Zd et Zs, et d'autre part une liaison (3) par un conducteur entre le conducteur externe (10) du tronçon et la connexion entre le conducteur interne (11) du tronçon et la ligne symétrique, caractérisé en ce que l'impédance de la ligne symétrique, représentée par la fonction Z = f(x) où Z est l'impédance en un point de la ligne distant d'une longueur x (avec O(xs(L) de l'extrémité d'impédance Zd et f une fonction donnée, est telle que sa courbe représentative en coordonnées rectilignes planes coupe le segment qui joint les extrémités de la courbe, un peu au-dessus du milieu du segment et que sa courbe présente une pente continûment croissante du point pour x = O au point d'intersection entre la courbe et le segment et continûment décroissante du point d'intersection au point pour x = L. 2. Symétriseur pour coupler une ligne dissymétrique d'impédance Zd à un élément symétrique d'impédance Zs différente de Zd et comportant d'une part, connectés en série, un tronçon de câble coaxial (1) à deux conducteurs (10, 11), d'impédance Zd et une ligne symétrique à segments quart d'onde (20-25) en cascade, de longueur L, à deux conducteurs (2a, 2b) et dont l'impédance varie d'une valeur extreme voisine de Zd, à son extrémité connectée au tronçon, à une autre valeur extrême voisine de Zs, à son autre extrémité, en restant comprise entre ces deux valeurs extrêmes, et d'autre part une liaison par un conducteur (3) entre le conducteur externe (10) du tronçon et la connexion entre le conducteur interne (11) du tronçon et la ligne symétrique, caractérisé en ce que, x étant la distance d'un point de la ligne symétrique à l'extrémité d'impédance voisine de Zd (avec Olfx L) et Z = f(x) étant une fonction représentative d'une courbe moyenne joignant en coordonnées rectilignes planes, I'ensemble constitué par les points d'abscisse égales aux valeurs de x au milieu des segments quart d'onde et d'ordonnées Z égales à l'impédance caractéristique des segments dont l'abscisse des milieux est considérée et par les points d'abscisses x = O et x = L et d'ordonnées sensiblement égales à Zd et Zs, la courbe moyenne coupe le segment de droite qui joint les extrémités de la courbe, un peu au-dessus du milieu du segment de droite et en ce que la courbe présente une pente continûment croissante du point pour x = 0 au point d'intersection entre la courbe et le segment de droite et continûment décroissante du point d'intersection au point pour x = L.