Brevet FR2643749A1 — publié le 19900831

-1- Cette invention se rapporte à un dispositif de couplage d'une ligne coaxiale utilisée pour transmettre un signal haute fréquence à une autre ligne coaxiale et plus spécialement, à un dispositif de couplage qui permette une rotation relative des deux lignes coaxiales autour de leur axe longitudinal sans enchevêtrement mutuel. Dans le cas de réception de communication par satellite ou de transmission par satellite sur un corps en mouvement tel qu'un véhicule ou navire, il est nécessaire de transporter une antenne de réception parabolique ou microbande sur le corps en mouvement et de la diriger toujours vers le satellite. En conséquence, l'antenne de réception tourne par rapport au corps en mouvement avec un mouvement tournant du corps en mouvement et cela peut entrainer une torsion et un enchevêtrement du câble coaxial pour connecter un convertisseur fixé à l'antenne avec un dispositif d'accord fixé au corps en mouvement. Si le câble coaxial est allongé pour supprimer une telle tension ou enchevêtrement, il peut d'enrouler autour d'un dispositif guide d'antenne et de ses attaches. Une pratique générale pour éviter ce problème a été de couper le cable coaxial en deux segments et d'insérer un joint de rotation entre eux. Le plus ancien des joints de rotation, comme décrit et représenté dans la demande de brevet japonais publiée sous le N 60 169 902, inclut une paire de gaines qui sont couplées pour permettre une rotation relative de leur contact mutuel et également connectées électriquement aux guipages des conducteurs extérieurs des deux câbles coaxiaux, respectivement, une broche mâle qui est de façon isolée, fixée à une des gaines et - 2643749 -2- est électriquement connectée au conducteur central ou au coeur d'un des câbles coaxiaux, et une broche femelle qui est fixée de faeon isolée à la gaine extérieure et connectée électriquement au conducteur central ou au coeur de l'autre câble coaxial, et la broche mâle est insérée dans la broche femelle de sorte qu'elles puissent tourner relativement dans cet état avec les gaines. Dans un tel couplage, cependant, le contact entre broches mâle et femelle est imparfait et une capacité parasite varie avec la rotation et avec la résistance de contact et provoque une perturbation telle que la perte de jonction est sévèrement établie. Tandis qu'il est envisagé d'utiliser un ressort ou similaire pour améliorer le contact, cela risque de compliquer la structure et le contact mécanique présente une faible durée de vie en raison de l'abrasion. Il a été proposé de coupler de façon capacitive les deux conducteurs centraux sans utiliser de contact mécanique qui est cause des problèmes mentionnés ci-dessus. Dans ce cas, des disques circulaires sont fixés normalement aux sommets des deux conducteurs centraux et les deux disques sont face à face à une distance fixée pour former un condensateur. Si le diamètre des disques est de 10 mm et si l'intervalle est de 1 mm, par exemple, la capacité de ce condensateur est d'environ 1,5 pF. En cas de transmission d'un signal ayant une fréquence d'environ 1 GHz, cependant, cela aboutit à une grande impédance et à une caractéristique de perte en transmission réduite comme illustré par la courbe A dans la Figure 1. Si une bobine à- constante localisée 8 est insérée entre chaque conducteur central 2 et le-disque 6 comme montré en Figure 2 en vue d'éliminer la capacité entre les deux disques, une capacité de dispersion est induite entre la bobine 8 et la gaine 4 connectée au conducteur extérieur, comme illustré en pointillé et la caractéristique de perte en transmission est améliorée de façon importante comme montré par la courbe B en Figure 1. Cependant, cela est encore insuffisant dans le domaine de fréquence autour de 1 GHz. Bien qu'il soit aussi envisagé de déplacer les disques 6, cela réduit de façon excessive la capacité de répartition formée entre les deux bobines 8 constantes localisées et aboutit à une grande inductance, une petite capacité et, par conséquent, une haute valeur Q qui réduit de façon significative la largeur de bande ayant une faible perte en transmission comme montré par la courbe C en Figure 1. En conséquence, un but. de cette invention est de fournir un dispositif de couplage de ligne coaxiale pour haute fréquence capable de tourner qui présente une faible pente en transmission sur une largeur de bande relativement élevée. Le but ci-dessus est atteint par un dispositif de couplage de ligne coaxiale pour haute fréquence fourni selon cette invention. Le dispositif comprend une paire de lignes coaxiales chacune ayant des moyens de circuit d'acheminement des signaux et des moyens de potentiel de référence qui entourent le circuit d'acheminement des signaux, et le circuit d'acheminement des signaux est pourvu d'un élément d'électrode en spirale ayant son extrémité centrale connectée à l'extrémité sommet du circuit d'acheminement de signaux et s'étendant dans un plan perpendiculaire au circuit d'acheminement de signaux. Les deux éléments électrodes sont adaptés pour être capables de tourner autour d'un axe commun des deux lignes coaxiales puisque se -faisant face mutuellement de façon concentrique à une distance prédéterminée, et leurs spirales sont opposées en direction lorsqu'elles -4- sont vues à partir du c8té de l'autre circuit d'acheminement des signaux. Ces buts et les autres buts et caractéristiques de l'invention seront décrits en plus de détails ci-après en référence aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 est un diagramme représentant les caracté- ristiques de fréquence des pertes de transmission de l'art antérieur; la Figure 2 est un diagramme représentant un circuit équivalent d'un dispositif de l'art antérieur; la Figure 3 est un diagramme schématique représentant une structure du dispositif selon cette invention; la Figure 4 est une vue en plan représentant une surface d'électrode tournante du dispositif selon cette invention; les Figures 5A et 5B sont des diagrammes illustrant des états de superposition des électrodes tournantes du dispositif selon cette invention en deux positions de rotation relative; la Figure 6 est un diagramme représentant un circuit équivalent d'un dispositif selon cette invention; la Figure 7 est un diagramme fourni pour comparer les caractéristiques en fréquence des pertes en transmission pour quatre positions de la rotation des électrodes tournantes de la Figure 5; -5- la Figure 8 est une vue en coupe longitudinale représentant une structure d'un mode de réalisation du dispositif selon cette invention; la Figure 9 est un diagramme représentant une caractéristique de fréquence des pertes en transmission du mode de réalisation de la Figure 8; la Figure 10 est une vue en coupe longitudinale représentant une variation partielle du mode de réalisation de la Figure 8; et la Figure Il est une vue en plan représentant une variation de la forme de l'électrode tournante du dispositif selon cette invention. Sur la Figure 3 on voit que les chemins coaxiaux 12a et 12b ont des circuits d'acheminement des signaux 14a et 14b et des parties de tension de référence extérieures 16a et 16b qui ont respectivement les circuits d'acheminement des signaux 14a et 14b comme axes et ces composantes constituent des lignes ainsi appelées coaxiales avec le diélectrique (non montré) de remplissage entre eux. Les deux circuits d'acheminement des signaux 14a et 14b sont munis respectivement à leur sommet des éléments d'inductance 18a et 18b formés sur des plans respectifs perpendiculaires à l'axe. Les éléments d'inductance li8a et 18b sont composés des conducteurs en spirale formés, par exemple, par gravure sur des plaques de circuit imprimé circulaires 20a et b, comme montré en Figure 4, et connectés aux circuits d'acheminement des signaux 14a et 14b, respectivement, en leurs parties centrales. Les deux éléments d'inductance 18a et 18b sont les mêmes en direction d'enroulement de la spirale. Les deux chemins coaxiaux 12a et 12b sont disposés de façon à avoir un axe -6 - longitudinal commun pour amener- face à face les deux éléments d'inductance 18a et 18b à une distance prédéterminée et pour mettre les parties extérieures de tension de référence 16a et 16b en contact mutuel, et pour être aussi couplées l'une avec l'autre par des moyens convenables de façon à &tre capables de tourner en direction mutuellement opposée, comme illustré par les flèches en Figure 3. Comme représenté par des traits hachurés en Figures 5A et 5B, les deux éléments d'inductance se faisant face 18a et 18b sont partiellement superposés pour former des capacités de répartition 22 de la Figure 6 et pour être couplés électriquement par les capacités de répartition 22 et les couplages inductifs mutuels M apparaissant entre eux. Les parties extérieures de tension de référence 16a et 16b sont couplées à travers une capacité de dispersion 24 apparaissant entre elles, formant de ce fait une sorte de filtre passe-bande. Le circuit équivalent de la Figure 6 est un circuit à constante répartie de l'extrémité ouverte et l'impédance entre les parties centrales des éléments d'inductance en spirale 18a et 18b est exprimée par l'équation suivante: z = j cotpe o e est la longueur de la ligne et/3 est une constante de phase qui est égale à 2 1T / A ( A est la longueur d'onde). Il est compris à partir de cette équation que Z = 0 quand la longueur de la bobine en spirale est h/4. Ensuite, aucune perte n'apparait entre les lignes et le circuit fonctionne comme un répéteur. La Figure 7 mpntre une relation entre la perte de transmission et la fréquence d'un circuit répéteur de -7- haute fréquence en rotation formé comme décrit ci-dessus par rapport aux angles de rotation relative des éléments d'inductance 18a et 18b, dans lesquels le degré zéro correspond à la position de la Figure 5A et 90 correspond à la position de la Figure 5B. Comme on le comprend à partir de l'examen des deux dessins l'aire de la partie superposée des deux éléments d'inductance 18a et 18b est essentiellement fixée sans tenir compte de l'angle de rotation relative et, il y a peu de changement dans la capacité électrique entre eux. Cependant, il existe quelque variation dans la caractéristique de fréquence provoquée par l'angle de rotation relative et la raison est qu'il y a quelque changement dans le couplage inductif mutuel M et la capacité de répartition entrainée par l'angle de rotation relative. Comme montré en Figure 7, la valeur de la perte de transmission de ce circuit est aussi faible qu'environ 0,3 dB à 1,0 dB sur un large domaine de fréquence d'environ 1,0 GHz à 1,4 GHz. Ce domaine de fréquence correspond au domaine de fréquence des systèmes recevant la diffusion du satellite. Ce domaine de fréquence de faible perte en transmission peut être changé arbitrairement en ajustant la longueur et/ou la largeur des éléments d'inductance 18a et 18b. La Figure 8 montre un mode de réalisation dans lequel le circuit répéteur mentionné ci-dessus est réalisé comme un dispositif de couplage de ligne coaxiale de haute fréquence utilisé pour connecter un câble coaxial sortant d'un convertisseur attaché à une antenne recevant la transmission par satellite qui est transportée par un corps mobile à un autre câble coaxial connecté à un dispositif d'accord recevant la transmission par satellite. Le dispositif inclut une paire de connecteurs 12a et 12b et des moyens de couplage 13 pour les coupler d'une façon permettant une 26437'49 - 8- rotation relative. Puisque les connecteurs 12a et 12b ont les mêmes structure et géométrie que montrée, leurs composantes de structure seront désignées par les mêmes références accompagnées de lettres à leur suite "a" et "b". Tandis que la description suivante sera faite seulement autour du connecteur 12a, il sera noté que la même description peut être appliquée aussi au connecteur 12b. Pour éviter des complications, les numéros de référence sont changés à partir de la partie des composantes de structure du connecteur 12b en Figure 8. Le connecteur 12a inclut une gaine constituée d'une partie de tête cylindrique 36a, d'une partie de col la prolongeant 38a ayant un diamètre plus petit et d'une partie de queue plus épaisse 40a. La partie de tête 36a a une cavité cylindrique ouverte vers l'avant et un épaulement 42a est formé autour de l'ouverture de celle- ci. La cavité de la partie de tête 36a se connecte avec un trou d'insert d'un câble coaxial 44a qui pénètre à la fois à travers les parties de col et de queue 38a et a. La partie de queue 40a comporte des trous taraudés 46a et 48a dans lesquels des vis de serrage 50a et 52a sont serrées, respectivement. Un câble coaxial 58a ayant la partie supérieure de sa gaine 54a dépouillée pour exposer sa tresse 56a est insérée dans le trou d'insert du câble coaxial 44a et la tresse 56a est mise en contact avec la paroi intérieure du trou d'insert 44a pour réaliser la connexion électrique avec l'enveloppe 16a. Les vis de serrage 50a et 52a pressent le câble coaxial 58a à travers son enveloppe 54a pour le fixer. Le sommet du centre 14a du câble coaxial 58a est ajusté dans un trou central d'une plaque imprimée circulaire a qui a une configuration de conducteur en spirale 18a comme montré en Figure 4 (non visible sur la Figure 8) formé sur sa face avant et connecté électriquement par 9 - sa partie centrale au centre 14a. Un film isolant 60a est formé sur la surface avant d'une carte imprimée 20a pour couvrir le réseau conducteur 18a. La carte imprimée a est placée par rapport à l'enveloppe 16a de façon à ce que la surface avant du film isolant 60a et la surface avant du rebord 42a s'étendent sur un même plan, et la cavité de la partie tête 36a est comblée avec un matériau diélectrique 62a tel que du plastique. Comme représenté, les connecteurs 12a et 12b sont- mutuellement couplés par des moyens de couplage 13 de façon telle que leur surface avant soit en butée l'une contre l'autre. Les moyens de couplage 13 consistent en une paire d'éléments annulaires 64a et 64b ajustés sur les avancées 42a et 42b des enveloppes 16a et 16b, et une pluralité de boulons 66 et d'écrous 68 adaptés à coupler les deux éléments de façon à permettre une libre rotation mutuelle des connecteurs 12a et 12b entre eux. Avec cette structure, les réseaux de conducteurs 18a et 18b des deux connecteurs 60a et 60b forment un condensateur avec les films isolant 60a et 60b en tant que diélectrique et donnent les capacités distribuées 22 de la Figure 6, et un léger intervalle entre les rebords 42a et 42b donne la capacité de dispersion 24. En conséquence, la structure de la Figure 8 forme un circuit répéteur haute fréquence ayant le circuit équivalent de la Figure 6 et la Figure 9 montre sa caractéristique en fréquence des pertes de transmission obtenue en choisissant de façon convenable la géométrie et l'espacement des réseaux de spirales 18a et 18b, le matériau des films d'isolation 60a et 60b et similaires. I1 peut être vu à partir du dessin que ce dispositif sert de filtre passebande ayant comme bande passante la bande de fréquence de 1035 MHz à 1335 MHz du premier signal de fréquence intermédiaire qui est transmis à partir d'un convertisseur recevant la transmission par -10- satellite vers un dispositif d'accord correspondant. Bien que la capacité. de dispersion 24 augmente l'impédance, la caractéristique de-ce filtre peut être améliorée en ajustant la réactance des motifs 18a et 18b. Tandis que les films isolants 60a et 60b servent de diélectrique entre les motifs conducteurs 18a et 18b dans le mode de réalisation ci-dessus, ces films peuvent être changés et l'espace entre les réseaux conducteurs 18a et 18b peut être rempli avec de l'air ou de la graisse au silicone comme diélectrique pour former le condensateur qui fournit les capacités distribuées 22 et la capacité de dispersion 24. - Tandis que le motif en spirale 18 est formé sur la carte imprimée par gravure dans le mode de réalisation ci- dessus, il peut être formé d'un enroulement en spirale 18 comme montré en Figure 10. La Figure 11 montre une autre forme de réseau en spirale 18 dans lequel la partie centrale donne la réactance et la partie périphérique donne une électrode de condensateur. Le mode de réalisation ci-dessus a été donné à but d'illustration seulement et ne signifie nullement quelque limitation. Il est évident pour l'homme de l'art que des modifications variées et des changements peuvent être apportés sans sortir de l'esprit et du champ de l'invention. Par exemple, la géométrie et la structure des moyens de couplage appartiennent au choix du concepteur. -11- REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage d'une ligne coaxiale haute fréquence comprenant une paire de lignes coaxiales chacune incluant une ligne de signaux et des moyens de potentiel de référence entourant ladite ligne de signaux, caractérisé en ce que chacune desdites lignes de signaux (14a, 14b) est munie d'un élément d'électrode en spirale (18a, 18b) ayant son extrémité centrale connectée à l'extrémité de sommet de ladite ligne de signaux et s'étendant sur un plan perpendiculaire à ladite ligne de signaux, une paire desdits éléments d'électrode est adaptée pour se.faire face l'un l'autre de façon concentrique à un intervalle prédéterminé et permettre une rotation relative autour d'un axe commun desdites lignes de signaux, et les directions des spirales desdits éléments d'électrode sont opposées mutuellement en les considérant à partir de chaque côté desdites lignes de signaux. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dite ligne de signaux est le conducteur central d'un câble coaxial, chacun desdits moyens de potentiel de référence (16a-16b) est un élément tubulaire électroconducteur connecté au conducteur extérieur dudit câble coaxial et ayant une surface d'extrémité de contact qui est perpendiculaire audit axe, ledit dispositif comprenant de plus des moyens de couplage pour coupler lesdits éléments tubulaires de façon à avoir lesdites surfaces d'extrémité de contact abutant l'une contre l'autre et tenant lesdits éléments pour permettre une rotation relative autour d'un axe commun, et les éléments d'électrode sont arrangés mutuellement de façon parallèle, à un intervalle prédéterminé dans un état couplé desdits éléments tubulaires. -12- 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque dit élément électrode en spirale est composé d'un film électroconducteur formé sur la surface d'un élément isolant. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que une cavité interne formée par ledit élément tubulaire et ledit élément isolant est rempli avec un matériau diélectrique. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dit élément spirale a une inductance.