Brevet FR2665578A1 — publié le 19920207

L'invention concerne une structure de ligne de transmission d'ondes électromagnétiques hyperfréquences du type triplaque suspendue et un dispositif de multicouplage notamment de plusieurs filtres. Une structure de lignes de transmission du type triplaque suspendue est déjà connue. Une telle structure comprend un boîtier métallique se composant de deux demi-boîtiers assemblés et comportant chacun dans sa face interne une rainure constituant à l'état assemblé des demi-boitiers, la moitié d'une cavité interne de section transversale rectangulaire, une plaque en un matériau diélectrique interposé entre les deux demi-boîtiers et portant sur ses surfaces supérieure et inférieure un ruban en un matériau électriquement conducteur dont la ligne médiane coïncide avec la ligne médiane de la cavité et dont la largeur est inférieure à celle de la cavité. Dans ces structures connues de ligne triplaque suspendue, la fonction de la plaque diélectrique se limite à son rôle de support des rubans conducteurs. Par conséquent ces plaques ont une épaisseur relativement faible. Une telle faible épaisseur était en plus considérée comme étant avantageuse dans la mesure où il est bien connu que les pertes d'énergie diminuent avec l'épaisseur de la plaque. Or, il s'est avéré que ces structures de lignes de transmission connues ne permettent pas le transport d'une puissance relativement élevée par exemple de 800 W en raison de l'échauffement très important alors constaté. La présente invention a pour but de proposer une structure de ligne de transmission du type triplaque suspendue, qui n'est plus frappée de cette limitation d'utilisation en raison des contraintes thermiques. Pour atteindre ce but, la structure de ligne de transmission selon l'invention est caractérisée en ce que l'on utilise un matérieu diélectrique ayant un faible coefficient de pertes et une bonne conductivité thermique et que l'épaisseur de la plaque diélectrique présente une épaisseur relativement importante établie de façon que le rapport entre les pertes d'énergie dans le matériau diélectrique et la résistance thermique de celui-ci soit optimal. L'invention est fondée sur la considération que l'augmentation de l'épaisseur de la plaque diélectrique formant support des rubans conducteurs produit deux effets à tendance opposée. L'augmentation de l'épaisseur entraine une augmentation des pertes mais occasionne une diminution de la résistance athermique, c'est-à-dire augmente la capacité de dissipation de la chaleur résultant des pertes. En effet, l'augmentation de l'épaisseur entraîne une augmentation de la section transversale du flux calorique.L'essence de l'invention est la découverte que contrairement à ce que l'on a pu penser jusqu'à présent, on améliore le comportement thermique de la structure triplaque suspendue lorsqu'on augmente l'épaisseur de la plaque diélectrique et qu'il existe une valeur d'épaisseur à laquelle le rapport entre la résistance thermique de la plaque et les pertes est optimal. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, pour une plaque diélectrique du type connu sous la dénomination commerciale RT/Durold 6002, l'épaisseur de la plaque est avantageusement comprise entre 1,1 à 1,60 mm. L'invention concerne aussi un dispositif multicoupleur notamment pour le multicouplage de plusieurs filtres hyperfréquence. Dans des dispositifs de multicouplage de filtres hyperfréquences qui sont connus, on groupe les filtres par paires et utilise pour réunir les sorties de chaque paire un élément en forme d'un T à deux entrées et une sortie électriquement reliées, chaque entrée étant reliée par un câble coaxial à la sortie d'un filtre. Ces dispositifs multicoupleurs connus présentent un certain nombre d'inconvénients majeurs. Le conducteur interne d'un câble coaxial est retenu dans le conducteur externe tubulaire par un corps en Téflon qui remplit complètement l'espace entre les deux conducteurs. De ce fait le câble présente une permittivité relativement élevée. Ceci a pour conséquence que la longueur des ondes dans le domaine des hyperfréquences autour de 950 MHz a une valeur relativement faible, de l'ordre de 22 cm. Pour qu'il n'y ait pas d'interaction entre les sorties réunies des deux filtres, il faut que dans l'élément en forme de T, l'impédance d'un câble soit infinie pour l'autre câble. Cette condition peut être remplie par un choix approprié de la longueur de chaque câble coaxial. Or, en raison de la relativement faible longueur d'onde dans les câbles coaxiaux, la longueur minimale qui suffirait à satisfaire à l'exigence susmentionnée est en principe insuffisante, en raison des dimensions relativement importantes des différents composants du système, pour interconnecter ces composants.Dans la mesure où la condition d'impédance infinie est reproduite tous les demi-longueurs d'onde dans le câble, on utilise des câbles dont la longueur dépasse la longueur minimale d'une valeur qui correspond à une ou plusieurs demi-longueur d'onde. Or, cette augmentation de la longueur des câbles a pour conséquence une augmentation des pertes d'énergie. On peut citer un autre inconvénient. La longueur de chaque câble est déterminée pour la fréquence moyenne de la bande d'accord du filtre. Or, l'augmentation de la longueur des câbles d'une ou de plusieurs demi-longueurs d'onde, au-delà de la valeur nécessaire électriquement, détériore progressivement le comportement électrique en phase du câble pour des fréquences variant autour de cette fréquence moyenne. Encore un autre inconvénient majeur des systèmes multicoupleurs connus réside dans le fait qu'en raison de la dispersion de caractéristiques mécaniques et électriques des câbles notamment à la fabrication, il faut ajuster chaque câble individuellement, ce qui rend le système relativement difficile à mettre en oeuvre et coûteux. L'invention a ainsi encore pour but de proposer un dispositif multicoupleur qui ne présente pas les inconvénients susmentionnés des dispositifs connus. Pour atteindre ce but, un dispositif multicoupleur selon l'invention est caractérisé en ce que les voies de transmission à réunir et à relier aux sorties d'au moins deux filtres sont formées par des lignes de transmission du type triplaque suspendue selon la revendication 1. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, un dispositif multicoupleur selon l'invention comprend un boitier métallique constitué de deux demi-boîtiers entre lesquels est interposée une plaque en un matériau diélectrique portant des rubans électriquement conducteurs sur ses faces supérieure et inférieure, qui sont réalisées sous forme de circuits imprimés, chaque circuit imprimé comporte un nombre de rubans conducteurs d'entrée de la même longueur prédéterminée, qui est égale au nombre des sorties de filtres et un ruban de sortie, les rubans d'entrée et de sortie sont réunis à leurs extrémités internes et reliés chacun à son autre extrémité externe à un connecteur externe monté sur le boitier, et en ce que des rainures conjuguées sont pratiquées dans les surfaces internes des demi-boîtiers, dont le tracé correspond à celui des rubans du circuit imprimé et qui forme la cavité précitée de la structure de ligne de transmission. Le dispositif multicoupleur selon l'invention présente de nombreux avantages dont ceux d'avoir une structure intégrée, d'être facile à réaliser et basée sur une technique permettant une simplification des opérations, à savoir la réalisation des conducteurs sous forme de circuits imprimés sur la plaque diélectrique de substrat, le maintien de la plaque diélectrique par des simples vis, la découpe du bottier à même la masse. Les dispositifs multicoupleurs selon l'invention peuvent être fabriqués avec précision et de façon reproductible, ce qui rend superflue toute opération d'ajustage individuel des dispositifs.Etant donné que la cavité dans laquelle sont logés les rubans conducteurs n'est que partiellement occupée par le matériau diélectrique de la plaque de substrat, la permittivité effective de la cavité est relativement faible, ce qui permet d'obtenir aux hyperfréquences prévues une longueur d'onde de par exemple 28 cm pour une fréquence de 950 MHz qui est suffisamment importante pour que la longueur des voies de transmission puisse être limitée à leur valeur minimale expliquée plus haut, sans qu'il soit nécessaire de prévoir des demi-longueurs d'onde supplémentaires, comme dans le cas des dispositifs multicoupleurs connus qui utilisent des câbles coaxiaux. En effet, un dispositif multicoupleur selon l'invention bien que présentant des dimensions minimales imposées par des considérations purement électriques, est parfaitement compatible avec l'encombrement de l'ensemble du système.Un dispositif multicoupleur selon l'invention se présente ainsi sous forme d'un bottier de dimensions suffisantes pour pouvoir monter sur le bottier des connecteurs standards. La permittivité effective relativement faible de la cavité du dispositif formée par le matériau de la plaque diélectrique et de l'air limite également les pertes d'énergie électrique et l'échauffement du dispositif de façon qu'il n'y ait pas des contraintes thermiques avec des effets de dilatation mécanique, incompatibles avec une structure obtenue par assemblage d'éléments réalisés en des matériaux très différents. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective, éclatée d'un dispositif multicoupleur selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe, éclatée et avec arrachement, et à plus grande échelle, selon la ligne II-II du dispositif à l'état assemblé de la figure 1;; - les figures 3 à 5 sont des vues respectivement latérales en direction des flèches III et IV et de dessus d'un dispositif multicoupleur selon la figure 1, mais à l'état assemblé et pourvu des connecteurs extérieurs et des vis d'assemblage - la figure 6 est une vue de dessus du circuit imprimé sur la plaque diélectrique indiquée en VI sur la figure 1 ; et - la figure 7 montre la plaque diélectrique avec le circuit imprimé, d'un dispositif multicoupleur permettant le couplage de six filtres hyperfréquences. La figure 1 et les figures 3 à 5 montrent un mode de réalisation d'un dispositif multicoupleur selon l'invention qui permet de coupler quatre filtres hyperfréquences. A cette fin, le dispositif est réalisé sous forme d'un bottier métallique, avantageusement en aluminium, se composant de deux demi-bottiers 1 et 2 entre lesquels est enserré, en sandwich, une plaque 3 en un matériau diélectrique qui porte sur ses surfaces supérieure et inférieure des circuits imprimés par exemple en cuivre dont le motif est indiqué en 4. Le bottier à l'état assemblé illustré par les figures 3 à 5 présente une forme globale parallélépipèdique. Une des faces latérales longitudinales ayant la référence 6 porte quatre connecteurs coaxiaux d'entrée 7, de type standard, chacun destiné à être relié à la sortie d'un des quatre filtres.La face latérale longitudinale opposée 8 porte deux connecteurs coaxiaux de sortie 9, également de type standard. Les deux demi-boîtiers et la plaque 3 de support des circuits intégrés 4 sont assemblés à l'aide d'une multitude de vis 10 réparties sur la surface de contact du bottier de façon à assurer un montage serré efficace des éléments constitutifs du bottier sur toute la surface, en tenant bien entendu compte de la forme du motif des circuits imprimés 4. Ce motif comporte des zones métalliques 12 qui constituent des plans de masse et viennent au contact électrique avec le métal des demi-bottiers, tandis que les rubans indiqués en 13 qui sont électriquement isolés des zones de masse 12 par des zones isolantes 14 définies par la mise à nue du support diélectrique, constituent les voies de transmission des signaux et sont reliées électriquement à l'élément conducteur des connecteurs 7 et 9. Le circuit imprimé des rubans de voie de transmission 13 est conçu pour coupler des filtres groupés par paires. A cette fin, on arrange les connecteurs d'entrée 7 par paires de connecteurs rapprochés. Les portions de ruban indiquées en 16, qui constituent les voies de transmission d'entrée du dispositif multicoupleur et qui sont reliés aux deux connecteurs d'entrée d'une paire de connecteurs 7 sont réunis en 17 et présentent la même longueur prédéterminée. Cette longueur est avantageusement choisie inférieure à un quart d'une longueur d'onde pour qu'à l'endroit 17 une voie de transmission d'entrée constitue pour l'autre une impédance infinie. Une portion de ruban 18 qui constitue la voie de transmission de sortie du dispositif multicoupleur est reliée au connecteur de sortie associé 9 du dispositif.Les zones de liaison 17 de deux paires voisines de connecteurs d'entrée 7 sont reliées par une portion de ruban 20. Cette portion présente une longueur correspondant à une demi-longueur d'onde à la fréquence moyenne de fonctionnement du multicoupleur. De cette façon on assure qu'à chaque zone de liaison 17 le ruban de voie de liaison 20 présente également une impédance parallèle infinie. La configuration représentée de cette portion de liaison 20 est ondulaire pour concilier sa longueur avec les dimensions du bottier multicoupleur et la distance entre deux groupes de connecteurs d'entrée voisins. Le mode de réalisation du dispositif multicoupleur selon les figures 1 à 6 est configuré pour permettre le couplage de quatre filtres et présente donc deux groupes de deux connecteurs d'entrée 7. A chaque groupe est associé un connecteur de sortie 9. En raison de la symétrie du dispositif, chaque connecteur de sortie 9 peut servir de connecteur de sortie de dispositif, l'autre connecteur pouvant servir d'extension pour un dispositif multicoupleur semblable relié par exemple par un câble. Pour le cas où l'on ne souhaite pas utiliser toutes les entrées et sorties, les longueurs de ruban d'entrée et de sortie sont choisies de façon qu'il suffise de brancher sur les connecteurs en question un organe produisant un court-circuit pour que soit réalisé la condition d'impédance infinie à l'endroit de la réunion des voies de transmission pour la voie associée au connecteur non utilisé. Ainsi, les rubans d'entrée et de sortie peuvent présenter une longueur inférieure à un quart d'une longueur d'onde.Concernant le ruban de sortie 18, la longueur sera telle que la distance entre la zone de liaison 17 et le plan de court-circuit soit égale à un quart d'une longueur d'onde. Le dispositif multicoupleur peut être facilement élargi pour pouvoir coupler un plus grand nombre de filtres, par exemple 6, 8, etc... La figure 7 illustre comment il faut configurer à cette fin le circuit imprimé. Il suffit d'ajouter d'autres paires de connecteurs et de voies d'entrée et les relier chaque groupe ajouté à celui qui est voisin par un ruban d'une longueur d'une demi longueur d'onde. En se reportant à nouveau à la figure 1, on constate qu'un motif de rainures communicantes 22 est pratiquées dans la face interne du demi-boîtier inférieur 2. Le même motif est pratiqué dans la face interne du demi-boîtier supérieur 1 de façon qu'à l'état assemblé, les deux motifs de rainures constitue les deux moitiés d'une cavité interne de section transverslae rectangulaire et ayant le tracé de la rainure 22 du demi-bottier 2. I1 ressort également de la figure 1 que le tracé de chaque motif de rainure 22 correspond au tracé des rubans de voie de transmission 13 des circuits imprimés de la plaque diélectrique 3.Les lignes médianes des motifs de rainures 22 et des rubans 13 coincident mais la largeur des rainures est supérieure à la largeur des rubans 13 et correspond à la somme des largeurs des rubans et des zones isolantes 14 qui longent ces rubans 13 de part et d'autre de ceux-ci. Il ressort de la description qui vient d'entre faite de la structure des dispositifs multicoupleurs selon l'invention que les voies de transmission à l'intérieur de ceux-ci sont réalisées selon la technique d'une ligne de transmission triplaque suspendue symétrique. En se reportant à la figure 2, on décrit ci-après une autre caractéristique essentielle de l'invention, qui constitue un perfectionnement aux lignes de transmission triplaques suspendues connues. Ce perfectionnement permet notamment l'utilisation de ces lignes de transmission également pour le transport de puissances élevées de par exemple 800 W. Ce résultat s'obtient grâce à un dimensionnement optimal des différents paramètres spécifiques de la ligne de transmission triplaque suspendue. Les paramètres caractéristiques d'une ligne triplaque suspendue sont la largeur A de la cavité déterminée par les rainures 22, la hauteur B de la cavité, la largeur W des rubans 13 et l'épaisseur E de la plaque diélectrique 3. Il s'est avéré que pour une plaque diélectrique du type commercialisé sous le nom RT/Durold 6002 ayant une permittivité relative de 2,94 liant à la fois une bonne conductivité thermique (0,44 W/m/K) et des pertes moyennes (tangente de perte de 0,0012), on obtient une ligne de transmission en technologique triplaque suspendue permettant de transmettre des puissances élevées de par exemple 800 watts à une fréquence de 950 MHz lorsque l'épaisseur de la plaque est comprise entre 1,1 à 1,60 mm. Dans cette gamme de valeurs, le rapport entre le pouvoir de dissipation de la chaleur du substrat diélectrique et des pertes occasionnées dans celui-ci est optimal. En dehors de cette gamme de valeurs, le rapport se détériore et la puissance que la ligne peut transporter sans échauffement inadmissible diminue.A partir de la gamme de valeurs optimales pour l'épaisseur, on a calculé des valeurs optimales des autres paramètres. Pour une ligne dont l'impédance caractéristique est de 50 ohms, il a été établi que la différence des températures entre le boltier et les rubans et le diélectique devenait minimale avec une largeur A comprise entre 13 à 18 mm et une hauteur B entre 8 et 12 mm, la largeur W des rubans devant être alors comprise entre 6 à 9 mm en vue de l'impédance caractéristique de la ligne de 50 ohms. En choisissant le substrat diélectrique indiqué et les valeurs qui viennent d'être évoquées et se sont avérées optimales, le dispositif multicoupleur selon l'invention permet de transporter des puissances élevées sans échauffement excessif. Par exemple les pertes sont de l'ordre de 0,1 dB/m et la différence de température entre le ruban et le boîtier est de l'ordre de 600C pour une puissance de 800 Watts et une fréquence de 950 MHz. Le fait que les circuits imprimés sur les surfaces supérieure et inférieure de la plaque diélectrique sont montés en parallèle réduit les champs électriques dans la plaque diélectrique 3 et donc les pertes produites dans la plaque. Bien entendu, une ligne de transmission triplaque suspendue ainsi optimalisée peut trouver d'autres applications et n'est donc pas limitée à la réalisation de dispositifs multicoupleurs. REVENDICATIONS 1. Structure de ligne de transmission d'ondes électromagnétiques hyperfréquences du type triplaque suspendue, comprenant un bottier métallique se composant de deux demi-boîtiers assemblés et présentant chacun dans sa face interne une rainure constituant, à l'état assemblé des demi-bottiers, la moitié d'une cavité interne de section transversale rectangulaire et une plaque en un matériau diélectrique interposé entre les deux demi-bottiers et portant sur ses surfaces supérieure et inférieure un ruban en un matériau électriquement conducteur, dont la ligne médiane coincide avec la ligne médiane de la cavité et dont la largeur est inférieure à celle de cette dernière, caractérisée en ce que la plaque diélectrique (3) est réalisée en un matériau diélectrique ayant un faible coefficient de pertes et une bonne conductivité thermique et que la plaque diélectrique (3) présente une épaisseur (E) relativement importante établie de façon que le rapport entre les pertes d'énergie dans le matériau diélectrique (3) et la résistance thermique de celui-ci soit optimal. 2. Structure de ligne selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour une plaque diélectrique (3)du type connu sous la dénomination commerciale RT/Durold 6002, l'épaisseur (E) de la plaque est avantageusement comprise entre 1,1 à 1,60 mm par une fréquence de l'ordre de 950 MHz. 3. Structure de ligne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la largeur (A) de la cavité est comprise entre 13 à 18 mm, la hauteur de celle-ci entre 8 à 12 mm et la largeur d'un ruban entre 6 à 9 mm. 4. Dispositif de multicouplage notamment de plusieurs filtres hyperfréquences, comprenant une voie de transmission de signaux de sortie pour chaque filtre qui sont réunis à leur extrémité libre et présente une longueur prédéterminée de façon qu'au lieu de la réunion, l'impédance d'entrée de chaque voie de transmission est infinie pour les autres voies, caractérisé en ce que les voies de transmission à réunir sont formées par des lignes de transmission ayant la configuration triplaque suspendue selon l'une des revendications 1 à 3. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un bottier métallique constitué de deux demi-bottiers (1, 2) entre lesquels est interposée une plaque (3) en un matériau diélectrique portant des rubans électriquement conducteurs (13) sur ses faces supérieure et inférieure, qui sont réalisées sous forme de circuits imprimés (4), chaque circuit imprimé comporte un nombre de rubans conducteurs d'entrée (16) de la même longueur prédéterminée, qui est égal au nombre des sorties de filtre, et un ruban de sortie (18), les rubans d'entrée (16) et de sortie (18) sont réunis à leur extrémité interne (en 17) et reliés chacun à son autre extrémité externe à un connecteur externe (7, 9) monté sur le bottier, et en ce que des rainures conjuguées (22) sont pratiquées dans les surfaces internes des demi-botiers (1, 2) dont le tracé correspond à celui des rubans (13) du circuit imprimé et qui forme la cavité précitée de la structure de ligne de transmission. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit imprimé comprend plusieurs groupes d'au moins deux voies d'entrée (16) et que les zones de réunion (17) de deux groupes voisins de voies d'entrée sont reliés par une voie de liaison (20) ayant une longueur d'une demi-longueur d'onde à la fréquence moyenne de fonctionnement du dispositif, à cette voie de liaison correspondant des rainures (22) dans les faces internes des demi-bottiers (1, 2). 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les demi-bottiers (1) et (2) et la plaque diélectrique (3) sont maintenus à l'état serré par des vis (10) régulièrement réparties sur les surfaces en contact serré. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le bottier présente une forme générale parallélépipèdique portant sur une surface latérale (6) les connecteurs d'entrée (7) et avantageusement sur sa face latérale opposée (8) les conducteurs de sortie (9). 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les connecteurs d'entrée (7) et les voies de transmission d'entrée associés (16) sont groupés par paires. 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'une voie de transmission d'entrée (16) et de sortie (18) présente une longueur prédéterminée inférieure à un quart d'une longueur d'onde de façon qu'en plaçant un organe de court-circuit sur le connecteur externe (7, 9), cette voie présente à l'endroit de réunion précitée (17) une impédance infinie. 11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte, reliée à une zone de réunion (17) des rubans d'entrée (16) et de sortie (18), une voie d'extension réalisée sous forme d'un ruban de sortie (18) et permettant la connexion notamment d'un autre dispositif multicoupleur. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque voie de transmission de sortie et chaque voie d'extension peut servir alternativement de voie de sortie et d'extension. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'à chaque paire de voies de transmission d'entrée (16) est associée une voie de transmission de sortie (18) pouvant servir de voie d'extension.