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Filtre de bande pour la transmission continue d'une lar- ge bande de fréquence.
La présente invention concerne des filtres de bandes et, plus particulièrement, des filtres com- posés comprenant plusieurs filtres de bandes séparés coopérant pour transmettre une bande plus étendue que celle transmise par chacun des filtres séparément.,
Bien que la présente invention soit d'appli- cation générale, elle convient tout particulièrement pour les sections d'accouplement d'un système d'anten- ne d'un système de signalisation d'ondes haute fré-
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quence apte à recevoir ou transmettre une large ban- de ou plusieurs bandes de la gamme haute fréquence.
Dans beaucoup de dispositions, en particulier dans les circuits de réception et de transmission haute fréquence, il est désirable de laisser passer une large bande de fréquences ou sélectivement l'une ou l'autre de plusieurs bandes de fréquences formant ensemble une grande partie de la gamme haute fréquence. Une telle large bande de fréquences peut être limitée par exemple par des fréquences ayant un rapport de l'ordre de 40 à 1. Cependant, certaines difficultés se présentent dans la construction de filtres de bandes fonctionnant entre des limites extrêmes de fréquences, tant en ce qui con- cerne la composition ou le nombre d'éléments de filtre requis et la construction réelle du circuit qu'en ce qui concerne l'obtention d'une réponse justement uni- forme sur toute la bande.
En particulier dans le cas d'un filtre pour large bande devant comprendre un transformateur pour séparer les circuits d'entrée et de sortie ou pour adapter leurs impédances respectives, il devient difficile sinon impossible de réaliser un transformateur unique capable de transmettre une si lar- ge bande de fréquences, car un tel transformateur exi- gerait un coefficient de couplage très proche de l'uni- té. Autrement dit : coefficient de couplage donné pour un transformateur pose une limite au rapport des fréquences-limites de la bande qui peut être transmise par un filtre utilisant le transformateur.
Un objet de la présente invention consiste à réaliser un filtre de bande composé capacble de trans- mettre une large bande de fréquences, supprimant les inconvénients présentés par les dispositions de l'ancien genre susmentionné et ne nécessitant qu'un très petit nombre d'éléments de circuit.
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Dit plus en détail : présente invention a pour objet de réaliser un filtre de bande composé capable de couvrir une large bande de fréquences et comprenant plusieurs filtres de bandes ayant chacun une section de transformateur et construits pour transmettre indi- viduellement plusieurs bandes de fréquences séparées par des bandes de fréquences intermédiaires, pendant que les filtres qui travaillent ensemble sont propor- tionnés et polarisés de telle façon qu'ils transmettent une bande résultante continue comprenant les bandes admises et les bandes intermédiaires.
Conformément à la présente invention sont prévus au moins deux filtres de bandes comprenant chacun au moins deux demi-sections de filtre de bande de n'impor- te lequel de plusieurs types convenables et une section de transformateur. Les deux sections terminales de chacun des filtres individuels sont construites et proportionnées de telle façon que les sections terminales correspondantes de tous les filtres'peuvent être interconnectées direc- tement à la fois à l'extrémité d'entrée et à celle de sortie du réseau résultant.
Les divers filtres sont construits de telle façon au'ils transmettent individu- ellement plusieurs bandes séparées par des bandes inter- médiaires et qu'ils coopèrent en transmettant les fré- quences des bandes intermédiaires, d'où il résulte une caractéristique d'impédance image semblable à celle d'un seul filtre de bande continue constante-k transmettant la gamme de fréquences élargie.
Sur les plans, la fig. 1 est un schéma d'un système complet d'an- tenne comprenant un filtre de bande composé conforme à la présente invention; la fig. 2 et la fig. 3 sont des schémas simplifiés presque équivalents du système montré sur la fig. 1
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travaillant respectivement sur les bandes d'ondes cour- tes et d'ondes longues ; la fig. 4a et la fig. 4b sont des schémas montrant les transformations du montage dans le développement de la partie de filtre haute fréquence; la fig. 5a et la fig. 5b sont des schémas corres- pondants concernant la partie basse fréquence du filtre montré sur la fig. 1; la fig. 6 est un schéma composé équivalent concer- nant les réseaux des figs. 4 et 5;
la fig. 7a est une représentation graphique des di- verses caractéristiques d'impédance image des filtres montrés sur les figs. 4b et 5b et la fig. 7b est une représentation graphique des ca- ractéristiques d'impédance image du filtre composé mon- tré sur la fig. 6.
Sur la fig. 1 est montré en schéma un système collec- teur d'ondes auquel la présente invention est tout parti- @ulièrement bien applicable et dans lequel se trouve ré- alisé un filtre composé pour accoupler une ligne de trans- mission de l'antenne à une disposition de translation de signaux ou une disposition de charge par exemple un radiorécepteur. Le système général montré sur la fig.l est expliqué dans une autre demande de brevet du même inventeur,de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'en donner ici la description détaillée.
Ce système comprend une antenne 10a-10b et est cons- truit de préférence comme système double pour fonctionne- ment dans la partie haute fréquence de la bande à cou- vrir et fonctionnement comme antenne simple à extrémité supérieure aplatie dans la partie basse fréduence de la bande. L'antenne 10a-10b est accouplée avec une ligne de transmission 12 par un filtre de bande 11 de type conve- nable. Un type de filtre de bande composé pour bande
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élargie convenant tout particulièrement pour ce but est expliqué dans une autre demande de brevet du même inventeur.
L'autre extrémité de la ligne de transmission 12 est raccordée à une disposition de translation de si- gnaux ou une disposition de charge 14, par exemple un radiorécepteur, ayant un circuit d'entrée dont l'impé- dance est indiquée par 15. L'accouplement est assuré par un filtre composé construit conformément à la présen- te invention. Le filtre composé 13 est construit et pro- portionné de telle façon qu'il transmet une bande de fré- quences élargie, par exemple de 0,5 à 20 mégacycles. Il est désirable que le filtre composé 13 adapte approxima- tivement l'impédance image constante de la ligne 12 à l'impédance 15 du circuit d'entrée de l'appareil de char- ge 14.
Il est également désirable que le filtre composé comprenne des sections de transformations entre les cir- cuits primaire et secondaire du filtre et permettent la transformation de l'impédance parce que l'impédance image de la ligne a généralement une valeur différente de celle de la disposition de charge 14.
Le filtre composé 13 comprend plusieurs filtres connectant des circuits terminaux communs et construits de telle façon que chacun d'eux transmet certaines ban- des de fréquences séparées par des bandes de fréquences intermédiaires. Bien que la présente invention soit ap- plicable à un filtre composé dans lequel les fréquences- limites déterminant les bandes admises individuellement et les bandes intermédiaires se trouvent dans un rapport déterminé préalablement d'une manière quelconque, elle est tout particulièrement utile lorsqu'elle est appliquée à un tel filtre composé dans lequel les fréquences-limites se trouvent presque dans un rapport de progression arith- métique ou géométrique,
c'est-à-dire dans lequel la lar- /
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geur de chacune des bandes intermédiaires est la moyenne arithmétique ou géométrique des bandes adjacentes. Lors- que le rapport arithmétique entre les fréquences-limites existe, le filtre résultant est caractérisé par des vi- tesses de propagation vraiment presque égales pour tou- tes les fréquences dans la bande composée, ce qui est la condition d'une distorsion minimum d'une onde comple- xe.
Pour l'explication et le calcul, il est supposé que la bande complète de fréquences, par exemple de 0,5 à 20 mégacycles, est divisée en trois bandes par les fré- auences-limites f1, f2, f3 et f4 qui ont respectivement une valeur de 0,5, 0,1, 5,8 et 20 mégacycles, et aue ces fréquences se trouvent à peu près dans une progression géométrique dont la constante de progression moyenne est de 3,4.
Il est devenu usuel dans la construction de filtres de bandes de baser la construction sur une section de filtre d'un type normalisé. Pour les calculs préalables, on peut supposer une valeur arbitraire pour les impédances images nominales d'entrée et de sortie. On choisit géné- ralement un type dont les caractéristiques des impédances d'entrée et de sortie sont semblables et ont la même va- leur nominale, qui est la valeur à la fréduence à laauel- le l'inclinaison de la courbe d'impédance imae est nulle.
Cette valeur nominale est indiquée par le symbole R que l'on peut supposer avoir 100 ohms pour le calcul préalable.
Une section de filtre particulière qui a été recon- nue comme remplissant les conditions posées par la pré- sente invention est montrée sur la fig. 4a et sera dési- dans la suite Il type A Il. Pour une description plus complète des divers types de sections de filtres de ban- des symétriques convenant pour utilisation dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, voir le livre " Transmission Netivorks and Wave Filters " par T.E. shea, paru chez D. Van Nostrand Co. en 1929). La section de filtre type A est indiquée p. 316 du livre de Shea /
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sous la désignation type III,.
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La section de filtre type A montrée sur la fig.4a comprend un condensateur demi-shunt 16 et l'inductance 17, une inductance entièrement série 18, ainsi qu'un condensa- teur demi-shunt 19 et une inductance 9. Une telle demi- section permet l'insertion d'un transformateur parce qu'el- le comprend à la fois des inductances série et parallèle qui peuvent être réalisées par la self-induction et l'in- duction mutuelle des enroulements du transformateur dans un réseau équivalent. Il est supposé que la section type A montrée sur la fig. 4 a est destinée à travailler sur la bande de fréquences f3-f4. Il est également supposé que la section A est construite pour des impédances images égales R de 100 ohms tant dans le circuit dtentrée que de sortie.
Les valeurs des réactances du circuit peuvent alors être calculées en termes de R, et les fréquences- limites de la bande que la section doit transmettre peu- vent être calculées soit au moyen des formules données par Shea p. 316 ou au moyen de telles formules modifiées pour une section unique commençant par un élément demi- shunt, comme la section type A, ainsi que montré dans le tableau annexé, sous la désignation fig.4a.,Type A.
Pour l'emploi des transformations de circuit équivalent bien connues, la section A de la fig. 4a peut être convertie en la section montrée sur la fig.4b, qui sera désignée dans la suite " type B ". Dans cette transformation, les inductances 17,18 et 9 sont changés en inductances équivalentes 21 et 23 et en inductance mutuelle entre celle-ci, pendant que ces inductances constituent les enroulements primaire.et secondaire d'un transformateur. Dans le calcul des valeurs des éléments du circuit de la section B, cependant, il est nécessaire de multiplier toutes les réactances du circuit primaire de cette section par le rapport de l'impédance image R .J. ; @ L
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de la. ligne 12 à l'impédance image suoposée R de la sec- tion de filtre de la fig. 4a.
De manière analogue, afin d'obtenir une égalité entre le circuit secondaire de la section B et l'impédance d'entrée 15, il est nécessaire de multiplier les diverses réactances du circuit secondaire par le rapport de l'impédance RA du circuit d'entrée 15 à l'impédance image supposée R. Les formules concernant les constantes de rendement de la section de filtre type B, y compris les transformations du circuit et les facteurs pour rendre égales les impédances primaire et secondaire, sont données dans le tableau annexé, sous la désignation Fig. 4b, Type B.
La caractéristiçue d'impédance image du circuit primaire de la section B est représentée par la courbe X de la fig. 7a, cui permet de voir que l'impédance image minimum est égale à l'impédance image RL de la ligne 12.
Les caractéristiques de la section de filtre B sont les mêmes du côté secondaire, sauf que les valeurs réellles sont modifiées pour adapter l'impédance RA du circuit d'en- trée 15. Cette courbe à la forme bien connue de la courbe d'impédance image demi-shunt constante-k, de sorte qu'elle peut porter cette désignation.
Le filtre de bande partiel destiné à travailler sur la bande basse-fréauence f1-f2, par exemple de 0,5 à 1,7 mégacycle, peut être le même que celui décrit, modifié pour les diverses fré@uences-limites. La théorie de la con- struction du filtre passe-bas est la même que celle con- cernant le filtre passe-haut décrit ci-dessus. En ce dui concerne la fig. 5a, le point de départ est de nouveau une section de filtre du type A ayant une impédance ima- ge constante-k dont la valeur nominale R est par exemple de 100 ohms. La section A de la fig. 5a comprend un con- densateur demi-shunt 24 et une inductance 25, une induc- tance entièrement série 26, ainsi qu'un condensateur demi- shunt 27 et une inductance 28.
Les formules pour la con- @
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struction du circuit de la fig. 5a sont les mêmes aue celles applicables à la fig. 4a, sauf le changement de fréquences-limites. Ces formules sont données dans le tableau annexé, sous la désignation Fig. 5a, Type A.
La section de filtre passe-bas de la fig. 5a peut être transformée en celle de la fig. 5b d'une maniè- re semblable à celle appliquée pour la transformation de la section de filtre passe-haut. Il en résulte une section de filtre du type B comprenant un condensateur primaire 29 et une inductance 30, ainsi qu'un condensa- teur secondaire 31 et une inductance 32. Dans ce cas aussi, en effectuant la transformation du circuit, les résistances primaire et secondaire sont multipliées res- pectivement par le rapport RL/R et RA/R. Les formules pour les constantes de rendement de la section type B de la fig. 5b, y compris les transformations du circuit et les facteurs pour rendre égales les impédances pri- maire et secondaire, sont données dans le tableau annexé, sous la désignation Fig. 5b, Type B.
La caractéristique d'impédance image du circuit primaire de la section de filtre de la fig. 5b est repré- sentée par la courbe Y de la fig. 7a, qui permet de voir que l'impédance image minimum est égale à l'impédance image R de la ligne 12. De même que dans le cas du filtre
L passe haut, les caractéristique de la section de filtre sont les mêmes du côté secondaire, mais les valeurs réelles sont modifiées pour adapter l'impédance RA du circuit d'en- trée 15. De même que la courbe X, la courbe Y est une courbe d'impédance image demi-shunt constante-k.
Les sections de filtre passe-haut et passe-bas des figs. 4b et 5b peuvent être combinées en une section de filtre composée, qui est montrée sur la fig. 6 et dans laquelle les circuits primaire et secondaire des sections partielles sont connectés en série. De plus, l'inductance
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21 du circuit primaire est divisée en deux parties 21a et 21b afin d'assurer l'équilibre de la ligne 12.
Deux filtres de bandes du type montré sur les figs. 4b et 5b ayant respectivement la caractéristique X et Y, combinés de cette manière et construits pour transmettre des bandes limitées respectivement par les fréquences fl-f2 et f3-f4 dans lesquelles les fréquences f1,f2,f3 et f4 se trouvent presque dans un rapport de progression géométrique, tra- vailleront de manière absolument indépendante sur leurs bandes respectives, mais travailleront ensemble pour transmettre la bande intermédiaire. La caractéristiaue d'impédance image résultante est montrée en Z sur la fig.
7b, qui est une courbe d'impédance image demi-shunt con- stante-k pour la bande f1-f4. Bien que les formules don- nées ci-dessus pour calculer les valeurs de réactance des circuits des figs.4b et 5b peuvent être utilisées avec une exactitude presque complète pour le filtre com- posé de la fig. 6, il existe une certaine interaction entre les circuits, et des formules plus précises sont données dans le tableau annexé pour calculer les valeurs de réactance du filtre composé de la fig. 6. Dans ces for- mules, l'attention est attirée sur le fait aue l'indue- tance L21 est l'inductance totale des bobines combinées 21a et 21b.
Bien Que les formules données ci-dessus pour le calcul des filtres de bandes individuels peuvent être utilisées pour la construction du filtre composé avec approximativement les caractéristiques décrites, les deux filtres de bandes ont une certaine interaction mutuelle et, pour obtenir des résultats absolument exacts, il est préférable de calculer le système complet comme un filtre uniaue. De tels calculs peuvent être basés sur les méthodes fondamentales de court-circuit- interruption - de constructions de filtres décrites p.75 à 84,et p. 179 à
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208 du livre de Shea précité. Les formules modifiées résultantes applicables au filtre composé de la fig. 6 sont données dans le tableau annexé, sous la désignation Fig. 6, filtre composé.
En utilisant la présente invention comme décrit, il est possible de réaliser un filtre de bande capable de transmettre toute large gamme de fréquences voulue et comprenant plusieurs transformateurs d'accouplement juste. Bien que des sections de filtre individuelles du type décrit soient tout particulièrement convenables à cause de leur atténuation relativement faible en de- hors de leurs bandes respectives, on peut les remplacer par d'autres sections de filtre ayant de manière générale des caractéristiques analogues.
Bien que le filtre composé montré soit un filtre composé comprenant seulement deux sections de filtre de bande, il est évident que les principes en Question peuvent être étendus à n'importe auel nombre de sections de filtre. Par exemple, l'inductance 30 peut être divisée pour l'insertion du circuit primaire d'un troisième fil- tre de bande, et la connexion inférieure entre l'induc- tance 32 et le condensateur 31 peut être interrompue pour insérer le circuit secondaire d'un troisième filtre de bande, et ce procédé peut être répété pour insérer le nombre de sections qu'on veut en cas de dispositions particulières.
Il convient de remarquer que les condensateurs shunt 20 et 22 sont en parallèle non seulement sur leurs inductances respectives 21 et 23, mais aussi res- pectivement sur les inductances 30 et 32 qui sont de plus grande induction pour travailler sur une bande de fré- quences plus basse. D'autre part, les condensateurs shunt 29 et 31 sont respectivement en série avec les inductances de filtre haute fréquence 21 et 23. Dans le
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cas de l'extansion suggérée à l'alinéa précédent, on obtiendrait le même rapport.
Autrement dit : un fil- tre composé du type décrit, quand tous les condensateurs et toutes les inductances sont, de chaoue côté, respec- tivement reliés en série dans l'ordre de décroissement de leur inductance et capacitance et quand les éléments du même numéro de la série sont reliés pour former des filtres de bandes individuels, les inductances de chacun des circuits primaire et secondaire étant toutes en sé- rie, chacun des condensateurs sera connecté en shunt avec son inductance respective du même numéro de la série et, en plus, avec seulement celles des inductances d'un numéro de série plus élevé.
Dans cette disposition, les condensateurs des sections de filtre passe-haut servent à dériver des inductances du filtre passe-bas des fré- quences qui peuvent correspondre aux frâquences naturelles des bobines de plus grande inductance et ils peuvent, par conséquent, être autrement affectés de manière anor- male.
Le filtre composé de la fig. 6 est identique au filtre 13 de la fig. 1, sauf seulement aue le condensa- teur 29 de la fig. 1 a été divisé en deux parties séries égales afin d'obtenir une connexion à la terre neutre ou demi-prise pour la ligne équilibrée 12, afin de conserver l'équilibre à la ligne et en même temps afin d'obtenir une connexion de terre dans laquelle on puisse insérer une juste impédance terminale 33 pour des courants non éauilibrés dans la ligne. Le transformateur comprenant les enroulements 30 et 32 du filtre passe-bas peut être pourvu d'un noyau de fer finement divisé, tel que par exemple celui vendu sous le nom de " Ferrocart ".
Les principes généraux du fonctionnement du systè- me décrit ci-dessus sont certainement apparents par la description détaillée des dispositions et des principes compris dans leur construction telle qu'elle vient d'ê- tre faite. Néanmoins, le fonctionnement sur les diverses
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bandes de fréquences peut être résumé en se référant des figs. 2 et 3, dont chacune comprend seulement les éléments de circuit principalement actifs sur leur ban- de de fréquence respective.
Il est évident que les in- ductances du filtre passe-bas ont une si haute impédance sur la bande haute fréquence que leur admittance peut être négligée, tandis que les condensateurs de ce filtre ont une impédance si basse qu'ils peuvent être considé- rés comme des courts-circuits, de sorte que les filtres passe-bas ont une très petite influence sur le fonctionne- ment passe-haut. De manière analogue, les inductances et capacitances du filtre passe-haut ont peu d'influence sur le fonctionnement sur la bande basse fréquence.
Dans la bande de fréquences intermédiaire f2-f3, les éléments de réactance des deux filtres de bandes partiels sont entièrement efficaces pour déterminer le fonctionne- ment.
En considérant en détail la fig. 2, on voit aue la partie de filtre passe-haut est efficace dans la bande hau¯ te f3-f4 pour transmettre des signaux reçus de la ligne 12 au circuit d'entrée 15 et en même temps pour adapter par- faitement l'impédance de la ligne 12 à celle de l'impédan- ce d'entrée 15. Sur la fig. 3, le filtre passe-bas fonc- tionne de manière analogue sur la bande basse fl-f2 pour accoupler la ligne 12 et le circuit d'entrée 15. Sur la fig, l, les deux filtres de bandes individuels coopèrent sur la bande de fréquences intermédiaire f2-f3 pour coupler la ligne de transmission 12 à l'impédance d'entrée 15 et en même temps rendre égales les impédances de ces deux dis- positions.
Avec la disposition décrite ci-dessus, chacun des transformateurs 21a,21b, 23, 30 et 32 peut avoir un coefficient de couplage qui peut être facilement réalisé en pratique et le filtre composé est efficace pour trans- mettre une bande de fréquences pour laquelle un transfor-
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mateur unique ne saurait être construit qu'avec difficul- té, pour autant même qu'il puisse être construit pour ce but.
Bien que le filtre de bande composé décrit ci-dessus puisse être construit pour fonctionner sur une large gamme, il n'est donné comme exemple que les constantes de rende- ment d'un filtre composé particulier pour fonctionnement sur des gammes de fréquences limitées par les fréquences-' limites-susmentionnées et incorporant la présente inven- tion de la manière décrite ci-dessus.
Les valeurs indiquées ci-après pour le circuit ont été réalisées le plus exac- tement possible et comprennent des effets tels aue la ca- pacitance inhérente ou l'inductance d'autres éléments du circuit s'y rapportant : f1 = 0,5 mégacycle f2 = 1,7 " f3 = 5,8 " f4 = 20 " Impédance image de la ligne R = résistance de 500 ohms
L " de charge R = " " 400 "
A
E14ments: 21a + 21b = 27 microhenrys
23 = 21 "
30 = 262 "
32 = 210 "
20 = 16 micro-microfarads
22 = 20 " " 29a,29b = 386 " chacun
31 = 242 " " Transformateur 21a, 21b, 23 Coefficient de couplage - 84% La capacitance 24 était physiquement une partie de la capacitance inhérente entre la bobine 23 et l'écran adjacent.
Transformateur 30, 32.
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Coefficient de couplage - 84%
Bien que la description ci-dessus ne comprenne que ce qui est considéré comme mode de réalisation préféré de la présente invention, il est évident pour les experts que divers changements et diverses modifications peuvent y être apportés sans s'écarter de l'esprit de la présente invention.