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SYSTEMES HYPERFREQUENCES
La présente invention concerne des systèmes hyper- fréquences et, en particulier, des pistons réflecteurs à faible perte pour lignes et guides d'ondes utilisés dans les circuits à hyperfréquences.
Dans la technique des lignes et des guides d'ondes en hyperfréquences (ondes décimétriques, centimétriques et millimétriques), il se pose souvent le problème, lors de l'uti- lisation d'une ligne ou d'un guide comme élément de transport d'énergie ou comme circuit oscillant, d'obturer une extrémité de la ligne ou du guide par un court-circuit ou un organe réflec- teur dit piston. Le plus souvent, on cherche à obtenir cet effet de court-circuit ou de réflexion sans que se développent des pertes appréciables dans l'organe réflecteur.
Cela comporte des difficultés particulières dans le cas où l'on désire que la position du point de réflexion soit variable, c'est-à-dire @
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que le piston se déplace le long de la ligne ou du guide afin de provoquer des variations d'impédahce sur les circuits associés.
Dans certaines applications encore, on désire obtenir un effet réflecteur ou de court-circuit parfait à la fréquence de travail sans qu'il existe de contact galvanique entre les conducteurs à court-circuiter. On entend par court-circuit parfait, un court-circuit qui obture la ligne ou guide d'onde sans pertes locales ni fuite d'énergie. il est connu, pour réduire en hyperfréquence les pertes de contact d'un piston de court-circuit glissant, de
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reporter le point de contact en avant du plan de réflexion d'une longueur ( 2 n.+ 1 ) 4 , )( étant la longueur d'onde de phase de la vibration à réfléchir.
De cette façon, le point de contact est placé à un noeud de courant au lieu d'être à un ventre, comme dans le cas d'un contact disposé dans le plan de réflexion lui-même ; pertes produites dans la résistance de contact par le courant qui la traverse se trouvent considérablement réduites.
Dans la pratique, la disposition précédente s'avère souvent de qualité insuffisante, soit que la longueur d'onde d'utilisation étant variable, il n'est pas possible de placer dans tous les cas le point de contact à un noeud de courant, soit que les pertes au noeud de courant soient encore trop élevées.
Au contraire, les dispos-talons faisant l'objet de l'invention s'affranchissent de ces difficultés. un objet de la présente invention est la réalisation de dispositifs de court-circuit ou de réflexion avec pertes minima, sur des lignes ou guides d'onde à poinL de réflexion variable.
,Suivant une caractéristique de l'invention, le
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piston réflecteur peut être conformé de façon à constituer du côté de la région des vibrations électro-magnétiques une ou plusieurs lignes quart d'onde à faible impédance caractéristique, suivies d'une ou plusieurs lignes quart d'onde à grande impédance caractéristique, fermées par une paroi pouvant avoir un contact galvanique avec l'un ou les conducteurs de la ligne ou avec la paroi du guide, le ou les points de contact étant ainsi reportés dans une zone à pertes très faibles.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, le piston réflecteur peut offrir du côté de la région des vibrations électro-magnétiques, une ou des cavités constituant autant de lignes quart d'onde à forte impédance caractéristique, en série avec une ou des lignes quart d'onde à faible impédance caractéristique ; le corps du piston pouvant être en court-circuit avec l'un des conducteurs dans le cas d'une ligne coaxiale.
Suivant encore une autre caractéristique de l'invention, le piston réflecteur peut offrir du côté de la région des vibrations électro-magnétiques une ou des cavités constituant des lignes quart d'onde à grande impédance caractéristique, en série avec une ou des lignes quart d'onde à faible impédance caractéristique, et suivies d'une ou plusieurs lignes demi-onde reliées ensuite à nouveau à une ou des lignes quart d'onde à grande impédance caractéristique, en série avec une ou des lignes quart d'onde à faible impédance caractéristique.
Suivant enfin une autre caractéristique de l'invention, un piston suivant l'invention peut comporter une disposition qui l'isole galvaniquement d'un ou de tous les conducteurs de la ligne, ou des parois du guide.
Des exemples de réalisation seront décrits et, étudiés en relation avec les dessins annexés donnés uniquement à titre indicatif, et dans lesquels:
La fig. 1 représente une réalisation schématique
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d'un piston mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention dans le cas d'un guide d'onde;
La fig. 2 représente une réalisation schématique dans le cas d'une ligne coaxiale;
La fig. 3 représente une autre réalisation schématique d'un piston sans contact galvanique avec l'un des conducteurs, et en court-circuit avec l'autre conducteur, dans le cas d'une ligne coaxiale;
La fig. 4 représente une réalisation schématique d'un piston sans contact galvanique avec les conducteurs dans le cas également d'une ligne coaxiale;
La fig. 5 représente une réalisation schématique d'un piston sans contact galvanique avec les parois dans le cas d'un guide d'onde;
La fig. 6 représente une réalisation schématique de piston combinant des dispositions représentées fig. 2 et 3; et,
La fig. 7 représente un exemple de réalisation schématique d'un ondemètre de précision comportant des pistons conçus selon l'invention.
Dans les fig. 1 à 6, la région des vibrations électro-magnétiques se trouve vers la gauche et la région neutre vers la droite du dessin.
Si l'on se réfère à la fig. 1, le piston réflecteur est formé d'un corps 1, de section légèrement inférieure à celle du guide C2, et dont la longueur est un nombre impair
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de quarts de la longueur d'onde À de la vibration à réfléchir: ( 2 7t + 1 ) ; d'une partie 2 de faible section, dont la longueur est un nombre impair de quarts d'onde: ( 2 P + 1 ) 4 , d'une paroi terminale réfléchissante 3.
Suivant la fig. 2, le piston réflecteur est formé d'un corps annulaire 4 dont les diamètres respectifs sont voisins
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de ceux des conducteurs C1 et C2 de la ligne coaxiale et dont la longueur est (2 z+ 1) 4 ; d'une bague 5 de faible épaisseur, delongueur (2 p + 1) 4 , qui ménage dans la ligne deux larges chambres annulaires 6 et 7, et d'une paroi réfléchissante 8.
Electriquement, le piston fig. 1 est conformé de façon à constituer, avec le conducteur C2du guide d'onde siège de la vibration électro-magnétique à réfléchir, une première ligne 1/4 d'onde Z1 à faible impédance caractéristique, puis une ligne 1/4 d'onde Z2à grande impédance caractéristique.
Le contact R3entre le piston et le conducteur C2est reporté à la suite de ces lignes 1/4 d'onde, disposées en cascade.
Dans le cas de la fig. 2, le piston réflecteur est conformé de façon à constituer, avec les conducteurs C1 et C2 de la ligne siège des vibrations électro-magnétiques à réfléchir, tout d'abord des tronçons de ligne 1/4 d'onde Z1, Z'1 à faibles impédances caractéristiques, puis des tronçons 1/4 d'onde Z2 et Z'2 à grandes impédances caractéristiques; les contacts R3 et R'3 entre le piston et les conducteurs C1 et C2sont reportés à la suite de ces lignes 1/4 d'onde elles-mêmes disposées en cascade.
Le résultat cherché sera atteint si la résistance apparente entre a et b d'une part, entre a' et b' d'autre part, est suffisamment faible (fig. 2). De fait, on peut tenir le raisonnement suivant:
La résistance de contact R3 vire entre c et d à travers le transformateur que constitue la ligne 1/4 d'onde d'impédance $caractéristique Z2, $devient : R2' = Z2 2/R3.
Cette résistance elle-même vue entre a et b à tra- vers le transformateur que constitue la ligne 1/4 d'onde d'im- pédance caractéristique Z1 devient :
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z 12 zi2 Rl - R2 = Z2 . R3
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On obtient donc entre a et b une résistance apparente égale à la résistance de contact R3 multipliée par le facteur
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Ainsi, en choisissant une ligne d'impédance, caractéristique Z2 grande devant celle de Z1, l'effet de la résistance de contact peut être considérablement diminué.
Le raisonnement précédent s'applique naturellement à la résistance apparente entre a' et b' (fig. 2) qui s'exprime par:
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Comme susmentionné, on peut diminuer considérablement l'effet de la résistance de contact en choisissant une impédance Z'2 grande devant celle de Z'1. Il est d'ailleurs possible de placer plusieurs dispositifs de ce genre en cascade pour diminuer encore la résistance apparente due au contact.
Les coupes de piston ont été figurées pleines ; mais les pistons peuvent naturellement étre creux en vue de les alléger et contenir éventuellement des appareils d'excitation ou de réception des ondes propagées dans la région des vibrations. un dispositif mécanique, non figuré, logé dans la région neutre supporte le piston, lui assure un centrage correct et permet sa manoeuvre.
Dans certaines applications, on désire obtenir un effect réflecteur parfait sans qu'il y ait contact galvanique entre les conducteurs de la ligne à court-circuiter ou encore entre le piston et la paroi de la ligne ou du guide. Dans ce cas, on fait appel à une autre association de circuits 1/4 d'onde à rapport d'impédance caractéristique élevé qui se trouvent schématisés sur la fig. 3.
Le piston offre du côté des vibrations électromagnétiques une section annulaire lu, légèrement inférieure
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au diamètre du conducteur C, de longueur ( f3 + 1 ) #r-, et ménageant une cavité 11 de longueur ( 2 u + Ir) 4 . Ce piston est solidaire du conducteur C1.
Electriquement, le piston est conformé de façon à constituer avec le conducteur intérieur C1 une ligne 1/4 d'onde court-circuitée à grande impédance caractéristique Z2 et avec le conducteur extérieur C2une ligne 1/4 d'onde ouverte à faible impédance caractéristique Zl; les entrées a-b et b-c de ces lignes se trouvent en série.
Contrairement à la première disposition, le plan de réflexion est ici du type à grande impédance, c'est-à-dire à champ magnétique transversal minimum tandis que la première disposition était du type à champ électrique transversal minimum.
L'effet de réflexion cherché est atteint quand l'impédance'apparente: z entre a et c est grande par rapport à l'impédance caractéristique Z3 de la ligne siège de la vibration électro-magnétique:
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Cette impédance z entre a et c est constituée par l'impédance apparente z1 entre a et b en série avec z entre b et c: z z1 + s2. La condition à satisfaire est donc:
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On peut calculer z1 et z2. z2 est l'impédance apparente à la résonance d'une ligne 1/4 d'onde court-circuitée d'impédance caractéristique Z2.
Pour le premier quart d'onde (n = o), z2 s'écrit:
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Q étant coefficient de surtension de la ligne Z2. z1 impédance entre a et b 'peut être considérée comme étant l'impédance z3 entre d et e vue à travers le transformateur
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constitué par la ligne 1/4 d'onde a-b, d-e d'impédance caractéristique z1. On peut donc écrire:
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Si l'on reporte ces valeurs z1 et z2 dans l'inégalité ci-dessus, on obtient:
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Dans le premier terme, z2/Z3 est par construction voisin de 1, si bien que ce terme est sensiblement égal à :
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Or, on sait pratiquement réaliser en hyperfréquence des coefficients de surtension de quelques milliers. Ce terme est donc très grand devant l'unité.
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Le deuxième ternie peut s'écrire # x 3 J 5 -1 est petit devant 1 par construction; Zl G3 z3 ne peut pas être grand devant 1, car il faudrait pour cela que la région neutre de la fig. 3, qui constitue une ligne d'impédance caractéristique Z3 grande devant l, fût une ligne demi-onde munie d'un courtcircuit parfait, ce qui n'est pas le cas. Ce deuxième terme est donc petit devant l'unité et peut être négligé devant le premier;
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Les conditions s'écrivent finalement 4-Q 1 condition très largement satisfaite.
Un avantage particulier de cette disposition est qu'il n'existe aucun contact entre le piston et le conducteur C2 de la ligne.
On peut se demander si des fuites ne se produisent pas dans ces conditions entre la région de vibration électromagnétique et la région neutre. On peut avoir une évaluation de ces fuites relativement à l'énergie présente dans la région de vibrations en remarquant que ces fuites sont sous la dépendance
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du rapport de l'impédance apparente entre a et b à l'impédance apparente entre a et c:
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La proportion de fuite est donc liée à Z1 ; z
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Le rapport z1 se calcule facilement à partir des z1 expressions données plus haut:
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- le premier facteur 4/n Q est grand devant 1 comme il a été dit ; - le deuxième facteur Z2 est grand devant l'unité par construction;
Z1 - le troisième facteur est, soit voisin de 1, soit supérieur à 1, suivant les z1 remarques faites plus haut.
On voit donc que le dispositif procure une très grande protection contre les fuites; cette protection peut être augmentée si désirée en disposant deux pistons du modèle cidessus en cascade.
La fig. 4 est un autre exemple d'application de l'invention qui permet d'éviter tout contact du piston, non seulement avec l'armature extérieure de la ligne à court-circuiter, mais encore avec le ou les conducteurs intérieurs.
Le piston présente un ou des perçages 12 convenablement disposés, et de diamètres légèrement plus grands que ceux des conducteurs intérieurs C1 auxquels ils correspondent.
Le diamètre extérieur du piston est lui-même légèrement inférieur à celui du conducteur extérieur C2. Il comporte une cavité 13 de grande section et dont la longueur est comme sus-
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mentionné de (éTL + 1) , sa longueur totale étant ellemême (2 F + 1) 4 Il peut être fixé sur un support isolant 14 qui le maintient dans sa position convenable.
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électriquement, le piston est conformé de façon à constituer une ligne 1/4 d'onde court-circuitée à grande impédance caractéristique Z2 tout en formant avec chacun des conducteurs extérieurs et intérieurs des tronçons de lignes 1/4 d'onde ouvertes à faibles impédances caractéristiques, respectivement Z1 et Z'1, les entrées de ces diverses lignes étant disposées en série.
On a représenté fig. 5 l'application de ce dispositif à un guide d'onde. Le piston n'a pas de contact avec la paroi du guide. Il est conformé de façon à constituer une section de guide 1/4 d'onde court-circuitée ayant un effet d'impédance élevée tout en fermant avec la paroi extérieure une ligne 1/4 d'onde ouverte, à faible impédance caractéristique. Il faut noter ici que la section de guide doit présenter un nombre entier de 1/4 d'onde de la longueur d'onde de phase #', correspondant pour le type d'onde considéré au diamètre D de la section, tandis que la ligne à faible impédance caractéristique correspond à un nombre entier de 1/4 d'onde à la vitesse de phase d'une vibration coaxiale, c'est-à-dire celle en milieu libre.
Pour renforcer l'efficacité des dispositifs précédents, au lieu d'en employer plusieurs du même type mis bout à bout, on a intérêt, en vue notamment de diminuer le volume et le poids des pistons, à combiner les deux dispositions précédentes. On obtient de cette façon un troisième type de piston, dont un exemple est représenté sur la fig. b pour le cas d'une ligne coaxiale.
Le piston est constitué de plusieurs corps, conformés comme susmentionné fig. 3, ces corps étant réunis par des axes de faible section, qui peuvent être le ou les conducteurs intérieurs dans le cas d'une ligne coaxiale, ménageant entre chaque corps des espacementsn' #/4.
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électriquement, le piston est conformé de façon à constituer face à la région de vibration électro-magnétique une section de ligne 1,4 d'onde court-circuitée à grande impédance caractéristique Z2. Cette partie du piston conjointement avec le conducteur C2du circuit principal joue le rôle d'une section 1,4 d'onde de ligne à faible caractéristique Z1. Les entrées a-b et b-c de ces deux sections 1/4 d'onde sont disposées en série.
A l'autre ext émité d-e de la ligne Zl, celle-ci s'ouvre sur une ligne demi-onde d'impédance caractéristique Z4, laquelle, à son tour, débouche en f-h. Entre ces deux points, se trouve insérée une structure comprenant en série une ligne 1,4 d'onde court-circuitée de grande impédance caractéristique Z6 et une ligne 1,4 d'onde ouverte de faible impédance caractéristique Z5. Pour mettre en évidence l'efficacité d'un tel dispositif, on-peut calculer, comme précédemment, le facteur de proportion de fuite:
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z1 et z étant respectivement les impédances présentées entre a-b et b-c, par le dispositif réflecteur.
Notant Q, le coefficient de surtension de la ligne Z, on trouve:
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par ailleurs: z 12 1 z3 z3 étant l'impédance vue entre d-e, par la ligne Zl; cette impédance est la même que celle que voit la ligne Z4 entre f-h ; on peut donc écrire: z3 = z5 + z6 z5 et z6 qui représentent respectivement les impédances présentées vers la ligne Z4 entre f-g et g-h, s'évaluent sans difficulté :
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Q' étant le coefficient de surtension de la ligne Z6, et :
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z7 étant l'impédance offerte par la région neutre aux points i-j.
Finalement, on obtient:
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Le deuxième terme de la parenthèse est négligeable devant le premier, si bien que le facteur de fuite s'écrit sensiblement : .facteur de fuite:
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En comparant avec le facteur de fuite que permet le dispositif schématisé sur les fig. 3 et 4, on voit l'amélioration importante obtenue avec le troisième dispositif. De plus le nouveau facteur de fuite est pratiquement indépendant des caractéristiques de la région neutre.
Un dispositif semblable peut naturellement être appliqué au cas où l'on désire séparer galvaniquement le piston du ou des conducteurs intérieurs du circuit principal.
La disposition peut également s'adapter au cas des guides d'onde comme il est figuré à titre d'exemple sur la fig.
7, qui représente une disposition schématique d'un ondemètre de précision, à pistons du troisième type de section circulaire, utilisant le mode de vibration Eo.
Chacun des pistons d'extrémité présente, face à la chambre de résonance de l'ondemètre, une section de guide courtcircuitée de profondeur #'/4 #'est la longueur d'onde de phase correspondant à la vibration Eo pour le diamètre
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intérieur 3 des cavités 15. La paroi périphérique du piston forme avec la paroi interne de la chambre une ligne coaxiale à faible impédance caractéristique (rapport des diamètres pl/p2) de longueur 3/4 d'onde. Au débouché de cette ligne, le piston voit son diamètre rétréci de façon à constituer avec la paroi de la chambre une ligne à grande impédance caractéristique (rapport des diamètres pl/4) de longueur 1/2 onde.
Une nouvelle déformation du piston fait en sorte que la ligne précédente débouche sur une section 1/4 d'onde court-circuitée à grande impédance caractéristique (rapport des diamètres 3/4), en série avec une section sensiblement 1/4 d'onde, ouverte et de faible impédance caractéristique (rapport des diamètres 1/2).
Dans l'exemple figuré, le piston de gauche se distingue en outre en ce qu'il contient intérieurement une ligne coaxiale terminée par une petite antenne axiale propre à exciter le mode de vibration Eo à l'intérieur de la chambre.
Le piston de droite au contraire, est agencé pour porter un cristal détecteur qui met en évidence l'état vibratoire de la chambre résonnante. Celle-ci voit sa longueur varier par le déplacement des pistons ci-dessus. La commande mécanique des pistons n'est pas figurée, non plus que les dispositifs de centrage des pistons à l'intérieur du guide.
Il est bien évident que les exemples de réalisation figurés ne sont donnés qu'à titre indicatif, et qu'on peut réaliser toutes autres dispositions mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention sans sortir de son domaine.