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SYSTEMES DE TRANSMISSION A HAUTE FREQUENCE ET EN PARTICULIER DISPOSITIF DE COUPLAGE.
La présente invention est relative aux lignes pour la transmission des ondes ultra-courtes et plus particulièrement à une ligne du type à conducteurs parallèles capable de transmettre l'énergie d'ondes ultra-courtes suivant un mode dominant.
Dans le brevet belge ? 511.583 on a décrit un type de ligne pour la transmission des ondes ultra-courtes comprenant, dans l'une de ses formes les plus simples, deux conducteurs parallèles imprimés ou disposés de toute autre manière sur les faces opposées d'une bande ou d'une couche de substance diélectrique d'une épaisseur égale à une petite fraction d'un quart de longueur d'onde. Les deux conducteurs peuvent être de même largeur ou bien l'un peut être plus large que l'autre. La substance diélectrique qui sépare les deux conducteurs peut être pratiquement de la même largeur que le plus étroit des deux conducteurs.
L'un des objets de la présente invention est de prévoir une ligne à conducteurs parallèles du type décrit ci-dessus dans laquelle le rapport optimum conducteur-diélectrique est déterminé de manière à assurer une propagation des ondes dans un mode essentiellement TEM.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir des lignes du type à conducteurs parallèles séparés par une substance diélectrique, présentant des formes variées de dispositions du conducteur et du diéLec- trique, dans lesquelles la relation entre le diélectrique et les conducteurs est propre ' minimiser l'excitation de modes de transmission indésirables d'une onde se propageant sur la ligne selon un mode TEM.
L'une dps caractéristiques de la présente invention réside dans la disposition du diélectrique entre deux conducteurs en forme de ruban grâce à laquelle les conducteurs sont maintenus à l'écart l'un de l'autre,
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et pratiquement parallèles, l'écartement entre eux étant égal à une petite fraction d'un quart de longueur d'onde de la ligne, et la largeur du diélectrique par rapport au conducteur de ligne, c'est-à-dire le plus étroit des deux conducteurs, étant maintenue de façon propre à min3miser l'excitation de modes de propagation à travers le diélectrique ou à sa surface.
On a trouvé qu'il est préférable de limiter pratiquement le diélectrique à la largeur du conducteur de ligne ou de le prolonger au delà de celui-ci sur une distance pratiquement égale à un nombre intégral de demi-longueurs d'onde. Ce prolongement latéral de la bande diélectrique peut cependant être limité à un nombre impair de quarts de longueurs d'onde lorsque les bords latéraux de la substance diélectrique sont recouverts d'une substance conductrice. Si l'on utilise une substance magnétique -pour le revêtement des bords latéraux du diélectrique, il est alors préférable de prolonger le di- électrique d'un nombre intégral de demi-longueurs d'onde au delà des bords latéraux du conducteur de ligne.
En respectant ce rapport, on obtient une ligne sur laquelle l'énergie d'ondes ultra-courtes peut se propager suivant le mode TEM avec un minimum de perte d'insertion. La référence à la "longueur d'onde" sera expliquée plus en détail au cours de la description.
Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement et l'invention elle-même sera mieux comprise si l'on se réfère à la description suivante d'exemples de réalisations, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels :
La Fig. 1 montre une vue en perspective d'une forme de ligne de transmission conçue selon les principes de la présente invention.
La Fig. 2 montre une vue en coupe transversale longitudinale d'une jonction coaxiale destinée à émettre une onde ultra-courte pour la propager sur la ligne.
La Fig. 3 est un graphique des pertes et de la longueur d'onde de la ligne montrée à la Fig. 1 lorsqu'on modifie la largeur de la bande diélectrique ; et
Les Figs. 4 à 13 montrent des vues transversales d'un nombre de lignes de transmission conçues selon les principes de la présente invention.
Les Figs. 1 et 2 montrent une ligne pour la transmission des ondes ultra-courtes du type à circuit imprimé comprenant un premier conducteur ou conducteur de ligne 1 et un second conducteur ou conducteur de terre 2, séparés par une couche 3 de substance diélectrique. La substance conductrice peut être appliquée ou formée sur une couche de substance diélectrique, par exemple du polystyrène, du polyéthylène, du "Teflon", de la fibre de verre, de quartz ou toute autre substance appropriée de haute qualité diélectrique, sous la forme de bande d'encre ou de peinture conductrice, ou bien la substance conductrice peut être déposée chimiquement, pulvérisée à travers un pochoir, ou saupoudrée'sur des surfaces préparées et choisies du diélectrique, ou par toute autre technique connue des circuits imprimés.
L'écartement entre les deux conducteurs est choisi de préférence de manière à être égal à une petite fraction, de l'ordre d'environ 1/10 à 1/5, d'un quart de longueur d'onde de l'onde ultra-courte qui s'y propage.
On sait qu'une ligne de transmission constituée par deux conducteurs parallèles dont le plan s'étend à l'infini, peut propager un mode TEM s'il est convenablement excité. D'autre part si l'un des conducteurs est omis, la propagation d'une onde du type TM parallèle à la surface diélectrique peut être obtenue. Lorsqu'une ligne à double conducteur pour la transmission des ondes ultra-courtes est imprimée sur une couche diélectrique on a trouvé, par expérimentation, qu'un mode dominant présentant les caractéristiques d'un mode TEM peut être obtenu le long de la portion centrale de la ligne et que les autres modes présents paraissent avoir les caractéristiques d'une onde de surface se propageant le long du diélectrique et dans l'espace diélectrique compris entre les conducteurs.
Les expérien-
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ces ont montré qu'il existe un certain couplage entre le mode TEM et l'onde de surface sur ce type de ligne. La demanderesse à découvert que ce coupla- ge peut être grandement minimise en proportionnant convenablement la largeur de la bande diélectrique par rapport à la largeur du conducteur de ligne 1.
Si la ligne est conçue de manière à présenter une relation convenable entre le conducteur et le diélectrique les pertes par insertion peuvent être main- tenues à un minimum car il est évident que les modes de surface établis à travers le diélectrique ou à sa surface produisent des pertes exceptionnel- lement élevées. Si l'on peut empêcher le transfert de l'énergie de la ré- gion 1 à la région II de la Fig. 1, les pertes peuvent être maintenues à m niveau très bas. Mathématiquement cela signifie que Hy = Hz = 0 sur les fa- ces du diélectrique.
Si l'on suppose qu'il en est ainsi et que l'énergie d'ondes ultra-courtes de la source 4, ou qu'une ligne coaxiale 5, couplée aux conducteurs 1, 2 ainsi que le montre la Fig. 2, est appliquée aux con- ducteurs 1 et 2 pour s'y propager, les modes qui existent dans les régions 1 peuvent être représentés comme suit : (a)un mode TEM avec Eet Hx (b)Zles modes variant en fonction de Z. Ils sont au-dessous de la coupure si Zo 1/2# étant la longueur d'onde de l'espace libre dans le diélectrique.
(c) Les modes qui varient seulement en fonction de x.
Ces modes sont : Modes TE.
H sin n # x e -y
Hx¯ cos n # x e- ./il (1) x1
Ez= cos n #x e- Úy x1
Lorsque n = 1, 2, 3 etc. e est la base logarithmique, et Úy est la constante de propagation dans la direction y. Un tel mode ne peut exiter puisqu'il se trouve au-dessous du point de coupure pour une per tite valeur de x1 Cependant, si x1 est suffisamment grand ce mode se pro- page et excite des champs dans la région II.
Modes TM. Ces modes ne peuvent pas exister puisque Ey doit disparaltre pour Z = 0 et Z = Z . o AJnsJ les seuls modes sont les modes TEM et éventuellement un mode TE.
Examinons maintenant quels sont les modes possibles dans la région II.
En raison du manque d'adaptation important entre le diélectri- que et l'air, on peut supposer que le composant du champ magnétique parallè- le à l'Interface entre le diélectrique et l'air disparalt. Ainsi les condi- tions limitatives dans la région II sont : pour y = 0 y =yo Hx =Hz = 0
Z = 0 Z =zo Hx = Hz = 0 (2) x = x H = H = 0 o z y
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et l'on désire obtenir les conditions qui pour x = 0, H y = Hz = 0.
Considérons en premier lieu les modes qui se propagent le long de l'axe y. Ces modes qui varient axée Z sont éliminés automatiquement puisqu'ils ne se propagent pas pour o #1/2.
#e
Les modes qui varient seulement avec x sont : Mode TE.
Hy¯ sin #x e-Úy (3) x o
Ce mode ne peut pas exister puisque Hy doit disparaître pour Z = 0 Z = Z o Mode TM.
EMI4.1
E /U/ cos n "x - Jß7 y ###### e x Ex¯sin n#x e -Úy (4) x Hz¯sin n #x e -Úy x
Ce mode, bien qu'il soit un mode de prppagation, n'est pas excité du fait qu'il ne peut se coupler au mode TEM dans la région I qui possède seulement un Ez
Les modes qui se propagent le long de l'axe x dans la région II sont les suivants : comme précédemment ces modes qui varient en fonction de Z ne se propagent pas. Les autres modes sont : Modes TE.
EMI4.2
H -...... sin n PC y - fi' Yo Hy cos n IZ y (5 ) Hy"'-' cos yo Ezw cos n ilc v - /#' yo
Ce mode ne se propage pas puisque Hy doit disparaître pour Z = Zo Z = Z1 Modes TM.
Ex¯ cos $n#y e -Úx
EMI4.3
Yo Ey sin n te y P (6) yo
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Hz = sin n#y/yo e -Úx
Ce sont les seuls modes qui se propagent dans la région II.
La longueur d'onde A du guide (dans le diélectrique) de ces modes est donnée par
EMI5.1
;\ g = i1 1 - z2 e 2 Yo Maintenant H = 0 pour x =x0 De ce fait Hz = 0 lorsque x = 0 si x =m#g o 2 m=0,1,2 (8)
Ainsi la condition suivant laquelle aucune énergie ne doit passer de la région I à la région II est remplie en choisissant convenable- ment la largeur du diélectrique de manière à ce qu'il se prolonge au-delà du conducteur 1. Si on prend n=1 et #e 4 yo ce prolongement la- téral est donné par x = m # e (9)
2 Cette théorie devient plus exacte à mesure que la constante diélectrique de la substance diélectrique augmente.
Si toute la face inférieure de la substance diélectrique comporte un revêtement métallique ainsi que le montre la Fig. 8, le mode de propagation le long de l'axe x de la région II est une onde de surface. Dans ces cas xo doit âtre un nombre intégral de demi-lon- gueurs d'onde (#s) de l'onde de surface si les extrémités ne comportent aucun revêtement.
Si l'on se réfère plus particulièrement à la Fig. 3, la cour- be 9 montrée représente les pertes dans la ligne de la Fig. 1 comme étant fonction du rapport entre la largeur du diélectrique et la longueur d'onde de la ligne. On observera que les pertes sont plus faibles dans la région où x = 0 ou un nombre intégral de demi-longueurs d'onde de guide. Lorsqu'une plaque est ajoutée à la ligne, transversalement au conducteur 1 de manière à favoriser l'excitation de modes multiples à travers le diélectrique ou à la surface de celui-ci, les pertes suivant pratiquement la courbe 10 qui dé- passe les pertes de la courbe 9 jusqu'à ce que la valeur de la demi-longueur d'onde pour xo soit dépassée, les pertes décroissant ensuite rapidement.
Cette courbe 10 est périodique comme il est indiqué en 11. Ce couplage du mode TEM de la ligne montrée à la Fig. 1 à d'autres modes, par exemple des modes TE et TM, est plus grand quand la valeur xo est égale à un quart de longueur d'onde de la ligne ou à un multiple impair de cette valeur. Ceci est également confirmé par la courbe 9 en l'absence de la plaque de couplage.
Les figs. 4 à 13 montrent diverses formes de lignes dans les- quelles on obtient un minimum de couplage de modes multiples et, par consé- quent, un minimum de pertes. Suivant la Fig. 4 les deux conducteurs 1 et 2
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sont séparés par un diélectrique 3 a dans lequel la valeur xo = 0. On a découvert que cette forme de ligne donne des pertes faibles comme indiqué par la courbe 9. On a remarqué que lorsque la bande diélectrique 3 a est plus étroite que le conducteur de ligne, les pertes de la ligne paraissent augmenter, ce qui indique un accroissement possible de la concentration du champ dans le diélectrique ou l'excitation de modes indésirables.
Suivant la Fig. 5, le diélectrique 3b a une valeur telle que xo =#e/2. Les pertes pour ce type de ligne sont illustrées par la première portion descendante de la courbe 9. La Fig. 6 montre une autre réalisation similaire à la forme montrée à la Fig. 4, dans laquelle le conducteur de base 2a est beaucoup plus large que le conducteur 1 ou que le diélectrique 3a. Cette extension du conducteur 2a diminue légèrement les pertes obtenues dans la forme montrée à la Fig. 4. La Fig. 7 montre une ligne dans laquelle le diélectrique 2b s'étend sur une distance telle que xo= #s/2 Le conducteur 2a est également de la même largeur. Cette forme de ligne présente des pertes inférieures à celles de la ligne montrée à la Fig. 4.
L'étendue du diélectrique 2b semble minimiser l'excitation de modes d'ondes diélectriques. On croit également qu'un diélectrique très large provoque une plus grande atténuation de ces modes dans cette forme. Les pertes obtenues dans cette forme de ligne sont illustrées par la courbe 12 de la Fig. 3.
Selon la Fig. 8, la bande diélectrique a environ la moitié de la dimension de celle illustrée à la Fig. 7, c'est-à-dire une valeur telle que x o = À s . En prolongeant le conducteur de base 2b autour des
4 bords latéraux du diélectrique 3c comme indiqué en 13, on peut obtenir une ligne ayant pratiquement la même caractéristique que celle de la forme montrée à la Fig. 7. Dans l'exemple de réalisation montré à la Fig. 9, on obtient une relation similaire même lorsque les conducteurs 1 et 2 sont semblables à ceux montrés aux Figs. 1, 4 et 5, à cette exception près que des couches supplémentaires de substance conductrice sont disposées sur les bords latéraux du diélectrique 3c.
On a également découvert que l'on peut obtenir un effet de ligne semblable lorsque le diélectrique est d'une dimension telle que la valeur xo =#e/2 si la substance magnétique est ap- pliquée sur les bords latéraux du diélectrique. Une telle ligne est montrée à la Fig. 10. Dans cet exemple de réalisation le diélectrique 3b comporte sur ses bords latéraux une couche de substance magnétique 15, ladite substance présentant de préférence une haute perméabilité magnétique, comme c'est le cas par exemple de la "Ferrite".
La double ligne montrée à la Fig. Il est semblable à celle montrée à la Fig. 5, à cette exception près que l'espace compris entre les conducteurs adjacents la et lb est pratiquement égal à # e . De même
2 dans cette forme, le diélectrique 16 se prolonge latéralement sur les bords libres des conducteurs de ligne, sur une distance correspondant à # e
2 Les conducteurs de base 2 peuvent être identiques aux conducteurs de ligne la et lb, ou si pn le désire, peuvent occuper toute la largeur du diélectrique 16. Par exemple, on voit sur la Fig. 12 que le conducteur 'de base 17 s'étend sur toute la largeur du diélectrique 18 et également le long des bords latéraux de celui-ci, comme indiqué en 19.
L'écartement entre les conducteurs de ligne la et lb correspond maintenant à s et l'écarte-
2 ment entre le bord extérieur du conducteur de ligne et les portions conductrices 19 correspond à #s.
4
La Fig. 13 montre une extension du câble à voies multiples de la Fig. 12. Deux de ces bandes à voies multiples sont- disposées dos à
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dos de manière à former un câble cylindrique. Le câble cylindrique comprend une bande 20 recouverte sur une face d'une couche de substance conductrice
21, de même qu'entre les bords de butée, comme indiqué en 22. Les conducteurs de lignes sont disposés sur l'autre face de la bande diélectrique 20, comme indiqué en 23 et 24. L'écartement entre la portion de conducteur 22 du con- ducteur de base et les conducteurs de ligne adjacente suivants correspond à #s .
L'écartement entre les conducteurs de ligne adjacents tels que
4
23 et 24 correspond à #s. Cette portion du câble cylindrique peut com-
2 prendre un câble terminé dans lequel le revêtement 21 peut comporter un ru- ban de cuivre revêtu d'une couche diélectrique et de l'enrobage protecteur habituel. Il est cependant important qu'une coupure soit ménagée dans la bande diélectrique 20 de manière à produire soit un espace rempli d'air, soit un conducteur latéral cpmme il est indiqué en 22. Un tel espace rempli d'air ou cannelure ménagée dans la bande diélectrique produit le défaut d'adaptation d'impédance désiré entre le diélectrique et l'air, propre à minimiser les modes de transmission multiples et la possibilité d'un couplage entre les voies.
Un tel espace rempli d'air ou une telle séparation conductrice peuvent être ménagés dans la bande diélectrique entre les voies adjacentes si on le désire. Cette inclusion d'un espace rempli d'air ou d'une séparation produit une protection supplémentaire entre les voies adjacentes. En conséquence, la bande 20 est montrée comme comportant de telles séparations en 22a, 22b et 22c.
Dans l'exemple de réalisation illustré à la Fig. 13, on voit également que le câble comporte une seconde couche de diélectrique 25 présentant une séparation 26. Le même ruban de cuivre ou autre revêtement conducteur 21 peut tenir lieu de conducteur de base pour les deux sections.
Sur la surface extérieure de la bande diélectrique 25 sont disposés plusieurs conducteurs de ligne indépendants, tels que ceux indiqués en 27 et 28. Ici, encore, l'écartement entre la séparation conductrice 26 et les conducteurs de ligne adjacents suivants, par exemple 27, est fonction de # s . L'écartement entre les conducteurs de ligne adjacents, par exem- ple4 27 et 28, est fonction de s . Si on le désire, un tel câble peut
2 de plus être recouvert d'un diélectrique et d'une enveloppe appropriée. Il est cependant préférable que les conducteurs de ligne soient pourvus d'un espace rempli d'air qu3 leur soit adjacent, de manière à assurer de faibles pertes.
Selon les expériences faites jusqu'à ce jour, la propagation des ondes semble présenter une concentration plus élevée le long des surfaces libres des conducteurs qu'à travers le diélectrique séparant les conducteurs de ligne et de base.
Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, on comprendra clairement que cette description est faite seulement à titre d'exemple et me limite pas la portée de l'invention.