Appareil pour mesurer des caractéristiques d'équipements ü haute fréquence L'invention est relative aux appareils pour me surer des caractéristiques d'équipements à haute fré quence.
On doit souvent mesurer, dans une certaine gamme de conditions de fonctionnement, certaines caractéristiques de charge, pour ondes électromagné tiques, telles que des caractéristiques d'impédance et des caractéristiques de coefficient de transmission. Un mode opératoire classique pour effectuer des mesures d'impédance en haute fréquence consiste à travailler point par point en utilisant la technique de la ligne fendue.
Pour mettre en oeuvre ce mode opé ratoire, on déplace une sonde le long de la ligne pour recueillir des, indications sur l'intensité du champ électromagnétique relative à hauteur de diffé- rents points répartis dans la section fendue, de ma nière à pouvoir ensuite calculer le taux d'ondes sta tionnaires et l'impédance sur la ligne.
Bien qu'une telle mesure de l'impédance point par point donne des résultats convenables dans de nombreux cas, c'est une opération longue et fastidieuse lorsqu'il est nécessaire de procéder à une étude poussée des ca ractéristiques d'un équipement. En outre, ce mode opératoire est onéreux en raison des longs calculs que nécessite le dépouillement des résultats obtenus.
Le but de l'invention est de réaliser un appareil perfectionné, permettant de mesurer des caractéristi ques d'équipements à haute fréquence, capable de fournir immédiatement une représentation, sous une forme commode, de données sur l'équipement.
Cet appareil peut fonctionner dans une bande de fréquence d'une largeur substantielle et permet de représenter des indications relatives aux caractéristi ques d'un équipement fonctionnant en haute fré quence. Il est capable de présenter de manière continue des indications précises sur des caractéristiques in connues, telles que .des caractéristiques de coefficient de transmission d'une charge pour ondes électro magnétiques, sous une forme présentable.
L'appareil a comme avantage d'être peu encom brant, tout en étant robuste et précis, utilisable con jointement avec un équipement classique pour me surer rapidement l'impédance d'entrée d'antennes, de lignes de transmission et d'équipements similaires fonctionnant .dans les domaines des hautes fréquen ces, des très hautes fréquences, des ultra-hautes fré quences et des ondes de très courte longueur ( micro-ondes Conformément à l'invention, le nouvel appareil est caractérisé en ce qu'il comprend:
a) des moyens fournissant deux plans de référence mutuellement perpendiculaires et s'intersectant en un point de réfé rence commun, ces moyens connectant un générateur d'onde électromagnétique et l'équipement à évaluer et comprenant des détecteurs d'onde électromagnéti que; b) des moyens pour établir la relation entre ledit point de référence commun et l'onde électro magnétique détectée; c) des moyens pour former de ladite onde électromagnétique détectée un premier et un deuxième signal caractérisés comme fonction desdits plans de référence;
d) des moyens sensibles auxdits premier et deuxième signaux pour établir un signal de sortie proportionnel à la composante de ladite onde électromagnétique détectée paf rapport à chacun desdits. plans de référence; et e) des moyens pour mesurer ledit signal de sortie.
Les dessins ci-annexés concernent différents mo des de réalisation préférés de l'invention et choisis à titre d'exemples non limitatifs, donnés surtout à titre d'indication.
La fig. 1 représente le schéma simplifié d'une première forme d'exécution de l'objet de l'invention, et d'éléments associés.
La fig. 2 représente le schéma d'une forme de l'objet de l'invention, destinée au tracé de courbes d'impédance, avec des éléments à constantes locali sées.
La fig. 3 représente le schéma d'un appareil, pour le tracé de courbes d'impédance, établi avec des éléments à constantes réparties.
La fig. 4 représente, schématiquement et en coupe longitudinale, un appareil, établi avec des éléments à constantes réparties, permettant de tra cer des courbes d'impédance.
La fig. 5 représente, vu de profil en bout, l'appa reil déjà représenté fig. 4.
La fig. 6 représente, semblablement à la fig. 1, une autre forme d'exécution de l'objet de l'inven tion, et particulièrement intéressante en vue de la mesure de coefficients de transmission.
Les fig. 7 et 8 représentent schématiquement deux variantes d'une portion des circuits de l'appa reil schématisé fig. 6, pour montrer le fonctionne ment d'un commutateur glissant utilisé en vue de la mesure de coefficients de transmission.
Les fig. 9 à 11 montrent des diagrammes en coordonnées polaires permettant de représenter des mesures d'impédance et des mesures de coefficients de transmission.
Ainsi que le montre le schéma (fig. 1), cette forme d'exécution de l'objet de l'invention comprend un générateur de balayage 10 auquel est associé un générateur marqueur 12, de conception classi que. L'on a obtenu des résultats satisfaisants en uti lisant un générateur de balayage Jerrold Modèle 900A ; on peut se servir de n'importe quel généra teur marqueur comportant un étalonnage précis de fréquence. II est prévu un coupleur capacitif 14 pour ajouter d'une manière classique le signal marqueur, engendré par le générateur marqueur 12, au signal du générateur de balayage 10.
Cet agencement appli que au réseau 16, traceur de courbe d'impédance, une tension haute fréquence constante à la fréquence désirée, ou située dans l'intervalle de fréquence dé siré. Le circuit de commande automatique de niveau, utilisé dans le mode de réalisation préféré, com porte un détecteur à cristal connecté à la sortie du générateur pour réinjecter un signal dans un circuit automatique de commande de niveau, de manière à régler la sortie du générateur pour appliquer une tension haute fréquence constante au traceur de courbe d'impédance 16. Le réseau haute fréquence 18 qu'il s'agit de mesurer est connecté au traceur de courbe d'impédance 16.
On connecte deux lignes de sortie 20 du traceur de courbe aux entrées de dé viation horizontale d'un oscilloscope à rayons catho diques 22, et l'on connecte deux lignes de sortie 24 aux entrées de déviation verticale de ce même oscil- loscope. L'oscilloscope utilisé est un oscilloscope Hewlett Packard Modèle 130B, ou un oscilloscope similaire suffisamment sensible, à courant continu, possédant des canaux différentiels. En avant de l'oscilloscope, on place une plaque transparente 26 sur laquelle est gravé un système de coordonnées polaires (normales ou dilatées) pour tracer une courbe d'impédance (diagramme de Smith).
On a représenté (fig. 2) le schéma de circuit d'une forme de réseau, pour le tracé d'une courbe d'impédance, comportant des éléments à constantes localisées. On a représenté le réseau haute fréquence 18 qu'il s'agit de mesurer sous la forme d'une ligne coaxiale dont le conducteur extérieur 30 est connecté à la borne 32 de terre (G) du réseau, tandis que le conducteur central 34 de la ligne est connecté à un point central (O) 36:. Une résistance 38 est connec tée entre le point central 36 et la borne 40 d'entrée (1) à laquelle on applique le signal à tension cons tante provenant du générateur de balayage 10.
La résistance 38 possède une valeur égale à l'impédance caractéristique de la ligne coaxiale, de sorte que cet agencement réalise, conjointement avec la tension d'entrée constante, un générateur adapté permet tant d'absorber les réflexions sur la ligne de sortie. Ceci est nécessaire, étant donné que toute nouvelle réflexion s'ajouterait vectoriellement à l'onde inci dente sortante et déterminerait, dans cette onde, des erreurs en amplitude et en phase. Les réflexions étant absorbées, l'onde incidente est en phase avec la ten sion à hauteur du point 40, et possède une ampli tude moitié.
Aux bornes de ce générateur sont connectés qua tre déphaseurs résistance-capacité qui sont tous les quatre placés entre le point 40 et la terre. Ces qua tre déphaseurs comportent respectivement : une ré sistance 42 et un condensateur 44 ; une résistance 46 et un condensateur 48 ; une résistance 50 et un condensateur 52 ; une résistance 54 et un conden sateur 56, et, respectivement, des points milieu A, B, C et D.
On a choisi les valeurs des éléments des déphaseurs au milieu de l'intervalle de fréquences des signaux qu'il s'agit d'examiner à l'aide du traceur de courbes conformément à l'équation suivante
EMI0002.0017
On résout l'équation par 0 = 45 et = 135 afin de choisir des éléments résistifs et capacitifs de va leurs convenables pour permettre de produire les relations vectorielles mutuelles que représente la fig. 9 où les tensions à hauteur des points A, B,
C et D des déphaseurs à résistance-capacité tombent sur le cercle en des points espacés de 90 , de sorte que deux tensions AB et CD mutuellement en et demeurent en quadrature dans un in tervalle substantiel de fréquences étant donné que les tensions vectorielles produites aux points milieu des déphaseurs tournent sensiblement à la même vi tesse et dans le même sens,
puisqu'elles sont fonc- tion de la fréquence. L'homme du métier compren dra aisément qu'il est possible d'utiliser, pour cons tituer ces déphaseurs, des éléments de diverses va leurs, ces valeurs étant fonction du domaine de fré quences dans lequel on désire utiliser le réseau per mettant de tracer les courbes. On a utilisé des ré seaux de ce type, comportant des éléments à cons tantes localisées, pour procéder à des mesures sur des courbes d'impédance dans des intervalles de 10 30 Mc, 30-100 Mc, et<B>1</B>00-300 Mc.
On connecte un détecteur quadratique, utilisant un cristal 60 et un condensateur 62, entre le point milieu de chaque déphaseur et le point O. Il va de soi que l'on peut tout aussi bien utiliser d'autres formes de détecteurs telles que des thermistors et des bolomètres, par exemple ; d'une manière générale, il convient de souligner encore que les modes de réa lisation décrits et représentés le sont à titre de simple indication, sans aucun caractère limitatif. Un tel cir cuit détecte la tension haute fréquence présente à hauteur de ce point et fournit une tension, de sortie continue proportionnelle au carré de la tension haute fréquence détectée.
On connecte une résistance 64 à chaque détecteur à cristal pour réaliser un isolement en haute fréquence, et l'on utilise un potentiomètre réglable 66 pour commander l'amplitude des ten sions continues que l'on applique aux lignes 20, 24 connectées aux entrées équilibrées de l'oscillos cope 22..
Le diagramme vectoriel de la fig. 10 illustre la relation mutuelle qui existe entre les vecteurs de tension dans le cas où il se produit une tension ré fléchie possédant une grandeur o et un angle de phase 0 par rapport à l'axe AD. On remarquera que le point détecté O s'est déplacé d'une distance Q à par tir du centre du diagramme vectoriel. On peut, pour indiquer la phase de la tension réfléchie, se référer aux deux systèmes d'axes AB et CD qui sont mutuel lement en quadrature.
La tension haute fréquence VA" = 1 + Q = 1 -I- o cos 0 + je sin 0 (2) et la tension VI;
n =<B>1-o</B> = 1 - e cos O - jo sin O (3) Lorsqu'.on applique ces tensions à un détecteur quadratique, puis à un circuit différentiel (que com portent la plupart des circuits de déviation des oscil loscopes sensibles travaillant en courant continu), l'on obtient une tension de déviation horizontale du faisceau d'électrons qui est proportionnelle à la dif férence des carrés de ces tensions:
V:\n2 - Vlnû = 4 C cos<B>0</B> (4) D'une manière analogue, la tension haute fré quence V,@, = 1 -4- je = 1 + Q sin 0 + je cos 0 (5) et la tension Vn,O = 1 sin<I>0</I><B>-je</B> cos<I>0 (6)</I> Ces tensions, élevées au carré et appliquées à des canaux différentiels des éléments de déviation verticale de l'oscilloscope à rayons cathodiques, fournissent un signal proportionnel à 0 sin 0.
La position du faisceau d'électrons de l'oscillo scope représente donc une courbe en coordonnées polaires (diagramme de Smith) du coefficient de ré flexion, et lorsqu'on place, devant l'écran du tube à rayons cathodiques, une plaque transparente sur laquelle sont gravées des coordonnées polaires con venables, on peut lire directement (si l'on règle l'am- plification de l'oscilloscope de manière à l'adapter à la tension .d'entrée fournie par le générateur de balayage 10) une mesure précise de l'impédance haute fréquence à hauteur du point soudé sur la ligne coaxiale. On peut utiliser l'appareil, servant à tracer des courbes, avec une échelle normale ou dilatée de coordonnées polaires.
Les fig. 3 à 5 représentent un agencement simi laire d'appareil, pour le tracé de courbes d'impé dance, utilisant des éléments à constantes réparties, se référant au schéma (fig. 3) cet agencement com prend essentiellement un pont que l'on alimente aussi à hauteur d'un point d'entrée 1 à l'aide d'une source 70 d'énergie haute fréquence à tension constante que l'on règle au moyen d'un circuit convenable de com mande automatique de niveau. A ce point d'entrée I sont connectées cinq lignes de transmission iden tiques 72, 74, 76, 78 et 80.
Chacune de ces lignes possède une résistance 82 égale à l'impédance ca ractéristique de la ligne connectée en série avec elle ; dans ces conditions, et lorsqu'on maintient cons tante la tension appliquée au point 1, les réflexions revenant vers le point I sur l'une quelconque des lignes sont absorbées, et les, tensions incidentes sur toutes les lignes sont égales et constantes. Bien que l'on ait figuré les lignes sous la forme de lignes co axiales, le système peut utiliser d'autres types de lignes de transmission tels que lignes plates, guides d'ondes, etc. La ligne 72 est la ligne principale, et l'élément 84 qu'il s'agit de mesurer est connecté à cette ligne au point O.
Les quatre autres lignes de transmission en dérivation sont disposées dans une étroite proximité avec cette ligne principale au point O, et l'on dispose des détecteurs entre la ligne prin cipale, en ce point, et quatre lignes supplémentaires 86, 88, 90, 92.
Deux de ces lignes supplémentaires (les lignes 86 et 88) aboutissent à des réactances constituées respectivement par une ligne de transmis sion court-circuitée et par une ligne de transmission en circuit ouvert qui sont des multiples impairs de quart d'onde pour la fréquence médiane de l'inter valle prévu pour le circuit considéré ; il est ainsi éta bli un premier plan de référence avec deux tensions mutuellement déphasées de 180".
Les deux autres lignes 90, 92 se terminent elles aussi dans des sec tions de lignes de transmission qui sont respective ment en circuit ouvert et court-circuitée et qui sont, en outre, plus courtes (d'un huitième d'onde) que la réactance associée aux lignes 86, 88 pour la fré quence médiane de l'intervalle prévu; il est ainsi établi un deuxième plan de référence qui se trouve en quadrature par rapport au premier plan de réfé rence. On règle les impédances caractéristiques de ces lignes en circuit ouvert et court-circuitées de ma nière à obtenir le meilleur guidage possible des ré flexions de tensions avec la fréquence.
Les plans de référence ainsi établis tournent en suivant les varia tions de fréquence du signal et tendent à rester mutuellement sensiblement en quadrature. Il en ré sulte l'établissement, dans le temps, d'un diagramme vectoriel des tensions qui est exactement identique à celui obtenu avec le pont constitué avec des élé ments à constantes localisées.
Les fig. 4 et 5 représentent le schéma d'un agen cement typique d'un tel appareil, constitué par des éléments à constantes réparties, servant à tracer des courbes d'impédance ; la puissance de sortie d'un générateur de signal 70 est appliquée, par l'inter médiaire d'une borne 94 (type BNC), d'une résis tance série 96 et d'un cristal 98 de commande auto matique de niveau, à une borne d'entrée (1). A hau teur de ce point, la ligne principale 72. et les quatre lignes supplémentaires 74, 76, 78 et 80 sont connec tées par des résistances blindées 82 de 50 ohms per mettant d'obtenir les caractéristiques désirées du gé nérateur adapté.
En outre, l'on utilise une charge diélectrique 100 (en Téflon ou autre matériau approprié) pour rendre la longueur de phase de la ligne principale 72 égale à celle des lignes supplé mentaires. Les conducteurs intérieurs des lignes de référence 74, 76, 78 et 80 sont découpés en sec tions par des condensateurs série 102 qui possèdent une réactance négligeable en haute fréquence mais isolent les tensions continues constituant le signal, de telle manière qu'il est possible d'appliquer, de manières connues, ces tensions à l'oscilloscope ou à tout autre dispositif de représentation.
On place un détecteur à cristal 104 entre le point O (sur la ligne 72) et chacun des points correspon dants situés sur les lignes supplémentaires 74, 76, 78 et 80. Au-delà .du point de connexion aux détec teurs, ces lignes se terminent par des longueurs de ligne de transmission qui sont soit en circuit ouvert, soit en court-circuit. Ainsi, une ligne 86 d'une lon gueur quart-d'onde (pour la fréquence médiane) en circuit ouvert est, à une de ses extrémités, connec tée à la ligne 74 tandis qu'elle est, à son autre extré mité, connectée à une borne 108 par une résistance série 106. Cette résistance série est une faible impé dance dont le rôle est d'empêcher les lignes condui sant à l'oscilloscope d'entrer en résonance.
D'une manière similaire, une section 88 quart-d'onde court- circuitée est connectée, par un condensateur de dé rivation 110 et une résistance série 112,à une borne 114. On applique, aux plaques de déviation verticale de l'oscilloscope, les signaux provenant des bornes 108 et 114. D'une manière analogue, on connecte aux plaques de déviation horizontale de l'oscilloscope des sections en huitième d'onde 90, 92 respective ment par des bornes 116 et 118 (fig. 5).
L'impé dance caractéristique (Zo) de chaque section huitième d'onde est approximativement de 50 ohms, alors que l'impédance caractéristique de la section quart d'onde en circuit ouvert est d'environ 35 ohms et que celle de la section en court-circuit est d'environ 100 ohms. On a établi des réseaux pour appareils traceurs de courbes, en utilisant des éléments à constantes ré parties, utilisables dans les bandes de 300-1000 Mc et de 1000-3000 Mc.
La fig. 6 représente schématiquement une forme d'exécution de l'objet de l'invention, permettant de mesurer des coefficients de transmission. Le réseau fondamental constitue un pont connecté à une charge adaptée et sert à établir un point de référence pour l'onde de tension incidente. On connecte alors le réseau à essayer au circuit du pont et l'on compare, avec la référence établie, l'amplitude et la phase de l'onde incidente résultante. Le lieu de la valeur vec torielle qui représente le coefficient de transmission apparaît directement sur l'écran de l'oscilloscope, sur l'avant duquel l'on peut établir une plaque transpa rente sur laquelle est gravé un système de coordon nées polaires convenablement dilatées.
L'ensemble est extrêmement sensible à de petits déphasages, étant donné qu'il est possible de voir directement le dépha sage, lequel ne se trouve pas masqué par une perte par insertion comme c'est le cas pour d'autres cir cuits tels que le circuit de comparaison classique dit circuit hybride double que l'on utilise couram ment à de telles fins. En outre, l'instrument en ques tion permet de mesurer des pertes par insertion d'un ordre de grandeur de moins de 0,01 db.
Comme le montre la fig. 6, le circuit comprend un générateur de signal convenable 10' (avec com mande automatique de niveau), un pont 16' de co efficient de transmission possédant une résistance de charge adaptée 120 connectée entre un point O et la terre et qui applique des puissances de sortie (référées à des plans en quadrature) à des lignes 20' et 2.4' aboutissant aux circuits de déviation des plaques X et Y de l'oscilloscope 22'. Ces éléments sont sensi blement analogues aux éléments de mesure de l'im pédance précédemment décrits.
Ici encore un dé- phaseur 122 est associé à l'instrument, ainsi qu'un réseau 18' dont il s'agit de mesurer les caractéristi ques de coefficient de transmission. On a modifié le réseau en pont pour lui faire comporter un agence ment de commutation dénommé commutateur cou lissant qui comprend deux éléments 124 et 126 et permet de connecter sélectivement le point O à la résistance de charge d'adaptation 120, ou de con necter la résistance 38' à la ligne de sortie E et à la résistance de charge 12.0 à l'entrée F provenant du déphaseur 122.
Les deux positions du commutateur coulissant utilisé dans ce circuit en pont modifié sont représentées respectivement par les fig. 7 et 8. La fig. 11 montre un diagramme permettant de mesu rer le coefficient de transmission qu'il est possible de faire apparaître sur l'écran du tube à rayons ca thodiques de l'oscilloscope 22'.
Pour faire fonctionner cet appareil, on commence par placer le commutateur coulissant dans la posi tion que représente la fig. 7 et par amener le spot résultant, représentatif de l'amplitude et de la phase de l'onde incidente fournie par le générateur 12', au centre de l'écran de l'oscilloscope pour fournir un point de référence; pour cela, on règle les potentio mètres (commandant le gain en courant continu) associés aux circuits de détection. On déplace en suite les éléments 124, 126 du commutateur coulis sant jusqu'en la position représentée fig. 8 pour con necter le déphaseur 122 au circuit en pont.
Ce dé- phaseur est du type à ligne de transmission, et on le règle jusqu'à ce que le spot se trouve à nouveau au centre de l'écran, c'est-à-dire jusqu'à ce que l'on ait réalisé la compensation de phase pour les câbles qui doivent servir à connecter le réseau 18' au pont 16' pour permettre de procéder aux mesures de coeffi cient de transmission. On centre le spot à l'inter section des axes 128 et 130 (fig. I1), et un réglage du déphaseur le déplace le long de l'arc 132. En suite, on insère le réseau 18' (dont on désire déter miner le coefficient de transmission) dans le circuit et l'on règle à nouveau le déphaseur jusqu'à ce que l'on ramène le spot sur l'écran.
Le lieu des points du vecteur qui représente le coefficient de transmis sion apparaît alors sous la forme d'une ligne 134 (fig. 11) ; si l'on règle le déphaseur ou si l'on fait varier convenablement la fréquence d'entrée, le spot tracera le lieu de l'extrémité de ce vecteur.
Par con séquent, l'intervalle entre l'arc 132 et l'arc 134 re présente la grandeur de la perte par insertion et le degré de la compensation de phase qu'il faut appli quer pour recentrer le spot après l'insertion du ré seau 18' fournit une indication du déphasage intro duit par ce réseau 18'. .Autrement dit, l'arc<B>132</B> apparu sur l'écran est le lieu .du vecteur d'onde inci dente VI dont l'origine se trouve vers la droite de la fig. 11 sur l'axe 128 et l'arc 134 apparu sur l'écran est le lieu de la valeur vectorielle Vi - KVI oîI K est la perte par insertion.
Cet instrument per met de procéder à -des mesures de coefficient de transmission .dans le même intervalle de fréquences que celui indiqué précédemment à propos de l'appa reil servant à tracer des courbes d'impédance.
On remarquera donc que l'invention permet de réaliser un. appareil que l'on peut qualifier d'univer sel et qui permet de représenter immédiatement et avec précision les valeurs de caractéristiques de char ges pour des ondes électromagnétiques. Cet appareil est peu encombrant tout en étant robuste et il per met de déterminer des caractéristiques (telles que des coefficients d'impédance et de transmission) dans un large intervalle de fréquences, de sorte qu'il de vient facile de déceler et de mesurer des variations des caractéristiques du réseau dans la gamme de fré quences en question.
Bien que l'on ait décrit et re présenté des formes d'exécution préférées de l'inven tion, l'homme du métier pourra facilement imaginer d'autres variantes sans s'écarter pour autant de l'es prit ni de la portée de l'invention. Ainsi, par exem ple, l'on peut procéder à .des mesures d'impédance en ayant recours à deux déphaseurs agencés en forme de pont.
On peut détecter des tensions s'établissant entre le point O et les points milieu de deux dé phaseurs (qui définissent un premier plan de réfé rence) et entre le point O et les points I et G (qui définissent un deuxième plan de référence en quadra ture avec le premier plan) pour réaliser une repré sentation, et une mesure, de l'impédance d'une ma nière similaire, mais qui est notablement moins indé pendante de la variation de la fréquence.
Dans cer tains cas, il est possible d'utiliser, si on le désire, d'autres dispositifs de sortie que des oscilloscopes, dispositifs tels, par exemple, que des enregistreurs de courbes en coordonnées X-Y.