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BELL TELEPHONE MANUFAOTURING COMPANY PERFECTIONNEMENTS AUX FILTRES D'ONDES ELECTRIQUES.
La présente invention se rapporte à des dispositifs de filtrage pour des appareils de transmission ou de génération d'ondes électriques à très haute fréquence et, en particulier, à des dispositifs évitant les fuites de la haute fréquence dans les conducteurs d'alimentation.
L'un des problèmes qui présentent de grandes difficultés dans la réalisation d'appareils qui doivent être utilisés à des longueurs d'onde de l'ordre du centimètre est d'obtenir un filtrage convenable pour les conducteurs d'alimentation.
Une méthode qui a donné de bons résultats consiste en l'emploi d'un dispositif ressemblant à un condensateur ayant des fils d'entrée et de sortie à des extrémités opposées de chaque lame. Le condensateur devient ainsi un réseau à quatre sommets, et prend la forme d'une ligne de transmission à faible impédance caractéristique. De cette facon, l'impédance résiduelle des con- @
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ducteurs, que l'on constate dans les types de condensateurs les plus usuels, contribua à l'effet désiré, au lieu d'être préjudiciable.
La présente invention concerne une méthode pour augmenter considérablement l'efficacité du dispositif décrit ci-dessus. Cette méthode s'applique bien à des ensembles fonctionnant à. des longueurs d'onde comprises entre un centimètre et un mètre.
Un filtre d'ondes électriques à très haute fréquence mettent en oeuvre des caractéristiques de l'invention comprend un conducteur affectant la forme d'une lame métallique fine et allongée divisée en parties alternativement minces et larges, disposé très près d'une autre lame conductrice, mais isolé électriquement de cette lame.
Selon un autre aspect, l'invention comprend un filtre d'ondes électriques pour très hautes fréquences comportant une série de lignes de transmission reliées bout à bout, et ayant alternativement une forte et une faible impédance image, chacune de ces lignes comprenant deux lames conductrices plates et parallèles placées très près l'une de l'autre; mais isolées électriquement entre elles.
On comprendra mieux l'invention en se reportant à la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation, faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels: les figures IA. IB. IC. dont des exemples de conducteurs de ligne de transmission mettent en oeuvre des caractéristiques de l'invention - la figure 2 est un circuit de filtre classique qui ne sera pas autrement décrit - la figure 3 représente un élément de la figure IA définissant une section élémentaire de filtre - la figure 4 est un schéma équivalent de la section élémentaire de la figure 3.
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Une disposition connue offre, en général, la ferme d'une mince bande de cuivre ou d'un autre métal, serrée entre deux plaques de cuivre mises à la terre, et isolée par une mince bande de mica ou d'un autre diélectrique. On augmente l'efficacité d' un tel filtre, selon des caractéristiques de la présente invention, en utilisant une bande métallique taillée, ou travaillée d'une autre manière, de façon à affecter une forme particulière telle que celle que montre la figure IA, au lieu de la bande rectangulaire plate utilisée antérieurement. On voit que cette bande est ainsi divisée en sections alternativement larges et étroites, correspondant à de courtes longueurs de ligne de transmission ayant respectivement des impédances caractéristiques faibles et élevées.
La théorie de la transmission montre que cette disposition a des propriétés analogues à celles des filtres d'onde, en présentant des bandes passantes et des bandes d'affaiblissement qui peuvent couvrir toute gamme de fréquence donnée suivant les dimensions données à la bande conductrice de la figure IA.
Cependant, on peut concevoir un grand nombre de formes différentes, dont deux exemples sont donnés sur les figures IB et IC, donnant sensiblement les mêmes résultats que la forme de la figure IA. La figure IC montre une forme intéressante car elle permet de réduire la longueur totale de la bande conductrice.
L'avantage principal d'une disposition mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention réside dans la simplicité de sa construction. On a décrit précédemment des filtres basés sur le même principe, du type à ligne coaxiale; dans ce cas, les variations d'impédance nécessaires sont données par des éléments métalliques cylindriques vissés sur le conducteur central.
En proportionnant de façon convenable les longueurs et les impédances des diverses sections de la bande, il est possible de produire des caractéristiques semblables à celles des fil-
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tres classiques passe-bandes ou éliminateurs de bandes multiples.
La figure 3 montre une partie d'une bande métallique semblable à celle de la figure IA, comprenant deux sections larges réunies par une section étroite. Si l'on suppose que les sections larges sont coupées en leur milieu par les lignes en traite interrompus XX et YY, on peut considérer la bande comme formée d'un certain nombre de sections élémentaires telles que celle qui est comprise entre les lignes XX et YY, et mises bout à bout. Toutes ces sections sont égales et symétriques.
On peut transformer la bande en filtre en la dispo- sant parallèlement à une bande métallique plate, ou à une autre bande affectant la même forme, dont elle est séparée par un isolement approprié. On peut alors considérer ce filtre comme constitué par un certain nombre de lignes de transmission mises bout à bout et ayant alternativement une forte et une faible impédane, et qu'on peut diviser en une série de sections symétriques dont chacune correspond à la section comprise entre les lignes XX et YY de la figure 3.
La figure 4 est un schéma du réseau électrique équivalent au filtre qui correspond à cette section. Il comprend deux réseaux symétriques A et 0, correspondant chacun à la moitié d'une partie large, et un troisième réseau symétrique B placé entre eux et correspondant à une partie mince tout entière de l'élément métallique. A et C ont une impédance image ZIet une constante de transmission image Ú1/2 et B a une impédance image Z2 et une constante de transmission image Ú2. L'impédance image de la combinaison qui représente la section élémentaire est Z et la constante de transmission image est .
Si l'on suppose que les lignes de transmission n'introduisent pas elles-mêmes de perte de transmission, ou en d'autres termes que Ú1 et Ú2 n'ont pas de composante réelle,, on peut montrer facilement que cos #=
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EMI5.1
cos 91. cos g2 - 2 (Z 1/2 ' Z2/ZI). sin 81. sin G 2* (1)
On obtient les bandes de fréquences passantes pour les valeurs de Ú1 ou de Ú2 pour lesquelles cos # est compris entre +1 et -1. Dans les bandes supprimées, la constante d'af- faiblissement est donnée par cos2ss=
EMI5.2
cos Gla 92 - l (Zl/Z2 + Z2/Zl). sin 910 sin A2 2 (2)
Si l'on suppose que la longueur électrique de la section élémentaire YY.
XX est fixe, ou qu'en d'autres termes Ú1 + Ú2 = 2 Ú
EMI5.3
3 = cos 1 1 + (ZI/Z2 + Z2/Z1) sin2 e - 1 (3)
On peut montrer que /3 est maximum lorsque Ú- Ú1 = n. /2. La valeur de n la plus utile est zéro, de sorte que Ú = Ú1 = Ú2, et dans ces conditions ss a sa valeur maxima lorsque e = (2n + I) Ó/2 et cette valeur est donnée par
EMI5.4
3 max = cos -i . -2 1 (Zl/Z2 + Z2/Z1) (4)
Cependant, il est plus utile pratiquement de déterminer l'affaiblissement maximum par unité de longueur physique de la bande que par section unitaire. L'affaiblissement par unité de longueur est donné par
EMI5.5
A cos -1 [il + (Zi/Z2 + Z2/zl)j sin 2G - li (5) Ú=Ú
On peut déterminer graphiquement la valeur maxima de //le pour diverses valeurs de Z2/Z1.
Par exemple si Z2/Zl = 10, ce qui est une valeur pratique convenable, il s'ensuit que ss/Ú=cos -1 (6,05 sin 2 Ú-1)/Ú qui est maximum lorsque Ú = 55 environ.
Dans ce cas, l'affaiblissement par section, qui est donné par cos -1 (6,05 sin2 Ú- 1) sera d'environ 15,7 db. Si @ est la longueur d'onde et x la longueur physique de la section élémentaire de la figure 3,
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x/@ = 2 Ú/2 @ = Ú/@ ( 7)
Donc, si 8= 55 et @ = 10 cm., x = 3,05 cm. et un filtre à dix sections élémentaires aura un affaiblissement del57 db et ne sera long que d'une trentaine de centimètres.
On peut montrer que lorsque 9 =Ú1 =Ú2, l'impédance image Z de l'élément est donnée par
EMI6.1
2 (Z2/Z1 + I) cos 9 + Z2/Z1 - 1 l l) = (7'"+ 1) cos - Z2/Z1 + (8)
Si l'on prend Z2/Z1 =10, et 9 = 55 comme ci-des- sus, z/z 2,385 j.
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Lorsqu'on calcule un filtre qui doit répondre à des conditions données, une méthode préférée consiste à employer des sections ayant un affaiblissement maximum par unité de longueur physique et à choisir 9 = Ú1= Ú2. La valeur maxima de Z2/Z1 à employer raisonnablement sera déterminée par des considérations pratiques de construction du filtre et dépendra entre autres de la quantité de courant qui doit le traverser.
L'affaiblissement correspondant par section est déterminé en trouvant par l'équa- tion (5) pour la valeur donnée de Z2/Z1, la valeur de 8 qui cor- respond à un affaiblissement maximum par longueur de circuit,et en trouvant la valeur correspondante de 1% par section élémentaire grâce à l'équation (3). On peut plus facilement faire cette re- cherche graphiquement, en construisant une courbe donnant ss en fonction de Z2/Z1 à partir de ces deux équations. Cela donnera le nombre de sections nécessaires pour un affaiblissement total donné. La longueur physique x de,la section élémentaire dépend de la longueur d'onde maxima à affaiblir.
Si cette longueur est @ on peut obtenir la longueur x en substituant dans l'équation (7) la valeur de Ú précédemment trouvée. x/2 donne alors la lon- gueur des parties larges et étroites de la bande. Si on le désire, on peut établir un graphique donnant x directement en fonction de Z2/Zl pour les conditions d'affaiblissement de l'hypothèse.
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On peut montrer que, pour une certaine bande de longueurs d'onde inférieure à la longueur maxima choisie, l'affaiblissement est égal ou supérieur à celui qui correspond à la longueur d'onde maxima et que la largeur de cette bande augmente lorsqu'on fait croître Z2/Zl-
Dans les explications ci-dessus, on a supposé que le diélectrique utilisé pour la section XX, YY, est l'air. Si, comme c'est généralement le cas, les bandes sont isolées par une substance ayant une constante diélectrique K, la longueur x déterminée à partir de l'équation (7) sera divisée par @K; ainsi, la substance isolante présente un avantage, car elle diminue la longueur du filtre.
Il est évident qu'on peut constituer les parties élémentaires en coupant par le milieu les sections étroites au lieu des sections larges. La discussion ci-dessus n'en est pas affectée, sauf en ce qu'aux extrémités du filtre (si'l'on suppose qu' il se termine sur une demi-section) l'impédance image Z sera donnée par une équation comme (8) dans laquelle le premier membre sera remplacé par (Z/Z2)2.
Si l'on utilise une bande ayant la forme représentée sur la figure I@,le filtre sera plus court, comme on l'a déjà expliqué, et, si les distances entre les parties larges et étroites ne sont pas assez petites pour que la capacité entre elles devienne appréciable, on constatera que les formules données ci-dessus s'appliqueront avec une précision suffisante.
Comme variante, un perfectionnement à la construction d'un filtre incorporant des caractéristiques de l'invention consiste à déposer le métal directement sur l'un des cotés, ou sur les deux côtés, de la lame de diélectrique. Ainsi, on peut appliquer du cuivre directement sur du mica, par exemple, en répandant d'abord sur ce mica, à travers un gabarit, une solution de graphite colloidal telle que celle qui est connue sous le nom d'aquadag, pour for-
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mer un support conducteur. Une autre variante consiste à déposer de l'argent sur le mica d'une façon analogue à celle qui est utilisée pour la fabrication de condensateurs en céramique. Dans ce cas, on peut appliquer la pâte d'argent au moyen d'un timbre en caoutchouc .
On a réalisé, selon ce procédé, des filtres expérimentaux et on a constaté que la mince couche de métal ainsi formée est tout à fait capable de supporter un coura,nt continu de l' ordre d'un ampère. Un autre avantage est que le métal est en contact plus intime avec le diélectrique et augmente ainsi la capacité par unité de longueur, en donnant une impédance image d'entrée plus faible (caractéristique désirable lorsqu'on filtre des courants provenant de sources à haute impédance).
Le filtre peut être équilibré ou non par rapport à la terre. Dans le premier cas, il peut consister en deux bandes identiques ayant l'une quelconque des formes représentées sur les figures IA. IB. 10. (ou toute autre forme présentant des sections larges et étroites) disposées, de part et d'autre, sur une bande isolante. Dans le second cas, lorsque l'un des conducteurs est au potentiel de la terre, ce conducteur sera, de préférence, une simple bande rectangulaire de surface suffisante pour recouvrir la bande qui a l'une des formes décrites; il peut aussi bien être, par exemple, une partie d'un écran de l'appareil dans lequel on doit monter le filtre.
Dans ce cas, par exemple, on fixera à l' écran d'une bande mince d'une substance isolante sur une face de laquelle sera placé le conducteur de forme appropriée, en prévoyant aux extrémités de la bande des bornes d'entrée et de sortie convenables, en contact avec la couche métallique; on placera également, de préférence au-dessus du conducteur de forme appropriée disposé sur le diélectrique, une simple bande métallique mise à la terre et convenablement isolée, qui servira d'écran. On tiendra compte, bien entendu, de cette bande supplémentaire, car elle ré-
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duira environ de moitié l'impédance du filtre.
Il est clair-que les bandes peuvent être disposées d'un certain nombre d'autres manières sans sortir de l'esprit de l'invention.