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FILTRES D'ONDES EIECTRIQUESO
La présente invention est relative à des filtres d'ondes élec- triques, et plus particulièrement à de tels filtres utilisant des sections de lignes de transmission du type coaxial comme élément dimpédance consti- tutifo
Un objet principal de la présente invention est de prévoir un filtre à quasi-bande latérale unique destiné à être utilisé dans des
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systèmes de somunication ou dans d'autres équipements analogues à hau- tes fréquences. En particuliersun filtre suivant la présente invention convient pour les besoins de la transmission de signaux de télévision.
Il est nécessaire dans la transmission de signaux de télé-
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visionj1 de façon à satisfaire aux exigences de spectre et de réduire la largeur de bande au récepteur, que !9émetteur utilise une bande latérale résiduelle ou quasi bande latérale unique. Il existe actuellement deux procédés en usage pour obtenir (cette caractéristique de bande latérale
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restante.
Les réseaux de couplage à raio=fréquence suivant létage à radio-fréquence modulés peuvent être établis pour atténuer la bande laté-
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ralle non désirée, ou un filtre peut être placé à la sortie de 1-'émetteur pour obtenir ce résultat désirée Dans ce dernier case auquel la présente invention supplique tout particulièrement9 la complexité de 9étab.ssent, du filtre est éliminée de tous les circuits contenant des tubes ou éléments de remplacement.
Ceci est un très grand avantage étant donné qu'il permet le réajustement de tous les circuits nécessités par le remplacement d'une tube, par exemple plus particulièrement sur la base du critérium de débit
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maximum ce qui simplifie le processus d9aecdo
Des filtres de la classe décrite sont connus comme étant d'établissement complexe à la fois au point de vue mécanique et au point
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de vue électrique, de dimensions encombranteso de poids élevée et nécessitant de plus des installations individuelles d9accord.
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Suivant, une caractéristique de la présente invention, il est prévu un filtre du type décrit établi de façon à présenter des caractéris- tiques de fonctionnement perfectionné et qui élimine dans de grandes li- mites les désavantages des filtres connus.
Les caractéristiques qui précédente ainsi que d'autres et la manière de les obtenir) apparaîtront clairement à la lecture de la des- cription suivante basée sur an exemple de réalisation de l'invention ex- posé en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels :
La figure 1 est une courbe de réponse en fréquence représen- tant la déviation théorique permise à partir du diagramme théoriques ainsi que la représentation d'une caractéristique de bande latérale restante;
La figure 2 est une représentation'schématique d'une section "m" du type passe-haut T dérivé, utilisé en relation avec l'exposé de l'invention;
La figure 3 est un diagramme schématique d'une demi-section dérivée de terminaison du type "m" d'un réseau d'adaptation d'impédance utilisé dans l'exposé de l'invention;
La figure 4 représente schématiquement un arrangement de filtre constitué au moyen des sections représentées dans les figures 2 et 3 ;
La figure 5 est une représentation schématique de la disposi- tion réelle d'un filtre de bande latérale restante suivant un exemple de réalisation de l'invention;
La figure 6 est une vue en élévation, partiellement en cou- pe, d'un exemple de réalisation de filtre mettant en oeuvre des caracté- ristiques de l'invention et représentant des détails de réalisation em- ployés;
et
La figure 7 est une vue détaillée d'une section d'un. bras série utilisé dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté dans la figure 60
En se référant à la figure 1 la courbe en trait continu "A" représente la courbe caractéristique idéale d-une bande latérale telle que spécifié par les règlements de la Fédéral Communication Commission (F.C.C) des Etats-Unis d'Amérique pour la transmission de télévision,, tandis que la courbe en pointillé "B" indique la déviation totale du système à par- tir de la courbe idéale.
Deux facteurs importants sont illustrés par ce diagramme, l'un est que le signal doit être'atténué d'au moins 20 db à des fréquences de plus de 1,25 mégapériode par seconde au-dessous de la fré- quence porteuse des signaux visuels,, et l'autre est que la réponse entre 0,75 et 4 mégapériodes par seconde (par rapport à l'onde porteuse des si- gnaux visuels) doit être essentiellement plate.
De façon à obtenir la caractéristique de coupure aigue requi- ses un réseau en échelle ou en treillis peut être plus facilement employé.
Cependant., les valeurs des réactances des bras des réseaux en treillis sont très critiques,ce qui rend extrêmement précis 1?accord nécessaire.
Ceci évidemment n'est pas une caractéristique désirable. En addition, étant donné que le réseau en treillis est essentiellement un circuit du type équilibré, et étant donné que l'emploi de lignes coaxiales dans un circuit équilibré introduit beaucoup de complexité,,on verra que le réseau du type à échelle présente la disposition la plus désirable pour ce type de filtre.
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Parmi les structures en échele disponibles pour cette appli= cation se trouvent les circuits à résistance constante et le circuit à réactance pure de type connu.
Le résau à résistance constante absorbe l'énergie de la ban- de rejetée dans une résistance, et l'énergie de la bande transmise est ap- pliquée à la chargée Etant donné que toute l'énergie incidente est ab- sorbée dans la structure de filtre, un réseau convenablement établi de ce type fournit une.résistance d'entrée constante pour le générateur à la fois pour la bande rejetée et pour la bande transmise. Cependant, un filtre à résistance constante est de façon inhérente plus compliqué que le réseau purement réactif parce quil est constitué, en fait, de deux filtres en série ou en parallèle, c.à.d. que l'un est utilisé pour l'énergie de la bande transmise et l'autre pour l'énergie de la bande d-arrêt.
D9autre parts le réseau bien connu du type à réactance pure réfléchit 1-'énergie dans la bande rejetée pour tout réseau quadripôle pu- rement réactif Cette énergie dans la bande d'arrêt peut être absorbée par le générateur. Si une courte longueur de ligne coaxiale est utilisée pour connecter le générateur et le filtre, les échos produits par 1?énergie re- jetée ne sont pas perceptibleset étant donné que la puissance rejetée est relativement faible,
elle est effectivement absorbée dans l'étage de sortie de l'émetteur sans causer une fatigue injustifiée de 19 émetteur
Des considérations qui-précèdent on peut voir que la struc- ture purement réactive convient de façon inhérente pour fournir le filtra- ge requis de la manière la plus économique et la plus efficace. Pour cet- te raison l'exemple de réalisation de l'invention qui sera considéré ici utilise un réseau du type à échelle de réactance pure employant une ou plu- sieurs sections dérivées du type "m" pour obtenir la caractéristique de coupure aiguë avec une faible atténuation dans la bande de passage.
De façon à comprende la structure physique du filtre, il est d'abord nécessaire de donner certaines considérations concernant le cir- cuit électrique équivalent à la disposition employée.
En se reportant à la figure 2 on verra une représentation schématique d'un filtre passe-haut du type "m" dérivé. Les valeurs des condensateurs et des inductances dans la disposition de la figure 2 sont données sous forme conventionnelle en fonction des valeurs prototype ou pour le cas dans lequel "m" 1 (réseau à "K" constant) "
C1K=4Ò f c 2 et
L2K 4Ò fc dans laquelle @@ est l'impédance caractéristique nominale du filtre et fc est la fréquence de coupure du filtre qui est égale à la fréquence porteu- se des signaux visuels moins approximativement la mégapériode par seconde.
La valeur de fc dépend évidemment et varie suivant la voie pour laquelle le filtre est réglé. Pour obtenir une fréquence de coupure aigue, une fréquence d'atténuation infinie est placée juste au-dessous de la fréquence de coupure, et la valeur de "m" pour cette section est alors déterminée par l'équation :
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dans laquelle foo est choisie égale à la fréquence porteuse moins appro= ximativement 15 mégapériode par seconde.
De cette équation on peut voir que pour des voies dans la bande supérieure (174 à 216 mégapériodes par seconde) la valeur de "m" est approximativement égale à 0,07, et pour la bande inférieure à 0,15
Connaissant la valeur de "m"m, de L2k et de G1K les conden= sateurs série et shunt nécessaires ainsi que linductance shunt peuvent être calculéso
Le facteur suivant à considérer est le choix des réseaux de terminaison de façon que les pertes dues à des défauts d'adaptation d'impédance soient minimisés.
Il existe deux points auxquels le défaut d'adaptation d'impédance peut se proudire en supposant que les valeurs théoriques du filtre dérivé en "m" puissent être obtenues dans la prati- que c.à.d qu'il n'y ait pas de défaut d'adaptation d'impédance entre des sections ou avec les réseaux de terminaison.
Un tel point se trouve entre la sortie du générateur et l'entrée du filtre, et 1-'autre point se trouve entre la sortie du filtre et le système dantenneo Le générateur de ligne et l'antenne représentent tous les deux une impédance résistive si bien que si le filtre représentait aussi cette valeur de résistance à ses bornes, une adaptation parfaite serait obtenue et aucune perte produi- teo Ce,
pendants le réseau dérivé "m" pour certaines valeurs de "m" possède une impédance caractéristique qui est loin d'être uniforme dans sa bande de passage.. et par suite une adaptation précaire serait réalisée pour une résistance de charge constante dans la bande passanteo
De façon à réduire le défaut déquilibrage entre le filtre et le générateur ou la charge, un réseau approximatif de terminaison doit être utilisée Ce réseau remplit la fonction de réduire la variation de 1'impédance caractéristique du filtre dans une bande de fréquence parti- culière. En faits ces réseaux sont des circuits d'équilibrage couplant le filtre avec la ligne du générateur à impédance constante et avec la charge.
Dans la figure 3 on a représenté le diagramme schématique d'une demi-section de terminaison T de type connu pour un filtre du type "m" dérivéo On peut montrer que pour une adaptation d'impédance parfaite le générateur et l'impédance de charge (w) à toute fréquence particulière devraient être égaux à @
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dans laquelle XK est égal à - (fc/f)2 A partir du diagramme représentant W en fonction de la fré= quence pour une voie de type classique de télévision TV,
on peut arriver à une valeur particulière de "m" qui fournit le meilleur réseau d'équi- librage d'ensemble Une fois que l'on a déterminé les réseaux de termi- naison optima il est nécessaire de déterminer le nombre de sections de filtre nécessaires pour donner la caractéristique de coupure désirée.
Il est connu que l'atténuation maximum pour la bande inférieure la plus basse doit se produire dans la voie du son voisine de la fréquence porteuse et qui se trouve au-dessous de la fréquence porteuse des signaux visuelso Il est aussi nécessaire d'atténuer toute l'énergie dans la bande de fréquence
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de 1,25 mégapériode par seconde, existant au-dessous de Inonde porteuse visuele par au moins 20 db, comme il a été précédemment indiqué en se ré- férant à la figure 1,
L'atténuation de deux semi-sections de terminaison et de la section dérivée "m" peut être calculée au moyen des expressions suivantes
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dans laquelle YK et Ó est égal évidemment à l'atténuation d'une section dérivée "m" complète.
Au moyen d'un graphique de l'atténuation en fonction de la fréquence pour 19arrangement composée on peut montrer que la disposition de filtre représentée dans la figure 4 contenant deux demi-sections de terminaison et deux sections de filtres donne une caractéristique très satisfaisante de bande latérale restante.
Les valeurs des inductances et des capactiances sont telles qu'elles ne peuvent être obtenues que seulement au moyen d'éléments de li- gnes de transmission, et en conséquence il est nécessaire de traduire ce filtre théorique en un arrangement mécanique pratique et efficace.
La disposition générale du filtre suivant la présente inven- tion, est représentée schématiquement dans la figure 5 dans laquelle des éléments semblables à ceux de la figure 4 sont désignés par les mêmes let- tres de référence.,
Les éléments utilisés dans les bras série sont les condensa- teurs C1, C2 et C3 dont la construction sera exposée plus loin dans la présente spécification.
Etant donné que ce bras série est constitué par une longueur finie de ligne de transmissions il existe une inductance en série avec la capacité (étant donné que ces lignes ont une résistance très faible, toutes les lignes étant supposées sans perte). Cependant, cette inductance peut être effectivement compensée pour une bande restreinte de fréquence en établissant les condensateurs de façon qu'ils aient une valeur telle que l'impédance du bras série soit effectivement égale à la valeur requise.
Le bras shunt doit être équivalent à un circuit série LC avec L=L2K/m et C=4m/2 clk La variation d'impdance avec la
L2K/m 1=m c1K' variation d'impédance avec fréquence de la ligne de transmission est considérablement différente de celle d'un circuit à éléments massés,mais en employant une ligneà double impédance pour les éléments shuntla caractéristique désirée d'impédance dans une bande limitée de fréquence peut être obtenue.
Une telle disposi- tion est représentée dans la figure 5 dans laquelle les bras shunt com- prennent chacun un premier segment ayan.t des impédances caractéristiques respectives de 01 et un second segment comportant une impédance carac- téristique respective de 02
Physiquement, ce résultat est obtenue en faisant glisser un
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manchon métallique sur le conducteur intérieur ce qui permet de changer le rapport du diamètre extérieur au diamètre intérieurs et par suite 1'im- pédance caractéristique pour un élément de lignée En choisissant convena- blement Zol et Z02 et la longueur de chacun des segments respectifs,
une caractéristique impédance/fréquence peut être obtenue qui s'approche sensi- blement de la caractéristique des éléments de filtre théorique dans la ban- de de fréquence désirée.
La construction détaillée d'un. exemple de réalisation de l'in- vention sera maintenant exposée en se référant aux figures 6 et 7 des des- sinso
Le filtre suivant le présent exemple de réalisation de 1'in vention comprend dune façon générale un ensemble de bras série 1 et qua- tre bras shunt désignés par la même référence 2 L'ensemble de bras série tel que représenté dans la figure 7, comprend un élément de tube cylindri- que extérieur 3 qui, pour la convenance de la fabrication, est constitué de deux segments identiques pourvus chacun de deux flancs A de réunion., lesquels sont fixés ensemble au moyen d'écrous 5
Le diamètre de la ligne de transmission intérieure,
utilisée dans le filtres doit être suffisamment grand pour dépasser le voltage d'amor- çage d'effet corona dans les condensateurs série qui sont constitués par un élément réentrant dans la ligne intérieureo Le diamètre extérieur doit être tel que l'impédance caractéristique de la ligne est égale à la valeur désirée.
Etant donné que des lignes coaxiales normalisées sont utilisées pour l'entrée et la sortie du filtre, et que les éléments de filtre eux- mêmes nécessitent des sections dimensionnées plus largement que ces éléments de ligne normalisés en raison des considérations ci-dessus, une ligne à impédance constante 6 de diamètre allant en diminuant le long de celle-ci est utilisée pour adapter le filtre physiquement avec ses connexions d'en- trée et de sortieo La ligne 6 est fixée à la partie terminale de Isolé- ment 3 au moyen de l'écrou 7 d'une façon analogue à celle utilisée pour réunir les demi-sections de l'élément 30
Chaque segment de tube identique constituant l'assemblage 3 est entaillé en deux pointspar exemple le long des lignes 8 pour rece- voir les projections 9 des fixations des bras
shunt cylindriques dont qua- tre sont prévus disposés à approximativement égale distance le long du tu- beo
Ces projections de fixation peuvent Être soudées ou autrement fixées de toute manière convenable au tube 3 Les projections de fixation sont pourvues de flancs de réunion 10 qui sont utilisées pour fixer le res- te du bras shunt 2 aux projections lors de l'assemblage finale ainsi qu'il sera décrit plus loin.
On verra aisément qu'au moyen d'un tel arrangement la fabrication du filtre est considérablement simplifiée en raison du fait que l'assemblage des bras série 1 peut être terminé sans danger d'abimer les bras shunt 2 pendant l'opérationo
Au voisinage de chacune des extrémités de Isolément de tube cylindrique 3 on a prévu une première bague métallique concentrique 11 qui est fixée au tube 3 au moyen d'écrous 12 espacés à des distances éga- les le long de la circonférence extérieure du tubeo Au voisinage de cet- te bagues et à une certaine distance de celle=ci.\) se trouve une seconde bague métallique 13 qui est fixée au tube 3 de la même manière que la bague 11 Cependant,,
la bague 13 est disposée en un point du tube 3 qui se trou- ve éloigné de façon à recevoir les projections de fixation 9 comme il a été exposé ci-dessus et par conséquent la bague est entaillée partiellement comme montré en 14 de façon à permettre la fixation de la projectiono En- tre les bagues métalliques on a prévu un élément d'espacement constitué par un disque isolant 15 qui se place autour de la circonférence du tube
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3 et est maintenu en place par les bagues 11 et 13 qui viennent buter con- tre la pièce d'espacement de part et d'autre de celle-ci.. La seconde piè- ce d'espacement pour chacune des extrémités du tube 3 qui a été désignée par la même référence 15,
est supportée par deux bagues métalliques du ty- pe 13 étant donné que la mise en place des pièces d'espacement est telle par rapport à la fixation des projections 9 du bras shunt que celles-ci doivent Être entaillées sur une partie de leur circonférence de façon à empêcher de gêner les projections:fixées.' Au point milieu des deux segments de tube 3 où les segments sont réunis par les flancs 4., une pièce d'es- pacement isolante 16 est prévue et maintenue en place au moyen d'un épau- lement 17 qui est fourni par une entaille des flancs de réunion 4 pour re- cevoir la pièce d'espacemento Le matage des flancs sur des segments de tube opposés est tel qu'il met en position avec précision la pièce d'espa- cement 16 lorsque les segments sont réunis.
Les pièces d'espacement 15 et 16 sont entaillées dans leur partie centrale pour supporter la dispo- sition de conducteur intérieur des bras série de la ligne coaxiale.
Le premier segment de ce conducteur intérieur,désigné par la référence 18 est un cylindre métallique, préférablement en cuivre, qui est ouvert à une extrémité pour recevoir l'élément d'espacement 15 L'extrémité opposée de ce segment se prolonge à travers l'élément d'es- pacement suivant 15 et est maintenue rigidement entre les pièces d'espa- cement. Le conducteur 18 porte un prolongement fileté 19 qui se prolon- ge vers l'extérieur le long de l'axe principal de 1'assemblage Ce pro- longement est adapté pour s'engager dans un conducteur cylindrique 20 qui est aminci dans sa partie centraleo Le conducteur 20 est fileté et vissé sur le prolongement 19 jusqu'à ce que les deux segments conducteurs soient mis en contact au point 21 se trouvant sur les circonférences des deux segments.
Dans la figure 7 une pluralité de petites flèches ont été superposées sur le conducteur intérieur pour indiquer la distribution probable de courant sur ce conducteur de façon à fournir un chemin com- plet pour le courant au point 21 les coins des surfaces en contact étant rendus très pointus comme indiqué sur le dessino
Le segment de conducteur 18, à son autre extrémité, bute contre une bague d'espacement isolante 22 qui est adaptée pour isoler ce segment du segment voisin 23. Ceci est prévu de façon à permettre que le couplage capacitif série requis soit obtenu.
La construction de cette partie du dispositif sera maintenant considérée en se référant à la coupe détaillée montrée dans la figure 7
Les éléments de la figure 7. qui ont déjà été décrits ci-des- sus portent les mêmes références que dans la description qui précède.
Comme représenté, le segment conducteur 18 est creux de façon à recevoir un prolongement 24 prévu sur le segment conducteur voisin 23 Ce prolon- gement est de façon analogue creux pour des questions d'étincelles Le matage du segment conducteur 18 et du prolongement 24 sur le segment 23 est tel qu'il permet l'insertion d'un élément diélectrique cylindrique d'accord 25 constitué par tout matériau convenabletel que celui connu sous la marque de fabrique "Teflon", lequel ne se carbonise pas et par suite ne sera pas endommagé par des voltages élevés temporaires.
L'élé- ment diélectrique d'accord 25 est fixé et inséré dans l'espace ménagé entre la circonférence intérieure du segment entaillé 18 et la circon- férence extérieure du prolongement 24 du segment 23, de telle manière qu'il puisse être déplacé axialement dans cet espace pour les besoins de l'accordo On peut voir aisément que le déplacement de Isolément 25 dans l'espace en- tre les segments 18 et 23 changera la constante diélectrique entre les segments et fournira le moyen d'accord du dispositif à capacité.
De façon à permettre un accès facile à ce dispositif d'accord
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lorsque les conducteurs intérieurs sont, assemblés dans le tube 3 un écrou 26 est placé dans l'élément d'accord 25 et se prolonge radialement à partir de cet élément jusqu'à la surface extérieure du segment 18 Le segment 18 est fendu sur les deux faces 27 pour correspondre sensiblement à la lon- gueur permise de mouvement de la pièce 25 Une fente reçoit la tête de l'écrou 26 engagée de façon à pouvoir glisser,
et la fente opposée porte un écrou 28 destiné à engager le boulon et par suite à fixer l'organe d'ac- cord dans toute position désiréeo Le tube extérieur 3 est pourvu de fen- tes de façon à donner accès à l'arrangement d'accord après montage comme montré dans la figure 60 Comme il a été précédemment exposée la bague d'espacement 22 avec la pièce d'espacement 15 permet d'éviter tout mou- vement radial du conducteur intérieur pendant que les pièces d'espacement d'extrémité 15 empêchent tout déplacement axial de l'ensemble.
De façon à empêcher toute accumulation de courant entre des bords opposés des segments conducteurs 18 et 23 qui forment les plaques de condensateurs sérier les coins sont arrondis pour enlever ces pointes qui provoqueraient des troubles possibles, ainsi que cela est représenté en 29 dans la figure 70
Le bras série du filtre possède trois condensateurs construits suivant ce même principe de condensateurs réentrants et pour faciliter leur identification, le dessin a été pourvu de références., de telle façon que des parties correspondantes de chaque condensateur portent les mêmes réfé- rences
Chacun des éléments conducteurs intérieurs 8, 23 30 et 31 (figure 7) du bras série sont pourvus à des points directement au-dessous du bras shunt,
de projections de fixation 9 et d'une projection cylindri- que 32 qui est amincie intérieurement comme cela est mieux visible dans la figure 60 Ces projections 32 sont prévues pour y fixer les premières longueurs du tube intérieur dans les bras shunt. Etant donné que quatre bras shunt sont sensiblement identiques en ce qui concerne leurs caracté- ristiques de construction, un seul bras sera considéré en détailo On doit comprendre cependant que l'impédance. et par suite les dimensions de ces bras, dépendent entièrement des valeurs particulières désirées et sont considérées ici comme identiques au point de vue de l'exposé de la structure.
En se référant à la figure 6 le bras shunt de gauche a été représenté en coupe le long de sa longueuro Le premier tube conducteur intérieur 33 est pourvu d'un prolongement fileté 34 qui est adapté pour être reçu dans la projection amincie 32 portée par le segment individuel 18 Celle-ci supporte le conducteur 33 qui se prolonge vers le haut à travers la projection de fixation 90 La seconde longueur de conducteur 35 est glissée sur le conducteur 33 et pour permettre 1'accorde est ren- due réglable sur celui-ci.
Fixé à la seconde longueur de conducteur 35 à son extrémité inférieure par tout moyen convenable.\) se trouve un organe de fixation ajustable qui est pourvu d'un écrou de réglage 37 Le conducteur 35 peut être déplacé axialement le long du premier conducteur 33 9 puis fi- xé dans toute position désiréeo
Pour des buts d'accord additionnels, le second conducteur 35 est pourvu d'un piston de court-circuit qui est réglable le long de sa longueur.
Le piston comprend un disque cylindrique 38 qui est adapté à engager les parois latérales du conducteur extérieur 39 La surface de contact du disque 38 est entaillée et retournée pour fournir de la facili- té dans le mouvement, ainsi que cela est'montré en 40 Le disque est fi- xé à un organe de fixation réglable 41 analogue à 190rgane de fixation 36, et est mobile le long du conducteur 35.
Deux tiges 42 sont montées sur le disque 38 et s'étendent vers le haut à 1?extérieur du tube conducteur 39, et sont fixées à une pièce 43 qui est libre de se déplacer le long du con-
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ducteur 35 Cette disposition a le double but que d'une part elle permet davoir accès aisément au piston de court-circuit et d'autre part elle supporte le piston dans le tube 390 De façon à donner' accès à la pièce de fixation et de réglage 41 la paroi latérale du tube conducteur 39 est .
pourvue de fentes comme par exemple en 44 En additions si cela est dési- rable la paro. latérale peut être pourvue de fentes 45et un organe de. fixation accessible de 1'extérieur oomme par exemple en 46, peut être uti- lisé pour régler'le piston de court-circuit
Comme il a été précédemment mentionnée de façon à simplifier 1?assemblage du filtre composée les tubes conducteurs extérieurs 39 peuvent être coupés suivant toute longueur désirée et assemblés en sections au' moyen de flancs de réunion 10.
Par exemple, le bras shunt en discussion peut être pourvu d9une telle connexion de section dans laquelle le flanc 47 porté par le segment de tube supérieur 39est adapté pour être connec- té au flanc 10 porté par la projection de fixation 9 au moyen d'écrous 480 La longueur de la section de ce conducteur extérieur dépend entièrement des longueurs qui conviennent pour réaliser un type de filtre particulier.
Etant donné que les bras shunt sont court-circuités à leur extrémité éloignée et constituent un circuit résonnant série il y a un point à courant élevé sur chacun des bras shunt au point où ceux-ci se réunissent avec leur segment série respectif, ou plus particulièrement aux points où les projections cylindriques 32 sont fixées aux segments 18 23 30 et 31 comme il a été indiqué par les flèches superposées en ces points. Ceci produirait ordinairement un effet très indésirable, étant donné que les bras shunt sont placés relativement près les uns des autres et qu'un couplage inductif considérable entre les bras shunt voisins se produirait.
Cet effet est contrecarré dans le filtre en plaçant de min=- ces feuilles de cuivre sur les pièces d'éspacement entre des bras shunt ad- jacents. En addition à la production de cet effet désirée les pièces d'es- pacement assurant la position concentrique de la ligne intérieureo
L'arrangement tel que représenté dans la figure 7 comprend de minces feuilles de cuivre 49 qui sont fixées aux pièces d9espacement 15 et 16 au moyen d'écrous 50,
Les feuilles de cuivre 49 sont mises à la terre pour le conducteur extérieur le long de toute leur périphérie et se prolongent pour se trouver à une très petite distance du conducteur intérieurce qui produit une mise sous écran effective des diverses par- ties du filtre les unes par rapport aux autreso
Dans la figure 1 on a montré à titre de comparaisons une courbe de réponse G de ce qui peut être obtenu avec une unité de filtre construite suivant des caractéristiques de la présente inventiono Comme montré dans cette courbe, la réponse est plate à deux décibels près de moins 0,75 méga-péricde par seconde à plus 4 mégapériode par seconde de fréquence porteuses tandis qu9une chute de plus de 20 db est obtenue en- tre -0,75 mégapériode par seconde et -1,
25 mégapériode par secondée L'at- ténuation du filtre dépasse 20 db pour toutes les fréquences plus basses que 1,25 mégapériodes par seconde au-dessous de la fréquence de Inonde porteuse de signaux visuels.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un exemple de réalisations il est clair qu'elle n9est pas limitée audit exemple et qu9elle est au contraire susceptible de nombreuses variantes et modifications sans sortie de son domaineo
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ELECTRICAL WAVE FILTERS
The present invention relates to electric wave filters, and more particularly to such filters using transmission line sections of the coaxial type as constitutive impedance element.
A primary object of the present invention is to provide a single sideband quasi-band filter for use in applications.
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communication systems or other similar high frequency equipment. In particular, a filter according to the present invention is suitable for the needs of the transmission of television signals.
It is necessary in the transmission of tele-
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vision so as to meet the spectrum requirements and reduce the bandwidth at the receiver, whether the transmitter uses a residual sideband or quasi-single sideband. There are currently two methods in use to achieve (this characteristic of sideband
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remaining.
The rio = frequency coupling networks following the modulated radio-frequency stage can be established to attenuate the sideband.
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rall unwanted, or a filter may be placed at the output of the transmitter to obtain this desired result In this last box to which the present invention particularly requires the complexity of 9 establishment, the filter is eliminated from all circuits containing tubes or replacement parts.
This is a very great advantage given that it allows the readjustment of all the circuits required by the replacement of a tube, for example more particularly on the basis of the flow criterion.
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maximum which simplifies the d9aecdo process
Filters of the class described are known to be complex to set up both from a mechanical point of view and from a point of view.
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of electrical sight, of bulky dimensionso of high weight and requiring moreover individual installations of agreement.
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According to a feature of the present invention, there is provided a filter of the type described established so as to have improved operating characteristics and which largely eliminates the disadvantages of known filters.
The foregoing characteristics as well as others and the manner of obtaining them) will become clear on reading the following description based on an exemplary embodiment of the invention set forth in relation to the accompanying drawings, in which :
Fig. 1 is a frequency response curve showing the theoretical deviation allowed from the theoretical diagram as well as the representation of a remaining sideband characteristic;
Figure 2 is a schematic representation of a section "m" of the high pass type T derived, used in connection with the disclosure of the invention;
FIG. 3 is a schematic diagram of a half-section derived from an "m" type termination of an impedance matching network used in the disclosure of the invention;
Figure 4 shows schematically a filter arrangement formed by means of the sections shown in Figures 2 and 3;
Figure 5 is a schematic representation of the actual arrangement of a remaining sideband filter according to an exemplary embodiment of the invention;
FIG. 6 is an elevational view, partially in section, of an exemplary embodiment of a filter embodying features of the invention and showing embodiment details employed;
and
Figure 7 is a detailed view of a section of a. serial arm used in the exemplary embodiment of the invention shown in figure 60
Referring to Figure 1 the solid line curve "A" represents the ideal characteristic curve of a sideband as specified by the Federal Communication Commission (FCC) regulations of the United States of America for the transmission of television, while the dotted curve "B" indicates the total deviation of the system from the ideal curve.
Two important factors are illustrated by this diagram, one is that the signal must be attenuated by at least 20 db at frequencies more than 1.25 megaperiods per second below the carrier frequency of the visual signals. ,, and the other is that the response between 0.75 and 4 mega-periods per second (relative to the carrier wave of visual signals) must be essentially flat.
In order to achieve the required sharp cutoff characteristic a ladder or lattice network can be more easily employed.
However, the values of the reactances of the arms of the trellis networks are very critical, making the tuning necessary extremely precise.
This is obviously not a desirable characteristic. In addition, since the trellis network is essentially a circuit of the balanced type, and since the use of coaxial lines in a balanced circuit introduces a lot of complexity, it will be seen that the ladder type network has the arrangement most desirable for this type of filter.
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Among the ladder structures available for this application are the constant resistance circuits and the pure reactance circuit of known type.
The constant resistance network absorbs the energy of the band rejected in a resistor, and the energy of the transmitted band is applied to the load Since all the incident energy is absorbed in the structure of filter, a properly established network of this type provides constant input resistance to the generator for both the rejected band and the transmitted band. However, a constant resistance filter is inherently more complicated than the purely reactive network because it is, in fact, made up of two filters in series or in parallel, i.e. that one is used for the transmitted band energy and the other for the stopping band energy.
On the other hand, the well known network of the pure reactance type reflects energy in the rejected band for any purely reactive quadrupole network. This energy in the stopband can be absorbed by the generator. If a short length of coaxial line is used to connect the generator and the filter, the echoes produced by the rejected energy are not noticeable and since the rejected power is relatively low,
it is effectively absorbed in the output stage of the transmitter without causing undue fatigue of the transmitter
From the foregoing considerations it can be seen that the purely reactive structure is inherently suitable to provide the required filtration in the most economical and efficient manner. For this reason the exemplary embodiment of the invention which will be considered here uses a network of the pure reactance ladder type employing one or more derivative sections of the type "m" to obtain the sharp cut-off characteristic with a. low attenuation in the passage band.
In order to understand the physical structure of the filter, it is first necessary to give some considerations regarding the electrical circuit equivalent to the arrangement employed.
Referring to Figure 2 we will see a schematic representation of a high pass filter of the type "m" derived. The values of the capacitors and inductors in the arrangement of figure 2 are given in conventional form depending on the prototype values or for the case in which "m" 1 (network at constant "K") "
C1K = 4Ò f c 2 and
L2K 4Ò fc where @@ is the nominal characteristic impedance of the filter and fc is the cutoff frequency of the filter which is equal to the carrier frequency of the visual signals minus approximately the mega-period per second.
The value of fc obviously depends and varies according to the channel for which the filter is adjusted. To obtain a sharp cutoff frequency, an infinite attenuation frequency is placed just below the cutoff frequency, and the value of "m" for that section is then determined by the equation:
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in which foo is chosen equal to the carrier frequency minus appro = ximatively 15 mega-period per second.
From this equation we can see that for channels in the upper band (174 to 216 mega-periods per second) the value of "m" is approximately equal to 0.07, and for the lower band to 0.15
Knowing the value of "m" m, L2k and G1K, the necessary series and shunt capacitors as well as the shunt inductance can be calculated.
The next factor to consider is the choice of termination networks so that losses due to impedance mismatch are minimized.
There are two points at which the impedance matching fault can be boasted by supposing that the theoretical values of the derivative filter in "m" can be obtained in practice ie that there is no impedance mismatch between sections or with termination networks.
One such point is between the generator output and the filter input, and the other point is between the filter output and the antenna system. The line generator and the antenna both represent a resistive impedance if although if the filter also represented this resistance value at its terminals, a perfect match would be obtained and no loss produced by Ce,
during the derivative network "m" for certain values of "m" has a characteristic impedance which is far from being uniform in its passage band .. and consequently a precarious adaptation would be carried out for a constant load resistance in the pass band.
In order to reduce the imbalance between the filter and the generator or load, a rough terminating network should be used. This network performs the function of reducing the change in characteristic impedance of the filter in a particular frequency band. In fact, these networks are balancing circuits coupling the filter with the line of the generator at constant impedance and with the load.
Figure 3 shows the schematic diagram of a termination half-section T of known type for a filter of the type "m" derivative. It can be shown that for a perfect impedance matching the generator and the load impedance (w) at any particular frequency should equal @
EMI4.2
in which XK is equal to - (fc / f) 2 From the diagram representing W as a function of the frequency for a conventional type TV channel,
one can arrive at a particular value of "m" which provides the best overall balancing network Once the optimum termination networks have been determined it is necessary to determine the number of filter sections. necessary to give the desired cut-off characteristic.
It is known that the maximum attenuation for the lowest lower band must occur in the sound path close to the carrier frequency and which is below the carrier frequency of the visual signals o It is also necessary to attenuate any energy in the frequency band
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of 1.25 mega-period per second, existing below the visual carrier wave by at least 20 db, as previously indicated with reference to figure 1,
The attenuation of two termination semi-sections and of the derivative section "m" can be calculated using the following expressions
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in which YK and Ó is obviously equal to the attenuation of a complete derivative section "m".
By plotting the attenuation as a function of frequency for a compound arrangement it can be shown that the filter arrangement shown in Figure 4 containing two termination half-sections and two filter sections gives a very satisfactory band characteristic. remaining lateral.
The values of inductances and capacitances are such that they can only be obtained by means of transmission line elements, and therefore it is necessary to translate this theoretical filter into a practical and efficient mechanical arrangement.
The general arrangement of the filter according to the present invention is shown schematically in FIG. 5 in which elements similar to those of FIG. 4 are designated by the same reference letters.
The elements used in the series arms are the capacitors C1, C2 and C3, the construction of which will be explained later in this specification.
Since this series arm is made up of a finite length of transmission line there is an inductance in series with the capacitance (since these lines have very low resistance, all lines being assumed lossless). However, this inductance can be effectively compensated for a restricted frequency band by setting the capacitors so that they have a value such that the impedance of the series arm is effectively equal to the required value.
The shunt arm must be equivalent to an LC series circuit with L = L2K / m and C = 4m / 2 clk The variation in impdance with the
L2K / m 1 = m c1K The change in impedance with frequency of the transmission line is considerably different from that of a massed element circuit, but by employing a double impedance line for the shunt elements the desired characteristic of impedance in a limited frequency band can be obtained.
Such an arrangement is shown in FIG. 5 in which the shunt arms each comprise a first segment having respective characteristic impedances of 01 and a second segment comprising a respective characteristic impedance of 02.
Physically, this result is achieved by dragging a
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metal sleeve on the inner conductor which makes it possible to change the ratio of the outer diameter to the inner diameter and hence the characteristic impedance for a line element By suitably choosing Zol and Z02 and the length of each of the respective segments,
an impedance / frequency characteristic can be obtained which substantially approximates the characteristic of the theoretical filter elements in the desired frequency band.
The detailed construction of a. exemplary embodiment of the invention will now be explained with reference to FIGS. 6 and 7 of the drawings.
The filter according to the present exemplary embodiment of the invention generally comprises a set of series arms 1 and four shunt arms designated by the same reference 2 The set of series arms as shown in FIG. 7 comprises an outer cylindrical tube element 3 which for convenience of manufacture consists of two identical segments each provided with two joining flanks A, which are secured together by means of nuts 5
The diameter of the inner transmission line,
used in the filters must be large enough to exceed the starting voltage of the corona effect in the series capacitors which are constituted by an element re-entering the inner line o The outer diameter should be such as the characteristic impedance of the line is equal to the desired value.
Since standardized coaxial lines are used for the input and output of the filter, and the filter elements themselves require sections sized larger than these standardized line elements due to the above considerations, a line constant impedance 6 of decreasing diameter along it is used to physically adapt the filter with its input and output connections o Line 6 is attached to the terminal part of Insulation 3 by means of nut 7 in a manner similar to that used to join the half-sections of element 30
Each identical tube segment constituting the assembly 3 is notched at two points, for example along the lines 8 to receive the projections 9 of the fixings of the arms.
cylindrical shunt, four of which are provided arranged at approximately equal distance along the tubule
These fixing projections may be welded or otherwise secured in any suitable manner to the tube 3 The fixing projections are provided with joining flanks 10 which are used to secure the remainder of the shunt arm 2 to the projections during final assembly as well. that will be described later.
It will be easily seen that by means of such an arrangement the manufacture of the filter is considerably simplified due to the fact that the assembly of the series arms 1 can be completed without danger of damaging the shunt arms 2 during the operation.
In the vicinity of each of the ends of the cylindrical tube insulation 3 there is provided a first concentric metal ring 11 which is fixed to the tube 3 by means of nuts 12 spaced at equal distances along the outer circumference of the tube. of this ring and at a distance from it. \) there is a second metal ring 13 which is fixed to the tube 3 in the same way as the ring 11.
the ring 13 is disposed at a point of the tube 3 which is located away so as to receive the fixing projections 9 as has been explained above and therefore the ring is partially notched as shown at 14 so as to allow the fixing of the projection o Between the metal rings there is provided a spacing element consisting of an insulating disc 15 which is placed around the circumference of the tube
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3 and is held in place by the rings 11 and 13 which abut against the spacer on either side thereof. The second spacer for each end of the tube 3 which has been designated by the same reference 15,
is supported by two metal rings of type 13 given that the positioning of the spacers is such with respect to the fixing of the projections 9 of the shunt arm that they must be notched on part of their circumference of so as to prevent interference from projections: fixed. ' At the midpoint of the two tube segments 3 where the segments are joined by the sidewalls 4, an insulating spacer 16 is provided and held in place by means of a shoulder 17 which is provided by a notch. joining flanks 4 to accommodate the spacer. The matting of the flanks on opposing tube segments is such that it accurately positions the spacer 16 when the segments are joined.
The spacers 15 and 16 are notched in their central part to support the interior conductor arrangement of the series arms of the coaxial line.
The first segment of this inner conductor, designated 18 is a metal cylinder, preferably copper, which is open at one end to receive the spacer 15. The opposite end of this segment extends through it. following spacer 15 and is held rigidly between the spacers. The conductor 18 carries a threaded extension 19 which extends outwardly along the main axis of the assembly. This extension is adapted to engage a cylindrical conductor 20 which is thinned in its central part. The conductor 20 is threaded and screwed onto the extension 19 until the two conductive segments are brought into contact at point 21 located on the circumferences of the two segments.
In Figure 7 a plurality of small arrows have been superimposed on the inner conductor to indicate the probable distribution of current over that conductor so as to provide a full path for the current to point 21 with the corners of the contacting surfaces made very sharp. pointed as indicated on the drawing
The conductor segment 18 at its other end abuts against an insulating spacer ring 22 which is adapted to isolate this segment from the neighboring segment 23. This is provided in such a way as to allow the required series capacitive coupling to be obtained.
The construction of this part of the device will now be considered with reference to the detailed section shown in figure 7.
The elements of FIG. 7 which have already been described above bear the same references as in the preceding description.
As shown, the conductive segment 18 is hollow so as to receive an extension 24 provided on the neighboring conductive segment 23 This extension is similarly hollow for reasons of sparking. The matting of the conductive segment 18 and of the extension 24 on the segment 23 is such that it allows the insertion of a cylindrical dielectric matching element 25 made of any suitable material such as that known by the trademark "Teflon", which does not carbonize and therefore will not be damaged by temporary high voltages.
The dielectric tuning element 25 is fixed and inserted in the space between the inner circumference of the notched segment 18 and the outer circumference of the extension 24 of the segment 23, so that it can be axially displaced. in this space for tuning purposes. It can easily be seen that the displacement of Isolate 25 in the space between segments 18 and 23 will change the dielectric constant between the segments and provide the means of tuning the capacitor device. .
So as to allow easy access to this tuning device
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when the inner conductors are assembled in the tube 3 a nut 26 is placed in the tuning element 25 and extends radially from this element to the outer surface of the segment 18 The segment 18 is split on both faces 27 to correspond substantially to the permissible length of movement of the part 25 A slot receives the head of the nut 26 engaged so as to be able to slide,
and the opposite slot carries a nut 28 intended to engage the bolt and hence to fix the tuning member in any desired position. The outer tube 3 is provided with slots so as to give access to the arrangement of After fitting as shown in Fig. 60 As previously discussed, the spacer 22 with the spacer 15 avoids any radial movement of the inner conductor while the spacer pieces are end 15 prevent any axial displacement of the assembly.
In order to prevent any accumulation of current between opposite edges of the conductor segments 18 and 23 which form the capacitor plates, the corners are rounded to remove those spikes which would cause possible disturbances, as shown at 29 in figure 70
The series arm of the filter has three capacitors built according to the same principle of reentrant capacitors and to facilitate their identification, the drawing has been provided with references., So that corresponding parts of each capacitor have the same references.
Each of the inner conductive elements 8, 23, and 31 (figure 7) of the series arm are provided at points directly below the shunt arm,
fixing projections 9 and a cylindrical projection 32 which is thinned internally as best seen in FIG. 60 These projections 32 are provided to secure the first lengths of the inner tube therein in the shunt arms. Since four shunt arms are substantially identical in their construction characteristics, only one arm will be considered in detail. It should be understood, however, that the impedance. and consequently the dimensions of these arms depend entirely on the particular values desired and are considered here as identical from the point of view of the description of the structure.
Referring to Figure 6 the left shunt arm has been shown in section along its length The first inner conductive tube 33 is provided with a threaded extension 34 which is adapted to be received in the thinned projection 32 carried by the individual segment 18 This supports the conductor 33 which extends upwardly through the fixing projection 90 The second length of conductor 35 is slid over conductor 33 and to allow the tuning is made adjustable thereon .
Attached to the second length of conductor 35 at its lower end by any suitable means. \) There is an adjustable fastener which is provided with an adjusting nut 37 The conductor 35 can be moved axially along the first conductor 33 9 then fixed in any desired position
For additional tuning purposes, the second conductor 35 is provided with a shorting piston which is adjustable along its length.
The piston comprises a cylindrical disc 38 which is adapted to engage the side walls of the outer conductor 39 The contact surface of the disc 38 is notched and inverted to provide ease in movement, as shown in 40. the disc is fixed to an adjustable fastener 41 similar to the fastener 36, and is movable along the conductor 35.
Two rods 42 are mounted on the disc 38 and extend upwardly outside of the conductor tube 39, and are attached to a part 43 which is free to move along the cone.
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ducteur 35 This arrangement has the dual purpose that on the one hand it allows easy access to the short-circuit piston and on the other hand it supports the piston in the tube 390 so as to give 'access to the fixing part and adjustment 41 the side wall of the conductive tube 39 is.
provided with slits as for example in 44 In additions if this is desired the paro. side can be provided with slots 45et a body. fastener accessible from the outside as for example at 46, can be used to adjust the short circuit piston
As previously mentioned in order to simplify the assembly of the composite filter the outer conductive tubes 39 can be cut to any desired length and assembled into sections by means of joining flanks 10.
For example, the shunt arm under discussion can be provided with such a section connection in which the sidewall 47 carried by the upper tube segment 39 is adapted to be connected to the sidewall 10 carried by the fixing projection 9 by means of nuts. 480 The length of the section of this outer conductor depends entirely on the lengths which are suitable for making a particular type of filter.
Since the shunt arms are shorted at their far end and make up a series resonant circuit there is a high current point on each of the shunt arms at the point where these meet with their respective series segment, or more specifically at the points where the cylindrical projections 32 are fixed to the segments 18 23 30 and 31 as indicated by the arrows superimposed at these points. This would ordinarily produce a very undesirable effect, since the shunt arms are placed relatively close to each other and considerable inductive coupling between neighboring shunt arms would occur.
This effect is counteracted in the filter by placing min = - these copper foils on the spacers between adjacent shunt arms. In addition to producing this desired effect, the spacers ensuring the concentric position of the inner line.
The arrangement as shown in Figure 7 comprises thin sheets of copper 49 which are secured to the spacers 15 and 16 by means of nuts 50,
The copper foils 49 are earthed to the outer conductor along their entire periphery and extend a very short distance from the inner conductor which produces effective screening of the various parts of the filter. compared to others
In Figure 1 a response curve G has been shown for comparison of what can be obtained with a filter unit constructed according to characteristics of the present invention. As shown in this curve, the response is flat to two decibels near minus 0.75 mega-period per second to plus 4 mega-period per second of carrier frequency while a drop of more than 20 db is obtained between -0.75 mega-period per second and -1,
25 megaperiods per second The filter attenuation exceeds 20 db for all frequencies lower than 1.25 megaperiods per second below the frequency of the carrier wave of visual signals.
Although the invention has been described in relation to an exemplary embodiment, it is clear that it is not limited to said example and that, on the contrary, it is susceptible of numerous variations and modifications without leaving its field.