EP1239541B1 - Circuit gravé de protection contre la foudre et son procédé de fabrication - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the lightning protection of transmitters in a transmission system.
- the lightning protection function requires a high-pass filter because it is a low-frequency signal.
- the figure 1 shows an anti-lightning system in localized elements. It comprises two inductors 11 and 12 each connected to the ground. The first self 11 is connected directly to the transmitting antenna. It helps to attenuate the low frequencies. A capacitor 13 is placed between these two inductors 11 and 12. The capacitor 13 makes it possible to filter the high frequencies. The second self 12 is optional. It improves the attenuation presented.
- Such anti-lightning circuits are made of linear and discrete components. However, they are very bulky and require a more complicated realization.
- the present invention makes it possible to obtain an etched circuit comprising such a lightning protection function thus reducing the bulk, of easier and less expensive realization (due, among other things, to the fact that there is no components).
- the invention relates to an etched circuit as defined in claim 1 with lightning protection comprising at least one main line connected to a connector adapted for the output of the transmitting antenna of a fixed frequency transmission system f 0 or in a narrow frequency band ⁇ f 0 comprising a capacitor and characterized in that it comprises at least a first line of a length I 1 of constant width or not, connected to said connector and terminated by a short circuit forming an open circuit brought back to the main line.
- the circuit proposed by the invention also makes it possible to filter the second harmonic.
- Another subject of the invention is the method of manufacturing an etched circuit with lightning protection according to one of claims 1 to 5. comprising etching the lines and the capacitor of said circuit etched on the basis of said circuit, depositing a film of conductive material and, where appropriate, scraping the excess conductive material so as to retain only the conductive material which was deposited in the engraving.
- the invention further proposes the application of the etched circuit with lightning protection according to one of the preceding claims 1 to 5 to the filtering of the second harmonic 2f 0 and the third harmonic 3f 0 .
- the inductances 11 and 12 are replaced by conductive lines 21 and 22 etched over a length of a quarter of a wavelength at the frequency f 0 used.
- Lines 21 and 22 are each terminated by a short circuit.
- the main line comprises a capacitor 23 placed between these two lines 21 and 22.
- the first line 21 thus makes it possible to filter the low frequencies of the lightning signal and to reject the second harmonic.
- the second line 22 is optional. It improves the attenuation presented.
- the lightning protection and harmonic filtering functions were performed separately by two circuits.
- the harmonic filtering function was performed either by a circuit in localized elements such as that represented on the figure 3 or an engraved circuit such as that of the figure 4 .
- Harmonic filtering is low-pass filtering.
- the circuits of the Figures 3 and 4 allow the rejection of the second harmonic 2f 0 and the third harmonic 3f 0 .
- the diagram in localized elements of the figure 3 comprises 3 capacitors 31, 33 and 35 in parallel connected to the ground at one of their ends and 2 inductors 32 and 34, an inductance between each of the two capacitors. Inductances may optionally be placed in series with the capacitors 31, 33, 35. They are located between the capacitors and the circuit formed by the two inductors 32 and 34 as indicated on the figure 3
- the most commonly used circuits are localized element circuits of Figures 1 and 3 are bulky.
- Distributed constant circuits also take up a lot of space because the capacitors represent engraved rectangles of the order of 1 cm 2 on a substrate of high dielectric permittivity (for example of the order of 10) and the quarter-wave lines represent lengths of 2 to 3 cm. These dimensions are given by way of example for frequencies of the order of GHz. These dimensions are not negligible, especially in embedded applications.
- both the lightning protection function and the harmonic filtering function should be the first found after the antenna connector. This is the obvious placement for lightning protection that must protect the entire transmission circuit.
- the harmonic filtering must also be as downstream as possible from the emission because there is a risk of creating harmonics, in particular harmonics 2f 0 and 3f 0 , by the antenna switching circuits or by coupling.
- the lightning protection circuit according to the invention presented on the figure 2 already allowed the filtering of the second harmonic 2f 0 using a single circuit to overcome these disadvantages.
- the second line in the lightning protection scheme of the figure 2 gives the possibility to reject also the third harmonic.
- the lengths will then be optimized and an adaptation topology will then be simulated to guarantee optimum rejection at both harmonics as well as low loss at the fundamental frequency f 0 .
- This optimization can be obtained using engraved circuit simulation tool such as the ADS of AGILENT technology for example.
- the circuit optimized for the protection against lightning and the filtering of the second and third harmonics comprises two lines 51 and 52 of respective lengths I 1 and I 2 determined during the simulation ended by a short circuit to ground.
- These lines 51 and 52 include open reactance arm (or stub in Anglo-Saxon) 54 and 55.
- the first line is connected to the output connector of the antenna.
- a capacitor 53 carries out the high pass filtering of the lightning protection. It is placed between the two lines on the main line.
- the figure 6 shows the first measures of harmonic filtering on Figures 6a and 6b They represent the amplitude in dB of the signal at the output of a lightning protection circuit according to the invention as a function of its frequency.
- the injected lightning wave is 1000V. It is attenuated around 50 V.
- the Figures 6a corresponds to the first measurements with a circuit of the type of that of the figure 5 . It shows an attenuation of the output signal of at least 30 dB at the two frequencies 2f 0 and 3f 0 .
- the figure 6b corresponds to the measurements obtained after optimization of this circuit.
- the optimization makes it possible to obtain signal attenuation values at the output of the optimized circuit of 40 dB for 2f 0 and 50 dB for 3f 0 .
- circuits for protection against lightning allow the filtering of the second harmonic 2f 0 and the third harmonic 3f 0 .
- these circuits may have a common function of lightning protection and filtering of one or more harmonics nf 0 (n integer ⁇ 3).
- the circuit of the figure 5 is an embodiment of a circuit comprising a common lightning protection and harmonic filtering function. More generally, it can be envisaged to optimize this circuit with the same simulation tools for the rejection of the first n harmonic (n integer ⁇ 3).
- the circuit may comprise one or more lines terminated by a short circuit of lengths to be determined identical or different, of widths to be determined constant or not and identical or different, with or without one or more reactance arms (or stub in Anglo-Saxon) whose size is to be determined.
- the advantage of such a circuit is the surface gain because the two functions of protection against lightning and harmonic filtering is achieved in a single circuit. In addition, it does not require a large etching surface such as the harmonic filtering circuit of the figure 4 . Indeed, it uses only lines that can be "rolled up" or folded. Another advantage of this type of circuit is the possibility of optimizing its performances and its reproducibility. Indeed, it allows a unique and controlled adaptation. And, both functions are the first function seen from the antenna.
- the manufacture of an engraved circuit with protection against lightning as, for example, those illustrated by the Figures 2 and 5 comprises etching the lines and the capacitor of said circuit etched on the basis of said circuit, depositing a film of conductive material and, where appropriate, scraping the excess conductive material so as to retain only the conductive material which was deposited in the engraving.
- This device can be applied to any domain requiring one and / or the other of the two functions.
- transmitters in all communication broadcast or identification systems such as IFF, TACAN, DME can use such a circuit.
- IFF IFF
- TACAN TACAN
- DME DME
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Description
- L'invention concerne la protection contre la foudre des émetteurs dans un système de transmission.
- La fonction de protection contre la foudre nécessite un filtre passe-haut car c'est un signal basse fréquences. La
figure 1 montre un système anti-foudre en éléments localisés. Il comporte deux inductances 11 et 12 chacune reliée à la masse. La première self 11 est reliée directement à l'antenne d'émission. Elle permet d'atténuer les basses fréquences. Un condensateur 13 est placée entre ces deux inductances 11 et 12. Le condensateur 13 permet de filtrer les hautes fréquences. La deuxième self 12 est facultative. Elle permet d'améliorer l'atténuation présentée. - De tels circuits anti-foudre sont réalisés en composants linéaires et discrets. Cependant, ils sont très encombrants et nécessitent une réalisation plus compliquée.
- La présente invention permet d'obtenir un circuit gravé comportant une telle fonction de protection contre la foudre réduisant ainsi l'encombrement, de réalisation plus facile et moins chère (en raison, entre autre, du fait qu'il n'y a pas de composants).
- L'invention a pour objet un circuit gravé comme définit dans la revendication 1 avec protection contre la foudre comportant au moins une ligne principale reliée à un connecteur adapté pour la sortie de l'antenne d'émission d'un système de transmission à fréquence fixe f0 ou dans une bande de fréquence étroite Δf0 comportant un condensateur et caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première ligne d'une longueur I1 de largeur constante ou non, reliée audit connecteur et terminée par un court-circuit formant un circuit ouvert ramené sur la ligne principale.
- Le circuit proposé par l'invention permet de réaliser en outre le filtrage de la seconde harmonique.
- Un autre objet de l'invention est le procédé de fabrication d'un circuit gravé avec protection contre la foudre selon l'une des revendications 1 à 5 comportant la gravure des lignes et du condensateur dudit circuit gravé sur la base dudit circuit, le dépôt d'une pellicule de matériau conducteur et, le cas échéant, le raclage de l'excès de matériau conducteur afin de ne conserver que le matériau conducteur qui s'est déposé dans la gravure.
- L'invention propose en outre l'application du circuit gravé avec protection contre la foudre selon l'une des revendications précédentes 1 à 5 au filtrage de la deuxième harmonique 2f0 et de la troisième harmonique 3f0.
- Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description, faite à titre d'exemple, et des figures s'y rapportant qui représentent :
-
Figure 1 , un circuit de protection contre la foudre en éléments localisés selon l'état de l'art, -
Figure 2 , la fonction de protection contre la foudre sur un circuit gravé selon l'invention, -
Figure 3 , un circuit de filtrage d'harmoniques en éléments localisés selon l'état de l'art, -
Figure 4 , la fonction de filtrage des harmoniques sur un circuit gravé selon l'état de l'art, -
Figure 5 , la fonction commune de protection contre la foudre et de filtrage des harmoniques 2f0 et 3f0 selon l'invention, -
Figure 6a et 6b , courbe représentant le filtrage des harmoniques grâce au filtre de lafigure 5 , lafigure 6b correspondant au filtre optimisé. - Si le circuit de protection contre la foudre en éléments localisés est traduit en constantes réparties comme illustré par la
figure 2 , les inductances 11 et 12 sont remplacées par des lignes conductrices 21 et 22 gravées sur une longueur d'un quart de longueur d'onde à la fréquence f0 utilisée. Les lignes 21 et 22 sont chacune terminées par un court-circuit. La ligne principale comporte un condensateur 23 placé entre ces deux lignes 21 et 22. - Prenons l'exemple d'un tel circuit avec des inductances de 22nH et un condensateur de 47pF: pour 1000V injectés dans ce circuit, il ne reste que 50 V en sortie.
- Sachant qu'une ligne quart d'onde à la fréquence utilisée f0 court-circuitée à une extrémité ramène à son autre extrémité un circuit ouvert pour cette même fréquence, les deux lignes 21 et 22 ramènent à la fréquence f0 un circuit ouvert sur la ligne principale
- A la deuxième harmonique 2f0, cette même ligne ramène donc un court-circuit. La protection contre la foudre sur circuit gravé dans le schéma proposé à la
figure 2 représente donc un excellent réjecteur à 2f0 (c'est à dire un filtre stoppant la dite fréquence 2f0). - La première ligne 21 permet donc de filtrer les basses fréquences du signal de foudre et de réjecter la deuxième harmonique.
- La deuxième ligne 22 est facultative. Elle permet d'améliorer l'atténuation présentée.
- Jusqu'ici, les fonctions de protection contre la foudre et de filtrage des harmoniques étaient réalisées séparément par deux circuits. Le circuit en éléments localisés de la
figure 1 permettait de protéger contre la foudre. La fonction de filtrage des harmoniques était réalisée soit par un circuit en éléments localisés tel que celui représenté sur lafigure 3 ou un circuit gravé tel que celui de lafigure 4 . - Le filtrage des harmoniques est un filtrage de type passe-bas. Les circuits des
figures 3 et 4 permettent la réjection de la deuxième harmonique 2f0 et de la troisième harmonique 3f0. - Le schéma en éléments localisés de la
figure 3 comporte 3 condensateurs 31, 33 et 35 en parallèle reliés à la masse en l'une de leurs extrémités et 2 inductances 32 et 34, une inductance entre chacun des deux condensateurs. Des inductances peuvent éventuellement être placées en série avec les condensateurs 31, 33, 35. Elles sont situées entre les condensateurs et le circuit formé par les deux inductances 32 et 34 comme indiqué sur lafigure 3 - Traduit en constantes réparties, on obtient le schéma de la
figure 4 . Les inductances sont remplacés par des lignes gravées de fortes impédances (largeur inférieure à une ligne 50 Ohms) et les condensateurs par des plages de cuivre. - La séparation des deux fonctions de protection contre la foudre et de filtrage des harmoniques pose divers problèmes.
- Tout d'abord, les circuits les plus couramment utilisés sont les circuits à éléments localisés des
figures 1 et 3 sont encombrants. Les circuits à constantes réparties prennent eux aussi beaucoup de place car les condensateurs représentent des rectangles gravés de l'ordre de 1cm2 sur substrat de permittivité diélectrique forte (par exemple de l'ordre de 10) et les lignes quart d'onde représentent des longueurs de 2 à 3 cm. Ces dimensions sont données à titre d'exemple pour des fréquences de l'ordre du GHz. Ces dimensions ne sont pas négligeables en particulier dans des applications embarquées. - Ensuite, la mise en série de ces deux fonctions sur un circuit gravé peuvent induire des dégradations de performances par désadaptation mutuelle des deux circuits par rapport aux résultats escomptés des deux fonctions séparées.
- De plus, le placement optimum de ces deux fonctions est impossible. En effet, aussi bien la fonction de protection contre la foudre que celle de filtrages des harmoniques devrait être la première trouvée après le connecteur d'antenne. Il s'agit du placement évident pour la protection contre la foudre qui doit protéger l'ensemble du circuit d'émission. Mais, le filtrage des harmoniques doit lui aussi être le plus en aval possible de l'émission car il existe un risque de création d'harmoniques, en particulier des harmoniques 2f0 et 3f0, par les circuits de commutation d'antenne ou par couplage.
- Le circuit de protection contre la foudre selon l'invention présenté sur la
figure 2 permettait déjà le filtrage de la deuxième harmonique 2f0 en utilisant un circuit unique permettant de palier à ces inconvénients. La seconde ligne dans le schéma de protection contre la foudre de lafigure 2 donne la possibilité de réjecter aussi la troisième harmonique. Comme le montre lafigure 5 , les longueurs seront alors optimisées et une topologie d'adaptation sera alors simulée pour garantir une réjection optimum aux deux harmoniques ainsi que de faible perte à la fréquence fondamentale f0. Cette optimisation peut être obtenue à l'aide d'outil de simulation de circuits gravés tels que l'ADS d'AGILENT technology par exemple. - Sur la
figure 5 , le circuit optimisé pour la protection contre la foudre et le filtrage des deuxièmes et troisièmes harmoniques comporte deux lignes 51 et 52 de longueur respectives I1 et I2 déterminée lors de la simulation terminée par un court-circuit à la masse. Ces lignes 51 et 52 comportent des bras de réactance (ou stub en anglo-saxon) ouverts 54 et 55. La première ligne est reliée au connecteur de sortie de l'antenne. Un condensateur 53 réalise le filtrage passe haut de la protection contre la foudre. Il est placé entre les deux lignes sur la ligne principale. - La
figure 6 montre les premières mesures du filtrage des harmoniques sur lesfigures 6a et 6b , Elles représentent l'amplitude en dB du signal en sortie d'un circuit de protection contre la foudre selon l'invention en fonction de sa fréquence. L'onde de foudre injectée est de 1000V. Elle est atténuée aux environs de 50 V. - La
figures 6a correspond aux premières mesures avec un circuit du type de celui de lafigure 5 . Elle montre une atténuation du signal en sortie de minimum de 30 dB aux deux fréquences 2f0 et 3f0. - La
figure 6b correspond aux mesures obtenues après optimisation de ce circuit. L'optimisation permet d'obtenir des valeurs d'atténuation du signal en sortie du circuit optimisé de 40 dB pour 2f0 et 50 dB pour 3f0. - Donc, de tels circuits de protection contre la foudre, notamment celui illustré par la
figure 5 , permettent le filtrage de la deuxième harmonique 2f0 et de la troisième harmonique 3f0. En particulier, ces circuits peuvent avoir une fonction commune de protection contre la foudre et de filtrage d'une ou plusieurs harmoniques nf0 (n entier ≥ 3). - Le circuit de la
figure 5 est un exemple de réalisation d'un circuit comportant une fonction commune de protection contre la foudre et de filtrage des harmoniques. De manière plus générale, il peut être envisagé d'optimiser ce circuit avec les mêmes outils de simulation pour la réjection des n premières harmoniques (n entier ≥ 3). Pour cela, le circuit peut comporter une ou plusieurs lignes terminées par un court-circuit de longueurs à déterminer identiques ou différentes, de largeurs à déterminer constantes ou non et identiques ou différentes, comportant ou non un ou plusieurs bras de réactance (ou stub en anglo-saxon) dont la taille est à déterminer. - L'avantage d'un tel circuit est donc le gain de surface car les deux fonctions de protection contre la foudre et de filtrage des harmoniques est réalisé en un seul circuit. De plus, il ne nécessite pas de grande surface de gravure comme le circuit de filtrage des harmoniques de la
figure 4 . En effet, il n'utilise que des lignes qui peuvent être "enroulées" ou repliées. Un autre avantage de ce type de circuit est la possibilité d'en optimiser les performances et sa reproductibilité. En effet, il permet une adaptation unique et maîtrisée. Et, les deux fonctions sont la première fonction vue de l'antenne. La fabrication d'un circuit gravé avec protection contre la foudre comme, par exemple, ceux illustrés par lesfigures 2 et 5 comporte la gravure des lignes et du condensateur dudit circuit gravé sur la base dudit circuit, le dépôt d'une pellicule de matériau conducteur et, le cas échéant, le raclage de l'excès de matériau conducteur afin de ne conserver que le matériau conducteur qui s'est déposé dans la gravure. - Ce dispositif peut s'appliquer à tout domaine nécessitant l'une et/ou l'autre des deux fonctions. En particulier les émetteurs dans tous systèmes de communication, de diffusion ou d'identification tel que IFF, TACAN, DME peuvent utiliser un tel circuit. Lorsqu'il s'agit d'émission non plus sur une fréquence fixe mais dans une bande de fréquence, il faudra vérifier les performances accessibles dans cette bande.
Claims (8)
- Circuit gravé avec protection contre la foudre comportant au moins une ligne principale reliée à un connecteur adapté pour la sortie de l'antenne d'émission d'un système de transmission à fréquence fixe f0 ou dans une bande de fréquence étroite Δf0 comportant un condensateur (23, 53) et caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première ligne (21, 51) d'une longueur l1 de largeur constante ou non, reliée audit connecteur et terminée par un court-circuit formant un circuit ouvert ramené sur la ligne principale pour la fréquence f0 et une deuxième ligne (22, 52) de longueur l2 de largeur constante ou non, reliée à la sortie du condensateur (23, 53) et terminée par un court-circuit formant un circuit ouvert ramené sur la ligne principale, les largeurs desdites première et deuxième lignes (21, 51 et 22, 52) étant différentes.
- Circuit gravé avec protection contre la foudre selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première ligne (51) comporte au moins un premier bras (54) de réactance (ou stub en anglo-saxon) ouvert.
- Circuit gravé avec protection contre la foudre selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la deuxième ligne comporte au moins un deuxième bras (55) de réactance (ou stub en anglo-saxon) ouvert.
- Circuit gravé avec protection contre la foudre selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la longueur l1 de la première ligne (21, 51) et/ou la longueur l2 de la deuxième ligne (22, 52) est un quart de la longueur d'onde de la fréquence utilisée f0.
- Circuit gravé avec protection contre la foudre selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la largeur et/ou de la longueur de la première ligne (21, 51) et/ou de la deuxième ligne (22, 52) etlou du premier bras (54) de réactance (ou stub en anglo-saxon) et/ou du deuxième bras (55) de réactance (ou stub en anglo-saxon) sont déterminées en fonction de la ou des harmoniques nf0 (n entier ≥ 2) à filtrer.
- Procédé de fabrication d'un circuit gravé avec protection contre la foudre selon l'une des revendications 1 à 5 comportant la gravure des lignes (21, 51, 22, 52, 54, 55) et du condensateur (23, 53) dudit circuit gravé sur la base dudit circuit, le dépôt d'une pellicule de matériau conducteur et, le cas échéant, le raclage de l'excès de matériau conducteur afin de ne conserver que le matériau conducteur qui s'est déposé dans la gravure.
- Application du circuit gravé avec protection contre la foudre selon l'une des revendications précédentes 1 à 5 au filtrage de la deuxième harmonique 2f0 et de la troisième harmonique 3f0.
- Application du procédé de fabrication d'un circuit gravé avec protection contre la foudre selon la revendication 6 à la fabrication d'un circuit gravé avec fonction commune de protection contre la foudre et de filtrage d'une ou plusieurs harmoniques nf0 (n entier ≥ 3).
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