Brevet FR2080581A1 — publié le 19711119

La présente invention concerne un système de téléc im-munications par voie radioélectrique particulièrement approprié aux utilisations en milieu confiné, notamment dans les travaux souterrains. 5 L'utilisation de moyens de transmission radioélectri- quee dans lœ milieux souterrains tels que mines, carrières, travaux publics et autres, présente tin intérêt sans cesse accru et est considérée actuellement comme une nécessité, et ce, pour des motifs d'accroissement de la productivité, de sécurité, voire d« 10 siaplejbonfort. Les moyens de transmission par fil les plus classiques exigeant tin couplage physiqme des appareils au câble porteur manquant de souplesse, on a cherché à établir des liaisons radioélectriques. Il est cependant bien connu que les ondes radi»-électriques ne peuvent se propager librement en milieu confiné, 15 sauf, cependant, à des fréquences élevées mais auxquelles elles subissent une atténuation importante. Les solutions envisagées jusqu'à présent ont consisté à disposer dans les galeries ou puits des conducteurs revêtus ou non de matériau diélectrique et Jouant un rôle de guide d'onde. 20 Dans ces systèmes, le milieu qui est le siège de la propagation est l'espace compris entre les conducteurs et les parois de la galerie. Comme on exige généralement que les postes émetteurs et récepteurs puissent se trouver en n'importe quel point de la section transversale de la galerie, le champ électromagnétique 25 doit prendre des valeurs relativement élevées Jusqu'aux parois de la galerie. La section de celle-ci étant de forme irrégulière et variable et pouvant comporter des obstacles, les parois Jouant d'autre part un rôle néfaste, étant donné qu'elles ne constituent ni un bon conducteur, ni un bon diélectrique, l'atténua-30 tion des ondes dans ces systèmes est telle qu'il est difficile de dépasser des portées de quelques centaines de mètres. L'invention vise à pallier ces défauts en enfermant l'énergie électromagnétique dans un câble de type coaxial, mais à permettre néanmoins des échanges d'énergie entre l'intérieur 35 du câble et la section de la galerie à l'aide de dispositifs rayonnants répartis le long du câble. Les types d'ondes pouvant exister à l'intérieur d'un câble coaxial sont bien connus, A l'extérieur du câble peuvent exister des champs de rayonnement se propageant radialement à 40 partir des sources qui les excitent, mais aussi des ondes j|ui- 71 00142 2 2080581 dées par la surface extérieure du câble, lorsque le conducteur extérieur est revêtu de diélectrique, ces ondes sont du type de Goubau. Leur longueur d'onde est légèrement inférieure à celle de la propagation dans l'air, et le raccourcissement de longueur 5 d'onde et la concentration de ces ondes autour du câble croissent avec l'épaisseur du revêtement diélectrique. Les deux types de champs extérieurs, rayonnés et guidés peuvent être couplés aux antennes de postes émetteurs ou récepteurs, mais subissent tous les aléas de la propagation en 10 milieu confiné, tandis que la propagation des champs intérieurs d'un câble coaxial y échappe. Les échanges entre l'intérieur et l'extérieur doivent être dosés en fonction des conditions particulières de chaque application; il est donc nécessaire de disposer d'un dispositif rayonnant, simple, robuste, pas cher, peu 15 encombrant, mais possédant des performances techniques bien déterminés et que l'on puisse maîtriser. A cet effet, le conducteur extérieur du ou des câbles porteurs comporte des coupures transversales produisant de courtes interruptions qui permettent le passage d'un rayonnement 20 électro-magnétique et agissent à la manière d'une antenne présentant une directivité élevée dans des directions proches de l'ax» du câble. Des éléments d'adaptation des impédances sont avantageusement intercalés entre les portions du conducteur extérieur 25 situées de part et d'autre des interruptions,, en vue d'en réduire le facteur de réflexion et la perte d'insertion. Le dessin annexé représente à titre d'exemple plusieirs formes d'exécution de l'invention. La fig.l est une vue schématique du système de télé-30 communication par voie radioélectrique en milieu confiné suivant . l'invention; La fig.2 montre un diagramme de rayonnement électromagnétique produit par une interruption dans le conducteur extérieur d'un câble coaxial; 35 La-fig.3 représente un schéma équivalent à une coupure dans le câble extérieur'au point de vue de la propagation à l'intérieur du câble; La fig.4 est une coupe d'un dispositif à perte d'insertion réduite; 40 La fig.5 montre le système de transmission suivant BAD ORIGINAL COPY 71 00142 3 2080581 l'invention sans amplification ni changement de fréquence et la fig.6 une transmission comportant un amplificateur changeur de fréquence. Le système conforme à l'invention comporte un câble 5 coaxial à conducteur intérieur 1 continu et à conducteur extérieur 2 pourvu de coupures transversales 3 (fig.l). Le câble extérieur peut être entouré d'un revêtement diélectrique non représenté sur le dessin. Il est évident que les échanges de l'intérieur vers 10 l'extérieur et les échanges en sens contraire sont équivalents au sens du théorème de réciprocité et l'on peut se borner à décrire les premiers. Des études théoriques et expérimentales ont été entreprises en vue de déterminer les effets que subit, du fait de la 15 coupure, une onde se propageant à l'intérieur du câble, soit, pour fixer les idées, de la gauche vers la droite. Cette onde sera ci-après appelée onde incidente. Ces effets sont les suivante a) une fraction se réfléchit vers la gauche à l'intérieur du câble; on définit un facteur de réflexion 20 b) une fraction est transmise vers la droite à l'intérieur du câble, à travers la coupure. On définit un facteur de transmission ou, d'une manière plus pratique, une perte d'insertion qui est la perte provoquée par la coupure sur la transmission dans le câble coaxial; 25 c) une fraction est convertie en deux ondes de Goubau d'amplitudes égales excitées à partir de la coupure et se propageant vers la gauche et vers la droite; d) une fraction est rayonnée à l'extérieur du câble, radialement à partir de la coupure, comme le ferait une antenne. La répar-30 tition spatiale de la puissance rayonnée se caractérise par une directivité D, fonction de l'angle ©. Dans leurs grandes lignes, les conclusions de l'étude sont les suivantes: a) la longueur 3 de la coupure, pour autant qu'elle soit infé- 35 rieure au diamètre 4 du câble, n'a guère d'influence. En particulier, il serait illusoire de vouloir réduire la perte d'insertion en diminuant la longueur de la coupure. b) l'épaisseur du revêtement diélectrique n'influence pratiquement pas le facteur de réflexion et la perte d'insertion, 40 c'est-à-dire les grandeurs caractérisant la propagation dans COPY 71 00142 4 2080581 le câble, mais elle détermine la manière dont la puissance sortant par la coupure se répartit entre les ondes de G-oubau et l'onde rayonnée. Un revêtement épais favorise les ondes de Goubau au détriment des ondes rayonnées. Pour ces dernières, le diagramme 5 de rayonnement est de la forme représentée à la figure 2; il convient parfaitement à l'utilisation dans les galeries, lorsque l'angle 9 max sur l'axe 5 du câble est de quelques degrés, la directivité D _ est de 5 à 10 dB. Si l'on augmente l'épaisseur iiiax du revêtement diélectrique, 0 augmente et D diminue. ^ ' max ° max 10 c) l'influence de la fréquence .n'est, pas aussi importante qu'on eut-pu le croire à priori. A des fréquences de l'ordre de 30 -MHz, la puissance.de l'onde incidente se répartit comme suit: 75i° sont réfléchis vers la gauche 2$-sont transmis vers la droite (perte ^ d'insertion: 17 dB) 23$ sont transmis à l'extérieur du câble A 300 MHz, ces chiffres deviennent: 61,5$ réfléchis vers la gauche 7,5% transmis (perte d'insertion:11,2 dB) 20 51$ transmis à l'extérieur du câble. Ces valeurs typiques montrent bien que l'influence de la fréquence est très lente. Il faut atteindre des fréquences de plusieurs GHz pour réduire la perte d'insertion à 2 ou 3 dB. 2nfin, l'influence de la fréquence sur la directivité est encore 25 plus réduite, line simple coupure du conducteur extérieur 'du câble forme donc un dispositif rayonnant excellent" en ce qui concerne, l'usage fait de la puissance sortant par la coupure, mais décevant en ce qui concerne la transmission dans le câble. Cependant, 30 l'étude a montré qu'à, ce dernier point de vue, la coupure est équivalente à une impédance 6(fig.3) 3ise en série dans le conducteur extérieur et dont la valeur élevée explique qu'une fraction importante de la puissance incidente soit réfléchie. Il est possible de construire, en ajoutant à la cou-35 pure des éléments d'adaptation des impédances adéquats, des dispositifs rayonnants faisan1 un usage bien déterminé de la, puissance de l'onde incidente. A titre d'exemple, on'peut, dans les applications décrites ci-après, faire usage d'un dispositif dont la perte d'in-40 sertion doit être réduite, en introduisant une capacité supplé- COPY BAD ORIGINAL 71 00142 5 2080581 mentaire entre les lèvres de la coupure. Le dispositif peut être conçu comme une sorte d'adaptateur à insérer entre deux tronçons de câble dont la capacité supplémentaire est réalisée par un recouvrement partiel des deux parties 7 et 8 (fig.4) du conducteur 5 extérieur. Pour une capacité supplémentaire de 60pl? à 60 MHz, par exemple, on a calculé que la puissance incidente se répartit comme suit: 5,5$ réfléchis vers la gauche 91,5$ transmis vers la droite (perte d'insertion 10 0,38 dB) 3»ÔXtran8mis à l'extérieur du câble. L'utilisation de dispositifs rayonnants répartis de façon plus ou moins régulière le long d'un câble coaxial disposé dans une galerie ou tout autre axe de transmission confiné ^ permet de soustraire les ondes électromagnétiques aux difficultés de propagation de ce milieu. ïïn émetteur, tel que 9 (fig.5) situé au voisinage d'un dispositif rayonnant 10 excite, via celui-ci, deux ondes se propageant à l'intérieur du câble en s'é-loignant de l'émetteur. A chaque dispositif rayonnant, une peti-2Q te fraction de ces ondes s'échappe et peut être captée par des récepteurs 11 situés dans la zone d'activité de ce dispositif. Si ces zones se recouvrent, des liaisons ininterrompues peuvent être obtenues tout le long du câble. Ces liaisons sont évidemment réciproques. gj- Ce système permet de réaliser des portées de plusieurs centaines de mètres dans des conditions de propagation extrêmement difficiles. Pour des distances plus longues, sa faiblesse réside dans le fait que toute liaison comprend, en cascade, deux liaisons radioélectriques: l'une entre l'émetteur et un disposi-2Q tif, l'autre entre un dispositif et le récepteur, représentant chacune une perte de quelque 40 dB pour une distance de 10 à 20 mètres. Il est cependant possible d'installer sur le câble coaxial des amplificateurs répéteurs bidirectionnels, mais pour des raisons bien cûnnues de stabilité, des pertes de cet ordre de grandeur ne peuvent être compensées que si les amplificateurs changent la fréquence. Dès lors, les portées que l'on peut atteindre sont illimitées. Un système simple suivant la figure 6, • comportant un coupleur directif 12 et des dispositifs rayonnants 10, dans lequel les émetteurs travaillent tous sur la même fré- /1 00142 ^UOUDOI quence et les récepteurs tous sur la fréquence f^ permet déjà de couvrir des chantiers importants. Enfin, il est à noter que dans certains cas, il peut être intéressant d'utiliser des câbles à plusieurs conducteurs intérieurs. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux forme; d'exécution qui ont été décrites et' représentées à titre d'exemple et on ne sortirait pas de son cadre en y apportant des modifications. COPY 71 00142 2080581 REVENDICATIONS 1. Système de télécommunications par voie radioélec-triçue, particulièrement approprié aux utilisations en milieu con fine et utilisant un ou plusieurs câbles porteurs d'ondes à deux 5 ou plusieurs conducteurs dont l'un appelé conducteur extérieur entoure le ou les autres, ainsi que des appareils émetteurs et/ou récepteurs dont l'un au moins n'est pas lié galvaniquement aux câbles porteurs d'ondes, caractérisé en ce que le conducteur exté rieur du ou des câbles porteurs d'ondes comporte des coupures 10 transversales produisant de courtes interruptions qui permettent le passage d'un rayonnement électromagnétique et agissent à la manière d'une antenne présentant une directivité élevée dans des directions proches de l'axe du câble. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en 15 ce qu'il comporte des éléments d'adaptation des impédances intercalés entre les portions du conducteur extérieur situées de part et d'autre des interruptions, en vue d'en réduire le facteur de réflexion et la perte d'insertion.