Brevet FR2119974A1 — publié le 19720811

211997't la présente invention est relative à des constructions de câble coaxial en général, et plus particulièrement à une construction de ce genre à parties supérieure et inférieure aplaties. 5 II existe nombre de types de câbles coaxiaux qui ten tent de tirer profit de l'efîet de peau. L'effet de peau a donné lieu à des considérations qui ont conduit la demanderesse à s'intéresser à des types propres à accroître la surface effective des conducteurs, aux hautes fréquences. 10 Le but de l'invention est de procurer une construction de câble coaxial qui présente une propriété d'autoégalisation aux basses fréquences, et en même temps l'invention vise à réaliser des économies de matière dans la fabrication d'un câble coaxial à utiliser aux hautes fréquences. 15 Comme onle montrera en détails dans la description quiva suivre, la construction du câble coaxial se caractérise par un conducteur extérieur ayant des côtés ronds reliés par des parties supérieure et inférieure plates et allongées. Cette ligne de transmission à câble coaxial plat (dite aux Etats-Unis 20 d'Amérique FCC) se caractérise encore par un conducteur intérieur et un conducteur extérieur.dont les surfaces opposées sont maintenues séparées l'une de l'autre d'une distance constante. On peut désigner cette séparation par b-a où. a est le rayon de courbure de la surface extérieure du conducteur inté-25 rieur et b le rayon de courbure de la surface intérieure du conducteur extérieur.Les surfaces opposées comportent deux parties extrêmes semicirculaires réunies par des parties plates de largeur W. La gamme de fonctionnement avantageuse de la construction dans son ensemble est spécifiée par les rela-30 tions b/a>10 et w/b^L1s5. Une particularité de l'invention ,par conséquent, réside dans les parties supérieure et inférieure plates et allongées d'un câble coaxial. L'invention comprend en outre des agencements d'espacement pour une telle construction de 35 câble coaxial. L'invention se comprendra facilement d'après la description faite en se reportant aux dessins sur lesquels s 71 45155 2 2119974 - Les figures 1, 2 et 3 sont des schémas montrant l'évolution de la construction de câble coaxial dans le sens de la ligne coaxiale plate des figures 4 et 5» - les figures 6 à 11 sont des figurations graphiques de 5 diverses relations comparatives des lignes coaxiales circulaires et des lignes coaxiales plates ; - les figures 12 et 13 sont des dessins en coupe de constructions de lignes coaxiales plates à enrobage de plusieurs lignes ; 10 - les figures 14* 15 et 16 sont différents modèles d'espaceurs conçus pour la présente invention. La figure 1 est une coupe transversale d'une ligne coaxiale normale 1 et la figure 2 est une coupe transversale d'une ligne de transmission à éléments parallèles 2. La figure 3 re-15 présente le processus de combinaison de deux lignes de transmission à éléments parallèles 2a et 2b dans une ligne coaxiale bifurquée où les sections sont indiquées par 1a et 1b. La figure 4 montre en coupe transversale la ligne à câble coaxial plat obtenue, que l'on désigne dans son ensemble par 20 10. La ligne 10 comprend un conducteur extérieur 11 ayant une surface extérieure 12 et une surface intérieure 13, à parties latérales courbes 9 et à dessus et dessous 7 et 8,respectivement. Le conducteur intérieur est désigné par 14, sa surface extérieure par 14b et les surfaces supérieure et inférieure par 25 5 et 6. Comme on peut le voir à la figure 4, les parties de dessus et de dessous des deux conducteurs, extérieur 11 et intérieur 14, sont plates dans la région indiquée par w. Le rayon de courbure des deux parties terminales du conducteur in-30 térieur 14 est indiqué par a et le rayon de courbure de la surface intérieure des deux parties d'extrémité du conducteur extérieur 11 est indiqué par b. A l'une et l'autre extrémité, ces rayons de courbure sont tracés à partir d'un centre commun indiqué par 15 à l'extrémité de gauche et par 16 à l'extrémité de 35 droite. La construction résultante est conformée comme une piste de course dans laquelle les surfaces opposées 13? 14b sont à une distance uniforme constante, sur toute la construction. 71 45155 3 2119974 La construction de câble coaxial plat peut être aussi considérée comme une construction circulaire dans laquelle le conducteur intérieur a été évidé et où les conducteurs, intérieur et extérieur, ont été tous deux aplatis, comme décrit 5 plus haut. On comprendra que l'opération d'aplatissement,pour des câbles ayant un diamètre supérieur à cinq millimètres, n'augmente pas l'atténuation autant qu'elle diminue la surface du conducteur intérieur. La matière économisée peut être utilisée en partie pour augmenter l'aire totale embrassée par le 10 conducteur extérieur, ce' qui diminue l'atténuation à une valeur inférieure à ce que l'on avait avant l'aplatissement. Par suite, on a une moindre atténuation et des économies nettes dans le prix des matériaux. La figure 5 montre une construction de câble coaxial aplati avec le conducteur intérieur évidé, la 15 partie évidée étant indiquée par 14a. Les équations données ci-dessous concernent les relations aux fréquences élevées, qui montrent l'atténuation croissant comme la râcine carrée de lafréquence. Aux fréquences '2 614- 2 inférieures où f«(—*——) et où les conducteurs sont minces & 20 du point de vue électrique, le câble coaxial aplati révèle une propriété d'autoégalisation. C'est-à-dire que l'atténuation est constante jusqu'à ce que la fréquence atteigne une fréquence de transition. Cette caractéristique est potentiellement avantageuse dans des systèmes digitaux où une réponse plate donnerait 25 une bonne transmission des impulsions. On peut augmenter la fréquence de transition en diminuant l'épaisseur des conducteurs intérieur et extérieur. Des câbles coaxiaux multiples comprenant plusieurs câbles coaxiaux aplatis sont représentés aux figures 12 et 13. 30 A la figure 12 , plusieurs unités ou constructions de câbles coaxiaux désignées chacune par 20 sont disposées sur une ligne , avec leurs conducteurs centraux dans le même plan. Avantageusement, les bords des constructions voisines ne sont pas en contact. Une enveloppe extrudée 21, de polypropylène 35 par exemple, est placée au-dessus des constructions de câbles coaxiaux aplatis 20. La construction obtenue, à aspect de ruban, se pliera plus facilement qu'une construction faite de câbles 71 45155 4 2119974 coaxiaux circulaires, puisque pour les mêmes valeurs de a et de Zq, l'épaisseur est moindre. En outre, il y a normalement réduction de la diaphonie parce que les points centraux des conducteurs intérieurs sont écartés d'une distance plus grande 5 que dans le câble coaxial circulaire habituel. La figure 13 représence une série de constructions de câbles coaxiaux aplatis, indiqués par 20a, en dessin en diamant qui correspond à peu près à une section circulaire.Les constructions 20a ne se touchent pas par leurs bords. Une chemise 10 extrudée 21a est placée autour de 1'ensemble.Dans la configuration de la figure 13» les parties aplaties des constructions 20a sont avantageusement parallèles entre elles. I1écartement entre conducteurs intérieurs et extérieurs ainsi que le support du conducteur intérieur sont réalisés 15 comme suit, suivant l'invention. A la figure 14, le conducteur intérieur est écarté du conducteur extérieur 13 par une couche isolante 30 qui a été longitudinalement ondulée ou gaufrée en six points, comme montré. La couche est avantageusement continue sur toute la lon-20 gueur de la construction, sa section transversale étant montrée à la figure 14. En fait, deux gaufrures d'extrémité 30a, 30b viennent en contact avec les extrémités du conducteur intérieur 14. Les gaufrures opposées 30c, 30d viennent en contact avec les surfaces supérieure et inférieure du conducteur intérieur 25 14 près de la gaufrure 30a. De même, les gaufrures 30e,30f viennent en contact avec les surfaces supérieure et inférieure du conducteur intérieur 14 près de la gaufrure 30b. La matière isolante est avantageusement une matière plastique telle que le polypropylène. 30 Une autre forme d'écarteur est montrée à la figure 15. Une broche en U 35 est placée autour du conducteur intérieur 14 puis, par étapes on la transforme en espaceur à tracé en piste de course. Ces opérations se font d'avance en plaçant le conducteur intérieur dans le conducteur extérieur. 35 Un espaceur du type en treillis est montré à la figure 16. Cet espaceur, indiqué par 40, comprend fondamentalement une paire de jambes ou branches 41,42 se recoupant en treillis en 71 45155 5 2119974 10 ' 15 20 25 30 leurs milieux. les extrémités respectives 43*44 et 45,46 sont de forme demi-circulaire et sont décalées par rapport aux branches 41 en sorte que les extrémités 43,45 tombent dans un plan commun et que les extrémités 45>46 tombent dans un autre plan commun qui est parallèle à celui des extrémités 43»45» Longitudinalement au milieu, partout, des branches 41,42 ,il y a des fentes 47,48.Celles-ci sont légèrement plus larges que la largeur du conducteur intérieur 14. Comme on le voit à la figure 16, un certain nombre d'es-paceurs sont combinés en -unités bout à bout et montés sur le conducteur intérieur 14. Les branches 41,42 chevauchent chacune le conducteur intérieur 14 avec leurs côtés de dessus et de dessous normaux aux surfaces de dessus et de dessous du conducteur intérieur 14 5 et ils sont orientés obliquement, plutôt que perpendiculairement, par rapport à l'axe central. En raison de cette orientation oblique de chaque branche 41,42 par rapport à l'axe central du conducteur intérieur, on voit que des forces dirigées vers l'intérieur , exercées sur les extrémités 43,45 et les extrémités 44,46 mettent les extrémités des fentes 47»48 en contact étroit avec les bords du conducteur intérieur 14. Dans cette position, les extrémités 43,46 sont sensiblement perpendiculaires à l'axe central et aussi à la surface aplatie du conducteur intérieur 14. L'esjaaceur fournit un support en nid d'abeilles au conducteur extérieur, ainsi qu'un écartement central positif du conducteur intérieur par rapport au conducteur extérieur. Les avantages de la construction du câble coaxial plat apparaissent mieux à l'examen de l'analyse suivante. Pour des lignes de transmission coaxiales,et à éléments parallèles, les constantes secondaires, en haute fréquence , s'expriment comme suit par les équations 1-3. (1) (2) 71 45155 6 2119974 "e rretî 1 + i a b w ln — + îT (b-a) 3. (b-a) lnHw {i + v + 27r3 (3) 10 15 20 25 où. P = résistivité du conducteur en ohms mètres, f = fréquence en Hz. /*- = perméabilité des conducteurs en henrys/m. £- = constante diélectrique de l'isolement en farads/m. w = 2 ÏÏ"f Zq = impédance caractéristique R = résistance en ohms/mètre. — 1 G- = conductance en ohms" /mètre. L = inductance en henrys/mètre. C = capacité en farads/mètre. t = permittivité relative a = atténuation totale en nepers/m. = perte due aux conducteurs en nepers/m. Pour présenter les caractéristiques d'atténuation en fonction des dimensions, l'équation (3) est normalisée par rapport à b et à a respectivement. Ainsi b a B ^ V TTjpei 30 (b/a + 1) £(w/b) ln (b/a) + (l - a/b)J (1 - a/b) ln (b/a) £(w/b)(b/a + l)+ 2n} (1 + a/b) [ (w/a) ln (b/a) +7r(b/a - l)J 'Tiptf (b/a - 1) ln (b/a £(w/a) (l + a/b) + 2"ÛJ Les conditions asymptotiques de w = 0 et w = «o donnent (4) a ocT .(5) 35 w=0 (b/a + 1) 2 ln (b/a) (6) . 71 45155 7 2119974 w=' = 1/(1 - ab) (7) 30 w=0 w= 0° (aA + 1) 2 ln (b/a) = 1 (b/a - 1) (8) (9) 10 Ces formules représentent les cas de la ligne coaxiale (w=0)et de la 1 igne à bandes parallèles infinies (w =co ). Aux figures 6 et 7» on a reporté ba/V^~ = Vti f £. et aa/Vf" = a respectivement pour les conditions —8 = 2,28 ( pour le polyéthylène) et yo = 1,741 par 10" ohms 15 mètre (pour le cuivre). La figure 6 montre particulièrement l'action réciproque entre les lignes coaxiale et à éléments parallèles dans le cas de la dimension intermédiaire. On notera que les conditions d'optimalisation normale pour le câble coaxial sont données. La région du zéro s'élargit jusqu'à ce 20 que la forme hyperbolique domine. Cela revient à faire varier b/a en maintenant b constant. La figure 7* au contraire, montre une famille simple de courbes hyperboliques sans minima ou maxima locaux, comme si l'on fait varier b/a en conservant a constant. 25 Les équations normalisées pour l'impédance d'après l'é quation (1) sont s - a/b) ln (b/a) - a/b) + (w/b) ln(b/a) (10) (b/a - 1) ln (b/a) et 2y£ n(b/a - l) + (w/a) ln (b/a) (11) 35 Les figures 8 et 9 représentent graphiquement les équations (10) et ( 11 ) , Comme pour l'atténuation, elles représentent le cas où b et a respectivement, sont maintenus constants. Les conditions w =0 et w =ooconduisent à 71 45155 8 2119974 Z = z. a w=0 b w=0 = ln (b/a^ (12) et Z a = o (13) w= 00 W=oo On remarquera d'après les figures 6 et 8 que faire fonctionner un câble coaxial circulaire dans sa région de pertes minimales ( — ^3>6) fixe son impédance à approximativement 50 -ft- ( pour le polyéthylène). En contraste, du fait de l'élargissement de 10 la région de perte minimale pour 1,0 la nature des équations (1) et (3) permet d'étudier un câble coaxial plat pour s'adapter à l'impédance et aux pertes 15 de n'importe quel câble existant. L'équation (3) montre qu'une fois b » a et w fixés (et £-naturellement), a(=a^) représente simplement la racine carrée caractéristique de la forme de fréquence .Ainsi, si l'on fixe la pente, les courbes d'atténuation pour les câbles coaxiaux plats et pour le câble coaxial cir-20 culaire seront identiques (au moins pour lés hautes fréquences). L'impédance caractéristique donnée par l'équation (1), au contraire, n'a pas de caractéristique de fréquence et peut être considérée comme la valeur asymptotique pour la fréquence infinie . . 25 Une considération importante dans l'évaluation d'une nou velle conception de câble est la pénalisation propre au défaut de satisfaire à des tolérances strictes. Pour la présente invention, un relâchement appréciable de la tolérance atteindra des buts semblables pour des écarts d'atténuation,tandis que 30 des tolérances semblables donneront lieu à des écarts d'atténuation diminués en comparaison avec les types circulaires normaux. Pour illustrer ce qui précède, on supposera que x = (x.j, x£j x^) où les éléments du vecteur x peuvent être iden-35 tifiés aux paramètres (a, b, w). Si les coefficients de sensibilité dimensionnelle sont 71 45155 9 2119974 ha(x) ' k = (iSiSi-) / (_i_ ) (14) x. x a ' ' v x. i î Alors N . X % = -1 (15) 5 i=1 où N = 2 ou 3. En outre, N ,2 Lim ZI x = 1 (16) i=l i x2 10 xx * où N = 2 ou 3. Les implications de la relation (16) peuvent se voir à la figure 10. La courbe en trait appuyé représente la gamme de fonctionnement normale pour les câbles coaxiaux circulaires. Les coefficients de sensibilité spécifique sont s 15 k _ ( àa ï //la__x_ 1 (w/b) + tt a/b 1 a /Ka ~ 1 +a/b ~ (w/b) ln (b/a)+ n (1 - a/b) . " w/b 1 1 (w/b)(1 + a/b) + 2 îT(a/b) 'ln (b/a) + (b/a) - 1 (17) 20 kY - rag i / ( 13 i - i i i 2 k a ; 7 k b ' ~ ~ b/a +1 " 1 - a/b " ln b/a w/b (w/b) + 7t + (w/b) (b/a + 1) + (w/b) ln (b/a) +rr(l-a/b) 25 kx = (iS_) / (â2_) = . . , n~(w/b) (2 ln b/a - b/a + a/b) 3 a ' ' w C(w/b) ln b/a + ( 1-a/b )J £ (w/b)( b/a+1 ) +2 'Tj (19) D'après ces équations, on peut trouver facilement les sensibilités aux autres paramètres tels que b/a et on peut trouver 30 aussi les sensibilités en utilisant les équations normalisées a, et i , équations (4) et (5). Les relations sont s u Q, kab = kb - 1 (20) ka = k - 1 (21) a a ' 71 45155 10 2119974 Va - ka kb / (ka - kb) (22) où k = k et k, = k a x^ b Xg Pour appuyer la figure 10, on peut dire que le pourcen-5 tage total d'incertitude en atténuation est donné par , /Aocs , k / Aa-> , k /Abx , k /Aw-, x i = i *i ( T} i 2 ~b" i 3 (23) Comme les trois processus sont indépendants, on reporte la somme des puissances des coefficients en supposant que les 10 pourcentages de tolérances seront probablement égaux dans les trois dimensions. De ce qui précède,on voit facilement que l'avantage acquis en utilisant le concept des lignes coaxiales plates dépend de son emploi dans le domaine de fonctionnement de 15 b/a >10 et w/b ^.1,5» Ceci fait contraste avec le cas circulaire ordinaire où 3 Il est important de remarquer les résultats des tolérances dimensionnelles sur l'impédance caractéristique. Dans beaucoup d'applications, dans les câbles pour ordinateurs, par 20 exemple, l'uniformité de l'impédance est plus importante que l'atténuation. En appliquant la définition (14) à l'équation (1) avec ZQ(x) substitué à a(x) , on obtient kx = (M_) / (àiLi = _ „ _i X1 x Z ' ' b/a-1 ln b/a , ir(a/b) + w/b 25 ir( 1-a/b) + (w/b) ln b/a (24) kx = ( i /f^b \ _ 1 1 TT + w/b 2 Z 1/K b 1-a/b ln b/a ~ H"( 1-a/b) (w/b) ln b/ a (25) 3° k _ 1 3 Z " ' w ' ~ ~ tt(1-a/b) !+• (w/b)ln b/a (26) Dans ce cas, S 35 Z. x. = 0 i=l 1 et 71 45155 n 2119974 N k2 Lim JEL x. = 2 pour N = 2 ou 3 i=l 1 Suivant le raisonnement qui aboutit à l'équation (23), la figure 11 est un graphique des valeurs quadratiques moyennes des coefficients de sensibilité. Pour w=0, on a montré seulement la région représentant le coaxial dans son domaine de 10 fonctionnement normal des b/a. Par conséquent, comme auparavant, on peut voir qu'il est raisonnable de faire fonctionner les câbles coaxiaux plats dans les régions (b/a>10 et w/b 15 En résumé, on a montré ce que deviennent l'atténuation, l'impédance et la facilité de fabrication en aplatissant les câbles coaxiaux.la construction possède de la souplesse due à la gamme des impédances qu'on peut avoir lorsque le câble fonctionne près d'un point optimal. En outre, il est probable 20 que la diaphonie sera moindre, en général, avec deux câbles plats placés côte à côte avec leurs conducteurs intérieurs dans le même plan. On voit aussi que les frais de fabrication seront réduits parce que le câble coaxial aplati peut être fait en laminant des bandes, plutôt que par extrusion. Egalement, 25 des circuits intégrés pour hautes fréquences peuvent utiliser avantageusement des câbles plats en pellicules minces pour de courtes portées. 71 45155 12 2119974 REVENDICATIONS 1.- Câble coaxial, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur extérieur (11) ayant des parties latérales courbes (9) et des parties supérieure et inférieure plates (7,8), un 5 conducteur intérieur (14) ayant des surfaces supérieure et inférieure plates (5,6) et des moyens d'écartement(30,35,40) disposés entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur pour maintenir une séparation uniforme,constante, entre eux. 10 2.- Câble coaxial suivant la revendication 1, caracté risé en ce que les parties latérales courbes (9) du conducteur extérieur (11) sont semi-cylindriques avec un rayon b de la surface intérieure, les parties latérales du conducteur intérieur (14) étant également semi-cylindriques avec un rayon a 15 de la surface extérieure, et avec b>a . 3.- Câble coaxial suivant la revendication 2, caractérisé par les relations suivantes d'optimalisation b/a >10 ; w/b 4.- Câble coaxial suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le conducteur intérieur est creux. 5.- Câble coaxial suivant l'une quelconque des revendi-25 cations 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d' espacement comprennent une couche isolante continue (30) disposée entre les conducteurs intérieur et extérieur,laquelle couche comprend des ondulations longitudinales multiples s'étendant à partir de la surface intérieure du conducteur extérieur et venant en 30 contact avec le conducteur intérieur entre les parties latérales courbes de celui-ci,et également vers l'intérieur des deux parties latérales aussi bien qu'aux surfaces supérieure et inférieure du conducteur intérieur. 6.- Câble coaxial suivant l'une quelconque des revendi-35 cations 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'espacement comprennent plusieurs ensembles (40) comprenant de premières et de secondes branches se recoupant au milieu de leur longueur, 71 45155 13 2119974 chaque branche ayant des extrémités semi-circulaires (41,42) et une fente longitudinale centrale entre les extrémités de chaque branche pour monter le conducteur intérieur (14) qui se termine en des points de contact, et s'étendant normalement de-5 puis les bords du conducteur intérieur, ces ensembles étant combinés bout à bout comme un support en nid d'abeilles pour le conducteur extérieur. 7.- Câble de communication multicoaxial suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que 10 plusieurs unités de câblé coaxial aplati, avec leurs conducteurs intérieurs situés sensiblement dans le même plan et avec leurs bords non en contact sont placées dans une chemise extérieure unitaire entourant toutes les unités.