Brevet FR2135358A1 — publié le 19721215

i. 2135358 La présente invention se rapporte à un câble eoaxial à fentes de fuite. Une structure typique d'un câble eoaxial à fentes de fuite classique est représentée dans la figure 1 des dessins ci-5 joints, ce câble eoaxial à fentes de fuite comprenant ion conducteur intérieur indiqué par la référence 1, un conducteur extérieur 5 dans lequel un groupe de fentes 51, 52, sont prévues dans la direction de l'axe du conducteur avec une périodicité constante, un isolant 2 remplissant l'espace entre le conducteur intérieur 10 1 et le conducteur extérieur 3 et une gaine isolante 4 protégeant le conducteur extérieur J>. Les caractéristiques électriques principales de ce câble, telles que par exemple l'uniformité de la distribution de l'onde de fuite, sa stabilité, la largeur de bande de fréquences qui peuvent être utilisées pour ion rayonnement d'ondes 15 de fuite stable, etc.., sont principalement dues à la structure des fentes agencées dans le conducteur extérieur, par exemple leur forme et la périodicité de leur agencement. Comme le montre la figure 1, les sens principaux A et B des courants circulant sur le conducteur intérieur 1 et circulant sur la paroi interne du condue-20 teur extérieur 3 respectivement sont presque parallèles à l'axe du câble et sont inversés alternativement suivant une périodicité égale à environ la moitié de la longueur d'onde. Si l'on tient compte de la distribution des courants mentionnés précédemment, des fentes ayant une forme convenable et la périodicité d'agencement de ces 25 fentes doivent être déterminées pour obtenir un rayonnement d'ondes de fuite stable. Dans le câble eoaxial à fentes de fuite représenté dans la figure 1, la constante de phase de propagation ^ n dans la direction radiale du câble est indiquée par la foriaule suivante ; 30 (yn)2=(^_)2. (^_ + â^,2 (1) où p est la périodicité des fentes, À est la longueur d'onde dans l'espace libre pour la fréquence-utilisée, Xg est la longueur cï3 onde de propagation dans le câble et n est un nombre entier. Les eon» p 35 ditions de rayonnement stable sont définies par ( ^"n) s* 0 dans l'équation (1) et le nombre des nombres entiers satisfaisant aux conditions précédentes et fournissant une onde de fuite monophasé© serait uniquement un. En vue de ceci, on sait que la périodicité p des fentes est restreinte par la formule suivante : 72 16282 2. 2135358 k + ly P 7 \ (v + x) (2) où V est le rapport de contraction de la longueur d'onde qui est défini par le rapport de la longueur d'onde dans le câble eoaxial 5 à la longueur d'onde dans l'espace libre. La figure 2 des dessins ci-Joints est un graphique représentant la relation de la formule (2) dans laquelle, en plaçant *^en abscisses et A/p en ordonnées, la surface hachurée représente un domaine dans lequel les conditions de rayonnement stable 10 d'une onde monophasée sont satisfaites. Lorsque le rapport de contraction y) de la longueur d'onde du câble eoaxial est donné, le domaine des valeurs de X,/p est déterminé. L'une des caractéristiques électriques les plus importantes du câble eoaxial à fentes de fuite est l'uniformité du niveau 15 de couplage entre le câble et l'antenne d'un véhicule mobile se déplaçant à côté. L'uniformité du niveau de couplage le long de l'axe du câble augmente en fonction de la densité de l'agencement des fentes du câble. En conséquence, lors de la conception du câble eoaxial à fentes de fuite, la périodicité p des fentes doit être 20 choisie de façon à satisfaire à la fois à la condition précédente -d'uniformité du niveau de couplage et à la condition définie par l'équation (2). On sait que, dans la construction d'un câble eoaxial à fentes de fuite classique, tel que représenté dans la figure 1, 25 la valeur de \) est environ 0,9 et même lorsque l'espace entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur est totalement rempli d'un isolant tel que le polyéthylène, la valeur du rapport de contraction de la longueur d'onde du câble atteint environ 0,67 au plus. Les gamines permises pour X/p correspondant à ces valeurs 30 de égales à 0,67 et 0,9 sont indiquées respectivement par les références D et E de la figure 2. En conséquence, pour une construction de eâble eoaxial à fentes de fuite classique, telle que représentée dans la figure 1, la bande de fréquences préférable est environ 400 MHz et est limitée au plus à environ 150 MHz du point 35 de vue de la stabilité du rayonnement monophasé et de l'uniformité de la propriété de couplage.Si 1'on choisit ^/p égal à environ 2 dans la gamme de D ou E pour le rayonnement stable restreint par la formule (2) et si l'on choisit une fréquence de fonctionnement telle que 150 MHz dont la longueur d'onde est 2 mètres, la périodi-40 cité p des fentes sera d'environ 1 mètre. 72 16282 3. 2135358 Une telle valeur de p est presque la limite pour garder l'uniformité du niveau de couplage. Dans le cas ou il serait nécessaire d'utiliser une fréquence inférieure, par exemple 30 MHz dont la longueur d'onde est 10 mètres, avec la structure du câble 5 eoaxial à fentes de fuite classique ayant une valeur de JL/p égale à 2, la périodicité des fentes serait environ 5 mètres uniquement en vue de la condition de rayonnement stable. Cependant, une telle périodicité de fentes aussi élevée provoque une fluctuation importante du niveau de couplage le long 10 du câble, ce qui est très ennuyeux pour la communication avec des véhicules mobiles. Comme cela apparaît d'après la figure 2, si la valeur du rapport de contraction peut être choisié suffisamment petite, même pour line bande de fréquences faibles, en perfectionnant la struc-15 ture du câble eoaxial à fentes de fuite, la valeur de A/p peut être très grande et sa gamme peut également être très grande. Un des principaux objets de la présente invention est de prévoir un câble eoaxial à fentes de fuite perfectionné, ayant une nouvelle structure de câble pour éliminer le défaut du câble coa-20 xial à fentes de fuite classique, tel que décrit précédemment. C'est-à-dire que la présente invention est caractérisée par l'emploi d'un conducteur intérieur ayant -une construction telle qu'elle retarde la propagation de l'onde électromagnétique afin de prendre une petite valeur du rapport de contraction de la lon-25 gueur d'onde du câble eoaxial. Tout type de ligne à retard classique peut être applicable au conducteur intérieur du câble selon la présente invention. Lorsqu'un tel câble eoaxial à fentes de fuite est installé le long d'une voie de véhicules en mouvement et reçoit un signal de communication de Ibande de fréquences très faible, 30 telle que par exemple aux alentours de 30 MHz, la fluctuation du niveau de couplage entre le câble eoaxial à fentes de fuite et l'antenne du véhicule en fonction de son déplacement est extrêmement réduite même sur une bande de fréquences aussi faible et en outre, la largeur de bande de fréquences pouvant être utilisée est rendue 35 beaucoup plus grande. Conformément à la présente invention, on obtient avec succès des communications de très bonne qualité avec des véhicules mobiles. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante 40 faite en relation avec les dessins ..ei-joints, dans lesquels : 72 16282 4. 2135358 La figure 1, comme on l'a mentionné précédemment, est une vue en perspective d'un câble eoaxial à fentes de fuite classique, partiellement découpée pour l'explication. La figure 2, également précédemment mentionnée, est un 5 graphique représentant la zone dans laquelle le rayonnement monophasé est stable. La figure 3 est une vue en perspective d'un câble eoaxial à fentes de fuite selon la présente invention, partiellement découpée. 10 La figure 4 représente le conducteur intérieur d'un câ ble eoaxial à fentes de fuite selon la présente invention, La figure 5 est une vue en perspective d'un autre exemple de réalisation de la présente invention. La figure 6 représente un conducteur intérieur constitué 15 de plusieurs fils isolés, se rapportant à l'exemple de réalisation représenté dans la figure 5. La figure 7 représente une vue d'un exemple de réalisation de la présente invention pour expliquer l'excitation des fentes . 20 Les figures 8 et 9 sont des vues latérales des exemples de réalisation de la présente invention. Un câble eoaxial à fentes de fuite a comme fonction de laisser fuir une partie de l'onde électromagnétique qui se propage dans ce câble, le long de son axe, par des fentes agencées avec une 25 périodicité convenable dans son conducteur extérieur. Les câbles eoaxiaux à fentes de fuite ont fait l'objet d'une attention particulière dans les années récentes pour leur utilisation dans les systèmes de commande de communication pour véhicules en mouvement. La figure 3 est un exemple typique de construction de câ-30 ble eoaxial à fentes de fuite selon la présente invention. Comme le montre cette figure 3, un tube isolant 6 et m fil conducteur intérieur 7 sont enroulés sous forme de spirale. Un isolant 8 est destiné à supporter le conducteur intérieur 7. Des fentes 10-^, 102, ..., sont découpées dans un conducteur extérieur 35 9. Une gaine isolante est prévue autour du conducteur extérieur 9 pour le protéger. L'espace entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur peut être rempli d'un matériau diélectrique ou peut être un espace vide. Egalement, le fil conducteur en spirale 7 n'est pas limité à la forme représentée dans la figure. 40 Le champ électromagnétique de propagation dans le câble 72 16282 5. 2135358 eoaxial à fentes de fuite, conformément à la présente invention, est analysé par l'équation d'onde de Maxwell bien connue, aux conditions limites, telles que la conductivité devient infinie dans la direction longitudinale du fil conducteur en spirale et devient 5 nulle dans une direction perpendiculaire à cette direction. Le calcul par approximation sera expliqué en bref ci-après. L'inductance L du câble eoaxial à fentes de fuite selon la présente invention comprenant un conducteur intérieur enroulé en spirale et un conducteur extérieur est définie approximativement 10 comme la somme de l'inductance propre d'un solénoïde de longueur infinie et de l'inductance du câble eoaxial comportant un conducteur intérieur qui a le même rayon que le rayon du conducteur en spirale et tin conducteur extérieur, et est exprimée par l'équation mathématique suivante : 15 L - p o TTnV + log -g- (3) où a est le rayon du conducteur en spirale, b est le rayon du conducteur extérieur, est la perméabilité et N est le nombre de spires du conducteur en spirale par unité de longueur. En ce qui con-20 cerne la capacitance, la capacitance entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur est approximativement définie par l'équation suivante : ' o - air e0 e^/iog -g- ■ (4) 25 où £ D et 6^ sont respectivement, la constante diélectrique de l'espace libre et la constante diélectrique relative de l'isolant, respectivement. D'après les formules (3) et (4), l'impédance caractéristique ZQ du câble eoaxial et le rapport de contraction T>' de sa 30 longueur d'onde sont obtenus: par les équations suivantes,respectivement : z„ = -7=== iog-{~- \J 1 + 2irW/iog |} (5; o \fT, 55 «pr as x 1 (6) V£r 1 + log ^1 + 2Tf2a2N2/log | }/2 log ~ Du fait que le rapport de contraction de la longueur d8 onde pour le câble eoaxial habituel est donné par "0 = 1/ \J 40 le rapport de contraction \?' de la longueur d'onde du câble coa- 72 16282 6. 2135358 xial à fentes de fuite selon la présente invention peut être rendu tel que v) ' K "0Q en choisissant les dimensions convenables, en coupe, a et b du câble et le nombre N de tours de spires par unité de longueur du conducteur en spirale. En conséquence, les deux 5 équations précédentes constituent les équations de base pour la conception des dimensions en coupe et du nombre de spires du conducteur en spirale du câble eoaxial à fentes de fuite selon la présente invention. La figure 4 représente un conducteur intérieur formé par 10 une bande conductrice en spirale 11 à la place du fil conducteur du conducteur intérieur précédemment décrit. La figure 5 représente une autre construction de câble eoaxial à fentes de fuite selon la présente invention. Comme le montre cette figure, un câble isolant 6 ayant 15 une section transversale circulaire et un ensemble de plusieurs fils conducteurs 12 qui sont revêtus respectivement d'un isolant et enroulés étr.oitement autour du câble isolant 6 forment le conducteur intérieur et celui-ci est supporté coaxialement le long de l'axe du conducteur extérieur 14 par l'isolant 13. Les fentes 15 20 sont prévues sur le conducteur extérieur avec une certaine périodicité dans la direction de l'axe du câble et en outre la surface externe du conducteur extérieur est recouverte d'une gaine isolante 16. La figure 6 représente une construction en détail du con- 25 ducteur intérieur utilisé dans le câble tel que représenté dans la figure 5. Dans cette figure, trois fils conducteurs 12^, 122 et 12, isolés les uns des autres sont enroulés autour de l'isolant 6 3 étroitement et parallèlement les uns aux autres, en spirale avec un pas d ou avec un nombre de tours d'enroulement N = 1/d par uni-30 té de longueur. Bien que trois fils isolés soient utilisés pour le conducteur intérieur dans l'exemple de réalisation précédent, un seul ou un nombre convenable de fils isolés peuvent être utilisés. Du fait de l'utilisation d'un conducteur intérieur constitué de fils 35 conducteurs enroulés étroitement, la distribution du courant circulant dans le conducteur extérieur est uniforme conformément au courant circulant sur le conducteur intérieur et l'excitation des fentes peut être réaliséè uniformément, de sorte qu'un champ électrique de fuite uniforme est produit le long du câble eoaxial à 40 fentes de fuite selon la présente invention. 72 16282 7. 2135358 Comme plusieurs fils conducteurs isolés dans l'exemple de réalisation précédent sont utilisés, la conductivité dans la di rection d'enroulement X du fil conducteur représenté dans la figure 6 peut être rendue infinie et la conductivité dans la direction 5 perpendiculaire Y peut être rendue nulle. Il est évident que la forme et l'agencement des fentes du conducteur extérieur du câble eoaxial à fentes de fuite ayant •on conducteur intérieur constitué d'un seul conducteur ou de plusieurs conducteurs en spirale, tel que décrit précédemment, doi-10 vent être déterminés de façon à obtenir que ces fentes coupent effectivement le courant circulant dans le conducteur extérieur. La figure 7 est un dessin représentant la relation qui existe entre la forme et l'agencement des fentes du câble eoaxial à fentes de fuite et le courant circulant à 1'intérieur. Comme le 15 montre cette figure 7, on comprendra que le courant circulant sur la surface interne du conducteur extérieur circule dans la direction de la flèche en pointillés 18 presque circonférentiellement, correspondant au fait que le courant circule dans la direction de la flèche 17 le long du conducteur en spirale du conducteur inté-20 rieur. En conséquence, dans le cas représenté dans la figure 7, les fentes doivent être agencées parallèlement à l'axe du câble et avec une périodicité de fente petite afin d'amener ces fentes à couper effectivement le courant circulant dans la direction cireon férentielle sur le conducteur extérieur. Les flèches 1^, 192, 25 ..., dans la figure 7 représentent les champs électriques apparais sant à travers les fentes 10^, 10^, ..., coupant le courant dans la direction cireonférentielle. Conformément à l'agencement des fentes de la présente invention, uniquement la composante du champ électrique dans la direction circonférentielle du câble est princi 30 paiement rayonnée vers l'espace extérieur. Une telle onde de fuite dii champ éle-ctrique est une onde polarisée verticalement et ceci est très avantageux pour les systèmes de communication radio habituels, utilisant une onde polarisée verticalement. En outre, la relation qui existe entre l'angle de l'en-35 roufement en spirale du conducteur intérieur et l'angle des fentes par rapport à l'axe Z du câble est déterminée précisément de manié re telle que, lorsque le conducteur intérieur est constitué de plu sieurs fils isolés enroulés en spirale avec un angle de pas a, com me représenté dans la figure 6, et que le courant circule le long 40 des fils isolés, tandis que des courants correspondants sur le con 72 16282 8. 2135358 ducteur extérieur circulant dans la direction de la flèche F comme représenté dans la figure 8, les fentes 20202, doivënt être prévues dans le conducteur extérieur obliquement avec un angle a' pour couper à angle droit le courant circulant dans la direction P afin 5 d'exciter ces fentes avec le maximum d'énergie et ces fentes doivent être placées avec une périodicité constante convenable p qui sera expliquée ci-après. L'angle d'obliquité a' des fentes peut ê-tre un élément pour contrôler la quantité de fuite de l'onde électromagnétique. En conséquence, les fentes du câble eoaxial à fen-10 tes de fuite selon la présente invention peuvent être agencées parallèlement à l'axe Z du câble, c'est-à-dire que l'angle a' peut être nul, ou elles peuvent être agencées obliquement de façon que a' ^0 ou dans quelques cas a' 15 En ce qui concerne la périodicité p des fentes, elle doit être déterminée en tenant compte de la bande de fréquences de fonctionnement de l'onde de propagation dans le câble eoaxial à fentes de fuite. Comme on l'a mentionné pour les câbles eoaxiaux à fentes 20 de fuite classiques, la valeur ^./p obéit également à la formule suivante : -^r + 1 > >^|- (-~r+ 1) (?) La formule (7) représente la bande de fréquences qui peut 25 être utilisée de façon stable en fonction de la périodicité p des fentes. Elle est tout-à-fait analogue à l'équation précédente (2) pour la condition du câble eoaxial classique, mais dans le cas de la présente invention le rapport de contraction V ' de la longueur d'onde est très différent de la valeur "9 pour un câble eoaxial 30 classique. Dans le cas d'un câble eoaxial classique, on prend au plus *0 = 0,67, pour obtenir le rayonnement d'onde monophasée. Au contraire, dans le cas de la présente irivention, par exemple la valeur de V ' peut être prise jusqu'à une valeur aussi petite que ' =0,2. En introduisant cette valeur dans l'équation (7)j on 35 obtient 1'équation suivante : 6 >X/p > 5 (8) On doit comprendre que, lorsqu'une longueur d'onde A de l'onde é-lectromagnétique de fuite est donnée, la périodicité p des fentes du câble eoaxial à fentes de fuite selon la présente invention doit 40 être rendue très petite par comparaison avec celle d'un câble eoa- 72 16282 9. 2135358 xial classique. Ceci est principalement efficace pour une bande de fréquences très faible pour laquelle il ne serait pas possible d'obtenir, avec un système classique, line périodicité de fentes p ayant une valeur faible. La périodicité p des fentes peut être ren-5 due très petite jusqu'à une fraction de la périodicité classique conformément à la présente invention. Ceci est très avantageux du fait de l'uniformité du niveau de couplage le long du câble eoaxial à fentes de fuite avec l'antenne d'un véhicule en mouvementc La figure 9 est une vue latérale d'un câble eoaxial â 10 fentes de fuite perfectionné, conformément à la présente invention. Les fentes sont agencées de telle manière que'des groxçjesde fentes dont les fentes élémentaires sont agencées de manière répétée avec une première périodicité constante,inférieure,égale à q et avec un angle d'obliquité constant a' par rapport à l'axe Z du câble sr > afin de fournir une grande gamme de largeur de bande de la fréquence utilisable et également afin de fournir une distribution suffisamment unirorme du champ électrique rayonné pour une bande de fréquences faible. La 20 condition établie par les formules (1) et (7) peut également être applicable au câble eoaxial à fentes de fuite, tel que représenté dans la figure 9. En conséquence, il est possible de rendre la bande de fréquences utilisable encore plus grande et de rendre encore plus uniforme la distribution du champ électrique de rayonne-25 ment pour une bande de fréquences faible le long du câble eoaxial à fentes de fuite. Dans tous les exemples de réalisation décrits précédemment, les fentes sur le conducteur extérieur ont une forme étroite et rectiligne mais la présente invention n'est pas limitée à l'uti-30 lisation de ces fentes et est applicable à toutes les formes de fentes ayant une composante verticale par rapport à la direction F du courant circulant sur la paroi interne du conducteur extérieur du câble eoaxial. On comprendra facilement que les fentes ayant une forma 35 quelconque avec une composante verticale sont équivalentes aux fentes étroites et reetilignes ayant un angle d'obliquité équivalent par rapport à l'axe du câble. Un tel câble eoaxial selon la présente invention peut ê-tre largement appliqué aux systèmes de communication. lj.0 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de • 72 16282 10. 2135358 réalisation qui viennent drê'tre décrits, ellé est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront l'homme de l'art-. 72 16282 n. 2135358 REVENDICATIONS 1 - Câble eoaxial à fentes de fuite, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur intérieur ayant une structure telle qu'elle retarde l'onde électromagnétique et un conducteur exté- 5 rieur comportant un agencement de fentes dans la direction de l'axe du câble. 2 - Câble eoaxial à fentes de fuite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agencement de fentes est constitué par des fentes ayant un angle d'obliquité ou un angle d'obliquité équi- 10 valent par rapport à l'axe du câble et agencées de manière répétée avec une périodicité constante. 3 - Câble eoaxial à fentes de fuite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agencement de fentes est constitué par des groupes de fentes, agencées de manière répétée avec une 15 première périodicité constante, les fentes d'un groupe étant obliques ou ayant une obliquité équivalente par rapport à l'axe du câble et étant agencées avec une seconde périodicité plus faible, différente de la périodicité des groupes de fentes. 4 - Câble eoaxial à fentes de fuite selon la revendiea- 20 tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur intérieur qui est constitué par un isolant de forme cylindrique et un conducteur enroulé sur lui en spirale. 5 - Câble eoaxial à fentes de fuite selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur intérieur 25 qui est constitué par un isolant de forme cylindrique et par plusieurs fils conducteurs enroulés sur lui en spirale. 6 - Câble eoaxial à fentes de fuite selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le conducteur du conducteur intérieur est constitué par un fil conducteur ou une 3° bande conductrice. 7 - Câble eoaxial à fentes de fuite selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit conducteur du conducteur intérieur est constitué de plusieurs conducteurs qui sont isolés les uns des autres. 35 8 - Câble eoaxial à fentes de fuite selon l'une, quelcon que des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit angle ou l'angle équivalent par rapport à l'axe du câble que fait la fente ou le groupe de fentes, prévus dans le conducteur extérieur sont déterminés conformément à l'angle d'enroulement en spirale du conducteur 40 intérieur afin d'obtenir la fuite correcte de l'onde électromagnétique .