Brevet FR2176574A1 — publié le 19731102

La présente invention concerne les circuits de télécommunications de haute et très haute fréquence à très grand nombre de voies. Un tel circuit est décrit dans le brevet français nQ 1.602.594 du 30 Décembre 1968 et dans l'article intitulé "Le circuit coaxial mixte" publié dans la revue Câbles et Transmission , nQ 4 , 1 6 , o.p. 402 à 415. Ce circuit se compose essentiellement d'un tube métalliaue de section circulaire enfermant un élément tubulaire coaxial de diélectrivue composite ayant une permittivité très élevée dans le sens longitudinal, une permittivité plus faible dans le sens radial et un angle de Dertes diélectricues très petit dans ces deux directions.L'élément diélectrisue composite du susdit circuit coaxial mixte n'est oas conducteur aux fréquences basses et ne peut donc pas être employé pour la téléalimentation des répéteurs. I1 en résulte sue ce type de circuit est inutilisable dans les cibles téléshoni- sues sous-marins de grande longueur ou la téléalimentation des répéteurs est nécessairement assurée par un conducteur métallicue central.Le susdit élément diélectrisue composite ne pourrait évidemment oas non olus jouer le rôle d'élément central de grande résistance mécaniaue longitudinale oui dans les câbles sous-marins modernes, dits câbles légers, supporte les efforts longitudinaux au cours de la pose. Tout en conservant la plus grande partie des avantages du susdit circuit coaxial mixte , le circuit selon l'invention cui sera appelé ci-après, pour abréger, "circuit coaxial composite" comporte, comme les paires coaxiales usuelles, un conducteur métallique central utilisable oour la téléalimentation et qui peut, en outre, constituer l'élément central de grande résistance mécanique des cibles sous-marins légers. La description de l'invention détaillée ci-après est illustrée par les figures suivantes oui ne sont données qu'à titre indicatif et non limitatif en précisant aue les figures 1 à 6 sont des figures schématicues oui ne sont pas à l'échelle - La figure 1 représente une coutre trånsversale et une coure longitudinale du circuit selon l'invention ;; - La figure 2 est un schéma oersoectif des couches intérieures du circuit montrant un mode possible de construction de l'élément tubulaire de dièlectrisue composite - Les figures 3 à 6 montrent les sens de circulation des courants électrivues longitudinaux à l'intérieur des différentes couches dans les domaines de fréquences qui seront définis ci-après , les petits cercles désignant l'un des sens de circulation et les croix le sens opposé - La figure 7 est une coupe transversale d'un circuit coaxial composite selon l'invention choisi comme exemple - La figure 8 est un graphique déphasage-fréquence du circuit selon l'invention choisi comme exemple; - La figure 9 est un graphique affaiblissement-fréquence du circuit selon l'invention choisi comme exemple. Comme il est montré sur la figure 1, le circuit selon l'invention est formé de couches cylindriques coaxiales comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur - un conducteur métallique extérieur 0 identique à celui des paires coaxiales ordinaires - - une couche diélectrique 1 de faible permittivité, de même nature que celle des paires coaxiales ordinaires ; s'il s'agit de circuits de câbles terrestres, cette couche peut donc être un diélectriaue mousse ou l'association dtun gaz et d'un dispositif de centrage des éléments intérieurs constitué, par exemple, par des rondelles diélectriques espacées ou par un tube mince de diélectrisue rétreint à intervalles réguliers ; sur les câbles sous-marins de grande longueur comme celui de l'exemple ci-après, la couche 1 est en diélectrique massif qui est, en général, du polyéthylène - une couche tubulaire 2 de diélectricrue composite de très grande permittivité dans le sens longitudinal, de permittivité plus Detite dans le sens radial et d'angle de pertes diélectrioues assez faible dans ces deux directions.La permittivité relative apparente Ez z mesurée dans le sens longitudinal sur une longueur au moins égale à une demi-longueur d'onde, doit être au moins égale à dix mille et l'angle de pertes correspondant doit être inférieur à un centième de radian ; - une couche tubulaire 3 de diélectrique à faibles pertes prés en tant une- permittivité apparente dans le sens longitudinal beaucoup Dlus petite que la permittivité apparente de la couche 2 dans le sens longitudinal et une permittivité apparente dans le sens radial au moins égale à 1,5 fois la permittivité moyenne de la couche 1 ; sur les circuits de câbles terrestres, cette couche peut donc être en polyéthylène plein ; sur les câbies sous-marins, cette couche peut être en polyéthylène chargé de bioxyde de titane. - un conducteur métallique intérieur plein ou tubulaire 4 sui peut enfermer un toron de'fils métalliques de grande résistance mécanique. La surface intérieure de ce conducteur sera supposée de cuivre lisse dans l'exemple ci-après. Le calcul montre cependant que, dans la partie SUDérieU- re de la bande de fréquences utiles , la résistance électrique de ce conducteur n'influe sue très peu sur les paramètres de propagation. I1 serait donc possible de remplacer le cuivre par un métal de plus faible conduoti- vité ou de remplacer le conducteur lisse par un toron de fils métallisues sans que l'augmentation de l'affaiblissement maximal dépasse quelques centièmes. I1 y a intérêt à donner au dit conducteur intérieur le plus petit diamètre possible compatible avec les conditions auxquelles il est assujetti pour assurer la téléalimentation des répéteurs et pour fournir éventuellement la résistance aux efforts mécaniques longitudinaux. le toute façon , le rapport du diamètre intérieur du conducteur extérieur 0 au diamètre extérieur du conducteur intérieur 4 ne doit pas être inférieur au rapport optimal de la paire coaxiale classique , c.-à-d. à 3,6. Les épaisseurs des couches diélectrirues sont assez peu critiques. Les valeurs optimales du rapport du diamètre extérieur au diamètre intérieur sont de l'ordre de 2 à 3 pour la couche 1 , de 1,1 à 1,4 pour la couche 2 et d'au moins 1,3 pour la couche 3. Le tube de diélectrisue composite 2 est analogue à l'élément comeosite du circuit coaxial mixte décrit dans les susdits brevet et article. I1 peut entre formé par superposition de rubans diélectrisues minces 5 alternant avec des lamelles métallisues très minces 6 espacées les unes des autres dans le sens longitudinal, comme il est représenté sehématisuement sur la figure 1. La figure 2 montre un mode de construction possible de ce tube. I1 est constitué par superposition de rubans diélectrisues 5 de plastique, tel que le polystyrène ou le tétrafluoréthylène, de 6 à 15 microns d'épaisseur alternant avec des lamelles métallicues 6 de 0,3 à 2 microns d'épaisseur. Ces lamelles sont réalisées en revêtant l'une des faces des rubans diélectriques d'une métallisation en forme de parallélogrammes espacés les uns des autres et des bords du dit ruban diélectrisue, de hauteur au plus égale au huitième de la longueur d'onde minimale des ondes électromagnétivues se propageant sur le circuit. Les rubans sont enroulés hélicoidalement en couches suDerpo- sées à bords jointifs disposées de façon telle sue les métallisations se trouvent toujours sur le mène c8té des rubans et sue chaque ruban recouvre symétrisuernent l'intervalle entre spires de la couche précédente. Les métallistions sont ainsi décalées de la moitié de leur hauteur d'une couche à la suivante en vue d'obtenir la permittivité apparente maximale dans le sens longitudinal. Pour éviter toute contrainte de torsion, les sens d'enroulement peuvent être inversés périodizuement, toutes les dix couches par exemple. Dans la bande de fréquences utiles du circuit coaxial composite selon l'invention, le seul mode de propagation possible des ondes électromagnétiques est le mode TM fondamental de révolution, c.-à-d. le mode TMOI. Les calculs théoriques du déphasage et de l'affaiblissement sont analogues à ceux qui sont détaillés dans le susdit article intitulé "Le circuit coaxial mixte" et dans l'article intitulé "Guides d'ondes circulaires avec couches diélectriques intérieures et tube métallique intérieur" publié dans la revue Câbles et Transmission, nm 1, 1969, p.p. 3 à 44.Ces calculs montrent que , du point de vue de la propagation, le circuit coaxial composite selon l'invention est assimilable à un filtre électrique à deux bandes passantes séparées par une fréquence de grand affaiblissement comme il est illustré par la figure 9 ci aprèse Chacune des deux bandes passantes se subdivise elle-même en deux domaines séparés par une fréquence de transition, c.-à-d. par une fréquence pour laquelle la composante longitudinale Ez du champ électrique dans l'une des couches est identiquement nulle. La propagation dans chacun de ces domaines est examinée ci-après et elle est illustrée gar des schémas précisant le sens de propagation du courant électrique longitudinal dans chacune des couches. Les désignations utilisées pour les susdits domaines rappellent le fait que , dans la méthode de perturbation utilisée pour les calculs, les fonctions de Bessel à argument réel qui interviennent dans la solution des équations de Maxwell relatives à chaque couche sont la fonction J (et la fonction N) aux fréquences inférieures à la fréquence de transition de la dite couche et la fonction K (et la fonction I) aux fré agences plus élevées.L'ordre des lettres est celui de la numérotation cidessus des couches diélectriques. La figure 3 montre la circulation des courants dans le domaine KJJ1. Le circuit selon l'invention n'a évidemment pas de fréquence de coupure inférieure. Aux fréquences les plus basses, qui sont celles du dit domaine KJJî, le mode de propagation ssapparente au mode TEM des circuits coaxiaux ordinaires. Le déphasage et l'affaiblissement sont ceux d'un tel circuit dans lequel la permittivité du diélectrique est la moyenne pondérée des permittivités radiales des couches 1, 2 et 3. Le faible courant longitudinal dans la couche 2 est de même sens sue le courant dans le conducteur central. Ce courant croit d'abord avec la fréquence, passe par un maximum et décroît ensuite pour s'annuler à la fréquence de transition TR2 de la couche 2. La figure 4 montre les sens de circulation des courants longitudinaux dans le domaine KKJ, c.-à-d. entre la dite fréquence TR2 et une fréquence de grand affaiblissement. Après la fréquence TR2, le courant dans la couche 2 est de sens inverse de celui du courant dans le conducteur central et il croît avec la fréquence. Aucune onde ne peut cependant se propager dans le circuit coaxial mixte formé par le conducteur central et la couche 2 car la fréquence est encore beaucoup plus basse aue la fréquence de coupure inférieure de ce dernier circuit. Le seul mode de propagation possible reste donc un mode quasi TEM entre les deux conducteurs métalliques. Nais, la couche 2 constitue un obstacle à la propagation des ondes de ce mode et l'affaiblissement finit par croître rapidement avec la fréquence. Les calculs théoriques montrent sue le déphasage du circuit reste très sensiblement linéaire depuis la fréquence zéro jusqu'à 1 ,6 fois environ la fréquence TR2. La figure 5 montre les sens de circulation des courants longitudinaux dans le domaine JJJ, c.-à-d. aux fréquences les plus basses de la susdite bande supérieure de fréquences. La propagation dans cette bande est assimilable à la cropagation dans le circuit coaxial mixte qui serait formé par la couche diélectrisue composite 2 et le conducteur extérieur 0 séparés par la couche 1. I1 a été montré dans les susdits brevet et article sur le circuit coaxial mixte que ce circuit possède une fréquence de coupure inférieure. Dans le circuit composite selon l'invention, cette fréquence est un peu plus élevée que la fréquence à laquelle l'affaiblissement devient très grand dans la bande inférieure.A partir de 1,3 fois environ la dite fréquence de coupure, le courant électrique longitudinal circule, en presque totalité, à l'intérieur du conducteur métallique extérieur dans un sens et à l'intérieur de la couche diélectrique 2 dans le sens opposé. Les courants longitudinaux dans le conducteur intérieur et dans la couche di électrique 3 sont de même sens que le courant dans le conducteur extérieur. Les intensités de ces courants sont beaucoup plus faibles que celle du courant dans le conducteur intérieur de la paire coaxiale usuelle et elles décroissent progressivement lorsque la fréquence croit.Les pertes correspondantes sont donc peu importantes et, à la fréquence de transition TR1 de la couche 1, elles ne dépassent pas suelsues centièmes des pertes dans le conducteur extérieur comme le montre le tableau ci-après. I1 existe également, dans la couche 1, un faible courant de même sens sue celui de la couche 2. Ce courant décroît avec la fréquence et il s'annule à la fréquence TR1. La figure 6 montre les sens de circulation des courants longitudinaux dans le domaine KJJ2, c.-à-d. aux fréquences supérieures à la dite frécuen- ce TR1. Après la transition, le courant électrique longitudinal dans la couche 1 est de même sens sue le courant dans le conducteur extérieur et il s'ajoute à ce dernier pour assurer le retour du courant circulant dans la couche 2. Le courant dans la couche 1 croit avec la fréquence et remplace progressivement le courant dans le conducteur extérieur.La propagation devient alors analogue à la propagation dans les cabales Durement diélectrisues qui est décrite, par exemple, dans l'article "Câbles diélectrioues cy lindrisues" publié dans le n 3, 1964 p.p. 225 à 263 de la revue Câbles et Transmission, et le conducteur extérieur ne joue plus alors qutun simple rôle d'écran. A partir de 1,5 fois environ la dite fréquence TRI, l'affaiblissement commence à croître assez rapidement avec la fréquence en raison de la concentration de l'énergie dans la couche diélectrique 2. A la fréquence TR, le déphasage linéique est égal au déphasage de l'onde plane se propageant dans la matière de la couche 1. Comme il sera montré plus loin sur la figure 8, le déphasage reste très sensiblement linéaire dans toute la gamme des fréquences utiles de la susdite bande supérieure. Les considérations qui précèdent et les caractéristiques de propagation des ondes sont illustrées par l'exemple du circuit selon l'invention dont la coupe transversale est représentée sur la figure 7. Ce circuit a les mêmes diamètres de conducteurs et le même isolant principal que le câble sousmarin SF utilisé dans le système transatlantique TAT5 à 720 voies reliant l'Espagne aux Etats-Unis décrit dans le na de Mai-Juin 1970 de la revue "The Bell System Technical Journal" p.p. 699 à 719.La spécification de ce cible est très voisine de celle du câble du système PENCAN 2 à 1 840 voies de 3 kHz, posé en 1971 entre lEspagne et les soles Canaries, décrit dans la Revue des Télécommunications, nQ 2, 1970, p.p. 195-196. Ces dimensions sont: Diamètre extérieur du conducteur intérieur : 8,38 mm Diamètre intérieur du conducteur extérieur : 38,1 mm Les autres dimensions du circuit selon l'invention sont: Diamètre intérieur de la couche 2 : 13,25 mm Diamètre extérieur de la couche 2 : 15,24 mm Le conducteur extérieur 0 et le revêtement du conducteur intérieur sont en cuivre lisse. La couche 1 est en polyéthylène de permittivité relative 61 = 2,25. Sa tangente de pertes diélectriques a été calculée par la formu- le donnée à la page 711 de l'article sur le câble SF dans la susdite revue. La couche 2 est construite selon la méthode illustrée par la figure 2. Elle est formée par enroulements successifs de rubans jointifs de polystyrène, de 8 microns d'épaisseur, portant, sur une face, une métallisation d'aluminium en forme de parallélogrammes de 1,3 micron d'épaisseur, de 29 mm de côté dans le sens longitudinal et de 30 mm de largeur dans le sens circulaire. Le pas d'enroulement est de 30 mm. Les permittivités relatives apparentes de cette couche, dans le sens longitudinal et tr dans le sens radial, calculées par les formules (2) et (4) du susdit article sur le circuit coaxial mixte sont respectivement #z = 7,5 106 et #r = 2,9 La couche 3 est un diélectrique isotrope à faibles pertes de permitti vité relative #3 = 6.Elle peut être réalisée en polyéthylène chargé à 35% en volume de bioxyde de titane. Les courbes de la figure 8 montrent la variation en fonction de la fréquence du rapport du déphasages du circuit composite ci-dessus au dé phasage p2 d'une onde plane de même fréquence se Dropageant longitudinalement dans la matière de la couche 2 nour la susdite bande inférieure et au déphasage p1 d'une onde plane de même fréquence se propageant longitudinalement dans la matière de la couche 1 nour la susdite bande supérieure. Les courbes de la figure 9 montrent, en trait continu, la variation en fonction de la fréquence de l'affaiblissement kilométrique du même circuit coaxial composite selon l'invention depuis la fréquence zéro jusqu'à la fréquence de 70 BEz. La variation de l'affaiblissement kilométrisue du susdit câble coaxial SF de mêmes diamètres de conducteurs est indiqué en trait discontinu à titre de comparaison. Le tableau ci-après donne la décomposition de l'affaiblissement kilométrisue des deux circuits ci-dessus aux frécuences de 25 et de 62 tEz. Affaiblissement en Cause de l'affaiblissement millinepers par kilomètre F = 25 !Ez F = 62 Hz Circuit Câble Circuit Câble coaxial SF coaxial SF composite composite Pertes dans les intérieur: 56 431 4 675 conducteurs métalliques extérieur: 150 95 220 149 # courants de Pertes dans la Fouc-ault dans couche diélectrique # les lamelles : 3 20 composite diélectricues : - 160 118 Pertes diélectriques dans les autres couches : 39 40 113 115 Total : 408 566 475 939 Les courbes de la figure 9 montrent sue l'affaiblissement du circuit coaxial composite varie relativement peu dans une gamme de fréquences s'étendant de 1,5 fois la fréquence de coupure de la bande supérieure à 1,2 fois la fréquence de transition de la couche 1. Compte tenu des pertes diélectriques, l'affaiblissement à la fréquence supérieure de cette gamme est environ moitié de celui de la paire coaxiale classique de même diamètre extérieur. Le circuit coaxial composite est en outre utilisable aux fréquences de la bande inférieure dans une gamme qui, bien que de largeur moindre que celle de la paire coaxiale classique, est cependant assez étendue. Les avantages qui en résultent peuvent être mis en évidence en comparant la largeur de la bande de fréquences utilisable du circuit coaxial composite selon l'invention qui fait l'objet de l'exemple précédent à celle du circuit coaxial classique de mêmes diamètres de conducteurs et de même affaiblissement kilométrique maximal supposé égal à 0,44 néper par kilomètre, c.-à-d. à celui des câbles sous-marins des systèmes les clus récents à 1 840 voies. On constate sur la figure 9 que, compte tenu de la limitation à 500 kHz de la fréquence inférieure d'utilisation, la largeur de bande du circuit coaxial classique est de 15 iHz tandis que celle du circuit coaxial composite selon l'invention est de Bande inférieure 6,5 Hz Bande supérieure 33,5 !Ez Total 40 Hz Le rapport des largeurs de bande est donc de 40/15 = 2,67 Si la bande inférieure n'est pas utilisée, ce rapport est encore de 33,5/15 = 2,23 Dans ce dernier cas, le circuit coaxial selon l'invention pourrait donc fournir, pour le même affaiblissement maximal, 4 300 voies de 3 kHz au lieu de 1 840 voies. Pour les connexions terminales, les deux conducteurs des circuits extérieurs de téléalimentation et de transmission des ondes de la susdite bande inférieure de fréquences doivent être reliés respectivement au conducteur extérieur et au conducteur métallique intérieur du circuit selon l'invention. Les deux conducteurs des circuits extérieurs de transmission des ondes de la susdite bande supérieure de fréquences doivent être reliés respectivement au conducteur extérieur et aux lamelles métallisues 6 des figures 1 et 2 court-circuitées entre elles aux extrémités du circuit selon l'invention. Dans le cas o un circuit extérieur unique est utilisé pour la téléalimen tation et pour la transmission des ondes de toutes fréquences, la séparation peut se faire au moyen d'un filtre d'aiguillage. I1 est bien entendu aue l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples non limitatifs Elle serait applicable à des circuits de configuration plus élaborée tels que, par exemple, des circuits où une couche diélectrivue composite et une autre couche diélectrisue analogues aux couches 2 et 3 de la figure 2 seraient insérées entre la couche 1 et le conducteur extérieur. REEXKDICADIONS i. Circuit coaxial de télécommunications par ondes électromagnétiques de hautes et très hautes fréquences caractérisé par le fait que le circuit comprend, de l'extérieur vers l'intérieur, un conducteur métallique 0, une couche diélectrique cylindrique 1 de meme nature que celle des circuits coaxiaux usuels, une couche cylindrique 2 de diélectrique composite anisotrope de très grande permittivité apparente dans le sens longitudinal, une couche diélectrique cylindrique 3 de permittivité supérieure à celle de la couche 1 dans le sens radial, un conducteur intérieur métallique 4. 2. Circuit coaxial selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la permittivité apparente de la couche 3 dans le sens radial est au moins égale à 1,5 fois la permittivité moyenne de la couche 1. 3. Circuit coaxial selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le rapport du diamètre extérieur au diamètre intérieur de la couche 3 est au moins égal à 1,3. 4. Circuit coaxial selon la revendication 1 caractérisé pàr le fait que la couche 2 présente, aux fréquences utiles et sur une longueur au moins égale à la roitié de la longueur d'onde minimale pour ces fréquences, une permittivité relative apparente dans le sens longitudinal au moins égale à dix mille, une permittivité apparente beaucoup plus faible dans le sens radial et un angle de perte inférieur à un centième de radian dans ces deux directions0 5. Circuit coaxial selon la revendication 4 caractérisé peir le fait que la couche 2 est formée par superposition d'enroulements hélicodaux jointifs de rubans diélectriques à faibles pertes alternant avec des lamelles métalliques de 0,3 à 2 microns d'épaisseur électriquement isolées les unes des autres, la longueur des dites lamelles dans le sens longitudinal ne dépassant pas le huitième de la longueur minimale des ondes électromagnétiques utiles, les dites lamelles étant disposées de telle sorte que, dans le sens longitudinal, chaque lamelle recouvre symétriquement l'intervalle entre les lamelles placées immédiatement su-dessous. 6o Circuit coaxial selon 12 revendication 5 caractérisé par le fait que les dites lamelles sont réalisées par nétallisation des dits rubans diélectriques. 7. Circuit coaxial selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le ranport du diamètre extérieur au diamètre intérieur de la dite couche 2 est compris ettre 1,1 et 1,4.