Brevet FR2640819A1 — publié le 19900622

CABLE SEMI-RIGIDE DESTINE A LA TRANSMISSION DES ONDES HYPERFREQUENCE La présente invention se rapporte & un cable semi- rigide destiné à la transmission des ondes hyperfréquence, telles que les ondes utilisées par exemple dans les radars ou pour la diffusion par cable de la télévision, notamment la télévision numérique de haute définition. Les antennes de radar que l'on tend de plus en plus à réaliser actuellement sont des antennes actives échantillonnées en surface, et donc constituées d'un très grand nombre de modules élémentaires, actifs et rayonnants, chacun de ces modules comportant un émetteur et un récep- teur élémentaires propres. Une antenne de radar de ce type dont les dimensions, en largeur et en hauteur, sont géné- ralement de plusieurs mètres chacune, peut comprendre jusqu'à plusieurs milliers de ces modules émetteur- récepteur élémentaires. Pour ce genre d'antenne, il faut pouvoir achemi- ner, au moyen d'un nombre de cables de transmission d'ondes hyperfréquence au moins égal au nombre de modules, sur ce réseau d'émetteurs et de récepteurs: 20. d'une part les signaux de pilotage pour l'émission, d'autre part les signaux de démodulation (le signal de l'oscillateur local pour la fonction de réception). Les signaux captés par ces récepteurs élémentai- res doivent en outre pouvoir être acheminés en retour vers l'installation de traitement, qu'elle soit de type analogi- que ou de type numérique. Il est donc nécessaire d'équiper ce genre d'antenne d'un réseau de cables de distribution de signaux hyperfréquence, qui peut au total nécessiter l'utilisation de plusieurs kilomètres de cables de ce type pour une même antenne. Ces cables de transmission sont soumis à des contraintes et exigences sévères. Ils doivent être totale- ment exempts de diaphonie l'un par rapport à l'autre. Ils doivent être parfaitement blindés vis-à-vis de l'extérieur, afin en particulier de leur éviter de capter des signaux parasites ou d'être sensibles à des brouillages ou des interférences. Afin de parfaitement conserver les lois de phase de l'illumination, il ne doivent pas avoir de bruits de phase: leur phase doit être stable et répétitive en dépit des démontages, transports, et remontages. Des cables satisfaisant de telles contraintes pourraient également être nécessaires à l'avenir pour équiper les réseaux de diffusion de télévision numérique à haute définition. Les bandes passantes nécessaires seront si élevées qu'il faut s'attendre à rencontrer de grosses difficultés pour trouver des canaux hertziens en nombre suffisant sans provoquer des interférences: il pourrait par suite être nécessaire de se rabattre sur une diffusion cablée, si l'on veut pouvoir obtenir une qualité satisfai- sante pour les signaux reçus par les utilisateurs, ainsi qu'un rayon de diffusion suffisant. Le cable hyperfréquence le plus répandu est le cable coaxial à gaine métallique tressée. Ce genre de cable n'est exempt de diaphonie que s'il est à double gaine. Il comporte par suite un conducteur central à section circu- laire, entouré d'un diélectrique lui-même entouré par deux gaines métalliques tressées superposées, à tresse de haute densité classique, l'ensemble étant bien entendu enrobé dans une gaine externe isolante, apte à assurer la protec- tion mécanique et l'étanchéité. Ces cables classiques ne conviennent cependant pas parfaitement, en raison surtout des bruits de contact, dits "bruits de tresse", qui tendent à apparaître dans les deux tresses superposées. Ces bruits de tresse, qui interviennent en particulier lors des vibra- tions ou autres déplacements du cable, sont préjudiciables à la bonne transmission des ondes hyperfréquence. Par ail- leurs, la qualité des contacts entre les deux gaines tres- sées évolue dans le temps, surtout aux extrémités de cable. En outre, ces cables sont sujets à des bruits de phase qui sont dans certains cas assez préjudiciables. Enfin, après une flexion de cable ou un cycle en température, le mouve- ment des deux gaines tressées n'est pas forcément inverse, de sorte que l'on assiste à des évolutions de caractéristi- ques. Ce cable classique à double-gaine tressée n'est donc pas techniquement vraiment satisfaisant pour l'utilisation souhaitée. La solution connue qui est actuellement la plus satisfaisante du point de vue des performances, consiste à utiliser des cables coaxiaux semi-rigides qui sont consti- tués d'une âme centrale métallique pleine entourée d'un diélectrique, qui est en général un diélectrique à faibles pertes tel que le polyéthylène ou le PTFE, lui même étant enrobé d'un conducteur extérieur en cuivre massif. Ce type de cable coaxial à gaine métallique massi- ve se prête cependant mal à la fabrication par tréfilerie continue. Pour certaines dimensions de cable sont utilisées des solutions consistant à fabriquer ce conducteur exté- rieur en enroulant une bande de t8le autour de son axe lon- gitudinal de façon à la positionner bord à bord, puis en soudant en continu ces deux bords. Le cable est avantageu- sement corrugué pour faciliter les mises en forme. Quoi qu'il en soit, ce cable est très coûteux et il ne peut être réalisé à l'échelle industrielle que pour des longueurs limitées. Il se prête donc mal aux applica- tions précitées, o il est nécessaire d'implanter de très grandes quantités de longueur de cable. Il a en outre pour inconvénient de faire appel à chaque extrémité à des con- necteurs assez coûteux. Il se prête enfin mal à la trans- mission multiple de signaux de service auxiliaires (voies téléphoniques, signaux de compte-rendu de tests sur un matériel éloigné, etc...). L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à un cable semi-rigide desti- né à la transmission des ondes hyperfréquences, ce cable comportant au moins: un conducteur central plein, qui peut être un conducteur classique à section circulaire, mais qui est préféren- tiellement constitué par un ruban métallique; un diélectrique qui enrobe ce conducteur central; la section de ce diélectrique a une allure générale quasi- rectangulaire, avec deux grandes faces extérieures planes et placées symétriquement et de part et d'autre du con- conducteur central de manière à former la partie diélec- trique d'une ligne du genre triplaque; deux couches conductrices extérieures, constituées de ru- bans métalliques continus revêtant respectivement au moins la majeure partie en largeur de chacune des deux grandes faces planes de la section quasi-rectangulaire du diélectrique, de façon à constituer une ligne triplaque avec le conducteur central et le diélectrique; et au moins une gaine métallique de blindage entourant cette ligne triplaque. La largeur de chacune des couches conductrices extérieures en ruban métallique de la ligne triplaque est en général de plusieurs fois supérieure, et préférentielle- ment de l'ordre de trois fois supérieure, soit à l'espace- ment entre ces deux conducteurs plans extérieurs (c'est à dire à l'épaisseur du diélectrique), soit à la largeur du conducteur central (prise dans le plan médian de la ligne triplaque, parallèle à ces conducteurs plans) au cas o cette largeur est supérieure à l'espacement précité entre les conducteurs plans extérieurs. L'épaisseur du diélec- trique est bien entendu choisie pour que la ligne triplaque soit d'impédance caractéristique voulue. En pratique, pour les diélectriques les plus employés et pour les impédances caractéristiques courantes, l'épaisseur du diélectrique est du même ordre de grandeur que la largeur du conducteur central prise dans le plan médian de la ligne triplaque, c'est-à-dire le plan central parallèle aux conducteurs extérieurs plans de cette ligne triplaque. Par exemple, cette épaisseur du diélectrique est choisie sensiblement égale à cette largeur du conducteur central. Selon une première forme de réalisation, la gaine de blindage précitée recouvre pratiquement directement la ligne triplaque. Dans ce cas, le diélectrique est avanta- geusement de largeur supérieure (préférentiellement légère- ment supérieure) à celle des deux conducteurs extérieurs plans de la ligne triplaque, et les bords du rectangle qui constitue la section de ce diélectrique sont arrondis dans la partie de ce rectangle qui est extérieure à ces conduc- teurs plans, de manière à épouser la forme de la gaine de blindage. Selon une autre forme de réalisation, plus per- formante quoique plus onéreuse, ce cable hyperfréquence comporte en outre, entre la ligne triplaque et la gaine de blindage précitée, une gaine en matériau absorbant pour les ondes hyperfréquence dans le spectre d'utilisation du cable o des modes supérieurs peuvent s'y propager. La section extérieure de cette gaine absorbante a préférentiellement une allure elliptique, le grand axe de l'ellipse étant sensiblement confondu avec le plan médian de la ligne tri- plaque, qui est parallèle aux deux conducteurs plans exté- rieurs de cette ligne. L'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, au cours de la description suivante de deux exemples non limitatifs de réalisation de ce cable semi-rigide pour ondes hyperfré- quence, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: - Figure 1 est une vue en perspective écorchée d'une pre- mière forme de réalisation du cable; 2640B? - Figure 2 est une vue en coupe transversale selon II-II de figure 1; - Figure 3 est une vue en perspective écorchée d'une secon- de forme de réalisation de ce cable; et - Figure 4 est une vue en coupe transversale selon IV-IV de figure 3. En se reportant tout d'abord aux figures 1 et 2, ce cable semi-rigide pour micro-ondes comporte, dans cette première forme de réalisation: 10. Un conducteur central 1, constitué d'un ruban métallique continu, bon conducteur, de largeur a. Deux bandes 2, 3, en matériau diélectrique semi-rigide à faibles pertes, tel qu'un polyéthylène. Ces deux bandes 2, 3 sont identiques et elles sont conformées pour que, posées l'une sur l'autre comme représenté, elles enser- rent étroitement et symétriquement le conducteur central 1, formant ainsi un diélectrique dont la section a une allure générale de rectangle à bord arrondis. L'épais- seur totale e du diélectrique 1, 2 ainsi formé est choi- sie ici sensiblement égale à la largeur a du ruban 1, cette épaisseur e (et donc la largeur a) étant celle nécessaire pour former une ligne triplaque d'impédance caractéristique voulue. Les bords 4 du rectangle formant la section du diélectrique sont arrondis comme représen- té. Deux couches conductrices extérieures identiques 5, 6, constituées chacune d'un ruban métallique et bon conduc- teur. Chacun de ces rubans revêt une des faces extérieu- res planes du diélectrique 2, 3 et est donc parallèle au plan X contenant le ruban central 1. Les deux rubans 5, 6 ont typiquement une largeur Li égale ou supérieure à trois fois la largeur a du ruban central 1, et ils cons- tituent avec ce dernier et avec le diélectrique 2, 3 une ligne triplaque d'impédance caractéristique voulue. Les faces extérieures planes des deux bandes diélectriques 2, 3 ont la même largeur Li que ces rubans 5, 6,ces derniers se terminant donc, dans le sens transversal, à la nais- sance des arrondis 4 des angles extérieurs du "rectangle" qui forme la section du diélectrique 2, 3. 5. Une gaine ordinaire de blindage 7, qui entoure étroite- ment cette ligne triplaque 1, 2-3, 5, 6. Dans cet exem- ple, cette gaine 7 est constituée d'une tresse métalli- que classique; elle pourrait aussi bien être classique- ment constituée d'un ruban métallique continu replié dans le sens longitudinal autour de la ligne triplaque préci- tée, et refermé par sertissage. Une gaine de protection mécanique extérieure classique 8, en matière plastique souple, apte à assurer l'étanchéité du cable et sa protection contre les chocs ou autres agressions extérieures. Cette gaine enrobe la gaine de blindage 7. Ainsi constitué, ce cable est apte à propager une onde hyperfréquence selon le premier mode guidé, qui est le mode transverse électromagnétique représenté par les flè- ches sur la figure 2. Dans le sens transversal, les deux vecteurs champ électrique El, Ez ne sont véritablement égaux et opposés qu'à une distance suffisante de la ligne centrale 1: ce n'est qu'à cette distance que l'on peut être assuré qu'ils s'annulent et n'engendrent par suite pas de fuite de champ électrique vers l'extérieur de la ligne triplaque. C'est pourquoi la largeur Li des rubans exté- rieurs 5, 6 est choisie nettement supérieure à la largeur a du ruban central 1. Il convient de remarquer qu'une telle propagation n'est possible sans parasites que si la fréquence de l'onde électromagnétique est inférieure à la fréquence de propaga- tion du premier mode parasite supérieur. Cette fréquence est donnée par la formule: c 2 F x L2 2 x r x L2 dans laquelle c est la vitesse de lumière, r est la cons- tante diélectrique relative du matériau diélectrique, et L2 est la largeur maximale des bandes de diélectrique. Au dessus de cette fréquence F, ce mode parasite introduit des perturbations intolérables, de sorte que la bande passante du cable de la figure i est pratiquement limitée en valeur supérieure par cette fréquence F. C'est pourquoi la largeur L2 ne doit pas être choisie trop grande non plus, afin de ne pas trop diminuer la largeur de cette bande passante: la valeur L1i 3 a a été choisie dans cet exemple d'exécution. Dans le cas o a serait choisi différent de e, la valeur de L1peut être choisie égale à 3 fois la plus grande des deux valeurs a et e. En d'autres termes: Li 3 a si a est supérieur à e et L1 - 3 e si e est supérieur à a La gaine de blindage extérieure 7 ne participe pas à la propagation de l'onde radioélectrique, comme c'est le cas pour les cables de la technique antérieure. Il s'agit d'une gaine de blindage ordinaire qui a pour fonction d'accroître les performances d'étanchéité radioélectrique du cable par rapport aux diaphonies et interférences: elle crée une barrière finale au rayonnement vers l'extérieur, et elle sert à la réjection des signaux en provenance de l'extérieur. Cette gaine peut être imprécise dans sa réa- lisation, du fait qu'elle ne participe pas à la définition de l'impédance caractéristique de la ligne, et qu'elle n'est pas susceptible de contribuer à la génération de bruits d'amplitude et de phase. Il peut donc s'agir d'une gaine à bon marché. Les arrondis 4 des plaques diélectriques 2, 3 ont pour but de s'accomoder des contraintes mécaniques de réalisation de la gaine de blindage 7. Il serait en effet difficile d'obtenir un blindage métallique qui se mette en forme autour d'une barre à section rectangulaire présentant des angles vifs: les arrondis 4 ont pour r8le d'éviter cette difficulté, et de permettre par suite la mise en place aisée d'un blindage métallique présentant des arrondis, et donc sans angles vifs. Le cable qui vient d'être décrit peut être réalisé à très faible coût, en utilisant les techniques de tréfila- ge et d'extrusion en continu. Néanmoins, sa bande passante d'utilisation est pratiquement limitée en valeur supérieure par la fréquence F. ci-dessus définie, qui correspoond à la possibilité de propagation du mode supérieur parasite. Par ailleurs, les vecteurs champ Es et E2 (figure 2) sur les lèvres de la ligne triplaque ne sont rigoureusement égaux et opposés, que si la symétrie de cette ligne triplaque est parfaite. tous les points de vue. S'il existe en revanche une dissy- métrie - par exemple si le conducteur central 1 n'est pas rigoureusement à mi-chemin entre les deux conducteurs ex- térieurs 5 et 6, ou s'il existe des variations d'indice dans le diélectrique 2, 3 en raison de manques d'homogé- néité - les deux vecteurs champ EB et Et précités peuvent avoir chacun une amplitude légèrement différente, et ils peuvent alors donner naissance à une petite composante de champ de valeur absolue (El - E2), qui tend à fuir vers l'extérieur. Cette composante peut donner naissance à une propagation par mode parasite pour les fréquences supé- rieures à la fréquence F ci-dessus définie et conduisant à des absorptions par résonances. Ces phénomènes de résonance se traduisent par des absorptions discrètes à certaines fréquences et aux harmo- niques de ces fréquences. En outre, compte tenu de l'envi- ronnement, il peut y avoir apparition de résonances multi- ples causées par des espacements différents, des dissymé- tries. A noter que la torsion du cable lors de son installation crée nécessairement ce genre de dissymétrie. Le blindage a bien pour rôle de s'opposer à la propagation vers l'extérieur d'une telle composante de mode parasite, mais son efficacité est nulle vis-à-vis des résonances internes à la ligne et pouvant exister dès que la fréquence atteint ou excède la valeur F précitée. Les figures 3 et 4 représentent une seconde forme de réalisation de ce cable, plus sophistiquée et donc plus onéreuse, qui a pour avantage de pallier aux inconvénients précités du cable de la figure 1. Ce cable est donc à bande plus large que le précédent, et son absorption de la petite composante de fuite en cas de dissymétrie est beaucoup plus satisfaisante. Il peut également remplir une fonction de filtre absorbant d'harmoniques aux fréquences supérieu- res à la fréquence de coupure F du premier mode parasite de propagation. Ce second cable diffère du précédent essentielle- ment par le fait qu'il comporte, entre la ligne triplaque (1, 2, 3, 5, 6) et la gaine métallique de blindage 7 (qui est représentée dans ce cas, à titre illustratif, comme une gaine classique constituée d'une bande métallique enroulée sur un tour autour de son axe longitudinal et sertie en ), une relativement épaisse gaine supplémentaire 9, réa- lisée en matériau absorbant pour les ondes hyperfréquence dans tout le spectre des fréquences supérieures à la fré- quence de coupure du premier mode parasite pouvant se pro- pager dans le cable. Le matériau utilisé pour la gaine 9 est par exemple un caoutchouc chargé au graphite, ou un caoutchouc chargé avec des particules d'oxyde métallique finement divisées. Il est dans tous les cas constitué par un très mauvais matériau diélectrique. Cette gaine absorbante 9 peut être avantageusement obtenue par extrusion d'un plastique chargé ou par enruban- nage hélicoïdal d'un tel plastique. Sa forme extérieure est préférentiellement elliptique comme représenté, le grand axe de l'ellipse étant alors confondu avec le plan médian X 26408 9 il de la ligne triplaque, qui contient le conducteur central 1. Le volume utile de la gaine absorbante 9 est en effet localisé autour des deux bords.de la ligne triplaque et, pour une question d'économie de matière et de moindre poids, il convient d'adopter, pour la section de la gaine 9, une solution pour laquelle le maximum de matière absorbante se situe autour des lèvres des conducteurs extérieurs 5 et 6. Par ailleurs, une forme arrondie est souhaitable pour permettre la réalisation aisée de la gaine de blindage 7. La forme elliptique adaptée répond à ces impératifs, et a pour avantage d'être une forme simple, qui se referme de manière progressive et continue, et qui rend la gaine 9 aisée à fabriquer par tréfilage ou extrusion. Une telle structure de cable permet: - d'obtenir des caractéristiques de bruit et de stabilité aussi bonnes que celles de cables coaxiaux semirigides à conducteur extérieur massif fermé, qui eux se prêtent mal aux procédés de cablerie continue; - d'obtenir des caractéristiques d'étanchéité radioélectri- que aussi bonnes ou supérieures à celle des cables coa- xiaux à double gaine conductrice extérieure tressée; - d'avoir une bonne adaptation mécanique et radioélectri- que aux structures terminales planes, par exemple du type triplaque, microstrip et circuit imprimé; - d'utiliser une méthode de production en processus continu automatisé, permettant la réalisation de très grandes longueurs ainsi que des cots diminués; - d'exploiter un nombre relativement élevé de voies auxi- liaires séparées, de service ou autres, pour des signaux de natures et de fréquences différentes, par exemple, dans le cas du cable selon la figure 3: deux voies bifilaires respectivement entre le conduc- teur 1 et le conducteur 5, et entre le conducteur 1 et le conducteur 6; 35. une voie bifilaire entre le conducteur 5 et le conduc- teur 6; deux voies fibilaires respectivement entre les conduc- teurs 7 et 5 et entre les conducteurs 7 et 6, sous réserve bien entendu que la gaine 9 soit isolante élec- triquement aux fréquences adoptées pour les voies auxi- liaires utilisées; une voie bifiliaire entre les conducteurs i et 7. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée aux deux exemples de réalisation qui viennent d'être décrit, et le cable est susceptible d'Atre réalisé sous d'autres formes équivalentes, mais comportant toujours une ligne triplaque conformée pour ne pas avoir de fuite du champ du mode fondamental vers l'extérieur et au moins un blindage ordinaire entourant cette ligne triplaque. C'est ainsi que l'on ne sortirait par exemple pas du cadre de l'invention en remplacant, par exemple dans le cas de cables de petite section, le ruban plat constituant le conducteur central par un conducteur ordinaire à section cylindrique. REVENDICATIONS 1 - Cable semi-rigide destiné à la transmission des ondes hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comporte au moins: un conducteur central (1); 5.. un diélectrique (2, 3) enrobant ce conducteur central (1), la section de ce diélectrique ayant une allure générale quasi-rectangulaire, comportant deux grandes faces extérieures planes placées symétriquement et de part et d'autre du conducteur central, de manière à former la partie diélectrique d'une ligne du genre triplaque; deux couches conductrices extérieures (5, 6), constituées de rubans métalliques continus, revêtant respectivement au moins la majeure partie de chacune des deux grandes faces planes de la section quasi-rectangulaire du diélec- trique (2, 3) de façon à constituer une ligne triplaque avec le conducteur central (1) et ce diélectrique; et au moins une gaine métallique de blindage (7) entourant cette ligne triplaque. 2 - Cable semi-rigide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur (Li) de chacun des deux conducteurs extérieurs (5, 6) est de plusieurs fois supé- rieure soit à l'espacement (e) entre ces deux conducteurs plans, soit à la largeur (a), du conducteur central (1) - prise dans le plan médian (X) de la ligne triplaque paral- lèle à ces conducteurs plans (5, 6) - au cas o cette lar.- geur (a) est supérieure à cet espacement (e). 3 - Cable semi-rigide selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) du diélectrique est du mime ordre de grandeur que la lar- geur (a) du conducteur central (1) prise dans le plan mé- dian (X) de la ligne triplaque (1-3, 5, 6), parallèle aux conducteurs extérieurs plans (5, 6) de cette ligne. 4 - Cable semi-rigide selon l'une des revendica- tions i à 3, caractérisé en ce que la largeur (L) de chacun des deux conducteurs extérieurs plans (5, 6) de la ligne triplaque est de l'ordre de trois fois supérieure soit à l'espacement (e) entre ces deux conducteurs plans, soit à la largeur (a) du conducteur central plein (1) prise dans le plan médian (X) de la ligne triplaque, parallèle à ces conducteurs plans (5, 6) - au cas o cette largeur (a) est supérieure à cet espacement (e). - Cable semi-rigide selon l'une des revendica- tions i à 4, caractérisé en ce que le diélectrique (2, 3) est de largeur (La) totale supérieure à celle (L1)des deux conducteurs extérieurs plans (5, 6) de la ligne triplaque, et en ce que les bords (4) du rectangle qui constitue la section de ce diélectrique sont arrondis dans la partie de ce rectangle qui est extérieure à ces deux conducteurs plans, de manière à épouser la forme de la gaine de blinda- ge (7) recouvrant alors cette ligne triplaque (1-3, 5, 6). 6 - Cable semi-rigide selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, entre la ligne triplaque et la gaine de blindage, une gaine (9) en matériau absorbant pour les ondes hyperfréquence dans le spectre des fréquences o un mode supérieur peut se propager. 7 - Cable semi-rigide selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section extérieure de cette gaine absorbante (9) a une allure elliptique, le grand axe de l'ellipse étant sensiblement confondu avec le plan médian (X) de la ligne triplaque, parallèle à ces deux conducteurs extérieurs plans (5, 6).