Brevet FR2690280A1 — publié le 19931022

DISPOSITIF RAYONNANT A LARGE BANDE PASSANTE La présente invention concerne un dispositif rayonnant à large bande passante. On appelle dispositif rayonnant un dispositif comprenant au moins deux lignes rayonnantes. L'une de ces lignes rayonnantes est constituée soit d'un câble coaxial rayonnant, soit d'un guide d'ondes rayonnant, et la seconde de ces lignes est constituée soit d'une ligne monofilaire, soit d'une ligne bifilaire. On traitera dans la suite le cas des dispositifs rayonnants comportant un câble coaxial rayonnant, mais les propos tenus concernent également les dispositifs comportant un guide d'ondes rayonnant. Les câbles coaxiaux rayonnants sont généralement destinés à assurer des télécommunications en milieux confinés (galeries ou tunnels par exemple). Ils sont constitués, en général, d'un conducteur central entouré d'une enveloppe en un matériau diélectrique, elle-même entourée d'un conducteur extérieur tubulaire muni d'ouvertures réparties sur sa longueur. L'ensemble peut être gainé au moyen d'un matériau isolant. De tels câbles fonctionnent dans une bande de fréquences, appelée bande passante, déterminée par un certain nombre de paramètres. Il est par ailleurs bien connu de suspendre un câble rayonnant à une paroi par l'intermédiaire d'un porteur disposé parallèlement au conducteur extérieur du câble et solidaire de ce dernier au moyen d'une gaine en un matériau isolant entourant à la fois le conducteur extérieur et le porteur, de sorte que cette gaine a une section en forme de huit bien connue. La limite supérieure de la bande passante est fonction des pertes linéiques acceptables le long du câble et de l'agencement des ouvertures pratiquées dans le conducteur extérieur. Elle peut êtro fixée par exemple par le niveau de pertes linéiques spécifié par l'utilisateur du câble par exemple. En pratique, la limite supérieure de la bande passante est de l'ordre de quelques gigahertz. La limite inférieure de la bande passante dépend principalement du niveau de champ rayonné souhaité. Aux fréquences inférieures à cette limite, le champ rayonné par le câble est jugé trop faible pour être exploitable. En effet, aux basses fréquences, les dimensions des ouvertures du conducteur extérieur sont petites par rapport à la longueur d'onde. Le gain de l'antenne élémentaire équivalente à une ouverture étant proportionnel au rapport entre la surface de l'ouverture considérée et la longueur d'onde, il est donc très faible aux basses fréquences. En pratique, la limite inférieure de la bande passante est de tordre de quelques mégahertz. Pour diminuer cette limite inférieure, il est connu d'utiliser un dispositif rayonnant comportant d'une part le câble coaxial rayonnant, et d'autre part une ligne bifilaire installée dans le même milieu que le câble rayonnant, et prenant le relais de la transmission aux basses fréquences, en pratique jusqu'à environ 100 à 150 kHz. La ligne bifilaire est constituée de deux conducteurs isolés l'un de l'autre et formant un circuit fermé entre une charge et un émetteur (ou un récepteur). Les deux conducteurs sont relativement proches l'un de l'autre, de sorte que la ligne bifilaire est peu sensible aux perturbations du milieu environnant. Toutefois, une telle solution n'est pas satisfaisante, car elle nécessite l'installation de trois éléments : le câble rayonnant et les deux conducteurs de la ligne bifilaire. Ceci est complexe et coûteux, surtout dans un milieu confiné où l'espace nécessaire aux dispositifs utilisés pour réaliser l'installation est souvent réduit. La présente invention a donc pour objet de réaliser un dispositif rayonnant à large bande passante dont la mise en oeuvre en milieu confiné est moins complexe que celle des dispositifs classiquement utilisés. La présente invention propose à cet effet un dispositif rayonnant comportant - un conducteur tubulaire allongé le long d'un axe longitudinal et muni d'ouvertures, un porteur constitué d'un élément métallique disposé parallèlement audit conducteur tubulaire et solidaire dudit conducteur tubulaire par l'intermédiaire d'une gaine en un matériau isolant disposée autour dudit porteur et dudit conducteur tubulaire de manière à isoler électriquement ledit porteur dudit conducteur tubulaire, - une ligne bifilaire constituée de deux conducteurs isolés disposés parallèlement l'un à l'autre, caractérisé en ce que lesdits conducteurs de ladite ligne bifilaire sont constitués respectivement dudit porteur métallique et dudit conducteur tubulaire. On qualifie de tubulaire un élément cylindrique de section quelconque et constante sur toute sa longueur. En utilisant le porteur d'un câble ou d'un guide d'ondes rayonnant comme élément de la ligne bifilaire, on évite d'avoir à utiliser une ligne bifilaire indépendante dont l'installation est coûteuse et complexe à réaliser. De plus, un tel dispositif est facilement réalisable à partir de produits ou de technologies existants, les câbles ou guides d'ondes rayonnants à porteurs étant déjà fabriqués depuis longtemps. Selon une caractéristique du dispositif précédent, un système d'émission ou de réception de l'énergie est connecté électriquement à l'une des extrémités de la ligne bifilaire entre le porteur et le conducteur tubulaire. Il est éventuellement possible de connecter électriquement un transformateur entre ce système et la ligne bifilaire. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas où le système utilisé est asymétrique, le transformateur étant alors un transformateur asymétrique-symétrique. On peut aussi utiliser dans ce cas à la place d'un transformateur tout circuit équivalent permettant de remplir la même fonction, notamment un montage de transistors. Par ailleurs, lorsqu'un transformateur est utilisé, il est avantageux de choisir les dimensions respectives des sections du porteur et du conducteur tubulaire et la distance entre ces deux éléments de manière à ce que l'impédance caractéristique de la ligne bifilaire formée soit conforme aux standards d'impédance d'entrée ou de sortie des transformateurs disponibles sur le marché. Bien entendu, il est préférable de connecter à l'extrémité de la ligne bifilaire opposée à celle reliée au système d'émission ou de réception, entre le conducteur tubulaire et le porteur, une charge adaptée à ce système. Le porteur métallique sera de preférence constitué d'un métal ayant de bonnes propriétés mécaniques, notamment de résistance à la traction, et électriques, notamment de faible résistance ohmique, comme l'acier cuivré ou un alliage d'aluminium et de magnésium comme l"'ALMELEC" (marque déposée). De plus, ce porteur peut être constitué d'un toron de fils métalliques ou d'un monofil métallique. Selon un mode de réalisation possible, le dispositif selon l'invention~peut comporter en outre un conducteur dit conducteur intérieur disposé intérieurement et coaxialement au conducteur tubulaire, et une enveloppe en un matériau diélectrique interposée entre le conducteur tubulaire et le conducteur intérieur, de manière à constituer un câble coaxial rayonnant. Dans ce cas, un deuxième système d'émission ou de réception de l'énergie est connecté électriquement à l'une des extrémités du câble coaxial rayonnant entre le conducteur intérieur et le conducteur tubulaire pour permettre le fonctionnement du câble rayonnant. I1 est alors préférable de connecter électriquement à l'extrémité du câble coaxial rayonnant opposée à celle reliée au système d'émission ou de réception, entre le conducteur intérieur et le conducteur tubulaire, une charge adaptée à ce système. Selon un autre mode de réalisation possible, le conducteur tubulaire a une section circulaire, elliptique ou rectangulaire, et constitue un guide d'ondes rayonnant. A noter que, dans le domaine des câbles rayonnants souterrains, le brevet US-4 605 914 décrit un dispositif rayonnant comprenant un câble coaxial rayonnant et une ligne bifilaire constituée par le conducteur extérieur tubulaire du câble rayonnant et par un conducteur externe parallèle au câble rayonnant et rendu solidaire de ce dernier grâce à une gaine extérieure isolante moulée à la fois autour du câble et autour du conducteur externe. Un tel dispositif est destiné à être enterré, et ne peut en aucun cas être suspendu dans un tunnel ou dans une galerie par exemple. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un dispositif rayonnant selon l'invention, cette description étant donnée à titre illustratif et nullement limitatif. Dans les figures suivantes - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif rayonnant selon l'invention, - la figure 2 est une vue en élévation du dispositif de la figure 1, avec le schéma électrique correspondant à son fonctionnement en émetteur, - la figure 3 est une vue en perspective d'un autre dispositif rayonnant selon l'invention, avec le schéma électrique correspondant à son fonctionnement en émetteur. Dans ces figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. Dans toute la suite, on prendra l'exemple d'un dispositif rayonnant émetteur, mais il est bien évident que le dispositif selon l'invention peut également être utilisé comme récepteur. On voit en figure 1 un dispositif rayonnant 1 à câble rayonnant 2 selon l'invention. Le câble rayonnant 2 comporte plus précisément un conducteur intérieur 21 entouré d'une enveloppe 22 en un matériau diélectrique puis d'un conducteur tubulaire extérieur 23. Le conducteur 23 est muni d'ouvertures 24 disposées sur toute sa longueur. Parallèlement au câble 2 se trouve un porteur 3 constitué d'un toron de fils métalliques en acier cuivré par exemple. Le porteur 3 est rendu solidaire du câble 2 au moyen d'une gaine isolante 4 entourant à la fois le porteur 3 et le câble 2 et isolant l'un de l'autre ces deux éléments, la gaine 4 ayant ainsi une section en forme de huit. Le conducteur extérieur 23 et le porteur 3 constituent une ligne bifilaire qui prend le relais du câble rayonnant 2 pour la transmission aux basses fréquences. On a représenté en figure 2 un schéma d'installation électrique possible pour le dispositif de la figure 1. Dans ce schéma, un premier émetteur El est connecté entre le conducteur 23 et le porteur 3 pour exciter la ligne bifilaire formée par ces deux éléments. L'émetteur El est d'autre part relié à la masse, de sorte qu'il constitue un émetteur asymétrique. Ainsi, on a disposé entre l'émetteur El et la ligne qu'il alimente un transformateur asymétriquesymétrique T. D'autre part, le câble rayonnant 2 est excité par un deuxième émetteur E2 connecté entre le conducteur intérieur 21 et le conducteur extérieur tubulaire 23. Afin d'éviter les désadaptations, une charge Z1 adaptée à l'impédance de sortie du secondaire du transformateur T et à celle de la ligne bifilaire constituée par le porteur 3 et le conducteur 23 est connectée à l'extrémité de la ligne bifilaire opposée à celle reliée au transformateur T, et de même, une charge Z2 adaptée à l'impédance de sortie de E2 et du câble coaxial rayonnant 2 est connectée à l'extrémité du câble coaxial rayonnant 2 opposée à celle reliée à E2. Par ailleurs, pour pouvoir utiliser un transformateur standard disponible sur 'e marché, c'est-à-dire compatible à la fois avec les impédances de sortie classiques des émetteurs utilisés, qui sont de 50D, et avec les impédances caractéristiques des lignes bifilaires, qui sont en général comprises entre 300 et 600n, on choisira les diamètres respectifs dl et d2 du conducteur 23 et du porteur 3, ainsi que la distance D entre ces deux éléments de sorte que l'impédance caractéristique de la ligne bifilaire du dispositif 1 soit effectivement comprise entre 300 et 600Q. On donne ci-dessous un exemple de réalisation remplissant les contraintes mentionnées ci-dessus. Dans le dispositif 1 de la figure 1, le diamètre dl est de 24,6 mm et le diamètre d2 de 10 mm. On fixe l'impédance caractéristique de la ligne bifilaire à 300Q. Dans ce cas, si l'on suppose que la quantité de matériau diélectrique constituant la gaine 4 est faible et n'engendre donc pas d'augmentation sensible de la permittivité du milieu, c'est-à-dire de l'air environnant, la distance D est égale à 70 mm. Des essais effectués à l'aide du dispositif 1 de la figure 1 aux basses fréquences, c'est-à-dire aux fréquences où la ligne bifilaire constituée par le conducteur extérieur 23 et le porteur 3 prend le relais de la transmission, montrent que les performances du dispositif 1 à ces fréquences sont du même ordre de grandeur que celles obtenues à l'aide d'une ligne bifilaire indépendante selon l'art antérieur. D'autre part, on a représenté en figure 3 un schéma électrique d'un dispositif 30 selon l'invention dans lequel on utilise un guide d'ondes rayonnant au lieu d'un câble rayonnant. Le dispositif 30 comprend un guide d'ondes métallique 31 de section rectangulaire, muni de fentes 32 disposées sur toute sa longueur. Comme en figure 1, un porteur métallique 33 est rendu solidaire du guide d'ondes 31 au moyen d'une gaine isolante 34 entourant à la fois le porteur 33 et le guide d'ondes 31. Ainsi, le guide d'ondes 31 et le porteur 33 constituent une ligne bifilaire qui prend le relais du guide d'ondes rayonnant 31 pour la transmission aux basses fréquences. Un émetteur E'1 est connecté par l'intermédiaire d'un transformateur T' entre le guide d'ondes 31 et le porteur 33. De même que dans le cas du dispositif 1 des figures 1 et 2, une charge d'adaptation Z'1 est connectée à l'extrémité de la ligne bifilaire opposée à celle reliée à l'émetteur E'1. Par ailleurs, l'adaptation du guide d'ondes 31 est réalisée par une charge fictive Z'2 constituée par l'extrémité de ce guide d'ondes opposée à celle reliée à l'émetteur E'1. Le mode principal de fonctionnement du guide d'ondes 31 de section rectangulaire est le mode TE10. Le dispositif 3 présente les mêmes avantages que le dispositif 1. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. En particulier, la gaine isolante n'a pas nécessairement une section en forme de huit sur toute la longueur du porteur ; une telle section peut se trouver répétée de manière périodique par exemple, et intercalée avec des espaces vides. D'autre part le matériau métallique constituant le porteur peut être quelconque. Il est toutefois préférable qu'il possède à la fois de bonnes propriétés mécaniques, et notamment une bonne résistance à la traction, puisque le dispositif est suspendu par son intermédiaire, et de bonnes propriétés électriques, et notamment de faibles pertes ohmiques, afin de fournir le meilleur rendement en termes de puissance rayonnée. L'acier cuivré et l"'ALMELEC", notamment, présentent ces propriétés. Le porteur peut être constitué d'un toron de fils métalliques ou d'un monofil métallique. Comme cela a déjà été indiqué, le dispositif selon l'invention peut aussi être utilisé comme récepteur. Dans ce cas, on remplacera les émetteurs par des récepteurs. Lorsque le dispositif selon l'invention utilise un guide d'ondes, ce dernier peut avoir une section rectangulaire, circulaire ou elliptique. Quand la section du guide d'ondes est circulaire, le mode de fonctionnement est le mode TE11, et quand elle est elliptique, le mode de fonctionnement est le mode TEC1l. Quelle que soit la section du guide d'ondes utilisé dans un dispositif selon l'invention, le schéma électrique peut être celui représenté à la figure 3. Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Dispositif rayonnant comportant - un conducteur tubulaire (23) allongé le long d'un axe longitudinal et muni d'ouvertures (24), un porteur constitué d'un élément métallique (3) disposé parallèlement audit conducteur tubulaire (23) et solidaire dudit conducteur tubulaire (23) par l'intermédiaire d'une gaine (4) en un matériau isolant disposée autour dudit porteur (3) et dudit conducteur tubulaire (23) de manière à isoler électriquement ledit porteur (3) dudit conducteur tubulaire (23), - une ligne bifilaire constituée de deux conducteurs isolés disposés parallèlement l'un à l'autre, caractérisé en ce que lesdits conducteurs de ladite ligne bifilaire sont constitués respectivement dudit porteur métallique (3) et dudit conducteur tubulaire (23). 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un système d'émission (El) ou de réception de l'énergie est connecté électriquement à l'une des extrémités de ladite ligne bifilaire entre ledit porteur (3) et ledit conducteur tubulaire (23). 3/ Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'un transformateur (T) est connecté électriquement entre ledit système et ladite ligne bifilaire. 4/ Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que, lorsque ledit système est asymétrique, ledit transformateur est un transformateur asymétrique-symétrique. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que les dimensions respectives des sections dudit porteur (3) et dudit conducteur tubulaire (23) et la distance entre ces derniers sont choisies de sorte que l'impédance caractéristique de ladite ligne bifilaire correspond à l'impédance de sortie dudit transformateur (T). 6/ Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce qu'une charge (Z1) adaptée audit système est connectée à l'extrémité de ladite ligne bifilaire opposée à celle reliée audit système. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit porteur (3) est en un matériau choisi parmi l'acier cuivré et l"'ALMELEC". 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ledit porteur (3) est constitué d'un toron de fils métalliques. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ledit porteur (3) est constitué d'un mono fil métallique. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur dit conducteur intérieur (21) disposé intérieurement et coaxialement audit conducteur tubulaire (23), et une enveloppe (22) en un matériau diélectrique interposée entre ledit conducteur tubulaire (23) et ledit conducteur intérieur (21), de manière à constituer un câble coaxial rayonnant (2). 11/ Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'un deuxième système d'émission (E2) ou de réception de l'énergie est connecté électriquement à l'une des extrémités dudit câble coaxial rayonnant (2) entre ledit conducteur intérieur (21) et ledit conducteur tubulaire (23). 12/ Dispositif selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'une charge adaptée (Z2) audit deuxième système est connectée électriquement à l'extrémité dudit câble (2) opposée à celle reliée audit système. 13/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que ledit conducteur tubulaire (31) a une section elliptique, circulaire ou rectangulaire, et en ce qu'il constitue un guide d'ondes rayonnant.