Brevet FR2753561A1 — publié le 19980320

Ligne de transmission pour signaux à haute fréquence La présente invention concerne une télécommunication pour signaux à haute fréquence de l'ordre de plusieurs centaines de Hz à plusieurs centaines de MHz, et plus particulièrement des âmes conductrices de fils conducteurs isolés d'une ligne de transmission constituée de deux fils torsadés. Une telle ligne de transmission est également appelée "paire" et se distingue d'une ligne coaxiale n'appartenant pas au domaine de l'invention, par deux fils distincts isolés, et par le faible diamètre des âmes conductrices, inférieur au millimètre. Lorsque la ligne comporte trois ou quatre fils torsadés, celle-ci est appelée "tierce ou "quarte". Un fil conducteur isolé comprend une âme filaire conductrice en cuivre le plus souvent entourée par une gaine isolante en un matériau thermoplastique. Généralement, l'âme conductrice de cuivre a un diamètre compris entre 0,45 et 0,7 mm, par exemple 0,51 mm, ou 0,60 mm, ou 0,64 mm. La gaine isolante est en polyoléfine, en polyéthylène par exemple, et peut être massive ou cellulaire. Le diamètre extérieur du fil isolé est typiquement compris entre 0,9 et 1,4 mm. Plusieurs conducteurs isolés sont appairés (2 fils) ou réunis en quartes (4 fils), puis assemblés en faisceaux généralement de 4 paires ou 2 quartes, comme par exemple 4 paires, ou 2 fois 4 paires, ou 3 fois 4 paires pour des câbles de distribution horizontale, dits câbles capillaires, et 24, 32, 64 ou 128 paires pour des câbles de distribution verticale, dits câbles de rocade. L'évolution des câbles pour réseaux locaux ces dix dernières années se caractérise par une augmentation régulière des débits, quelques MHZ au milieu des années 80, 100 MHz aujourd'hui, 150 MHZ dans un proche avenir et 300 ou 600 MHz à moyenterme, et par une diminution continue des prix malgré l'augmentation des débits. L'âme conductrice des fils conducteurs isolés pour réseaux locaux est élaborée à partir de cuivre massif recuit, à l'exception des fils conducteurs isolés souples pour cordons constitués d'âmes en cuivre à brins divisés. Dans la pratique courante, une ébauche filaire de diamètre supérieur est tréfilée pour obtenir une réduction au diamètre nominal de l'âme. Ce tréfilage est suivi d'un recuit, puis d'une isolation du fil par la gaine isolante. Ces trois étapes sont effectuées généralement en continu successivement (opération "tandem"). Le cuivre, l'argent ou l'or ont des conductivités électriques nettement plus élevées que celles des autres métaux courants. Le cuivre ayant un coût de fabrication plus faible et étant plus abondant que l'argent, celui-ci a été choisi pour la plupart des câbles de télécommunication. Toutefois, le cuivre contribue encore au coût relativement élevé des câbles. La présente invention vise à fournir un conducteur pour ligne de transmission pour signaux à haute fréquence qui diminue le coût de fabrication des fils conducteurs isolés, sans cependant modifier les étapes traditionnelles de tréfilage, traitement thermique et isolation. A cette fin, une ligne de transmission pour signaux à haute fréquence comprenant au moins deux fils conducteurs isolés est caractérisée en ce que chacun des fils conducteurs isolés comprend une âme conductrice composée d'une partie centrale en une première matière conductrice, et d'un revêtement entourant la partie centrale, ledit revêtement étant en une seconde matière conductrice ayant une conductivité électrique supérieure à celle de la partie centrale. Selon une réalisation préférée, la seconde matière conductrice à l'extérieur du fil est en cuivre ou en cuivre faiblement allié, et la première matière conductrice à l'intérieur du fil est en aluminium ou en aluminium faiblement allié. Le comportement électrique de l'âme conductrice est similaire à celle traditionnelle complètement en cuivre pour la transmission de signaux à haute fréquence, dans la mesure où les lignes de courant sont quasiment concentrées dans la couche externe de préférence en cuivre en raison de l'effet de peau. Grâce à l'aluminium en partie centrale prépondérante, l'âme composite est moins coûteuse et plus légère que le cuivre massif pour réaliser des câbles pour réseau local. Les étapes de tréfilage, recuit et isolation pour obtenir un fil conducteur isolé selon l'invention sont mises en oeuvre sans modifier le matériel ou le mode opératoire de fabrication des fils isolés traditionnels avec une âme à 100 % en cuivre. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un fil conducteur isolé pour ligne de transmission qui est caractérisé par le tréfilage d'une ébauche filaire ayant une partie centrale en une première matière conductrice, telle qu'aluminium, entourée par un revêtement en une seconde matière conductrice, telle que cuivre, en ladite âme conductrice, le diamètre de l'ébauche étant supérieur à celui de l'âme du conducteur, et l'épaisseur du revêtement de l'ébauche étant supérieure à celle du revêtement de l'âme. Lorsque le rapport de diamètres entre ébauche et âme est trop grand, le tréfilage comprend plusieurs passes d'ébauche, en continu ou lors d'opérations distinctes, dans plusieurs tréfileuses de manière à diminuer progressivement le diamètre de l'ébauche. Le tréfilage de l'ébauche dont le revêtement peut être réalisé par un dépôt électrolytique, fait appel au(x) même(s) tréfileuse(s) que pour une âme classique en cuivre massif. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la figure 1 est une vue longitudinale schématiquement d'une ligne de transmission à deux fils torsadés ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale à plus grande échelle de l'un des fils conducteurs isolés dans la ligne de transmission selon l'invention ; et - la figure 3 montre schématiquement une chaîne continue de fabrication de fil conducteur isolé selon l'invention. Une ligne de transmission comprend deux fils conducteurs isolés torsadés F1 et F2 comprenant chacun une âme conductrice filaire A entourée d'une gaine en matière isolante G, comme montré à la figure 1. Par exemple, la ligne F1-F2 constitue une paire de fils torsadée avec d'autres paires dans un câble. L'affaiblissement linéique a de la ligne de transmission pour des signaux à haute fréquence, par exemple dans la plage de fréquences entre 1 et 600 MHz, est proportionnel à la résistance linéique R/2 des fils conducteurs F1 et F2 selon la relation R 2Z c où Zc désigne l'impédance caractéristique de la ligne F1-F2. A haute fréquence au dessus de 1 MHz environ, la résistance de ligne R augmente par suite de l'effet pelliculaire, dit effet de peau. Cette augmentation de résistance est due à la concentration de plus en plus marquée des lignes de courant vers la surface externe de l'âme conductrice A en courant alternatif lorsque la fréquence augmente. A fréquence constante, la densité de courant croît ainsi du centre de l'âme conductrice filaire vers sa périphérie. La profondeur de pénétration 5 s'écrit avec Kl la perméabilité du métal de l'âme conductrice, f la fréquence, et a la conductivité électrique du métal. Tout se passe comme si la section utile du conducteur diminue de nu2/4 à 2sD6, où D est le diamètre de l'âme conductrice filaire. Dans le cas des lignes de transmission pour signaux à haute fréquence, le métal des âmes conductrices est non magnétique, si bien que la perméabilité du métal est celle du vide : A = pO = 4 It . . Le produit est ainsi constant pour un métal donné, par exemple égal à 66 pour le cuivre et 84,5 pour l'aluminium. La profondeur de pénétration est d'autant plus faible que la fréquence f est élevée et que la conductivité u est élevée et donc le métal est plus conducteur. La résistance linéique en Q/m s'écrit et croît quand la conductivité du métal décroît. Les meilleures matières conductrices électriquement aisément disponibles sont par ordre 6 décroissant de conductivité exprimée en 106 S/m l'argent avec a = 61, le cuivre avec o = 58, l'or avec o = 40,6 et l'aluminium avec a = 35,4. L'or et l'argent ne sont pas utilisés pour les câbles pour réseaux locaux à cause de leur coût. L'aluminium est en particulier légèrement moins bon conducteur que le cuivre mais beaucoup plus léger et moins coûteux et n'a jamais été utilisé dans les lignes de transmission à paire torsadée notamment pour réseau local. Le tableau suivant indique les profondeurs de pénétration respectives pour ces deux métaux à différentes fréquences. PROFONDEUR DE PENETRATION (ym) FREQUENCE (MHz) CUIVRE ALUMINIUM 1 66 84,5 10 20,87 26,72 100 6,66 8,45 300 3,81 4,87 600 2,69 3,45 A haute fréquence, les profondeurs de pénétration dans le cuivre et dans l'aluminium sont sensiblement égales. Au dessus de 10 MHz en particulier, les profondeurs de pénétration sont faibles. Selon l'invention, toute première matière "bonne conductrice" est utilisée en partie centrale PC de l'âme A des fils dans la ligne de transmission comme montré dans la figure 2. La résistance électrique de la première matière même légèrement plus élevée que celle de la seconde matière d'un revêtement RV recouvrant la première matière permet d'obtenir des atténuations convenables. En particulier, plus la fréquence sera élevée, plus la résistance de l'âme est voisine de celle du revêtement extérieur RV entourant la partie centrale cylindrique massive PC. Pour des raisons de transmission, le revêtement RV est une couche en une seconde matière très conductrice qui a une épaisseur de quelques dizaines de ssm, telle que 0,05 Les fils dans les lignes de transmission et par suite dans les câbles contenant celles-ci, fabriqués avec des âmes conductrices composites selon l'invention, sont moins coûteux que l'âme en cuivre selon la technique antérieure si l'on choisi un ensemble de première et seconde matières conductrices dont le prix par unité de volume est inférieur à celui du cuivre, et sont plus légers si l'on choisit une seconde matière conductrice interne moins dense que le cuivre. Selon une réalisation préférée, la partie centrale PC est en aluminium et est revêtue à l'extérieur d'une couche de cuivre RV, le cuivre ayant une conductivité électrique de 58 supérieure à celle de l'aluminium égale à 35,4. Le terme "aluminium" au sens de l'invention englobe aussi bien le métal aluminium que des alliages où l'aluminium est faiblement allié avec au moins un autre métal ; de même le terme "cuivre" au sens de l'invention englobe aussi bien le métal cuivre que les alliages cuivreux où le cuivre est faiblement allié au moins avec un autre métal. Dans ces alliages d'aluminium et cuivreux sont par exemple inclus avec une teneur de 0,1 à 5 %, au moins l'un des métaux suivants : béryllium, cadmium, chrome, cobalt, étain, magnésium, manganèse, nickel, zirconium. L'adjonction d'au moins l'un de ces métaux particulièrement dans la partie centrale PC contribue à augmenter la résistance mécanique de l'âme conductrice A, d'autant plus que l'âme filaire est fine. La ductilité du fil est ainsi accrue notamment pour des opérations de tréfilage, ou plus simplement de tirage. Comme montré à la figure 3, le tréfilage part d'une ébauche filaire E ayant un plus grand diamètre compris entre 2 et 8 mm et ayant une partie centrale cylindrique PCE de diamètre DE qui a été revêtue d'un revêtement cuivreux RVE d'épaisseur eE par voie électrolytique, avec DE > D et eE > e. L'ébauche E est étirée dans une filière FR d'une tréfileuse, ou dans des filières de tréfileuses successives, suivant la flèche FL, en l'âme conductrice selon l'invention. En pratique, le rapport d'homothétie [(DE/eE)/(D/e)) du tréfilage entre la première matière conductrice, telle qu'aluminium, pour parties centrales PCE et PC d'ébauche et d'âme et la seconde matière conductrice, telle que cuivre, pour revêtements RVE et RV d'ébauche et d'âme est compris entre 0,8 et 1,2. Puis, l'âme composite tréfilée subit un recuit dans un four FO de manière à rendre plus souple l'âme. L'âme composite recuite est ensuite gainée par passage dans la tête d'une extrudeuse BO d'où sort le fil conducteur F1, F2 isolé avec la gaine extrudée G. L'invention permet de fabriquer des fils isolés ayant des propriétés de transmission similaires à celles des fils conducteurs actuels mais avec un fil moins coûteux et plus léger. Selon l'épaisseur de cuivre ou d'alliage cuivreux choisie, l'atténuation qui est liée à la résistance électrique peut être d'un niveau légèrement supérieur entre 1 et quelques MHz. Les autres propriétés de transmission ne sont pas affectées. Quelques exemples illustrent ci-après l'objet de l'invention. - Exemple 1 Ebauche E en aluminium cuivré ayant un diamètre extérieur DE = 1,63 mm et une épaisseur de cuivre eE = 40 pLm tréfilage de l'ébauche au diamètre extérieur de D = 0,51 mm avec une épaisseur de revêtement en cuivre e d'environ 15 Cim. Des fils conducteurs isolés F1, F2 avec une âme conductrice A selon l'exemple 1 sont torsadés par paires et assemblés en un faisceau de 4 paires qui est mis sous un ruban ou une gaine fine de maintien en matière plastique, lui-même entouré par un écran métallique de blindage posé en long. L'ensemble est alors gainé pour obtenir le câble. - Exemple 2 Ebauche en aluminium cuivré ayant un diamètre extérieur DE = 8 mm et une épaisseur de cuivre eE = 800 pm ; réduction de cette première ébauche en une deuxième ébauche ayant un diamètre extérieur de 2,5 mm et une épaisseur de cuivre de 255 ssm par un premier passage dans une tréfileuse ; tréfilage de la deuxième ébauche en une âme A ayant un diamètre extérieur D de 0,52 mm et une épaisseur de revêtement en cuivre e de 50 Rm par passe dans une seconde tréfileuse, et isolation en continu de l'âme par une gaine G. Selon ce second exemple, la ligne de fabrication en continu comprend ainsi des première et seconde tréfileuses, un four de recuit et une extrudeuse. Puis des paires de fils conducteurs avec des âmes selon l'exemple 2 sont torsadées et assemblées en faisceau de 4 paires. Chaque faisceau est mis sous une gaine de maintien entourée d'un écran métallique de blindage posé en long. L'ensemble est alors gainé pour obtenir le câble. - Exemple 3 Ebauche E en aluminium cuivré ayant un diamètre extérieur DE = 2,5 mm et une épaisseur de cuivre eE = 65 Zm ; tréfilage de l'ébauche et isolation en ligne au diamètre extérieur de D = 0,64 mm avec une épaisseur de revêtement en cuivre e de 17 ssm, et isolation en continu de l'âme A ainsi obtenue par une gaine G. Puis des fils conducteurs isolés selon l'exemple 3 sont torsadés en quartes. Deux quartes sont mises sous une gaine de maintien commune qui est entourée d'un écran de blindage posé en long. L'ensemble est alors gainé pour obtenir le câble. REVENDICATIONS 1 - Ligne de transmission pour signaux à haute fréquence comprenant au moins deux fils conducteurs isolés (F1, F2), caractérisée en ce que chacun des fils conducteurs isolés comprend une âme conductrice (A) composée d'une partie centrale (PC) en une première matière conductrice, et d'un revêtement (RV) entourant la partie centrale, ledit revêtement étant en une seconde matière conductrice ayant une conductivité électrique supérieure à celle de la partie centrale. 2 - Ligne de transmission conforme à la revendication 1, dans laquelle la première matière conductrice est en aluminium ou en aluminium faiblement allié, et la seconde matière conductrice est en cuivre ou en cuivre faiblement allié. 3 - Ligne de transmission conforme à la revendication 1 ou 2, dans laquelle le diamètre extérieur (D) de l'âme (A) est compris entre 0,4 et 0,8 mm, et l'épaisseur (e) du revêtement (RV) est comprise entre 5 et 100 Hm. 4 - Ligne de transmission conforme à la revendication 1 ou 2, dans laquelle le rapport entre le double de l'épaisseur (e) du revêtement (RV) et le diamètre (D) de l'âme (A) est compris entre 0,05 et 0,5. 5 - Procédé de fabrication d'un fil conducteur isolé pour ligne de transmission conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le tréfilage (TR) d'une ébauche filaire (E) ayant une partie centrale (PCE) en une première matière conductrice entourée par un revêtement (RVE) en une seconde matière conductrice en ladite âme conductrice (PC, RV), le diamètre (DE) de l'ébauche étant supérieur à celui (D) de l'âme, et l'épaisseur (eE) du revêtement (RVE) de l'ébauche étant supérieure à celle (e) du revêtement (RV) de l'âme. 6 - Procédé conforme à la revendication 5, dans lequel ledit tréfilage comprend plusieurs passes d'ébauche dans des tréfileuses. 7 - Procédé conforme à la revendication 5 ou 6, dans lequel le rapport d'homothétie [(DE.e)/(eE.D)] du tréfilage entre la première matière conductrice pour parties centrales (PCE, PC) d'ébauche et d'âme et la seconde matière conductrice pour revêtements (RVE, RV) d'ébauche et d'âme est compris entre 0,8 et 1,2. 8 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 7, comprenant à la suite du tréfilage, un recuit (FO) de l'âme tréfilée, et un gainage (BO) de l'âme recuite par une gaine isolante (G). 9 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la première matière conductrice est en aluminium ou en aluminium faiblement allié, et la seconde matière conductrice est en cuivre ou en cuivre faiblement allié.