Brevet FR2769135A1 — publié le 19990402

Câble coaxial rayonnant La présente invention concerne un câble coaxial rayonnant des signaux hyperfréquence. Un tel câble est par exemple installé dans une zone d'ombre, inaccessible aux émetteurs-récepteurs de diffusion classique, comme un tunnel autoroutier ou ferroviaire. Le câble rayonnant s'étend entre deux terminaisons qui sont une station d'émission et de réception et une charge adaptée ou un récepteurrégénérateur, ou bien sont des récepteursrégénérateurs, selon que le câble est situé aux extrémités ou non d'une ligne hyperfréquence rayonnante. Le câble émet des signaux hyperfréquence vers des radiotéléphones mobiles et réciproquement en reçoit de ceux-ci, mais également émet des signaux en modulation de fréquence vers des récepteurs radio tels qu'autoradios. Comme cela est rappelé dans le brevet EP-B-O 547 574, un câble coaxial rayonnant montré à la figure 1 comprend concentriquement depuis son axe une âme conductrice tubulaire ou cylindrique 1, une enveloppe isolante intermédiaire 2, un conducteur tubulaire extérieur 3, et une gaine externe isolante de protection 4. Grâce à des fentes régulièrement espacées dans le conducteur extérieur pour le passage du rayonnement électromagnétique, une partie de la puissance transmise dans le câble est couplée vers l'extérieur et constitue la puissance rayonnée. Le câble fonctionne alors comme une longue antenne. Un câble coaxial à fentes rectangulaires identiques inclinées périodiques fonctionne en mode rayonné à partir d'une fréquence Fr définie par Fr = c (1) (WE+1)P où c est la vitesse de la lumière P est le pas des fentes, c'est-à-dire la distance entre deux fentes successives prise parallèlement à l'axe du câble ; et s est la constante diélectrique de l'enveloppe isolante intermédiaire. Lorsque la fréquence de fonctionnement f du câble est telle que fsFr, le câble fonctionne en mode couplé. A une distance constante le long du câble, le champ rayonné fluctue considérablement avec des variations peuvent atteindre environ 20 dB crête à crête. Ainsi, pour garantir le niveau de puissance minimal reçu en mode couplé, il est nécessaire d'augmenter la puissance moyenne rayonnée. De plus ce mode de fonctionnement peut engendrer des problèmes lors des communications avec des radiotéléphones mobiles en raison des fluctuations très rapides du niveau de réception. Pour f > Fr, le câble fonctionne en mode rayonné. Lorsque Fr c f Pour I.Fr Pour accroître les possibilités d'utilisation d'un câble rayonnant, il est nécessaire d'augmenter autant que possible la largeur de la bande de fréquence du mode rayonné principal. Dans le but d'élargir la bande de fréquence du mode principal pour atteindre environ un gigahertz, les brevets US-A-3 795 915 et GB-A-1 481 485 proposent un câble rayonnant dans lequel les fentes sont réparties en motifs répétés périodiquement le long du câble dans le conducteur extérieur. Chaque motif à 21 = 6 fentes s'étendant sur un pas P comprend deux fentes principales 51 et 54 et quatre fentes auxiliaires So, 52, 53 et 55. Dans une première moitié du motif s'étendant sur un demi-pas P/2, deux fentes auxiliaires 5O et 52 situées de part et d'autre d'une première fente principale 51 s'étend obliquement par rapport à ltaxe du câble. Dans une deuxième moitié du motif s'étendant sur un demi-pas P/2, deux fentes auxiliaires 53 et 55 situées de part et d'autre d'une deuxième fente principale 54 s'étendent suivant une direction oblique à l'axe du câble et symétrique à la direction des fentes 50 à 52 de la première moitié par rapport à 1'axe XX du câble. Grâce à la répétition périodique du motif le long du câble, les modes secondaires apparaissant aux fréquences comprises entre 200 et 1000 MHz sont négligeables et quasiment nuls, les I=3 premiers modes secondaires étant éliminés. D'autre part, à une fréquence telle que la longueur d'onde du signal soit sensiblement égale au périmètre des fentes rectangulaires inclinées, un phénomène de résonance intervient au niveau des fentes et l'affaiblissement linéique du câble devient rédhibitoire. Le câble se comporte alors comme un filtre passe-bas et "coupe" à partir de cette fréquence. Ce phénomène intervient en général pour ce type de câble à une fréquence de l'ordre de 1000 à 1200 MHz. Actuellement, la bande de fréquence de fonctionnement d'un câble rayonnant doit être encore élargie à 2 GHz au moins, de manière à couvrir non seulement les fréquences de secours et de radiomessagerie à environ 450 MHz et la bande de radiotéléphone GSM à 900 MHz, mais également la bande de radiotéléphone DCS 1800 et DECT à 1800 MHz. Plus la fréquence à transmettre est élevée, plus le signal se propageant dans le câble est atténué. Il est donc nécessaire de compenser ce phénomène par l'augmentation de la puissance rayonnée. Pour augmenter la puissance rayonnée, les dimensions, particulièrement les longueurs, des fentes peuvent être augmentées. Pour une inclinaison donnée des fentes, la longueur des fentes est limitée par la circonférence d'une section circulaire du conducteur externe cylindrique qui est généralement issu d'un ruban conducteur ayant une largeur sensiblement supérieure à ladite circonférence de section circulaire. Pour augmenter la largeur de la bande de fréquence de mode rayonné, le nombre de fentes par motif peut être augmenté et pour décaler cette bande de fréquence vers des fréquences plus élevées, le pas du motif peut être diminué (voir formule 1). Le nombre de fentes dans chaque motif et ainsi la distance entre fentes successives sont limités par le pas du motif. A diamètre constant de conducteur extérieur, plus les fentes sont larges et/ou longues et/ou nombreuses dans un pas de motif, et/ou plus le pas du motif est court, plus les fentes sont difficilement réalisables dans un ruban conducteur mince et plus la tenue mécanique du ruban de conducteur extérieur est faible, ce qui rend très difficile, voire impossible la formation du ruban conducteur en conducteur cylindrique extérieur et donc le perçage et la pose du conducteur extérieur et ainsi la fabrication du câble. En outre, l'augmentation des dimensions des fentes pour obtenir la puissance rayonnée maximale entraîne un abaissement de la fréquence de coupure du câble et donc un rétrécissement de sa bande passante. Pour autoriser un fonctionnement jusqu'à 2 GHz, il faudrait donc diminuer la superficie des fentes et donc réduire la puissance rayonnée. La présente invention vise à fournir un câble coaxial rayonnant dont les caractéristiques améliorent la tenue mécanique du conducteur extérieur afin d'augmenter la puissance rayonnée et la bande de fréquence du mode principal rayonné et permettent en même temps d'élargir la bande passante du câble en repoussant la fréquence de coupure au-delà de 2 GHz. A cette fin, un câble coaxial rayonnant comprenant un conducteur intérieur et un conducteur extérieur, est caractérisé par des séries de trous s'étendant obliquement à l'axe du câble dans le conducteur extérieur. Les trous étant séparés par de la matière de conducteur extérieur, les séries de trous selon l'invention peuvent être ainsi plus longues et plus rapprochées que les fentes dans les câbles coaxiaux rayonnants connus. Puisque la longueur des fentes influe de manière prépondérante dans l'augmentation de la puissance rayonnée, au moins une série de trous, typiquement une série de trous principale dans un motif, peut s'étendre sur au moins un demi-tour du conducteur extérieur. La puissance rayonnée peut ainsi être augmentée. Puisque le rapprochement des fentes permet une diminution du pas du motif et/ou une augmentation du nombre de fentes par motif, et ces paramètres influent de manière prépondérante dans l'augmentation de la largeur de bande de fréquence du mode principal rayonné par le câble et son déplacement vers des fréquences plus élevées, le mode principal peut être obtenu pour des fréquences atteignant 2 GHz. En outre, à longueur et largeur égales, une série de trous selon l'invention ne serait pas sujette au même phénomène de résonance qu'une fente dans un câble connu. En effet, les lignes de courant sur le conducteur extérieur ne sont pas coupées entièrement. Cela permet donc de repousser la fréquence de coupure du câble au delà de 2 GHz et d'augmenter ainsi la bande passante du câble. Selon des réalisations préférées, les trous sont sensiblement circulaires et sensiblement de même diamètre, ou les trous sont sensiblement rectangulaires et sensiblement de même largeur et sont alignés suivant un grand axe commun dans chaque série. Les trous dans chaque série sont espacés au moins sensiblement de la demi-largeur des trous afin que les trous soient réalisables par poinçonnage dans le conducteur extérieur et ne fragilisent pas celuici lors de sa mise en forme cylindrique. Selon un autre aspect de l'invention, les séries de trous font un angle sensiblement de + 45" environ avec l'axe du câble de manière à maximiser la puissance de rayonnement des séries de trous. En particulier, par analogie avec les câbles à fentes, la bande de fréquence du mode principal du câble est étendue lorsque les séries de trous sont réparties en motifs périodiques de pas prédéterminé, et chaque motif comprend sur un demi-pas une moitié de séries de trous s'étendant parallèlement suivant l'un de deux sens d'enroulement d'hélice autour du conducteur extérieur et sur l'autre demi-pas une moitié de séries de trous s'étendant parallèlement suivant l'autre sens d'enroulement d'hélice. Chaque moitié comprend une série de trous centrale plus longue que les autres séries de trous. 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 en perspective longitudinale d'un câble coaxial rayonnant à motif périodique de fentes selon la technique antérieure - la figure 2 est un graphe de variation d'un paramètre dépendant de l'inclinaison d'une fente inclus dans un potentiel de rayonnement de la fente en fonction de l'inclinaison de la fente - la figure 3 est un graphe de variation du potentiel de rayonnement d'une fente en fonction de la largeur de la fente - la figure 4 est un graphe de variation du potentiel de rayonnement d'une fente en fonction de la longueur de la fente - la figure 5 est une vue en perspective longitudinale d'un câble rayonnant à motif périodique de séries de trous circulaires alignés selon une première réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue en plan d'un ruban conducteur à plat correspondant au conducteur extérieur du câble rayonnant montré à la figure 5 et - la figure 7 est une vue en perspective longitudinale d'un câble rayonnant à motif périodique de séries de trous rectangulaires alignés selon une seconde réalisation de l'invention. Afin de mieux appréhender la finalité des caractéristiques d'un câble coaxial rayonnant selon l'invention, les modalités pour élargir la bande de fréquence de fonctionnement optimal unimodal d'un câble rayonnant avec un motif périodique à I fentes rectangulaires inclinées sont présentées en référence à la figure 1. A titre d'exemple, l'objectif est de réaliser un câble coaxial rayonnant ayant une bande de fonctionnement unimodal qui englobe les principales bandes utiles précitées à 450, 900 et 1800 MHz, soit une bande typiquement comprise entre Fr = 282,6 MHz et (I+l)Fr = 7Fr = 1978,2 MHz, pour un pas de motif périodique de P = 500 mm à I = 6 fentes 50 à 55. Le motif est caractérisé par le pas de répétition P, la distance zi entre la fente 5i du motif et la première fente 50 du motif, avec 1 S i S I-1, et les potentiels de rayonnement V0 à VI 1 des fentes 50 à 5I -1 Le système de I relations suivantes doit être satisfait avec 2 # k S I Les solutions du système précédent sont V1 = 1,414.V0 zl = P/8 V2 = Vo z2 = P/4 V3 = - V0 z3 = P/2 V4 = - 1,414.V0 Z4 = 5P/8 V5 = - Vo z5 = 6P/8 Le potentiel de rayonnement V d'une fente est calculé à partir des caractéristiques géométriques de la fente par la relation suivante où A est la longueur d'onde, 0 et s0 sont la perméabilité magnétique et la permittivité diélectrique du vide, L et 1 sont les longueur et largeur de la fente, V est l'inclinaison du grand axe de la fente par rapport à l'axe XX du câble, D est le diamètre du conducteur extérieur 3 du câble, Zc est l'impédance caractéristique du câble, Vin est la tension d'entrée appliquée à une extrémité du câble. Pour une tension d'entrée donnée, le module du potentiel V peut être ajusté par les paramètres suivants : , L, 1, D et Zc. La relation (2) montre qu'une diminution de l'impédance caractéristique et du diamètre du câble augmente le potentiel de rayonnement. La relation (2) indique aussi explicitement la variation du potentiel de rayonnement, non seulement en fonction des dimensions L et 1 de la fente mais également de son inclinaison , comparativement aux trois brevets précités, ce qui permet d'optimiser ces paramètres. Le signe du potentiel de rayonnement V est déterminé par le signe de l'inclinaison v si v c 0, alors V si V > 0, alors V > 0, pour les fentes 43 à 45 suivant des portions de spires d'hélice de sens direct (à gauche). La variation du potentiel V en fonction de l'angle , qui est proportionnelle à celle du produit (sin.cos) = (sin2W) /2 en fonction de l'angle v comme montré à la figure 2, confirme que la contribution au rayonnement d'une fente parallèle à 1'axe longitudinal XX du câble est égale à zéro. Toutefois, contrairement aux recommandations dans le brevet EP-B-0 547 374 selon lesquelles il est préférable que l'inclinaison des fentes ne dépasse pas une valeur prédéterminée, fonction du diamètre extérieur du câble, typiquement de 30 , de préférence choisie entre 15 et 250, la figure 2 montre que le potentiel de rayonnement est maximum pour une fente inclinée de v = + 450 par rapport à l'axe du câble. La figure 3 représente la variation du potentiel de rayonnement V en fonction de la largeur de la fente, pour une longueur de la fente donnée de 150 mm et une inclinaison V de 450, les autres paramètres étant constants. La figure 4 représente la variation du potentiel de rayonnement V en fonction de la longueur de la fente, pour une largeur de la fente donnée de 5 mm et une inclinaison v de 45 , les autres paramètres étant constants. D'après les figures 3 et 4, le potentiel de rayonnement d'une fente augmente avec la taille de celle-ci, comme cela est bien connu. Toutefois, la longueur L de la fente influe beaucoup plus que la largeur de celle-ci sur le potentiel V. Comme déjà dit, une augmentation de la superficie de la fente augmente l'affaiblissement linéique du câble et fragilise le conducteur extérieur, ce qui nécessite selon la technique antérieure de limiter la taille de la fente. Afin d'optimiser le rayonnement, il est beaucoup plus intéressant d'avoir une fente de grande longueur et de limiter la largeur de la fente. Les réalisations de l'invention décrites ci-après sont orientées vers cet objectif. Selon une première réalisation montrée à la figure 5, un câble coaxial rayonnant diffère du câble selon la technique antérieure montré à la figure 1, essentiellement par le conducteur extérieur 3a. Chaque motif de pas P comprend I=6 séries 60 à 65 de trous sensiblement circulaires 7 pratiqués dans le conducteur extérieur 3a. L'expression "sensiblement circulaires" se rapporte à des trous circulaires ou de section voisine polygonale ou carrée. Selon la réalisation illustrée à la figure 5, chaque série principale 61, 64 comprend dix trous alignés, et chaque série secondaire 60, 62, 63, 65 comprend neuf trous alignés. Chaque série de trous alignés a une longueur L et une largeur 1 qui sont liées au potentiel par la relation (2). En l'occurrence, la largeur 1 des séries est égale au diamètre des trous 7, et correspond à celle d'une fente. Les séries de trous 60 à 65 pratiquées dans le conducteur extérieur 3a peuvent être beaucoup plus longues que les fentes 50 à 55 dans les câbles connus, sans fragiliser le ruban métallique RU constituant le conducteur extérieur 3a et le détériorer lors de sa pose en long avant d'envelopper l'enveloppe isolante intermédiaire 2. L'ensemble des trous est réalisé par poinçonnage dans un ruban en aluminium, en cuivre, ou en aluminium ou en cuivre revêtu d'une couche de matière plastique, par exemple PVC ou polyester. L'espacement E entre chaque trou est au moins l'espacement minimum qui autorise mécaniquement le poinçonnage, soit sensiblement un demi-diamètre de trou 1/2. Les séries principales de trous 61 et 64 de longueur LP et les séries secondaires de trous 60, 62, 63 et 65 de longueur LS peuvent s'étendre hélicoidalement sur plus de la demi-section longitudinale du conducteur extérieur 3a de diamètre D, soit des longueurs LS et LP supérieures à 7tD/72 pour V = 45 , jusqu'à s'étendre quasiment sur des spires complètes autour du conducteur extérieur, c'est-à-dire sur au moins un tour du conducteur extérieur, soit des longueurs sensiblement égales, voire supérieures à 2ixD pour w = 450. Le rayonnement obtenu dans ce dernier cas présente sensiblement une symétrie autour de l'axe XX du câble. Comparativement aux fentes dans les câbles connus, les lignes de courant sur le conducteur extérieur ne sont pas coupées entièrement, et le mode de propagation TEM interne au câble est moins perturbé. En particulier, le phénomène de coupure bien connu qui intervient sur les câbles à mode rayonné connus et qui limite leur bande passante est repoussé à des fréquences supérieures à 2 GHz. La figure 6 montre un ruban conducteur RU disposé à plat à partir duquel le conducteur extérieur 3a est conformé en un cylindre de diamètre D. Le ruban RU présente une largeur utile 7tD et des bordures longitudinales B ayant une largeur W de quelques millimètres. L'une des bordures est recouverte par l'autre lors de la pose du ruban autour de l'enveloppe isolante 2 sans pour cela vriller ou plier le ruban grâce à la conservation quasiment de la rigidité initiale du ruban. Les bordures B sont liées par soudure ou thermocollage ou agrafage. Pour une dimension de câble donnée, la longueur de série principale de trous LP est déterminée en fonction de la largeur utile D du ruban métallique RU constituant le conducteur extérieur 3a et de la largeur 1 des trous choisie de manière à calculer le potentiel V1 avec L = LP selon la relation (2). La longueur de série secondaire de trous LS est calculée à l'aide de la relation (2), avec L = LS, pour un potentiel de rayonnement V0 tel que V1 = 1,414 V0. Selon une deuxième réalisation montrée à la figure 7, dans le conducteur extérieur 3b d'un câble coaxial rayonnant selon l'invention sont prévus des motifs à I = 6 séries 80 à 85 de trous sensiblement alignés rectangulaires 9. L'expression "sensiblement rectangulaire" englobe des trous strictement rectangulaires, ou elliptiques allongés, ou oblongs par exemple. Les séries de trous rectangulaires sont également réparties, selon la réalisation illustrée, en une série de trous principale 81, 84 et deux séries de trous secondaires 80 et 82, 83 et 85 de part et d'autre de la série de fente principale, dans chaque demi-motif P/2. Chaque série de trous 80 à 85 comprend deux ou plus trous rectangulaires 7 ayant un grand axe commun, c'est-à-dire alignées suivant leurs longueurs, le long d'une portion d'une spire hélicoïdale, voire d'une spire ou plus d'une spire. Selon la figure 7, chaque série principale 81, 84 a une longueur LP et comprend un trou rectangulaire central long et deux trous rectangulaires d'extrémité plus courts, et chaque série secondaire 80, 82, 83, 85 a une longueur LS et comprend deux trous rectangulaires identiques alignés. Les trous 9 ont toutes la même largeur 1. A titre d'exemple, un câble coaxial rayonnant selon l'invention présentant une largeur de bande de mode principal comprise entre 283 MHz et 1978 MHZ présente les caractéristiques suivantes - impédance caractéristique Zc = 75 Q - conducteur intérieur 1 en cuivre de diamètre 4,06 mm - enveloppe isolante intermédiaire 2 constituée de tronçons séparés ovoïdaux appelés ballons, en polyéthylène de permittivité diélectrique g = 1,28, avec un diamètre interne de 4,1 mm et un diamètre externe de 16,1 mm - conducteur extérieur 3a, 3b en cuivre de diamètre D = 16,23 mm et d'épaisseur 0,2 mm revêtu d'une couche externe de copolymère d'épaisseur 0,05 mm, issu d'un ruban conducteur RU de largeur zD + 2W = 59 mm avec des bandes longitudinales de recouvrement B de largeur W = 4 + 1 mm - gaine extérieure isolante 4 en polymère composite d'épaisseur 1,9 mm et de diamètre extérieur 20,5 + 0,5 mm ; - pas P des motifs = 500 mm - longueur des séries principales 61 et 64, 8 et 84 LP = 45,3 mm - longueur des séries secondaires 60, 62, 63 et 65, 80, 82, 83 et 85 de LS = 40 mm - diamètre des trous 7 ou largeur des trous 9 1 = 3 mm. REVENDICATIONS 1 - Câble coaxial rayonnant comprenant un conducteur intérieur (la, lb) et un conducteur extérieur (3a ; 3b), caractérisé par des séries de trous (60 à 65; 80 à 85) s'étendant obliquement à l'axe (XX) du câble dans le conducteur extérieur (3a ; 3b). 2 - Câble coaxial conforme à la revendication 1, dans lequel les trous (7) sont sensiblement circulaires et sensiblement de même diamètre (1). 3 - Câble coaxial conforme à la revendication 1, dans lequel les trous (9) sont sensiblement rectangulaires et sensiblement de même largeur (l), et sont alignés suivant un grand axe commun dans chaque série (80 à 85). 4 - Câble coaxial conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins une série de trous (60 à 65 80 à 85) s'étend sur au moins un demi-tour du conducteur extérieur (3a ; 3b). 5 - Câble coaxial conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les trous (7 9) dans chaque série sont espacés au moins sensiblement de la demi-largeur (1/2) des trous. 6 - Câble coaxial conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel des séries de trous (60 à 65 80 à 85) font un angle (w) sensiblement de t 450 environ avec 1'axe (XX) du câble. 7 - Câble coaxial conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les séries de trous (60 à 65 80 à 85) sont réparties en motifs périodiques de pas prédéterminé (P), et chaque motif (P) comprend sur un demi-pas (P/2) une moitié de séries de trous (60 à 62 ; 80 à 82) s'étendant parallèlement suivant l'un de deux sens d'enroulement d'hélice autour du conducteur extérieur (3a ; 3b) et sur l'autre demi-pas (P/2) une moitié de séries de trous (63 à 65 ; 83 à 85) s'étendant parallèlement suivant l'autre sens d'enroulement d'hélice. 8 - Câble coaxial conforme à la revendication 6, dans lequel chaque moitié comprend une série de trous centrale (61, 64 ; 81, 84) plus longue que les autres séries de trous (60, 62, 63, 65; 80, 82, 83, 85)