EP0504776B1 - Câble coaxial à faibles pertes - Google Patents

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EP0504776B1
EP0504776B1 EP92104511A EP92104511A EP0504776B1 EP 0504776 B1 EP0504776 B1 EP 0504776B1 EP 92104511 A EP92104511 A EP 92104511A EP 92104511 A EP92104511 A EP 92104511A EP 0504776 B1 EP0504776 B1 EP 0504776B1
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    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
    • H01B11/1804—Construction of the space inside the hollow inner conductor
    • H—ELECTRICITY
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
    • H01B11/1808—Construction of the conductors
    • H01B11/183—Co-axial cables with at least one helicoidally wound tape-conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
    • H01B11/1834—Construction of the insulation between the conductors
    • H01B11/1839—Construction of the insulation between the conductors of cellular structure

Definitions

  • the present invention relates to a low loss coaxial cable, operating in particular at very high frequencies and at high temperatures.
  • a low density dielectric is used as an intermediate insulator (with a minimum value approximately equal to 15% of that of the dielectric of a coaxial cable with solid dielectric).
  • Such a cable structure does not allow radii of curvature less than 4 to 5 times the outside diameter of the cable.
  • the object of the present invention is therefore to produce a cable with low losses capable of withstanding small radii of curvature and capable of being used at very high frequencies and under high temperatures.
  • the rod is produced by extruding solid PTFE on a support with a diameter of between 0.15 and 0.5 times the diameter of the rod.
  • This support can be a metal strand, a metal wire or a wire made of an insulating material.
  • the rod is made of solid PTFE with a density equal to 2.16 and the intermediate insulation is made of expanded PTFE with a density equal to 1.
  • the metallic inner conductor can be obtained by helical short pitch taping without welding of a conductive tape around the rod.
  • the recovery rate of the taping can then be between 20 and 60%.
  • the inner conductor by depositing metal on the rod by vacuum spraying, sputtering or chemically.
  • the thickness of the inner conductor thus produced is between 0.002 and 0.2 mm, depending on the frequency of use of the cable and the metallization technique used.
  • the cable may further include an outer insulating sheath around the metallic outer conductor.
  • the single figure shows in perspective a cable according to the invention.
  • a cable 1 consists of a rod 2 made of solid PTFE with a density d J equal to 2.16 and a diameter of 0.93 mm.
  • the rod 2 is produced by extruding PTFE on a copper wire 7 with a diameter of 0.28 mm. It is covered with a conductive copper tape 3 constituting the conductive core 4 of the cable 1. More specifically, the core 4 is produced using helical tape, with very short pitch and covering 49% of the turns of the tape 3 not welded. This gives a metallization thickness of 0.1 mm, which allows the cable to operate at 40 MHz and more.
  • the intermediate dielectric 5 is banded made of expanded PTFE with a density d I equal to 1.
  • the diameter of the intermediate insulator 5 thus obtained is 2.95 mm.
  • the external conductor 6 is added, which is a metal tube with a diameter of 3.58 mm. Cable 1 therefore has an external diameter of 3.58 mm. It is not necessary to provide cable 1 with an external insulator.
  • the outer conductor 6 is then possibly tinned or silver.
  • the ratio d I / d J is equal to 0.46; it is included in the range defined above, that is to say between 0.15 and 0.75.
  • the use of PTFE to form the rod support allows the cable to operate at high temperatures, and generally above 125 ° C.
  • the structure of the conductive core is flexible, which allows the reduction of the minimum radius of curvature.
  • the use of a copper wire, which has no conductive role, as a flexible support during the extrusion of the support rod provides mechanical reinforcement of the structure while guaranteeing the rod a sufficiently low stiffness not to introduce disturbance of the electrical characteristics of the cable during a possible bending.
  • the present invention therefore makes it possible to obtain cables with low transmission losses capable of withstanding small radii of curvature while retaining their electrical characteristics, and which can at the same time operate at very high frequencies and at high temperatures.
  • cables can be used in particular in the aeronautical, space, military fields, and in any other field where the constraints of congestion imply the need to subject the cables to a significant confinement.
  • the support rod can be produced by PTFE extrusion on a flexible support of metallic or non-metallic mechanical reinforcement.
  • This support may for example consist of a strand or a metal wire with a diameter between 0.15 and 0.5 times that of the rod.
  • the density of the dielectric constituting the insulator intermediate can be between 0.3 and 1.2. However, it is always necessary to remain in a ratio between density of the intermediate insulation and density of the support rod of between 0.15 and 0.75 in order to preserve the properties of the cable according to the invention.
  • the taping recovery rate can vary between 20 and 60%.
  • the thickness of the inner conductor is advantageously between 0.002 and 0.2 mm. In practice for cable use frequencies greater than 1 GHz, this thickness is of the order of 0.002 mm, and for use frequencies greater than 10 MHz, it is approximately 0.2 mm.

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  • Communication Cables (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un câble coaxial à faibles pertes, fonctionnant en particulier à de très hautes fréquences et à des températures élevées.
  • Afin de réduire les pertes de transmission des câbles coaxiaux, on utilise comme isolant intermédiaire un diélectrique de faible densité(de valeur minimale environ égale à 15% de celle du diélectrique d'un câble coaxial à diélectrique massif). On peut par exemple remplacer du polytétrafluoroéthylène (PTFE) massif par du PTFE expansé, dont la densité est plus faible que celle du PTFE massif. Le PTFE expansé a une permittivité relative inférieure à celle du PTFE massif. Par conséquent, pour conserver des caractéristiques électriques identiques à celles des câbles classiques, et notamment une impédance caractéristique semblable (on rappelle que l'impédance caractéristique d'un câble dépend de la concentricité des différents éléments du câble, du rapport entre leurs diamètres et de leur permittivité diélectrique relative), il faut diminuer le rapport entre le diamètre intérieur du conducteur extérieur (c'est-à-dire généralement le diamètre extérieur du diélectrique intermédiaire) et le diamètre extérieur du conducteur intérieur, ce qui conduit en pratique à augmenter le diamètre extérieur du conducteur intérieur.
  • Or, lors de l'utilisation du câble, les contraintes de pliage sont nombreuses ; en effet, les câbles occupant l'espace le plus restreint possible sont de plus en plus recherchés, afin de gagner de la place, notamment dans les applications spatiales, militaires aéronautiques, etc.
  • Ainsi, l'augmentation du diamètre extérieur d'un conducteur intérieur métallique massif et raide associée à la diminution de résistance à la compression d'un diélectrique à faible densité entraîne, lors du pliage, un décentrement local de l'âme conductrice centrale du fait de sa raideur. Ceci conduit à une variation néfaste de l'impédance caractéristique, et donc des propriétés électriques, du câble considéré.
  • Une telle structure de câble ne permet pas d'atteindre des rayons de courbure inférieurs à 4 à 5 fois le diamètre extérieur du câble.
  • On pourrait alors penser à utiliser un câble dans lequel le conducteur central métallique raide est remplacé par un jonc souple en un matériau diélectrique, recouvert par des bandes de métal. Une telle structure est décrite dans le brevet FR-2 487 568.
  • Toutefois, la solution apportée par cette structure n'est transposable ni au domaine des très hautes fréquences (typiquement supérieures à 12 GHz) où l'on utilise des câbles très fins (diamètre extérieur allant jusqu'à 6,5 mm), ni à celui des hautes températures de service (de l'ordre de 125°C et plus). En effet, le polyuréthane cellulaire utilisé pour former le jonc de soutien décrit dans le brevet mentionné ne tolère pas des températures supérieures à 80°C.
  • D'autre part, l'utilisation d'une bande de métal disposée en long et éventuellement soudée pour réaliser le conducteur intérieur conduit à une structure raide qui ne supporte pas de faibles rayons de courbure : lors du pliage, il y a dégradation du conducteur intérieur.
  • Pour des câbles fonctionnant à hautes fréquences (200 MHz par exemple), il suffit d'une épaisseur de métal, pour le conducteur intérieur, de l'ordre du centième de millimètre (l'épaisseur minimale e est fonction de la fréquence f selon la formule suivante : e = 2 2πfσ»
    Figure imgb0001
    où » est la perméabilité du métal utilisé et σ sa conductivité). Ceci est impossible à obtenir avec le procédé d'injection de polyuréthane dans un tube métallique constituant l'âme centrale décrit dans le brevet cité. En effet, il n'est pas possible de réaliser un tube métallique d'une épaisseur de quelques centièmes de millimètres capable de supporter l'injection de polyuréthane. En pratique les câbles décrits dans le brevet cité ont des diamètres de plus d'une dizaine de millimètres. Finalement, on ne peut obtenir, grâce aux techniques classiques, un câble supportant de faibles rayons de courbure et entraînant de faibles pertes de transmission, capable de fonctionner à des fréquences très hautes et à des températures élevées.
  • La but de la présente invention est donc de réaliser un câble à faibles pertes capable de supporter des rayons de courbure faibles et pouvant être utilisé à de très hautes fréquences et sous de fortes températures.
  • La présente invention propose à cet effet un câble coaxial à faibles pertes comprenant :
    • un jonc central de soutien en matière plastique, recouvert d'un métal formant le conducteur intérieur (ou âme) dudit câble coaxial,
    • un isolant intermédiaire en un matériau diélectrique,
    • un conducteur extérieur métallique,

    caractérisé en ce que ledit jonc central est en polytétrafluoroéthylène (PTFE) de densité supérieure ou égale à 1,6, ledit isolant intermédiaire a une densité inférieure à 1,2 et le rapport entre la densité du diélectrique constituant ledit isolant intermédiaire et la densité du PTFE constituant ledit jonc reste compris entre 0,15 et 0,75.
  • Avantageusement, le jonc est réalisé par extrusion de PTFE massif sur un support de diamètre compris entre 0,15 et 0,5 fois le diamètre du jonc. Ce support peut être un toron métallique, un fil métallique ou un fil en un matériau isolant.
  • Selon une réalisation avantageuse, le jonc est en PTFE massif de densité égale à 2,16 et l'isolant intermédiaire est en PTFE expansé de densité égale à 1.
  • Selon une caractéristique importante, le conducteur intérieur métallique peut être obtenu par rubanage hélicoïdal à pas court sans soudure d'un ruban conducteur autour du jonc. Le taux de recouvrement du rubannage peut alors être compris entre 20 et 60%.
  • Selon une variante, il est possible d'obtenir le conducteur intérieur par dépôt de métal sur le jonc par vaporisation sous vide, pulvérisation cathodique ou par voie chimique.
  • De manière avantageuse encore, l'épaisseur du conducteur intérieur ainsi réalisé est comprise entre 0,002 et 0,2 mm, selon la fréquence d'utilisation du câble et la technique de métallisation utilisée.
  • Enfin, le câble peut comporter en outre une gaine isolante extérieure autour du conducteur extérieur métallique.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'un câble selon l'invention, donnée à titre illustratif et nullement limitatif.
  • La figure unique représente en perspective un câble selon l'invention.
  • Dans cette figure, un câble 1 selon l'invention est constitué d'un jonc 2 en PTFE massif de densité dJ égale à 2,16 et de diamètre 0,93 mm. Le jonc 2 est réalisé par extrusion de PTFE sur un fil en cuivre 7 de diamètre 0,28 mm. Il est recouvert d'un ruban conducteur en cuivre 3 constituant l'âme conductrice 4 du câble 1. Plus précisément, l'âme 4 est réalisée selon un rubanage hélicoïdal, à pas très court et à recouvrement à 49% des spires du ruban 3 non soudé. On obtient alors une épaisseur de métallisation de 0,1 mm, qui permet au câble un fonctionnement à 40 MHz et plus.
  • Autour de l'âme conductrice 4, on rubanne le diélectrique intermédiaire 5 constitué de PTFE expansé de densité dI égale à 1. Le diamètre de l'isolant intermédiaire 5 ainsi obtenu est de 2,95 mm. Enfin, selon des techniques classiques qui ne font pas l'objet de l'invention, on ajoute le conducteur extérieur 6, qui est un tube métallique de diamètre 3,58 mm. Le câble 1 a donc un diamètre extérieur de 3,58 mm. Il n'est pas nécessaire de munir le câble 1 d'un isolant externe. Le conducteur extérieur 6 est alors éventuellement étamé ou argenté.
  • Le rapport dI/dJ est égal à 0,46 ; il est compris dans la fourchette définie plus haut, c'est-à-dire entre 0,15 et 0,75. Ainsi, grâce au câble selon l'invention, il est possible d'atteindre des rayons de courbure de 3 fois le diamètre extérieur du câble 1, soit environ 10 mm, sans décentrement de l'âme et donc sans variation des caractéristiques électriques du câble, alors que les rayons de courbure minimaux atteints avec les câbles de l'art antérieur sont de l'ordre de 4, voire 5 fois le diamètre extérieur du câble. Dans le cas de l'invention, la diminution du rayon de courbure minimal n'est plus limitée que par la contrainte mécanique maximale acceptable par le conducteur extérieur lors du pliage.
  • D'autre part, 1'utilisation de PTFE pour former le jonc de soutien autorise le fonctionnement du câble à des températures élevées, et généralement supérieures à 125°C.
  • Grâce au rubanage sans soudure et à pas très court du conducteur intérieur sur le jonc de soutien, la structure de l'âme conductrice est souple, ce qui permet la diminution du rayon de courbure minimal.
  • Il est également possible de réaliser la métallisation par dépôt de métal sur le jonc par vaporisation sous vide, pulvérisation cathodique ou par voie chimique. On peut ainsi obtenir des épaisseurs de métallisation très faibles (quelques microns) qui sont appropriées à l'utilisation du câble selon l'invention à de très hautes fréquences (avec une épaisseur de métallisation de 5 », on peut utiliser le câble à des fréquences supérieures à 200 MHz).
  • Enfin, et de manière avantageuse, l'utilisation d'un fil de cuivre, qui n'a pas de rôle conducteur, comme support souple lors de l'extrusion du jonc de soutien assure un renfort mécanique de la structure tout en garantissant au jonc une raideur suffisamment faible pour ne pas introduire de perturbation des caractéristiques électriques du câble lors d'un pliage éventuel.
  • La présente invention permet donc d'obtenir des câbles à faibles pertes de transmission capables de supporter de faibles rayons de courbure tout en conservant leurs caractéristiques électriques, et pouvant en même temps fonctionner à de très hautes fréquences et à des températures élevées.
  • Ces câbles peuvent être utilisés en particulier dans les domaines aéronautique, spatial, militaire, et dans tout autre domaine où les contraintes d'encombrement impliquent la nécessité de soumettre les câbles à un confinement important.
  • Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à la structure qui vient d'être décrite.
  • En particulier, on peut réaliser le jonc de soutien par extrusion de PTFE sur un support souple de renfort mécanique métallique ou non. Ce support peut être par exemple constitué d'un toron ou d'un fil métallique de diamètre compris entre 0,15 et 0,5 fois celui du jonc.
  • De même, la densité du diélectrique constituant l'isolant intermédiaire peut être comprise entre 0,3 et 1,2. Toutefois, il faut toujours rester dans un rapport entre densité de l'isolant intermédiaire et densité du jonc de soutien compris entre 0,15 et 0,75 afin de conserver les propriétés du câble selon l'invention.
  • Par ailleurs, le taux de recouvrement du rubanage peut varier entre 20 et 60%.
  • Enfin, l'épaisseur du conducteur intérieur est avantageusement comprise entre 0,002 et 0,2 mm. En pratique pour des fréquences d'utilisation du câble supérieures à 1 GHz, cette épaisseur est de l'ordre de 0,002 mm, et pour des fréquences d'utilisation supérieures à 10 MHz, elle est d'environ 0,2 mm.

Claims (12)

  1. Câble coaxial à faibles pertes comprenant :
    - un jonc central de soutien (2) en matière plastique, recouvert d'un métal formant le conducteur intérieur ou âme (4) dudit câble coaxial (1),
    - un isolant intermédiaire (5) en un matériau diélectrique,
    - un conducteur extérieur métallique (6),
    caractérisé en ce que ledit jonc central (2) est en polytétrafluoroéthylène, PTFE, de densité supérieure ou égale à 1,6, ledit isolant intermédiaire (5) a une densité inférieure à 1,2 et le rapport entre la densité du diélectrique constituant ledit isolant intermédiaire (5) et la densité du PTFE constituant ledit jonc (2) reste compris entre 0,15 et 0,75.
  2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit jonc (2) est réalisé par extrusion de PTFE massif sur un support (7) de diamètre compris entre 0,15 et 0,50 fois celui dudit jonc.
  3. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit support (7) est choisi parmi un toron métallique, un fil métallique et un fil en un matériau isolant.
  4. Câble selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit jonc (2) est en PTFE massif de densité égale à 2,16.
  5. Câble selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit isolant intermédiaire (5) est en PTFE expansé de densité égale à 1.
  6. Câble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur métallique (4) est obtenu par rubanage hélicoïdal à pas court sans soudure d'un ruban conducteur (3) autour dudit jonc.
  7. Câble selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit rubanage est effectué avec un taux de recouvrement compris entre 20 et 60%.
  8. Câble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur (4) est obtenu par dépôt de métal sur ledit jonc par vaporisation sous vide.
  9. Câble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur (4) est obtenu par dépôt de métal sur ledit jonc par pulvérisation cathodique.
  10. Câble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur est obtenu par dépôt métallique sur ledit jonc par voie chimique.
  11. Câble selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'épaisseur dudit conducteur intérieur (4) est comprise entre 0,002 et 0,2 mm.
  12. Câble selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une gaine isolante extérieure autour dudit conducteur extérieur métallique.
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