WO1996027197A1 - Cable et cablage blindes et leur procede de fabrication - Google Patents

Cable et cablage blindes et leur procede de fabrication Download PDF

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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H01B11/02—Cables with twisted pairs or quads
    • H01B11/06—Cables with twisted pairs or quads with means for reducing effects of electromagnetic or electrostatic disturbances, e.g. screens
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/22—Sheathing; Armouring; Screening; Applying other protective layers
    • H01B13/26—Sheathing; Armouring; Screening; Applying other protective layers by winding, braiding or longitudinal lapping
    • H01B13/2606—Sheathing; Armouring; Screening; Applying other protective layers by winding, braiding or longitudinal lapping by braiding

Definitions

  • braiding angle that is to say inclination of the spindles with respect to the axis of the braid, that is to say the axis of the cable.
  • optical overlap of the cable that is to say the ratio between the surface covered by the conductive metallic material and the total surface.
  • This optical coverage is expressed as a percentage and its complement gives the percentage of the surface occupied by the small openings which arise at the points of intersection of the spindles of strands making up the braid.
  • the effectiveness of the protection provided by the braided shield is given by the value of the transfer impedance, a parameter which expresses, per unit of cable length, the ratio between the parasitic voltage which appears at the end of the cable and the disturbing current flowing through the shield.
  • the transfer impedance of the braided shield is similar to the linear resistance of the braid.
  • this transfer impedance changes in proportion to the frequency.
  • This behavior is caused by difraction mechanisms, which increase with frequency, and which are due to the penetration of the magnetic field through small openings appearing on the surface of the braid.
  • Optimized braids generally have an optical coverage of less than 90% and often close to 70%, this in order to limit the weight and the manufacturing cost of the shielding.
  • these braids have large openings on their surface which, although optimized, cause coupling by electric field, which generates, inside the cable, induced electric charges and, consequently, a new source of parasites.
  • the invention proposes to remedy these drawbacks and to provide an improvement to cables and cabling with shielding braid (s) making it possible to obtain optimized braids without showing additional electrical coupling.
  • the invention therefore makes it possible to obtain, for equal weight, shielding braids ensuring better protection of the signals against the electromagnetic environment, including at high frequencies (> 10 MHz), and therefore to obtain better shielding efficiency. .
  • Another object of the invention is to improve the immunity of a shielding braid to electromagnetic radiation.
  • the subject of the invention is a cable comprising a shielding braid, characterized in that the braid has at least two successive zones in which the braiding angles are deliberately different.
  • the length of an area having a determined angle is preferably greater than the pitch of the braid for the angle considered. Preferably this length can be of the order of 10 times the pitch.
  • a screened cable according to the invention could comprise at least one, and preferably a plurality of zones, of length l 1 with a braid angle ⁇ 1 alternately nested with at least one zone of length l 2 having a braid angle ⁇ 2, two consecutive zones l 1 and l 2 being separated by a transition zone l in which the braiding angle varies progressively from the value ⁇ 1 to ⁇ 2.
  • angles ⁇ 1 and ⁇ 2 can vary practically from 0 to 90 °, preferably being complementary to each other.
  • the transfer impedance of a cable braiding area having a determined length l 1 and a braiding angle ⁇ 1 and having a given optical coverage, for example 90% or more, is measured.
  • the transfer impedance expressed, on the one hand, as a module and, on the other hand, as an argument, we note that for a certain frequency value, greater than 1 MHz, the phase of the transfer impedance takes a certain value and we can determine the frequency for which the phase takes the value ⁇ .
  • braid lengths are chosen such that the addition of the phases of the disturbing signals is zero or as small as possible.
  • the frequency band where these compensation conditions are possible is variable. In the example given in the appendix, the principle is demonstrated in a frequency band of a few MHz.
  • the subject of the invention is also a method of manufacturing a cable having at least one metal shielding braid, characterized in that zones of length l 1 and l 2 are braided successively and having braiding angles ⁇ 1, ⁇ 2 different and such that the phases of the transfer impedances of said zones compensate, at least partially.
  • FIG. 3 shows a series of curves showing, as a function of the frequency on the abscissa, the phase of the transfer impedance, for different braiding angles.
  • a first zone D 1 of axial length l 1 is first braided in which the braiding angle ⁇ 1 is 60 °.
  • the optical coverage is
  • FIG. 2 shows the evolution of the attenuation curves (on the ordinate) with respect to the frequencies (on the abscissa) for nine different cables designated l to 9, measured over a cable length of one meter.
  • the indications have the following meanings:
  • IA / IE is the value of the ratio of the length of the dl area to that of the d2 area.
  • the transition zone is provided by an electrical connector.
  • the invention makes it possible in certain embodiments to minimize coupling by penetration of electric fields on wiring with optimized transfer impedance while retaining the compensation of couplings by magnetic field.
  • the invention can be applied to systems of electrical connections made up of several branches, and, even, the protective effect obtained is independent of the position of the conductor (s) inside the braid.
  • the optimization is applicable to strands of several wires.
  • the transfer impedance becomes much less dependent on the external mechanical stresses on the shields.

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Abstract

Le câble ou câblage est caractérisé en ce que la tresse présente au moins deux zones successives (d1, d2) où les angles de tressage sont différents. L'invention permet d'obtenir des tresses optimisées sans couplage électrique supplémentaire, assurant ainsi une meilleure protection des signaux contre l'environnement électromagnétique y compris aux fréquences élevées.

Description

Câble et câblage blindés et leur procédé de fabrication.
La présente invention a trait à un perfectionnement aux câbles et câblages destinés à transmettre des signaux électriques, et comprenant un blindage périphérique comprenant une ou plusieurs tresses métalliques. L'invention a également trait à un procédé de définition et de fabrication de ces câbles et câblages à immunité électromagnétique améliorée.
Afin d'améliorer la protection des signaux transmis par les conducteurs d'un câble contre les agressions électromagnétiques de l'environnement, on recouvre classiquement le câble d'une tresse métallique. La tresse métallique est tressée sur le câble ou les torons par des machines comprenant une pluralité de bobines de fil(s) métallique(s), qui donneront naissance aux fuseaux comprenant un ou plusieurs brins.
Les caractéristiques d'une tresse métallique de câble ou toron sont définies à partir des paramètres suivants :
- diamètre des brins,
- nombre de brins par fuseau,
- nombre de fuseaux (égal au nombre de bobines), angle de tressage, c'est-à-dire inclinaison des fuseaux par rapport à l'axe de la tresse, c'est-à-dire l'axe du câble.
Si l'on tient compte du diamètre du câble sur lequel est formée la tresse, ces caractéristiques définissent le recouvrement optique du câble, c'est-à-dire le rapport entre la surface couverte par le matériau métallique conducteur et la surface totale. Ce recouvrement optique est exprimé en pourcentage et son complément donne le pourcentage de la surface occupée par les petites ouvertures qui prennent naissance aux points d'intersection des fuseaux de brins composant la tresse.
L'efficacité de la protection assurée par le blindage tressé est donnée par la valeur de l'impédance de transfert, paramètre qui exprime, par unité de longueur de câble, le rapport entre la tension parasite qui apparaît à l'extrémité du câble et le courant perturbateur qui parcourt le blindage.
L'efficacité de protection apportée par le blindage peut également s'exprimer par une atténuation obtenue à partir du rapport de la puissance électromagnétique injectée à l'extérieur du câble sur la puissance électromagnétique induite à l'intérieur du câble. Elle s'exprime en décibel (dB) et peut se mesurer avec un analyseur de réseau.
Au dessous de 1 MHz, l'impédance de transfert du blindage tressé s'apparente à la résistance linéique de la tresse. Par contre lorsque les fréquences augmentent, au- dessus de 1 MHz environ, cette impédance de transfert évolue de façon proportionnelle à la fréquence.
Ce comportement est provoqué par des mécanismes de difraction, qui augmentent avec la fréquence, et qui sont dus à la pénétration du champ magnétique au travers des petites ouvertures apparaissant à la surface de la tresse.
Afin d'éviter d'accroître le poids de la tresse blindée, il est déjà connu d'optimiser la tresse en cherchant un compromis entre le recouvrement optique et l'angle de tressage de façon à minimiser la pénétration du champ magnétique. On comprend que la résistance linéique d'une tresse optimisée reste pratiquement inchangée au-dessous de 1 MHz. Par contre on parvient à réduire l'impédance de transfert pour les fréquences supérieures dans un rapport intéressant pouvant atteindre un facteur 10.
Les tresses optimisées présentent généralement un recouvrement optique inférieur à 90 % et souvent proche de 70 %, ceci afin de limiter le poids et le coût de fabrication du blindage. Ces tresses comportent cependant à leur surface des ouvertures importantes qui, bien qu'optimisées, provoquent un couplage par champ électrique, qui engendre, à l'intérieur du câble, des charges électriques induites et, par conséquent, une nouvelle source de parasites.
L'amélioration que procure la diminution du couplage magnétique se trouve donc amoindrie par le couplage électrique.
Selon un mode de réalisation, l'invention se propose de remédier à ces inconvénients et de fournir un perfectionnement aux câbles et câblages à tresse(s) de blindage permettant d'obtenir des tresses optimisées sans faire apparaître de couplage électrique supplémentaire. L'invention permet donc d'obtenir, à poids égal, des tresses de blindage assurant une meilleure protection des signaux contre l'environnement électromagnétique, y compris aux fréquences élevées (> 10 MHz), et donc d'obtenir une meilleure efficacité du blindage.
Un autre objectif de l'invention est d'améliorer l'immunité d'une tresse de blindage au rayonnement électromagnétique.
Un autre objectif, encore, de l'invention, est d'améliorer la protection dans la zone des fréquences à laquelle le câble se trouve soumis, plus particulièrement entre 10 MHz et 100 MHz. Un autre objectif encore est d'obtenir ces améliorations avec un poids de tresse réduit, en évitant dans certains cas une double tresse, et en obtenant un encombrement moindre ainsi qu'une réduction du temps de tressage.
L'invention a pour objet un câble comprenant une tresse de blindage, caractérisé en ce que la tresse présente au moins deux zones successives dans lesquelles les angles de tressage sont volontairement différents.
De préférence pour des câbles d'une assez grande longueur, la tresse présente des zones alternées à angles de tressage différents, et, dans le cas le plus simple, une série de zones avec un premier angle de tressage et une série de zones alternées avec un deuxième angle de tressage.
Pour des raisons de continuité mécanique lors du procédé de tressage on ne peut pas passer brusquement d'une zone comprenant un premier angle de tressage, par exemple 30°, à une zone comprenant un deuxième angle de tressage différent, par exemple 60°, de sorte qu'il existe entre les deux zones une zone de transition dans laquelle l'angle de tressage varie progressivement. On préfère que ces zones de transition soient aussi courtes que possible. La longueur de transition sera un compromis entre les performances électromagnétiques attendues et les possibilités techniques de la machine de tressage.
On peut cependant prévoir de supprimer les zones de transition en alignant successivement des tresses d'angles différents et en assurant la continuité électriques entre deux tresses consécutives par des moyens conducteurs, de préférence par une bague métallique en contact (avec ou sans soudure) avec les extrémités voisines des deux tresses.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention on peut, après avoir déterminé le recouvrement optique optimisé pour le câble, compte tenu des conditions dans lesquelles il est amené à être utilisé, réaliser la tresse avec des zones successives d'angles de tressage différents tout en conservant la valeur optimale du recouvrement optique, ce qui nécessite, dans la pratique, de changer chaque fois de machine de tressage. On peut aussi réaliser toutes les zones sur une même machine de tressage, ce qui entraine alors une variation du recouvrement optique. Le choix de l'angle de tressage permet de compenser, au moins partiellement, cet inconvénient.
La longueur d'une zone ayant un angle déterminé est de préférence supérieure au pas de la tresse pour l'angle considéré. De préférence cette longueur peut être de l'ordre de 10 fois le pas.
A titre d'exemple un câble blindé selon l'invention pourrait comporter au moins une, et de préférence une pluralité de zones, de longueur l1 avec un angle de tresse α1 alternativement imbriquées avec au moins une zone de longueur l2 ayant un angle de tresseα 2, deux zones consécutives l1 et l2 étant séparées par une zone de transition l dans laquelle l'angle de tressage varie progressivement de la valeur α1 à α2.
Les angles α1 et α2 peuvent varier pratiquement de 0 à 90°, en étant de préférence complémentaires l'un de l'autre.
De façon avantageuse on peut avoir, par exemple, α 1 = 60° et α2 = 30°.
Le choix des angles de tressage et des longueurs de zones de tressage, c'est-à-dire de la modulation de tressage du câble, peut s'effectuer de la façon suivante.
On mesure l'impédance de transfert d'une zone de tressage de câble ayant une longueur déterminée l1 et un angle de tressage α 1 et ayant un recouvrement optique donné, par exemple 90 % ou plus. En étudiant, en fonction de la fréquence l'impédance de transfert exprimée, d'une part, en module et, d'autre part, en argument, on constate que pour une certaine valeur de fréquence, supérieure à 1 MHz, la phase de l'impédance de transfert prend une certaine valeur et l'on peut déterminer la fréquence pour laquelle la phase prend la valeur℧.
Lorsque l'on fait la même mesure avec un autre câble ou toron ayant une longueur l2 et un angle α 2 nettement inférieur, on constate qu'à partir d'une certaine fréquence supérieure à 100 KHz, il y a inversion de la phase de l'impédance de transfert au voisinage de ℧ + ( 2n+1) π . Le choix des zones alternées sera donc fait de façon à obtenir une opposition des phases pouvant aller jusqu'à l'annulation, des composantes non résistives de l'impédance de transfert.
Si Lt1 et Lt2 sont les inductances des deux zones, les composantes réactives des impédances de transfert pour certains modes de couplage sont données par :
Zt1 = JLt1Ѡ pour l'angle α1.
Zt2 = -JLt2Ѡ pour l'angle α2.
Les longueurs l1, l2, que l'on préfère supérieures au pas de la tresse, par exemple de l'ordre de 10 pas, peuvent être optimisées en s'efforçant de satisfaire à la condition l1 Lt1 - l2 Lt2 = 0.
En d'autres termes, pour des signaux d'amplitude proche, on choisit des longueurs de tresse telles que l'addition des phases des signaux perturbateurs soit nulle ou aussi faible que possible. Compte tenu de l'impédance de transfert linéique d'une tresse, la bande de fréquence où ces conditions de compensation sont possibles est variable. Dans l'exemple donné en annexe, le principe est démontré dans une bande de fréquence de quelques MHz.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un câble possédant au moins une tresse métallique de blindage, caractérisé en ce que l'on tresse successivement des zones de longueur l1 et l2 et ayant des angles de tressageα1,α 2 différents et tels que les phases des impédances de transfert desdites zones se compensent, au moins partiellement.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et se référant au dessin annexé, dans lequel :
- la figure 1 représente une vue schématique d'un câble blindé au sortir d'une machine de tressage ;
- la figure 2 représente une série de courbes montrant, en fonction de la fréquence en abscisse, l'atténuation en décibels pour neuf câbles ayant un angle de tressage A de 60° ou E de 30° ou deux zones d'angle A puis d'angle B dans une proportion de longueurs représentée pour un total de un mètre de câble.
- la figure 3 représente une série de courbes montrant, en fonction de la fréquence en abscisse, la phase de l'impédance de transfert, pour différents angles de tressage.
En se référant à la figure 1 on voit un câble schématiquement représenté du type câble multiconducteurs, ou câble coaxial, que l'on tire verticalement vers le haut à travers le plateau tournant 2 et le puits 3 d'un métier à tresser sur lequel sont fixés, de façon rotative autour de broches verticales, les fuseaux 4 délivrant des brins individuels ou des faisceaux de brins de cuivre 5. Ces faisceaux sont amenés sur le câble 1 et y réalisent, d'une façon tout à fait classique, un tressage.
Conformément à l'invention on a d'abord tressé une première zone D1 de longueur axiale l1 dans laquelle l'angle de tressage α1 est de 60°.
A la fin du tressage de la zone dl, l'angle alpha est progressivement diminué pendant le tressage d'une zone de transition d de longueur 1 jusqu'à aboutir à une valeur de 30° à partir du début de la zone de tressage d2 de longueur l2.
Dans l'exemple choisi le recouvrement optique est de
90 %. En d'autres termes la surface totale des ouvertures à travers la tresse est de 10 %.
Pour assurer le tressage des différentes zones, on peut agir indifféremment sur la vitesse de rotation ou sur la vitesse de défilement axial du câble 1 ou encore sur les deux paramètres.
On a représenté sur la figure 2 l'évolution des courbes d'atténuation (en ordonnées) par rapport aux fréquences (en abscisses) pour neuf câbles différents désignés l à 9, mesurés sur une longueur de câble de un mètre. Sur le dessin les indications ont les significations suivantes :
A correspond à un angle α1 = 60°
E correspond à un angle α2 = 30°
IA/IE est la valeur du rapport de la longueur de la zone dl à celle de la zone d2.
Dans l'exemple donné, la zone de transition est assurée par un connecteur électrique.
En abscisses les fréquences varient de 104 Hz (1E + 4) à des valeurs supérieures à 108 Hz ( 1E + 8).
Ainsi la courbe 1 correspond à un câble d'un mètre de longueur entièrement tressé, de façon classique, avec un angle α1 constant égal à 60° et la courbe 2 à un câble classique entièrement tressé avec un angle constant α 2 = 30°.
On voit que pour les courbes 1 et 2, qui correspondent à des formes de blindage classique, l'impédance de transfert croît avec la fréquence lorsque celle-ci dépasse 106 Hz.
Au contraire les câbles selon l'invention, qui correspondent aux courbes 3 à 9, présentent tout d'abord une diminution ou, dans les moins bons cas, un décalage intéressant. Les courbes 4 et 5 présentent les diminutions les plus marquées.
L'homme de l'art choisira la proportion des longueurs en fonction de la plage des fréquences de fonctionnement.
Comme on l'a dit, l'invention permet dans certains modes de réalisations de minimiser le couplage par pénétration de champs électriques sur des câblages à impédance de transfert optimisé tout en conservant la compensation des couplages par champ magnétique. L'invention peut être appliquée à des systèmes de liaisons électriques constituées de plusieurs dérivations, et, de même, l'effet protecteur obtenu est indépendant de la position du ou des conducteurs à l'intérieur de la tresse. L'optimisation est applicable aux torons de plusieurs fils. Enfin l'impédance de transfert devient beaucoup moins dépendante des contraintes mécaniques extérieures sur les blindages.

Claims

REVENDICATIONS
1. Câble ou câblage destiné à transmettre des signaux électriques et comprenant une tresse de blindage, caractérisé en ce que la tresse présente au moins deux zones successives dans lesquelles les angles de tressage (α1, α2) sont différents.
2. Câble ou câblage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il existe entre les deux zones une zone de transition dans laquelle l'angle de tressage varie progressivement d'un angle à l'autre.
3. Câble ou câblage selon l'une des revendications 1 et
2, caractérisé en ce que la longueur d'une zone ayant un angle déterminé est supérieure au pas de la tresse pour l'angle considéré, et de préférence, de l'ordre de 10 fois le pas.
4. Câble ou câblage selon l'une des revendications 1 à
3, caractérisé en ce que les angles de tressage (α1, α 2) desdites zones sont complémentaires.
5. Câble ou câblage selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits angles sont, respectivement, α 1 = 60° et α 2 = 30° avec un taux de recouvrement pouvant être > 90%.
6. Câble ou câblage selon l'une des revendications 1 et 3 à 5, caractérisé en ce que deux zones successives de tresse sont réunies par des moyens conducteurs, notamment une bague.
7. Procédé de fabrication d'un câble ou câblage possédant au moins une tresse métallique de blindage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on tresse successivement des zones de longueur l1 et l2 et ayant des angles de tressage α1, α2 différents et tels que les phases des impédances de transfert desdites zones sont en opposition, au moins partiellement dans la bande de fréquence souhaitée.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on utilise une machine à tresser usuelle et que l'on modifie progressivement ou brutalement l'angle de tressage pour passer d'une zone d' angle α1 à une zone d'angle α2.
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