Choisir le bon assemblage de câbles RF

Coaxial câble les assemblages sont presque partout les systèmes électroniques peuvent être trouvés. Et ils ont un travail simple: servir de chemin de signal pour transférer des signaux d'un endroit à un autre. Mais ils doivent faire ce travail sans faute et avec peu ou pas de changement dans les signaux, qu’il s’agisse de signaux analogiques haute fréquence ou de signaux numériques haute vitesse. Étant donné que les assemblages de câbles coaxiaux sont si essentiels pour un aussi large éventail de systèmes, des systèmes électroniques terrestres robustes aux satellites en orbite dans l'espace, le processus de sélection de ces câbles ne doit pas être traité à la légère. Choisir le bon assemblage de câble coaxial n’est pas une tâche aisée, mais c’est une tâche qui peut être quelque peu facilitée en sachant mieux ce qu’il faut rechercher dans un assemblage de câble coaxial haute fréquence ou haute vitesse.

Les câbles coaxiaux fournissent les moyens de transmission en mode transverse électromagnétique (TEM). Le nom coaxial vient de leur construction, qui consiste généralement en un conducteur intérieur en fil de cuivre nu, solide ou toronné, entouré d'un isolant diélectrique tubulaire, entouré d'un conducteur extérieur tubulaire ou d'un blindage, lui-même entouré de couche extérieure protectrice, généralement une couche de plastique. Le câble coaxial est une idée originale du mathématicien britannique Oliver Heaviside, qui a breveté le concept à la fin du 19th Century. Il avait étudié les effets cutanés sur les lignes de transmission télégraphiques, estimant qu’envelopper une certaine forme d’isolant autour de la ligne de transmission améliorerait ses performances. Aux États-Unis, la première utilisation commerciale d'un câble coaxial a été une série de câbles coaxiaux d'une longueur de plusieurs kilomètres 220 entre deux villes du Minnesota, de Stevens Point à Minneapolis, en principe pour les lignes téléphoniques.

Pour une utilisation efficace avec des signaux analogiques haute fréquence ou des signaux numériques haute vitesse, les dimensions des différentes parties d’un câble coaxial doivent être contrôlées avec précision pour obtenir un espacement constant des conducteurs. La construction coaxiale (figure 1, vue en coupe du câble coaxial) permet de confiner les champs électriques et magnétiques des signaux conduits dans l'isolant diélectrique tout en empêchant les champs électriques et magnétiques extérieurs à la couche de protection externe d'interférer avec les signaux conduits. Un câble coaxial devient un ensemble lorsqu'il se termine par le choix des connecteurs coaxiaux par le client. Les ensembles de câbles coaxiaux sont couramment utilisés dans les installations de télévision par câble (CATV), pour les connexions RF / hyperfréquences haute fréquence, dans les équipements et systèmes de test et de mesure de précision et pour le transfert de signaux numériques à grande vitesse dans des réseaux informatiques.

FIG 1

Les assemblages de câbles coaxiaux pour les applications analogiques haute fréquence ou numériques haute vitesse ont généralement des impédances caractéristiques de 50 ou 75 Ω, impédances qui ne sont pas dues au hasard. Les deux valeurs remontent au travail de pionnier effectué par Bell Laboratories dans 1929. Ces premières expériences cherchaient des impédances caractéristiques optimales pour le transfert de niveaux de puissance élevés et pour une perte de signal minimale. Idéalement, la même impédance de câble caractéristique supporterait les deux conditions, mais ce n'est pas le cas. Une impédance caractéristique de 30 Ω s'est avérée optimale pour le transfert de signaux à des niveaux de puissance élevés, tandis que 77 Ω s'est avérée bien adaptée pour minimiser la perte de signaux haute fréquence et haute vitesse. Les chercheurs de Bell ont également constaté que 60 Ω était la meilleure impédance caractéristique pour les signaux haute tension. L’impédance 50 Ω a été choisie comme compromis pratique entre la capacité de traitement de la puissance sous 30 Ω et l’atténuation minimale sous 77 Ω, tandis que 75 Ω a été choisie pour une bonne adéquation avec une antenne dipôle alimentée au centre dans un espace libre utilisable en radio systèmes.

Lors de la spécification d'un assemblage de câble coaxial, il est utile de comprendre les paramètres électriques et mécaniques des différents types de câbles et de savoir comment les comparer. Les câbles coaxiaux RF / hyperfréquences peuvent être regroupés en trois catégories: les câbles semi-rigides et conformables (ou formatables à la main), les câbles flexibles et les câbles ondulés. Chacun est construit différemment, avec différentes caractéristiques mécaniques et différents niveaux de performances électriques.

Les câbles semi-rigides, ainsi appelés parce qu'ils offrent plus de flexibilité que les câbles rigides, sont connus pour leurs excellentes performances électriques mais leur aptitude au formage limitée. En raison de leur manque de flexibilité, ils nécessitent généralement l’utilisation de dessins techniques en trois dimensions (3D) pour une intégration correcte dans la plupart des systèmes électroniques. Cependant, le choix d’un câble coaxial implique des compromis et, en sacrifiant la flexibilité, les câbles semi-rigides offrent des performances électriques supérieures à celles des deux autres types de câbles coaxiaux et offrent une impédance uniforme, une faible perte d’insertion sur de larges gammes de fréquences. excellente efficacité de blindage (SE, paramètre qui caractérise à la fois les fuites de câbles et la sensibilité aux sources électromagnétiques extérieures).

Les câbles semi-rigides sont généralement construits avec un conducteur central plein entouré d'un matériau isolant diélectrique, recouvert d'un conducteur extérieur tubulaire plein (Figure 2, vue en coupe). Le conducteur central est généralement en cuivre plaqué argent, qui est non magnétique et supporte des performances à faibles pertes. Le conducteur extérieur est généralement formé d'aluminium ou de cuivre, qui est nu ou plaqué d'étain. Contrairement aux câbles rigides, les câbles semi-rigides sont généralement caractérisés par le diamètre extérieur du câble: pouces 0.034, 0.047, 0.086 ou 0.141. Les câbles semi-rigides de petit diamètre peuvent supporter des fréquences de fonctionnement aussi élevées que 110 GHz, mais avec des capacités de gestion de la puissance maximales de quelques centaines de watts et généralement bien moins. Les câbles rigides, en comparaison, ont des diamètres extérieurs allant de 0.875 à 8.1875 pouces. Ils offrent des capacités de traitement de l’énergie en kilowatts à des fréquences plus basses, généralement jusqu’à environ 800 MHz, pour des applications telles que les émetteurs de radiodiffusion et de télévision commerciales.

PIG 2

Le conducteur externe solide offre d'excellentes performances SE dans les câbles semi-rigides, avec quelques sacrifices en termes de flexibilité. Les valeurs de blindage élevées permettent aux câbles semi-rigides d'obtenir d'excellentes performances électriques, même dans des environnements avec des signaux de niveau élevé, à proximité d'antennes d'émission. Utilisant différentes configurations pour le conducteur extérieur, les fabricants de câbles coaxiaux ont amélioré la flexibilité de leurs câbles tout en maintenant des niveaux SE élevés. Les couches de conducteur ou de tresse externe ont été conçues avec des enveloppes métalliques plates, des enveloppes métalliques rondes, des bandes de métal avec et sans revêtements, et dans des configurations à une couche, à deux couches et à trois couches pour fournir une large gamme de valeurs SE faible perte d’insertion tout en offrant une certaine souplesse au câble.

Les câbles conformables offrent une grande partie des performances électriques des assemblages de câbles semi-rigides, mais avec un peu plus de flexibilité pour faciliter les installations et les connexions difficiles. Les câbles conformables ne sont pas conçus pour une flexion répétée, mais peuvent être courbés (dans les limites de leur rayon de courbure minimal) selon la forme requise et conservent cette forme une fois pliés. Pour une bonne performance électrique, les câbles conformables sont construits avec des conducteurs en cuivre plaqués argent ou en acier recouvert de cuivre plaqué argent et un blindage en composite cuivre-étain offrant un SE élevé.

Les câbles flexibles sacrifient une partie des performances électriques des câbles semi-rigides, mais leur plus grande flexibilité simplifie les installations dans les systèmes. À la place du conducteur solide d'un câble semi-rigide, un câble flexible utilise souvent un conducteur central toronné. Au lieu du conducteur extérieur solide du câble semi-rigide, un câble souple utilise une gaine extérieure en polyuréthane ou en éthylène propylène fluoré (FEP). Un certain nombre de matériaux isolants diélectriques différents peuvent être utilisés dans un assemblage de câble flexible, comprenant du polyéthylène, du polytétrafluoroéthylène (PTFE) et de la mousse de polyéthylène haute densité. La teneur en air de la mousse diminue la constante diélectrique du matériau isolant tout en aidant à réduire l'atténuation du câble.

Par exemple, un câble coaxial flexible peut utiliser un conducteur extérieur formé de fils de cuivre plaqués d'argent tressés sur l'isolant, ou de bandes de cuivre plaquées d'argent dans une armure à paniers ou de fils de cuivre plaqués d'argent parallèles entre eux et dans une longue spirale. configuration. Le conducteur central peut être en cuivre massif pour minimiser les pertes de câble ou en torons, pour les applications pouvant nécessiter une flexion répétée du câble, avec toutefois une perte plus importante que les câbles à conducteur central plein.

FIG 3

Les tresses pour câbles coaxiaux sont disponibles dans une gamme de matériaux et de types, chacun représentant un compromis. Une couche de tresse formée de fil rond fournit une bonne flexibilité et présente le coût de matériau le plus bas, mais, comme indiqué plus haut, peut subir une dégradation des performances lors de la flexion. Des matériaux de tresse plus sophistiqués représentent une augmentation des coûts en matériaux, mais une performance plus constante dans le temps. Par exemple, un blindage formé d'un ruban métallique plat peut fournir une faible atténuation du câble avec une performance SE élevée, tout en maintenant une performance électrique constante dans le temps. Une tresse plate hélicoïdale permet une bonne flexibilité, tout en permettant une excellente stabilité de phase avec une flexion de câble et des niveaux SE élevés. Une tresse en feuille enveloppée ou pliée peut également fournir des performances électriques élevées, avec une bonne résistance mécanique mais avec une perte de flexibilité par rapport aux autres configurations de tresse.

Le nombre de tresses aura un impact à la fois sur la flexibilité et sur le SE. En fonction du matériau du blindage, tel que la tresse en cuivre et son revêtement en argent, un câble coaxial avec une seule couche de tresse peut fournir une résolution SE supérieure ou égale à 40 dB avec une très grande flexibilité. Avec chaque couche de tresse ajoutée, la flexibilité du câble diminue à mesure que le SE augmente. Une double couche de tresse formée de deux tresses à fils ronds peut généralement fournir un meilleur blindage que le blindage 60 dB. Toutefois, si une de ces couches de tresse est recouverte d'une feuille de blindage ou d'une tresse plate tissée, la SE peut être augmentée à 90 dB. Les câbles à double blindage utilisant un blindage en feuille sous une couche composite remplie d'étain peuvent obtenir de meilleurs résultats que 100 dB SE tout en conservant une flexibilité raisonnable. Des valeurs SE élevées sont possibles avec des câbles à triple blindage combinant des couches de tresses plates et de fils ronds tissés, avec toutefois quelques sacrifices en termes de flexibilité (Figure 4).

Les ensembles de câbles coaxiaux sont définis non seulement par le type de câble, mais également par les connecteurs coaxiaux situés à l'une des extrémités de l'ensemble. Pour une meilleure correspondance, les différents types de câbles peuvent être comparés à l'aide de paramètres électriques et mécaniques standard, mais ces comparaisons doivent toujours comparer des longueurs de câble similaires avec des connecteurs coaxiaux similaires aux deux extrémités des câbles assemblés.

FIG 4

En termes d'amplitude et de caractéristiques de phase, un câble coaxial doit être électriquement invisible au sein d'un système, offrant ainsi un chemin de signal entre deux points du système avec des effets minimaux sur les signaux transférés. Dans le monde réel, toutefois, les assemblages de câbles peuvent modifier les signaux qu’ils transportent, mais un choix judicieux de l’assemblage de câbles peut aider à minimiser ces effets. Les assemblages de câbles sont généralement caractérisés par un certain nombre de paramètres électriques et mécaniques différents (figure 5): fréquences de coupure, atténuation ou perte d’insertion (en dB / ft ou dB / m), perte en retour ou rapport d’ondes stationnaires en tension (VSWR), capacité (pF / ft.), vitesse de propagation (VP, en%), tenue en puissance (en W), et même poids (lb / ft. ou lb / m). Ces différents paramètres peuvent fournir des repères utiles pour comparer les assemblages de câbles de différents fournisseurs.

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