Les lignes coaxiales micro-ondes transportent l'énergie RF entre les antennes, les instruments de test, les émetteurs, les récepteurs et autres composants micro-ondes.Leur conception concentrique assure une transmission maîtrisée et un blindage efficace, mais leurs performances dépendent de bien plus que du diamètre du câble ou du type de connecteur. La fréquence, l'impédance caractéristique, l'atténuation, la puissance admissible, la stabilité de phase, le rayon de courbure et la qualité de chaque transition influencent le résultat final.
Ce guide explique le fonctionnement des câbles coaxiaux micro-ondes, les principales constructions de câbles, l'équation d'impédance, les causes des pertes RF et les vérifications pratiques que les ingénieurs doivent effectuer avant de choisir une solution coaxiale.
Qu'est-ce qu'une ligne coaxiale micro-ondes ?
Une ligne de transmission coaxiale est constituée d'un conducteur interne entouré d'un diélectrique et d'un conducteur externe cylindrique. Les deux conducteurs partageant le même axe, le champ électrique est principalement concentré dans le diélectrique, tandis que le conducteur externe assure le retour du courant et le blindage électromagnétique.
Le mode de propagation dominant est la propagation électromagnétique transverse (TEM). Dans une ligne coaxiale idéale, la propagation TEM ne présente aucune fréquence de coupure inférieure. En pratique, les câbles possèdent une fréquence maximale utilisable car leurs dimensions, le comportement diélectrique, la géométrie des connecteurs et les modes d'ordre supérieur limitent leurs performances. Par conséquent, un câble conçu pour les basses fréquences radiofréquences ne doit pas être considéré comme performant aux fréquences micro-ondes ou millimétriques.
Éléments de construction principaux
- Conducteur interne :Il transporte le courant direct et peut être plein, multibrins, plaqué ou creux en fonction de sa flexibilité, de ses pertes et de ses besoins en puissance.
- Diélectrique:il maintient l'espacement et détermine une grande partie de l'impédance, du facteur de vitesse, du comportement en température et des pertes diélectriques.
- Conducteur extérieur :Il assure le chemin de retour et le blindage. Il peut s'agir d'une tresse, d'un revêtement en aluminium, d'une tôle ondulée ou d'un tube métallique plein.
- Veste de protection :protège le câble flexible contre l'abrasion, l'humidité, les produits chimiques et les dommages liés à la manipulation.
Types courants de câbles coaxiaux micro-ondes
Il n'existe pas de conception unique optimale pour tous les systèmes de micro-ondes. Le choix approprié dépend des performances électriques, du mode d'installation, de la mobilité, de l'environnement et du coût.
câble coaxial flexible
Le câble souple utilise généralement un conducteur central multibrins ou flexible avec un blindage tressé ou en feuille d'aluminium. Il est pratique pour les montages de laboratoire, l'interconnexion d'équipements et les installations nécessitant des passages répétés. Ses inconvénients peuvent inclure une atténuation plus élevée, une efficacité de blindage moindre et un déphasage plus important en flexion que les câbles rigides.
Câble coaxial semi-rigide
Le câble semi-rigide utilise un conducteur extérieur solide, généralement façonné de façon permanente. Il offre un excellent blindage, une impédance prévisible et une bonne stabilité de phase. Largement utilisé dans les assemblages micro-ondes, son installation requiert toutefois des outils de façonnage adaptés et le respect du rayon de courbure minimal spécifié.
Câble modelable à la main ou conformable
Le câble modelable à la main offre un compromis pratique. Il se pose plus facilement qu'un câble semi-rigide tout en conservant un meilleur blindage et une meilleure stabilité de forme que de nombreux câbles flexibles. Il est toutefois conseillé de vérifier ses performances après modelage, car les coudes prononcés et les contraintes exercées sur les connecteurs peuvent modifier l'affaiblissement de retour.
Ligne coaxiale rigide et à diélectrique d'air
La ligne coaxiale rigide utilise des conducteurs solides et peut être supportée par de l'air ou un diélectrique à faibles pertes. Elle convient à la transmission de puissance faible ou élevée lorsque l'encombrement et la complexité d'installation sont acceptables. Les systèmes de diffusion, radar et de test peuvent utiliser des sections rigides lorsque les pertes d'un câble flexible seraient excessives.
Câble à double blindage et à phase stable
Un blindage supplémentaire permet de réduire les fuites et la sensibilité aux interférences électromagnétiques. Les structures à phase stable sont conçues pour limiter les variations de longueur électrique dues à la température, à la flexion ou au vieillissement. Ces caractéristiques sont importantes pour les réseaux d'antennes à commande de phase, les lignes de calibration, les récepteurs cohérents et les mesures effectuées avec des analyseurs de réseaux vectoriels.
Impédance caractéristique d'une ligne coaxiale
L'impédance caractéristique est déterminée par le rapport du diamètre intérieur du conducteur extérieur au diamètre extérieur du conducteur intérieur, ainsi que par la permittivité relative du diélectrique. Pour une ligne coaxiale non magnétique :
Z0= (60 / √εr) ln(D/d) Ω
ou, de manière équivalente :
Z0= (138 / √εr) enregistrer10(D/d) Ω
Ici,Dest le diamètre intérieur du conducteur extérieur,dest le diamètre extérieur du conducteur intérieur, etεrε est la permittivité relative du diélectrique. Les deux expressions sont équivalentes car elles utilisent des bases logarithmiques différentes.
La plupart des systèmes RF et micro-ondes utilisent une impédance de 50 Ω, car elle offre un bon compromis entre puissance admissible et atténuation. Les systèmes à 75 Ω sont courants en vidéo, en diffusion et dans certaines applications de communication. L'utilisation simultanée de composants de 50 Ω et de 75 Ω crée une discontinuité d'impédance qui accroît les réflexions et l'incertitude de mesure.
Pourquoi les câbles coaxiaux micro-ondes perdent-ils le signal ?
Les pertes d'insertion augmentent généralement avec la fréquence et la longueur du câble. La valeur indiquée dans la fiche technique doit être vérifiée à la fréquence de fonctionnement réelle et convertie en fonction de la longueur installée, plutôt que considérée comme une valeur fixe.
Perte du conducteur
Aux fréquences micro-ondes, l'effet de peau concentre le courant près de la surface du conducteur. La résistance effective augmente avec la fréquence ; par conséquent, le matériau du conducteur, la qualité du placage, l'état de surface et le diamètre du conducteur influent tous sur l'atténuation.
pertes diélectriques
Le diélectrique absorbe une partie de l'énergie électromagnétique. Son coefficient de perte, la température, l'humidité et la fréquence de fonctionnement influent sur le résultat. Les matériaux diélectriques à faibles pertes sont souvent privilégiés pour les longues distances et les mesures de précision.
Incompatibilité et perte de connecteur
Les transitions câble-connecteur, les adaptateurs, les interfaces endommagées, un assemblage incorrect et un couple de serrage inadéquat peuvent engendrer des réflexions. L'affaiblissement de retour ou le TOS (taux d'ondes stationnaires) doit être évalué sur toute la bande de fonctionnement, en incluant chaque connecteur et transition du trajet du signal.
Effets de flexion et d'installation
Les coudes serrés peuvent déformer la géométrie coaxiale et modifier l'impédance. Les flexions répétées peuvent également altérer l'affaiblissement d'insertion et la phase. Respectez les limites de rayon de courbure statique et dynamique préconisées par le fabricant du câble et prévoyez un dispositif anti-traction à proximité des connecteurs.
Comment choisir une ligne coaxiale micro-ondes
Commencez par examiner l'ensemble du circuit de signal installé, et non le câble seul. Les vérifications suivantes permettent d'éviter les pertes, les inadéquations, la surchauffe et les pannes mécaniques.
- Confirmez la plage de fréquences.Vérifiez que le câble, les connecteurs, les adaptateurs et les données de test couvrent tous la fréquence de fonctionnement la plus élevée.
- Adapter l'impédance du système.Utilisez la même impédance nominale sur tout le trajet, sauf si un réseau de transformation d'impédance spécifique est prévu.
- Calculer la perte d'insertion totale.Combinez les pertes du câble à la fréquence de fonctionnement avec les pertes des connecteurs, des adaptateurs et des transitions. Prévoyez une marge pour la température et le vieillissement, le cas échéant.
- Vérifier la gestion de la puissance.Vérifiez la puissance moyenne, la puissance de crête, le TOS, la température ambiante, l'altitude, les caractéristiques des connecteurs et le rapport cyclique. Un déséquilibre important peut engendrer des tensions ou des courants de surtension locaux.
- Définir les exigences de chaque phase.Pour les systèmes cohérents ou à phase adaptée, spécifiez la stabilité de phase en fonction de la température et de la flexion ainsi que la perte d'amplitude.
- Choisissez des connecteurs compatibles.Les connecteurs des différentes séries présentent des limites de fréquence, de puissance, de cycle d'accouplement et de résistance mécanique variables. Évitez les adaptateurs inutiles et vérifiez l'état de l'interface avant utilisation.
- Examiner le routage et l'environnement.Tenir compte du rayon de courbure, du mouvement, des vibrations, de l'humidité, des produits chimiques, de la plage de températures, du blindage et des exigences en matière de flammes ou de faibles émissions de fumée.
- Vérification du plan.Pour les assemblages critiques, mesurer l'affaiblissement d'insertion et l'affaiblissement de retour après installation. Les systèmes à adaptation de phase peuvent également nécessiter une vérification de la longueur électrique.
Ligne coaxiale ou guide d'ondes ?
Le câble coaxial est compact, blindé et facile à installer, ce qui le rend pratique pour de nombreuses interconnexions RF et micro-ondes basses. Lorsque les exigences en matière de fréquence, de puissance ou de pertes admissibles augmentent, le guide d'ondes peut offrir des pertes de transmission plus faibles et une capacité de puissance plus élevée, malgré sa taille et sa flexibilité moindres.
De nombreux systèmes utilisent les deux technologies. Un système correctement sélectionnéadaptateur guide d'ondes vers coaxialCe procédé transfère l'énergie entre le mode TEM coaxial et le mode de guide d'ondes requis tout en contrôlant le désaccord de phase. Pour plus d'informations sur la conception de la transition, veuillez consulter notre documentation.Guide de sélection des adaptateurs guide d'ondes-coaxial.
Applications typiques
- Connexions entre analyseur de réseau vectoriel et analyseur de spectre
- Configurations de mesure et d'étalonnage d'antennes
- Équipements de communication radar, satellite et sans fil
- Générateurs de signaux, amplificateurs, récepteurs et convertisseurs de fréquence
- Interconnexions internes dans les modules micro-ondes et les bancs d'essai
- Transitions entre les ports d'équipement coaxiaux et les composants de guide d'ondes
Foire aux questions
Le câble coaxial possède-t-il une fréquence de coupure ?
Le mode TEM dominant ne possède pas de fréquence de coupure inférieure théorique. Cependant, chaque câble réel présente une fréquence maximale recommandée, car les modes d'ordre supérieur, la géométrie du connecteur, les pertes et les tolérances de fabrication finissent par limiter les performances utilisables.
Pourquoi une résistance de 50 Ω est-elle courante dans les systèmes micro-ondes ?
L'impédance de 50 ohms est largement utilisée car elle offre un compromis pratique entre faible atténuation et puissance admissible. C'est également l'impédance standard de la plupart des équipements de test RF et de nombreux composants micro-ondes.
Peut-on compenser la longueur du câble par l'utilisation d'une source d'alimentation plus puissante ?
L'ajout d'une source d'alimentation supplémentaire peut rétablir le niveau de réception dans certains systèmes, mais ne résout pas le problème de l'échauffement des câbles, de l'impact sur le facteur de bruit, des variations de phase, des désadaptations d'impédance ou des limites de puissance nominale. La réduction des pertes de propagation constitue généralement l'approche technique la plus fiable.
Que faut-il tester après l'installation ?
Il convient au minimum de vérifier l'affaiblissement d'insertion et l'affaiblissement de retour sur toute la bande de fonctionnement. Les systèmes de précision peuvent également nécessiter des mesures de phase, de temps de propagation de groupe, de discontinuité temporelle, de blindage ou d'intermodulation passive.
Pour obtenir de l'aide concernant le choix d'une transition guide d'ondes-coaxial ou l'intégration de sections coaxiales et de guides d'ondes dans un système micro-ondes,contacter RF MISOavec la bande de fréquence, l'interface, le niveau de puissance et les contraintes mécaniques requis.
Date de publication : 15 décembre 2023
