Câble coaxial

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Le câble coaxial ou ligne coaxiale est une ligne de transmission ou liaison asymétrique, utilisée en hautes fréquences, composée d'un câble à deux conducteurs. L'âme centrale, qui peut être mono-brin ou multi-brins (en cuivre ou en cuivre argenté, voire en acier cuivré), est entourée d'un matériau diélectrique (isolant). Le diélectrique est entouré d'une tresse conductrice (ou feuille d'aluminium enroulée), puis d'une gaine isolante et protectrice. Sa forme particulière permet de ne produire (et de ne capter) aucun flux net extérieur.

Ce type de câble est utilisé pour la transmission de signaux numériques ou analogiques à haute ou basse fréquence. L'invention est attribuée à l'américain Herman Affel (1893-1972) dont le brevet est accepté le 8 décembre 1931^[1].

Principe

Câble coaxial flexible de type RG-59
A : Gaine extérieure en plastique
B : Blindage en cuivre
C : Diélectrique
D : Conducteur central (âme) en cuivre

Les deux conducteurs de pôles opposés d'un câble coaxial sont de natures différentes (sur une ligne bifilaire, constituée de deux conducteurs parallèles séparés par un diélectrique, ils sont indifférenciés) : l'âme, qui est le conducteur central en cuivre est entourée d'un matériau isolant, puis d'un blindage qui est le second conducteur, généralement constitué de tresses de cuivres. La caractéristique spécifique de ce type de câble est que les axes centraux de symétrie des deux conducteurs se confondent : la conséquence est qu'ils subissent les mêmes perturbations induites par les champs électromagnétiques environnants. Le blindage évite aussi que les conducteurs ne produisent des perturbations vers le milieu extérieur.

La tension, qui est le signal utile, est égale à différence de potentiel entre ces deux conducteurs. En théorie, quand les axes sont parfaitement confondus, les champs magnétiques extérieurs créent le même gain (ou la même perte) de potentiel sur les deux parties du câble. La tension induite (créée par les champs perturbateurs) est donc nulle, et le signal est transmis sans perturbation.

Usages

Par exemple, il est possible de trouver un câble coaxial :

• entre une antenne TV (« râteau » TNT ou parabole satellite) et un récepteur de télévision ;
• dans les réseaux câblés urbains (télévision par câble et accès à Internet : DOCSIS) ;
• entre un émetteur et l'antenne d'émission, par exemple une carte électronique Wi-Fi et son antenne ;
• entre des équipements de traitement du son (microphone, amplificateur, lecteur CD...) ;
• dans les réseaux de transmissions de données tels qu'Ethernet dans ses anciennes versions : 10BASE2 et 10BASE5 ;
• pour les liaisons inter-urbaines téléphoniques et dans les câbles sous-marins ;
• pour le transport d'un signal vidéo, exemple caméra filaire déportée, sur des distances significatives (plusieurs dizaines de mètres).

Le câble coaxial est progressivement remplacé depuis la fin du XX^e siècle par la fibre optique pour les utilisations sur de longues distances (supérieures à un kilomètre).

Un câble coaxial peut être placé le long des murs, gouttières ou enfoui car la présence d'objets n'influence pas la propagation du signal dans la ligne. Les pertes sont importantes au fil du temps, les particules de poussières se déposant sur le support isolant n'ayant pas d'influence sur la propagation du signal. Il est parfois nécessaire de placer, entre la sortie de l'antenne (symétrique) et la ligne coaxiale (asymétrique) un balun (BALanced/UNbalanced, convertisseur symétrique/asymétrique) pour optimiser le transfert de l'énergie entre l'antenne et le câble (en réception comme en émission). La connexion à un câble coaxial doit être réalisée par l'utilisation de connecteurs coaxiaux adaptés au câble et montés en respectant les indications fournies pour conserver à l'ensemble les caractéristiques souhaitées sur le plan de la qualité de transmission (voir par exemple le connecteur BNC). Pour la TV Numérique Terrestre, les fiches IEC 60169-2^[2] sont désignées, alors que pour la TV par satellite ce sont les fiches F à visser, bien qu'elles soient montées sur un même type de câble « grand public ».

Il est préférable de ne pas utiliser de câble endommagé car ses caractéristiques et ses propriétés sont alors dégradées et les ondes pourraient déborder (rayonner) vers l'extérieur.

Caractéristiques

Elles sont données par les constructeurs.

Caractéristiques mécaniques du câble coaxial :

• la nature du conducteur et ses dimensions ;
• les diamètres intérieur de la gaîne et extérieur du conducteur central (celui-ci est parfois creux) ;
• la nature du diélectrique.

Caractéristiques électriques du câble coaxial :

• son impédance caractéristique Zc, standardisée à 75 ohms pour la TV (SAT et TNT), la radio FM, la vidéo ou l'audio, et à 50 ohms pour l'instrumentation ou la connexion d'antennes Wi-Fi, les hyperfréquences et les anciens réseaux ethernet, de même que les installations d'émission en général ;
• sa constante d'affaiblissement α à une fréquence donnée, qui traduit les pertes dans la ligne.

Pertes

Les courants haute fréquence circulent dans une pellicule proche de la surface des conducteurs. L'épaisseur de cette pellicule diminue quand la fréquence augmente. La résistance d'un conducteur augmente comme la racine carrée de la fréquence ; c'est ce qu'on appelle l'« effet pelliculaire ».

Les pertes produisent une diminution de l'amplitude du signal en fin de ligne ; cela se manifeste par exemple par une diminution de la puissance RF rayonnée dans le cas d'un émetteur. Voici quelques règles :

• Plus le diamètre du conducteur est petit, plus grand sera sa résistance, et donc plus il y aura de pertes ;
• Plus la fréquence augmente, plus il y aura de pertes ;
• Plus on augmente la longueur du câble, plus il y aura de pertes ;
• 19 Vatc = perte de 19 dB/100 mètres à une fréquence de référence de 800 MHz (790 précis) ;
• 17 Vatc = perte de 17 dB/100 mètres à une fréquence de référence de 800 MHz.

En réception satellite ( B.I.S 950/2150 MHz) le câble 17 Vatc ou Patc est préconisé, ainsi que pour la réception (C 21/60) de la TV terrestre numérique (TNT) « délicate ». En d'autres termes, pour une installation TV terrestre monoprise, avec une longueur de descente d'antenne standard, jusqu'à 20/25 mètres, la dégradation (atténuation) est contenue, de l'ordre de 4,5 dB.

Les pertes en mode satellite à la fréquence maximale de 2 150 MHz, oscillent autour de 31 dB/100 m.

En outre, il existe un rapport optimum du diamètre de l'âme sur celui du blindage. Celui-ci correspond à une impédance caractéristique de 75 Ω, ce qui explique que cette valeur soit employée pour les câbles de réception qui doivent minimiser les pertes, toutes choses étant égales par ailleurs.

Pour le transport de puissance, on aurait tendance à penser que maximiser le diamètre de l'âme diminue la résistance et donc les pertes. Ceci est vrai en continu, mais en haute fréquence, l'épaisseur réduite du diélectrique entraîne une tension de claquage plus faible, et donc une puissance maximale admissible limitée. L'optimum se réalise pour une impédance caractéristique de l'ordre de 30 Ω. La valeur de 50 Ω correspond à un compromis entre pertes en émission et pertes en réception.

Caractéristiques des principales références de câbles coaxiaux

Notes et références

Annexes

Articles connexes

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