
Développement et technique des câbles coaxiaux dans la technique des hautes fréquences

Du fil au coaxial : l'évolution des câbles d'alimentation haute fréquence
Lorsque la technique radio en était encore à ses balbutiements, au début du siècle dernier, les lignes monobrins asymétriques et les lignes bifilaires symétriques constituaient la méthode la plus courante pour « transporter des hautes fréquences ». En tant que lignes d'alimentation adaptées ou accordées, elles ont perduré assez longtemps, aussi bien dans le domaine commercial que dans celui des radioamateurs. Bien qu'un câble coaxial pour les applications à basse fréquence ait été proposé et breveté par W. Siemens dès 1884, il restait encore un long chemin à parcourir avant d'arriver à ce que nous entendons aujourd'hui par câble coaxial. Il a fallu encore près d'un demi-siècle et de nombreux inventeurs et brevets pour que le développement du câble coaxial et de la technique 50 ohms en arrive là. Dans le domaine du radioamateurisme, l'utilisation de lignes d'alimentation coaxiales n'a commencé qu'à partir des années 50 et 60 du siècle dernier. Ce n'est que pour l'alimentation symétrique de dipôles multibandes que l'on utilise encore aujourd'hui des lignes bifilaires avantageusement accordées.

Haute technologie en cuivre et en plastique
Un câble coaxial est symétrique dans le sens axial, mais vers la terre, il constitue une ligne d'alimentation asymétrique. Le conducteur extérieur est généralement constitué d'une tresse de cuivre dense, les câbles de haute qualité sont doublement blindés et possèdent une fine feuille de cuivre en dessous. Pour les câbles coaxiaux plus souples, le conducteur interne est un fil de cuivre. Les câbles coaxiaux de plus grand diamètre extérieur ont une âme composée d'un ou de plusieurs fils pleins en cuivre massif. Le matériau isolant entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur - le diélectrique - est de préférence constitué de polyéthylène (PE) à faibles pertes, soit sous forme de matériau plein, soit sous forme de mousse, soit sous forme d'entretoise avec un diélectrique à air prédominant. La protection extérieure du câble est assurée par une gaine plastique en chlorure de polyvinyle (PVC), teintée en noir pour une bonne résistance aux UV.
Comment la mécanique façonne les propriétés électriques
Les caractéristiques techniques des câbles coaxiaux sont déterminées par leurs propriétés mécaniques, telles que le diamètre du conducteur intérieur et du conducteur extérieur, la distance entre ces derniers et la nature du matériau isolant (diélectrique) entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur. Ces facteurs déterminent essentiellement les caractéristiques électriques du câble : l'impédance, également appelée résistance d'onde, l'atténuation en fonction de la fréquence ainsi que la résistance à la tension et à la puissance. Les câbles coaxiaux ont une impédance caractéristique fixe, indépendante de la fréquence, qui est de 50 ohms pour les types de câbles les plus courants. L'impédance caractéristique est déterminée par le rapport entre le diamètre intérieur du conducteur extérieur et le diamètre extérieur du conducteur intérieur, c'est-à-dire par la taille et la distance des surfaces conductrices qui se font face.
Un peu de théorie de la conduction
Les câbles coaxiaux sont normalement prévus pour être utilisés en tant que lignes à ondes progressives, ce qui signifie que l'évolution du courant et de la tension est identique sur toute la longueur de la ligne, c'est-à-dire qu'aucun minimum ou maximum ne se forme. Cela suppose toutefois que le câble coaxial soit terminé aux deux extrémités par son impédance de 50 ohms. L'émetteur a une sortie de 50 ohms, et l'antenne ou son adaptation remplit également cette condition en cas de résonance. Seule la terminaison du câble aux deux extrémités avec 50 ohms garantit une transmission optimale de la puissance, on parle dans ce cas d'adaptation de puissance. Le rapport d'ondes stationnaires est alors de SWV = 1,0.

L'atténuation de la ligne fait la différence
Malheureusement, le fait que chaque ligne HF possède une atténuation plus ou moins importante est inévitable. L'atténuation d'un câble coaxial entièrement isolé est minimale pour un rapport de diamètre de 3,6. C'est la valeur optimale en théorie. Dans la pratique, on constate de légères variations. Ainsi, des câbles bien connus comme le RG58 ou le RG213 ont des rapports de diamètre d'environ 3,28. L'optimum n'est pas très prononcé, mais plus largement réparti.
La nature du diélectrique intermédiaire, dont les propriétés sont caractérisées par la constante diélectrique, a une influence tout aussi importante. Outre les câbles à diélectrique plein, il existe des câbles dont le diélectrique est constitué d'un matériau isolant expansé ou d'une isolation par air prédominante. Ces derniers câbles présentent moins de pertes que ceux dotés d'une isolation complète. Ils offrent une atténuation moindre, mais sont malheureusement aussi plus sensibles mécaniquement.
L'atténuation d'un câble est indiquée en dB par 100 mètres pour certaines fréquences. La valeur en dB de la fréquence indiquée la plus proche de la fréquence de travail divisée par 100 et multipliée par la longueur individuelle du câble en mètres donne la valeur d'atténuation approximative du câble utilisé.
Les câbles coaxiaux plus épais ont une atténuation plus faible que les câbles plus fins, ils sont donc mieux adaptés aux fréquences plus élevées et aux puissances plus importantes. « Enfin, plus le diamètre du câble coaxial est grand, plus son diélectrique est épais et plus sa rigidité diélectrique est élevée, ce qui le rend plus adapté à la transmission de puissances élevées.
L'amortissement du câble ne réduit pas seulement la puissance qui va vers l'antenne, mais aussi le retour. Le remplacement par un câble coaxial de meilleure qualité et à faible atténuation n'améliore pas le rapport d'ondes stationnaires, mais le fait passer à une valeur légèrement supérieure.
Pourquoi le coupleur et le préamplificateur vont directement avec l'antenne
Les tuners d'antennes doivent être placés si possible au point d'alimentation des antennes. Si le tuner se trouve en bas de la station, le rapport élevé entre les ondes stationnaires et l'atténuation du câble déjà existante provoque des pertes supplémentaires sur la ligne. Les préamplificateurs de réception doivent être installés en haut, si possible directement sur l'antenne. Là, sans l'atténuation du câble, ils obtiennent un niveau de signal plus fort, qui est plus élevé que le niveau de bruit !

Comment trouver le câble parfait
Quel est le bon câble coaxial ? Il n'est pas facile de répondre à cette question. Il existe en effet des différences considérables entre les différents types de câbles. Le choix du bon câble - celui qui est utilisé à bon escient - dépend essentiellement de l'utilisation prévue, de la longueur, de la puissance d'émission et de la fréquence. Avant de se décider pour l'achat d'un câble coaxial donné, il convient de passer systématiquement en revue les exigences auxquelles le câble doit répondre.
Ces exigences peuvent varier considérablement d'une personne à l'autre, car elles dépendent de la configuration de l'installation radio. Si un câble coaxial de type RG58CU semble suffisant pour une distance d'à peine cinq mètres jusqu'à l'antenne, il peut être urgent de passer à un câble de qualité supérieure pour des longueurs de câble plus importantes, des fréquences et des puissances plus élevées. La prudence est toutefois de mise lors de l'achat d'un câble, car outre les modèles originaux avec la désignation du type imprimée, il existe également sur le marché des produits « sans nom » d'apparence similaire et de moindre qualité. Les critères suivants doivent impérativement être pris en compte au préalable :
- S'agit-il du câble original avec le type et la désignation du fabricant imprimés ? Les câbles sans impression ont des caractéristiques électriques différentes et des diamètres extérieurs qui ne correspondent pas à la norme.
- Le câble est-il utilisé dans la gamme des ondes courtes, VHF ou UHF ? En cas de grandes longueurs de câble et/ou de puissances d'émission plus élevées, choisir un câble coaxial de qualité supérieure avec de faibles valeurs d'affaiblissement.
- Ai-je besoin d'un câble le plus flexible possible avec un conducteur interne en toron ou un câble avec un conducteur interne massif est-il suffisant ? Au niveau du rotor, le câble doit être particulièrement flexible en raison des contraintes mécaniques du mouvement de rotation !
- La tresse de blindage extérieure est-elle suffisamment étanche ou doublement blindée, avec une feuille d'aluminium supplémentaire placée en dessous ?
- Les câbles avec un conducteur interne massif ont certes une atténuation plus faible, mais ils sont rigides et ne conviennent donc principalement que pour une pose fixe.
- Pour l'alimentation d'antennes filaires avec des câbles d'alimentation librement suspendus, seuls des câbles flexibles avec un conducteur interne en toron entrent en ligne de compte. Le poids joue également un rôle dans le cas de câbles suspendus librement jusqu'au point d'alimentation. Les câbles lourds augmentent la flèche de l'antenne.
- Quels sont les modèles de connecteurs et les normes de connecteurs disponibles pour le câble choisi ?
De la rue chaude à l'aventure en plein air
Les câbles coaxiaux dans les voitures doivent être résistants à la chaleur (mot-clé Heatex), être installés de manière fixe et être suffisamment flexibles aux points de transition mobiles, comme le capot du coffre. Un double blindage permet de résoudre le problème de la CEM et d'éviter les interférences avec l'électronique embarquée (voir aussi le blog WiMo « Radioamateurisme en voiture »).

Les exigences posées à un câble pour une pose fixe et celles posées à un câble pour une utilisation radio portable ne peuvent pas être plus différentes. Si, dans le premier cas, un câble résistant à la flexion avec un conducteur interne massif est suffisant, l'utilisation radio portable comme le Fieldday, SOTA, POTA nécessite un câble résistant aux UV, au piétinement et flexible, car il est enroulé et déroulé plusieurs fois. Pour une meilleure visibilité sur le terrain, il faut choisir une couleur aussi claire que possible. Pour les câbles fixes, il peut être judicieux d'adapter la couleur à l'environnement pour les camoufler. Les câbles résistants à la chaleur et à l'eau salée sont notamment prédestinés à une utilisation à proximité des côtes et dans la navigation. Enfin, il ne faut pas oublier les différences de poids des divers câbles ! En ce qui concerne les aspects « radio portabel, bagages en avion et affaissement des antennes filaires », il convient de mentionner ici le câble « Airborne » particulièrement léger avec une gaine en aluminium, mais un conducteur interne rigide.
Souvent hors d'âge...
Les câbles RG58 et RG213 sont probablement les câbles coaxiaux les plus vendus et sont donc connus de tous les radioamateurs. Ils ne sont toutefois défendables que pour des longueurs de câble plus courtes, des puissances plus faibles et des fréquences basses dans la gamme des ondes courtes. L'un ou l'autre produit sans nom parmi les câbles coaxiaux simples souffre souvent d'un blindage insuffisant, ce qui lui permet de capter toutes sortes de perturbations de l'environnement à courte distance. De même, c'est la cause d'un rayonnement indésirable du câble sur la fréquence du signal utile. Si c'est le cas, il ne faut pas utiliser le simple RG58 ou RG213, mais les types mieux blindés RG58CU ou RG213U à la norme MIL.
Rien que cette étape est déjà payante pour les grandes longueurs de câble dans la gamme des ondes courtes avec une atténuation réduite. Il existe cependant de bien meilleures alternatives - lisez la suite !

Qu'est-ce que la norme militaire MIL C17F ?
À l'origine, la norme militaire était exclusivement prévue pour le domaine militaire. Entre-temps, cette norme est considérée depuis longtemps comme un standard de qualité au niveau international dans l'ensemble du domaine de la technique HF. Les câbles coaxiaux estampillés avec la norme MIL garantissent le respect des propriétés et valeurs exigées, comme par exemple la densité de blindage, la résistance au vieillissement et la précision d'adaptation pour les connecteurs normalisés. Ainsi, les anciens câbles RG213 U et RG58 sont également fabriqués selon la norme MIL C17F et peuvent toujours être considérés, dans cette qualité, comme des câbles coaxiaux courants pour les applications dans la gamme (inférieure) des ondes courtes. Une tresse de blindage très dense assure un degré de blindage amélioré d'environ 60 dB. Un bon RG213 U doit avoir un indice de cuivre de 80, ce qui signifie qu'au moins 80 kg de cuivre doivent être utilisés dans un kilomètre de câble. Toutefois, on trouve également sur le marché des câbles RG-213 qui ne portent pas cette désignation. Ces versions sont généralement beaucoup plus légères que l'original, avec seulement 60 kg, et ont un diamètre différent de 10,3 mm, ce qui rend le montage de connecteurs normalisés problématique.
Conducteur intérieur (âme)
Le conducteur interne centré, en fil de cuivre massif ou toronné, peut avoir différentes sections selon le câble.
Diélectrique
Couche isolante en plastique (polyéthylène), maintient le conducteur intérieur centré à distance du blindage, est principalement responsable de l'impédance et de la valeur d'atténuation du câble.
Blindage
Tresse de cuivre conductrice d'électricité pour protéger le conducteur interne des influences électromagnétiques.
Gaine du câble
Protection extérieure du câble contre l'humidité, les dommages mécaniques et les rayons UV.
Impédance (résistance à l'onde)
Addition géométrique de la résistance ohmique et de la réactance. Les câbles coaxiaux utilisés dans les applications de haute fréquence ont une impédance de 50 ohms. Dans la technique audio et télévision/vidéo, on utilise ceux qui ont une impédance de 75 ohms.
Atténuation
La réduction du niveau du signal pendant son passage dans le câble. Cette valeur dépend de la fréquence et est le plus souvent exprimée en dB par 100 m. Elle peut varier d'un pays à l'autre.
Efficacité du blindage
Cette valeur caractérise la capacité de blindage du câble, tant vers l'intérieur que vers l'extérieur, et s'exprime en dB.
Câble à ondes progressives
En premier lieu, le fonctionnement conforme d'un câble de 50 ohms dont les deux extrémités sont terminées par une impédance de 50 ohms (source de signal et charge). Ce cas s'appelle l'adaptation de puissance. Le rapport d'ondes stationnaires est de 1,0. Il n'y a pas d'ondulation sur la ligne, le courant et la tension ont partout la même valeur.
Conduite d'alimentation adaptée
Il s'agit du contraire de la ligne à ondes progressives, généralement une ligne bifilaire symétrique ouverte (échelle à grenouille) qui, avec le dipôle symétrique qui y est raccordé, est accordée à la résonance par un coupleur d'antenne également symétrique. Dans ce cas, l'émetteur et la ligne d'alimentation forment un système global résonant, la ligne bifilaire n'étant pas un élément rayonnant de l'antenne en cas de symétrie totale. Les courants HF sur les deux conducteurs sont en opposition de phase, ce qui fait que leurs champs s'annulent en grande partie.
Courants de gaine et blocage des courants de gaine
Si une antenne symétrique est alimentée au point d'alimentation sans un élément de symétrie (balun 1:1 asymétrique/symétrique) avec un câble coaxial asymétrique, il peut y avoir des problèmes d'ondes de gaine selon la longueur du câble d'alimentation. Dans ce cas, le câble coaxial, avec sa gaine de blindage, devient une partie de l'antenne, en raison de la masse de la station qui conduit les HF. On peut éventuellement y remédier en utilisant une longueur de câble électrique idéale de ʎ/2 (ou des multiples de ʎ/2) x facteur de raccourcissement de 0,66. Cette longueur de câble transforme au moins les rapports du point d'alimentation de l'antenne dans un rapport 1:1 vers l'extrémité inférieure du câble. Il est courant d'insérer une barrière d'ondes de gaine (également appelée self d'ondes de gaine), de préférence en haut, avant le point d'alimentation. Toutefois, elle ne combat pour l'instant que les symptômes du problème, mais pas la cause réelle (voir la première phrase de ce paragraphe). La part de puissance « contenue » dans les courants de gaine est transformée en chaleur dans la barrière d'ondes de gaine. Dans les cas extrêmes, elle peut s'échauffer fortement. Lorsqu'un câble coaxial est enterré sur le trajet menant au point d'alimentation de l'antenne, l'atténuation externe du blindage est voulue et tout à fait utile.

Comparaison des câbles de haute qualité actuels

Aircell 7
L'Aircell 7 est un câble coaxial pour la gamme de fréquences allant jusqu'à 3 GHz. Par rapport au diamètre, la faible atténuation et la grande flexibilité rendent l'utilisation de ce câble intéressante pour de nombreuses applications dans la technique radio, comme par exemple pour les lignes d'alimentation d'antennes plus longues dans la gamme des ondes courtes et en particulier dans la gamme VHF et UHF. La faible atténuation est obtenue grâce à un diélectrique PE-compound à très faibles pertes. Il s'agit d'un matériau expansé à faible densité et à forte teneur en air de plus de 50 %. Le conducteur interne d'Aircell 7 est un toron de cuivre et confère au câble une flexibilité particulièrement élevée. Le conducteur extérieur est constitué d'une feuille de cuivre qui se chevauche et d'une tresse de blindage qui la recouvre. Le degré de blindage atteint ainsi une valeur proche de 100 %. La feuille de cuivre est revêtue de PE sur sa face intérieure et est ainsi protégée contre une déchirure en cas de rayons de courbure éventuellement trop petits. L'isolation extérieure du câble est fabriquée en PVC stabilisé aux UV, ce qui lui confère une grande résistance au vieillissement.

Aircom Plus
Aircom Plus est un câble coaxial avec de bonnes propriétés électriques et mécaniques. Les faibles valeurs d'affaiblissement pour un câble de cette dimension rendent son utilisation particulièrement recommandée dans les domaines VHF, UHF et SHF. Aircom Plus possède une gaine isolante élastique en PVC et ressemble, par son aspect et son diamètre, au célèbre RG-213. Le conducteur extérieur d'Aircom Plus est composé d'une feuille de cuivre recouverte d'une tresse de blindage. La feuille de cuivre est recouverte d'une couche de plastique à l'intérieur, ce qui la protège contre les déchirures lorsque le câble est plié avec un rayon de courbure trop petit. La tresse de blindage qui se trouve au-dessus présente un taux de couverture de 75 % et contribue ainsi largement à la stabilité mécanique du câble. Le centrage du conducteur interne est assuré par l'utilisation d'une matière plastique continue et inamovible qui protège durablement le conducteur interne contre la corrosion. Avec Aircom Plus, il n'est donc pas possible de déplacer le conducteur interne en le pliant ou en l'étirant. Les câbles préconfectionnés peuvent être pliés à volonté sans que la broche intérieure d'un connecteur N ne soit pressée hors du boîtier du connecteur. L'utilisation d'Aircom Plus dans des systèmes d'antennes rotatives est donc recommandée si le rayon de la boucle est suffisamment dimensionné. Aicom Plus est donc compatible avec les rotors !

Ecoflex 10
Ecoflex est un câble coaxial flexible et pourtant à très faible atténuation pour la gamme de fréquences de DC à 4 GHz. Les procédés de production les plus modernes et l'utilisation d'un diélectrique PE-LLC à faibles pertes garantissent des valeurs d'affaiblissement très faibles. La grande flexibilité d'Ecoflex 10 est rendue possible par un conducteur interne toronné. Une mesure de blindage conforme à la CEM de >85 dB/3 GHz est obtenue grâce à un double blindage avec une feuille de cuivre qui se chevauche et une tresse de cuivre qui la recouvre. La feuille est stabilisée par PE et protégée contre les fissures en cas de rayons de courbure trop faibles. Ce câble coaxial convient aux applications dans le domaine de la haute fréquence, il présente de faibles pertes, est flexible, résistant aux rayonnements parasites et peut être utilisé jusqu'au niveau des micro-ondes.

Ecoflex 15
L'Ecoflex 15 est un nouveau câble coaxial pour la gamme de fréquences du continu à 6 GHz. La structure spéciale de ce câble combine les excellentes valeurs d'affaiblissement des câbles 1/2 pouce résistants à la flexion avec un conducteur intérieur massif avec la bonne flexibilité connue des câbles coaxiaux RG avec un conducteur intérieur toronné. Le résultat est un câble très flexible et à très faible atténuation pour les applications exigeantes de la technique des télécommunications et des communications. Une atténuation du blindage conforme à la CEM de >90 dB/1 GHz est obtenue grâce à un double blindage avec une feuille de cuivre qui se chevauche. Comme pour l'Ecoflex 10, la feuille est protégée par un revêtement PE contre les fissures. Pour l'Ecoflex 15, un connecteur N sans soudure de haute qualité a été développé. Il peut être monté rapidement et facilement sans l'utilisation d'outils spéciaux.

Câble coaxial Hyperflex
L'Hyperflex-5 est un câble coaxial d'un diamètre extérieur de 5,4 mm. Le diélectrique est expansé, ce qui permet d'obtenir une atténuation très faible par rapport au diamètre. Le conducteur interne est constitué d'un toron de 19 fils individuels très fins. Le câble Hyperflex est ainsi très flexible et convient bien aux situations où le câble est souvent déplacé. Les applications typiques sont les câbles de connexion courts dans la technique de mesure, la radio VHF (radio amateur, radio d'entreprise), LTE et GSM avec de courtes longueurs de câble, Wifi à 2,4 GHz. L'atténuation à 144 MHz est de 9,4 dB/100 m. Ce câble existe également en version 10 et 13 mm.

Câble coaxial Pota-Flex
Le câble coaxial Pota-Flex 6, léger et flexible, a un diamètre extérieur de 5,9 mm, le conducteur intérieur est constitué de 19 fils de cuivre individuels. Le blindage se compose de 3 couches : 2 tresses de fils de cuivre de 120 fils chacune, sous lesquelles se trouve une feuille de cuivre avec une couche de PE qui entoure le diélectrique. Cela permet non seulement d'obtenir un blindage HF idéal, mais aussi de protéger le câble contre les dommages mécaniques. Le diélectrique est expansé, ce qui permet d'obtenir une atténuation très faible par rapport au diamètre. Il a été spécialement conçu pour les applications extérieures telles que POTA (Parks on the Air), où des câbles extrêmement robustes et bien visibles sur le terrain sont nécessaires. La gaine jaune du câble est bien visible et offre ainsi une protection supplémentaire contre le risque de trébucher et de « s'accrocher » involontairement dans les endroits fréquentés. Ce câble existe également dans une variante de 7 mm.
Le bon connecteur pour une connexion parfaite
Bien entendu, il est possible de trouver ici et là les connecteurs adaptés au câble choisi. Toutefois, il est préférable d'acheter des câbles coaxiaux de haute qualité dans leur version originale, avec les désignations du type et du fabricant imprimées, auprès d'entreprises spécialisées ou d'un revendeur radioamateur de confiance, qui fournissent non seulement tous les types de câbles courants et moins connus, mais aussi les connecteurs correspondants. Des connecteurs incorrects ou inadaptés réduisent rapidement à néant les bonnes propriétés d'un câble de haute qualité. Le connecteur et le câble doivent être compatibles. Chaque connecteur soudé doit être parfaitement adapté mécaniquement et électriquement.
Outre les effets mécaniques, tels que les plis aigus, les câbles coaxiaux sont extrêmement sensibles à la pénétration d'humidité. Une fois que l'humidité a pénétré dans le câble, elle ne peut plus être éliminée. En raison de l'effet capillaire de la tresse, l'humidité s'infiltre avec le temps dans tout le câble et le rend totalement inutilisable. Et où cela commence-t-il ? Bien sûr, au niveau de la fiche ! L'utilisation des connecteurs d'origine prévus pour les différents types de câbles garantit à cet égard un raccordement optimal du câble, protégé contre les intempéries. Pour tous les câbles coaxiaux WiMo, il existe également des connecteurs originaux adaptés !
Câbles coaxiaux sur mesure
Vous pouvez également commander chez WiMo des câbles coaxiaux pré-assemblés avec des connecteurs. Il s'agit de câbles de haute qualité de différents types et diamètres, avec les combinaisons de connecteurs les plus courantes et dans les longueurs les plus demandées pour connecter l'équipement à l'intérieur de la station radio. Bien entendu, nous pouvons également confectionner pour vous un câble d'antenne de la longueur de votre choix avec les connecteurs de votre choix. Pour cela, vous pouvez utiliser le configurateur de câbles.
Qu'ils soient entièrement confectionnés par nos soins, selon vos indications, ou assemblés et fabriqués par vos soins en bricolage, nous vous souhaitons beaucoup de succès et de bonnes connexions, aussi bien avec nos câbles coaxiaux que par radio !

Référence :
Klüß, A.; DF2BC: Koaxkabel & Stecker, FUNK 5/2004, S. 44-48, Verlag für Technik & Handwerk, Baden-Baden
Novembre 2024, Alfred Klüß, DF2BC