Les câbles rayonnants sont connus depuis longtemps comme un moyen de communication efficace dans les tunnels.
Aujourd’hui, le champ d’application des câbles rayonnants s’est étendu aux autoroutes, aux réseaux de communications mobiles, aux communications à l’intérieur des bâtiments ou encore aux systèmes de sécurité ferroviaire.
Cependant, les bases des câbles rayonnants ne sont pas très claires et les ingénieurs qui ont besoins d’utiliser ses câbles manquent souvent des informations techniques nécessaires.
POURQUOI LES CABLES RAYONNANTS ?
Dans un tunnel, par exemple, la propagation naturelle (espace libre) n’est pas réaliste car on assiste à plusieurs phénomènes :
Tous ces phénomènes existent dans un tunnel mais se retrouvent dans d’autres milieux : Zones urbaines, autoroutes semi enterrées, bâtiments, tankers … L’accroissement de la demande et l’évolution du client qui tolère de moins en moins les zones de non qualité a relancé l’intérêt des câbles rayonnants.
Les câbles rayonnants sont insensibles à ces différents phénomènes : ils permettent de limiter l’influence des trajets multiples et semblent moins affectés par les problèmes de masques.
Un câble rayonnant peut être utilisé comme une antenne d’émission ou comme une antenne de réception.
Toutes les fréquences de 30 à 2000 MHz passent au travers d’un simple câble.
Indépendance par rapport à l’environnement :
Même si le milieu est métallique, fortement absorbant, homogéne ou pas, le câble rayonnant peut assurer une transmission correcte. Il peut s’accomoder des virages et le signal qu’il délivre peut traverser les murs et couvrir plusieurs niveaux à partir d’un simple émetteur.
Si des zones doivent être couvertes alors qu’elles sont éloignées des zones denses, comme par exemple pour la couverture mobile le long des autoroutes, le câble rayonnant est une des solution du problème.
Si l’on parle pratiquement, le câble rayonnant est un câble coaxial avec des ouvertures qui ont été mise en œuvre sur le conducteur extérieur. Plusieurs technologies ont du être développé pour aboutir à des câbles rayonnant efficaces.
C’est la plus classique application des câbles rayonnants. Dans la plupart des tunnels, des précautions extrêmes doivent être prises pour des problèmes de sécurité : toxicité chimique, émission de fumée, propagation du feu.
Sur les périphériques, dans les parkings souterrains, le long des voies rapides, la continuité des réseaux mobiles ou radio peut être assurée par des câbles rayonnants relié à des systèmes de réception et d’amplification pour diffuser le signal.
Un réseau sans fil peut être implanté dans ces immeubles pour assurer la connexion des outils informatiques ou du réseau de téléphonie de l’entreprise. La diffusion des signaux est alors réalisée au moyen de câbles rayonnants implantés dans les cloisons ou plafonds de l’immeuble.
Un câble rayonnant connecté à un générateur entoure ce ou ces locaux et les illuminent. Si un défaut apparaît à l’intérieur du local, un capteur renvoie un signal et peut avoir en retour soit l ‘émission d’une alarme soit une action correctrice à l’intérieur du local.
Le développement de trains automatiques implique une communication efficace entre la voie et le train : un câble rayonnant placé le long de la voie permet la transmission de communications téléphoniques, d’images video ou de signaux de contrôle.
Dans le même esprit, une usine automobile peut, grâce à des cables rayonnants placés dans le sol, assurer le transfert d’information à des robots chargés du transport de matériel dans l’usine.
Dans un hopital, dans une base militaire ou dans une prison par exemple, un câble rayonnant implanté sur le site permet de contacter n’importe quelle personne disposant d’un appareil récepteur.
Trains, avions, bateaux, immeubles militaires, terminaux offshore agissent comme de parfaites cages de Faraday : les communications obtenus à l’intérieur de ces zones sont souvent obtenus par la mise en œuvre de cables rayonnants. Le tunnel sous la manche a ainsi été équipé d’un câble rayonnant pour la diffusion des émissions radio aux voitures situées dans le shuttle.
Les cables rayonnants sont utiles le long des routes car ils permettent la diffusion d’informations sur le trafic routier soit par la voie soit par un système RDS.
Toutes les fréquences radio peuvent être utilisées :
30 MHz : Services d’urgence
70 MHz : Services de maintenance
100 MHz : diffusion radio FM
150 MHz : Police
225 MHz : Réseaux LAN sans fils
450 MHz : Téléphones mobiles
600 MHz : TV
900 MHz : Téléphones mobiles GSM
1800 MHz : Téléphones mobiles GSM
Utilisation de plusieurs émetteurs
Le signal provient de la source via des fibres optiques ou des cables coaxiaux. Atteindre le réseaux de cables rayonnant par le milieu permet d’étendre la couverture avec un minimum de puissance d’entrée.
Répéteurs bidirectionnels
Des amplificateurs bidirectionnels permette de poser une grande longueur de câble reliée à un unique émetteur
Extension de cellule
Une cellule de réseau mobile peut être étendue à l’intérieur d’un tunnel. Le signal est capté par une antenne extérieure (donneuse) puis amplifié et enfin redistribué dans la zone d’ombre.
Energie déportée et antenne de terminaison
Le conducteur interne du cable rayonnant peut etre utilisé pour transmettre de l’énergie à des amplificateurs bidirectionnels. D’autre part, une antenne située en bout de câble peut permettre de couvrir par exemple une station de métro.
Le bilan de puissance lorsque l’on utilise des cables rayonnant utilise des règles spécifiques, qui prennent en compte les paramètres spécifiques des câbles rayonnants :
Calculs
Dans le but d’informatiser vos calculs, vous devez disposer des éléments suivants :
Exemple :
On suppose que l’on a un très long tunnel et on veut savoir quel longueur de tunnel on peut couvrir sans répéteur. La solution point-milieu est choisie. La fréquence est de 450 MHz et on utilise un diviseur de puissance (3 dB de perte pour la division de puissance et 3 dB de pertes d’insertion) . La longueur du câble est inconnue.
Gain |
Pertes |
|
| Puissance d’entrée (dBm) | +37 |
|
| Pertes bretelles (dB) | 2 |
|
| Division de puissance (dB) | 6 |
|
| Pertes de couplage (dB) | 60 |
|
| Gain d’amplification (dB) | 0 |
|
| Facteur de sécurité (dB) | 10 |
|
| Total | 37 |
78 |
| Gain - Pertes | 37-78 = -41 |
|
| Sensibilité du récepteur | -107 |
|
| Possibilité de pertes longitudinales | -41-(-107) = +66 |
|
Cela signifie donc qu’avec une atténuation linéique de 35 dB / Km, 2 fois 1880 m peuvent être couverts sans faire appel à un répéteur
CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES
Standard Valeur (exemple)
Fréquences d’utilisation 430-470 MHz
900-960 MHz
Impédance IEC96 XX 50± 2,5 Ohms
Pertes de couplage (50%, 1,5m) IEC96 XX 450 MHz < 60 dB
900 MHz < 50 dB
Pertes longitudinales IEC96 XX 450 MHz < 4 dB/100m
900 MHz < 9 dB/100m
VSWR IEC96 XX <1.3 (-18 dB) dans les bandes utiles
Niveau de puissance IEC96 XX 1 W dans les bandes utiles
CARACTERISTIQUES MECANIQUES – INSTALLATION
Poids < 750 Kg/km
Rayon de courbure minimum < 200 mm
Messenger wire Metallic
Distance minimum des murs 180 mm
Clamp spacing < 2m
Max drum size 2 m
CARACTERISTIQUES D’ENVIRONNEMENT
Température -10° / +50°
Retardateur de flamme IEC 332-1 Yes
Retardateur de feu IEC 332-3 Yes
Emission de fumée IEC 1034 Yes
Toxicité des fumées IEC 754-1 Halogen free jacket
DIVERS
Connectique N
Capuchons Retardateur de flamme
Kits de mise à la terre Sur connecteurs
Fixations Non métalliques
Charges 1 Watt
TESTS A REALISER APRES INSTALLATION
Pertes de couplage
VSWR
Les principaux paramètres qui définissent un cable rayonnant sont de deux natures : électriques et mécaniques.
Les caractéristiques électriques sont :
ROS >> Bande de fréquence
Atténuation longitudinale >>longueur efficace
Facteur de couplage moyen à 50%
Variation du couplage / couplage à 90%
Sensibilité à l’environnement / effet de masque
Les caractéristiques mécaniques sont :
Diamètre – poids – rayon de courbure
Tenue à la traction
Brouillard salin
Effets thermiques :
INSTALLATION DES CABLES RAYONNANTS
Eléments :
Position du câble
Dans un tunnel, la meilleure position est habituellement au centre du tunnel : cela assure une bonne répartition du signal et permet de s’affranchir au maximum des effets de masques. D’autres positions donnent de bons résultats à partir du moment ou il n’est pas masqué par des éléments métalliques ou par d’autres câbles et qu’il soit à une distance correcte du mur.
Distance aux murs
Il est recommandé de placer les câbles rayonnants à une distance approximative de 100 mm des murs. S’il était situé plus près, cela augmenterait les pertes longitudinales du câble et les pertes de couplage pourraient être affectées.
Espacement des fixations
Dans des conditions normales, une distance de 1,5 m entre chaque collier est recommandée pour des câbles de grosses sections (5/8 " jusqu’à 1 5/8 " )
Résistance à l’eau
Des capuchons doivent être utilisés pour empêcher l’eau d’entrer au niveau des connecteurs. Il est recommandé de les positionner après que les mesures de performances du système aient été faites.
Mise à la terre – Charges
Les kits de mise à la terre se fixent au niveau des connecteurs et éventuellement au niveau des courbures du câble. Chaque câble doit également être terminé par une charge ou par une antenne pour se prémunir des ondes stationnaires.
Mesures sur site
Le meilleur test est bien entendu la mesure de la perte de couplage car c’est la valeur la plus dépendante des conditions d’utilisations. C’est aussi la plus délicate à réaliser. Pour les gros systèmes avec des tronçons de cables de 500 ou plus, au moins un des tronçon doit être testé.
Si la perte de couplage ne peut être mesurée, les pertes longitudinales donnent des informations utiles. La mesure du VSWR permet de détecter d’éventuels défauts de montages ou des chocs qu’aurait subi le câble coaxial.
Etapes :
1 – Reconnaître les lieux en identifiant les éléments métalliques, la distance aux murs et la dimension maximum pour le véhicule d’installation.
2 – Calculer la longueur des câbles coaxiaux et des bretelles . Trouver les positions pour les coupleurs et amplificateurs éventuels.
3 – Préparer les zones de travail et le Plan de prévention.
4 – Préparer l’installation des fixations .
5 – Installer les câbles, connecteurs et charges.
6 – Mesures.
7 – Mise en place des capuchons.
Un câble rayonnant ne peut pas être mesuré comme une antenne normale en raison de l’extension dans une direction donnée du câble et de la proximité du récepteur.
Dans ce cas, les concepts d’onde plane, de diagrammes de rayonnement et de gain d’antenne ne sont plus valides.
Comme pour un câble coaxial, des coordonnées cylindrique sont ajoutés au problème. Quant on résout les équations de maxwell dans ce système de coordonnées, deux catégories de solutions apparaissent (modes) :
MODES COUPLES
Les modes couplés désignent les solutions qui montrent un flux de puissance parallèle à l’axe du câble. L’énergie électromagnétique est concentré au coeur du câble et décroit rapidement avec la distance. Ces modes sont souvent appelés à ondes de surfaces.
Les modes couplés sont toujours présents quelque soit la technologie utilisée pour le câble. Ces modes confinés autour de l’axe du câble sont diffracté par les obstacles ou par les discontinuités une partie infime de la puissance est ainsi rayonnée radialement de manière aléatoire.
MODES RAYONNES
Les modes rayonnés correspondent à un flux de puissance rayonné radialement. Ces modes se arrangements d’ouverture définis et pour des fréquences de modes rayonnés définies.
Ces modes n’apparaissent pas en bande étroite.
PROPRIETES DE BASES
Les modes rayonnés sont beaucoup plus efficaces que les modes couplés : le flux de puissance est dirigé vers l’antenne de réception, la décroissance de la puissance est lente et les fluctuations de la puissance reçue sont faibles.
Les câbles à pertes (leaky cables) sont basés sur les modes couplés alors que les cables rayonnants (avec des fentes régulièrement espacées) sont basés sur les modes rayonnés.
CARACTERISTIQUE DE LA PERTE DE COUPLAGE
Un câble rayonnant peut être considéré comme l’association d’un câble coaxial et d’antennes.
On retrouve donc les paramètres habituels du câble : pertes longitudinales, VSWR, impédance … et un paramètre pour caractériser l’efficacité antennaire appelé " perte de couplage " (coupling loss).
PERTE DE COUPLAGE
Elle est définie comme le rapport entre la puissance reçue sur un dipôle demi-onde placé à 1,5 m de l’axe du câble et la puissance à l’intérieur du câble. Elle est exprimée en dB avec une valeur comprise entre 50 et 80 dB. Ce paramètre n’est pas standardisé et plusieurs définitions sont utilisées notamment en fonction de la distance au câble.
VALEUR A 50%
Pour des raisons pratiques, la puissance reçue au niveau de l’antenne est fortement dépendante du point mesuré. Il est donc nécessaire de réaliser des moyennages pour obtenir la valeur de la perte de couplage. Le plus souvent, c’est la valeur à 50% qui est utilisée : cela signifie que 50% des points mesurés auront une valeur inférieure ou égale à la perte de couplage donnée. Pour des transmissions numériques, la valeur à 90 ou 95% est le plus souvent utilisé. Lors de la réalisation du bilan de puissance, cet aspect doit être pris en compte : la valeur statistique sur la perte de couplage est au moins aussi importante que la valeur moyenne de cette perte de couplage.
INCERTITUDES
Toutes les pertes de couplage sont donnés dans les catalogues avec une tolérance, comme par exemple " 60dB ± 5 dB ". Cela ne signifie pas que la valeur de la perte de couplage fluctue entre 55 et 65 dB mais que la valeur moyenne est connue avec une incertitude de 5 dB.
Comme pour toute mesure de rayonnement, la perte de couplage peut varier avec les conditions expériementales.
INTENSITE DU CHAMP
Connaissant le rayonnement d’un dipôle demi-onde, on peut définir une relation entre la perte de couplage et le champ électrique à 1,5 m de l’axe du câble.
E (dBµV/m) = Pin (dBm) – Pcouplage (dB) + 75,1 + 20log10(Fréq) (MHz)
Le tableau suivant donne directement la valeur à ajouter à la perte de couplage pour obtenir le champ en dBµV/m pour une puissance d’entrée de 0 dBm.
Fréquence (MHz) |
Terme de conversion |
30 |
105 |
50 |
109 |
100 |
115 |
150 |
119 |
200 |
121 |
400 |
127 |
450 |
128 |
800 |
133 |
900 |
134 |
1000 |
135 |
1500 |
139 |
1800 |
140 |
PERTES LONGITUDINALES
Comme pour un câble coaxial classique, les pertes longitudinales d’un câble rayonnant croissent avec l’élévation de la fréquence. Etant données les ouvertures faites sur le conducteur extérieur, les pertes longitudinales d’un câble rayonnant sont souvent plus importante que celles d’un câble coaxial d’un diamètre équivalent.
L’effet spécifique majeur est que les pertes longitudinales sont fortement influencées par l’environnement immédiat du câble. C’est pourquoi il est recommandé de respecter une distance minimale de 100 mm entre le câble et les murs pleins.
VSWR
La fabrication des fixations ou des ouvertures pratiqués dans le conducteur extérieur dégrade légérement le VSWR du câble rayonnant : 1.3 est une valeur commune (-18dB).