Pour garantir l'intégrité du signal et la fiabilité du produit, il est essentiel d'identifier les limitations électriques, mécaniques, environnementales et spécifiques à l'application qui peuvent affecter les performances globales du câble.Ces variables ont un impact direct sur les matériaux utilisés pour le diélectrique et la gaine du câble, ainsi que sur la construction du câble.
De plus, les tests et l'analyse des données sont essentiels pour garantir le bon fonctionnement du câble dans un environnement spécifique.
Identification des limitations :
Les influences environnementales ont un impact croissant sur les câbles RF/micro-ondes. Les performances électriques constituent probablement le premier critère de choix, et de nombreux facteurs peuvent compromettre l’intégrité du signal, tels que les interférences électromagnétiques (IEM) internes et externes, le TOS (taux d’ondes stationnaires) et les pertes d’insertion. Les performances électriques sont généralement très fiables en l’absence d’autres facteurs environnementaux ; toutefois, lorsque des contraintes mécaniques, environnementales ou liées à l’application s’ajoutent, le maintien de performances électriques fiables peut s’avérer plus difficile.
Les câbles subissent des contraintes mécaniques lorsqu'ils sont soumis à divers mouvements. La flexion crée de l'énergie cinétique dans le câble, ce qui peut entraîner des dommages importants si elle n'est pas correctement maîtrisée. L'une des principales causes de contraintes mécaniques dans les câbles est leur intégration dans un équipement manipulé par une personne. Un opérateur peut plier, pincer ou écraser un câble en marchant dessus ou en l'enroulant autour de lui.
Par conséquent, la résistance à la traction et à l'écrasement est essentielle pour supporter les contraintes mécaniques. De plus, les câbles utilisés avec des équipements portables peuvent entrer en contact avec des surfaces tranchantes susceptibles de les couper ou de les abîmer. Si l'on tient compte de la complexité supplémentaire liée à la compensation des vibrations ou de la gravité, les contraintes mécaniques peuvent compromettre considérablement la stabilité et entraîner une défaillance prématurée du câble.
Conséquences des contraintes environnementales dans la zone d'utilisation des câbles :
- Les températures et pressions extrêmes affectent les matériaux des câbles. Les basses températures les rendent cassants, et les hautes températures les rendent très fragiles.
- Les déversements ou les écoulements d'huiles et d'additifs provenant d'un câble peuvent contaminer une salle blanche lors d'un processus de fabrication, tandis que la pression hydrostatique peut entraîner l'imprégnation de la gaine du câble par des gaz ou des liquides. Les rayonnements peuvent endommager les matériaux diélectriques et la gaine du câble en fonction de leur type et de leur dose. Le frottement dû à la manipulation d'un câble peut altérer la gaine et provoquer la formation de particules, tandis que les contaminants tels que la boue, les produits chimiques ou les particules métalliques peuvent endommager le revêtement. Les contraintes environnementales peuvent compromettre significativement les matériaux diélectriques et la gaine du câble ; il est donc impératif de prendre en compte ces facteurs lors de la conception d'un câble assemblé.
Résultats des contraintes spécifiques à l'application dues aux limitations propres à l'application dans laquelle le câble sera utilisé :
Dans le secteur aérospatial, les câbles doivent être aussi petits et légers que possible afin de minimiser leur masse au décollage. Si ces câbles sont utilisés par des techniciens ou d'autres personnels, il convient de prendre en compte des aspects de sécurité tels que l'inflammabilité, la tension et l'utilisation d'halogènes.
L'une des complexités de la conception des assemblages de câbles réside dans l'interdépendance des performances électriques, mécaniques et environnementales. Chacune ayant un impact direct sur les autres, la conception doit être rigoureusement testée dans l'application spécifique.
Choisir les bons matériaux :
Garantir un signal stable et de haute qualité implique d’évaluer les matériaux diélectriques et de gainage en fonction de leurs propriétés, notamment dans les environnements d’utilisation difficiles. Les matériaux diélectriques utilisés dans les câbles de signalisation influent sur l’intégrité du signal et la robustesse du câble. Le matériau de la gaine extérieure influe sur la tension maximale et la résistance à l’abrasion. Les matériaux de gainage doivent résister à la plupart des facteurs externes (température, frottement, liquides et gaz, par exemple) afin de protéger les conducteurs internes. La liste des matériaux utilisables pour les diélectriques et le gainage des câbles est très longue, et nombre d’entre eux ont été développés pour des applications spécifiques. Chaque matériau possédant des propriétés uniques, certains sont plus adaptés que d’autres aux câbles micro-ondes destinés aux environnements exigeants.
Silicone.
Le silicone est principalement utilisé comme revêtement de câbles et est très flexible même à basse température (tableau 1). Cependant, il se coupe facilement et sa surface collante présente un coefficient de frottement élevé, ce qui le rend inadapté aux environnements de salles blanches.
Le silicone présente une faible résistance à la traction et à la rupture ; il doit donc être plus épais que d'autres matériaux de revêtement. Certains traitements de surface permettent de réduire le coefficient de frottement, mais leur efficacité diminue avec le temps. Le silicone offre une excellente résistance aux radiations, mais les qualités utilisées pour le revêtement des câbles sont connues pour le dégazage d'huile de silicone lors d'applications de coulée, comme dans une chambre à vide thermique. Si le poids est un critère important, le silicone n'est pas le choix optimal.
Si la flexibilité est importante et que le poids n'est pas un problème, le silicone est une bonne option. Cependant, l'accès aux conducteurs est plus complexe, ce qui engendre des coûts de terminaison plus élevés.
Le polyuréthane
est un bon matériau de revêtement, mais il n'est pas utilisé comme diélectrique car sa rigidité diélectrique est faible comparée à celle d'autres matériaux (tableau 2). Des versions sans halogène sont disponibles. Sur le plan mécanique, le polyuréthane est flexible et très résistant aux coupures et à l'abrasion. Le traitement ignifuge ne réduit pas sa flexibilité ; cependant, les polyuréthanes les plus flexibles ont tendance à être collants ou visqueux, ce qui entraîne un coefficient de frottement plus élevé. Sur le plan environnemental, le polyuréthane résiste aux solvants, aux rayons ultraviolets, aux radiations et aux champignons. Sa plage de températures d'utilisation est relativement restreinte ; il devient cassant aux alentours de -40 °C et sa température limite maximale est d'environ 100 °C. De plus, il n'est pas résistant aux produits de nettoyage courants.
Le polyéthylène
est plus adapté comme diélectrique pour les conducteurs, car les gaines en polyéthylène sont généralement rigides, ce qui nuit à la flexibilité des câbles (Tableau 3). Le polyéthylène présente de bonnes propriétés diélectriques, constantes lorsqu'il est utilisé avec de la mousse. Sur le plan mécanique, le polyéthylène est un matériau de masse moléculaire élevée, résistant à l'abrasion et à faible coefficient de frottement, tout en étant robuste comparé à d'autres matériaux. Comme pour le polyuréthane, la plage de températures d'utilisation du polyéthylène est relativement limitée, et le collage de tubes chimiques aux gaines de câbles en polyéthylène s'avère complexe. De manière générale, les traitements ignifuges altèrent les propriétés mécaniques du polyéthylène.
fluoropolymères
tels que l'éthylène-propylène fluoré (FEP), les perfluoroalcoxyalcanes (PFA) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE) sont d'excellents matériaux de gainage, en particulier dans les applications où le coût d'une défaillance du système est élevé, Tableau 4.
La rigidité diélectrique des fluoropolymères est parmi les plus élevées de tous les matériaux diélectriques. Les fluoropolymères résistent aux températures extrêmes, mais chaque matériau possède sa propre plage de températures : le FEP fonctionne de -250 °C à 150 °C, tandis que le PFA fonctionne de -250 °C à 200 °C.
Le PTFE convient aux températures cryogéniques de 260 °C sans perte de flexibilité. Les fluoropolymères résistent également à l’exposition à des produits chimiques agressifs, aux acides et aux solvants, et sont intrinsèquement ininflammables. Le PTFE et ses copolymères présentent également l’avantage de faibles émissions de gaz, un atout essentiel pour les environnements à ultra-haute pression (UHV). De nombreux fluoropolymères sont flexibles, mais, comme pour la résistance à la température, la flexibilité varie selon le matériau. Le PFA est le plus rigide, suivi du FEP et du PTFE, le PTFE traité étant le plus flexible. Tout élément ajouté à la gaine diélectrique, aux conducteurs ou aux conducteurs blindés du câble se dégazifie sous vide. Lors du dégazage de matériaux, les particules en suspension se condensent sur les surfaces plus froides, généralement les surfaces de travail dans la zone d'application. Dans un satellite, les optiques peuvent se couvrir de buée à cause de l'huile de silicone ou d'autres lubrifiants de traitement qui se dégagent des câbles. Le PTFE est chimiquement inerte et ne contient aucun additif de traitement, huile, lubrifiant ou plastifiant, ce qui en fait le matériau idéal pour les environnements sous vide.
Fluoropolymères traités :
L’un des rares inconvénients des fluoropolymères est leur faible résistance à l’abrasion et à la coupure. Certains fluoropolymères peuvent être traités pour améliorer leurs propriétés physiques, chimiques et électromagnétiques, renforçant ainsi la capacité du câble à résister aux contraintes spécifiques des applications micro-ondes. L’éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE) peut être irradié pour améliorer ses propriétés mécaniques et sa résistance chimique ; cependant, l’irradiation augmente sa rigidité, ce qui entraîne une diminution significative de sa flexibilité. Le PTFE est résistant à la chaleur et chimiquement inerte ; ses propriétés thermiques et chimiques restent donc inchangées même après un traitement visant à améliorer ses caractéristiques électriques ou mécaniques.
Des technologies spécialisées ont été développées pour traiter le PTFE et lui permettre de résister à une grande variété de contraintes environnementales et mécaniques (Tableau 5). Le matériau diélectrique utilisé pour isoler les conducteurs influe considérablement sur les pertes d'insertion, la section du câble et sa flexibilité. Plus les pertes diélectriques sont faibles, plus les pertes d'insertion du câble sont faibles. Les fluoropolymères classiques présentent des pertes diélectriques de 2,1. Pour réduire la section du câble, le PTFE peut être traité afin d'obtenir une constante diélectrique de 1,3. Parallèlement, la constante diélectrique peut être multipliée par 2,5, tout en atteignant une tangente de perte très faible de 0,00015 à 10 GHz, comparativement à la fabrication standard du PTFE. Grâce à ces propriétés, un conducteur isolé par une couche de PTFE traitée de 50 microns (1/2000e de pouce) peut être utilisé sous une tension de 1 000 V. Une autre version de PTFE traité, semi-conductrice, peut être utilisée pour améliorer l'efficacité du blindage du câble. Pour les problèmes de résistance à l'abrasion ou au cisaillement, le PTFE a été conçu pour atteindre une résistance à la traction 50 fois supérieure à celle du PTFE standard et résister à des températures cryogéniques jusqu'à 300 °C.
Vérification de la conception :
Certains secteurs ont défini des normes de sécurité, environnementales et de performance pour les câbles, mais de nombreuses applications exigeantes utilisant des câbles micro-ondes nécessitent des exigences plus strictes. Dans ce cas, le fabricant peut être amené à développer des tests supplémentaires évaluant les performances électriques du câble tout en simulant des contraintes mécaniques et environnementales similaires à celles de l’application. Il est essentiel de surveiller les performances électriques et l’intégrité du signal tout au long des tests, et le type de test requis dépend des contraintes environnementales de l’application.
Les applications multi-étapes exigent une surveillance étroite de chaque étape sur plusieurs assemblages de même type et de même longueur afin de minimiser l'erreur systémique résiduelle. Ces erreurs affectent la portée du système, sa résistance aux interférences et aux perturbations, ainsi que sa précision globale. Les problèmes de suivi à chaque étape proviennent le plus souvent d'une qualité insuffisante des matériaux et d'un contrôle défaillant du processus de fabrication des câbles, ou de l'utilisation de composants de différents fabricants au sein des assemblages. Par conséquent, le suivi et la stabilité des étapes doivent être rigoureusement testés dans l'environnement d'utilisation des câbles.
Les essais mécaniques vérifient les performances électriques du câble en conditions environnementales difficiles, telles que l'écrasement, l'abrasion, le cisaillement, la flexion importante, la flexion continue, les chocs et les vibrations. L'utilisation de câbles micro-ondes/RF implique généralement une excellente stabilité de phase, qui peut être affectée par la flexion lors de l'installation, de la maintenance courante ou de l'utilisation normale. La flexion accidentelle est fréquente avec les instruments de test portables, car le câble est souvent enroulé autour de l'instrument pour le transport. L'impact de ces mouvements sur les performances du système doit être évalué dès sa conception. En laboratoire, un technicien peut enrouler le câble autour d'une chaise, ce qui soulève également la question des forces de choc. Il est difficile de reproduire une flexion accidentelle lors d'un déplacement en laboratoire, mais le pire des cas peut être simulé par un essai de flexion répétée de 180 degrés ou plus. Un essai de traction peut ensuite être réalisé pour simuler l'utilisation du câble comme sangle de retenue. Lors de ces essais, les pertes d'insertion et le rendement énergétique (ROE) doivent être évalués.
Les performances électriques du câble doivent être mesurées en simulant les conditions environnementales de son fonctionnement : températures, altitudes et pressions extrêmes ; vibrations et accélérations ; exposition à des liquides ou des gaz ; et humidité. Il est important de surveiller l’impédance lors des variations d’altitude, des chocs et des essais de vibration. Les vibrations et les chocs peuvent provoquer des défaillances mécaniques et électriques dues à la fatigue du métal ou à des fissures dans les soudures. Les variations de température influent directement sur la longueur de phase. Lorsque la température approche une valeur extrême, la longueur de phase électrique varie. Si cette variation n’est pas proportionnelle à celle de la température lors de son retour à la normale (phénomène appelé hystérésis), il est très difficile d’appliquer des techniques de correction d’erreur au signal. L’application d’une force de serrage lors d’un essai de cyclage thermique permet de surveiller la rigidité diélectrique du câble et d’observer l’évolution de la gaine et du conducteur.
Une fois que le câble a subi des tests mécaniques et environnementaux approfondis, le fabricant doit revérifier que les performances électriques, ainsi que les matériaux diélectriques et de gaine, restent stables conformément aux exigences de l'application.
Pour les produits utilisés dans les environnements les plus exigeants, les conséquences d'une défaillance de câble sont généralement graves. Il est donc essentiel de garantir l'intégrité électrique et mécanique des câbles pour assurer la durée de vie de l'application. Cela implique de comprendre les facteurs susceptibles d'affecter les performances des câbles, de sélectionner des matériaux adaptés pour résister à ces facteurs et de vérifier la fiabilité des câbles par des tests électriques, mécaniques et environnementaux.
Auteur:
Paul Pino, ingénieur d'applications chez WL Gore&Associates, Inc.
