FR3140485A1 - High frequency connector for coaxial cable for transmitting high frequency signals - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un connecteur haute fréquence pour câble coaxial de transmission de signaux haute fréquence comprenant au moins un boîtier cylindrique métallique (1) dans lequel est logé un élément isolant (2) dans lequel est inséré une broche de connexion (3), dont une extrémité constitue la partie de connexion du connecteur sur un autre connecteur ou sur un appareil et dont l’autre extrémité constitue une partie de connexion avec le fil conducteur du câble. L’invention consiste en ce que l’élément isolant (2) est constitué d’une céramique Figure 1.The invention relates to a high-frequency connector for a coaxial cable for transmitting high-frequency signals comprising at least one cylindrical metal housing (1) in which is housed an insulating element (2) into which is inserted a connection pin (3), of which one end constitutes the connection part of the connector on another connector or on a device and the other end of which constitutes a connection part with the conductive wire of the cable. The invention consists in that the insulating element (2) is made of a ceramic Figure 1.
Description
La présente invention concerne le domaine des connecteurs pour câbles et en particulier un connecteur haute fréquence de type N, SMA, HN et TNC pour les câbles coaxiaux de transmission de signaux haute fréquence et plus particulièrement des câbles coaxiaux à isolant minéral.The present invention relates to the field of cable connectors and in particular to a high-frequency connector of type N, SMA, HN and TNC for coaxial cables for transmitting high-frequency signals and more particularly mineral-insulated coaxial cables.
Un connecteur de type N est conçu pour transporter des signaux à des fréquences allant jusqu’à 11 GHz, également jusqu’à 18 GHz (type N) et, pour ceux de type SMA, voire même jusqu’à 65 GHz.An N-type connector is designed to carry signals at frequencies up to 11 GHz, also up to 18 GHz (N-type) and, for SMA-type ones, even up to 65 GHz.
De tels connecteurs permettent ainsi de relier des câbles, en particulier des câbles à isolant minéral permettant la transmission de signaux haute fréquence qui sont utilisés dans des domaines d’application tels que le domaine spatial, le domaine des centrales d’énergies, le domaine militaire. Ces domaines d’application peuvent être soumis à des conditions sévères d’utilisation, de pression, de radiations et de température, notamment des conditions sévères en température pouvant dépasser les 500°C.Such connectors thus make it possible to connect cables, in particular mineral-insulated cables allowing the transmission of high-frequency signals which are used in application areas such as the space sector, the energy plant sector, the military sector. These application areas may be subject to severe conditions of use, pressure, radiation and temperature, in particular severe temperature conditions which may exceed 500°C.
Les câbles blindés à isolant minéral sont des câbles coaxiaux constitués d’un conducteur central métallique et d’une gaine métallique creuse cylindrique entourant ledit conducteur central et entre lesquels est introduit un isolant réfractaire en poudre tel que minéral de type magnésie, alumine ou silice, la gaine externe métallique étant en acier inoxydable, cuivre ou en un alliage de nickel tel que celui connu sous la dénomination commerciale Inconel 600.Mineral insulated armoured cables are coaxial cables consisting of a central metallic conductor and a hollow cylindrical metallic sheath surrounding said central conductor and between which is inserted a powdered refractory insulator such as mineral of the magnesia, alumina or silica type, the external metallic sheath being made of stainless steel, copper or a nickel alloy such as that known under the trade name Inconel 600.
De tels câbles sont notamment résistants au feu et utilisés dans des lieux pouvant accueillir du public, tels que des centres commerciaux, des aéroports, des salles de réception, ou dans des environnements industriels comportant des zones à risques comme des zones militaires, spatiales ou des zones avec un niveau élevé de propreté (Semi-Conducteur). Ils sont notamment utilisés dans de nombreux domaines de l’industrie dans lesquels on utilise des capteurs, des éléments chauffants ou des câbles de transmission de signaux électriques qui doivent résister à des environnements présentant des conditions de plus en plus sévères telles que vide, pression, température, cryogénie, environnement radiatif, humidité...Such cables are particularly fire-resistant and used in places that can accommodate the public, such as shopping centers, airports, reception rooms, or in industrial environments with risk areas such as military zones, space zones or areas with a high level of cleanliness (Semi-Conductor). They are used in particular in many areas of industry in which sensors, heating elements or electrical signal transmission cables are used that must withstand environments with increasingly severe conditions such as vacuum, pressure, temperature, cryogenics, radiation environment, humidity, etc.
De tels câbles servent ainsi à relier des dispositifs espacés les uns des autres et il est donc nécessaire de prévoir des moyens de raccordement de ces câbles aux dispositifs, voire des câbles entre eux.Such cables are used to connect devices that are spaced apart from each other and it is therefore necessary to provide means of connecting these cables to the devices, or even cables between them.
Les dispositifs connecteurs de câbles sont des parties extrêmement critiques de ces composants puisqu’elles doivent assurer la continuité électrique des conducteurs, empêcher la migration d’humidité dans l’isolant tout en préservant la tenue diélectrique du câble.Cable connector devices are extremely critical parts of these components since they must ensure electrical continuity of the conductors, prevent moisture migration into the insulation while preserving the dielectric strength of the cable.
En pratique il s’agit souvent d’un point faible car il s’avère, parfois, compliqué de réunir toutes ces qualités lorsqu’on se trouve dans un environnement très chaud et humide.In practice this is often a weak point because it is sometimes complicated to combine all these qualities when you are in a very hot and humid environment.
Lorsqu’un câble à isolant minéral est dénudé pour mettre en place un dispositif connecteur, on retire donc la gaine extérieure et l’isolant minéral pour laisser apparaître le fil conducteur métallique de manière à le relier à un autre composant tel qu’un passage ou traversée verre-métal ou céramique-métal ou tout autre composant approprié formant connecteur.When a mineral insulated cable is stripped to install a connector device, the outer sheath and mineral insulation are removed to reveal the metallic conductor wire so as to connect it to another component such as a glass-to-metal or ceramic-to-metal passage or feedthrough or any other suitable component forming a connector.
Un connecteur de ce type constitue donc une partie de connexion mâle ou une partie de connexion femelle, comprenant une traversée étanche et hermétique constituée d’un isolant logé dans une gaine en métal.A connector of this type therefore constitutes a male connection part or a female connection part, comprising a sealed and hermetic feedthrough made up of an insulator housed in a metal sheath.
Ces connecteurs sont conformes aux normes applicables MIL-C-39012C / MIL-STD-202 / MIL-STD-348…, et présentent généralement une impédance de 50 ohms.These connectors comply with the applicable standards MIL-C-39012C / MIL-STD-202 / MIL-STD-348…, and typically have an impedance of 50 ohms.
Lors d’une utilisation de ce type de connecteur dans des conditions de température standard, inférieures à 200°C, l’isolant est de préférence du PTFE (PolyTétraFluoroEthylène). Dans des conditions de température plus élevées, on utilise une traversée hermétique verre-métal qui supporte typiquement 400°C.When using this type of connector in standard temperature conditions, below 200°C, the insulation is preferably PTFE (PolyTetraFluoroEthylene). In higher temperature conditions, a glass-to-metal hermetic feedthrough is used, which typically withstands 400°C.
Comme déjà évoqué, ce type de connecteur nécessite toutefois de mettre à nu le fil conducteur du câble, laissant ainsi la possibilité à un arc électrique de se former en service entre conducteur et blindage (gaine métallique extérieure). Ce risque est d’autant plus grand que le câble de puissance fonctionne sous une tension élevée (par exemple pour un câble de transmission de signaux reliés à des détecteurs spécifiques). De fortes tensions ne sont alors pas applicables durablement.As already mentioned, this type of connector requires, however, exposing the conductor wire of the cable, thus leaving the possibility of an electric arc forming in service between the conductor and the shield (outer metal sheath). This risk is all the greater if the power cable operates under a high voltage (for example for a signal transmission cable connected to specific detectors). High voltages are then not applicable in the long term.
L’invention a donc pour but de proposer un connecteur haute fréquence pour connecter des câbles de transmission de signaux tels que des signaux HF dans des conditions d’utilisation sévères permettant de garantir une bonne transmission des signaux sans risque de dégradation du signal.The invention therefore aims to propose a high-frequency connector for connecting signal transmission cables such as HF signals under severe conditions of use, making it possible to guarantee good transmission of the signals without risk of signal degradation.
Dans le cas de transmission de signaux à haute fréquence, il est crucial de garantir l’intégrité des signaux qui se propagent au travers des câbles et connecteurs. En effet les signaux au-dessus de 100MHz, sont impactés par l’impédance des composants du circuit qui, si elle est mal prise en compte, peut provoquer des pertes de signaux, à la sortie du câble de transmission et donc des pertes d’informations au travers de ce câble.In the case of high frequency signal transmission, it is crucial to ensure the integrity of the signals propagating through the cables and connectors. Indeed, signals above 100MHz are impacted by the impedance of the circuit components which, if poorly taken into account, can cause signal losses at the output of the transmission cable and therefore loss of information through this cable.
Lorsqu’un signal passe d’un conducteur ayant une certaine impédance à un autre ayant une impédance identique, il se transmet de manière optimale sans perte du signal transmis. En revanche, si les impédances sont différentes, il se produit des réflexions et des atténuations qui dégradent le signal transmis.When a signal passes from a conductor with a certain impedance to another with an identical impedance, it is transmitted optimally without loss of the transmitted signal. On the other hand, if the impedances are different, reflections and attenuations occur which degrade the transmitted signal.
L’impédance d’un connecteur pour câble de transmission de signaux concerné par la présente invention est de 50 Ohms, et dépend de différents facteurs tels que la constante diélectrique de certains éléments au sein du connecteur.The impedance of a connector for a signal transmission cable concerned by the present invention is 50 Ohms, and depends on various factors such as the dielectric constant of certain elements within the connector.
Il est donc important de s’assurer que, pour les signaux à haute fréquence, un connecteur garantisse une valeur cible d’impédance, avec une certaine tolérance.It is therefore important to ensure that, for high frequency signals, a connector guarantees a target impedance value, with a certain tolerance.
L’invention a donc pour but de proposer un connecteur haute fréquence qui présente une impédance identique, de 50 ohms par exemple, tout le long dudit connecteur, c’est-à-dire sans zone présentant une impédance différente.The invention therefore aims to propose a high-frequency connector which has an identical impedance, of 50 ohms for example, along the entire length of said connector, that is to say without any area having a different impedance.
A cet effet, l’invention se rapporte à un connecteur haute fréquence pour câble coaxial de transmission de signaux haute fréquence comprenant au moins un boîtier cylindrique métallique dans lequel est logé un élément isolant dans lequel est inséré une broche de connexion, dont une extrémité constitue la partie de connexion du connecteur sur un autre connecteur ou sur un appareil et dont l’autre extrémité constitue une partie de connexion avec le fil conducteur du câble, l’invention consistant en ce que l’élément isolant est constitué d’une céramique.For this purpose, the invention relates to a high-frequency connector for a coaxial cable for transmitting high-frequency signals comprising at least one cylindrical metal housing in which is housed an insulating element in which is inserted a connection pin, one end of which constitutes the connection part of the connector on another connector or on a device and the other end of which constitutes a connection part with the conductive wire of the cable, the invention consisting in that the insulating element is made of a ceramic.
Ainsi de manière avantageuse, dans la mesure où l’élément isolant est une céramique, celle-ci est préférentiellement choisie de manière à pouvoir présenter une bonne tenue mécanique à des températures supérieures à 500°C, et le connecteur haute fréquence selon l’invention est alors utilisable dans des milieux présentant des conditions sévères, voire extrêmes notamment au niveau des conditions de température qui peuvent être supérieures à 500°C, allant même jusqu’à 1000°C et, ce sans altération ou perte du signal transmis.Thus, advantageously, to the extent that the insulating element is a ceramic, the latter is preferably chosen so as to be able to exhibit good mechanical resistance at temperatures above 500°C, and the high-frequency connector according to the invention can then be used in environments presenting severe, even extreme conditions, in particular in terms of temperature conditions which can be above 500°C, even up to 1000°C, and this without alteration or loss of the transmitted signal.
Selon une forme de réalisation préférée, l’élément isolant est constitué d’un matériau choisi parmi les céramiques de type oxyde ou nitrure tel que le carbure de silicium SiC, le nitrure d’aluminium AlN, le nitrure de Bore BN, la silice SiO2, l’alumine Al2O3, le quartz. De préférence, l’élément isolant se présente sous forme d’un disque présentant un orifice central dans lequel la broche est engagée.According to a preferred embodiment, the insulating element is made of a material chosen from oxide or nitride type ceramics such as silicon carbide SiC, aluminum nitride AlN, boron nitride BN, silica SiO2, alumina Al2O3, quartz. Preferably, the insulating element is in the form of a disk having a central orifice in which the pin is engaged.
L’impédance du connecteur selon l’invention devant être d’une valeur prédéterminée, de préférence de 50 Ohms, la forme tel que disque, tube et les dimensions de l’élément isolant sont définies en fonction de la permittivité diélectrique du matériau constituant ledit élément isolant, de la fréquence du signal à transmettre et de la température de l’environnement d’utilisation, supérieure à 500°C, de manière à obtenir une impédance de valeur prédéterminée, en l’occurrence 50 Ω, dans le connecteur.The impedance of the connector according to the invention must be of a predetermined value, preferably 50 Ohms, the shape such as disk, tube and the dimensions of the insulating element are defined according to the dielectric permittivity of the material constituting said insulating element, the frequency of the signal to be transmitted and the temperature of the environment of use, greater than 500°C, so as to obtain an impedance of predetermined value, in this case 50 Ω, in the connector.
Un connecteur selon l’invention est constitué soit d’une partie de connexion mâle soit d’une partie de connexion femelle. L’interface entre les connecteurs mâle et femelle selon l’invention est conforme aux normes applicables (MIL-C-39012C / MIL-STD-202 / MIL-STD-348…) afin d’être connectable également à des connecteurs du même type à savoir du type SMA, du type N standard (basse température) tel que par exemple un connecteur de type N mâle selon l’invention avec un connecteur de type N standard femelle.A connector according to the invention consists of either a male connection part or a female connection part. The interface between the male and female connectors according to the invention complies with the applicable standards (MIL-C-39012C / MIL-STD-202 / MIL-STD-348, etc.) in order to also be connectable to connectors of the same type, namely the SMA type, the standard N type (low temperature) such as, for example, a male N type connector according to the invention with a female standard N type connector.
A cet effet, le connecteur selon l’invention comprend donc un boîtier cylindrique métallique, de forme principalement tubulaire, dont les dimensions et notamment le diamètre, correspondent à ces normes.For this purpose, the connector according to the invention therefore comprises a cylindrical metal housing, mainly tubular in shape, the dimensions of which, and in particular the diameter, correspond to these standards.
Comme déjà évoqué, la forme et les dimensions de l’élément isolant sont définies en fonction de la fréquence du signal transmis et de la température d’utilisation, pour obtenir une impédance de valeur prédéterminée tel que 50 Ω, en tenant compte de la permittivité diélectrique de l’élément isolant ; cette dernière étant une caractéristique intrinsèque dudit matériau constituant l’élément isolant.As already mentioned, the shape and dimensions of the insulating element are defined according to the frequency of the transmitted signal and the operating temperature, to obtain an impedance of predetermined value such as 50 Ω, taking into account the dielectric permittivity of the insulating element; the latter being an intrinsic characteristic of said material constituting the insulating element.
Ainsi, l’élément isolant peut se présenter notamment sous la forme d’un disque dont le diamètre externe est supérieur au diamètre interne du boîtier cylindrique métallique, ledit boîtier comportant alors un logement de réception adapté audit élément isolant.Thus, the insulating element may be in particular in the form of a disk whose external diameter is greater than the internal diameter of the cylindrical metal housing, said housing then comprising a receiving housing adapted to said insulating element.
Afin de ne pas modifier le connecteur qui doit rester conforme aux normes utilisées, on prévoit de décaler l’élément isolant par rapport à l’extrémité de connexion du connecteur. Ainsi, l’élément isolant du connecteur selon l’invention est de préférence positionné sensiblement au centre du boîtier cylindrique entre les extrémités « standard » du connecteur.In order not to modify the connector, which must remain compliant with the standards used, it is planned to offset the insulating element relative to the connection end of the connector. Thus, the insulating element of the connector according to the invention is preferably positioned substantially in the center of the cylindrical housing between the “standard” ends of the connector.
Ainsi, un élément de connexion tel qu’une broche de connexion, de préférence métallique, s’étend au travers de l’élément isolant comportant un orifice traversant à cet effet, logé dans le boîtier métallique. Une fois la broche de connexion métallique engagée au travers de l’élément isolant, les extrémités de la broche sont disposées de part et d’autre dudit élément isolant, et permettent pour l’une la connexion avec le fil conducteur d’un câble coaxial de transmission de signaux haute fréquence et pour l’autre la connexion avec un autre connecteur ou appareil, selon les normes standards.Thus, a connection element such as a connection pin, preferably metallic, extends through the insulating element comprising a through-hole for this purpose, housed in the metal housing. Once the metal connection pin is engaged through the insulating element, the ends of the pin are arranged on either side of said insulating element, and allow for one the connection with the conductive wire of a coaxial cable for transmitting high-frequency signals and for the other the connection with another connector or device, according to standard standards.
Les extrémités de connexion de la broche de connexion métallique sont donc disposées de part et d’autre dudit élément isolant, et de préférence écartées dudit élément isolant, pour pouvoir être positionnées dans les zones d’extrémité du boîtier métallique qui permettent pour l’une le raccordement avec le câble et pour l’autre, la connexion sur un autre connecteur en conformité avec les normes en vigueur.The connection ends of the metal connection pin are therefore arranged on either side of said insulating element, and preferably spaced apart from said insulating element, so as to be able to be positioned in the end zones of the metal housing which allow for one connection with the cable and for the other, connection to another connector in compliance with the standards in force.
Les extrémités de connexion et de raccordement de la broche sont donc écartées dudit élément isolant et du logement de réception ménagé dans le boîtier, ce qui crée une zone d’espacement définie entre l’élément isolant et chaque extrémité de la broche de connexion, dans ledit boîtier.The connecting and mating ends of the pin are thus spaced apart from said insulating element and from the receiving housing provided in the housing, which creates a defined spacing zone between the insulating element and each end of the connecting pin, in said housing.
Ainsi, le connecteur selon l’invention qui intègre une traversée étanche céramique/métal, comporte un boîtier métallique dont les parties d’extrémité sont dites « standard », à savoir que les dimensions de ces extrémités de boîtier permettent d’une part la connexion avec un connecteur de dimensions standard complémentaires selon les normes en vigueur, et d’autre part le raccordement avec un câble à isolant de transmission à haute fréquence de type standard également. Le boîtier métallique de ce connecteur selon l’invention comporte en outre une partie entre lesdites extrémités du boîtier, cette partie définissant un logement de réception pour l’élément isolant, qui peut notamment être de dimensions différentes des dimensions des parties d’extrémité dudit boîtier.Thus, the connector according to the invention which integrates a sealed ceramic/metal feedthrough, comprises a metal housing whose end parts are called "standard", namely that the dimensions of these housing ends allow on the one hand the connection with a connector of complementary standard dimensions according to the standards in force, and on the other hand the connection with a cable with high-frequency transmission insulation of also standard type. The metal housing of this connector according to the invention further comprises a part between said ends of the housing, this part defining a receiving housing for the insulating element, which may in particular be of dimensions different from the dimensions of the end parts of said housing.
Ainsi, si l’élément isolant est sous forme d’un disque de diamètre supérieur au diamètre interne du boîtier, ledit boîtier comporte un logement de réception et les extrémités de connexion de la broche de connexion s’étendent de part et d’autre dudit élément isolant, de manière écartée dudit élément isolant, de sorte qu’une fois la connexion effectuée sur chaque extrémité de la broche par l’autre connecteur et par le câble, une zone dite d’espacement est créée de chaque côté dudit élément isolant.Thus, if the insulating element is in the form of a disk with a diameter greater than the internal diameter of the housing, said housing comprises a receiving housing and the connection ends of the connection pin extend on either side of said insulating element, spaced apart from said insulating element, such that once the connection has been made on each end of the pin by the other connector and by the cable, a so-called spacing zone is created on each side of said insulating element.
La zone d’espacement du côté extrémité de connexion de la broche sur un câble à isolant minéral, définit, entre l’élément isolant et l’extrémité du câble, de préférence à isolant minéral, un compartiment qui peut avantageusement être rempli d’un matériau isolant électrique tel qu’un matériau isolant en céramique, un isolant minéral tel que la silice, un gaz, par exemple de l’hélium, de l’air, ce qui permet de garantir une valeur d’impédance prédéterminée et tel qu’appropriée pour un connecteur selon l’invention à savoir une impédance de 50 Ohms.The spacing area on the connection end side of the pin on a mineral insulated cable defines, between the insulating element and the end of the cable, preferably mineral insulated, a compartment which can advantageously be filled with an electrical insulating material such as a ceramic insulating material, a mineral insulator such as silica, a gas, for example helium, air, which makes it possible to guarantee a predetermined impedance value and as appropriate for a connector according to the invention, namely an impedance of 50 Ohms.
A l’extrémité de connexion de la broche sur un câble à isolant minéral, la broche qui a traversé l’élément isolant présente une portion de connexion autour de laquelle un fourreau est rapporté pour protéger ladite portion de connexion et définir un logement dans lequel le fil conducteur dénudé d’un câble est logeable pour venir en connexion avec l’extrémité de connexion de la broche, ce fourreau permet de créer la zone d’espacement entre l’élément isolant et l’extrémité du câble.At the connection end of the pin on a mineral-insulated cable, the pin which has passed through the insulating element has a connection portion around which a sheath is attached to protect said connection portion and define a housing in which the bare conductive wire of a cable can be housed to come into connection with the connection end of the pin, this sheath makes it possible to create the spacing zone between the insulating element and the end of the cable.
De préférence, le compartiment comprend un matériau isolant de préférence un isolant minéral de préférence identique à celui constituant l’isolant minéral du câble. Les dimensions de ce compartiment sont définies par des paramètres fixes tels que le diamètre intérieur du boîtier (fixé par la norme), et par des paramètres variables tels que la longueur de la zone d’espacement, le diamètre du fourreau pour définir une impédance de valeur prédéterminée, de préférence de 50 Ω du connecteur.Preferably, the compartment comprises an insulating material, preferably a mineral insulator, preferably identical to that constituting the mineral insulator of the cable. The dimensions of this compartment are defined by fixed parameters such as the internal diameter of the housing (fixed by the standard), and by variable parameters such as the length of the spacing zone, the diameter of the sheath to define an impedance of predetermined value, preferably 50 Ω of the connector.
D’autre part, au niveau de l’extrémité de connexion sur un autre connecteur ou sur un appareil, la zone d’espacement permet, lors de la connexion de définir un compartiment rempli d’air, ce qui permet de garantir une valeur d’impédance prédéterminée, pour le connecteur haute fréquence, à savoir une valeur de 50 Ohms.On the other hand, at the connection end on another connector or on a device, the spacer zone allows, during connection, to define a compartment filled with air, which makes it possible to guarantee a predetermined impedance value, for the high frequency connector, namely a value of 50 Ohms.
Afin de définir cette zone d’espacement, la broche de connexion présente, entre son extrémité de connexion à un autre connecteur ou un appareil et l’élément isolant, une portion de broche s’étendant entre ladite extrémité de connexion et l’élément isolant, et définissant ainsi dans le boîtier cylindrique métallique, la zone d’espacement. Cette zone d’espacement autour de cette portion de broche est remplie d’air lors de la connexion. Les dimensions de cette zone d’espacement sont alors définies par des paramètres fixes tels que le diamètre interne DC du boîtier (fixe du fait des normes), la permittivité de l’air contenu dans cette zone d’espacement et la permittivité du matériau céramique utilisé et par des paramètres variables tels que la longueur et le diamètre de la portion de broche, afin d’obtenir une impédance de valeur prédéterminée de 50Ω.In order to define this spacing zone, the connection pin has, between its connection end to another connector or a device and the insulating element, a pin portion extending between said connection end and the insulating element, and thus defining in the cylindrical metal housing, the spacing zone. This spacing zone around this pin portion is filled with air during connection. The dimensions of this spacing zone are then defined by fixed parameters such as the internal diameter DC of the housing (fixed due to the standards), the permittivity of the air contained in this spacing zone and the permittivity of the ceramic material used and by variable parameters such as the length and the diameter of the pin portion, in order to obtain an impedance of predetermined value of 50Ω.
Les dimensions des zones d’espacement (longueur) peuvent ainsi varier en fonction de la céramique utilisée et de sa permittivité, ces dimensions pouvant notamment être nulles.The dimensions of the spacing zones (length) can thus vary depending on the ceramic used and its permittivity, these dimensions being able to be zero in particular.
Comme déjà évoqué, selon une forme de réalisation préférée, l’élément isolant se présente sous forme d’un disque de diamètre extérieur supérieur au diamètre interne du boîtier cylindrique métallique, ledit boîtier cylindrique métallique comportant un logement de réception dudit élément isolant.As already mentioned, according to a preferred embodiment, the insulating element is in the form of a disk with an external diameter greater than the internal diameter of the cylindrical metal housing, said cylindrical metal housing comprising a housing for receiving said insulating element.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée, le boîtier cylindrique métallique est constitué de deux parties de boîtier assemblées, l’extrémité de jonction de ces deux parties de boîtier étant conformée pour constituer le logement de réception qui accueille l’élément isolant.According to a particularly preferred embodiment, the cylindrical metal housing is made up of two assembled housing parts, the junction end of these two housing parts being shaped to constitute the receiving housing which accommodates the insulating element.
De préférence, l’extrémité d’une première partie du boîtier cylindrique métallique présente une collerette en saillie radiale pourvu d’un rebord délimitant le logement de réception de l’élément isolant, l’extrémité de la seconde partie du boîtier présentant une collerette en saillie radiale qui, venant en appui sur le rebord de la première partie de boîtier, forme ainsi un capot qui ferme le logement de réception de l’élément isolant.Preferably, the end of a first part of the cylindrical metal housing has a radially projecting collar provided with a rim delimiting the housing for receiving the insulating element, the end of the second part of the housing having a radially projecting collar which, coming to bear on the rim of the first part of the housing, thus forms a cover which closes the housing for receiving the insulating element.
Ainsi, l’invention vise également un câble coaxial à isolant minéral de transmission de signaux haute fréquence pourvu au moins à une extrémité d’un connecteur haute fréquence selon l’invention.Thus, the invention also relates to a mineral-insulated coaxial cable for transmitting high-frequency signals provided at least at one end with a high-frequency connector according to the invention.
L’invention concerne ainsi un câble, dans lequel la zone d’espacement, entre l’élément isolant et l’extrémité du câble à isolant minéral, définit un compartiment rempli d’un matériau isolant tel qu’un matériau isolant en céramique, un gaz, l’extrémité de connexion sur un autre connecteur ou sur un appareil, présentant une zone d’espacement qui, lors d’une connexion, définit un compartiment entre cette extrémité de connexion et l’élément isolant, rempli d’air. Ces deux zones d’espacement permettent de garantir une valeur d’impédance prédéterminée, pour le connecteur haute fréquence à savoir une valeur de 50 Ohms, avec des connecteurs conformes aux normes. En fonction de l’élément isolant utilisé on peut donc avoir une longueur de ces zones d’espacement qui varie entre 0 et une valeur L.The invention thus relates to a cable, in which the spacing zone, between the insulating element and the end of the mineral-insulated cable, defines a compartment filled with an insulating material such as a ceramic insulating material, a gas, the connection end on another connector or on a device, having a spacing zone which, during a connection, defines a compartment between this connection end and the insulating element, filled with air. These two spacing zones make it possible to guarantee a predetermined impedance value, for the high-frequency connector, namely a value of 50 Ohms, with connectors conforming to the standards. Depending on the insulating element used, it is therefore possible to have a length of these spacing zones which varies between 0 and a value L.
Ainsi, il est notamment aisé de définir une impédance déterminée de 50 ohms sur ces zones d’espacement en réglant la longueur et diamètre de la portion de broche par rapport à la permittivité diélectrique de l’air.Thus, it is particularly easy to define a determined impedance of 50 ohms on these spacing zones by adjusting the length and diameter of the pin portion in relation to the dielectric permittivity of the air.
Avec une telle structure, on obtient un connecteur qui permet une tenue à des températures élevées tout en garantissant une impédance homogène sur l’ensemble du connecteur.With such a structure, we obtain a connector which allows resistance to high temperatures while guaranteeing a homogeneous impedance across the entire connector.
Le boîtier cylindrique métallique est réalisé en un matériau adapté à une utilisation dans des environnements corrosifs et soumis à de hautes températures choisi parmi l’acier inoxydable tel que ceux des références 304L, 316L, le nickel sous la référence 200, 270, un alliage de Fer/Nickel tel que le ferronickel, en cuivre, et des alliages du type de ceux connus sous la dénomination commerciale Inconel.The cylindrical metal casing is made of a material suitable for use in corrosive environments and subjected to high temperatures chosen from stainless steel such as those of references 304L, 316L, nickel under reference 200, 270, an iron/nickel alloy such as ferronickel, copper, and alloys of the type known under the trade name Inconel.
De préférence, la broche de connexion est constituée d’un matériau métallique de faible résistivité électrique, pour limiter les pertes par effet Joule, choisi parmi le cuivre, tel que désigné Cuc2, Cua, Cub (selon la norme NFA 51050), l’inox tel que 304L/316L, nickel 200/270, alliages Fe/Ni, des alliages du type de ceux connus sous la dénomination commerciale Inconel.Preferably, the connection pin is made of a metallic material with low electrical resistivity, to limit losses by Joule effect, chosen from copper, as designated Cuc2, Cua, Cub (according to standard NFA 51050), stainless steel such as 304L/316L, nickel 200/270, Fe/Ni alloys, alloys of the type known under the trade name Inconel.
L’assemblage de l’élément isolant, du boîtier métallique et de la broche métallique est réalisé par brasage, le type de brasure étant choisi en fonction de la résistance thermique prédéterminée pour le connecteur. Cette brasure permet également de conférer le niveau d’étanchéité et d’herméticité souhaité. De tels assemblages peuvent se réaliser par procédés de brasage actif, par brasage réactif direct, par brasage eutectique direct ou par soudage diffusion ou thermocompression.The assembly of the insulating element, the metal housing and the metal pin is carried out by brazing, the type of brazing being chosen according to the predetermined thermal resistance for the connector. This brazing also makes it possible to provide the desired level of sealing and hermeticity. Such assemblies can be carried out by active brazing processes, by direct reactive brazing, by direct eutectic brazing or by diffusion or thermocompression welding.
De préférence, le connecteur ainsi obtenu est étanche et hermétique et présente une étanchéité à l’hélium avec un niveau de fuite inférieur à 3.10-8 atm.cm-3.s-1. Les connecteurs selon l’invention sont conçus pour s’adapter spécifiquement aux câbles à isolant minéral et permettent avantageusement de limiter au maximum les pertes en terme de transmission des signaux transmis.Preferably, the connector thus obtained is watertight and hermetic and has a helium seal with a leakage level of less than 3.10-8 atm.cm-3.s-1. The connectors according to the invention are designed to adapt specifically to mineral-insulated cables and advantageously make it possible to limit as much as possible the losses in terms of transmission of the transmitted signals.
De préférence, l’assemblage entre le connecteur et le câble à isolant minéral est réalisé par brasage ou soudage. Le diamètre extérieur des câbles est compris entre 0,5 et 10 mm.Preferably, the assembly between the connector and the mineral insulated cable is carried out by brazing or welding. The external diameter of the cables is between 0.5 and 10 mm.
En conséquence le diamètre intérieur du boîtier cylindrique métallique est choisi complémentaire.Consequently the inner diameter of the cylindrical metal housing is chosen to be complementary.
Le connecteur selon l’invention est avantageusement utilisable dans de nombreux domaines de l’industrie avec des environnements d’utilisation présentant des conditions de plus en plus sévères de températures.The connector according to the invention can be advantageously used in many areas of industry with usage environments presenting increasingly severe temperature conditions.
On décrira maintenant l’invention plus en détails en référence au dessin dans lequel les figures représentent :The invention will now be described in more detail with reference to the drawing in which the figures represent:
Un connecteur selon l’invention, de type mâle est représenté à la
L’extrémité de jonction des deux parties de boîtier 11, 12 est conformée pour constituer un logement de réception 10 qui accueille un élément isolant 2 tel qu’une traversée en céramique.The junction end of the two housing parts 11, 12 is shaped to constitute a receiving housing 10 which accommodates an insulating element 2 such as a ceramic feedthrough.
L’élément isolant 2 est, dans l’exemple décrit, constitué d’un matériau tel qu’une céramique alumine Al2O3. La nature du matériau constituant l’isolant ainsi que son dimensionnement (épaisseur) sont choisis en fonction de la fréquence du signal transmis, des températures d’utilisation et de la permittivité diélectrique dudit matériau afin de réaliser un connecteur présentant une impédance de 50 ohms.The insulating element 2 is, in the example described, made of a material such as an alumina ceramic Al2O3. The nature of the material constituting the insulator as well as its dimensioning (thickness) are chosen according to the frequency of the transmitted signal, the operating temperatures and the dielectric permittivity of said material in order to produce a connector having an impedance of 50 ohms.
De préférence, ce matériau isolant permet de conférer une étanchéité à l’hélium avec un niveau de fuite inférieur à 3.10-8atm.cm-3.s-1 ainsi qu’une tenue mécanique à haute température, c’est-à-dire supérieure à 500°C.Preferably, this insulating material provides helium-tightness with a leakage level of less than 3.10-8atm.cm-3.s-1 as well as mechanical resistance at high temperatures, i.e. above 500°C.
Cet élément isolant ou traversée en céramique 2 présente la forme d’un disque. En fonction du type de céramique utilisée, ce disque présente un diamètre externe DD qui est supérieur au diamètre interne DC du boitier cylindrique métallique 1. Ainsi, l’extrémité d’une première partie 11 du boîtier 1 présente une collerette en saillie radiale 111 pourvu d’un rebord 112 délimitant un logement de réception dans lequel est logé le disque constituant l’élément isolant 2, l’extrémité de la seconde partie du boîtier 12 présente une collerette 121 en saillie radiale qui, venant en appui sur le rebord 112, forme ainsi un capot qui ferme le logement de réception 10 de l’élément isolant 2.This insulating element or ceramic bushing 2 has the shape of a disk. Depending on the type of ceramic used, this disk has an external diameter DD which is greater than the internal diameter DC of the cylindrical metal housing 1. Thus, the end of a first part 11 of the housing 1 has a radially projecting collar 111 provided with a rim 112 delimiting a receiving housing in which the disk constituting the insulating element 2 is housed, the end of the second part of the housing 12 has a radially projecting collar 121 which, coming to bear on the rim 112, thus forms a cover which closes the receiving housing 10 of the insulating element 2.
De manière à favoriser la liaison entre les deux parties de boîtiers 11, 12, le rebord 112 et le rebord de la collerette 121 sont de forme complémentaire, emboîtables et liés par une soudure par exemple une soudure laser.In order to promote the connection between the two housing parts 11, 12, the rim 112 and the rim of the collar 121 are of complementary shape, nestable and connected by welding, for example laser welding.
Le boîtier 1 est réalisé en alliage du type de ceux connus sous la dénomination commerciale Inconel ou tout autre matériau métallique.The housing 1 is made of an alloy of the type known under the commercial name Inconel or any other metallic material.
Une broche de connexion métallique 3 formant le contact central du connecteur, s’étend au travers de l’élément isolant 2 dans un orifice central 21. Elle présente ainsi de part et d’autre de l’élément isolant 2, une première extrémité 31 de type mâle (à la
De plus, entre la première extrémité 31 de connexion et l’élément isolant, la broche présente une portion de broche 32 s’étendant entre ladite première extrémité 31 et l’élément isolant 2, de sorte que la première extrémité de connexion 31 est écartée de l’élément isolant 2. La broche présente en outre une portion de broche 33 qui traverse l’élément isolant 2 et s’étend en saillie du côté opposé de l’élément isolant 2 sous la forme de la portion de connexion 34.In addition, between the first connection end 31 and the insulating element, the pin has a pin portion 32 extending between said first end 31 and the insulating element 2, such that the first connection end 31 is spaced from the insulating element 2. The pin further has a pin portion 33 which passes through the insulating element 2 and projects from the opposite side of the insulating element 2 in the form of the connection portion 34.
L’extrémité de connexion 31 s’étend donc dans une première partie de boîtier 11 formant l’extrémité de connexion avec un autre connecteur et l’extrémité de connexion 34 s’étend dans la seconde partie de boîtier 12 dans laquelle le câble C est étant engagé. Un fourreau 4 est prévu et entoure la portion de connexion de la broche 34 pour former une extrémité de connexion du connecteur avec le câble.The connection end 31 therefore extends into a first housing part 11 forming the connection end with another connector and the connection end 34 extends into the second housing part 12 in which the cable C is engaged. A sheath 4 is provided and surrounds the connection portion of the pin 34 to form a connection end of the connector with the cable.
L’extrémité de connexion 31 est une extrémité de connexion de type mâle sous forme d’une pointe d’enfichage. L’extrémité de connexion peut également être une extrémité de connexion de type femelle 310 sous forme d’un logement d’enfichage comme cela est visible sur la
La broche de connexion métallique 3 est fixée dans l’élément isolant 2 par brasure et l’élément isolant 2 est lui-même fixé dans le boîtier métallique 1 par brasure également. Cette brasure permet de garantir une étanchéité au sein du connecteur.The metal connection pin 3 is fixed in the insulating element 2 by soldering and the insulating element 2 is itself fixed in the metal housing 1 by soldering as well. This soldering ensures a seal within the connector.
Comme déjà évoqué, l’extrémité de connexion de la broche 3 avec le câble est constituée de la portion de connexion 34 entourée du fourreau 4 définissant un logement de réception 41 dans lequel est engageable le fil conducteur dénudé d’un câble à isolant minéral. Ce fourreau 4 définit entre l’élément isolant 2 et l’extrémité du câble, c’est-à-dire la gaine métallique et l’isolant minéral, une zone d’espacement ZEC (délimité par des pointillés sur la
Cette zone d’espacement ZEC définit entre l’élément isolant 2 et l’extrémité du câble à isolant minéral, au sein du boîtier 1 un compartiment dans lequel est introduit un matériau isolant de préférence un isolant minéral de préférence identique à celui constituant l’isolant minéral du câble. Les dimensions de cette zone d’espacement ZEC sont définies par des paramètres fixes tels que le diamètre intérieur du boîtier (fixé par la norme), et par des paramètres variables tels que le diamètre du fourreau 4 et la longueur de cette zone d’espacement ZEC pour définir une impédance de 50 Ω du connecteur.This ZEC spacing zone defines between the insulating element 2 and the end of the mineral-insulated cable, within the housing 1, a compartment in which an insulating material is introduced, preferably a mineral insulator, preferably identical to that constituting the mineral insulator of the cable. The dimensions of this ZEC spacing zone are defined by fixed parameters such as the internal diameter of the housing (fixed by the standard), and by variable parameters such as the diameter of the sheath 4 and the length of this ZEC spacing zone to define an impedance of 50 Ω of the connector.
Comme cela est visible à la
Comme on l’a vu ci-dessus, entre l’extrémité de connexion 31, 310 de la broche 3 et l’élément isolant 2 s’étend une portion de broche 32. Une zone d’espacement ZEA (délimitée par des pointillés) autour de cette portion de broche 32 est remplie d’air lors de la connexion. Les dimensions de cette zone d’espacement ZEA sont définies par des paramètres fixes tels que le diamètre interne DC du boîtier (fixe du fait des normes), la permittivité de l’air contenu dans cette zone d’espacement ZEA et la permittivité du matériau céramique utilisé et des paramètres variables tels que la longueur de la zone d’espacement et le diamètre de la portion de broche 32, afin d’obtenir une impédance de 50Ω.As seen above, between the connection end 31, 310 of the pin 3 and the insulating element 2 extends a portion of pin 32. A spacer zone ZEA (delimited by dotted lines) around this portion of pin 32 is filled with air during connection. The dimensions of this spacer zone ZEA are defined by fixed parameters such as the internal diameter DC of the package (fixed due to the standards), the permittivity of the air contained in this spacer zone ZEA and the permittivity of the ceramic material used and variable parameters such as the length of the spacer zone and the diameter of the portion of pin 32, in order to obtain an impedance of 50Ω.
L’élément isolant en céramique 2 est localisé au centre du connecteur C ainsi formé. La géométrie de l’élément isolant en céramique 2, à savoir son diamètre extérieur, son diamètre intérieur, diamètre du passage de la broche, pour obtenir une impédance de 50Ω, en tenant compte de la permittivité diélectrique dudit matériau isolant.The ceramic insulating element 2 is located at the center of the connector C thus formed. The geometry of the ceramic insulating element 2, namely its outer diameter, its inner diameter, diameter of the pin passage, to obtain an impedance of 50Ω, taking into account the dielectric permittivity of said insulating material.
Le connecteur comporte en outre des moyens de fixation tels qu’un écrou de vissage 5 propres à coopérer avec des moyens de fixation complémentaires ménagés sur un autre connecteur. On prévoit également un joint 6, une rondelle 8, une bague d’écrou 7.
The connector further comprises fixing means such as a screw nut 5 suitable for cooperating with complementary fixing means provided on another connector. A seal 6, a washer 8, a nut ring 7 are also provided.
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- 2022-09-30 FR FR2210050A patent/FR3140485A1/en active Pending
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2023
- 2023-09-29 WO PCT/EP2023/077152 patent/WO2024068985A1/en unknown
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Legal Events
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