Le câble coaxial a été inventé par Lloyd Espenschied et Herman A. Affel, qui l’ont breveté le 8 décembre 1931.
8 décembre 1931 : câble coaxial breveté
Histoire du câble coaxial 
Que recherchent exactement ces deux domaines dans un câble coaxial, et quel degré de chevauchement ont-ils ? Nous examinerons d’abord le champ RF et quels sont certains de leurs facteurs spécifiés. Certains d’entre eux sont assez courants et simples, tels que :
Impédance caractéristique
Atténuation
Fréquence nominale
Tension et puissance maximales
Vitesse de propagation
Paramètres RF : stabilité de phase 
Paramètres RF : VSWR
Le VSWR est le rapport des niveaux de tension maximum et minimum trouvés sur une ligne de transmission. Idéalement, le rapport est de 1:1, où la tension sur la ligne est simplement ce qui est transmis. Chaque discontinuité d’impédance le long d’une ligne de transmission provoque une réflexion du signal, créant différentes tensions maximales et minimales. L’utilisation principale de VSWR est dans le domaine RF. En particulier lors de la conception de la ligne d’alimentation d’une antenne, l’antenne elle-même doit être étroitement adaptée pour minimiser les réflexions. Les ondes réfléchies sont la puissance qui n’est pas délivrée à l’antenne. Ils amènent la ligne à atteindre une tension supérieure au niveau transmis lorsqu’ils interfèrent de manière constructive, causant potentiellement des dommages au système.
VSWR vs Return Loss
Comment la métrique RF, VSWR, est-elle liée à l’intégrité du signal dans le monde des communications de données, et quelles autres métriques pourraient être utilisées à la place ? Pour cela, j’ai parlé avec Scott McMorrow de Samtec. Le VSWR n’est pas utilisée autant directement, mais la perte de retour est utilisée comme métrique pour les câbles et les connecteurs et est généralement mesurée en décibels. La perte de retour est une mesure de l’amplitude de la réflexion et c’est l’un des nombreux paramètres de diffusion. Le VSWR et la perte de retour sont intrinsèquement liés et peuvent être calculés à partir de l’équation suivante :
Un petit avantage du VSWR est qu’à de faibles valeurs, il augmente lorsque des connecteurs sont ajoutés en série. Dans la conception des câbles et des connecteurs, le VSWR est plus difficile à contrôler à des fréquences élevées, de sorte que les connecteurs conçus pour des fréquences plus basses auront souvent un VSWR inférieur (5). Nous allons maintenant nous intéresser aux paramètres critiques dans le domaine numérique.
Paramètres numériques : paramètres de diffusion
La principale méthode de caractérisation de l’intégrité du signal d’un appareil consiste à utiliser ses paramètres de diffusion (paramètres S). Il s’agit d’une matrice de coefficients de transmission et de réflexion entre les ports de l’appareil. Certains des plus pertinents sont S 11, S 21 et S 22. S 11 est la réflexion sur le connecteur du port un, qui est généralement l’entrée du système. Cette valeur est également appelée perte de retour et a été définie précédemment dans la section VSWR. S 21 est le coefficient de transmission du port un au port deux ; l’inverse de ceci s’appelle la perte d’insertion. S 22est le coefficient de réflexion du port deux. Ce ne sont là que quelques-uns des principaux paramètres s utilisés lors de l’examen de l’intégrité du signal. Cependant, la matrice entière définit entièrement le système.
Paramètres numériques : biais
La synchronisation d’un système est également essentielle à l’intégrité du signal. Une mesure des erreurs de synchronisation est le biais, qui est lié à la structure physique du système. Elle est causée par des différences dans la disposition et la composition des lignes de transmission entre les signaux. Lorsque plusieurs signaux sont lancés en même temps, comme une paire différentielle, la différence de leur heure d’arrivée au récepteur est le biais. Une autre occurrence courante de biais est dans les horloges ; un signal d’horloge doit avoir une arrivée synchrone sur tous les récepteurs pour maintenir la synchronisation du système.
Étalonnage et vérification
Il est important de noter que l’analyseur de réseau vectoriel (VNA) a été calibré très soigneusement (et vérifié), ce qui est d’une importance vitale car la mesure de l’inclinaison est liée au plan de référence de calibrage du VNA. La figure 2 ci-dessous illustre un exemple de canal VNA calibré. Des connecteurs KF-KF simples ont été utilisés pour connecter le port un au port deux ; la perte de retour s’est avérée très faible (-50 dB) et la perte d’insertion était très proche de 0 dB (les spécifications typiques pour un VNA sont une variation de perte d’insertion maximale de 0,1 dB jusqu’à 40 GHz).
Résultats en pratique
En pratique, à quoi cela ressemble-t-il de rassembler ces chiffres et de prouver les caractéristiques d’intégrité du signal ? J’ai eu l’occasion d’apprendre et d’être témoin d’une partie du processus lors de mon stage avec la société Wild River Technology en utilisant certains de leurs câbles, illustrés ci-dessus dans la figure 3. Au moment de la rédaction de cet article, ces paires de câbles étaient disponibles à l’achat en tant que partie du kit de modélisation de perte ISI-USB4 de Wild River Technology. Le processus a naturellement commencé avec le calibrage SLOT. Une extrémité du câble a été maintenue en place pendant la mesure. Ce VNA avait deux ports, donc chaque câble de la paire devait être mesuré séparément. Cependant, la position dans laquelle la fin a été tenue est restée constante. Le câble a été testé sur une gamme de fréquences de 40 MHz à 40 GHZ. Un exemple des données de l’un de ces tests peut être vu ci-dessous dans la figure.
La figure 4 montre les paramètres s d’un câble, ainsi que le retard calculé de chaque câble de la paire. Avec un étalonnage approprié et suffisamment d’échantillons, cet outil peut calculer le retard jusqu’au dixième de picoseconde, ou 100 femtosecondes. (La méthode de calcul du retard à un degré aussi étroit et de conception des câbles autour de ce calcul est actuellement propriétaire.) Cette configuration de test ne pouvait pas mesurer les deux câbles simultanément, de sorte que l’inclinaison ne pouvait pas être calculée directement. La différence de valeur de retard entre les câbles est le décalage relatif entre la paire. Cette paire de câbles a des valeurs de retard de 2,1336 ns et 2,1337 ns, respectivement, de sorte que le décalage relatif est de l’ordre de 100 femto secondes. Il s’agit d’un biais relatif très faible et il est obtenu lors de la fabrication. Un câble est créé en premier et mesuré. 
Le deuxième câble est ensuite coupé selon les besoins pour correspondre à ce délai, garantissant ainsi que l’asymétrie relative entre les câbles est faible. Le dernier élément de test dont j’ai entendu parler était lié à la durée de vie du câble. Ces câbles sont conçus pour être utilisés pour des tests de caractérisation en laboratoire, où ils seront torsadés et managés. En conséquence, la paire de câbles a été courbée un nombre important de fois et l’inclinaison relative a été recalculée à certains nombres de courbures. Il s’agit d’une méthode de pliage différente et plus axée sur le long terme que les tests de stabilité de phase antérieurs. Les données du moment où ce test a été exécuté sur la paire de câbles sont visibles sur la figure 5 et démontrent clairement la stabilité de la phase et de la perte d’insertion par rapport aux flexions répétées.
Les câbles sont reliés entre eux par thermo rétraction pour garantir qu’ils subissent les mêmes contraintes physiques. Ceci est essentiel pour maintenir l’asymétrie étroite de la paire dans les applications réelles. La figure 6 montre comment la paire de câbles réagit à une quantité substantielle d’utilisation simulée. Les câbles sont pliés ensemble pendant le test. Même après 1000 virages, la paire maintient un décalage relatif de 100 femtosecondes, bien en dessous de la limite spécifiée pour USB4. La cohérence implique que les câbles produiront des mesures reproductibles lors des tests.
Applications potentielles
La suite de cette progression est l’application, à quoi va servir le câble ? Au fil des ans, les protocoles de communication numérique ont fonctionné à des fréquences de plus en plus élevées et les spécifications physiques des équipements de test sont devenues encore plus rigoureuses. L’équipement utilisé pour tester ces protocoles doit pouvoir mesurer les performances sans interférer avec le test lui-même. Le test haut fréquence est une application possible pour les câbles coaxiaux, comme dans l’environnement de test autour de l’USB4. Selon la spécification de test de conformité électrique USB4 (rév. 1.02), les câbles utilisés pour les tests doivent avoir une correspondance de phase inférieure à 5 degrés à 40 GHz. L’adaptation de phase jusqu’à ce niveau est une marge étroite, se traduisant par 347 femtosecondes. La paire de câbles mesurée sur la figure répond à cette spécification.
Dans la Figure 6, les câbles bleu clair sont tous des paires appariées en phase. Cette configuration sert à calibrer le récepteur pour un canal stressé. Le résultat sera utilisé dans les tests de taux d’erreur.
Conclusion
Les applications numériques et RF peuvent toutes deux utiliser des câbles coaxiaux dans le cadre de leur mise en œuvre. Ils peuvent même utiliser le même câble, bien que les câbles soient généralement décrits en fonction de leur utilisation RF. Les câbles coaxiaux ont une longue histoire établie en tant que pilier des applications radio et existent depuis plus d’un siècle. Il existe certaines similitudes entre les paramètres de ces systèmes, tels que l’atténuation et la perte d’insertion. Il existe également des différences, comme l’intérêt du signal numérique pour les diagrammes de l’œil et les paramètres de diffusion. Cet article a examiné les applications numériques d’un câble coaxial, telles que les tests d’implémentations USB4. L’accent a également été mis sur une paire de câbles coaxiaux pour mettre en évidence la mesure de certains de leurs paramètres orientés numériques qui ne sont pas toujours pris en compte sur une fiche technique basée sur RF.
Câble coaxial
En 1931, l’invention du câble coaxial a reçu un brevet américain pour la première fois aux États-Unis, décrit comme un « système conducteur concentrique ». Les inventeurs étaient Lloyd Espenschied de Kew Gardens, N.Y. et Herman A. Affel de Ridgewood, N.J. Le brevet a été attribué à l’American Telegraph and Telephone Co. de New York. (N° 1 835 031). L’application était la télévision, pour laquelle une large gamme de fréquences de transmission est nécessaire. Alors que les besoins en canaux individuels pour la télégraphie sont de l’ordre de quelques centaines de cycles au maximum, et la téléphonie peut-être quelques milliers de cycles, la télévision nécessite des bandes de centaines de milliers de cycles de largeur pour assurer un degré raisonnable de détail de l’image. Un agencement de conducteurs concentriques à une seule paire est utilisé.