Ligne de transmission et RF

Signaux RF réels
Les interconnexions à haute fréquence nécessitent une attention particulière car elles se comportent souvent non pas comme des fils ordinaires mais plutôt comme des lignes de transmission.

Dans les systèmes à basse fréquence, les composants sont connectés par des fils ou des traces de PCB. La résistance de ces éléments conducteurs est suffisamment faible pour être négligeable dans la plupart des situations.

Cet aspect de la conception et de l'analyse des circuits change considérablement à mesure que la fréquence augmente. Les signaux RF ne voyagent pas le long des fils ou des traces de PCB de la manière la plus simple que nous attendons sur la base de notre expérience avec les circuits basse fréquence.

La ligne de transmission
Le comportement des interconnexions RF est très différent de celui des fils ordinaires transportant des signaux basse fréquence - si différents, en fait, qu'une terminologie supplémentaire est utilisée: une ligne de transmission est un câble (ou simplement une paire de conducteurs) qui doit être analysé en fonction aux caractéristiques de la propagation du signal haute fréquence.

Tout d'abord, clarifions deux choses:
Câble vs trace
«Câble» est un mot commode mais imprécis dans ce contexte. Le câble coaxial est certainement un exemple classique de ligne de transmission, mais les traces de PCB fonctionnent également comme des lignes de transmission. La ligne de transmission «microruban» se compose d'une trace et d'un plan de masse à proximité, comme suit:

La ligne de transmission «stripline» se compose d'une trace PCB et de deux plans de masse:




Les lignes de transmission PCB sont particulièrement importantes car leurs caractéristiques sont contrôlées directement par le concepteur. Lorsque nous achetons un câble, ses propriétés physiques sont fixes; nous recueillons simplement les informations nécessaires à partir de la fiche technique. Lors de la mise en place d'un PCB RF, nous pouvons facilement personnaliser les dimensions - et donc les caractéristiques électriques - de la ligne de transmission en fonction des besoins de l'application.

Le critère de la ligne de transmission
Toutes les interconnexions haute fréquence ne sont pas une ligne de transmission; ce terme se réfère principalement à l'interaction électrique entre le signal et le câble, et non à la fréquence du signal ou aux caractéristiques physiques du câble. Alors, quand devons-nous intégrer les effets des lignes de transmission dans notre analyse?

L'idée générale est que les effets de ligne de transmission deviennent significatifs lorsque la longueur de la ligne est comparable ou supérieure à la longueur d'onde du signal. Une ligne directrice plus spécifique correspond au quart de la longueur d'onde:

* Si la longueur d'interconnexion est inférieure à un quart de la longueur d'onde du signal, l'analyse de la ligne de transmission n'est pas nécessaire. L'interconnexion elle-même n'affecte pas de manière significative le comportement électrique du circuit.

* Si la longueur d'interconnexion est supérieure à un quart de la longueur d'onde du signal, les effets de la ligne de transmission deviennent importants et l'influence de l'interconnexion elle-même doit être prise en compte.

Rappelons que la longueur d'onde est égale à la vitesse de propagation divisée par la fréquence:

Si nous supposons une vitesse de propagation de 0.7 fois la vitesse de la lumière, nous avons les longueurs d'onde suivantes:


 

Les seuils de ligne de transmission correspondants sont les suivants:


 

Ainsi, pour les très basses fréquences, les effets de ligne de transmission sont négligeables. Pour les fréquences moyennes, seuls les câbles très longs nécessitent une attention particulière. Cependant, à 1 GHz, de nombreuses traces de PCB doivent être traitées comme des lignes de transmission, et à mesure que les fréquences grimpent dans les dizaines de gigahertz, les lignes de transmission deviennent omniprésentes.

Impédance caractéristique
La propriété la plus importante d'une ligne de transmission est l'impédance caractéristique (notée Z0). Dans l'ensemble, c'est un concept assez simple, mais au départ, il peut être source de confusion.

Tout d'abord, une note sur la terminologie: «Résistance» fait référence à l'opposition à tout flux de courant; cela ne dépend pas de la fréquence. L '«impédance» est utilisée dans le contexte des circuits CA et fait souvent référence à une résistance dépendante de la fréquence. Cependant, nous utilisons parfois «l'impédance» où la «résistance» serait théoriquement plus appropriée; par exemple, nous pourrions nous référer à «l'impédance de sortie» d'un circuit purement résistif.

Il est donc important d'avoir une idée claire de ce que nous entendons par «impédance caractéristique». Ce n'est pas la résistance du conducteur de signal à l'intérieur du câble - une impédance caractéristique commune est de 50 Ω, et une résistance CC de 50 Ω pour un câble court serait absurdement élevée. Voici quelques points saillants qui aident à clarifier la nature de l'impédance caractéristique:

L'impédance caractéristique est déterminée par les propriétés physiques de la ligne de transmission; dans le cas d'un câble coaxial, il est fonction du diamètre intérieur (D1 dans le schéma ci-dessous), du diamètre extérieur (D2) et de la permittivité relative de l'isolation entre les conducteurs intérieur et extérieur.

L'impédance caractéristique n'est pas fonction de la longueur du câble. Il est présent partout le long du câble, car il résulte de la capacité et de l'inductance inhérentes au câble.

 

Dans ce diagramme, des inductances et des condensateurs individuels sont utilisés pour représenter la capacité et l'inductance réparties qui sont présentes en continu sur toute la longueur du câble.
 

* En pratique, l'impédance d'une ligne de transmission n'est pas pertinente en DC, mais une ligne de transmission théorique de longueur infinie présenterait son impédance caractéristique même à une source DC telle qu'une batterie. C'est le cas parce que la ligne de transmission infiniment longue tirerait perpétuellement du courant pour tenter de recharger son alimentation infinie de capacité distribuée, et le rapport de la tension de la batterie au courant de charge serait égal à l'impédance caractéristique.

* L'impédance caractéristique d'une ligne de transmission est purement résistive; aucun déphasage n'est introduit et toutes les fréquences de signal se propagent à la même vitesse.

 * Théoriquement, cela n'est vrai que pour les lignes de transmission sans perte, c'est-à-dire les lignes de transmission qui ont une résistance nulle le long des conducteurs et une résistance infinie entre les conducteurs. Il est évident que de telles lignes n'existent pas, mais l'analyse des lignes sans perte est suffisamment précise lorsqu'elle est appliquée à des lignes de transmission réelles à faible perte.

Réflexions et correspondance
L'impédance d'une ligne de transmission n'est pas destinée à restreindre le flux de courant comme le ferait une résistance ordinaire. L'impédance caractéristique est simplement un résultat inévitable de l'interaction entre un câble composé de deux conducteurs à proximité immédiate. L'importance de l'impédance caractéristique dans le contexte de la conception RF réside dans le fait que le concepteur doit faire correspondre les impédances afin d'éviter les réflexions et d'obtenir un transfert de puissance maximal. Ceci sera discuté dans la page suivante.

Résumé

* Une interconnexion est considérée comme une ligne de transmission lorsque sa longueur est d'au moins un quart de la longueur d'onde du signal.

* Les câbles coaxiaux sont couramment utilisés comme lignes de transmission, bien que les traces de PCB servent également à cet effet. Deux lignes de transmission de PCB standard sont la microruban et la stripline.

* Les interconnexions PCB sont généralement courtes et, par conséquent, elles ne présentent pas de comportement de ligne de transmission jusqu'à ce que les fréquences du signal approchent 1 GHz.

* Le rapport tension / courant dans une ligne de transmission est appelé impédance caractéristique. Il est fonction des propriétés physiques du câble, bien qu'il ne soit pas affecté par la longueur, et pour les lignes idéalisées (c'est-à-dire sans perte), il est purement résistif.

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