Si besoin des lignes microrubans sous HDFSS

Exercice – Théorie des lignes de transmission

Hypothèse : ligne sans pertes (pas de \(R'\) ni \(G'\) fournis).

Données

Impédance caractéristique : \(\;Z_0 = 50~\Omega\)
Charge : \(\;Z_L = 12.5 + j\,60~\Omega\)
Longueur : \(\;l = 8~\text{cm} = 0.08~\text{m}\)
Fréquence : \(\;f = 4~\text{GHz}\)
Permittivité relative : \(\;\varepsilon_r = 3.1\)

1) Coefficient de réflexion à la charge \(\Gamma_L\)

Formule : \[ \Gamma_L \;=\; \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0} \;=\; \frac{(12.5 + j60) - 50}{(12.5 + j60) + 50} \;=\; \frac{-37.5 + j60}{62.5 + j60}. \] Division complexe par la méthode du conjugué : \[ \frac{a + jb}{c + jd} \;=\; \frac{(a+jb)(c-jd)}{c^2 + d^2}, \quad a=-37.5,\; b=60,\; c=62.5,\; d=60. \] Dénominateur : \[ c^2 + d^2 = 62.5^2 + 60^2 = 3906.25 + 3600 = 7506.25. \] Numérateur \((a+jb)(c-jd)\) : \[ \Re = ac + bd = (-37.5)(62.5) + 60\cdot 60 = -2343.75 + 3600 = 1256.25, \] \[ \Im = bc - ad = 60\cdot 62.5 - (-37.5)\cdot 60 = 3750 + 2250 = 6000. \] Donc : \[ \Gamma_L \;=\; \frac{1256.25 + j\,6000}{7506.25} \;\approx\; 0.1673605 \;+\; j\,0.7993339. \] Module et angle : \[ |\Gamma_L| = \sqrt{0.1673605^2 + 0.7993339^2} = \sqrt{0.02800955 + 0.63893467} = \sqrt{0.66694422} \approx 0.8166665, \] \[ \angle \Gamma_L = \arctan\!\left(\frac{0.7993339}{0.1673605}\right) \approx \arctan(4.775) \approx 78.17^\circ. \]

Résultat : \(\;\Gamma_L \approx 0.1674 + j\,0.7993\), \(\;|\Gamma_L|\approx 0.8167\), \(\;\angle \Gamma_L \approx 78.2^\circ\).

2) ROS (VSWR)

\[ \text{ROS} \;=\; \frac{1 + |\Gamma_L|}{1 - |\Gamma_L|} \;=\; \frac{1 + 0.8166665}{1 - 0.8166665} \;=\; \frac{1.8166665}{0.1833335} \;\approx\; 9.9091. \]

Résultat : \(\;\text{ROS} \approx 9.91\).

3) Coefficient de réflexion à l’entrée \(\Gamma_{\text{in}}\)

Pour une ligne sans pertes : \[ \Gamma_{\text{in}} = \Gamma_L\, e^{-j2\beta l}, \qquad \beta = \frac{2\pi}{\lambda},\qquad \lambda = \frac{c}{f\sqrt{\varepsilon_r}}. \] Étapes numériques : \[ \sqrt{\varepsilon_r} = \sqrt{3.1} \approx 1.76068, \qquad v = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}} \approx \frac{3.00\times 10^8}{1.76068} \approx 1.704\times 10^8~\text{m/s}, \] \[ \lambda = \frac{v}{f} = \frac{1.704\times 10^8}{4.0\times 10^9} \approx 0.042597~\text{m}, \qquad \beta = \frac{2\pi}{\lambda} \approx \frac{2\pi}{0.042597} \approx 147.503~\text{rad/m}, \] \[ \beta l = 147.503 \times 0.08 = 11.8002~\text{rad} \approx 676.10^\circ, \qquad 2\beta l \approx 23.6004~\text{rad} \equiv 272.20^\circ \pmod{360^\circ}. \] Écriture de \(e^{-j2\beta l}\) : \[ e^{-j2\beta l} = \cos(23.6004) - j\sin(23.6004) \approx 0.0384495 + j\,0.9992605. \] Multiplication \((a+jb)(c+jd)\) avec \(a=0.1673605,\, b=0.7993339,\, c=0.0384495,\, d=0.9992605\) : \[ \Gamma_{\text{in}}=(ac - bd) + j(ad + bc). \] Détails : \[ ac = 0.1673605 \times 0.0384495 = 0.0064349,\quad bd = 0.7993339 \times 0.9992605 = 0.7987428, \] \[ ad = 0.1673605 \times 0.9992605 = 0.1672368,\quad bc = 0.7993339 \times 0.0384495 = 0.0307340. \] Donc : \[ \Re\{\Gamma_{\text{in}}\} = ac - bd = 0.0064349 - 0.7987428 = -0.7923079, \] \[ \Im\{\Gamma_{\text{in}}\} = ad + bc = 0.1672368 + 0.0307340 = 0.1979707. \]

Résultat : \(\;\Gamma_{\text{in}} \approx -0.7923 + j\,0.1980\).
Vérifs : \(\;|\Gamma_{\text{in}}| \approx 0.8167 = |\Gamma_L|\) (module conservé sur une ligne sans pertes), \(\;\angle \Gamma_{\text{in}} \approx 166^\circ\).

Remarque : si la ligne avait des pertes (\(\alpha>0\)), on aurait \(\Gamma_{\text{in}} = \Gamma_L e^{-2(\alpha + j\beta)l}\) et donc \(|\Gamma_{\text{in}}| = |\Gamma_L| e^{-2\alpha l} < |\Gamma_L|\).

Question 2 - i) Définitions et unités

Permittivité relative \( \varepsilon_r \)

Définition (rapport à la permittivité du vide) : \[ \varepsilon_r \;=\; \frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}, \qquad \varepsilon_0 \simeq 8{,}854\times10^{-12}\;\text{F·m}^{-1}. \]

Tangente de pertes \( \tan(\delta) \) (dissipation factor)

Permittivité complexe : \[ \varepsilon_c \;=\; \varepsilon' - j\,\varepsilon'' \;=\; \varepsilon'\bigl(1 - j\,\tan\delta\bigr), \qquad \tan(\delta)=\frac{\varepsilon''}{\varepsilon'}. \]

Remarque : \( \varepsilon_r \) et \( \tan(\delta) \) sont légèrement dispersifs : leurs valeurs varient avec la fréquence et la température selon le matériau.

Matériau / Référence (PCB/Substrat) εr (typ.) tan(δ) (typ.) Commentaires HF Liens
Air ≈ 1.0006 ≈ 0 Référence idéale, quasi sans pertes Permittivité – Wikipedia
PTFE pur (Téflon) ≈ 2.1–2.2 ≈ 0.0002–0.0004 Très faible perte; valeurs peu dispersives en RF Teflon™ PTFE – Properties Handbook
Rogers RT/duroid 5880 (PTFE + fibre) ≈ 2.20 (±0.02) ≈ 0.0009 @ 10 GHz Très bas DF; antennes & micro-ondes exigeantes Datasheet Rogers 5880
Rogers RO3003 ≈ 3.00 (±0.04) ≈ 0.0010–0.0013 @ 10 GHz Bon compromis pertes/stabilité; jusqu’au mm-wave Datasheet RO3000 (RO3003)
Rogers RO4003C ≈ 3.38 ≈ 0.0027 @ 10 GHz Classique en RF jusqu’aux micro-ondes Datasheet RO4003C / RO4350B
Rogers RO4350B ≈ 3.48 ≈ 0.0037 @ 10 GHz Légèrement plus de pertes que 4003C Datasheet RO4003C / RO4350B
Polyimide (flex, ex. Kapton) ≈ 3.2–3.5 ≈ 0.004–0.006 Circuits flex; pertes modérées Kapton® HN – Data Sheet
FR-4 (ex. Isola 370HR) ≈ 4.2–4.8 ≈ 0.015–0.025 @ 10 GHz Éco, mais peu adapté > 1–2 GHz (pertes élevées, Dk variable) Isola 370HR – Dk/Df @ 10 GHz
SiO₂ (quartz / fused silica) ≈ 3.8–3.9 ≈ 1.2�-10−4 @ 8.6 GHz à ≈ 3.3�-10−4 @ 24 GHz Très faible perte; intégration micro-ondes/optique Dynasil – Fused Silica Properties
Alumine 96–99,6 % ≈ 9.6–9.9 ≈ (1–3)�-10−4 (typ., ~1 MHz) Substrat céramique haute-Q; résonateurs compacts CoorsTek – Advanced Alumina / Kyocera AO476O (≥96%)

Notes : pour les matériaux Rogers, Dk/Df sont mesurés via IPC-TM-650 2.5.5.5 ≈ 10 GHz à 23 °C. Les valeurs varient avec la fréquence, l’épaisseur et le tissage verre ; voir les fiches pour les conditions exactes.

Partie II - S1 : Calcul des impédances caractéristiques des lignes microruban

Hypothèses

Formules (Hammerstad–Jensen, microruban)

Permittivité effective :

\[ \varepsilon_{\mathrm{eff}} = \frac{\varepsilon_r + 1}{2} + \frac{\varepsilon_r - 1}{2} \left( \frac{1}{\sqrt{1 + 12\,H/W}} + \begin{cases} 0.04\,(1 - W/H)^2, & W/H \le 1 \\ 0, & W/H > 1 \end{cases} \right) \]

Impédance caractéristique :

\[ Z_0 = \begin{cases} \dfrac{60}{\sqrt{\varepsilon_{\mathrm{eff}}}} \ln\!\left(8\dfrac{H}{W} + 0.25\dfrac{W}{H}\right), & W/H \le 1, \\[10pt] \dfrac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_{\mathrm{eff}}}\left(\dfrac{W}{H}+1.393+0.667\ln\!\left(\dfrac{W}{H}+1.444\right)\right)}, & W/H > 1. \end{cases} \]

(Corrections d’épaisseur cuivre possibles dans ADS ; ici \(t\) est négligé → écart < 1–2 % typiquement.)

Résultats S1 (avec \( \varepsilon_r=4.4,\, H=1.6~\text{mm} \))

Élément Largeur \(W\) (mm) Longueur \(L\) (mm) \(W/H\) \(Z_0\) (Ω) \( \varepsilon_{\text{eff}} \)
Entrée / Sortie 3.20 5.00 2.000 48.89 3.3425
L1 0.35 6.50 0.219 125.38 2.9690
C2 10.00 7.37 6.250 21.78 3.6948
L3 0.35 11.00 0.219 125.38 2.9690
C4 10.00 7.37 6.250 21.78 3.6948
L5 0.35 6.50 0.219 125.38 2.9690

Lecture rapide : lignes fines (0,35 mm) ⇒ haute impédance (~126 Ω, effet inductif série).
Lignes très larges (10 mm) ⇒ basse impédance (~22 Ω, effet capacitif).
Accès 3,2 mm ≈ 50 Ω ⇒ adaptation naturelle des ports.

Astuce ADS / LineCalc

  1. Créer un MSUB (Er=4.4, H=1.6 mm, cuivre standard).
  2. Placer des MLIN avec les largeurs souhaitées (0.35 / 10 / 3.2 mm) et lire \(Z_0\) et \( \varepsilon_{\text{eff}} \).
  3. Si besoin, renseigner l’épaisseur cuivre (p.ex. 35 µm) : le \(Z_0\) bougera de quelques dixièmes d’ohm.