CHAPITRE 5 :
LES DISPOSITIFS MICRO-ONDES
I. Les paramètres S : Scattering parameters
1) Application à un quadripôle
Dans le cas général, les ondes incidentes et réfléchies prennent la forme suivante :
Z1 et Z2 sont les impédances de normalisation aux accès 1 et 2.
a1 et b1 sont les ondes incidente et réfléchie à l’accès 1
a2 et b2 sont les ondes incidente et réfléchie à l’accès2
Pour un quadripôle possédant une impédance de normalisation purement résistive et commune aux 2 accès, on écrira :
Aux fréquences microondes, R0 est très souvent prise égale à 50 ohms.
Comme on l’a vu précédemment, les paramètres S relient entre elles les ondes incidentes et réfléchies. Pour un quadripôle :
quadripôle dont on comprend bien qu’elle devra être minimisée pour favoriser le transfert du signal à la sortie du quadripôle.
2) Propriétés
a) La réciprocité
Les quadripôles présentant un transfert énergétique interne identique dans les deux sens sont dit réciproques. Les conditions suivantes traduisent la réciprocité d’un quadripôle :
Pratiquement, tous les quadripôles passifs ne contenant pas de matériaux ferrimagnétiques sont réciproques. En particulier les quadripôles réalisés à partir de résistances, inductances, capacités, tronçons de ligne de transmission, etc... sont réciproques.
b) La symétrie
Les quadripôles présentant des propriétés électriques identiques lorsque l’on inverse l’entrée et la sortie sont dits symétriques. La symétrie implique donc la réciprocité alors que l’inverse n’est pas vrai.
Ceci se traduit par les conditions suivantes, une fois que les conditions sur la réciprocité sont satisfaites :
c) L’unilatéralité
L’unilatéralité d’un quadripôle est un cas particulier de non réciprocité. Non seulement le transfert interne d’énergie n’est pas identique dans les deux sens, mais en plus il est nul pour l’une des deux directions de propagation du signal. Les conditions électriques à satisfaire sont les suivantes :
Le transistor est un exemple typique de quadripôle unilatéral (pour peu que l’on soit loin de sa fréquence de coupure) puisqu’il n’amplifie le signal que dans un sens.
II. Circuits micro-ondes 1) L ’Atténuateur
L’atténuateur idéal est un quadripôle réciproque, dissipatif parfaitement adapté. En
conséquence, sa matrice S s’écrit :
Lorsqu’un tel quadripôle est inséré entre deux charges égales à la résistance de normalisation, l’atténuation introduite vaut : A = 20 log|S21| dB
Les structures les plus courantes sont les structures en pi et en té.
Les valeurs des résistances sont fonction de l’atténuation souhaitée et des impédances de fermeture.
Voici deux applications possibles d’un atténuateur.
a) Protection d’un appareil de mesure
Un atténuateur peut être utilisé pour protéger un dispositif contre les trop fortes puissances.
Il est courant d’introduire une telle protection dans une chaîne de mesure où les récepteurs sont toujours limitésen puissance d’entrée (analyseur de spectre, analyseur de réseau vectoriel).
En introduisant un atténuateur en amont d’un dispositif désadapté (de manière permanente ou accidentelle), on affaiblit le signal réfléchi ce qui a pour effet d’améliorer la protection de la source.
L’inconvénient réside dans l’affaiblissement simultané du signal réfléchi mais également du signal incident.
2) Le déphaseur
Le déphaseur idéal est un quadripôle réciproque non dissipatif, parfaitement adapté. Sa matrice S est donc de la forme :
Lorsqu’un tel déphaseur est inséré entre deux charges égales à la résistance de normalisation, le déphasage introduit vaut : Arg (S21)= f.
Les structures en pi, passe haut ou passe bas permettent d’apporter un déphasage positif ou négatif.
¹_º »_¼ _½_¾¿ ÀÁ_½ _ Ã_¿Ä_¾ _¼_¼ _Å_Â_Æ _Ç È_É
Exemple : On souhaite réaliser un déphaseur 90° symétrique, sans pertes, adapté fonctionnant à la fréquence de 1 GHz à partir d’une topologie en pi. On prendra les conventions de la figure suivante :
La matrice S du déphaseur se met sous la forme suivante :
3) L’isolateur
L’isolateur idéal est un quadripôle dissipatif parfaitement adapté.
Si on prend la convention d’un transfert d’énergie de l’accès 1 vers l’accès 2, sa matrice S s’écrit :
Par définition, un tel dispositif est non réciproque puisqu’il transmet parfaitement le signal dans un sens, alors qu’il l’atténue infiniment dans l’autre sens.
La principale application d’un isolateur consiste à protéger une source d’un circuit de charge éventuellement désadapté.
4) Le circulateur
Un circulateur idéal est un hexapôle non dissipatif parfaitement adapté. Sa matrice S s’écrit :
La distribution des signaux est conforme à la figure suivante :
Très souvent, les isolateurs hybrides sont constitués de circulateurs dont l’un des accès est chargé par 50 ohms.
Application : Deux circulateurs peuvent être utilisés pour partager une antenne entre un émetteur et un récepteur.
L’isolation entre émetteur et récepteur peut être relativement importante (30 à 40 dB).
