Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Chap.
Chap. 3 3 : : Application des Lignes TEM à la Réalisation des Application des Lignes TEM à la Réalisation des Fonctions Passives
Fonctions Passives
Halim Boutayeb Halim Boutayeb
Phone: (514) 875-1266 ex. 3066
boutayeb@emt.inrs.ca
Plan Plan
I. I. Introduction Introduction
II. II. Matrice de Répartition Matrice de Répartition III. III. Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance IV. IV. Abaque de Smith Abaque de Smith
V. V. Adaptation d’impédance Adaptation d’impédance
I. Introduction I. Introduction
Rappels Rappels
Mode TEM: Les champs E et H et la direction de propagation des ondes sont mutuellement perpendiculaire l’un à l’autre.
La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans l’espace libre est c = 3x10
8m/s, mais dans un milieu avec un diélectrique dont la constante est
rla vitesse s’écrit :
f v v c
r
;
x y
z
Champ électrique
Champ magnétique Dir ect ion de Pr op ag ati on
Dans l’espace libre:
I. Introduction I. Introduction
Rappels Rappels
Mod Modè è le de lignes et le de lignes et É É quations t quations t é é lé l égraphiques graphiques
I. Introduction I. Introduction
0 )
( )
( 2
2
2 V z V z dz d
0 )
( )
( 2
2
2 I z I z dz d
) (
)
( R j L G j C ZY
j
Chaque ligne de transmission est caractérisée par les paramètres R, G, L, C déterminés par la configuration. Une ligne de transmission sans pertes a : R=G=0
: constante de propagation
: constante d’atténuation (neper/m)
: constante de phase (rad/m)
e z z V
e V
z
V ( ) 0 0 e z z I
e I
z
I ( ) 0 0
Solutions des Solutions des É É quations t quations t é é lé l é graphiques graphiques
I. Introduction
I. Introduction
Param Paramè è tres d tres d ’ ’ une ligne de transmission une ligne de transmission
I. Introduction I. Introduction
• Les caractéristiques d’une ligne sont déterminées par ses constantes électriques ou paramètres distribués: R (/m), L (H/m), C (F/m), and G (S/m).
• L’impédance caractéristique, Z
o, est définie comme l'impédance d’entrée d’une ligne infinie ou une ligne finie terminée avec une charge adaptée dont l'impédance, Z
L= Z
o.
C J
G R j L Y Z
I 0 0 V I 0 0
V Z 0
Plan Plan
I. I. Introduction Introduction
II. II. Matrice de R Matrice de R é é partition (Param partition (Param è è tres S, tres S, Scattering Matrix Scattering Matrix ) ) III. III. Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
IV. IV. Abaque de Smith Abaque de Smith
V. V. Adaptation d’impédance Adaptation d’impédance
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
Objectif: caract Objectif: caract é é riser les r riser les r é é seaux seaux à à un ou plusieurs ports un ou plusieurs ports
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
R R é é seau seau à à un port un port
V
g Z
o z
a
1 z
b
1 z 0
z
Z
1Z
o z V e z V e z
V
z I e z I e z
I
Z
gLe coefficient de réflexion est défini comme:
i r i
r
I Ou I
V
V
Cas1: ligne adaptée
Coefficient de réflexion à la charge (Z
L) Cas2: ligne désadaptée
( ) Z V e V e z z 0
( ) V e
2 zV
V e z
Z V e z
( Z 0) V
LV
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
R R é é seau seau à à un port un port
( ) e z L e z V z V
0
( ) V e z L e z I z Z
0
( )
( ) V z I z ( ) Z e e z z L L e e z z
Z z
0
1
( 0) Z 1 L Z L
Z z L
0 0
0 1
L L L
L
Z Z e j
L Z Z
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
R R é é seau seau à à un port un port
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
R R é é seau seau à à un port un port
V
g Z
o z
a
1 z
b
1 z 0
z
Z
1Z
o z V e z V e z
V
z I e z I e z
I
2 V Z
Z V Z e
1
V 1
gg o
g o g 2
c 1
Z
go
g
Z
Z 0
o g
o g
g
Z Z
Z Z
o g o
1
Z 2
V Z
I V
e V
Z Z
Z V Z
e
V
1 2 1o 1
0 2 1
c
o 2
o 1
o 1
o
Z
e V Z Z
Z Z Z
I
V
1
11V e Z Z
11Z Z
ooe
V V
V
1 1
1 1 Z Z 1 1 Z Z o 0
I I
Vg
Z
o
za1
zb1
z 0
z
Z1
Z
o
Zo
z z V
v
i z Z
o I z
Z
oz z V
a
Z
oz z V
b
Matrice de r Matrice de r é é partition d partition d ’ ’ un r un r é é seau seau à à un port un port
On introduit les notations suivantes : On introduit les notations suivantes :
z a z b z
v
z a z b z
i
z z a z
b
V z Z I z
Z 2
z 1
a
oo
V z Z I z
Z 2
z 1
b
oo
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
Matrice de r Matrice de r é é partition d partition d ’ ’ un r un r é é seau seau à à un port un port
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
1 11 1 1
1 S a
b
o 1
o 11 1
Z Z
Z S Z
Coefficient de réflexion de l’impédance équivalente du réseau à un port.
Vg
Z
o
za1
zb1
z 0
z
Z1
Z
oII. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
Imp Imp é é dance d dance d ’ ’ entr entr é é e e à à la distance L d la distance L d ’ ’ une charge une charge
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
R R é é seau seau à à deux deux port port s s
1
V
gV
g2 Z
oZ
o
Z
oZ
o
11
z a
11
z b 0
z
1 z
1
1z
2
2z
2 0
22
z b
22
z a
2 2
1 1
22 21
12 11
2 2
1 1
a a S
S
S S
b b
22 21
12 11
S S
S S S
2 1
1
a
P
P
1 b
1 22 2
2
a
P
P
2 b
2 2Puissances incidentes et réfléchies:
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
R R é é seau seau à à deux deux port port s s
1 a
01 1 11 1
2
a
2S b
1 a
01 2 21 2
2
a
2S b
2 a
02 1 12 1
1
a
1S b
2 a
02 2 22 2
1
a
1S b
Coefficient de réflexion à l’entrée lorsque la sortie est adaptée
Coefficient de transmission lorsque la sortie est adaptée
Coefficient de transmission inverse lorsque l’entrée est adaptée
Coefficient de réflexion à la sortie lorsque l’entrée est adaptée
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
Param Param è è tres S d tres S d ’ ’ un r un r é é seau seau à à N ports N ports
j a 0 j
i ij i
k j k
a S b
Param Paramè è tres tres S S d’ d ’un r un ré éseau passif non dissipatif seau passif non dissipatif
2 2 2
1 2
2 2
1
a b b
a
2 12
1 11
1
S a S a
b
2 22
1 21
2
S a S a
b
Non dissipatif Réseau à 2 ports à
1 S
S
11 2
21 2 1 S
S
22 2
12 2
0 S
S S
S
11
12
21
22 0 S
S S
S
12
11
22
21
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
R R é é seau seau r r é é ciproque ciproque S 12 S 21
R R é é seau r seau r é é ciproque passif non dissipatif ciproque passif non dissipatif S 22 S 11
Matrice de transmission Matrice de transmission
S T S 1
2 2 22
21
12 11
1 1
a b T
T
T T
b a
T
21 22 12 11
21 11
21 22 21
22 21
12 11
S S S S
S S
S S S
1 T
T
T T
11 12 11
11 12 22 21
11 21
22 21
12 11
T T T
1
T T T T
T T S
S
S
S
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
Mise en cascade de deux r Mise en cascade de deux r é é seaux seaux
T
aT
bT
aT
b1
a
aa
b11
b
ab
b12
b
ab
b22
a
aa
b2
2 a
2 a a
1 a
1 a
a T b
b a
2 b
2 b 1 b
b 1 b
a T b
b a
1 b
1 b 2
a 2 a
b a a
b
2 b
2 b b
1 a a
1 a
a T b
b T a
b a
chaine T T
T
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
D Dé é placement du plan de ré placement du plan de r é f f é é rence rence
2 2
1 1 22
21
12 11
2 2
1 1
a a S
S
S S
b b
0 a
0 a S
S
S S
0 b
0 b
2 1 22
21
12 11
2 1
b 0 e
1b
1
1
1
a
1
1 a
1 0 e
1 b 0 e
2b
2
2
2
a
2
2 a
2 0 e
2
0 a
0 a e
S e
S
e S
e S
0 b
0 b
2 1 22 2
21
2 12 11
2 1
2 2
1
2 1 1
2 2
1
2 1 1
22 2 21
2 12 11
22 21
12 11
e S
e S
e S
e S
S S
S S
2 2
1
2 1 1
22 2 21
2 12 11
22 21
12 11
e S
e S
e S
e S
S S
S S
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
Relations entre les param Relations entre les param è è tres S, Z, Y et ABCD (matrice T). tres S, Z, Y et ABCD (matrice T).
II. Matrice de Répartition II. Matrice de Répartition
Exemples de circuits Exemples de circuits
Plan Plan
I. I. Introduction Introduction
II. II. Matrice de Répartition (Paramètres S, Matrice de Répartition (Paramètres S, Scattering Matrix Scattering Matrix ) ) III. III. Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
IV. IV. Abaque de Smith Abaque de Smith
V. V. Adaptation d’impédance Adaptation d’impédance
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Diviseur de Wilkinson Diviseur de Wilkinson
1
2
3
Z
osZ
os
Z
2
33 32
31
23 22
21
13 12
11
S S
S
S S
S
S S
S S
22 33
21 31
S S
S S
Symétrie
4 paramètres a calculer (S11, S21, S22, S32)
E1
o
Z
Zo
Zo
Zos
Zos
1
2
3
1
Ze
o 1
e
o 1
11 e
Z Z
Z S Z
Diviseur de Wilkinson, calcul de S11 et S21 Diviseur de Wilkinson, calcul de S11 et S21
Z j Z tan
tan Z
j Z
2 Z Z
o os
os o
1 os e
sin Z
2 Z
j cos
Z Z
3
sin Z
2 Z
j cos
Z
S Z 2
2 o os o
os
o 2 os 2
o 11 os
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
1
21 E
2 V
S
o os
1 e o
1 os
Z cot V
Z Z j
Z 2
E sin
j Z
V
cos Z
Z 3 j sin
Z Z
2
Z Z
j E
V
os 2 o
2 os o
o os
1
cos Z
Z 3 j sin
Z 2 Z
Z Z 2 S j
os 2 o
2 o os
os 21 o
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
E1
Zo
Zo
Zo
Zos
Zos
1
2
1 3
Ze
Diviseur de Wilkinson, calcul de S11 et S21 Diviseur de Wilkinson, calcul de S11 et S21
Zos
Zos
Z Z
Zo
Zo
EI
EI
1
2
3
I
V2
I
V3
ZI
ZI
Zo
Zo
Zo
Zos
Zos
EP
EP
1
2
3 ZP
ZP P
V2
P
V3
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Diviseur de Wilkinson, calcul de S22 et S32 Diviseur de Wilkinson, calcul de S22 et S32
P o
P 3 P
P 2
P
E
Z Z
V Z
V
Z j 2 Z tan
tan Z
j Z
Z 2 Z
o os
os os o
P
Mode pair Mode impair
I o
I I I
2
E
Z Z
V Z
I
o I
I I
3 E
Z Z
V Z
tan Z
j Z
tan Z
Z Z j
os I os
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Diviseur de Wilkinson, calcul de S22 et S32 Diviseur de Wilkinson, calcul de S22 et S32
I 3 P
3 3
I 2 P
2 2
V V
V
V V
V
Io I
P I o
P
3 P
E
Z Z
E Z Z
Z
V Z
I o
I P I
o P
3 P
E
Z Z
E Z Z
Z
V Z
2
E E E
2 E E E
3 I 2
3 P 2
2 E Z
Z Z Z
Z Z 2
E Z
Z Z Z
Z
V Z
3o I
I o
P P 2
o I
I o
P
3 P
2 2 r
2 r 2
i
2
V
2 V V
V
V
3 3 r
3 r 3 i
3
V
2 V V
V
V
2 E Z
Z Z Z
Z Z 2
E Z
Z Z Z
Z
V Z
3o I
I o
P P 2
o I
I o
P
2 P
o I
I o
P 32 P
Z Z
Z Z
Z S Z
Z 1 Z
Z Z
Z S Z
o I
I o
P
22 P
22 I 22
P
S
o I
o I
S
o P
o 22 P
Z Z
Z Z
2 1 Z
Z
Z Z
2 S 1
22 I 22
P S
o I
o I
S
o P
o 32 P
Z Z
Z Z
2 1 Z
Z
Z Z
2 S 1
Diviseur de Wilkinson, calcul de S22 et S32 Diviseur de Wilkinson, calcul de S22 et S32
3 Z Z cos j Z 2 Z sin
sin Z
2 Z
j cos
Z Z
2
S 1 2
2 o os o
os
o 2 os 2
o 22 os
P
Z Z cos j Z Z Z sin
sin Z
Z Z
j cos
Z Z
2 S 1
os o
o
os o
22 o I
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
4
Z os Z o 2
11 0
S 2
S 21 j
Z o
Z
0 S
S 22 32
Diviseur de Wilkinson Diviseur de Wilkinson Si on pose
Si on pose
On a On a
0 0
2 j
0 0
2 j
2 2 j
0 j
S
Soit Soit
Zos
Zos
Zop Zop
1
2
4
3
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Coupleur Coupleur à à branches branches
44 43
42 41
34 33
32 31
24 23
22 21
14 13
12 11
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S
Réseau est passif, réciproque et symétrique:
23 32
14 41
24 42
13 31
34 43
12 21
44 33
22 11
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S S
11 21
31 41
21 11
41 31
31 41
11 21
41 31
21 11
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S S
S
EP
EP
Zo
Zo
Zo
Zo
Zos
Zos
Zop
Zop
Zop
Zop
2
2
2
2
2 1
3 4
Zep
Zep
P
V1
P
V2
P
V4
P
V3
EI
EI
Zo
Zo
Zo
Zo
Zos
Zos
Zop
Zop
Zop
Zop
2
2
2
2
I
V1
I
V2
I
V4
I
V3
1
2 3
4
ZeI
ZeI
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Coupleur Coupleur à à branches branches
Mode pair Mode pair
Mode impair Mode impair
I P
2
I P
1
E E
E
E E
E
P tP P
4
P tP
P 3
P o
eP P eP
2
P o
eP P eP
1
E G
V
E G
V
Z E Z
V Z
Z E Z
V Z
I tI I
4
I tI I
3
I o eI
I eI 2
I o eI
I eI 1
E G
V
E G
V
Z E Z
V Z
Z E Z
V Z
2 0 j 1 2
0
2 0 j
2 0 1
1 2 0
2 0 j
2 0 2 1
0 j
S
2 Z op Z o
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Coupleur Coupleur à à branches branches
4
Z os Z o
Zop Zoi
Zop Zoi
1
3
2
4
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Coupleur Coupleur à à lignes coupl lignes coupl é é es es
2 1
Z Z
1 2 Z
Z
o oi
o op
2 0 j 1 2
0
2 0 j
2 0 1
1 2 0
2 0 j
2 0 2 1
0 j
o S
f
4
à à
Très sensible à la fréquence
Port d'entrée Port isolé
Port couplé Port direct
1
3
4
2II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Coupleur Coupleur de Lange de Lange
k q n 1 1 k
q 1 1 n k
1 k Z 1
Z
oi o
n k 1 1 q k
Z Z
op oi
20 dB C
10 k
Nombre de doigts Coefficient de couplage en tension
Élargissement de la bande de fréquence du coupleur à lignes coupl à lignes couplé é es es
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Coupleur Coupleur directif directif
1 2
3 4
1 3
P log P 10
dB C
1 4
P log P 10
dB I
I dB C dB
P P P
log P P 10
log P 10
dB D
3 1 1
4 3
4
Couplage
Isolation
Directivité
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Anneau Hybride Anneau Hybride
1
2
3
4 Zo
Zo
Zo
Zo
2
Zo 34
4
4
4
1 4
2 3
0o
0o
0o 180o
0 2
j 2
j 0
2 j 0
0 2
j
2 j 0
0 2
j
2 0 j 2
0 j
S
Z
o3
Z
o3 Z
o3
1
2
3
0 1
1
1 0
1
1 1
0 2
S 1
Diviseur resistif adapt Diviseur resistif adapt é é
II II I I . . Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
Plan Plan
I. I. Introduction Introduction
II. II. Matrice de Répartition (Paramètres S, Matrice de Répartition (Paramètres S, Scattering Matrix Scattering Matrix ) ) III. III. Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
IV. IV. Abaque de Smith Abaque de Smith
V. V. Adaptation d’impédance Adaptation d’impédance
) ( )
( 0
) ) (
( R z j X z
Z z z Z
Z
j i r
j i r z z
z X j z
R
1
1 ) ( 1 ( ) ) 1
( )
(
2 2 1
2 1 2
) (
r i r i z
R
2 2
1 ) 2
(
r i z i
X
Imp Imp é é dance normalis dance normalis é é e e
I I V V . . Abaque de smith Abaque de smith
Ces équations sont des transformations du plan complexe Z en cercle dans le plan
• L’abaque de Smith est un outil graphique permettant de résoudre les problèmes liés aux calcul d'impédance des lignes de transmission.
• Les coordonnées sur l’abaque sont basées sur l’intersection de deux cercles orthogonaux.
• Un représente la composante résistive normalisée, r (= R/Z
o), et l’autre représente la composante réactive normalisée, ± jx (= ± jX/Z
o).
I I V V . . Abaque de smith Abaque de smith
D D é é finition finition
I I V V . . Abaque de smith Abaque de smith
Z
L= 25 – j100 z
L= Z
L/ Z
0z
L= 0.5 – j2
Abaque des imp Abaque des imp é é dances dances
LY
L= 1 / Z
Ly
L= Y
L/ Y
0y
L= 0.12 + j0.47
Y
L= 2.35e-3 + j9.41e-3
I I V V . . Abaque de smith Abaque de smith
Abaque des admittances Abaque des admittances
Z
L= 25 – j100 z
L= 0.5 –j2
y
L= 0.12 + j0.47
I I V V . . Abaque de smith Abaque de smith
Double abaque Double abaque
I I V V . . Abaque de smith Abaque de smith
É É l l é é ments en s ments en s é é ries ries
I I V V . . Abaque de smith Abaque de smith
É É l l é é ments en parall ments en parall è è les les
Plan Plan
I. I. Introduction Introduction
II. II. Matrice de Répartition (Paramètres S, Matrice de Répartition (Paramètres S, Scattering Matrix Scattering Matrix ) ) III. III. Diviseurs de Puissance Diviseurs de Puissance
IV. IV. Abaque de Smith Abaque de Smith
V. V. Adaptation d Adaptation d ’ ’ imp imp édance é dance
Z C
Z C
Réseau d’Adaptation d’Impédance
V. Adaptation d’impédance V. Adaptation d’impédance
Principe Principe
=0 (dans l’abaque de Smith cela équivaut à
ramener le point au centre)
Zo
jX
jB ZC
R R é é seau en L seau en L
Z
o jBjX
Z
CSi Rc>R0 Si Rc>R0
Si Rc<R0 Si Rc<R0
V. Adaptation d’impédance
V. Adaptation d’impédance
C C
o jB 1 R jX
jX 1
Z
Zo
jX
jB ZC
C2 C2
C 2 o
2 C C o
C C
X R
R Z
X R
Z R
B X
C o C
o C