CHAPITRE 5 : LES DISPOSITIFS MICRO-ONDES

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1 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 : C est le rapport de l onde réfléchie sur l onde incidente à l entrée du quadripôle lorsque l onde incidente à l accès 2 est nulle. D un point de vue terminologie le rapport d une onde réfléchie à une onde incidente s appelle un coefficient de réflexion. C est la fraction d énergie réfléchie par le 1

2 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. 2

3 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). b) Masquage d une désadaptation 3

4 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 : 4

5 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. 5

6 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). 6