Développement d’une solution Core-chip MMIC avec convertisseur série-parallèle intégré en technologie BiCMOS

– LIGNES DE TRANSMISSION A ONDES LENTES

  INTRODUCTION

 L’objectif de ce chapitre est de présenter l’étude de lignes de transmission à faibles pertes basées sur la technique des lignes à ondes lentes (Slow Wave Lines SWL). Ces lignes de transmission ont pour but d’optimiser les performances des circuits CMOS et permettent de rendre les structures plus compactes (elles permettent de diminuer la longueur physique des lignes de transmission) . Les technologies CMOS et BICMOS étant de plus en plus utilisées pour la réalisation de circuits HF, elles deviennent des candidates très intéressantes pour les systèmes de contrôle des antennes à formation de faisceaux développés pour le milieu spatial (Beamforming  Antenna Control Systems BACS). Les lignes de transmission dans les BACS sont principalement utilisées pour la réalisation des déphaseurs (où elles consomment énormément de surface (avec les inductances). Ce type de topologie pourrait donc permettre de diminuer la taille des circuits MMIC et remplacer les lignes qui assurent l’interconnexion des composants ou qui agissent comme des lignes à retard. Leur principe de fonctionnement sera donc présenté en premier suivi de la recherche d’un modèle électrique équivalent et de l’établissement d’un modèle de simulation pouvant retranscrire le comportement des lignes. Les dernières parties exposeront les résultats de simulations et de mesures ainsi que le développement d’un nouveau type de lignes à méandres.

PRESENTATION DES LIGNES DE TRANSMISSION A ONDES LENTES 

A hautes fréquences (>GHz), les lignes de transmission même si elles ne possèdent pas de rôle crucial dans une fonction HF ont un impact non négligeable sur les performances du circuit. Le fait d’avoir une technologie avec un substrat silicium implique des pertes d’insertion importantes lorsque la fréquence augmente. Cela est dû au faible facteur de qualité des lignes de transmission. De plus les circuits composant les systèmes de contrôle des antennes à formation de faisceaux sont majoritairement réalisés à l’aide d’éléments localisés qui présentent également de mauvais facteurs de qualité lorsqu’ils sont intégrés en technologie CMOS. Deux choses motivent donc le développement des lignes de propagation performantes : l’amélioration des pertes d’insertion et de la capacité d’intégration des circuits. 3.2- PARAMETRES caractéristiques 

Paramètres caractéristiques

 Afin de pouvoir définir l’état de l’art par la suite et de pouvoir comparer les différentes topologies certaines notions doivent d’abord être définies. Les lignes à ondes lentes sont avant tout des lignes de transmission et peuvent donc être caractérisées par les mêmes paramètres que ces dernières. Un tronçon de ligne élémentaire peut être modélisé par quatre paramètres. Deux concernent le conducteur : la résistance linéique R définie en Ț.m -1 (correspond aux pertes résistives) et l’inductance linéique L en H.m-1. Les deux autres correspondent à l’influence du diélectrique : la capacité linéique C en F m-1 (correspond au couplage entre les conducteurs) et finalement la conductance linéique G en S m-1 (pertes diélectriques). La figure suivante présente la modélisation d’un tronçon de ligne de transmission avec les paramètres RLCG qui viennent d’être décrits. Figure 3.1. Modèle RLCG d’une ligne de transmission Une ligne de transmission est également caractérisée par son impédance caractéristique Zc et par la constante de propagation γ. L’impédance est exprimée par la relation : ܼ௖ ൌ  ඨܴ ൅ ݆ܮ߱ ߱ܥ݆ ൅ ܩ (25) La constance de propagation est une grandeur complexe définie par – Lignes de transmission à ondes lentes  Avec R, L, C et G comme définis ci-dessus. α et β constituent respectivement la constante d’atténuation exprimée en Np.m-1 (1 Neper = 8.688 dB) et la constante de phase en rad.m-1 . Dans le cas de lignes à faibles pertes R et G sont négligées et l’expression de l’impédance caractéristique peut être réduite à Le facteur de qualité Q correspond aux pertes de la ligne en fonction de la longueur électrique de la ligne [65].

En effet la constante d’atténuation α permet d’exprimer les pertes d’une ligne de transmission en fonction de sa longueur physique. Cependant comme cela va être présenté, des techniques permettent d’augmenter le retard de phase induit par une ligne de propagation sans modifier sa longueur physique. Pour la plupart des utilisations des lignes de transmission, la seule référence importante est la longueur de ligne électrique (lignes quart d’ondes, demi-ondes, filtres, déphaseurs …). Il n’est donc pas pertinent de considérer les pertes par une unité de longueur pour comparer deux modèles de lignes ayant une topologie différente. 

Lignes de transmission ‘classiques’ 

Nous allons dans cette partie considérer seulement deux types de lignes de transmission : les lignes coplanaires et les lignes micro-rubans. La ligne la plus simple est la ligne micro-ruban. Il s’agit d’un ruban métallique de largeur W (Width) situé au-dessus d’un plan de masse plein. Les deux éléments sont séparés par une couche de substrat de hauteur H. 3.2- LIGNES de transmission ‘classiques’ – 67 – Figure 3.2. Schéma d’une ligne micro-ruban A l’intérieur d’une ligne micro-ruban, les lignes de champ électromagnétique sont essentiellement concentrées dans le substrat situé entre la ligne conductrice et le plan de masse. Une partie des ondes se retrouve aussi dans l’air libre au-dessus de la ligne. Le mode fondamental n’est donc pas mode TEM pur mais un mode hybride. La vitesse de phase des composantes du champ électromagnétique est différente dans le diélectrique et dans l’air. Il s’agit d’un mode quasi-TEM. Cette structure a l’avantage d’être très compacte et le plan de masse réalise un blindage naturel qui empêche le champ électromagnétique de pénétrer dans le substrat silicium situé en dessous (pour les technologies Bi/CMOS) Figure 3.3.

Représentation des lignes de champ pour une ligne micro-ruban La ligne coplanaire est une topologie de ligne de transmission qui est devenue incontournable dans beaucoup de designs de circuits intégrés. Wen a développé cette ligne en 1969 [66] afin de proposer une alternative aux lignes micro-rubans (présentée par Grieg en 1952 [67]). Elle est composée de trois rubans métalliques placés à la même hauteur. Le signal est conduit par la ligne centrale de largeur W et le plan de masse est constitué par les deux autres rubans placés à égale distance de chaque côté de la ligne conductrice. La distance séparant le plan de masse de signal s’appelle la largeur de fente coplanaire (Gap). Ce paramètre permet de réaliser des designs très variés en venant modifier directement l’impédance de la ligne.