Les micro-ondes
Historique de l’électromagnétisme et des micro-ondes
C’est en 1873 que naquit la base théorique de l’électromagnétisme par la publication du ’’Traité sur l’électricité et le magnétisme’’ de James Clerk Maxwell où il posa ses 4 équations. Suite à ce premier fondement, la fin du dix-neuvième siècle connut de nombreuses recherches qui permirent le développement de la télégraphie sans fil. Ainsi vers 1887, Heinrich Hertz produit et détecte pour la première fois des ondes électromagnétiques vers 1 GHz, et Marconi démontre la possibilité de propager des ondes radioélectriques en espace libre. Juste avant le début du siècle Lord Raleigh démontre théoriquement la possibilité de faire propager des ondes dans des guides d’ondes à section rectangulaire ou circulaire, et Kenelly et Heaviside montrent les propriétés réfléchissantes de certaines couches de l’ionosphère sur des ondes 3-30 MHz [Com. 91j]. Avec la première guerre mondiale, les premières émissions de radiodiffusion se développent, puis en 1930 le premier tube hyperfréquence (le magnétron) et le premier réflecteur parabolique sont mis au point, donnant naissance au radar. Au cours du dernier demi-siècle, 3 événements ont marqué le développement de la micro-électronique pour les micro-ondes : – vers 1955 : le début de l’utilisation des semi-conducteurs en électronique, – vers 1965 : l’apparition des premiers circuits intégrés micro-ondes, – vers 1985 : l’apparition des premiers circuits intégrés micro-ondes monolithiques.
Place des micro-ondes dans le spectre électromagnétique
Comme il est indiqué Figure I.1 [Dds. 92a], les micro-ondes couvrent environ la plage 1 GHz – 1 THz. Pour être plus précis on parle : – d’ondes centimétriques pour la plage 3-30 GHz, – d’ondes millimétriques pour la plage 30-300 GHz, – d’ondes sub-millimétriques au-delà de 300 GHz.
Les structures micro-ondes
En hyperfréquences, la structure géométrique et physique des connexions influe sur le fonctionnement du circuit, au même titre que les éléments actifs (transistors) et les éléments passifs localisés (résistances, inductances, capacités). L’étude d’un circuit hyperfréquence implique donc aussi bien l’étude des éléments du circuit que celle des lignes de transmission entre ces éléments. Dans les circuits intégrés micro-ondes (MIC) la ligne de transmission constitue donc l’élément de base du circuit, servant à raccorder tous les composants localisés ou à réaliser par elle-même des composants passifs distribués. C’est pourquoi nous désignons les lignes utilisées dans les MIC, et les composants passifs qui en dérivent, par le terme de structures micro-ondes.
Méthodes d’étude et de modélisation
Les méthodes d’étude et de modélisation des lignes dépendent du mode de propagation des ondes. L’étude théorique des lignes de transmission peut se faire par l’intermédiaire d’une analyse quasi statique ou d’une analyse électromagnétique. Après des rappels théoriques, nous présenterons les deux catégories d’approche.
Différents modes de propagation sur une ligne
Les lignes se classent en 3 catégories selon le mode de propagation des ondes. • Lignes TEM (Transverse Electric and Magnetic) : les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation. La ligne fonctionne sans dispersion fréquentielle. La ligne coaxiale et la ligne triplaque peuvent être considérées comme des lignes TEM. Leur fonctionnement est décrit par un modèle relativement simple. • Lignes non TEM : l’un des deux champs au moins possède une composante longitudinale ; la ligne fonctionne selon un ou plusieurs modes possédant une fréquence de coupure inférieure. Pour chaque mode la vitesse de propagation dépend de la fréquence (dispersion). La théorie est complexe et peut requérir une grande puissance de calcul. • Lignes quasi TEM : les circuits intégrés micro-ondes utilisent de préférence des lignes de structure plane, constituées de rubans conducteurs déposés sur un substrat diélectrique. Ces lignes ne sont pas TEM parce que le milieu de propagation est inhomogène. Il est composé pour partie d’un diélectrique et pour partie d’air. Cependant la présence de deux conducteurs se traduit par l’existence d’un mode à fréquence de coupure nulle et à faible dispersion, dont la configuration est très proche de celle d’un mode TEM. On dit que ce sont des lignes quasi TEM. Elles se comportent comme des lignes TEM pourvu que la fréquence ne soit pas trop élevée, ce qui a longtemps limité leur emploi aux fréquences inférieures à une dizaine de GHz. Lorsque la fréquence s’élève leur dispersion devient sensible et des modes de propagation non TEM apparaissent, susceptibles de perturber le mode quasi TEM.
Introduction générale |
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