Mesure de l’impédance des lignes de transmission : mode pair ou mode impair

Je suis en recherche permanente sur les lasers. La technique de mesure pompe-sonde est l'une des méthodes utilisées pour examiner comment le champ électromagnétique interagit avec les porteurs de charge dans les matériaux optiques.

Avec les matériaux électroniques, vous n'aurez pas besoin d'utiliser une technique aussi complexe que la technique pompe-sonde pour mesurer l'impédance d'une ligne de transmission. En revanche, vous devrez toujours examiner comment les signaux se déplacent le long d'une ligne de transmission et comment ils interagissent avec le diélectrique et le composant de charge.

C’est le cas uniquement le cas pour les signaux asymétriques. Mais qu'en est-il des lignes de transmission couplées ? Les lignes de transmission en mode pair et impair se couplent de manière capacitive et inductive, ce qui fait que les signaux sur les deux lignes ont des valeurs d'impédance qui ne correspondent pas à l'impédance caractéristique.

Lorsque vous concevez des solutions d’interconnexion pour des cartes à ultra-haute vitesse et à haute fréquence, vous devrez inévitablement recueillir des mesures d'impédance pour les conceptions que vous proposez. Voici les outils dont vous avez besoin pour mesurer l'impédance des lignes de transmission en mode pair et impair, et comment ils sont liés à d'autres mesures fondamentales dans les systèmes numériques.

Techniques de mesure de l'impédance des lignes de transmission

L'impédance peut être mesurée dans le domaine de la fréquence et dans le domaine temporel (ce dernier se référant normalement aux mesures des données TDR). L'impédance qui dépend du temps peut sembler étrange et liée à un effet transitoire qui peut apparaître en raison de la dispersion, où le signal prend du temps pour atteindre l'équilibre, car il se déplace d’avant en arrière sur une ligne de transmission. En réalité, vous ne pouvez déduire l'impédance qu'à partir d'une mesure de la réponse impulsionnelle dans le domaine temporel, qui sera intrinsèquement à bande limitée.

À mon avis, la mesure la plus simple de l'impédance d'une ligne de transmission est obtenue dans le domaine fréquentiel à partir de paramètres S, qui peuvent être convertis en paramètres Z (ce qui donne l'auto-impédance de la ligne et l'impédance de couplage par rapport aux lignes/conducteurs voisins). L'alternative est de générer une impulsion finie ou un signal numérique dans le domaine temporel. Cela donnera une fonction de transfert à la ligne qui peut être reconvertie en une impédance caractéristique.

Il existe plusieurs raisons à cela :

1. L'impédance n'est pas constante sur toute la largeur de la bande du signal. Elle varie avec la fréquence. La variation n'est pas une simple dépendance de la racine carrée inverse. Toute personne familière avec le modèle RCLG devrait le savoir.
2. La constante diélectrique effective n'est pas non plus constante dans la bande passante du signal. Cela crée différents écarts par rapport à l'impédance idéale à différentes fréquences, ce qui peut être difficile à déterminer à partir des données du domaine temporel.

Les deux meilleures techniques de mesure de l'impédance des lignes de transmission sont la réflectométrie dans le domaine temporel (et la mesure de transmission dans le domaine temporel qui y est associée) et les mesures de paramètres S dans le domaine fréquentiel. Avec quelques techniques simples et un VNA, vous pouvez mesurer l'impédance caractéristique asymétrique d'une ligne de transmission isolée et l'impédance différentielle d'une paire différentielle.

Impédance caractéristique asymétrique

Réflectométrie dans le domaine temporel (TDR)

Les mesures TDR sont utiles pour inspecter les fibres optiques. La même technique peut être utilisée pour mesurer l'impédance d'une ligne de transmission. Il s'agit d'envoyer une impulsion dans un canal et de mesurer le temps nécessaire à un signal pour se réfléchir sur une discontinuité d'impédance imposée. Pour mesurer l'impédance d'une ligne de transmission, il faut placer un élément avec une impédance connue à l'extrémité de la ligne. Une mesure similaire est la transmission dans le domaine temporel (TDT) qui consiste à mesurer le signal transmis.

Cette mesure dans le domaine temporel révèle le déphasage dû à la réflexion (soit 0° ou 180°) et le niveau du signal réfléchi/transmis. À partir de ces données, vous pouvez calculer l'impédance de la ligne de transmission à partir du coefficient de réflexion complexe en utilisant la formule ci-dessous :

Coefficient de réflexion complexe entre une ligne de transmission et la source/charge. Pour la réflexion à partir de l'extrémité de la source, Z0 est l'impédance de la source et ZL est l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Pour la réflexion à partir de l'extrémité de la charge, Z0 est l'impédance caractéristique de la ligne de transmission et ZL est l'impédance de la source.

Cela implique que la source soit parfaitement adaptée à la ligne de transmission, ce qui est une quantité inconnue. Dans une mesure réelle, il y a une réflexion à l'extrémité de la source et à l'extrémité de la charge, ce qui vous donne deux mesures possibles du coefficient de réflexion. La plupart des instruments TDR, comme un VNA, peuvent effectuer ce calcul directement.

Une distorsion du signal se produit également lorsque le signal se déplace sur la ligne de transmission. Le coefficient de réflexion que vous mesurez dans le domaine temporel est en fait une moyenne obtenue en comparant simplement les niveaux de signal. Vous devez soit convertir vos mesures de niveau de signal dans le domaine temporel vers le domaine fréquentiel avec une FFT, soit déterminer directement le coefficient de réflexion dans le domaine fréquentiel. La deuxième solution est plus précise et peut être réalisée à l'aide d'une mesure de paramètre S.

Mesure de paramètre S

Une mesure de paramètre S traite une ligne de transmission comme un réseau à 2 ports. La tension et le courant entrant/sortant sont mesurés. Ce type de mesure peut être facilement configuré avec un VNA. Plutôt que d'entrer dans des détails mathématiques, je vous renvoie à n'importe quel manuel d'électronique avancée.

Vous pouvez également consulter ce PDF pour voir comment convertir les paramètres Z ou une valeur d'impédance caractéristique en paramètres S. Le point important ici est que le coefficient de réflexion à chaque extrémité de la ligne peut être calculé à partir du coefficient S11. Il peut ensuite être reconverti en impédance de ligne de transmission comme une fonction de la fréquence.

Notez qu'un VNA est une pièce d'équipement inestimable à garder dans votre laboratoire. Ces appareils peuvent fournir des calculs automatiques, du paramètre S au paramètre d'impédance. Ils peuvent aussi fournir une mesure de réflectométrie dans le domaine temporel. Vous pouvez également extraire la longueur électrique avec ces mesures.

Impédance en mode pair et impair pour les lignes couplées

Lorsque vous examinez des lignes de transmission couplées pour un pilotage en mode commun ou différentiel, vous devez soit émettre deux signaux TDR/TDT séparés sur les deux lignes simultanément, soit mesurer les impédances en mode pair et impair. L'impédance en mode pair est simplement l'impédance d'une ligne unique lorsque les deux lignes sont pilotées en mode commun. Ce procédé est assez simple avec un VNA, car vous pouvez mesurer directement les paramètres S dans le domaine de la fréquence, puis les convertir en impédance.

La même procédure s'applique à l'impédance en mode impair, lorsque les lignes couplées sont pilotées en mode différentiel. Après avoir calculé les impédances en mode pair et impair, il suffit de calculer l'impédance différentielle et l'impédance commune comme indiqué ci-dessous.

Notez que lorsque vous avez affaire à des lignes couplées, l'impédance caractéristique n'est plus aussi importante. Les valeurs importantes sont celles de l'impédance en mode pair et de l'impédance différentielle. Dans une situation idéale, l'impédance en mode pair est presque égale à l'impédance caractéristique et l'impédance différentielle est presque le double de l'impédance caractéristique.

Comparez vos mesures aux simulations de champ électromagnétique

Lorsque vous concevez et mesurez des interconnexions pour des applications avancées, il est recommandé de comparer vos résultats aux données d'un solveur de champ électromagnétique intégré. Les outils de routage dotés d’un solveur de champ électromagnétique peuvent prendre en compte les parasites dans une configuration réelle et vous aider à identifier toute source de déviation d'impédance le long d'une interconnexion. Si vous souhaitez en savoir plus sur les mesures et les calculs de ligne de transmission, consultez ces articles :

• Méthodes de calcul et de mesure de l'impédance, partie 1
• Méthodes de calcul et de mesure de l'impédance, partie 2
• Pourquoi existe-t-il une longueur critique pour les lignes de transmission ?

Les outils de conception d'empilement de couches et de routage dans Altium Designer® comprennent un solveur de champ électromagnétique intégré. Ce type d'outil est idéal pour le routage à impédance contrôlée et la simulation de l'intégrité du signal dans vos interconnexions. Le gestionnaire d'empilement de couches vous donne également accès à une gamme d’outils d'empilement divers et variés, y compris des propriétés électriques importantes.

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