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RÉSUMÉ
Les conducteurs en hautes fréquences ont comme caractéristique essentielle de suivre de près les évolutions technologiques des matériaux dans le souci de limiter les pertes et de miniaturiser les dispositifs électroniques. Ceci exige une réévaluation théorique des phénomènes de transport, conséquence de l'introduction des nanotechnologies .Dans un cadre plus traditionnel, de nombreuses applications sont abordées : en compatibilité électromagnétique, circuits et lignes planaires, pertes par rayonnement et utilisation des techniques quasi-optiques.
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The essential characteristic of high-frequency conductors is that they keep pace with the technological developments of materials in order to limit losses and miniaturize electronic devices. This requires a theoretical reassessment of transportation phenomena due to the introduction of nanotechnologies. Numerous applications are discussed within a more traditional context: in electromagnetic compatibility (EMC), circuits and planar lines, losses by radiation and use of quasi-optical techniques.
Auteur(s)
-
Henri BAUDRAND : Ingénieur, docteur ès sciences - Professeur émérite à l'Institut national polytechnique de Toulouse
INTRODUCTION
L'utilisation des conducteurs en hautes fréquences a considérablement évolué depuis les années de la fin du dernier siècle. Il faut évoquer la révolution des nanotechnologies, dont les premières manifestations sont l'élaboration du microscope à effet tunnel et la découverte des nanotubes. Mais les technologies classiques de photolithographie ainsi que les procédés faisant appel à la micromécanique permettent de diminuer la dimension latérale des lignes jusqu'au micromètre. À ce propos, la fameuse loi de Moore se vérifie encore plus de quarante années après sa première formulation : le nombre de transistors d'un circuit intégrés double tous les deux ans (dix-huit mois dans l'article original), malgré les difficultés engendrées par le niveau moléculaire des plus petites dimensions atteintes maintenant. Cela implique une diminution d'autant des largeurs et longueurs de lignes. Si bien que certains sujets qui étaient très sensibles, en particulier concernant les pertes le long des lignes de transmission le sont beaucoup moins pour ce type de circuits vu la petitesse des connexions.
Par ailleurs, les progrès exponentiels des moyens de calcul ont amené progressivement les concepteurs de circuits à exploiter les couplages électromagnétiques directs, car ils sont devenus accessibles à la simulation électromagnétique et peuvent donc être contrôlés. L'exemple le plus connu et sans doute le plus ancien est la suppression de la tige d'excitation d'une antenne plaque, et son remplacement par une ouverture rayonnante dans le plan de masse . Depuis l'utilisation de surfaces sélectives en fréquences dans les circuits et la variété des dispositifs quasi optiques montre que la ligne, ou le guide traditionnel, n'est plus dans bien des cas la seule solution pour élaborer un circuit. Enfin, on constate que les métaux ne constituent plus la seule possibilité pour réaliser des conducteurs : les procédés de sérigraphie font appel à des encres conductrices, et des conducteurs moléculaires ou composites se développent, pour des raisons de coût mais aussi de souplesse dans la réalisation, certains sont même flexibles . Ces matériaux ne vont pas bien sûr remplacer dans un proche avenir les circuits planaires à plaque métallisée, (PCB : « Printed Circuits Boards » en anglais) très utilisés dans l'électronique courante.
Dans les paragraphes suivants, ces considérations seront illustrés par des exemples de réalisations industrielles, mais aussi par des recherches qui portent en elles des développements prometteurs. Une place sera faite aux dernières avancées qui risquent de bouleverser les techniques actuelles. Il y a les nanotubes, la spintronique, et, dans le domaine de l'optique, la plasmonique. L'enjeu est d'augmenter la fréquence des ordinateurs et le nombre de bascules, avec l'espoir que la loi de Moore se vérifie encore dans l'avenir proche (sa validité est souvent mise en doute au-delà des années 2020).
Cependant, les conducteurs en hautes fréquences ont un comportement de base qui n'a guère évolué depuis les années 1960. Les modèles sont simples et utiles, ils seront rappelés dans le premier paragraphe.
Il est important également de poser les bases de la compatibilité électromagnétique, discipline qui prend de plus en plus d'importance avec la multiplication des dispositifs communiquant sans fil, et le remplacement, maintenant courant, des métaux par des composites, en particulier pour les boîtiers des circuits, qui ont de bonnes performances en masse, en résistance mécanique et surtout en coût, mais, en revanche, qui sont plus transparents aux ondes électromagnétiques que les matériaux traditionnels, et donc plus sensibles aux perturbations électromagnétiques. Un modèle simple de l'impédance de transfert sera développé au paragraphe 2.
Le paragraphe suivant sera consacré aux différentes technologies les plus courantes, et aux pertes correspondantes.
Enfin, les dernières avancées dans l'utilisation et la conception des conducteurs seront évoquées dans le dernier paragraphe, elles concernent la micromécanique, les nanotechnologies, les conducteurs non métalliques, les techniques quasi optiques, la plasmonique et la spintronique.
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MOTS-CLÉS
circuits hautes fréquences pertes ohmiques pertes par rayonnement blindages impédance de transfert nanoconducteurs électronique hyperfréquences
KEYWORDS
high frequencies circuits | ohmic losses | radiating losses | shielding | transfer impedance | nanoconductors | electronics | microwaves
VERSIONS
- Version archivée 1 de déc. 1993 par Henri BAUDRAND
- Version courante de août 2013 par Henri BAUDRAND
DOI (Digital Object Identifier)
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Micromécanique, nanotechnologies et nouveaux dispositifs4. Impédance de transfert
L'impédance de transfert est une grandeur liée à la qualité d'isolation d'un blindage, elle a un caractère fondamental en compatibilité électromagnétique. Cette discipline a pour objet l'étude des causes et des effets de tous les phénomènes électromagnétiques indésirables ainsi que les moyens à mettre en œuvre pour les supprimer. On étudie donc la protection des câbles, des circuits ou des systèmes, vis-à-vis des perturbations électromagnétiques de toute nature, que ce soit d'origine naturelle ou humaine. Il y a aussi en compatibilité électromagnétique, des perturbations qui viennent du système lui-même : couplage entre éléments d'un même circuit, ou interférences entre antennes trop proches les unes des autres. Les blindages sont essentiels pour la protections des systèmes. La grandeur qui caractérise un blindage est son impédance de transfert. Sa définition passe par l'étude d'une plaque d'épaisseur finie. On examine ensuite ses propriétés et ses ordres de grandeur.
4.1 Étude d'une plaque d'épaisseur finie
Soit une plaque d'épaisseur d sur laquelle arrive une onde à incidence quelconque. À l'intérieur du métal, les ondes se propagent perpendiculairement à l'interface comme pour le métal infini (figure 13). Cependant, a l'intérieur du métal il y a des réflexions sur les plans P1 et P2 qui limitent le métal. Le champ électrique a par suit une expression où sont présentes les deux ondes :
( 26 )
Un calcul faisant appel aux conditions de continuité des composantes tangentielles des champs électrique et magnétique à la traversée des plans P1 et P2, ainsi qu'à l'expression des champs ci-dessus, entre P1 et P2, permet d'écrire :
...
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