Calcul de l’impédance caractéristique des lignes à bande avec QucsStudio

Dans la conception des PCB, l’impédance caractéristique est un facteur clé qui influe sur la qualité de la transmission du signal. En particulier, pour des lignes de transmission internes telles que les strip-lines, un calcul et une gestion précis de cette impédance sont essentiels. Cet article explique étape par étape comment calculer l’impédance caractéristique d’une strip-line à l’aide de QucsStudio.

1. Qu’est-ce qu’une Strip-Line ?

Une strip-line est une ligne de transmission constituée d’un conducteur encastré entre deux plans de masse. Son impédance caractéristique est déterminée par la largeur du conducteur, la constante diélectrique du substrat et la distance entre le conducteur et les plans de masse.

Une autre ligne de transmission couramment utilisée est la microstrip-line, avec les différences suivantes :

Strip-Line

• Structure : Composée d’un conducteur encastré entre deux plans de masse.
• Avantages : Haute résistance aux interférences électromagnétiques (EMI) et faible fuite d’ondes, adaptée aux hautes fréquences. La présence de deux plans de masse permet de maintenir une impédance caractéristique constante.
• Inconvénients : Coût de fabrication plus élevé et complexité de conception accrue.

Microstrip-Line

• Structure : Composée d’un conducteur (tracé) sur une face du substrat et d’un plan de masse sur l’autre face.
• Avantages : Fabrication simple et coût réduit. L’accès facile aux tracés facilite la conception et les modifications.
• Inconvénients : Faible résistance aux EMI, ce qui peut entraîner des fuites d’ondes et une dégradation du signal à haute fréquence.

2. Importance du calcul de l’impédance caractéristique

L’impédance caractéristique d’une strip-line doit être optimisée pour minimiser les réflexions de signal et réduire les pertes de transmission. Une conception d’impédance inadéquate peut entraîner une dégradation et une perte de signal, affectant les performances finales de l’appareil.

3. Calcul de l’impédance caractéristique d’une Strip-Line avec QucsStudio

QucsStudio offre des outils permettant de calculer facilement l’impédance caractéristique de diverses lignes de transmission, y compris les strip-lines. Les étapes suivantes expliquent comment calculer l’impédance caractéristique d’une strip-line.

Utilisons une strip-line construite dans un PCB avec les spécifications suivantes comme exemple pour démontrer le calcul de l’impédance caractéristique avec QucsStudio.

Étape 1 : Démarrage et configuration de QucsStudio

• Démarrage : Sélectionnez « Line Calculation » dans « Tools » du menu de QucsStudio.
• Sélection : Choisissez « Stripline » dans le champ « Choice » pour la structure que vous souhaitez calculer.
• Insertion des paramètres nécessaires : Saisissez les paramètres requis pour le calcul de l’impédance.

Étape 2 : Saisie des informations sur le substrat

Entrez d’abord les informations sur le substrat dans « Properties ».

• ε_r : La constante diélectrique du matériau. Pour un FR-4, la valeur est généralement de 4,5, mais cela peut varier selon le matériau.
• tanδ : Saisissez la tangente de perte diélectrique, une mesure des pertes électriques du matériau.
• Résistivité : Saisissez la résistivité du conducteur, par exemple, 1,72 × 10^-8 Ω pour le cuivre.
• μ_r du conducteur : Perméabilité relative du conducteur.
• Rugosité : Saisissez la rugosité de la surface du conducteur.
• T : Épaisseur du conducteur. Dans cet exemple, 20 μm.
• H : Épaisseur du substrat. Ici, 0,9 mm.
• h : Position du conducteur, ici 0,44 mm.

Étape 3 : Vérification de l’impédance caractéristique

Insérez la largeur de la trace W dans « Dimensions » pour obtenir l’impédance caractéristique calculée. Alternativement, saisissez une valeur d’impédance Zo pour calculer la largeur de trace nécessaire.

Pour ce PCB, une largeur de trace de 358 μm permet d’obtenir une strip-line avec une impédance caractéristique de 50 Ω.

4. Conclusion

Le calcul précis de l’impédance caractéristique des strip-lines est essentiel pour garantir une transmission de signal de haute qualité. Avec QucsStudio, le processus de conception est simplifié, permettant de déterminer l’impédance optimale de manière efficace.