Brevet FR2035139A1 — publié le 19701218

% La présente invention concerne les circuits de transmission de signaux utilisés dans un système de transmission de signaux à vitesse élevée et, plus particulièrement, les agencements de compensation de l'impédance apparaissant dans ces circuits. 5 L'art antérieur révèle différentes formes de lignes de transmission telles que les lignes de transmission du type plat, coaxial, guide d'onde, en réseaux empilés, tout particulièrement adaptées pour permettre la transmission de signaux à fréquence élevée. Les lignes de transmission sont souvent fabriquées au moyen de procédés de câblage de circuits imprimés. Par exemple, 10 une ligne de transmission peut comprendre deux conducteurs plats séparés, de façon à être parallèles, par une plaquette diélectrique à surfaces parallèles. Le conducteur à la masse, ainsi dénommé, est déposé par un quelconque des procédés de câblage de circuits imprimés connus sur une surface de la plaquette diélectrique, tandis que le conducteur de signaux dont la largeur est considé-15 rablement plus petite est déposé par des procédés semblables sur la face opposée de la plaquette diélectrique. Suivant l'épaisseur particulière de la plaquette diélectrique choisie, pour maintenir les conducteurs à la masse et les conducteurs de signaux espacés entre eux, une bande de fréquences appropriée ayant une énergie d'onde électromagnétique, peut être propagée le long de 20 la ligne de transmission. Il est bien connu que lorsqu'il est fait usage de conducteurs plats, le champ électrique ne peut pas être totalement confiné dans les limites définies par les conducteurs à la masse et de signaux. Cette construction des conducteurs tend à occasionner quelques pertes de transmission dues à la radiation. La non concordance des impédances des lignes augmente 25 les pertes des lignes de transmission et provoque des réflexions de signaux indésirables. □ans les systèmes de traitement de données, la tendance actuelle est la micro-miniaturisation qui implique des empilements à densité plus grande, une vitesse de fonctionnement plus élevée qui nécessite l'usage de fréquences 30 de transmission de données élevées avec de plus faibles pertes de radiation, et moins de discontinuité dans les signaux. La tendance actuelle introduit des problèmes tels que le maintien d'une impédance caractéristique uniforme lors des connexions des fils conducteurs des composants, et des connexions de couplage des plaquettes de circuits. Les discontinuités et les pertes de 35 radiation dans les signaux sont créées aux zônes de connexion des conducteurs de signaux. Un objet de la présente invention consiste à fournir un procédé facile pour produire une ligne de transmission à fréquence élevée, compensée. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir plusieurs 40 lignes de transmission à fréquence élevée, compensée sur la même plaquette 06059 2 2035139 diélectrique. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir une ligne de transmission à fréquence élevée ayant rigoureusement des caractéristiques d'impédance uniforme indépendamment dès différentes connexions faites avec 5 la ligne de transmission. La présente invention fournit un support de lignes de transmission à fréquence élevée dont les lignes de transmission sont utilisées en association avec des dispositifs électroniques à fréquence élevée et pourvus d'un moyen de compensation d'impédance chaque fois que des connexions électriques sont 10 faites avec les lignes de manière à maintenir une impédance caractéristique rigoureusement uniforme sur toute la ligne. Le système de transmission de signaux comprend un matériau diélectrique solide pourvu de couches d'isolement planaires, ou plaquette et comporte une ou plusieurs bandes conductrices de signaux sur une surface et un large conducteur à la masse plat qui couvre 15 complètement ou presque entièrement l'autre c6té de la plaquette éleçtriquë. Les bandes conductrices des signaux ont des zânes de croisement prédéterminées qui dépendent des signaux à transmettre sur les lignes de transmission. Les bandes conductrices de signaux peuvent avoir une ou plusieurs zônes de connexion de conducteuis électriques intermédiaires de plus grande dimension pour 20 faciliter la connexion des conducteurs des composants aux bandes conductrices de signaux. En outre, les bandes conductrices de signaux peuvent avoir des pattes de couplage de plus grande dimension au bord de la plaquette afin d'effectuer la connexion électrique entre les plaquettes. Le point essentiel de la présente invention réside dans la présence.d'ouvertures et/ou de fentes 25 allongées ayant des configurations de dimensions prédéterminées et placées dans le plan du conducteur à la masse sous-jacent à la zône de couplage électrique ou à la patte de couplage des plaquettes. Les ouvertures ou fentes ont pour but d'augmenter l'impédance caractéristique de la ligne de transmission et de compenser la-diminution de l'impédance caractéristique provoquée par 30 les zûnes de plus grande dimension qui sont utilisées pour recevoir les dispositifs de couplage électrique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention rassortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. 35 La figure 1 représente une vue isométrique agrandie d'une plaquette de circuit conforme à la présente invention avec une ligne de transmission à vitesse élevée et une ligne compensée pour permettre la transmission de signaux plus intenses. La figure 2 représente une vue isométrique agrandie d'une ligne de trans-40 mission sur une plaquette de circuit imprimé montrant une zône de couplage 70 06059 3 2035139 de conducteurs et son moyen de compensation d'impédance. - — La figure 3 représente une vue isométrique amplifiée d'une ligne de transmission sur un8 plaquette de circuits imprimés pourvue de pattes de connexion des bords et son moyen de compensation d'impédance. 5 La figure 4 est une onde d'un signal de test propagée le long d'une ligne de transmission et une onde réfléchie montrant le changement d'impédance provoqué par une zône de couplage de la ligne sans compensation. Les figures 5 et 6 sont les ondes d'un signal de test propagées le long d'une ligne de transmission et une onde réfléchie montrant l'influence des 10 ouvertures de compensation d'impédance au voisinage de la zflne de couplage électrique. La figure 7 est une onde d'un signal transmise sur une ligne de transmission da signaux et montre l'infLence d'une patte de couplage placée au bord de la plaquette diélectrique et sans compensation. 15 La figure B est une onde montrant la condition améliorée de l'onde réflé chie à partir de la patte de couplage de bords de la ligne de transmission lorsqu'elle est pourvue d'un moyen de compensation. La figure 1 représente les lignes de transmission d'un circuit imprimé conformément à la présente invention, qui comprend une plaquette d'isolement 20 10 du type planaire, diélectrique et solide à laquelle est fixée, de préférence par des procédés de circuits imprimés, une couche plane faite dans un matériau semi-conducteur formant un plan conducteur à la masse 11. Les bandes conductrices de signaux planes, ou éléments 12 et 13 ayant des zflnes transversales prédéterminées qui dépendent des signaux à transmettre sur les bandes conduc-25 trices, et qui sont faites dans un matériau conducteur, sont fixées à la surface opposée de la plaquette diélectrique 10. La plaquette diélectrique 10 peut être faite dans un matériau de laminage quelconque approprié, tel que du polystyrène, de la résine phénolique, de la céramique, ou des résines époxy renforcées par des fibres de verre. L'épais-30 seur de la plaquette diélectrique 10 dépend de la constante diélectrique du matériau utilisé et de la fréquence des signaux à transmettre sur les lignes de transmission. Sur la figure 1, la bande conductrice de signaux 12 et le plan conducteur à la masse 11 fonctionnent tous deux en tant que lignes de transmission de 35 signaux ayant une impédance caractéristique uniforme qui, dans le mode de réalisation préféré, est de 50 ohms. Ceci est dûaux paramètres de la ligne de transmission, tels que l'épaisseur de la plaquette diélectrique, la zâne transversale des bandes conductrices de signaux 12, et la fréquence des signaux à transmettre sur la ligne de transmission. Il est à noter que d'autres impé-40 dances sont possibles en utilisant un groupe différent de paramètres. 06059 4 2035139 La banda conductrice 13 et le plan conducteur à la masse 11 fonctionnent tous deux en tant que ligne de transmission particulièrement adaptée par la transmission d'un signal pouvant transporter un plus grand courant et/ou nécessitant une moins grande résistance. Le plan à la masse 11 est pourvu d'une 5 fente ou ouverture allongée 14 de dimensions prédéterminées et sous-jacente à la bande conductrice de signaux 13. La fente permet à la ligne de transmission de maintenir la mâme impédance caractéristique que la ligne de transmission formée par la bande 12 et le plan à la masse 11. La figure 2 représente une ligne de transmission à vitesse élevée compre-10 nant une plaquette diélectrique 10, un plan conducteur à la masse 11 et une bande conductrice de signaux 12. En outre, la bande conductrice de signaux 12 comprend une zfine de connexion de conducteurs 15 de plus grande dimension pour faciliter les connexions électriques des conducteurs des composants, à la bande conductrice de signaux 12. L'influence électrique de la zfine de con-15 nexion accrue 15 consiste à diminuer l'impédance de la ligne de transmission. De manière à rendre optimal le transfert d'énergie au point de connexion, l'impédance caractéristique de la section de la ligne de transmission devrait coïncider avec l'impédance de l'autre section de la ligne de transmission. Pour assurer cette colcidence des impédances, l'impédance caractéristique 20 de la ligne de transmission est maintenue au moyen des ouvertures à impédance compensée placées dans le plan conducteur à la msse. Par expérimentation et/ou calcul par programmation par calculateur, las dimensions de la fente 16 peuvent itre déterminées et ensuite cette fente peut Stre placée dans le plan conducteur à la masse 11 de manière à Ôtra sous-25 jacente à la zfine de connexion 15. Ceci entraînera un effet de compensation d'impédance et, de cette manière, les lignes de transmission peuvent être conçues et fabriquées en ayant une impédance caractéristique rigoureusement uniforme sur toute leur longueur indépendamment du nombre de zfines de connexion de conducteurs 15 existant dans les bandes conductrices de signaux 12. 30 II est possible qu'une ligne de transmission de signaux sur une plaquette diélectrique, ou substrat 10 ait plusieurs zfines de connexions de conducteurs et chacune de ces zfines aura une fente ou ouverturè de compensation au voisinage et immédiatement en-dessous de la zfine de connexion de fils conducteurs 15. 35 Un autre effet indésirable provient du couplage capacitif d'un dispositif du composant, tel qu'un transistor, ou autre élement semblable, à la ligne de transmission. Par suite de ce couplage, il y a une discontinuité dans l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, discontinuité qui produit des réflexions indésirables sur la ligne de transmission. Ce couplage capaci-40 tif peut Stre annulé au moyen d'une ouverture de compensation convenablement 70 06059 5 2035139 orientée. La figure 3 représente une ligne de transmission à vitesse élevée formée d'une plaquette diélectrique 10, d'un plan conducteur à la masse 11 et d'une bande conductrice de signaux 12. En outre, la bande conductrice de signaux 5 12 comprend des pattes de couplage entre les plaquettes 17 de plus grande dimension pour faciliter le procédé de connexion électrique entre ces plaquettes avec les bandes de signaux 12. Ici, également, l'influence électrique des zfines de connexion accrues est de diminuer l'impédance de .la ligne de transmission. Cejhangement de l'impédance peut être compensé au moyen d'une 10 ouverture ou fente 16 placée dans le plan conducteur à la masse 11 et sous-jacente aux zfines de pattes de couplage. L'ouverture ou fente peut être un seul trou ou une combinaison de trous mais l'effet de compensation, dans les deux cas, sera rigoureusement le même. A des fins de test, il a été construit une ligne de transmission semblable 15 à celle représentée sur la figure 2. Un réflectomètre de type quelconque connu, est utilisé pour observer les caractéristiques des performances électriques et pour permettre les comparaisons lorsque les signaux sont appliqués à la ligne. Des tests ont été faits sur (1) une ligne de transmission normale avec une zfine de couplage avec et sans ouverture de compensation dans le plan à 20 la masse (2] une ligne de transmission normale avec une patte de couplage de bords, avec et sans ouverture de compensation dans le plan à la masse. Les caractéristiques observées sont les suivantes £1] impédance C2) dégradation de la fente, (3) vitesse de la propagation en utilisant un dispositif à retard réglable et C4), réflexions sur la ligne de transmission. 25 Pour illustrer les effets de la compensation d'impédance, il va être fait référence aux figures 4 à 8. La figure 4 représente une onde qui montre l'effet d'une seule zfine de connexion de fils conducteurs dans une seule portion de ligne lorsqu'une impulsion est appliquée à la ligne et dans laquelle le plan à la masse est dépourvu 30 d'ouvertures de compensation. Une grande discontinuité capacitive peut être observée au point 20, discontinuité qui représente la position de la zfine de connexion de conducteurs 15. En outre, la dégradation du temps de montée 21 peut également être observée. La figure 5 représente une onde qui illustre l'effet de l'impulsion du 35 signal appliqué à la ligne mais l'ouverture de compensation 16. dans le plan à la masse 11 est de dimension insuffisante pour compenser totalement les caractéristiques d'impédanc8 provoquées par la dimension accrue de la zfine de connexion 15. On peut comparer au point 20 de la figure 4 la réduction de la discontinuité capacitive 22 de la figure 5. 40 La figure 6 représente une onde qui illustre l'effet de la ligne d8 trans 06059 6 2035139 mission de signaux compensée comprenant l'ouverture de compensation d'impédance convenablement conçue 16. Dans ce test, la discontinuité est négligeable. La figure 7 représente une onde qui illustre la condition d'impulsion réfléchie à l'extrémité de la plaquette diélectrique d'une ligne de transmis-5 sion de signaux pourvue d'une patte de couplage mais ne présentant pas de compensation d'impédance. On peut noter la dégradation du temps de montée 25 et la discontinuité 26. La figure 8 représente une onde qui illustre la condition de l'impulsion à l'extrémité de la plaquette diélectrique d'une ligne de transmission de 10 signaux ayant des pattes de couplage mais n'ayant pas d'ouvertures de compensation d'impédance 16 de dimension et de position appropriées. En comparant les ondes des figures 7 et 8, sur la figure 8, l'impulsion représentée a un temps de montée amélioré 27 et réflexions déflexions indésirables sur la ligne ont disparu. 15 Les caractéristiques obtenues par les conducteurs de signaux, les connec teurs, la plaquette d'isolement et les ouvertures de compensation d'impédance utilisés dans la présente invention ne doivent être considérées qu'à titre d'illustration et ne sont pas limitatives de la gamme de fréquences ou des changements de dimension des plaquettes de circuit, des lignes de transmission 20 ou des zfines de connexion et des ouvertures de compensation d'impédance. Il est bien évident, d'après la description précédente, que la présente invention est de construction très simple tout en maintenant une configuration de ligne de transmission rigoureuse avec des caractéristiques d'impédance sensiblement uniformes sur toute la longueur de la ligne de transmission. Il est également 25 bien évident que les parties sont maintenues ensemble de façon rigide tout en donnant finalement une construction très fiable aussi bien du point de vue mécanique que du point de vue électrique. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réa-30 lisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 06059 7 2035139 REVENDICATIONS 1.- Combinaison de circuits à impédance compensée à vitesse élevée, caractérisée en ce qu'elle comprend: a. une plaquette diélectrique ayant des surfaces parallèles et une 5 épaisseur prédéterminée dépendant de la constante diélectrique du matériau de la plaquette, b. un conducteur de signaux, de forme prédéterminée,fixé sur une surface de la plaquette, c. un plan conducteur à la masse fixé au côté opposé de la plaquette 10 diélectrique, ledit conducteur de signaux et le dit plan conducteur à la masse formant une ligne de transmission ayant une impédance caractéristique prédéterminée, et d. une ouverture de compensation d'impédance faite dans le plan conducteur à la masse, opposée et parallèle au conducteur de signaux, la zfine de 15 l'ouverture étant prédéterminée de manière à établir et à maintenir une impédance rigoureusement uniforme et à permettre la transmission des signaux de courant plus intense. 2.- Combinaison de circuits selon la revendication 1, caractérisée en ce que les plans du conducteur à la masse et du conducteur de signaux sont du type 20 à circuit imprimé. 3.- Dispositif de compensation d'impédance pour un agencement de circuits à vitesse élevée caractérisé en ce qu'il comprend: a. un substrat ayant des surfaces parallèles et une épaisseur prédéterminée dépendant de la constante diélectrique du matériau de ce substrat, 25 b. au moins un élément conducteur de signaux de forme et de section prédéterminées dépendant des signaux à transmettre sur cet élément conducteur et fixé à une surface du substrat, c. un plan conducteur à la masse fixé au côté opposé du substrat, chacun des conducteurs de signaux en combinaison électrique avec le plan conducteur 30 à la masse étant adapté pour fonctionner en tant que ligne de transmission ayant des caractéristiques d'impédance uniforme, d. les conducteurs de signaux étant pourvus d'au moins une zfine de couplage de conducteurs électriques de plus grandes surfaces pour faciliter les connexions des conducteurs électriques aux conducteurs de signaux, et 35 e. une ouverture de compensation d'impédance faite dans le plan conduc teur à la masse et opposée à chaque zfine de couplage des conducteurs électriques, la zfine de l'ouverture étant prédéterminée de manière à augmenter l'im 06059 8 2035139 pédance caractéristique de la ligne de transmission d'une quantité égale à celle qui serait provoquée par la diminution d'impédance par suite de la dimension accrue de la zône de couplage des conducteurs électriques. 4.- Dispositif de compensation d'impédance pour un assemblage de circuits 5 a vitesse élevée, c ractérisé en ce qu'il comprend: a. un substrat ayant des surfaces parallèles et une épaisseur prédéterminée dépendant de la constante diélectrique du matériau de ce substrat, b. au moins un élément conducteur de signaux de forme et de section prédéterminées dépendant des signaux à transmettre sur lesdits éléments con- 10 ducteurs de signaux et fixés à une surface du substrat, c. un plan conducteur à la masse fixé au côté opposé du substrat, chacun des éléments conducteurs de signaux, en combinaison électrique avec le plan conducteur à la masse, étant adapté pour fonctionner en tant que ligne de transmission ayant des caractéristiques d'impédance uniforme. 15 d. les conducteurs de signaux étant pourvus de pattes de couplage de coins de plus grandes dimensions terminant les conducteurs de signaux au bord du substrat afin de faciliter les connexions électriques avec d'autres substrats, et e. une ouverture de compensation d'impédance faite dans le plarr conduc- 20 teur à la masse opposé à chacune des pattes de couplage de coins, la zfine de l'ouverture étant prédéterminée de manière à augmenter l'impédance caractéristique de la ligne de transmission d'une quantité rigoureusement égale à celle dont l'impédance serait diminuée par-la dimension accrue des pattes de couplage de coins. 25 5.- Dispositif de compensation d'impédance pour un assemblage de circuits à vitesse élevée, caractérisé en ce qu'il comprend: a. un substrat ayant des surfaces parallèles et une épaisseur prédéterminée dépendant de la constante diélectrique du matériau de la plaquette, b. au moins un conducteur de signaux de forme et de section prédétermi- 30 nées dépendant des signaux à transmettre sur ledit conducteur de signaux et fixé à une surface du substrat, c. un plan conducteur à la masse fixé au côté opposé du substrat, chacun des éléments conducteurs de signaux en combinaison électrique avec les plans conducteurs à la masse étant adapté de manière à fonctionner en tant que ligne de transmission ayant des caractéristiques d'impédance uniforme 35 d. les éléments conducteurs de signaux étant pourvus d'au moins une zône de couplage de conducteurs électriques de plus grande dimension afin 70 06059 9 2035139 de faciliter les connexions des conducteurs électriques au conducteur de signaux, e. les éléments conducteurs de signaux étant pourvus de pattes de couplage de coins de plus grandes dimensions terminant les conducteurs de signaux 5 sur le substrat afin de faciliter les connexions électriques avec d'autres substrats, et f. des ouvertures de compensation d'impédance faites dans le plan conducteur à la masse et opposées à chacune des zônes de couplage des conducteurs de signaux et aux pattes de couplage de coins, lesdites ouvertures étant de 10 dimensions prédéterminées de manière à augmenter l'impédance caractéristique de la ligne de transmission d'une quantité égale à celle dont les impédances seraient diminuées par la dimension accrue de la zfine de couplage des conducteurs de signaux et des pattes de couplage de coins .• B.- Dispositif de compensation d'impédance selon l'une quelconque des reven-15 dications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les conducteurs de signaux et le plan conducteur à la masse sont du type à circuits imprimés. 7.- Dispositif de compensation d'impédance selon l'une quelconque des revendications 3 à B caractérisé en ce que ledit sbbstrat.est une plaquette diélectrique .