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1 - BASES PHYSIQUES DE LA THÉORIE DES LIGNES

2 - ÉQUATION D'ONDE ET PRÉSENTATION DES SOLUTIONS

3 - GÉNÉRATION DES ONDES STATIONNAIRES

4 - INSERTION DES DISSIPATIONS D'ÉNERGIE EN LIGNE

5 - AUTRES FORMULATIONS DE LA THÉORIE DES LIGNES

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D1322 v1

Bases physiques de la théorie des lignes
Éléments sur la théorie des lignes de transmission

Auteur(s) : Bernard DÉMOULIN

Relu et validé le 26 avr. 2021

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RÉSUMÉ

L'article propose tout d'abord une initiation à la théorie des lignes de transmission. Est abordé ensuite le calcul des paramètres primaires d'une ligne, ainsi que l'analyse de la propagation TEM. Il s'intéresse ensuite à la résolution de l'équation d'onde appliquée aux ondes stationnaires entretenues par des signaux sinusoïdaux, puis traite la question des dissipations d'énergie et l'usage de théories spécifiques au calcul de la réponse transitoire d'une ligne et de sa caractérisation physique en termes de paramètres S.

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ABSTRACT

Elements of Transmission Line Theory

This article organized about five main sections deals with a simple approach of the transmission line theory. Section one introduces the per unit length parameters of the line and the TEM wave concept. Sections two and three describe the wave equation and the solutions expressed in terms of standing waves generated under a steady sine wave excitation. Sections four and five insert the power losses and the description of other theoretical approaches leading to the computation of the line transient response and its physical characterization according to the usual S parameters matrix.

Auteur(s)

  • Bernard DÉMOULIN : Professeur émérite - Université Lille 1, Groupe Telice de l'IEMN, UMR CNRS 8520

INTRODUCTION

L'évolution des technologies électroniques et des procédés de télécommunications apporte aujourd'hui un regard nouveau sur la théorie des lignes de transmission. Deux exemples empruntés à des échelles géométriques volontairement opposées révèlent tout à fait bien le contexte.

Commençons par les circuits élaborant des signaux logiques sous des temps de transit s'approchant de la picoseconde. Il est maintenant bien établi que la conception de ces circuits ne peut être efficacement maîtrisée qu'en faisant intervenir les phénomènes de propagation. Dans ce cas, les mécanismes de propagation agissent principalement sur l'intégrité des signaux transportés sur des connexions de dimensions minuscules. Bien que réalisable sous l'assistance de simulations produites par logiciel, le travail d'analyse exige accessoirement un effort d'interprétation physique facilité par la théorie des lignes.

À l'autre extrémité se situent les télécommunications à courants porteurs. Ces systèmes plus connus sous l'acronyme anglais de PLC (Power Line Communications) risquent d'apparaître à brève échéance sur les réseaux d'énergie électrique de bâtiments et de véhicules les plus divers. Comme précédemment, l'usage d'outils de simulations, aussi perfectionnés soient-ils, demande fréquemment un niveau élémentaire de compréhension physique assez bien restitué par la théorie, telle que décrite et développée dans l'article.

Il est certain que d'autres extensions de l'usage de la théorie des lignes sont envisageables, notamment, pour les études de compatibilité électromagnétique ou d'autres domaines des sciences appliquées dans lesquels se propagent des signaux selon une seule dimension de l'espace.

L'article, structuré en cinq sections, a donc pour vocation première de fournir au lecteur les rudiments de la théorie des lignes. L'approche rudimentaire n'exclut cependant pas l'outil mathématique. Nous verrons à maintes reprises que l'examen et l'analyse des équations facilitent considérablement la compréhension de subtilités physiques. Au descriptif de l'article brièvement résumé ci-après, il convient de préciser que l'analyse est présentement restreinte à des sources de signaux et à des charges aux comportements linéaires.

La première section consacrée aux bases physiques accordera une place importante aux questions de terminologie et de positionnement du sujet par rapport aux théories classiques de l'électrocinétique et de l'électromagnétisme.

La deuxième section portera principalement sur la mise en place de l'équation d'onde et de solutions analytiques relatant les phénomènes de propagation engendrés sur une ligne. Nous verrons à cette occasion le rôle majeur dévolu à la dimension longitudinale de la ligne, à la longueur d'onde, ainsi qu'à l'impédance caractéristique.

La troisième section aborde le problème de la génération des ondes stationnaires. Ces phénomènes rencontrés sur des lignes soumises à des signaux sinusoïdaux entretenus seront comme précédemment relatés par l'outil analytique. Des investigations également inspirées d'exemples permettront de différencier plusieurs classes de fonctionnement des lignes.

La quatrième section traite la question des dissipations d'énergie introduites dans les conducteurs composant la ligne, ainsi que la matière diélectrique utilisée pour leur isolement. Le calcul de la constante de propagation complexe sera entrepris dans sa formulation la plus générale, puis simplifié pour l'usage conventionnel. Les simplifications aboutiront au calcul de l'atténuation d'une ligne engendrée par la seule contribution de la résistance haute fréquence des conducteurs.

La cinquième section, la plus volumineuse de l'article, aborde la théorie des lignes sous d'autres formalismes que ceux examinés dans les paragraphes précédents. Dans l'ordre chronologique seront ainsi exposés, le formalisme de l'impédance d'entrée, le formalisme matriciel, le formalisme symbolique puis le formalisme des paramètres S.

La section consacrée au formalisme symbolique appliqué au calcul de la réponse transitoire d'une ligne paraîtra probablement plus ardu que d'autres parties de l'article. Cet aspect de la théorie des lignes était toutefois incontournable pour dissocier avec réalisme physique les régimes transitoires du régime entretenu, car par tradition, cet aspect est souvent occulté !

La lecture de l'article n'exige pas de connaissances préalables approfondies, hormis quelques bases sur l'électromagnétisme et la théorie des circuits. En l'absence de ces notions minimales, le lecteur trouverait alors avantage à consulter les articles [E 1 020] et [E 104].

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KEYWORDS

transmission line   |   wave equation   |   characteristic impedance   |   propagation phenomena   |   S parameters   |   telecommunications   |   Electronic engineering   |   measurements   |   data transmission

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d1322


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1. Bases physiques de la théorie des lignes

Au même titre que la théorie des circuits électriques dont elle est issue, la théorie des lignes de transmission adopte un vocabulaire et des conventions de notations qu'il est indispensable de bien maîtriser. Ce premier paragraphe subdivisé en quatre parties est donc voué à l'examen de diverses définitions et situations propices à l'énoncé de quelques termes propres aux lignes de transmission. En tout premier lieu, on s'intéressera aux propriétés géométriques d'une ligne, ainsi qu'aux critères d'uniformité permettant de définir les paramètres électriques primaires contenus dans les concepts d'inductance et de capacité linéiques. Une deuxième partie concernera la ligne coaxiale dont la structure géométrique particulièrement simple permettra de découvrir des relations de dualités spécifiques à toute ligne de transmission. Dans une troisième partie, l'analyse précédente sera étendue à d'autres structures géométriques, notamment la ligne bifilaire et la ligne monofilaire composée d'un conducteur parallèle à un plan métallique. En quatrième partie sera abordée une question beaucoup plus fondamentale reliée aux conditions de propagation de l'onde transverse électromagnétique (TEM).

1.1 Propriétés géométriques et physiques d'une ligne uniforme

Le terme « ligne de transmission » s'adresse à des circuits électriques filiformes comprenant dans leur présentation la plus courante deux conducteurs. L'adjectif filiforme signifie que la distance entre les conducteurs reste très inférieure à la dimension longitudinale du circuit. De plus, par comparaison avec les circuits électriques usuels où la transition des signaux de l'entrée vers la sortie est supposée instantanée ; dans une ligne de transmission, on fait intervenir le temps de propagation des signaux, et consécutivement, des courants et tensions auxquels ils seront attachés. La mise en place de la propagation dans les lignes s'effectue par la résolution d'une équation tout à fait similaire aux équations d'onde rencontrées en acoustique, en optique, ou plus généralement en électromagnétisme. L'équation d'onde sera étudiée dans le deuxième paragraphe.

Dans la suite de ce premier paragraphe seront examinées les principales propriétés d'une ligne uniforme et, plus spécialement,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SHELKUNOFF (S.A.) -   The electromagnetic theory of coaxial transmission lines and cylindrical shields.  -  Bell Sytems Technical Journal, p. 533-579, oct. 1934.

  • (2) - COLLIN (R.E.) -   Field theory of guided waves.  -  Ed. MacGraw-Hill, New York (1960).

  • (3) - HARRINGTON (R.F.) -   Time harmonic electromagnetic fields.  -  Ed. MacGraw-Hill, New York (1961).

  • (4) - GRIVET (P.) -   Physique des lignes de hautes fréquences et d'ultra hautes fréquences.  -  Tome I Édition Masson (1969).

  • (5) - GABILLARD (R.) -   Vibrations et phénomènes de propagation.  -  Éditions Dunod (1970).

  • (6) - METZGER (G.), VABRE (J.P.) -   Électronique des impulsions.  -  Tome II Éditions Masson (1970).

  • ...

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