Dans la conception de circuits imprimés haute fréquence et haute vitesse, le choix de la structure de ligne de transmission appropriée (ligne triplaque ou microbande) est essentiel pour garantir l'intégrité du signal, minimiser les interférences et équilibrer la rentabilité. Les deux structures constituent des éléments fondamentaux des circuits RF/micro-ondes et des systèmes numériques à haute vitesse, mais leurs géométries et leurs comportements électromagnétiques distincts déterminent leur adéquation à des applications spécifiques. Cet article analyse les principales différences entre la ligne à ruban et la microbande, en explorant leur conception, leurs propriétés électriques et leurs implications pratiques pour les ingénieurs en circuits imprimés.
Qu'est-ce que la ligne triplaque et la microbande ?
Ligne à ruban :
Une ligne triplaque est une ligne de transmission intégrée comportant une piste conductrice centrale prise en sandwich entre deux plans parallèles de masse/alimentation, entièrement recouverte d'un matériau diélectrique uniforme. La piste est acheminée sur une couche interne du circuit imprimé, protégée des interférences externes.
Microbande :
Une microbande est une ligne de transmission montée en surface composée d'une seule piste conductrice sur la couche supérieure/inférieure du circuit imprimé, d'un substrat diélectrique et d'un seul plan de masse/alimentation sous le substrat. La piste est partiellement exposée à l'air (ou recouverte d'un masque de soudure), créant ainsi un environnement diélectrique hybride.
Fondements structurels et modes de propagation
Microbande : montage en surface et propagation quasi-TEM
Une microbande est constituée d'une piste conductrice sur la couche externe du circuit imprimé, séparée d'un seul plan de masse par un substrat diélectrique (par exemple, FR4). Sa structure expose la piste à deux environnements diélectriques : le substrat en dessous et l'air au-dessus. Cette asymétrie donne lieu à un mode électromagnétique quasi transversal (quasi-TEM), dans lequel les champs électriques sont partiellement confinés au substrat et rayonnent partiellement dans l'air. En conséquence, la constante diélectrique effective (εeff) — moyenne pondérée de la permittivité du substrat (εr) et de la permittivité de l'air (εr=1) — détermine la vitesse de phase et l'impédance, rendant les microbandes dépendantes de la fréquence et dispersives.
Structure :
Propagation Mode:
Mode quasi-TEM (quasi-transversal électromagnétique), où les champs électriques existent à la fois dans le diélectrique et dans l'air, ce qui entraîne une dispersion dépendante de la fréquence.
Ligne triplaque : propagation blindée et TEM
Une ligne triplaque est intégrée entre deux plans de masse parallèles, entièrement recouverte d'un matériau diélectrique. Cette structure symétrique prend en charge un mode TEM pur, avec des champs électriques et magnétiques entièrement confinés dans le diélectrique. Contrairement aux microbandes, les lignes triplaques ne présentent aucune dispersion, car l'environnement diélectrique uniforme garantit une vitesse de phase et une impédance indépendantes de la fréquence. L'absence d'exposition à l'air élimine également les pertes par rayonnement, ce qui rend les lignes triples intrinsèquement blindées et adaptées aux environnements à fortes interférences.
Structure :
Propagation Mode:
Mode TEM pur (électromagnétique transversal), avec des champs entièrement confinés dans le diélectrique, garantissant l'absence de dispersion de fréquence.
Types de bandes et de microbandes
1. Sous-types de lignes microbandes
Les microbandes sont classées en fonction de leur configuration géométrique, de leur environnement diélectrique et des exigences spécifiques à leur application :
a. Microbande de base
b. Microbande intégrée
c. Paire de microbandes différentielles
d. Microbande coplanaire
e. Microbande suspendue
2. Sous-types de lignes triplaques
Les lignes triples sont classées en fonction de leur symétrie, de leurs couches diélectriques et de la complexité de leur routage :
a. Ligne à ruban de base
b. Ligne triplaque symétrique
c. Ligne à ruban asymétrique
d. Paire de bandes différentielles
e. Ligne à ruban coplanaire
f. Ligne à ruban large bande
3. Variantes hybrides
Certaines conceptions combinent des éléments microbandes et bandes pour répondre à des besoins spécifiques :
a. Transition microbande-ligne triplaque
b. Ligne à ruban intégrée avec superposition microbande
4. Comparaison avec d'autres lignes de transport
Bien que l'accent soit mis sur les microbandes et les bandes ruban, d'autres types sont mentionnés dans les documents :
| Type | Structure | Key Feature |
|---|---|---|
| Coplanar Waveguide | Trace with side-by-side ground planes on the same layer | Easy impedance tuning for RF circuits; natural shielding |
| Slotline | Signal propagates through a slit in a ground plane | Used in microwave antennas and balanced circuits |
| Parallel-Plate Waveguide | Two parallel conductive plates with a dielectric in between | Broadband, low-loss performance; high-power applications |
Points clés à retenir
Caractéristiques électriques : impédance, perte et vitesse
Impédance caractéristique
Impédance microbande :
Where:
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Les microbandes offrent une plage d'impédance plus large (20 à 120 Ω), mais nécessitent des traces plus larges pour une même impédance par rapport aux lignes triplaques.
Impédance de la ligne triplaque :
Where:
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Les lignes triplaques prennent en charge des impédances plus élevées (35 à 250 Ω) avec des traces plus étroites, grâce à leur environnement entièrement diélectrique.
Lors du calcul de l'impédance caractéristique des microbandes et des lignes triplaques, l'utilisation d'outils professionnels améliore la précision de la conception. Rendez-vous sur le calculateur d'impédance PCB pour saisir des paramètres tels que la constante diélectrique et la largeur de trace, et obtenir des valeurs d'impédance en temps réel (prend en charge les calculs de microbandes, de lignes triplaques et de paires différentielles), évitant ainsi les erreurs liées à la dérivation manuelle des formules.
Perte de signal et vitesse
Vitesse du signal microbande :
Where:
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Vitesse du signal dans une ligne triplaque :
Les pertes proviennent principalement de la résistivité du conducteur et de l'amortissement diélectrique, sans perte par rayonnement. L'environnement entièrement diélectrique ralentit la vitesse du signal, mais garantit des performances constantes.
Where:
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Considérations relatives à la conception et à la fabrication
Empilement des couches et coût
Contrôle d'impédance et diaphonie
Applications et directives pratiques
Quand utiliser Microstrip
Quand utiliser Stripline
Applications et directives pratiques
Étude de cas n° 1 : Microbande dans les réseaux d'antennes 5G
Scénario : un réseau d'antennes de station de base 5G nécessite des lignes de transmission compactes et peu coûteuses pour les réseaux à déphasage.
Solution : les microbandes sont utilisées pour les éléments rayonnants et les lignes d'alimentation en raison de leur structure exposée, qui permet le couplage avec l'air pour le rayonnement. Par exemple, l'antenne 5G Massive MIMO de Samsung utilise des microbandes avec un substrat Rogers RT/duroid 5880 (εr=2,2) pour atteindre un fonctionnement à 28 GHz. Le mode quasi-TEM permet aux ingénieurs d'ajuster l'impédance (50 Ω) via la largeur de trace (w=0,3 mm, h=0,762 mm), équilibrant ainsi l'efficacité du rayonnement et le coût.
Avantage : les microbandes éliminent le besoin de couches blindées coûteuses, réduisant ainsi le poids et la complexité de fabrication des réseaux d'antennes.
Étude de cas n° 2 : Stripline dans les centres de données à haut débit
Scénario : une carte mère de commutateur Ethernet 400G nécessite un routage des signaux à faible latence et sans interférences électromagnétiques pour les connexions du fond de panier.
Solution : des lignes triples sont intégrées dans les couches internes de la carte mère pour acheminer les paires différentielles (par exemple, PCIe 5.0, 32 GT/s). Par exemple, le chipset Ice Lake Server d'Intel utilise des lignes triples avec un noyau FR4 (εr=4,4) et une impédance différentielle de 100 Ω. Les doubles plans de masse suppriment la diaphonie entre plus de 100 canaux à haut débit, garantissant un BER < 10^-12 à 25 GHz.
Avantage : le mode TEM des lignes triples minimise la dispersion, ce qui est essentiel pour maintenir l'intégrité du signal sur des traces de fond de panier de 30 cm.
Étude de cas n° 3 : Microbande hybride-ligne triplaque dans un radar automobile
Scénario : une carte mère de commutateur Ethernet 400G nécessite un routage des signaux à faible latence et sans interférences électromagnétiques pour les connexions du fond de panier.
Solution : des lignes triples sont intégrées dans les couches internes de la carte mère pour acheminer les paires différentielles (par exemple, PCIe 5.0, 32 GT/s). Par exemple, le chipset Ice Lake Server d'Intel utilise des lignes triples avec un noyau FR4 (εr=4,4) et une impédance différentielle de 100 Ω. Les doubles plans de masse suppriment la diaphonie entre plus de 100 canaux à haut débit, garantissant un BER < 10^-12 à 25 GHz.
Avantage : le mode TEM des lignes triples minimise la dispersion, ce qui est essentiel pour maintenir l'intégrité du signal sur des traces de fond de panier de 30 cm.
Étude de cas n° 4 : Stripline dans les équipements médicaux d'IRM
Scénario : la bobine émettrice-réceptrice d'un scanner IRM 3T nécessite une perte ultra-faible et une isolation EMI pour détecter les signaux biologiques faibles.
Solution : des lignes triples avec un diélectrique PTFE (εr=2,1) sont utilisées pour les connexions des bobines RF, enfermées dans des couches recouvertes de cuivre afin d'éviter toute interférence avec le champ magnétique. Le système SIGNA™ MR de GE Healthcare utilise des lignes triplaques de 50 Ω avec h = 0,5 mm et w = 0,1 mm, atteignant des facteurs Q > 1000 à 128 MHz.
Avantage : le blindage des lignes triplaques élimine la diaphonie entre les 32 canaux récepteurs, ce qui est essentiel pour l'imagerie haute résolution.
Étude de cas n° 5 : Microbande dans les routeurs Wi-Fi grand public
Scénario : un routeur Wi-Fi 6 (802.11ax, 2,4/5 GHz) nécessite un acheminement économique du signal pour plusieurs antennes.
Solution : des microbandes sur un circuit imprimé FR4 à 4 couches (εr=4,4) relient le SoC (par exemple, Qualcomm IPQ8074) à des diplexeurs et des antennes montés en surface. Les traces (w=1,2 mm, h=1,6 mm) atteignent une impédance de 50 Ω avec une perte inférieure à 0,5 dB à 5 GHz.
Économies : les microbandes réduisent le nombre de couches de 50 % par rapport aux lignes triplaques, ce qui permet de réduire les coûts des circuits imprimés de 25 à 15 dollars dans le cadre d'une production à grand volume.
Conclusion
Les lignes triplaques et les microbandes constituent les deux piliers de la conception des lignes de transmission pour circuits imprimés, chacune étant optimisée pour des scénarios distincts. Les microbandes se distinguent par leur simplicité, leur rentabilité et leurs performances modérées, tandis que les lignes triplaques offrent un blindage supérieur, une intégrité du signal et une capacité haute fréquence. En évaluant des facteurs tels que la fréquence, les exigences d'impédance et les contraintes environnementales, les ingénieurs peuvent sélectionner la structure optimale pour équilibrer les performances et la praticité dans l'électronique moderne.
En résumé, le choix entre une microbande et une ligne triplaque nécessite de trouver un équilibre entre les besoins en matière d'impédance et les considérations de coût. Nous vous suggérons d'utiliser le calculateur d'impédance PCB pour vous aider dans la conception. Il suffit d'entrer les paramètres géométriques et des matériaux pour obtenir en un clic les valeurs d'impédance caractéristique et différentielle, ce qui améliore l'efficacité de la conception de circuits imprimés à haute vitesse.
Conseil final : pour les conceptions hybrides, combinez les deux structures : utilisez des microbandes pour les composants montés en surface et des bandes pour le routage interne à haute vitesse, en tirant parti de leurs atouts complémentaires.
