Guide d'ondes coplanaire - Coplanar waveguide

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Coupe transversale d'une ligne de transmission de guide d'ondes coplanaire à dos conducteur
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Un guide d'ondes coplanaire en cuivre de 517 μm de haut créé à l'aide de la technique LIGA .

Le guide d'ondes coplanaire est un type de ligne de transmission électrique plane qui peut être fabriquée en utilisant la technologie des cartes de circuits imprimés et est utilisé pour transporter des signaux hyperfréquences. À plus petite échelle, les lignes de transmission de guides d'ondes coplanaires sont également intégrées dans des circuits intégrés hyperfréquences monolithiques .

Le guide d'ondes coplanaire conventionnel ( CPW ) se compose d'une seule piste conductrice imprimée sur un substrat diélectrique , avec une paire de conducteurs de retour, un de chaque côté de la piste. Les trois conducteurs sont du même côté du substrat et sont donc coplanaires . Les conducteurs de retour sont séparés de la piste centrale par un petit espace, qui a une largeur constante sur la longueur de la ligne. Loin du conducteur central, les conducteurs de retour s'étendent généralement sur une distance indéfinie mais grande, de sorte que chacun est théoriquement un plan semi-infini.

Le guide d'ondes coplanaire à dos conducteur ( CBCPW ), également connu sous le nom de guide d'ondes coplanaire avec masse ( CPWG ), est une variante courante qui a un plan de masse couvrant toute la face arrière du substrat. Le plan de masse sert de troisième conducteur de retour.

Le guide d'ondes coplanaire a été inventé en 1969 par Cheng P. Wen, principalement comme moyen par lequel des composants non réciproques tels que des gyrateurs et des isolateurs pourraient être incorporés dans des circuits de lignes de transmission planaires.

L'onde électromagnétique portée par un guide d'ondes coplanaire existe en partie dans le substrat diélectrique , et en partie dans l'air au-dessus. En général, la constante diélectrique du substrat sera différente (et supérieure) à celle de l'air, de sorte que l'onde se déplace dans un milieu non homogène. En conséquence, CPW ne supportera pas une véritable onde TEM ; à des fréquences non nulles, les champs E et H auront des composantes longitudinales (un mode hybride ). Cependant, ces composantes longitudinales sont généralement petites et le mode est mieux décrit comme quasi-TEM.

Application aux dispositifs gyromagnétiques non réciproques

Les dispositifs gyromagnétiques non réciproques tels que les isolateurs résonants et les déphaseurs différentiels dépendent d'un signal hyperfréquence présentant un champ magnétique rotatif (polarisé de manière circulaire) à un corps de ferrite magnétisé statiquement . Le CPW peut être conçu pour produire un tel champ magnétique rotatif dans les deux fentes entre les conducteurs central et latéral.

Le substrat diélectrique n'a aucun effet direct sur le champ magnétique d'un signal hyperfréquence se déplaçant le long de la ligne CPW. Pour le champ magnétique, le CPW est alors symétrique dans le plan de la métallisation , entre le côté substrat et le côté air. Par conséquent, les courants circulant le long de trajets parallèles sur des faces opposées de chaque conducteur (côté air et côté substrat) sont soumis à la même inductance, et le courant global a tendance à être réparti également entre les deux faces.

A l' inverse, le substrat fait d' influencer le champ électrique, de sorte que le côté du substrat apporte une plus grande capacité à travers les fentes que ne le fait le côté de l' air. La charge électrique peut s'accumuler ou s'épuiser plus facilement sur la face de substrat des conducteurs que sur la face d'air. En conséquence, aux points de l'onde où le courant inverse la direction, la charge se répandra sur les bords de la métallisation entre la face d'air et la face du substrat. Ce courant secondaire sur les bords donne naissance à un champ magnétique longitudinal (parallèle à la ligne) dans chacune des fentes, qui est en quadrature avec le champ magnétique vertical (normal à la surface du substrat) associé au courant principal le long des conducteurs. .

Si la constante diélectrique du substrat est bien supérieure à l'unité, alors l'amplitude du champ magnétique longitudinal s'approche de celle du champ vertical, de sorte que le champ magnétique combiné dans les fentes s'approche de la polarisation circulaire.

Application en physique du solide

Les guides d'ondes coplanaires jouent un rôle important dans le domaine de l'informatique quantique à l' état solide , par exemple pour le couplage de photons micro-ondes à un qubit supraconducteur. En particulier, le domaine de recherche de l'électrodynamique quantique des circuits a été initié avec des résonateurs à guide d'ondes coplanaires comme éléments cruciaux qui permettent une intensité de champ élevée et donc un couplage fort à un qubit supraconducteur en confinant un photon micro-ondes à un volume beaucoup plus petit que le cube de la longueur d'onde . Pour améliorer encore ce couplage, des résonateurs de guide d'ondes coplanaires supraconducteurs avec des pertes extrêmement faibles ont été appliqués. (Les facteurs de qualité de ces résonateurs coplanaires supraconducteurs à basse température peuvent dépasser 10 6 même dans la limite de faible puissance.) Les résonateurs coplanaires peuvent également être utilisés comme bus quantiques pour coupler plusieurs qubits les uns aux autres.

Une autre application des guides d'ondes coplanaires dans la recherche sur l'état solide est pour les études impliquant la résonance magnétique, par exemple pour la spectroscopie de résonance de spin électronique ou pour la magnonique .

Des résonateurs de guide d'ondes coplanaires ont également été utilisés pour caractériser les propriétés des matériaux de films minces supraconducteurs (à haute Tc ).

Voir également

Références

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