VI CIRCUITS PASSIFS : ( ) ( )
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En identifiant les membres des 2 matrices ABCD, on obtient une impédance Z1 inductive et une impédance Z2 capacitive, qui correspond bien au schéma électrique équivalent de la ligne. VI CIRCUITS PASSIFS : Les circuits MMIC ont besoin d’un certain nombre de circuits passifs pour fonctionner. Notamment pour adapter les impédances, pour filtrer, pour diviser ou coupler la puissance, ou encore pour déphaser le signal. Ce chapitre montre les principaux dispositifs passifs utilisés dans le domaine des microondes, ceux-ci peuvent être réalisés en technologies distribuée ou localisée. ⎛θ⎞ Z1 = j.Z0 .tg ⎜ ⎟ = j.L1.ω et ⎝2⎠ La matrice chaîne (ou ABCD) d’une ligne de transmission est la suivante : ⎛ V1 ⎞ ⎛ cosθ ⎜ ⎟=⎜ ⎝ I1 ⎠ ⎝ j.Y0 .sinθ j.Z0 .sinθ ⎞ ⎛ V2 ⎞ ⎛ A B ⎞ ⎛ V2 ⎞ .⎜ ⎟ ⎟ .⎜ ⎟ = cosθ ⎠ ⎝ I 2 ⎠ ⎜⎝ C D ⎟⎠ ⎝ I 2 ⎠ L’indice 1 des tension et courant correspond à l’entrée de la ligne et l’indice 2 à sa sortie. Les matrices chaîne et S sont liées par un jeu d’équations qui permettent de passer d’un paramètre à l’autre (Annexe). Ainsi le paramètre de transmission devient égal à : S21 = Une ligne de transmission introduit donc un déphasage négatif, à savoir une avance de phase. Une ligne de transmission peut être modélisée par un schéma électrique équivalent à un quadripôle en T (figure 1) : 2.Z1.Z2 +Z12 ⎞ ⎟ Z2 ⎟ Z1 +Z2 ⎟ ⎟⎟ Z2 ⎠ L1=L/2 C2 Z0 ω et C2 = 1 Z0 .ω L’intérêt d’utiliser des composants localisés est que l’on peut introduire une avance de phase (déphasage négatif), dans ce cas, on introduit un signe négatif sur Z1 et Z2. Ces impédances sont alors réalisées respectivement par une capacité et une inductance et non plus une inductance et une capacité. De plus, on peut balayer une grande plage de déphasage, sous réserve que les composants localisés soient réalisables. C1 = 1 Z0 .ω et L2 = Z0 dans le cas d'un déphasage négatif de -90° ω Les coupleurs permettent de répartir la puissance du signal sur 2 ou plusieurs voies afin de partager le signal ou de l’additionner, ce sont alors des combineurs. Il existe deux sortes principales de coupleurs : à lignes couplées et branches. Leur principe de fonctionnement diffère. 2.1 Coupleurs à lignes couplées : Lorsqu’un signal est injecté à l’entrée d’une ligne qui se trouve à proximité d’une seconde ligne, une partie de ce signal passe sur cette seconde ligne par couplage du champ électromagnétique. La matrice ABCD d’un quadripôle en T est donnée par : L1=L/2 L1 = 2. COUPLEURS et DIVISEURS 2 = exp ( -jθ ) A+B.Y0 +C.Z0 +D ⎛ Z1 +Z2 ⎜ Z ( ABCD ) = ⎜⎜ 2 1 ⎜⎜ ⎝ Z2 1 1 = j.Y0 .sinθ j.C2 .ω Ainsi, au lieu d’utiliser une ligne de transmission pour introduire un déphasage, on peut utiliser des éléments localisés associés en un quadripôle en T. Le déphasage sera fonction de la valeur des composants. Ainsi pour obtenir un retard de phase de +90°, les composants doivent avoir les valeurs suivantes à la fréquence f : 1. DEPHASEUR Le circuit déphaseur le plus simple est une ligne de transmission de longueur ℓ. Cette ligne introduit un déphasage égal à θ = β.ℓ, où β est la constante de propagation du signal sur la ligne de transmission. Z2 = Z1 En appliquant la théorie des lignes à cette structure, on s'aperçoit que deux modes de propagation TEM coexistent sur chacune des lignes. Chaque mode a une constante de propagation différente, une vitesse de propagation différente et une impédance caractéristique différente. Ces deux modes sont appelés mode pair (even mode) et mode impair (odd mode). Il a été montré que le maximum de couplage apparaît lorsque la longueur de couplage est de λm/4 ou de kλm/4, k étant un nombre entier impair et λm la longueur d'onde se propageant sur la ligne à mi-bande. Cette longueur de ligne introduit alors un déphasage de 90° du signal. Un coupleur à lignes coupleurs (figure 3) a une valeur de couplage qui dépend de l’espacement entre les lignes et de la largeur des 2 lignes couplées. Z1 Le coupleur le plus utilisé est le coupleur de Lange (figure 3) qui présente un déphasage de 90° entre l’entrée et la sortie. C’est un coupleur quatre ports à 3dB. La voie 1 est l’entrée, les voies 2 et 3 sont les sorties en quadrature et la voie 4 est la voie isolée. La bande passante est élargie en adoptant une structure interdigitée. Z2 Figure 1 : Schéma électrique équivalent à une ligne de transmission : quadripôle en T. CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani 71 CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani 72 En effet, la matrice de l’octopôle correspondant au coupleur branche est la suivante : H w s w εr ⎡0 j 1 0⎤ ⎢ ⎥ Z Z -b ⎢ j 0 0 1 ⎥ S= avec a= 0 et b= 0 ; dans ce cas, le module du paramètre S21 ou a ⎢1 0 0 j ⎥ Z01 Z01 ⎢ ⎥ ⎣0 1 j 0⎦ S31 est égal à 3dB, si b=1 et a=√2. E Mode pair H h εr 2.3 Coupleur en anneau : εr Un signal entrant sur la voie 1 est divisé en phase sur les voies 2 et 3 et un signal entrant sur la voie 4, sort en opposition de phase entre les voies 2 et 3. L’impédance caractéristique de ces lignes de transmission est Z0/√2 pour obtenir un couplage de 3 dB, comme l’indique sa matrice S. E Mode impair Figure 2 : Lignes de champ de lignes couplées en technologies microstrip. 1 2 (a) 1 (b) 2 ⎡0 1 ⎢ -j ⎢1 0 S= 2 ⎢1 0 ⎢ ⎣0 -1 1 0⎤ 0 -1⎥⎥ 0 1⎥ ⎥ 1 0⎦ λm/4 1 3 λm/4 λm/4 4 3 λm/4 4 3 λm/4 4 2 Figure 3 : Coupleur à lignes couplées (a) et coupleur de Lange (b). 3λm/4 2.2 Coupleur branche : Dans le coupleur branche (figure 4), si le signal d’entrée est injecté sur l’accès 1, l’accès 2 est la voie directe, l’accès 3, la voie couplée et l’accès 4, la voie isolée. Les signaux sur les accès 2 et 3 sont en quadrature. Accès 1 Z01, λm1/4 Z0 Z02, λm2/4 Accès 4 Z0 Figure 5 : Coupleur en anneau. 2.4 Diviseur de wilkinson : Z0 Un diviseur de Wilkinson présente 3 accès, il ne fonctionne plus comme un coupleur, mais il répartit, également sur les accès 2 et 3, la puissance d’entrée injectée sur l’accès 1 (figure 6). La résistance R a pour rôle d’assurer l’isolation entre les voies 2 et 3 et leur adaptation à l’entrée, elle doit être égale à 2.Z0. Accès 2 Z02, λm2/4 Z01, λm1/4 Z0 Accès 2 R Accès 3 Accès 1 Z0 Figure 4 : Coupleur branche. Z1, λg1/4 La valeur de l’impédance caractéristique Z01 fixe le couplage, ainsi pour obtenir un coupleur à 3dB, Z01 doit être égale à Z0 / 2 et Z02 à Z0. CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani Z0 Z1, λg1/4 73 Accès 3 Z0 Figure 6 : Diviseur de Wilkinson. CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani 74 L’impédance caractéristique Z1 doit être égale à Z0/√2 afin d’obtenir un couplage de 3dB . La matrice S du coupleur de Wilkinson est alors la suivante : S= Les filtres de type LC sont les filtres réalisables dans le domaine des microondes, en remplaçant les éléments idéaux calculés pour obtenir une réponse de type butterworth, tchebycheff ou cauer, par des éléments distribués ou localisés. On voit bien que l’ordre du filtre n’est plus respecté et que l’introduction des éléments parasites, pour chacun des composants utilisés, va entraîner une modification de la réponse du filtre devant la réponse idéale. ⎡0 1 1 ⎤ -j ⎢ 1 0 0 ⎥⎥ 2⎢ ⎢⎣1 0 0 ⎥⎦ Utilisé en inverse, la propriété de ce diviseur permet d’en faire un combineur de puissance. 2.5 Coupleur et diviseur en éléments localisés : Les structures que nous venons de voir, réalisées en lignes de transmission, sont gourmandes en espace et ont une bande passante limitée et inférieure à 10%. Comme leurs dimensions sont proportionnelles à la longueur d’onde du signal, les dimensions diminuent lorsque la fréquence du signal augmente, ainsi sont-elles moins encombrantes à partir de 20 GHz et en bande millimétrique. A des fréquences plus basses, on peut également réaliser ces structures en éléments localisés. L 1 2 C C 2C L2 1 R 3 2 L1 4 C L2 C Nous avons vu au début de ce chapitre, comment synthétiser des inductances, des capacités et des résonateurs par des lignes de transmission, ainsi un filtre passe-bas consistera en des lignes de transmission de faible et haute impédances caractéristiques, cascadées avec un nombre de lignes correspondant à l’ordre du filtre (figure 9). L2 L4 Z0 C1 C3 3 C Figure 7 : Diviseur de Wilkinson et coupleur branche localisés. C5 2 Z03 Z04 ℓ2 ℓ3 ℓ4 w1,s1 L 2C 2C L L w3,s3 w4,s4 w5,s5 2C ℓ1 4 2C ℓ5 w2,s2 L 1 Z0 Les filtres passe-bande sont réalisés à partir de structures résonnantes. Ces résonateurs sont difficilement réalisables à partir de capacités interdigitées, MIM ou inductances spirales. Or une ligne de transmission de longueur λm/2 ou nλm/2, n étant un nombre entier, n'est autre qu'un résonateur. En utilisant ce type de résonateurs, en les cascadant, en les couplant chacun sur une longueur λm/4 et en associant le nombre de cellules requises, on peut réaliser des filtres passe-bande ou coupe-bande plus facilement (figure 10). 3 L Z05 Figure 9 : Filtre passe-bas en éléments distribués. 2C L Z02 ℓ1 Z0 2C Z01 C L1 L mais les pertes inhérentes à la technologie peuvent devenir importantes, notamment si le filtrage requiert un grand nombre de pôles. ℓ2 ℓ3 ℓ4 Z0 ℓ5 Figure 10 : Filtre passe-bande à lignes couplées. Les filtres sont également utilisés pour réaliser les étages d’adaptation des circuits actifs. Le nombre de pôles du filtre déterminent la raideur de la coupure et ainsi la bande passante du circuit. Figure 8 : Coupleur en anneau localisé. 3. FILTRES 4. ADAPTATEURS D’IMPEDANCE Les filtres peuvent être réalisés en éléments distribués ou localisés. Dans le premier cas la largeur de bande est faible pour un filtre passe-bande, et dans le second cas, elle est plus grande Outre les structures en filtre, il existe différentes méthodes d’adaptation d’impédance que nous allons résumer ici. CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani 75 CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani 76 4.1 Adaptation à un stub : 4.3 Transformateurs quart d’onde : Un stub est un segment de ligne de longueur ℓ, d’impédance caractéristique Z0, terminée par un circuit ouvert ou un court-circuit. En considérant une ligne sans perte, le stub ramène à son entrée une impédance (ou admittance) purement réactive. Ce transformateur est utilisé pour adapter une impédance réelle. ℓ=λm1/4 Le stub doit être placé à une distance d de l’impédance à adapter comme le montre la figure 11. d ℓ=λm1/4 Z0 Z0 Z1 RL Z1 d ℓ Z0 Z0 Figure 13 : Transformateur quart d’onde. j.B ZL=RL+j.XL YL=GL+j.BL Z0 La valeur de l’impédance caractéristique de la ligne quart d’onde est donnée par la relation : Z1 = d ℓ RL YL=GL+j.BL Z 0 .R L Cet adaptateur d’impédance a une structure de filtre passe-bande adapté à une fréquence centrale correspondant à la longueur de la ligne quart d’onde. La largeur de bande d’adaptation est relativement faible en utilisant une seule section, pour l’augmenter, on utilise plusieurs sections de lignes quart d’onde. ℓ=λm1/4 ℓ=λm2/4 ℓ=λm3/4 ℓ=λmN/4 Figure 11 : Adaptation à un stub. Pour adapter à l’impédance Z0, il faut que l’impédance totale vue dans le plan d’entrée du stub soit égale au complexe conjugué de l’impédance Z0. Ceci se traduit par additionner l’admittance ramenée par le stub et celle ramenée par la ligne de longueur d. il suffit ensuite d’égaliser les parties réelles et imaginaires. Ce type d’adaptation est relativement faible bande. Il est à noter que le stub peut être remplacé par un élément localisé inductif ou capacitif qui synthétise l’impédance j.B. Z0 ℓ1 Z0 ℓ2 d ℓ1 ZL=RL+j.XL Z1 Z2 Z3 ZN RL Figure 14 : Transformateur quart d’onde multi-sections. L’impédance caractéristique de chacun des tronçons de ligne peut être calculé à partir de l’équation de récurrence : −N N Z ⎛R ⎞ ln ⎛⎜ n +1 ⎞⎟ = 2 .C n . ln ⎜ L ⎟ ⎝ Zn ⎠ ⎝ Z0 ⎠ 4.2 Adaptation à deux stubs : d Z0 avec N Cn = N! ( N − n ) !.n ! Ces lignes de différentes impédances caractéristiques, sont de largeurs différentes et correspondent à des sauts d’impédance. Pour minimiser les perturbations introduites par ces sauts, des lignes taperisées sont utilisées. ℓ2 YL=GL+j.BL 4.4 Adaptateurs à éléments localisés : Deux types simples d’adaptateurs peuvent être utilisés (figure 15). Figure 12 : Adaptation à deux stubs. En utilisant la théorie des circuits, on égalise l’impédance Z0 à l’impédance totale vue à l’entrée de l’adaptateur. Ce système d’adaptation est utilisé en tant que tuner externe, dont on fait varier les distante et longueurs de stub, pour adapter toute sorte d’impédance et ainsi pouvoir effectuer des mesures de composants, en puissance notamment, afin de déterminer les impédances d’entrée ou de sortie. Ceci nous permet de déduire les valeurs de X et B, qui sont fonctions de Z0, RL et XL, après avoir résolu une équation du second degré. Ces valeurs peuvent être indifféremment positives ou négatives, on prend alors une capacité ou une inductance correspondante, il faut veiller à ce que la valeur numérique calculée corresponde à un composant réalisable. CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani 77 78 CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani 79 CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani D Y22 ZL Y21 v2 ⎛ i1 ⎞ ⎛ Y11 Y12 ⎞ ⎛ v1 ⎞ ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ i 2 ⎠ ⎝ Y21 Y22 ⎠ ⎝ v 2 ⎠ Q C Y12 ΔA B 1 = − B = A B Y22 Y21 Y12 = − Un quadripôle est un circuit à 2 accès, défini par ses courants et tensions à l’entrée et à la sortie. Y11 = D B Ainsi, en fonction de la valeur de l’impédance à adapter, on utilisera la configuration (a) ou (b). S Y11 Y0 Y12 Y0 Y21 Y0 Y22 Y0 −2.S 21 ( 1 + S11 ) ( 1 + S22 ) − S12S21 −2.S12 ( 1 − S11 ) ( 1 + S22 ) + S12S21 ( 1 + S11 ) ( 1 + S22 ) − S12S21 80 ( 1 + S11 ) ( 1 + S22 ) − S12S21 ( 1 + S11 ) ( 1 − S22 ) + S12S21 = ( 1 + S11 ) ( 1 + S22 ) − S12S21 = = = ( 1 + S11 ) ( 1 − S22 ) + S12S21 Z11 = Z0 ( 1 − S11 ) ( 1 − S22 ) − S12S21 Z12 2S12 = Z0 ( 1 − S11 ) ( 1 − S22 ) − S12S21 Z 21 2S 21 = Z0 ( 1 − S11 ) ( 1 − S22 ) − S12S21 ( 1 − S11 ) ( 1 + S22 ) + S12S21 Z 22 = Z0 ( 1 − S11 ) ( 1 − S22 ) − S12S21 Figure 15 : Adaptateurs à éléments localisés. Z 22 ΔZ − Z12 = ΔZ − Z 21 = ΔZ Z11 = ΔZ B i2 ZL=RL+j.XL Y11 = v1 (b) Z 22 i1 j.X Z 21 A j.B Y Z ZS ES ZL=RL+j.XL Z11 = A C Δ Z12 = A C Z 21 = 1 C Z 22 = D C (a) Z0 ABCD j.B Z12 Y22 ΔY − Y12 = ΔY − Y21 = ΔY Y11 = ΔY Z11 = Y j.X ⎛ v1 ⎞ ⎛ Z11 Z12 ⎞ ⎛ i1 ⎞ ⎜v ⎟ = ⎜Z Z ⎟⎜i ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 21 22 ⎠ ⎝ 2 ⎠ Z Z0 5. ANNEXES 5.1 Relations entre les différentes matrices d’un quadripôle : Selon que les impédances sont en série ou en parallèle, il faudra travailler en matrice Z ou Y. Attention : 2 quadripôles en cascade voient leurs matrices ABCD multipliées mais les matrices S ne le sont pas. Dans le tableau suivant, chaque quadripôle est considéré comme étant connecté à une ligne d’impédance Z0, en entrée et en sortie. A + B.Y0 + C.Z 0 + D 2 ( A.D − B.C ) = A + B.Y0 + C.Z 0 + D 2 = A + B.Y0 + C.Z 0 + D − A + B.Y0 − C.Z 0 + D = A + B.Y0 + C.Z 0 + D Quadripôle Matrice ABCD Matrice S Z ⎛1 Z⎞ ⎜0 1⎟ ⎝ ⎠ ⎛ Z 2.Z 0 ⎞ 1 Z + 2.Z 0 ⎜⎝ 2.Z 0 Z ⎟⎠ Y ⎛ 1 0⎞ ⎜Y 1⎟ ⎝ ⎠ ⎛ − Y 2.Y0 ⎞ 1 Y + 2.Y0 ⎝⎜ 2.Y0 − Y ⎟⎠ Z3 ⎛ 1 + Z1 D ⎞ ⎜ Z3 Z3 ⎟ ⎜ Z ⎟ ⎜ 1 1+ 2 ⎟ Z3 ⎠ ⎝ Z3 D = Z1 Z 2 + Z 2 Z 3 + Z 3 Z1 2 ⎞ 2Z 0 Z 3 1 ⎛ − Z 0 + PZ 0 + D ⎜ ⎟ 2 DS ⎝ − Z 0 − PZ 0 + D ⎠ 2Z 0 Z 3 2 D S = Z 0 + QZ 0 + D Q = Z1 + Z 2 + 2Z 3 P = Z1 − Z 2 ⎛ 1 + Y2 1 ⎞ ⎜ Y3 Y3 ⎟ ⎜ Y ⎟ ⎜ D 1+ 1 ⎟ Y Y ⎝ 3 3 ⎠ D = Y1Y2 + Y2 Y3 + Y3 Y1 2 ⎞ 2Y0 Y3 1 ⎛ Y0 − PY0 − D ⎜ ⎟ 2 DS ⎝ 2Y0 Y3 Y0 + PY0 − D ⎠ 2 D S = Y0 + QY0 + D Q = Y1 + Y2 + 2Y3 P = Y1 − Y2 Z1 − y12 y 21 S 21 + y12 y 21 − y12 y 21 S 22 ΔA ΔZ ΔY Z ij Yij y ij = Z0 Y0 = A.D − B.C = Z11 .Z 22 − Z12 .Z 21 = Y11 .Y22 − Y12 .Y21 z ij = Z2 Y3 Y2 α −α −α ⎛ ⎛ 20α 20 20 20 ⎞ ⎞ ⎜ 10 + 10 Z 0 ⎜10 − 10 ⎟⎟ ⎜ ⎟⎟ 2 2 ⎜ ⎝ ⎠ ⎟ ⎜ α −α α −α ⎜ ⎛10 20 − 10 20 ⎞ 10 20 + 10 20 ⎟ Z ⎟ ⎟⎟ ⎜⎜ 0 ⎜⎜ ⎟ 2 2 ⎠ ⎝ ⎝ ⎠ α CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani S 22 S 21 Y1 Avec S 22 − z12 z 21 − z12 z 21 − z12 z 21 S 21 = S S12 2.z12 = ( 1 + z11 ) ( 1 + z 22 ) 2.z 21 = ( 1 + z11 ) ( 1 + z 22 ) ( z + 1 ) ( z 22 − 1 ) = 11 ( 1 + z11 ) ( 1 + z 22 ) − z12 z 21 S12 = (1 + (1 + (1 + = (1 + −2.y12 y11 ) ( 1 + y 22 ) −2.y 21 y11 ) ( 1 + y 22 ) y11 ) ( 1 − y 22 ) y11 ) ( 1 + y 22 ) − y12 y 21 S12 ( 1 − y11 ) ( 1 + y 22 ) + y12 y 21 A + B.Y0 − C.Z 0 − D ( 1 + y11 ) ( 1 + y 22 ) − y12 y 21 S11 = S11 = ( z11 − 1 ) ( z 22 + 1 ) − z12 z 21 ( 1 + z11 ) ( 1 + z 22 ) − z12 z 21 S11 = ⎛ v1 ⎞ ⎛ A B ⎞ ⎛ v 2 ⎞ ⎜ i ⎟ = ⎜ C D ⎟ ⎜ −i ⎟ ⎝ 1 ⎠ ⎝ ⎠⎝ 2 ⎠ 81 ⎛ b1 ⎞ = ⎛ S11 S12 ⎞ ⎛ a 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ b 2 ⎠ ⎝ S 21 S 22 ⎠ ⎝ a 2 ⎠ 2.S 21 B = ( 1 + S11 ) ( 1 + S 22 ) − S12S 21 Z0 2.S 21 C = ( 1 − S11 ) ( 1 − S 22 ) − S12S 21 Y0 2.S 21 ( 1 − S11 ) ( 1 + S22 ) + S12S21 D = 2.S 21 ( 1 + S11 ) ( 1 − S22 ) + S12S21 A = − Y22 Y21 − B = 1 Y21 −Δ Y C = Y21 − Y11 D = Y21 A = Z11 Z 21 Δ B = Z Z 21 ABCD C = 1 Z 21 Z D = 22 Z 21 A = 5.2 Paramètres de certains quadripôles : Z,γ ℓ Z01 ⎛cosh(γl) Z 0 sinh(γl)⎞ ⎜ ⎟ ⎜ sinh(γl) cosh(γl) ⎟ ⎟ ⎜ Z ⎝ ⎠ 0 Z02 CIRCUITS PASSIFS _ C.Algani ⎛1 0⎞ ⎜0 1⎟ ⎝ ⎠ −α ⎛ 20 0 10 ⎜ −α ⎜ 10 20 0 ⎝ ( ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ) ⎞ ⎛ Z 2 − Z 2 .sinh(γl) 2Z.Z 0 0 1⎜ ⎟ DS ⎜ 2 2 2Z.Z 0 Z − Z 0 .sinh(γl)⎟⎠ ⎝ DS ( = 2Z.Z cosh(γl) + (Z 0 2 ) + Z ).sinh(γl) 2 0 1 ⎛ Z 02 − Z 01 2 Z 01 Z 02 ⎞ D S ⎜⎝ 2 Z 01 Z 02 Z 02 − Z 01 ⎟⎠ D S = Z 01 + Z 02 82