Généralités sur la technologie des guides d’ondes intégrés au substrat

RÉSUMÉ

  Les développements technologiques en télécommunication tendent depuis plusieurs années vers la miniaturisation des circuits, une réduction des coûts, des masses et des pertes dans ces dispositifs. La technologie du guide d’ondes intégré au substrat SIW (Substrate Integrated Waveguide) représente une solution très prometteuse pour le développement de circuits et composants qui opèrent dans la bande millimétrique. Vu la ressemblance entre la structure SIW et le guide d’ondes classique, plusieurs circuits micro-ondes à base de la technologie guide d’onde ont été conçus et réalisés avec la structure SIW dont les coupleurs. Pour cela, nous avons envisagé la Nouvelles Topologies des Coupleurs -3dB/180° en technologie SIW pour les applications spatiales.Ce projet de mémoire de fin d’étude vise alors à concevoir une nouvelle topologie des coupleurs directionnels à base de la technologie SIW opérant en bande S et C ont été conçues avec succès. Les résultats obtenus ont montré de bonnes performances en termes de couplage et d’adaptation. Les différentes simulations ont été achevées en utilisant le logiciel CST Microwave Studio.

Généralités sur les guides d’ondes classiques

Historique Le premier guide d’onde à vue le jour grâce à Joseph Thomson en 1893 et vérifié expérimentalement par Oliver Lodge en 1894. L’analyse mathématique de la propagation d’ondes à l’intérieur d’un tube métallique était faite par John Rayleigh en 1897 (McLachan, 1947).La fondation de l’électromagnétisme moderne et les bases théoriques de micro-ondes étaient grâce à Jaunes Clark Maxwell qui formulent les équations et qui portent son nom « Équations de Maxwell » dans son traité sur l’électricité et magnétisme, c’était en 1873. Quinze ans plus tard, grâce à Heinrich Hertz, les ondes électromagnétique expérimentalement ont été détectées et converties à une fréquence d’ordre 1 GHz d’où elles portent son nom « Ondes Hertziennes ». En 1897, Lord Rayleigh démontra la possibilité de réaliser une propagation des ondes dans des tuyaux métalliques creux à section rectangulaire ou circulaire et que l’on appelle guides ondes.
Définition du guide d’onde Un guide d’onde est un système qui sert à guider les ondes électromagnétiques ou les ondes acoustiques afin de les confiner dans un espace restreint.Le guide d’onde est notamment utilisé en optique, en physique et en télécommunication. Pour guider les ondes, le système est généralement constitué de deux matériaux différents. Il peut aussi être constitué d’un seul matériau avec un gradient d’indice. Les guides d’ondes peuvent être généralement classés comme des guides d’ondes diélectriques ou des guides d’ondes métalliques. Les guides d’ondes diélectriques se composent seulement de diélectriques et emploient les réflexions à partir d’interfaces diélectriques à propager l’onde électromagnétique le long du guide. Les guides d’ondes métalliques prennent habituellement la forme d’un tube de métal conducteur clos. Les ondes se propageant à l’intérieur du guide d’ondes de métal peuvent être caractérisés par des réflexions à partir des parois conductrices. Les guides diélectriques sont très peu utilisés dans les circuits passifs micro-ondes. En effet : Les guides diélectriques à structure planaire sont utilisés pour les circuits intégrés en ondes millimétriques ou ils se prêtent bien à l’intégration des composants actifs et passifs. Ils servent aussi à réaliser des circuits passifs. Le guide diélectrique à section circulaire est surtout utilisé pour les télécommunications aux fréquences optiques.

Historique de SIW

   La technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW est une technique très prometteuse du fait qu’il permet d’utiliser des avantages des guides d’onde et des lignes de transmissions planaires.Depuis le début des années 1990, diverses tentatives ont été proposées pour la mise en œuvre de structures de guides d’ondes planaires. La première référence dans la littérature est un brevet japonais en 1994 où un nouveau guide d’onde diélectrique-chargé est proposé sous la forme de deux rangées de vias métalliques dans un substrat diélectrique [11]. Plus tard en 1995, un brevet américain propose un guide d’onde avec un processus LTCC (Low Temperature Co Ceramics) aussi appelé structure diélectrique multicouche  .En 1997, une première application de la technologie SIW apparait pour les antennes millimétriques [13], suivie par d’autres études connexes, puis l’utilisation des composants SIW en LTCC. Depuis le début des années 2000, l’intérêt pour la technologie SIW et l’intégration des composants est intensivement menée par l’équipe dirigée par le professeur Ke Wu au Centre de recherche Polygames. L’excitation par ligne micro ruban comme transition vers une topologie SIW a fait l’objet d’un rapport en 2001, cette excitation est devenue, la référence des excitations de circuits SIW.

Les circuits passifs SIW

   En comparant avec les circuits passifs, l’implémentation de composants actifs dans la technologie SIW est moins attirante, et de nouveaux essais de conception vers l’intégration complète Sos (système on substrat) sont données. Concevoir et optimiser un circuit actif consiste à faire intégrer des dispositifs actifs dans un circuit SIW passif en exploitant les avantages de la technologie et comme exemple on a les faibles pertes d’isolation élevée et une taille compacte pour avoir de bonne performance à moindre cout de façon général. Le rôle d’une des faces conductrices du SIW est de reporter la façon active et la connexion devra assurée à des linges micro-ruban. Concernant les circuits passifs, la plupart des composants hyperfréquences classiques ont été mis en œuvre dans les technologies SIW. Cette solution permet généralement d’obtenir des composants avec une taille réduite par comparaison avec les fonctions de guide d’ondes classiques. Parmi les composants passifs, les filtres ont reçu une attention particulière. Quelques exemples sont reportés sur la figure I.17, comme le coupleur, le filtre, la cavité rectangulaire, et le duplexeur SIW, ….etc.

Duplexeur à coupleur -3dB éclateurs

  Les éclateurs sont excités au moment de l’émission et vont se comportent comme des court-circuites, après réflexion, l’énergie est recueillie par l’antenne. Les ondes qui traversent le court-circuit donnent, après passage dans le second coupleur, des ondes en opposition de phase au niveau du récepteur.Au niveau de la réception les circuits sont ouverts et la composition des ondes va orienter le signal vers le récepteur.

Duplexeur

  Le duplexeur est un dispositif permettant l’utilisation d’une même antenne simultanément pour l’émission et la réception, et est une composante essentielle de tout système de communication sans fil qui opère en mode de du plexage de fréquence FDD (Frequency Devision Duplexing), comme il s’agit d’une composante RF passive composée de trois ports : un de réception, un de transmission et un attaché de l’antenne. Il est inclus essentiellement deux filtres passe-bande servent à isoler le port de transmission et de réception. Théoriquement, toute la puissance d’un signal reçue et provenant de port de l’antenne à la fréquence de réception devrait être acheminée sans perte vers le prote de réception. De même, toute la puissance d’un signal provenant du port du transmetteur devrait être acheminée sans perte vers le prote de transmission. Il va de soi que les fréquences de réception et de transmission sont différentes. Afin d’occuper une petite largeur de bande fréquentielle totale sur le spectre, la bande de fréquence assignée à la transmission est normalement très rapprochée de celle assignée à la réception. De ce fait, l’utilisation du spectre électromagnétique devient plus efficace.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur la technologie des guides d’ondes intégrés au substrat
I.1 Introduction
I.2. Les équations de Maxwell
I.3. Généralités sur les guides d’ondes classiques
I.3.1. Historique
I.3.2. Définition du guide d’onde
I.3.2.1 Description des guides
I.3.3. Les avantages du guide d’onde
I.3.4. Utilisations du guide d’onde
1.3.5. Les guides d’ondes circulaires
I.3.5.1 Définition
I.3.5.2 Les modes de propagations
I.3.5.2.1. Étude des modes TE mn
I. 3.5.2.2. Étude des modes TM mn
I. 3.5.2.3. Étude des divers modes de propagation
I.3.6. Les guides d’ondes rectangulaires.
I.3.6.1. Définition
I.3.6.2. Les conditions aux limites
I.3.6.3. Les modes de propagations
I.3.6.3.1 Les modes de propagations TEmn
I.3.6.3.2. Les modes de propagation TM mn
I.3.7. Les lignes de transmissions
I.3.7.1 Ligne micro-ruban
I.3.7.2 ligne coplanaire
I.4. La technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW
I.4.1 Historique de SIW
I.4.2 Définition
I.4.3 Principe de fonctionnement
I.4.5 Quelques exemples des circuits
I.4.5.1 Les circuits passifs SIW
I.4.5.2 Les circuits actifs SIW
I.5 Utilisation des bandes de fréquences
I.5.1 La bande C
I.5.2 La bande S
I.6 Conclusion
Chapitre II : Les coupleurs directifs
II.1 Introduction
II.2 Théorie des coupleurs directifs
II.2.1 les coupleurs directionnels
II.2.1.1 Définition
II.3 coupleurs à la technologie SIW
II.3.1 coupleurs 3-D SIW pour couplage faible
II.3.1.1 Coupleur Schwinger
II.3.1.2 Coupleur de Bethe
II.3.1.3 Coupleurs à fente
II.3.1.3.1 Coupleurs à fente sur la grande cote
II.3.1.3.2 Coupleur à deux trous sur la petite cote
II.3.2 coupleurs 3 D SIW pour couplage élevé
II.3.2.1 coupleur -3db SIW de type Riblet tridimensionnel
II.4 Exemples d’application 
II.4.1 Déphaseur
II.4.2 Déphaseur à Ferrite
II.4.2.1 Déphaseur à effet Faraday
II.4.2.2 Déphaseur à champ longitudinal
II.4.2.2.1 Déphaseur Reggia Spencer
II.4.2.2.2 Déphaseur sur ligne micros trip
II.4.2.2.3 Déphaseur à polarisation circulaire et champ longitudinal
II.4.2.2.4 Déphaseur à Latching
II.4.2.2.5 Application au déphaseur sous guide
II.4.3. Duplexeur
II.4.3.1 Duplexeur à coupleur total (duplexeur à rideau)
II.4.3.2 Duplexeur à coupleur -3db éclateurs
II.4.4 Diplexeur
II.5 Conclusion
Chapitre III : Présentation des résultats et discussion
III.1 Introduction 
III.2 Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW
III.3 Conception d’un guide SIW fonctionnant dans la bande C
III.4. Conception du guide SIW opérant en bande S
III.4.1 Conception du coupleur directionnel SIW fonctionnant dans la bande C
III.5 Conception du coupleur directionnel SIW fonctionnant dans la bande c
III.5.1 Conception du coupleur directif SIW demi-monde (-3dB) fonctionnant dans la bande C
III.6. Conclusion
Conclusion générale
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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