Généralités sur la technologie des SIW

Adaptation du Guide d’Ondes en Technologie SIW

La ligne micro-ruban

La connexion entre les guides d’ondes rectangulaires et les circuits planaires ne peut pas avoir lieu sans le soutien de structures supplémentaires appelées transitions. Une transition efficace entre un guide d’onde rectangulaire et une ligne microruban requière alors une conformité des champs à l’interface entre les deux structures, ainsi qu’une adaptation d’impédance.

La ligne micro-ruban est l’une des structures de guidage pour circuits microondes parmi les plus connues, utilisée en micro-électronique pour confectionner des circuits planaires (miniaturisation) réalisant des fonctions données. Elle est constituée d’un plan de masse parfaitement conducteur sur lequel est déposé un substrat diélectrique dont sa surface supérieure est le siège d‟un ruban conducteur. Le substrat est caractérisé par sa permittivité ɛᵣ et son épaisseur h tandis que le ruban est caractérisé par son épaisseur t et sa largeur W.
Le champ électromagnétique est guidé dans le substrat, entre le plan de masse et la ligne. Bien que sa géométrie soit relativement simple, cette structure ne supporte pas une onde TEM (Transverse Electro Magnétique) pure, parce que les lignes de champ entre les deux couches conductrices ne sont pas localisées uniquement dans le diélectrique, mais se perdent également dans l‟air (Composante longitudinale non nulle), on a alors des modes hybrides. Le mode fondamental de cette structure est alors un mode hybride qui peut être assimilé à un mode TEM dans sa gamme des fréquences basses. Il est appelé mode quasi-TEM. Afin de simplifier l‟étude de cette structure, la notion de ligne effective a été introduite. Elle consiste à rechercher une modélisation équivalente par une ligne à diélectrique homogène illimité dont la permittivité (effective) est liée aux différents milieux constituant la ligne.

Lors de l‟étude des lignes microrubans, l‟analyse consiste à déterminer à partir des paramètres physiques (dimensions et permittivité), la permittivité effective et la largeur effective nécessaires à la détermination de l‟impédance caractéristique de la ligne, et de remplacer la structure réelle par un diélectrique homogène de permittivité eff donnée par la relation suivante :

La transition

Le signal transitant par un guide d‟ondes, nécessite généralement une transition intermédiaire pour faire un lien entre le circuit planaire en technologie microruban et le guide d‟ondes. Cette transition doit permettre d‟adapter en impédance le mode fondamental du guide TE10 sur le mode quasi-TEM de la ligne microruban[41]. Une transition doit être simple à réaliser, engendrer un minimum de pertes et l‟adaptation doit donc être optimale. Vu que l‟impédance au niveau du guide est beaucoup plus importante que celle de la ligne microruban (généralement de 50Ω dans la gamme des microondes), la conception d‟un tel dispositif reste assez compliquée. Les dimensions de cette transition sont optimisées pour fonctionner dans une bande de fréquences donnée.

Les structures de transition entre les circuits planaires et les guides d’ondes rectangulaires traditionnels ont été largement étudiées, et différentes approches d‟adaptation d‟impédance ont été utilisées en microondes. A titre d‟exemple la technique du guide d‟onde corruguée considère une transition constituée d‟une discontinuité entre une ligne microruban et un guide d‟ondes corruguée qui se transforme ensuite en un guide d‟ondes rectangulaire métallique.
D‟autres techniques utilisent une fente située au niveau du plan de masse sous la ligne microruban ou une sonde ou un patch placé au bout de la ligne microruban (figure I.23).

D‟autre part, depuis que les composants SIW et les circuits planaires ont pu être intégrés sur le même substrat, différentes transitions efficaces ont été proposées pour adapter des guides d‟ondes avec les circuits planaires [44]. Nous citons en particulier la transition microruban conique (taper) coplanaire au guide d’onde [45], facilement réalisable.
La nécessité de combiner les deux technologies ensemble, celle du guide d‟onde intégré dans le substrat et celle de la ligne microruban, impose de dépasser les dissimilitudes physiques et électromagnétiques de ces supports de transmission. Il est apparent que les champs sont, dans les deux cas, polarisés de la même façon, par contre les champs du guide d’onde couvrent une région plus grande par rapport à ceux de la ligne microruban plus concentrés entre le plan de masse et le conducteur comme représenté sur la figure I.24.

SIW

Avec la création de nouveaux composants, de nouvelles technologies, les industriels et les chercheurs sont amenés à améliorer et à adapter leurs outils de simulation, pour que les méthodes soient adaptées à ces dispositifs (meilleur temps de calcul, plus de précision…).
Toutes ces conditions ont donné naissance à plusieurs méthodes numériques notamment celles appliquées à l‟électromagnétisme.

La méthode des Moments

La méthode des Moments (MoM) est une méthode fréquentielle permettant de résoudre les équations de Maxwell sous forme intégrale en les réduisant à un système linéaire d‟équations. Elle est très utilisée pour la modélisation des problèmes des antennes et de transitions entre guides, ainsi que pour les circuits planaires. La méthode des moments permet de réduire une relation fonctionnelle en une relation matricielle. Elle permet ainsi de déterminer la distribution de courant permettant au champ résultant de satisfaire les conditions aux limites, et ce, en décomposant le courant dans une base de fonctions permettant de transformer des équations intégrales en un système linéaire.

La méthode des différences finies

La méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD) est l’une des plus anciennes, des plus répandues et des plus utilisées en modélisation électromagnétique.
Elle permet de modéliser la structure à étudier d‟une manière très proche de la réalité [48].
Elle est basée sur la résolution discrète des équations de Maxwell dans le domaine temporel.
Les dérivées des grandeurs par rapport au temps et à l‟espace sont approchées par des développements limités.

La méthode des éléments finis

La méthode des éléments finis (FEM) est porte sur une fonction spécifique définie sur un domaine et comporte des conditions aux bords permettant d‟assurer existence et l‟unicité de la solution. Pour la simulation de structures dans le domaine fréquentiel, L’IEMN (l‟Institut d‟Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie) a développé le logiciel HFSS basé sur cette méthode [49]. Cette méthode est capable de caractériser des structures planaires ou volumiques, de milieux isotropes ou non, avec ou sans pertes.

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons introduit quelques notions sur les guides d‟ondes avec les différents types de technologies existantes, c‟est-à-dire les guides d‟ondes classiques et la technologie planaire. Pour ce qui est des guides classiques, nous nous sommes intéressés à l’étude des guides dits rectangulaires, car la résolution des équations de Maxwell nous donnent des résultats plus faciles à exploiter. On se basant sur ces derniers une nouvelle technologie a été développée, qui est la technologie SIW. Cette technologie possède plusieurs avantages par rapport aux guides d‟ondes classiques, nous citerons son faible coût de réalisation et sa petite dimension qui facilite son intégration au saint des circuits pour différents types d‟application.

Le prochain chapitre sera consacré à la présentation des filtres sélectifs et filtres passe bandes.

La méthode des différences finies

La méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD) est l’une des plus anciennes, des plus répandues et des plus utilisées en modélisation électromagnétique.
Elle permet de modéliser la structure à étudier d‟une manière très proche de la réalité [48].
Elle est basée sur la résolution discrète des équations de Maxwell dans le domaine temporel.
Les dérivées des grandeurs par rapport au temps et à l‟espace sont approchées par des développements limités.

La méthode des éléments finis

La méthode des éléments finis (FEM) est porte sur une fonction spécifique définie sur un domaine et comporte des conditions aux bords permettant d‟assurer existence et l‟unicité de la solution. Pour la simulation de structures dans le domaine fréquentiel, L’IEMN (l‟Institut d‟Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie) a développé le logiciel HFSS basé sur cette méthode [49]. Cette méthode est capable de caractériser des structures planaires ou volumiques, de milieux isotropes ou non, avec ou sans pertes.

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons introduit quelques notions sur les guides d‟ondes avec les différents types de technologies existantes, c‟est-à-dire les guides d‟ondes classiques et la technologie planaire. Pour ce qui est des guides classiques, nous nous sommes intéressés à l‟étude des guides dits rectangulaires, car la résolution des équations de Maxwell nous donnent des résultats plus faciles à exploiter. On se basant sur ces derniers une nouvelle technologie a été développée, qui est la technologie SIW. Cette technologie possède plusieurs avantages par rapport aux guides d‟ondes classiques, nous citerons son faible coût de réalisation et sa petite dimension qui facilite son intégration au saint des circuits pour différents types d‟application.

Le prochain chapitre sera consacré à la présentation des filtres sélectifs et filtres passe bandes.

Ce dispositif permet donc dans l‟idéal de transmettre les signaux utiles de manière transparente (bande passante) en éliminant complètement les autres (bande(s) atténuée(s) ou coupée(s)). Le spectre des fréquences s‟étendent du continu (fréquence nulle) à l‟infini. On peut donc distinguer quatre sort de filtres : passe bas, passe haut, passe bande et coupe bande, dont l‟allure des réponses est présenté dans la figure II.2 [51].

Nous nous intéressons plus particulièrement aux filtres passe bande et sélectif.
 Un filtre passe bande : est un filtre ne laissant passer qu‟une bande ou intervalle de fréquences compris entre une fréquence de coupure basse et une fréquence de coupure haute.
 Un filtre sélectif : Plus le filtre est sélectif, plus sa conception est compliquée et plus le coût est élevé. On choisira par conséquent, dans la mesure du possible, des filtres peu sélectifs dans une chaîne de transmission. La sélectivité peut être déterminée par le rapport bande utile sur fréquence utile. Plus le rapport est petit, plus le filtre est sélectif [52].

Notion de la fonction de transfert

Le comportement d‟un filtre est défini par l‟étude fréquentielle de la fonction de transfert entre l‟entrée V1 et la sortie V2 du filtre [53].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : généralités sur la technologie des SIW
I.1. Introduction
I.2. Théorie des guides d’ondes classiques
I.2.1. Définition
I.2.2. Les types de guide d’onde
I.2.2.1 Guide d’onde rectangulaire
I.2.2.2 Guide d’onde circulaire
I.2.2.3Guide d’onde elliptique
I.2.3. Equations de Maxwell
I.2.4. Propagation dans un guide d’onde –Onde électromagnétique
I.2.4.1 Les équation de propagation
I.2.4.2 Propagation du mode TE
I.2.4.3 Impédance de l’onde guidée
I.2.5. Fréquence de coupure
I.2.6.Facteur de qualité
I.2.7. Les pertes
I.3. La technologie a circuits imprimé (planaire)
I.4. Guide d’onde intégré au substrat(SIW)
I.4.1. Introduction
I.4.2. Définition d’un guide SIW
I.4.3. Paramètres des guides d’ondes intégrés au substrat(SIW)
I.4.3. Paramètres des guides d’ondes intégrés au substrat(SIW)
I.4.4.1 Les circuits passifs SIW
I.4.4.2. Les circuits actifs SIW
I.4.5. Les antennes SIW
I.4.6. Adaptation du Guide d’Ondes en Technologie SIW
I.3.6.1. La ligne micro-ruban
I.3.6.2.La transition
I.4.7. Méthodes numériques utilisées pour la conception de circuits SIW
I.4.7.1. La méthode des Moments
I.4.7.2. La méthode des différences finies
I.4.7.3. La méthode des éléments finis
I.5. Conclusion
Chapitre II : Théorie des filtres
II.1. Introduction
II.2 Théorie des filtres
II.2.1 Définition
II.2.2 Notion de la fonction de transfert
II.2.3 Notion de bande passante d’un filtre passe bande
II.2.4 Pertes d’insertion
II.2.5 Facteur de qualité
II.3. Techniques de filtrage
II.3.1. Filtrage par des cavités métallique
II.3.3 Filtrage par filtre DGS
II.3.3.1 Les caractéristiques des éléments du DGS
II.3.3.2 Exemple : Filtre DGS amélioré
II.4. Applications des filtres SIW (de la littérature)
II.4.1 Filtre SIW combiné en cascade avec une antenne patch
II.4.2. Nouvelle topologie d’un filtre passe bande SIW en bi -mode
II.4.3. Filtre sur la base de résonateurs SIW complémentaires à anneau fractionné Opérant en bande Ka
II.4.4. Conception de filtres SIW miniatures sur un substrat céramique de forte permittivité
II.5 Conclusion
Chapitre III : Présentation des résultats de simulations
III.1. Introduction
III.2 Transition de la ligne microruban au guide d’onde SIW
III.3. Conception du guide SIW opérant en bande S
III.3.1. Conception du guide SIW opérant en bande S avant l’adaptation
III.3.2. Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW opérant en bande S
III.3. Conception du guide SIW opérant en bande C
III.3.1. Conception du guide SIW opérant en bande C avant adaptation
III.3.2. Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW opérant en bande C
III.4 Conception d’un filtre symétrique SIW
III.4.1.Conception de filtre DGS SIW fonctionnant en bande S
III.5.1 Structures du filtre passe bande opérant en bande C
III.7 Comparaison des résultats de simulation
III.8 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

Télécharger le rapport complet