Guide d’onde rectangulaire

Guide d’onde rectangulaire

Définition Un guide d’onde est un système qui sert à guider les ondes électromagnétiques ou les ondes acoustiques selon la taille du guide, celui-ci peut être monomode, c’est-à-dire qu’il ne supporte qu’un mode de propagation ou alors multimode, c’est-à-dire qu’il va supporter plusieurs modes de propagation [23].Un mode correspond à une configuration spatiale du champ électromagnétique. On peut citer les modes transverse électrique (TE) et transverse magnétique(TM), pour lesquels le champ électrique et le champ magnétique constituant l’onde sont orthogonaux à la direction de propagation. Selon la répartition du champ chaque mode voit un indice différent des matériauxconstituant le guide d’onde dépendant de chaque mode.

L’indice vu par chaque mode définit l’indice effectif.Parmi les guides d’ondes courants, on peut citer les câbles coaxiaux utilisés pour des fréquences allant de quelques dizaines de kilohertz (KHz) à plusieurs centaines de mégahertz (MHz) [24]. Ils sont constitués deux conducteurs cylindriques des même axe, isolésélectriquement l’un de l’autre. Ainsi, des courants électriques opposés parcourent les deuxconducteurs, mais l’onde est localisée dans l’espace séparant les deux conducteurs, et se propage dans le sens de la longueur du câble. Pour la propagation des ondes hyperfréquence (plusieurs gigahertz) le guide d’ondespeut être constitué d’un simple conducteur creux dans lequel l’onde se propage [25]. Comme pour les ondes libres, la propagation des ondes y est régie par les équations de Maxwell [26].La géométrie interne du guide permet de définir une fréquence de coupure, qui est la fréquence minimale que doit avoir l’onde pour pouvoir se propager [27]. Le guide rectangulaire est l’un des premiers types de lignes de transmission utilisés pour transporter des signaux hyperfréquences. Plusieurs composantes, tels que des coupleurs,détecteurs, ou atténuateurs sont disponibles commercialement pour des fréquences de 1 GHz à plus de 220 GHz. Bien que les circuits hyperfréquences sont de plus en plus miniaturisés, les guides rectangulaires sont encore utilisé cause de leur capacité à transporter de grandes puissances [28].

Technologies planaires

Les technologies planaires sont complémentaires aux technologies volumiques. Là où ces dernières peinent à cause de leur encombrement et poids trop important, ou à cause de leur mauvaise connectivité, les technologies planaires répondent favorablement à ces critères. Elles sont par ailleurs adaptées aux productions de masse, et donc à la réduction des coûts. Ces qualités ont un prix qui se paye par des puissances admissibles limitées au Watt.Le principe est basé sur l’utilisation d’un substrat diélectrique sous forme de plaques, métallisées sur l’une ou les deux faces. Plusieurs conception sont alors possibles, comme par exemple le micro-ruban, le coplanaire ou la tri-plaque.

Lignes Micro-ruban La ligne micro-ruban est très utilisée pour la fabrication de circuits hyperfréquences, principalement parce qu’elle s’apprête bien à une fabrication par procédé photo-lithographique,et également parce qu’elle permet une intégration simple des composantes passives et actives par montage en surface. Dans une ligne micro-ruban, les lignes de champ sont surtout concentrées dans le diélectrique entre la ligne métallisée et le plan de masse, bien qu’une faible portion se retrouve également dans l’air au-dessus du substrat. Cela implique qu’une ligne micro-ruban ne puisse supporter un mode TEM pur, puisque la vitesse de phase « c » des champs TEM dans le diélectrique « εr » diffère de celle dans l’air.  En réalité, les champs exacts d’une structure micro-ruban correspondent à une onde TM et TE. Toutefois, dans la plupart des cas pratiques, l’épaisseur du diélectrique est électriquement suffisamment petite et par conséquent les champs sont quasi-TEM, c’est-à-dire qu’ils correspondent au cas statique. Par conséquent, on peut approximer la constante de propagation, la vitesse de phase et l’impédance caractéristique à l’aide de solutions statiques et quasi-statiques.

a) Caractéristiques des lignes micro-rubans: On peut citer les caractéristiques suivantes :
• Les signaux en courant alternatif aussi bien qu’en courant continu peuvent être transmis.
• Les composants actifs, diodes et transistors peuvent être facilement implémentés (des connexions en dérivation sont aussi facilement réalisables).
• La caractérisation des composants sur le circuit est simple à effectuer.
• La longueur d’onde de la ligne est considérablement réduite (généralement un tiers) de sa valeur dans le vide.
• La structure est assez irrégulière et peut résister modérément à des tensions et des niveaux de puissances élevés.

b) Avantages et inconvénients des lignes micro-rubans :Il est évident qu’une ligne micro ruban de base (non protégée) n’est pas vraiment une structure pratique. Elle est couverte d’air et en réalité, il est souhaitable d’avoir des circuits aussi bien couverts pour les protéger contre les interférences extérieures. Les buts principaux du blindage sont de fournir la force mécanique, protégeant la fin du support et la chaleur qui se dissipe dans le cas des applications de haute puissance.

L’empaquetage doit protéger les circuits contre l’humidité, la poussière, et d’autres contaminants environnementaux. La ligne micro ruban est la plus couramment employée pour le moment, cette ligne présente les avantages suivants par rapport aux lignes coaxiales et aux guides d’ondes. On peut citer les avantages suivants :
• Toute configuration du conducteur supérieur peut être déposée directement sur le diélectrique ce qui est une opération peu coûteuse.
• Des éléments semi-conducteurs peuvent être aisément fixés à cette structure puisqu’elle est de configuration plane.
• Tous les éléments incorporés à la structure sont aisément accessibles. Mais malgré ces performances, ils ont des inconvénients qu’on peut citer:
• Le champ électrique est perturbé par l’interface air diélectrique.
• Existence d’un effet de bord : les champs s’étendent de part et d’autre de ruban.
• Les champs électriques et magnétiques sont orthogonaux dans le plan transverse.
• Les pertes sont plus élevées par suite du rayonnement ; elles dépendent fortement de l’épaisseur et de la constante diélectrique du substrat.On peut concevoir des MIC, à base de micro ruban pour des fréquences allant de quelques gigahertz (ou même moins) à plusieurs dizaines de gigahertz. Aux fréquences plus élevées, surtout dans la zone des longueurs d’ondes millimétriques, les pertes (y compris les rayonnements) deviennent importantes.Dans une ligne micro ruban les champs électromagnétiques existent en partie dans l’air au-dessus du substrat diélectrique et en partie dans le substrat lui même. Donc :
• Le champ électrique est perturbé par l’interface air – diélectrique.
• Existence d’un effet de bord : les champs s’étendent de part et d’autre de ruban.
• Les champs électriques et magnétiques sont orthogonaux dans le plan transverse. Pour diminuer les pertes par ondes rayonnées, les solutions sont les suivantes :
• Augmenter l’épaisseur « d » du substrat.
• Utiliser des substrats à constantes diélectriques considérables. Cependant, le rayonnement est l’effet désiré dans les antennes micro ruban.

c) Matériaux du substrat :Le substrat est une partie intégrale de la ligne micro ruban et détermine les caractéristiques électriques du circuit. En même temps que l’épaisseur « d » du substrat, la constante diélectrique définit l’opération de base de la structure. Un bon substrat doit avoir une constante diélectrique « ɛr» uniforme et une épaisseur « d », pour assurer la reproductibilité du circuit. Le matériel du substrat fournit également l’appui mécanique qui assure que des composantes implantées sont correctement placées et mécaniquement stable. Les pertes diélectriques du substrat doivent être très petites afin d’assurer un rendement élevé des circuits et des facteurs de qualité acceptables pour des filtres de résonateurs. Les substrats peuvent être groupés en cinq catégories principales: en céramique, synthétique, composé, semi-conducteur et ferromagnétique.

Ligne coplanaire La technologie coplanaire se matérialise par une métallisation sur une seule face de substrat. La ligne est alors matérialisée par deux fentes gravées dans le métal, comme le montre la figure I.5. Cette technologie a pour avantage de réduire encore le coût de fabrication puisque tout est réalisé sur une seule face. On s’affranchit ainsi des perçages et de dépôt métalliques supplémentaires. Cependant, le fait d’avoir trois conducteurs en parallèle rend la propagation possible selon deux fondamentaux. Le premier qui est le mode quasi-TEM, et le second est le mode TE. Ce dernier apparait notamment avec la présence de discontinuités. La solution pour s’affranchir du mode TE consiste à mettre au même potentiel les deux plans métalliques extérieur à la ligne. Mais en pratique, cela reste difficile et couteux à réaliser. Pour cette raison le coplanaire reste peu utilisé

Ligne tri-plaque La technologie tri-plaque revient à noyer un ruban métallique dans un substrat, dont les deux faces ont été métallisées. Nous retrouvons donc, comme pour le coplanaire, trois conducteurs en parallèles, avec deux modes de propagation possibles. Mais contrairement au coplanaire, le mode parasite peut être facilement éliminé en ajoutant des tiges métallisés tout au long de la ligne, pour relier les deux faces métallisées et les maintenir au même potentiel électrique. De plus, le fait de noyer la ligne dans un substrat permet de réduire considérablement les dimensions grâce à la permittivité relative plus élevée. Par ailleurs, la métallisation des deuxfaces protège des pertes par rayonnement. Les inconvénients de tri-plaque sont d’avoir des coûts de réalisation plus élevés que les autres techniques planaires, et l’ajout de composants localisés est plus difficile à réaliser.

La technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW

Introduction Nous avons montré les caractéristiques d’un guide d’onde rectangulaire ainsi que ses paramètres théoriques. Elle nous a permis de bien comprendre les principes physiques les plus importants et de les interpréter. Tout ce qui est valable pour un guide d’onde rectangulaire sera par la suite projeté dans la technologie SIW. La technologie de guide d’ondes intégré au substrat SIW représente une solution très prometteuse pour le développement des circuits et des composants qui opèrent dans la bande millimétrique. La majorité des composants qui s’appuie sur un guide d’ondes rectangulaire classique a été réinventée avec un équivalent fonctionnant avec la technologie SIW, grâce à la similarité entre le guide d’onde et cette dernière. Cette technologie est compatible avec plusieurs composants passifs, actifs et même des antennes. Cette partie fournit une vue d’ensemble des avancés dans les structures SIW et dans l’intégration de cette technologie avec des composants [30].

Structure SIW

Les études théoriques montrent que les caractéristiques de propagation dans une structure SIW sont similaires à celles d’un guide d’ondes rectangulaire. Plus précisément, si on néglige les pertes de rayonnement entre les trous métalliques, les modes SIW coïncidentexactement avec les modes de propagation d’un guide d’ondes rectangulaire transverse électrique mais pas les modes transverses magnétiques [32]. Le mode transverse magnétique nécessite des courants surfaciques sur les deux plans conducteurs horizontaux d’un guide d’onde rectangulaire, mais dans notre cas, à cause de l’espace créé par les trous métalliques, ces courants horizontaux ont des difficultés à circuler [33]. Donc pour la technologie SIW le mode fondamental est le mode TE10, avec un courant électrique sur les deux plans métalliques en haut et en bas ce qui explique la similarité entre un guide d’onde rectangulaire et la technologie SIW.

Etude de l’antenne Vivaldi Antipodal

L’antenne sur son support d’alimentation (SIW et micro-ruban) a été présentée avec tous ses paramètres. Cette dernière est alimentée par un guide d’onde intégré au substrat SIW et adaptée par une ligne de transmission de type micro-ruban. Cette structure est modélisée et optimisée par le logiciel CST Microwave Studio ®. Cette antenne Vivaldiest conçue avec unetransition partant d’une ligne micro-ruban de l’antenne est imprimée sur les deux faces et créant une alimentation non symétrique. L’antenne est imprimée sur les deux faces sur le substrat de façon opposé. L’antenne Vivaldi est principalement utilisée dans la conception réseaux d’antennes ultra large bande ULB pour des applications radars [84].

Réseau d’antennes de huit éléments de profil exponentiel de type Vivaldi

Dans la conception d’un réseau de huit éléments d’antennes de profil exponentiel de type Vivaldi, les exigences exigent une faible perte, un gain élevé, et des pertes minimales de structure atteindre une efficacité élevée de rayonnement afin de réduire les pertes de l’antenne, et d’obtenir un rapport élevé de l’efficacité qui est donné par G/D (rapport entre le gain et la directivité). Sur la figure IV.19, une répartition des antennes uniformes sont placés selon l’axeOy avec un réseau d’alimentation SIW. Ceci permettre une excitation équi-amplitude sur la bande de fréquences nécessaire. Le réseau d’antennes Vivaldi et le réseau d’alimentation SIW sont schématisés sur la figure IV. 19. A noter que le gain du réseau augmente au fur et à mesure que l’espacement entre les éléments d’antennes augmente jusqu’à ce que l’espacement soit proche de 0.8λ, et ensuite, il chute rapidement [86].

Table des matières

LISTE DES ACRONYMES
LISTE DES FIGURES
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I ETAT DE L’ART DE TECHNOLOGIE SIW ET L’IMAGERIE PASSIVE
I. 1. INTRODUCTION
I. 2. GUIDE D’ONDE RECTANGULAIRE
I. 2. 1 DEFINITION
I. 2. 2 ETUDE DES MODES TE
I. 2. 3 ETUDE DES MODES TM
I. 3. GUIDE D’ONDE CIRCULAIRE
I. 4. TECHNOLOGIES PLANAIRES
I.4.1. LIGNES MICRO-RUBAN
I.4.2. LIGNE COPLANAIRE
I.4.3. LIGNE TRI-PLAQUE
I. 5. LA TECHNOLOGIE DES GUIDES D’ONDES INTEGRES AU SUBSTRAT SIW 
I.5. 1 INTRODUCTION
I.5. 2 PROBLEMATIQUE
I.5. 3 DEFINITION
I.5. 4 PRINCIPE
I.5. 5 STRUCTURE SIW
I.5. 6 TYPES DE STRUCTURES SIW
I.5. 7 SIW ET LES MECANISMES POUR LUTTER CONTRE LES  PERTES
I.5. 8 LES AVANTAGES DE LA TECHNOLOGIE SIW
I.5. 9 PARAMETRES DES GUIDES D’ONDES INTEGRES AU SUBSTRAT (GUIDES SIW)
I. 6. TRANSITION DES LIGNES MICRO-RUBANS AUX GUIDES D’ONDES INTEGRES AU SUBSTRAT
I. 7. LES APPLICATIONS D’IMAGERIE PASSIVE
I. 7. 1. RESEAU A PLAN FOCAL (FPA)
I. 7. 2. IMAGERIE DIRECTE PAR DISPOSITIF FOCALISANT : BALAYAGE MECANIQUE
I. 7. 3. IMAGERIE DIRECTE PAR DISPOSITIF FOCALISANT : BALAYAGE ELECTRONIQUE
I. 8. CONCLUSION
CHAPITRE II FORMULATION DE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS FEM-2D
II. 1 INTRODUCTION
II. 2 QUELQUES EXEMPLES DES METHODES NUMERIQUES RIGOUREUSES APPLIQUEES POUR L’ANALYSE DES GUIDES A BASE DE LA TECHNOLOGIE SIW
II. 2. 1 METHODE DES FRONTIERES D’EXPANSION DE MODE INTEGRAL-RESONANCE BI-RME
II. 2. 2 L’APPROCHE EN MODE D’ADAPTATION MMA
II. 2. 3 LA METHODE ITERATIVE BASEE SUR LE CONCEPT D´ONDE (WCIP)
II. 3 LA METHODE DES ELEMENTS FINIS
II. 3. 1. ELEMENT RECTANGULAIRE
II. 3. 2. ELEMENT TRIANGULAIRE
II. 3. 3. FORMULATION DE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS EN PLAN H
II. 3. 4. FORMULATION DE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS EN PLAN E
II. 3. 5. L’IMPLEMENTATION DE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS
II. 4 CONCLUSION
CHAPITRE III ANALYSE DES JONCTIONS EN TECHNOLOGIE SIW EN BANDE V PAR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS
III. 1. INTRODUCTION
III. 2. RESULTATS DE SIMULATIONS ET DISCUSSIONS
III. 2. 1. ANALYSE DU GUIDE SIW EN BANDE V
III. 2. 2. COUDES EN TECHNOLOGIE SIW
III. 2. 3. DIVISEURS DE PUISSANCE EN TECHNOLOGIE SIW
III. 2. 3. 1. Diviseurs de puissance en T et Y 1×2 avec deux coudes de 90°
III. 2. 3. 2. Diviseurs de puissance en T avec coudes droits
III. 2. 3. 3. Diviseurs de puissance en T 1×4 et 1×8
III. 2. 3. 4. Diviseurs de puissance 1×2, 1×4 et 1×8 à coudes circulaires
III. 2. 3. 5. Diviseurs de puissance 1×2, 1×4 et 1×8 à coudes chanfreinés
III. 3. CONCLUSION
CHAPITRE IV LES ANTENNES ET RESEAUX D’ANTENNES ANTIPODALES SIW POUR IMAGERIE PASSIVE 
IV. 1. INTRODUCTION
IV. 2. RESEAUX D’ANTENNES ANTIPODALES DE PROFIL LINEAIRE
IV. 2. 1. ANTENNE SEULE ANTIPODALE DE PROFIL LINEAIRE
IV. 2. 2. DIVISEUR DE PUISSANCE SIW DE LA JONCTION T AVEC UNE TIGE INDUCTIVE
IV. 2. 3. RESEAU COMPOSE DE DEUX ANTENNES ANTIPODALES  DE PROFIL LINEAIRE
IV. 3. RESEAUX D’ANTENNES VIVALDI ANTIPODALES DE PROFIL EXPONENTIEL
IV. 3. 1. ANTENNE VIVALDI ANTIPODALE DE PROFIL EXPONENTIEL AVEC LIGNE COPLANAIRE
IV. 3. 2. ETUDE DE L’ANTENNE VIVALDI ANTIPODAL
IV. 3. 2. 1. Antenne Vivaldi sans transition micro ruban
IV. 3. 2. 2. Antenne Vivaldi avec ligne micro-ruban
IV. 3. 3. RESEAU D’ANTENNES DE HUIT ELEMENTS DE PROFIL EXPONENTIEL DE TYPE VIVALDI
IV. 4. ANTENNE DE TYPE VIVALDI AVEC DEUX PROFILS EXPONENTIEL
IV. 5. ANTENNE DE TYPE VIVALDI AVEC TROIS PROFILS EXPONENTIELS
IV. 6. RESEAU D’ANTENNES DE QUATRE ANTENNES ANTIPODALES AVEC DEUX PROFILS EXPONENTIELS DE TYPE VIVALDI AVEC DIVISEUR DE PUISSANCE SIW 1×4
IV. 7. ANTENNE VIVALDI DE PROFIL SERIES DE FOURIER FINIE
IV. 7. 1. RESEAU D’ANTENNES VIVALDI DE PROFIL DE TYPE SERIES DE FOURIER FINIE AVEC DIVISEUR DE PUISSANCE SIW 1×2
IV. 7. 2. RESEAU D’ANTENNES VIVALDI DE PROFIL DE TYPE SERIES DE FOURIER FINIE AVEC DIVISEUR DE PUISSANCE SIW 1×4
IV. 7. 3. RESEAU D’ANTENNES VIVALDI A PROFIL SERIE DE FOURIER FINIE AVEC DIVISEUR DE PUISSANCE SIW 1×8
IV. 8. ANTENNE VIVALDI A PROFIL DE TYPE SERIES DE FOURIER FINIEOPERANT DANS BANDE S
IV. 8. 1. RESEAU D’ANTENNES DE PROFIL SERIES DE FOURIER  FINIE AVEC DIVISEUR DE PUISSANCE SIW 1×4 OPERANT EN BANDE S
IV. 8. 2. RESEAU D’ANTENNES DE PROFIL SERIES DE FOURIER FINIE AVEC LE DIVISEUR DE PUISSANCE SIW 1×8
IV. 9. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
A. 1. LA FORMULATION DE SERIE DE FOURIER
A. 2. LA CONCEPTION D’ANTENNE POUR L’APPROCHE DE SERIE DE FOURIER
A. 3. LA LISTE DE PARAMETRES DE COURBURE DE L’ANTENNE SERIE DE FOURIER FINIE
A. 4. LA COURBURE DE L’ANTENNE SERIE DE FOURIER FINIE PAR LOGICIEL CST
REFERENCES
LES TRAVAUX SCIENTIFIQUES

Télécharger le rapport complet