LA TECHNOLOGIE DES GUIDE D’ONDES 

LA TECHNOLOGIE DES GUIDE D’ONDES 

L’utilité d’ une antenne à gain variable:

Pour assurer un transfert à très haut débit il faut avoir un canal avec une capacité très élevée. Cette dernière grandeur dépend principalement de la bande passante et de la valeur du SNR. Afin de garantir une large bande, notre projet s’articule autour de la bande de 60 GHz qui offre une bande de 7 GHz. Cependant, augmenter le SNR signifie l’augmentation de la puissance émise ce qui peut perturber les autres systèmes de transmission travaillant sur la même bande ou avoir des effets secondaires sur la santé de l’utilisateur [19]. C’est pour cela que d’autres techniques de transmission avancées proposent d’utiliser MIMO pour augmenter la capacité sans augmenter la puissance émise. De ce fait, notre projet s’intéresse à une implémentation de l’algorithme de MIMO « Waterfilling » avec les antennes à gain variable. Ce besoin a mis en valeur l’utilité d’une antenne à gain variable. L’idée consistant à repartir unifo1mément la puissance entre les antennes. Puis, une certaine intelligence doit être introduite dans les circuits de commande des antennes. Ces dernières adaptent leurs diagrammes de rayonnement pour augmenter ou diminuer la puissance rayonnée et implémenter la technique waterfilling d’une manière singulière.

HFSS et CST:

Durant notre projet, on s’est basé principalement sur les logiciels de simulation. Dans notre cas « CST microwave » et « HFSS » sont utilisés. Ces derniers permettent de concevoir les antennes en spécifiant les caractéristiques de chaque composant. Puis, une fois le design terminé, il suffit de spécifier le port d’alimentation et les conditions aux limites pour que ces logiciels puissent simuler 1 ‘antenne. Ces logiciels reposent sur des techniques de calculs pour approximer les valeurs des champs électrostatiques en résolvant les équations de maxwell sur une grille de plusieurs points [20, 21, 22]. Enfin, à partir de ces valeurs, les logiciels fournissent toutes les caractéristiques de l’antenne en question y compris 1 e diagramme de rayonnement et 1 e coefficient de réflexion «Su».

LA TECHNOLOGIE DES GUIDE D’ONDES:

La technologie des guides d’ondes Intégré au substrat SIW (Substrate Integrated Waveguide) représente la pierre angulaire de notre projet. Cette technologie permet d’exploiter les propriétés de la propagation guidée pour transformer un substrat en un guide d’onde. De ce fait, il est important de comprendre le fondement théorique derrière ce phénomène physique. Ce dernier consiste à canaliser un signal électromagnétique dans un volume délimité par des interfaces réfléchissantes. L’énergie électromagnétique du signal est alors transmise avec un faible taux d’atténuation.

Problématique:

Lorsque la fréquence des ondes électromagnétiques devient supérieure au GHz (longueurs d’ondes centimétriques), les conducteurs métalliques, coaxiaux ou non, deviennent très peu utilisables pour plusieurs raisons [23]. Tout d’abord, une onde électromagnétique à haute fréquence pénètre mal à 1 ‘intérieur d’un conducteur à cause d’un phénomène physique nommé «effet de peau». De plus, le diélectrique devient très absorbant en raison du COz introduit par les procèdes de fabrication. Ce gaz (COz) possédant des fréquences de résonance dans la bande en question [23]. On est donc amené à rigidifier l’enveloppe extérieure de ces conducteurs sous forme d’un tuyau métallique réfléchissant et à supprimer le diélectrique ainsi que le fil central qu’il supporte. On obtient ainsi un tube de section rectangulaire ou circulaire, guidant une onde électromagnétique qui se propage dans le milieu intérieur souvent de 1’ air.

Théorie des guides d’ondes:

Principe fondamentale
Afin d’éviter les formules complexes et éviter de faire face aux équations théoriques trop compliquées, on se concentre sur l’étude des caractéristiques de la propagation d’une onde électromagnétique dans un guide d’onde de section rectangulaire réalisé par quatre plans parfaitement conducteurs. Cette géométrie illustrée par la figure 2-1, fait que les ondes y sont relativement simples à décrire. De plus, c’est ce guide d’onde qui nous intéresse.

LA TECHNOLOGIE SIW:

La technologie de guide d’ondes Intégré au substrat SIW représente une solution très prometteuse pour le développement des circuits et 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 [25]. Cette technologie est compatible avec plusieurs composants passifs, actifs et même des antennes [25]. Cette partie fournit une vue d’ensemble des avancées dans les structures SIW et dans l’intégration de cette technologie avec des composants.

Vu la congestion du spectre radiofréquence pour la communication sans fil et dans le domaine des micro-ondes, les chercheurs s’intéressent de plus en plus à la bande millimétrique là où les allocations spectrales sont plus accessibles et intéressantes en termes de transfert à très haut débit, comparé aux autres technologies de ligne de transmission. La montée en fréquence implique une diminution de la longueur d’onde, donc une diminution de la taille des circuits. Ce qui explique la forte utilisation des circuits intégrés pour la construction des modules en ondes millimétriques [25]. Cependant, le coût de la conception et de la fabrication de tels circuits doit être considérablement pris en considération.

En d’autres termes, le Guide d’ondes Intégré au Substrat (SIW) montre des avantages séduisants comme la possibilité d’intégration avec d’autres systèmes radiofréquences et le faible coût de construction avec un facteur de qualité élevé. Les recherches sur les guides d’ondes conventionnels ont ouvert la voie à l’exploration des concepts en technologie SIW pour la mise au point des composants passifs et même actifs à haut facteur de qualité tel que les filtres, les coupleurs, les diviseurs de puissance et les antennes. Pour résumer, un guide SIW est similaire à un guide d’ondes. Il consiste en un substrat diélectrique compris entre deux plans conducteurs et des lignes de trous ou fentes périodiques métallisées connectant ces deux plans conducteurs.

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 coïncident exactement avec les modes de propagation d’un guide d’ondes rectangulaire transverse électrique « TEnm » mais pas les modes transverses magnétiques. 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 [27]. Donc pour la technologie SIW le mode fondamental est le mode TE01 (Figure 3-1 ), 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.

Types de structures SIW
Tout comme un guide d’ondes, le SIW possède aussi une fréquence de coupure, un mode fondamental et un facteur d’atténuation. En effet, d’autres critères sont à prendre en considération dans la conception des circuits à base de la technologie SIW. Il s’agit de la taille du composant et de la bande d’opération qui sont les plus importantes. Pour la bande d’opération d’un guide d’ondes, on se limite à la bande entre la fréquence de coupure du mode « TE10 » et celle « TE20 » et comme ça, on peut garantir l’apparition du mono mode :autrement dit un seul mode qui se propage.

Avantages
Le Guide d’ondes Intégré au Substrat (SIW) offre des avantages très attractifs tels que ; faibles pertes, isolation, prix réduit, taille réduite … etc Ces derniers ont gagné beaucoup d’attentions récemment grâce à ses caractéristiques favorables à la conception des circuits et systèmes millimétriques.

CARACTERISTIQUES DES ANTENNES CORNET EN TECHNOLOGIE SIW:

En optique, lorsqu’une onde lumineuse rencontre une ouverture de grandeur comparable à la longueur d’onde émise, elle subit une diffraction. Selon le principe de Huygens, le champ rayonné en un point éclairé par l’ouverture est la superposition du rayonnement des sources secondaires réparties sur l’ouverture [10]. En radiofréquence, il y a une équivalence entre la diffraction de lumière et l’ouverture rayonnante [ 10]. Une ouverture rayonnante correspond à une ouverture de surface quelconque dans un plan conducteur, illuminé par une onde incidente. Dans ce chapitre, nous allons aborder la thématique des antennes cornets qui fait partie des antennes à ouverture fabriquée à base de la technologie SIW. L’étude vise à développer le principe de rayonnement pour avoir une idée sur les caractéristiques globales de 1 ‘antenne.

Toute antenne dont la structure consiste à faire passer une onde électromagnétique à travers une ouverture dans un plan conducteur est nommée antenne à ouverture [68]. Une antenne cornet est une sorte d’un guide d’onde qui subit une certaine augmentation de la section pour avoir une ouverture rayonnante à 1 ‘extrémité. Cette dernière rayonne selon le principe de Huygens dont la source de rayonnement est le champ à travers l’ouverture rayonnante. Contrairement aux antennes filiformes là ou la distribution de courant est la source de rayonnement.

Rayonnement de l’antenne cornet:

Antenne à ouverture
De façon générale, une antenne peut être considérée comme un dispositif d’interface entre une énergie électrique et une énergie électromagnétique rayonnée [68]. Particulièrement, l’antenne à ouverture repose sur une idée simple pour réaliser cette interface. Le principe consiste soit à réaliser une ouverture dans un guide d’ondes en créant une ou plusieurs fentes, soit en le laissant ouvert à son extrémité. Cette dernière solution conduit généralement à une rupture d’impédance entre la propagation guidée et la propagation en espace libre. La transition est réalisée en agrandissant progressivement les bords du guide, ce qui conduit finalement à une antenne cornet. De ce fait, de nombreuses antennes peuvent appartenir à la catégorie des antennes à ouvertures, y compris les antennes à réflecteur.

Commutateurs RF
On trouve plusieurs types de commutateurs RF tels que les commutateurs mécaniques (RF MEMS) ou à semi conducteur (PIN diode). Bien sûr, Chaque type a ses avantages et ses inconvénients qui peuvent jouer un rôle très important lors du choix du circuit. Dans notre projet de maitrise on s’intéresse à la diode PIN vu ces caractéristiques et sa capacité de fonctionner à haute fréquence [52]. Le fonctionnement de celle-ci repose sur la structure atomique des matériaux ou alliages appelés semiconducteurs. Afin d’éviter la passation à travers le modèle de Niels Bohr et les structures atomiques d’un semi conducteur on ne s’intéresse qu’au modèle équivalent de la diode conçu à partir des éléments discrets.

CONCLUSION:

Les antennes cornet contrôlables fonctionnant à 60 GHz constituent une nouvelle classe d’antenne. Leur particularité provient de la flexibilité de changer les caractéristiques de rayonnement. Parmi les applications de ces antennes, ceux qm consistent à commander la puissance rayonnée par la modification du gain de l’antenne émettrice, par l’implémentation de l’algorithme MIMO-waterfiling. Le but du travail de recherche que nous avons présenté consiste donc à concevoir une antenne SIW -cornet contrôlables, afin de proposer une méthode performante et moins coûteuse de la commande de la puissance émise. Nous avons divisé la structure en deux parties. La première est une partie RF et la deuxième est la partie commande. Nous avons utilisé CST/HFSS comme logiciels de simulation et nous avons aussi satisfait les contraintes imposées.

Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 RAPPEL SUR LES ANTENNES
1.1 Introduction
1. 2 Problématique
1.3 Équations de maxwell
1.4 Caractérisation d’antenne
1.4.1 Diagramme de rayonnement
1.4.2 La directivité, le rendement et le gain
1.4.3 Circuit équivalent
1.4.4 Bande passante
1. 5 Antenne a gain variable
1.6 Le système d’antenne proposé
1.6.1 La bande de 60 GHz
1.6.2 Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)
1.6.3 L’utilité d’une antenne à gain variable
1. 7 HFSS et CST
1. 8 Conclusion
CHAPITRE 2 : LA TECHNOLOGIE DES GUIDE D’ONDES 
2.1 Introduction
2.2 Problématique
2.3 Théorie des guides d’ondes
2.3.1 Principe fondamentale
2.3.2 Généralisation : Modes de propagation
2.4 Visualisation du mode fondamental CST
2. 5 Les pertes
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 : LA TECHNOLOGIE SIW 
3.1 Introduction
3.2 Problématique
3.3 Technologie SIW
3. 3.1 Structure S lW
3.3.2 Types de structures SIW
3.3.3 Avantages
3.3.4 Mécanismes des pertes
3.4 Implémentation de la technologie SIW
3 .4.1 Implémentation de SIW sur des composants passifs
3.4.2 Transition planaire SIW
3.4.3 Implémentation des composants actifs sur une structure en technologie SIW
3.4.4 Implémentation des antennes SIW
3.5 Procédure de conception des circuits en technologie SIW
3.6 Simulation guide SIW
3. 7 Conclusion
CHAPITRE 4 : ANTENNE CONTROLLABLE/ RECONFIGURABLE 
4.1 Introduction
4.2 Problématique
4.3 La reconfiguration du diagramme de rayonnement
4.3.1 La re configuration d’un réseau d’antenne
4.3.2 La reconfiguration d’un élément d’antenne
4.4 Type de re configuration du diagramme de rayonnement
4.4.1 Cas discret
4.4.2 Cas continu
4. 5 Mécanisme de commande
4. 6 Conclusion
CHAPITRE 5 : Caractéristiques des ANTENNEs CORNET en technologie SIW 
5.1 Introduction
5.2 Problématique
5.3 Rayonnement de l’antenne cornet
5.3.1 Antenne à ouverture
5.3.2 Principe de Huygens
5.3.3 Antenne cornet
5.4 Gain théorique d’une antenne pyramidale
5.5 Changement de dimension de l’ouverture sur le rayonnement
5.6 Antenne cornet-SIW
5 .6.1 Bande passante et gain
5.6.2 Les alimentations
5.6.3 Les techniques d’élargissement de bande
5. 7 Conclusion
CHAPITRE 6: RESULTAT DE SIMULATION 
6.1 Introduction
6.2 Problématique
6. 3 Commutateurs RF
6.3.1 Modèle équivalent d’une diode PIN
6.4 Les problèmes de simulation
6.4.1 Le problème d’alimentation
6.4.2 Le problème de la bande passante
6.4.3 Le problème de l’épaisseur du substrat
6.4.4 Variation significative du gain
6.4.5 Le problème de choix des diodes
6.5 Conception de l’antenne proposée
6. 6 Résultats
6. 7 Validation des résultats avec CST
6. 8 Conclusion
CONCLUSION

Télécharger le rapport complet