la technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW et applications

La technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW et applications

Théorie des guides d’ondes classiques:

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 multi-mode, c’est-à-dire qu’il va supporter plusieurs modes de propagation [3]. 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 matériaux constituant 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) [4]. Ils sont constitués de deux conducteurs cylindriques des mêmes axes, isolés électriquement l’un de l’autre. Ainsi, des courants électriques opposés parcourent les deux conducteurs, 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 hyperfréquences (plusieurs gigahertz) le guide d’onde peut être constitué d’un simple conducteur creux dans lequel l’onde se propage sans support physique [5]. Comme pour les ondes libres, la propagation des ondes y est régie par les équations de Maxwell. 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.

Les filtres:

Les filtres sont intégrés dans tous les systèmes de télécommunication (radio, télévision, téléphone mobile, satellite de communication…), et les systèmes d’acquisition et de traitement de signaux physiques (surveillance médicale, ensemble de mesure, radars…). Ils atténuent les signaux non désirés et laissent passer les signaux utiles.
Maintenant nous allons nous intéresser comment fonctionnent les différents types de filtres qui existent. Nous nous intéresserons plus particulièrement dans ce travail aux filtres passe bande.

Théorie des filtres:

Un filtre est un circuit électronique caractérisé par une fonction de transfert, qui réalise une opération de traitement de signal. Il se base sur le couplage entre plusieurs cellules résonnantes qui forment finalement un certain gabarit en termes de pertes, de transmission et de réflexion. Il atténue certaines composantes d’un signal sur une bande de fréquence et en laissant passer d’autres dans une autre bande de fréquence appelée « bande passante ».
Les filtres sont classés par type comme étant passe haut, passe bas, passe bande et coupe bande ou par technologie en étant passif, actif, mécanique ou numérique.
Un filtre passe bas est un filtre qui laisse passer les basses fréquences et qui atténue les hautes fréquences, c’est-à-dire les fréquences supérieures à la fréquence de coupure. Il pourrait également être appelé filtre coupe-haut. Le filtre passe bas est l’inverse du filtre passe haut et ces deux filtres combinés forment un filtre passe bande. Donc, 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.

Présentation de l’outil de simulation CST:

Description du logiciel de simulation CST Studio Suite:

Fondé en 1992, le logiciel de simulation électromagnétique CST STUDIO SUITE est l’aboutissement de nombreuses années de recherche et de développement dans les solutions les plus efficaces et précises de calcul pour la conception électromagnétique.
CST Microwave Studio est un logiciel de simulation électromagnétique de structure passives en 3 Dimensions basé sur la résolution des équations de Maxwell suivant la technique des équations intégrales (FIT, Finite Integration Technic). Cette méthode numérique offre une discrétisation de l’espace permettant la description directement en 3D de tous les composants des systèmes décrits, ce qui lui permet d’être appliqué à de nombreux problèmes électromagnétiques allant de la statique aux hyperfréquences en analyses temporelle et fréquentielle. De plus, contrairement à la plupart des logiciels de simulation électromagnétique, CST discrétise la forme intégrale des équations de Maxwell plutôt que leurs formes différentielles, et ce qui est l’une de ses caractéristiques clé de ce simulateur.
CST Microwave Studio fait partie de CST DEIGN STUDIO suite, et offre un certain nombre de solveurs différents selon le type d’application et du problème rencontré.

D’autres méthodes numériques utilisées par CST:

En plus de la méthode FIT utilisé par CST ce dernier utilise aussi les méthodes d’analyse numérique suivantes :

Méthode des différences finies (FEM).
Méthode des moments (MoM).
Méthode de domaine de temps de différence finie (FDTD).
Méthode de la matrice des lignes de transmissions (TLM).

Ces méthodes ne souffrent d’aucune approximation, et s’avèrent être très rigoureuses, puisqu’aucune supposition initiale n’est considérée. En outre, ces méthodes permettent d’étudier des formes très variées, mais font appel à des formulations ou calculs plus complexe et des temps de calcul plus importants.

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Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Listes des abréviations et des acronymes
Introduction générale
Chapitre I : généralité sur la technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW et applications
I.1. Introduction
I.2. Applications des bandes Ku, C et S
I.2.1. La bande Ku
I.2.2. La bande C
I.2.3. La bande S
I.3. Théorie des guides d’ondes classiques
I.3.1. Définition
I.3.2. Equations de Maxwell
I.3.3. Principe fondamentale
I.3.3.1. Les conditions aux limites
I.3.3.2. Les conditions de propagation
I.3.3.3. Structure du champ magnétique de l’onde guidée
I.3.3.4. Vitesse de phase
I.3.4. Généralités sur les modes de propagation dans un guide d’onde
I.3.4.1. Interprétation géométrique de m et n
I.3.5. Les pertes
I.4. Ligne de transmission
I.4.1. Présentation
I.4.1.1. Ligne micro-ruban
I.4.1.2. Ligne coplanaire
I.5. La technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW
I.5.1. Introduction
I.5.2. Problématique
I.5.3. Définition
I.5.4. Principe
I.5.5. Structure SIW
I.5.6. Types de structures SIW
I.5.7. SIW et ses mécanismes pour lutter contre les pertes
I.5.8. Les avantages de SIW
I.5.9. Paramètres des guides d’ondes intégrées au substrat (guides SIW)
I.6. Transition
I.7. Exemples d’applications des guides SIW (de la littérature)
I.7.1. Guide d’onde SIW opérant en bande X
I.7.2. Guide d’onde SIW opérant en bande Ku
I.7.3. Filtre SIW combiné en cascade avec une antenne patch
I.7.4. Filtre SIW compact avec réponse fréquentielle asymétrique opérant en bande C pour des applications sans-fil
I.8. Conclusion
Chapitre II : Théorie des filtres et outils de simulation CST
II.1. Introduction
II.2. Les filtres
II.2.1. Théorie des filtres
II.2.1.1. Notion de la fonction de transfert
II.2.1.2. Cahier de charge : gabarit
II.2.1.3. Notion de la bande passante d’un filtre passe bande
II.3. Présentation de l’outil de simulation CST
II.3.1. Description du logiciel de simulation CST Studio Suite
II.3.2. Module de CST
II.3.3. La méthode FIT utilisée par logiciel CST
II.3.4. D’autres méthodes numériques utilisées par CST
II.3.5. Les modules d’exécution
II.3.6. La méthode qui décrit la structure
II.3.7. Etapes à suivre pour une simulation réussie
II.4. Conclusion
Chapitre III : Présentation des résultats de simulations
III.1. Introduction
III.2. Adaptation et transition
III.3. Conception de filtre passe bande SIW fonctionnant dans la bande Ku
III.3.1. Conception du guide SIW opérant en bande Ku
III.3.2. Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW opérant en bande Ku
III.3.3. Conception du filtre passe bande SIW fonctionnant en bande Ku
III.4. Conception de filtre passe bande SIW fonctionnant dans la bande C
III.4.1. Conception du guide SIW opérant en bande C
III.4.2. Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW opérant en bande C
III.4.3. Conception du filtre passe bande SIW fonctionnant en bande C
III.5. Conception de filtre passe bande SIW fonctionnant dans la bande S
III.5.1. Conception du guide SIW opérant en bande S
III.5.2. Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW opérant en bande S
III.5.3. Conception du filtre passe bande SIW fonctionnant en bande S
III.6. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie