La technologie guides d‟ondes intégrée aux substrats

La technologie guides d‟ondes intégrée aux substrats

Les règles de conception

La difficulté de fabrication des guides d‟ondes rectangulaire et les attribuée dans une forme plane donne la naissance de la technologie GIS, qui est une technologie qui préserve les même propriétés d‟un guide d‟ondes rectangulaire comme les caractéristiques de propagation, et un bon facteur de qualité en tenant les avantages des lignes planaires puisque ce type des guides prend une forme plane.
Le principe de la technologie des guides d‟ondes intégrée au substrat est donc de réaliser un guide d‟onde volumique dans un substrat planaire. La métallisation des deux faces de substrat forme les parois métalliques haute et basse, avec l‟existence de deux rangées des cylindres métalliques sur les côtés du guide GIS qui permet de limiter le champ électromagnétique.
Les principaux paramètres géométriques de construction d‟un guide d‟ondes en technologie GIS sont le diamètre des cylindres d, la distance entre deux cylindres adjacentes s et la distance entre les deux rangés des cylindres as. Le choix des dimensions du GIS doit être judicieux pour obtenir un système performant. La figure I.12 montre les principaux paramètres du GIS.
De plus, la hauteur du substrat et la permittivité du diélectrique sont les paramètres choisis avant la simulation du guide GIS. Ce qui implique que le pose d‟un cahier de charge est indispensable dans le quelle on impose la fréquence de coupure du mode fondamental.
Pour la construction d‟un guide GIS, la première étape est la décision de l‟emplacement des cylindres métalliques, comme il est indiqué dans [17] pour que les cylindres ne puissent chevaucher, la distance entre eux s doit être supérieure au diamètre du cylindre d et puisque les cylindres métalliques jouent le rôle d‟un mur métalliques, les cylindres doivent donc être le plus rapprochés possibles. Cependant, le circuit devient alors très fragile aux bris mécaniques lorsque ces cylindres sont trop près les uns des autres, si, à l‟inverse, ils sont trop espacés, les pertes par radiation peuvent rapidement devenir trop élevées. Le diamètre d a aussi un impact sur les pertes et doit être optimisé par s. Il est montré dans [31] que le rapport s/d a une relation directe sur les pertes et il faut l‟utiliser comme un paramètre de conception d‟un guide GIS. D‟après Deslandes [3], si s= 2 d, on peut dire que les pertes par radiation sont alors négligeables par rapport aux autres pertes [2] :

Equivalence entre guide d’ondes et un guide GIS

Pour un guide GIS, la constante de propagation du mode fondamental est déterminée par la largeur entre les deux rangées des cylindres métallique as, et les paramètres des tiges métalliques d et s sont fermement résolus à minimiser les pertes de rayonnement et le coefficient de réflexion.
Bien qu‟un guide GIS peut être caractérisé par une constante de propagation, le mode de propagation d‟un guide d‟onde, la fréquence de coupure et une onde guidée sont déterminés comme dans le cas d‟un guide d‟onde traditionnel, il est nécessaire de noter qu‟un guide GIS a quelque caractéristique physique particulier par rapport au guide conventionnel.
D‟abord, le paramètre géométrique as d‟un guide GIS est plus grand que la hauteur du substrat h parce qu‟il y a une limitation physique d‟augmenter l‟épaisseur du substrat h. En plus, la largeur du guide d‟onde équivalente aeff n‟est pas la même que as. Donc plusieurs expériences et simulation sont dirigées vers la vérification de la valeur aeff.
En 2002, une équation expérimentale pour calculer aeff est donné à partir des travaux de Cassivi [2] pour atteindre les mêmes caractéristiques d‟un guide GIS, où :

L’adaptation d’un guide d’onde GIS

Dans les systèmes d‟émission/réception hyperfréquences où le signal au niveau de l‟antenne doit transiter par un guide d‟onde, demandent généralement une transition intermédiaire pour faire un lien entre le circuit planaire en technologie micro-ruban et le guide d‟ondes. Cette transition doit permettre d‟adapter en impédance le mode fondamental du guide TE10 sur le mode quasi-TEM (transverse electromagnétique) de la ligne micro-ruban.
Cette transition est généralement réalisée directement sur le substrat d‟accueil qui compose le système. Pour répondre aux exigences industrielles, la transition micro-ruban/guide d‟ondes dispose des bonnes performances électriques en termes d‟adaptation avec la facilité d‟intégration sur le même circuit planaire.
Puisque cette transition est située dans la chaîne de réception juste avant l‟amplificateur faible bruit et comme à ce niveau le signal est relativement faible, elle doit assurer un minimum de pertes et l‟adaptation doit donc être optimale à la fréquence de travail du système (coefficient de réflexion < -20dB).
Toute la difficulté est de garder une bonne adaptation d‟impédance sur une large bande de fréquences pour permettre une utilisation générique de la transition, puisque l‟impédance que le signal perçoit au niveau du guide est beaucoup plus importante que celle de la ligne micro-ruban, dont l‟impédance caractéristique est généralement à 50Ω. Les dimensions de ces transitions sont donc optimisées pour fonctionner autour d‟une fréquence donnée.
Pour réaliser ces transitions il existe plusieurs techniques en fonction de l‟emplacement du guide d‟ondes par rapport au circuit planaire. Parmi ces techniques, on trouve trois grandes familles:
 les transitions placées dans le sens de propagation du guide [35-37].
 Les transitions utilisant une fente placée sous le conducteur micro-ruban [38-43].
 Les transitions par sonde ou par patch [44-47].
Les guides d‟ondes intégrés au substrat présentent la nécessité d‟adaptation pour la connexion avec d‟autres composants actifs et aussi pour assurer une transmission totale de notre signal micro-onde. Cette opération est facile dans ce cas puisque les guides GIS sont conçus sur un substrat diélectrique, ce qui prouve l‟avantage d‟utiliser cette technologie.
Dans la littérature, plusieurs techniques et recherches sont intéressées par l‟adaptation des guides GIS [48-49]. L‟une de ces techniques, est celle de la transition micro-ruban [50].
Cette dernière est considérée la plus courante pour la conception et l‟adaptation d‟un guide GIS.
La ligne de transition vers un guide GIS est simplement composée par une ligne micro-ruban dont leur dimension dépend des propriétés du matériel diélectrique utilisé et un cône (taper) qui permet d‟assurer l‟adaptation en mode de propagation entre la ligne microruban et le guide GIS, comme illustrée la figure I.15.
La figure I.15 illustre la technique qui a été proposée dans [50] pour une transformation du mode de propagation quasi-TEM dans la ligne micro-ruban au mode fondamental TE10 du guide d‟onde intégré au substrat. La technique est fondée sur l‟insertion d‟un taper micro-ruban qui relie la ligne micro-ruban par le guide GIS.
Le taper dimensionné par la largeur W2 et la longueur L, assure la continuité électrique de la ligne micro-ruban dont la largeur W1 est déterminée par les propriétés du diélectrique utilisé. La même transition est réalisée à l‟autre port du guide.
Cette opération nous permet d‟intégrer un guide d‟onde par une ligne micro-ruban dans le même substrat ce qui donne la possibilité de réduire les pertes par rayonnement, d‟où elle montre les avantages de la combinaison de deux techniques Comme la ligne de transmission micro-ruban n’a qu’un seul conducteur de masse, la section transversale de la distribution du champ électrique se propage via le substrat et les milieux au-dessus du substrat (généralement de l’air). Par rapport à la ligne coplanaire [44], qui peut se propager un mode TEM pur; la ligne micro-ruban présente une propagation quasi TEM.
Le mode TE10 est le mode dominant pour la propagation dans un guide d‟onde; dont la distribution du champ électrique présente un maximum d‟amplitude au niveau du centre de la section transversale du guide. Une grande portion de la distribution du champ électrique du mode quasi-TEM de la ligne micro-ruban partage la même orientation verticale du mode TE10, comme illustrée la figure I.16.

La méthode des équations intégrales pour le domaine temporel (TDIE)

La méthode de l’équation intégrale pour domaine temporel permet de résoudre les équations intégrales directement dans le domaine temporel. Comme la méthode FDTD la méthode de l’équation intégrale est basée sur la discrétisation spatiale en utilisant une fonction de base et une certaine procédure pour le pas de temps de calcul. Elle contient le même élément essential comme la méthode FDTD. Pour le moment, le problème de stabilité présente franchement, un sujet de préoccupation continue. La clé de l’amélioration de la stabilité réside dans l’utilisation des méthodes d’expansion avancée et en plus des représentations de calcul très précis des quantités intégrales. Des exemples d’innovations récentes sont donnés dans la référence [5-8]. Notez que la plupart des travaux publiés indiquent que les méthodes TDIE ont été initialement développées pour des problèmes de la diffusion; cependant, ils sont adaptés pour la compatibilité électromagnétique et les applications de rayonnement.

La méthode des éléments finis dans le domaine temporel (FETD)

Une autre méthode puissante dans le domaine temporel qui résout les équations différentielles partielles (équations II.5-II.8) en utilisant une procédure d’éléments finis plutôt que de différences finies. En général, ces procédés sont désignés sous le nom de la méthode des éléments finis pour le domaine temporel ou finite element-time domain (FETD). Ils sont vaguement liés au finite volume-time domain methode (FV-TD) [9]. La méthode FETD est en cours de développement continu. En 1997, un document de synthèse [10] traite l’état de l’art qui a subi une amélioration considérable depuis ce temps un papier [11-13] est particulièrement intéressant décrit une méthode hybride combinant les meilleures caractéristiques de FDTD, FETD et TDIE. [13]. Les quantités des champs sont des fonctions à la fois de temps et de l’espace. Ainsi, la variation spatiale de champ est représentée par des fonctions de base qui ont l’appui que sur des portions limitées de la géométrie (typiquement, seuls quelques éléments finis adjacents). C‟est ce que l‟on appelle les fonctions de base de sous domaine. La réponse temporelle est typiquement représentée en utilisant les fonctions d’expansion temporelles. Les deux méthodes explicit et implicites ont été proposées dans la littérature. Basée sur la force de la méthode dans la simulation pour les domaines temporaux avec des géométriques et des matériaux très souples, et l’activité récente dans la littérature scientifique, on peut se attendre que la méthode FETD sera importante, et peut-être majeure, dans n’importe quel outil de simulation des composantes électromagnétique.

Des méthodes additionnelles pour le domaine temporel

Autres méthodes pour le domaine temporel largement utilisées comprennent la mise en oeuvre de la technique d’intégration finie (FIT) [14]. Cette méthode, aussi brièvement mentionnée précédemment, met en oeuvre des solutions de la forme intégrale des équations de Maxwell.
Cependant, il est également trouvé une utilisation accrue de FIT dans la conception de l’antenne par exemple. Il ya sans doute plusieurs méthodes dans le domaine temporel que celles qui sont présentées précédemment (par exemple; les versions dans le domaine temporel de la théorie uniforme de la diffraction [15]).

Les méthodes d’analyse pour le domaine fréquentiel

Parmi les méthodes d‟analyse dans le domaine fréquentiel les plus utilisées sont la méthode des moments et la méthode des éléments finis. Dans cette section, chacune de ces méthodes sera présentée en détail.

La méthode des moments

Les équations intégrales formulés et résolus dans le domaine fréquentiel, familièrement appelées la méthode des moments (Mom), sont l’une des méthodes les plus populaires et largement utilisées pour la conception et l’analyse des composants micro-ondes. D‟après le premier livre qui discute l‟utilisation de la méthode des moments pour l‟ingénierie [16], cette méthode a été améliorée en matière de capacité et de fidélité depuis les années 1960. Autres termes couramment utilisés pour ces méthodes de résolution sont les équations intégrales et les méthodes des éléments aux limites, entre autres. Une caractéristique typique dans la dérivation et la solution de ces formulations comprend la spécification de la fonction de Green appropriée pour la formulation des rapports intégraux. Ces rapports intégraux sont ensuite utilisés pour imposer des conditions aux limites appropriées aboutissant à une équation intégrale. La conversion d’une équation intégrale de domaine continu dans un système d’équations linéaires implique un processus de discrétisation, communément appelée la méthode des moments. Une des conséquences de l’utilisation de la fonction de Green, à la communication globale résultant entre les éléments (aussi connue comme inconnues), est la matrice entièrement remplie résultante. En général, l’exigence de stockage d’une matrice de formulation comme MoM (N2) où N est le nombre de degrés de liberté (inconnues). Cela peut limiter sévèrement le potentiel de mise à l’échelle d’un programme d’ordinateur basé sur Mom avec l’augmentation de la fréquence de fonctionnement ou de la complexité du modèle. Par exemple, l’exigence de stockage d’une matrice entièrement remplie développée, comme pour des équations intégrales d‟un volume donné, l‟échelle de la matrice sera à la sixième puissance. Ainsi, pour un problème physique donné, un doublement de la fréquence de travail, il faudra huit fois le nombre d’inconnues et le stockage de la matrice sera de 64 fois.

Table des matières

Table des matières
Tables des figures
Liste des tableaux 
Liste des acronymes
Introduction générale 
CHAPITRE I:La technologie guides d‟ondes intégrée aux substrats
I.1. Introduction
I.2. La technologie des guides d‟ondes
I.2.1. La technologie volumique
I.2.1.1. Les guides d‟ondes rectangulaires
I.2.1.1.a. Étude des modes TE
I.2.1.1.b. Étude des modes TM
I.2.1.1.c. La fréquence de coupure et les modes fondamentaux
I.2.1.1.d. Les lignes de champ
I.2.1.2. Les guides d‟ondes circulaires
I.2.1.2.a. Expression du champ pour le mode TMm,n
I.2.1.2.b. Expression du champ pour le mode TEn, m
I.2.1.2.c. Les fréquences des coupures des différents modes
I.2.2. Technologie planaires
I.2.2.1. La ligne micro-ruban
I.2.2.2. Les lignes coplanaires
I.2.2.3. Les lignes tri-plaques
I.2.2.4. Autres technologie planaires
I.2.2.5. Exemple d‟application des technologies planaires
I.3. La technologie des guides d‟ondes intégrées au substrat GIS
I.3.1. Historique
I.3.2. Les règles de conception
I.3.3. Equivalence entre guide d‟ondes et un guide GIS
I.3.4. L‟adaptation d‟un guide d‟onde GIS
I.3.5. Impédance caractéristique
I.4. Conclusion
Références
CHAPITRE II:La méthode des éléments finis bidimensionnelle
II.1. Introduction
II.2. Les méthodes d‟analyse
II.2.1. Les méthodes d‟analyse pour le domaine temporel
II.2.1.1. La méthode de différence finis dans le domaine temporel (FDTD)
II.2.1.2. La méthode des équations intégrales pour le domaine temporel (TDIE)
II.2.1.3. La méthode des éléments finis dans le domaine temporel (FETD)
II.2.1.4. Des méthodes additionnelles pour le domaine temporel
II.2.2. Les méthodes d‟analyse pour le domaine fréquentiel
II.2.2.1. La méthode des moments
II.2.2.2. La méthode des éléments finis
II.2.2.2.a. Approximation d‟une fonction
II.2.2.2.b. Approximation nodale
II.2.2.2.c. Elément triangulaire et règles de maillage
II.2.2.3. Méthode générale d‟utilisation de la MEF
II.3. L‟implémentation de la méthode des éléments finis pour l‟analyse des guides d‟onde intégrée au substrat GIS
II.3.1. Formulation de la méthode des éléments finis en plan H
II.3.2. Formulation de la méthode des éléments finis en plan E
II.3.3. L‟implémentation de la méthode des éléments finis
II.4. Conclusion
Références
CHAPITRE III: Résultats de simulations
III.1. Introduction
III.2. Procédure de simulation par la méthode des éléments finis
III.3. Résultats de simulation
III.3.1. Guide GIS fonctionnant dans la bande S [2-4 GHz]
III.3.2. Guide GIS fonctionnant dans la bande C [5.725-7.075 GHz]
III.3.3. Guide GIS fonctionnant dans la bande X [8-12 GHz]
III.3.4. Guide GIS fonctionnant dans la bande Ku [10.7-12.75 GHz]
III.3.5. Guide GIS fonctionnant dans la bande Ka [27.5-31 GHz]
III.4. Conclusion
Références
CHAPITRE IV: Les guides d‟ondes intégrés aux substrats demi-modes
IV.1. Introduction
IV.2. Les techniques de miniaturisation des guides GIS
IV.2.1. La technique RSIW (Ridge Substrat Integreted Waveguide)
IV.2.2. La technique FSIW (Folted Substrat Integreted Waveguide)
IV.2.3. La technique HMSIW (Half mode Substrat Integreted Waveguide)
IV.3. Méthodes appliquées pour les GIS miniaturisés
IV.3.1. Résultats de simulation
IV.3.1.a. Guide GIS demi-mode fonctionnant en bande S
IV.3.1.b. Guide GIS demi-mode fonctionnant en bande C
IV.4. Conclusion
Références
CHAPITRE V: Résultats expérimentaux 
V.1. Introduction
V.2. Guide GIS opérant en bande C
V.3. Guide HMSIW opérant en bande C
V.3. Conclusion
CONCLUSION GENERALE 
Annexe 
Travaux scientifiques

Télécharger le rapport complet