Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW

Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW

Théorie des coupleurs directifs:

Les coupleurs directionnels:

Les coupleurs directifs sont des éléments très importants dans le domaine de télécommunications hyperfréquences surtout pour mesurer les puissances hyperfréquences émises et réfléchies par une charge quelconque comme une antenne par exemple. Les coupleurs directifs sont très efficaces au niveau des pertes, ce sont en général des dispositifs radiofréquences ou hyperfréquences à faibles pertes.
Les coupleurs directifs à guide d’onde sont particulièrement utilisés pour les applications hyperfréquences avec de grandes puissances. Mais leur taille physique pose en général un problème lorsqu’on les utilise comme des éléments distribués car ils occupent beaucoup de place surtout lors d’une application nécessitant une large bande.

Exemples d’application :

L’utilisation du coupleur se retrouve dans de nombreux systèmes électroniques.

Mesure de puissance:

Le coupleur directif permet de prélever une faible partie de la puissance transmise et de contrôler ainsi le niveau et la forme du signal.

Coupleurs à la technologie SIW:

Concernant les circuits passifs, la plupart des composants hyperfréquences classiques ont été mis en œuvre dans les technologies SIW. Cette solution permet généralement d’obtenir des composants avec une taille réduite par comparaison avec les fonctions de guide d’ondes classiques. Parmi les composants passifs, les coupleurs ont reçu une attention particulière. Nous citons quelques exemples des coupleurs trouvés dans la littérature.

Coupleurs 3-D SIW pour couplage faible:

Cette section se concentre sur la conception de coupleurs directionnels pour le couplage faible. Ces coupleurs sont utilisés pour fournir par exemple des points de test. Ces éléments sont utiles pour le contrôle de puissance au niveau des étages du système, de la mesure d’impédance ou de l’adaptation.

Coupleur Schwinger:

Le coupleur Schwinger a été inventé en 1946 et il est basé sur la technologie de guide d’onde conventionnel . Son principe est illustré à la figure II.16, le long des cotés latéraux étroits des lignes SIW, pour le mode dominant TE10. Les champs électriques sont nuls alors que les champs magnétiques sont confinés. Par conséquent, la disposition verticale de la ligne implique un couplage magnétique entre les deux sections (le couplage électrique n’est pas possible). La ligne SIW principale (celle horizontale sur la figure II.16) présente deux fentes pour le couplage et elles sont placées sur les côtés opposés du milieu de la ligne SIW, ces deux fentes couplent le dipôle magnétique avec une différence de phase de 180° et l’annulation est obtenue au niveau du port isolé. Ainsi, l’isolation ne dépend pas de la fréquence, car les longueurs des chemins des deux fentes sont les mêmes au port isolé.

Coupleur à fentes:

Le coupleur à fentes proposé en technologie SIW est illustré dans la figure II.23. Les coupleurs à fentes sont généralement constitués de guides d’onde parallèles partageant une surface commune. La structure proposée diffère de celle trouvée dans la littérature par ce que les deux guides d’ondes sont disposés perpendiculairement. Toutefois, son principe est semblable. Sa structure est comparable au coupleur Schwinger de la figure II.18 à l’exception de la fente de couplage. Le bloc principal (celui horizontal dans la figure II.23) comporte trois fentes, de largeur w, situées le long de son axe de propagation, espacées d’une distance d et tournées d’un certain angle α, et qui contrôlent le niveau du couplage k. En augmentant l’angle α des slots, on couple plus d’énergie (le facteur k augmente).
Le coupleur à fentes de base se compose de deux fentes séparées par d = λg/4 [36]. Chaque fente rayonne des ondes de directions opposées dans le guide d’onde supérieur. Dans la direction directe, les deux ondes issues des fentes sont en phases et vont s’additionner indépendamment de la fréquence et de l’espacement des fentes puisqu’ils parcourent la même longueur électrique. Dans la direction inverse, les deux ondes s’annulent, puisque le déphasage est de 180° résultant de l’espacement λg/4 entre les fentes. Pour cette structure, comparativement au coupleur Schwinger, l’isolation dépend de la fréquence alors que le couplage n’en dépend pas. Un comportement directionnel similaire peut être obtenu en utilisant trois fentes séparées par d =λg/6 à la place de deux fentes. Dans le sens direct, les ondes issues des trois fentes s’additionnent en phase puisqu’elles auront parcouru λg/3. L’annulation est obtenue lorsque les ondes ont les mêmes amplitudes (compte tenu de la valeur faible de k) et des différences de phase de 0°, 120° et 240°. La structure proposée est basée sur la configuration à 3 slots.

Coupleur directionnel bicouche SIW 3 dB/90o :

Cette section présente une nouvelle topologie de coupleur large bande à deux couches avec la technologie siw. Le coupleur proposé est réalisé par deux guides d’ondes parallèles et superposés ayant trois paires de fentes circulaires résonnantes dans leur large paroi commune. Une étude paramétrique du coupleur est réalisée, autour de l’effet du nombre de fentes circulaires utilisées, du rayon des fentes et leur positionnement série ou parallèle, sur le niveau de couplage. Comme la taille est l’un des critères à prendre en compte, pour augmenter le facteur de couplage, deux cas de figures peuvent être réalisés :
1. mettre les fentes circulaires de façon linéaire ou en série utilisant la méthode de Chebyshev [37]-[38].
2. mettre les fentes circulaires en parallèle.
Le premier cas est à exclure du fait de la taille du circuit qui va augmenter et dont il faut tenir en compte. Toutefois, certains travaux, utilisant le dernier cas, ont été publiés . Cependant, ce concept souffre d’une réelle corrélation entre le niveau de couplage, la taille et le nombre de fentes circulaires utilisées pour obtenir un couplage de 3dB. Par conséquent, notre approche appelée le concept 3-3 fentes circulaires ou 3 paires de fentes circulaires (3PFC) (c’est-à-dire 3 fentes circulaires de part et d’autre du plan de symétrie de la structure) nous donne d’excellents résultats en termes de couplage, de directivité, d’isolation, de phase et de bande passante sans affecter la taille du coupleur. Grâce à ces caractéristiques, le coupleur proposé est un bon candidat pour la conception du réseau d’alimentation à formation de faisceaux dans le cas des topologies à deux couches .

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Table des matières

DEDICACE
REMERCIEMENT
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABREVIATIONS ET DES ACRONYMES
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LA TECHNOLOGIE GUIDE D’ONDE INTEGERE AU SUBSTRAT
I.1 Introduction
I.2 Les guides d’ondes classiques
I.2.1 Application des bandes C et S
I.2.1.1 La bande C
I.2.1.2 La bande S
I.2.2 Guides d’ondes rectangulaires
I.2.2.1 Equation de Maxwell
I.2.2.2 Equations générales
I.2.2.3 Mode de propagation
I.2.2.4 Condition de propagation
I.2.2.5 Conditions aux limites
I.2.2.6 Propagation des modes TE et TM
I.2.2.6.1 Etude du mode TE
I.2.2.6.2 Etude du mode TM
I.2.3 Technologie planaire
I.2.3.1 La ligne micro-ruban
I.2.3.2 La technologie coplanaire
I.2.3.3 La technologie triplaque
I.3 Technologie guide d’onde intégré au substrat (SIW)
I.3.1 Introduction
I.3.2 Définition
I.3.3 Caractéristiques modales
I.3.4 Constante de propagation
I.3.5 Considérations de conception du SIW
I.4 La transition
I.5 Conclusion
CHAPITRE II : LES COUPLEURS DIRECTIFS
II.1 Introduction
II.2 Théorie des coupleurs directifs
II.2.1 Les coupleurs directionnels
II.2.1.1 Définition
II.2.1.2 Coupleur symétrique
II.2.1.3 Coupleur anti-symétrique
II.2.1.4 Caractéristiques d’un coupleur directionnel
II.3 Exemples d’application
II.3.1 Mesure de puissance
II.3.2 Réflectomètre
II.3.3 Déphaseur à réflexion
II.3.4 Duplexeur à coupleur 3 dB et ferrite
II.3.5 Duplexeur à coupleur total (duplexeur à rideau)
II.3.6 Duplexeur à coupleurs 3 dB et éclateurs
II.3.7 Diplexeur
II.4 Coupleurs à la technologie SIW
II.4.1.Coupleurs 3-D SIW pour couplage faible
II.4.1.1 Coupleur Schwinger
II.4.1.2 Coupleur à fentes
II.4.2 Coupleur 3-D SIW pour couplage élevé
II.4.2.1 Coupleur 3 dB SIW de type Riblet tridimensionnel
II.4.2.2 Coupleur directionnel bicouche SIW 3 dB/90o
II.5 Conclusion
CHAPITRE III : PRESENTATION DES RESULTATS DE SIMULATIONS
III.1 Introduction
III.2 Transition de la ligne micro-ruban au guide d’onde SIW
III.3 Conception d’un guide SIW fonctionnant dans la bande C
III.3.1 Conception du coupleur directionnel SIW fonctionnant dans la bande C
III.3.2 Conception du coupleur directif SIW demi-mode (-3dB) fonctionnant dans la bande C
III.4. Conception du guide SIW opérant en bande S
III.4.1 Conception du coupleur directionnel SIW fonctionnant dans la bande S
III.4.2 Conception du coupleur directif SIW demi-mode (-3dB) fonctionnant dans la bande S
III.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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