Adaptation du Guide d’Ondes en Technologie SIW

La technologie SIW

Introduction

Les développements récents des systèmes de communication RF, micro-ondes et sans fils sont caractérisés par des hautes vitesses de transfert de données et nécessitent des substrats diélectriques à faible pertes, où l’intégration est facile et avec de faibles coûts de fabrication, ce qui peut être assuré par la technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide). Cette technique hérite à la fois du bien fonder des techniques micro-ruban pour la compacité et la facilité d’intégration, et du guide d’ondes pour les faibles pertes de rayonnement, ce qui ouvre une nouvelle voie à la conception de circuits micro-ondes à faible coût .

Caractéristiques du guide d’ondes en technologie SIW

L’appariement des composants planaires et les guides d’ondes sur le même substrat est difficile et assez couteux. Afin d’obtenir les avantages des guides d’ondes rectangulaires tout en restant dans les profils planaires, la technologie SIW est intéressante. Le guide d’onde en technologie SIW [1] est en effet un compromis entre les deux, il présente des caractéristiques intéressantes en termes de facilité d’intégration tout en offrant des composants à facteur de qualité élevé.
Depuis le début des années 2000, un intérêt pour la technologie SIW a été effectué de manière intensive par l’équipe dirigée par le Professeur Ke Wu (Polygrames Research Centers). En 2001, le travail de Dominic Deslandes [2][3] a porté sur la transition de la ligne micro ruban au guide d’ondes SIW, et est devenu en fait l’une des références les plus citées dans les travaux sur SIW employant des excitations planes. La plupart des composants microondes ont été modélisés dans la technologie SIW, comme les filtres, les coupleurs, les duplexeurs, les six ports…. Partant d’une couche de substrat diélectrique comprise entre deux plans métalliques, deux rangées de trous sont percées et métallisés, faisant ainsi contact entre les deux plans métalliques du substrat. Le diamètre d des trous (tiges), p l’espacement entre les trous et 𝑊𝑠𝑖𝑤l’espacement entre les deux rangées de trous sont des paramètres physiques nécessaires pour la conception de RSIW. La période p doit rester faible pour réduire les pertes de fuite entre les cylindres adjacents. Le choix de d est également soumis au problème de pertes. Les rangées de trous métallisés en contact avec les plans conducteurs du substrat définissent une région de propagation d’ondes électromagnétiques semblable à un guide d’onde rectangulaire métallique comme illustré sur la Figure II.1.

Adaptation du Guide d’Ondes en Technologie SIW

La nécessité de combiner la technologie planaire et SIW (Substrate Integrated Wavguide) ensemble, impose de dépasser les dissimilitudes physiques et électromagnétiques de ces supports de transmission, et d’imaginer un mécanisme par lequel une onde électromagnétique se propage dans une ligne de transmission et un milieu donné (ex. une onde TE dans un guide d’onde) soit couplée à une autre ligne de transmission et un autre milieu (ex. une onde quasi-TEM dans une ligne micro-ruban) tout en respectant les conditions aux limites de cette dernière. On appelle ceci une Transition Micro-onde.
La transition Taper Micro-Strip entre la technologie planaire et SIW a été développée dans [6][7][8][9]. Cette dernière est basée sur une ligne planaire [2][3] qui augmente de largeur progressivement
Cette transition doit permettre d’adapter en impédance le mode fondamental du guide TE10 sur le mode quasi-TEM de la ligne micro-ruban. Une transition doit être simple à réaliser, engendrer un minimum de pertes et l’adaptation doit donc être optimale. Vu que l’impédance au niveau du guide est beaucoup plus importante que celle de la ligne micro-ruban (généralement de 50Ω dans la gamme des microondes), la conception d’un tel dispositif reste assez compliquée. Les dimensions de cette transition sont optimisées pour fonctionner dans une bande de fréquences donnée [9].
La technique de taper micro ruban proposée comme solution à la transformation sans pertes du mode de propagation quasi-TEM dans la ligne micro-ruban Figure II.17 au mode fondamental transverse électrique TE10 du guide d’onde, est une transition coplanaire très efficace et à large bande.
Le dispositif de transition selon cette étude comporte un substrat diélectrique mince unique dans lequel sont intégrés une ligne micro-ruban, un guide d’onde rectangulaire et un transformateur de mode planaire entre la ligne et le guide d’onde.
L’objectif visé est donc d’associer, au moyen d’un dispositif de transition microonde, une première technologie en ligne micro-ruban à une deuxième technologie en guide d’onde, différente de la première, tout en conservant les avantages de ces deux technologies.
La transition micro-ruban conique est couramment utilisée entre la ligne micro-ruban et les composants SIW, elle est reliée directement à la paroi supérieure du SIW.

Applications

Cette transition (taper) constitue un dispositif qui transforme le mode quasi-TEM de la ligne micro-ruban en mode 𝑇𝐸10 dans le guide d’ondes et par conséquent ramène l’impédance caractéristique de la ligne à celle du guide SIW. Elle doit donc assurer une bonne adaptation d’impédance dans la bande de fréquences monomodale [1.25 𝑓𝑐10- 1.9𝑓𝑐10] du guide SIW.
A titre d’application de la méthode de conception de transition conique pour adapter des guides en technologie SIW.

La bande X [8-12] GHz

La première application concerne l’utilisation du guide RSIW fonctionnant dans la bande [8-12] GHZ, analysé précédemment. En effet, en exploitant les relations (II.8), (II.9) introduites au sein du programme Maple [6][8][9] et après optimisation [5],les Figures II.18-19 indiquent une bonne adaptation.
La Figure II.19 indique que le module de S11 reste inférieur à -15dB sur plus de 17.86% de la bande de fréquence et le module du coefficient de transmission S21 est de l’ordre de -2 dB sur toute la bande.

La bande K [18-26.5] GHz

La seconde application concerne l’utilisation du guide RSIW fonctionnant dans la bande K [18-26.5] GHZ, analysé précédemment. En exploitant le programme Maple [6] et [5], on a optimisé les dimensions de la transition taper reliant le RSIW à la ligne micro ruban Figure II.20.La Figure II.21 indique que le module de S11 reste inférieur à -15dB et le module du coefficient de transmission S12 est de l’ordre de -2.25 dB sur toute la bande.

Conclusion

La pratique de guides intégrés au substrat SIW fournit une grande flexibilité de conception, car plusieurs types de guides d’ondes peuvent être combinés sur le même support en ralliant les avantages des technologies planaires et des technologies guides d’ondes.
Dans ce chapitre nous avons modélisé plusieurs guides RSIW dans plusieurs bandes fréquentielles. On a déterminé les coefficients de transmission S21et de réflexion S11et on a tracé la cartographie du champ électrique pour le mode TE10. Aussi nous avons présenté la démarche à suivre pour la conception d’un guide d’ondes en technologie SIW, adapté à ses deux extrémités à l’aide de transition conique (taper). Cette étude repose sur la détermination de paramètres initiaux du taper à partir de plusieurs formules citées, puis une optimisation de ces paramètres à l’aide du logiciel HFSS. Les résultats obtenus confirment l’efficacité de cette solution et démontrent que cette démarche constitue un outil approprié de conception de circuit intégré en technologie SIW complètement planaire sur le même substrat sans assemblage mécanique.

Circulateurs

Le circulateur à jonction Y [1] en guide d’ondes Figure III.1 comporte trois voies à 120° les unes des autres autour d’un corps central où se trouve l’élément en ferrite qui confère au circulateur sa non réciprocité.
Le circulateur, véritable carrefour à ondes électromagnétiques, se présente généralement sous la forme d’un boîtier équipé de trois connecteurs servant d’entrée-sortie. La Figure III.2 donne la représentation d’un circulateur (en Y) à trois voies tel que lorsqu’un champ magnétique statique est appliqué sur la pastille cylindrique de ferrite, un champ interne apparait. Ce champ interne, si son intensité est suffisante, oriente les moments magnétiques dans une direction particulière de façon à optimiser l’interaction avec le signal haute fréquence en faisant apparaitre de manière uniforme dans tout le ferrite le phénomène de précession gyromagnétique. Ce phénomène permet à une onde entrant par les voies 1, 2 ou 3 de ne pouvoir ressortir que respectivement par les voies 2, 3 ou 1.
Lorsque l’échantillon de ferrite est aimanté perpendiculairement à son plan principal à l’aide d’un aimant permanent, l’anisotropie du ferrite dégénère le mode principal de résonance de telle manière à ce que les deux modes dégénérés, excités au niveau de l’entrée (port 1), se recomposent de façon constructive sur l’un des deux accès de sortie (port 2) et de manière destructive sur l’autre accès de sortie (port 3).
Notons que a1, a2 et a3 sont les amplitudes des ondes incidentes dans le circulateur Y à trois voies et b1, b2 et b3 sont les amplitudes des ondes réfléchies au niveau des trois ports.
Un tel dispositif est essentiellement utilisé pour deux fonctions au sein des systèmes de télécommunications :
– Il permet de jouer le rôle d’aiguilleur du signal radiofréquence dans tous les systèmes où la séparation des voies d’émission et de réception est importante (radars, transmissions par satellite, téléphonie mobile, …).
– Ou encore, il permet l’isolation inter-étages pour masquer une désadaptation entre deux éléments successifs dans une chaîne d’émission. Pour réaliser cette fonction, il suffit d’isoler un des ports en le reliant à une charge adaptée.
Les trois caractéristiques grandeurs les plus importantes pour un circulateur sont :
– les pertes d’insertion qui doivent être les plus faibles possibles (< 1 dB),
– une bonne isolation (- 20 dB)
– et une bonne adaptation (- 20 dB)
Ces structures sont utilisées dans des systèmes tels que les radars, la téléphonie mobile ou les liaisons satellitaires.
Le circulateur se caractérise par sa matrice de paramètres S ou matrice de dispersion qui s’écrit :
La non-symétrie de cette matrice traduit clairement la non-réciprocité du composant. C’est cette non-réciprocité qui fait tout l’intérêt du dispositif et qui explique que cette fonction peut servir dans de nombreuses applications en télécommunications comme le du plexeur dans un module d’émission/réception Figure III.3. Le circulateur joue le rôle de séparateur des canaux émission et réception, il oriente les signaux de l’émetteur vers l’antenne sans aucun parasitage avec le récepteur (voie isolée).
Dans le domaine des micro-ondes, où la puissance peut être très élevée, il est nécessaire de protéger la source contre l’énergie réfléchie en utilisant un isolateur. Les concepteurs emploient souvent les circulateurs comme des isolateurs, le troisième port étant relié à une charge adaptée qui absorbe l’énergie réfléchie Figure III.3.

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHPITRE I : GUIDE D’ONDES RECTANGULAIRES METALLIQUES
I.1-Introduction
I.2-Guide d’onde rectangulaire
I.2.1- Equations de Maxwell
I.2.2- Equations de propagation
I.2.3- Propagations dans les guides d’ondes rectangulaires
I.2.4-Caractéristiques de dispersion
I.2.5- Lignes de champ
I.3-Propriétés de la matrice de répartition
I.3.1- Puissance et Matrice
I.4- Applications
I.4.1- HFSS (High Frequency Simulation Software)
I.4.2-Simulation de Guide d’ondes rectangulaires
I.5-Conclusion
Bibliographie
CHAPITRE II : LA TECHNOLOGIE SIW
II.1-Introduction
II.2-Caractéristiques du guide d’ondes en technologie SIW
II.3-Equivalence entre guide d’ondes et guide RSIW
II.4-Applications
II.5-Adaptation du Guide d’Ondes en Technologie SIW
II.5.1-Applications
II.5.1.1- La bande X [8-12] GHz
II.5.1.2-La bande K [18-26.5] GHz
II.6 Conclusion
Bibliographie
CHAPITRE III :LES CIRCULATEURS EN TECHNOLOGIE SIW
III.1 Introduction
III.2 Circulateurs
III.3 Circulateur à guides d’ondes équivalents
III.4 Conception de Circulateurs en technologie SIW.
III.4.1 La bande [4-6.5] GHz
III.4.2 La bande [18-26.5] GHz
III.5. Conclusion
Bibliographie
CONCLUSION GÉNÉRALE

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