Analyse numérique avec CST MICROWAVE STUDIO

Analyse numérique avec CST MICROWAVE STUDIO

Les guides d’ondes classiques :

La technique des guides d’ondes a reçu de nombreuses applications extrêmement importantes dans la spectroscopie micro hertzienne. L’utilisation de cette technique ne cesse de se progresser, en particulier dans le domaine du rayonnement radioélectrique, l’étude de la propagation des ondes et les réseaux de télécommunication.
On appel guide d’ondes, toute cavité vide limitée par des conducteurs.
Dans un guide d’ondes, on peut produire des ondes progressives guidées qui subit au :

équations de Maxwell
conditions aux limites sur les conducteurs métalliques.

Ce modèle prend en considération les effets de bord des champs entre les conducteurs. Les guides d’ondes présentent de propriétés intéressantes par rapport aux autres systèmes de transmission micro-onde:

étant fermés, les guides ne perdent pas d’énergie par rayonnement parasite
ils sont capables de transmettre de grandes puissances à haute fréquence
les pertes ohmiques sont réduites en raison de l’absence de conducteur central,
comme c’est le cas du câble coaxial par exemple.
ils sont exempts de pertes diélectriques et produisent par conséquent une très
faible atténuation de la puissance transmise.
Ainsi, à une fréquence de 3 GHz, correspondant à une longueur d’onde de 10 cm, un bon câble coaxial présente une atténuation de l’ordre de 0,5 dB /m, par contre elle peut atteindre 0, 025 dB /m dans un guide d’ondes, c’est-à-dire 20 fois moindre.
L’un des principaux inconvénients des guides d’ondes présente l’impossibilité de transmettre des fréquences inférieures à une certaine fréquence de coupure, pour des raisons d’encombrement, on peut dire que les guides d’ondes offrent un intérêt pratique que dans le domaine des ondes centimétriques et millimétriques.
En plus, lorsqu’on utilise un guide d’onde pour transmettre la puissance électromagnétique, seulement le mode de propagation dominant soit propagé et les autres modes soient évanescents.

Les diviseurs de puissance :

Les diviseurs /combineur de puissance sont des dispositifs possédant au minimum trois accès. Lorsqu’ils sont utilisés en combineurs, il y aura deux où plusieurs accès d’entrée et un accès de sortie. Par contre, leur utilisation en diviseur, on constate un accès d’entrée et deux ou plusieurs accès de sortie. Les accès de sortie peuvent être isolé ou nom.
Ces diviseurs /combineurs de puissance s’appliquer soit dans les réseaux d’antennes de satellite, où dans les amplificateurs de puissance pour la division et la combinaison des signaux.
Le bon choix d’un diviseur de puissance est très important pour obtenir les performances voulues, donc nous avons choisi la structure qui répond à nos besoins telle que les avantages sont : les éliminations des lignes de transmissions de longueur un quart d’onde, des mises à terre ainsi l’utilisation des résistances.
Pour ce qui concerne les diviseurs de puissance, on s’intéresse à la matrice de répartition [S], les différents types de diviseurs, leurs avantages et inconvénients et finalement, les diviseurs à base de la technologie SIW en introduisant quelques exemples de transitions existant dans la littérature.

La division de puissance équi-répartie:

Un problème que l’on rencontre très souvent en microondes est la division de puissance. Par exemple, cette division est utile dans le cas de groupement d’antennes en réseau à alimentation commune. Cependant la simple mise en parallèle de branches identiques peut ramener aux points de jonctions, des impédances différentes de l’impédance caractéristique de travail. Il apparaît alors une réflexion non nulle, renvoyant une partie de la puissance vers le générateur (parfois peut être destructif) et diminuant la puissance transférée vers les charges. On opère alors une adaptation progressive faisant apparaître différents sauts de largeurs. Dans certains cas, où l’on veut distribuer la puissance sur les charges avec une phase identique, il faudra de plus prend en considération les longueurs des différentes branches.

Les différents types du diviseur de puissance:

Les lignes Transverses électromagnétiques (TEM) permettent de réaliser plusieurs types de diviseurs de puissance aux hyperfréquences, en général ces diviseurs se distinguent par le nombre des ports de sortie et par la relation d’amplitude et de phase qui existe entre les signaux de sortie.
Ces diviseurs de puissance peuvent être divisés en deux groupes:

Le premier groupe formé de circuits planaires, on cite les diviseurs sectoriels,
sinusoïdaux et les diviseurs exponentiels où de forme arbitraire.
Le second groupe constitué de circuits non planaire comme des guides d’ondes
rectangulaire où circulaire. Il comprend des diviseurs de puissance de Wilkinson à N ports, la topologie ligne radiale à n accès utilisant les lignes micro ruban ou des guides d’ondes et les diviseurs de fourchette à n accès.
Généralement, les diviseurs de puissance planaire sont plus utilisables du à leur intégration facile avec les amplificateurs planaires à faible coût. De plus ces diviseurs éliminent l’utilisation des transitions et présentent un faible coût de fabrication.

Le coupleur bidirectionnel (Directif) :
Un coupleur directionnel est positionné à l’intersection de chaque ligne d’alimentation avec les voies menant aux sorties. Chaque ligne d’alimentation est terminée par une charge adaptée, permettant un fonctionnement en onde progressive simplifiant significativement la description d’une telle structure. Les sorties sont connectées chacune à un des N éléments rayonnants d’un réseau linéaire. On note que les lignes d’alimentation présentent un angle d’inclinaison variant progressivement d’une entrée à l’autre. L’idée est de produire par entrée un déphasage suivant une progression arithmétique.

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Table des matières

Remerciements
Liste des figures
Liste des abréviations et des acronymes
Introduction générale
CHAPITRE I : Généralités sur la technologie SIW
I.1. Introduction
I.2. Les guide d’ondes classiques
I.2. 1. Les différents types des guides d’ondes
I. 2. 2. Le guide d’onde rectangulaire
I. 2. 2. 1. Equations générales des ondes guidées
I. 2. 2. 2. Equation de Maxwell
I. 2. 2. 3. Fréquence et langueur d’onde de coupure
I. 2. 2. 4. Mode transverse électrique TE
I. 2. 2. 5. Mode transverse magnétique TM
I. 2. 2. 6. Cas du guide d’onde (a= 2b)
I. 2. 2. 7. Classement de fréquence de coupure
I. 2. 2. 8. Atténuation dans les guides d’ondes rectangulaires
I. 3. Les guides d’ondes intégrés au substrat SIW
I. 3. 1. Les règles de conception pour le SIW
I. 3. 1. 1. La largeur effective W d’un guide SIW
I. 3. 1. 2. La constante de phase d’un guide SIW
I. 3. 1. 3. Les bandes de propagation interdites
I. 3. 1. 4. L’impédance de Bloch d’un guide SIW
I. 4. Transitions existantes dans la littérature
I. 5. La ligne micro ruban
I. 5. 1. Caractéristiques d’une ligne micro ruban
I. 5. 2. Les avantages des micros ruban
I. 5. 3. L’atténuation dans les micros ruban
I. 6. Les diviseurs de puissance
I. 6. 1. La division de puissance équi- répartie
I. 6. 2. . La division de puissance non équi- répartie
I. 6. 3. La matrice de répartition
I. 6. 4. Les différents types du diviseur de puissance
I. 6. 4. 1. Diviseur de Wilkinson
I. 6. 4. 2. Coupleur à branche
I. 6. 4. 3. Coupleur à ligne couplées
I. 6. 4. 4. Coupleur de Lange
I. 6. 4. 5. Diviseur résistif adapté
I. 6. 4. 6. Le coupleur bidirectionnel (directif)
I. 6. 4. 7. Les coupleurs hybrides
I. 6. 5. Avantages et inconvénients des différentes formes de diviseur
I. 6. 5. 1. Les avantages
I. 6. 5. 2. Les inconvénients
I. 7. Les diviseurs de puissance en SIW
I. 7. 1. La configuration en « T »
I. 7. 2. La configuration en « T » avec un seul pilier inductif
I. 7. 3. La configuration en « T » avec un coude à angle droit
I. 7. 4. Diviseur de puissance en « T » avec coude à rayon de courbure (r = w)
I. 7. 5. Diviseur de puissance en « T » avec coude à deux rayons de courbure
I. 7. 6. Une nouvelle topologie concernant le diviseur SIW
I. 8. Conclusion
CHAPITRE II : Présentation du logiciel CST MICROWEVE STUDIO
II. 1. Introduction
II. 2. Présentation du logiciel CST MICROWAVE STUDIO
II. 3. Caractéristiques du logiciel CST MICROWAVE STUDIO
II. 4. Les modules d’exécution du logiciel CST MICROWAVE STUDIO
II. 5. Méthodes Rigoureuses
II. 5. 1. Méthodes temporelles
II. 5. 1. 1. Méthode d’intégration finie FIT
II. 5. 1. 2. Méthode de la matrice des lignes de transmission TLM
II. 5. 2. Méthodes fréquentielles
II. 5. 2. 1. Méthodes des éléments finies FEM
II. 5. 2. 2. Méthode des moments MoM
II. 6. Analyse numérique avec CST MICROWAVE STUDIO
II. 6. 1. Construction du modèle numérique
II. 6. 2. Configuration du modèle
II. 6. 3. Simulation numérique et optimisation
II. 7. Conclusion
CHAPITRE III : Présentation des résultats de simulation
III. 1. Introduction
III. 2. Résultat de simulation
III. 2. 1. Diviseur 1×2 en bande S
a)Sans optimisation
b)Avec optimisation
III. 2. 2. Diviseur 1×2 en bande C avec optimisation
III. 2. 3. Diviseur 1×4 sans optimisation
a) En bande S
b) En bande C
III. 2. 4. Diviseur 1×4 avec optimisation
III. 3. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie