Les Guides à Base de la Technologie SIW : Conception et simulation

Les guides d’ondes intégrées au substrat

Historique : Les techniques de fabrication de circuits intégrés micro-ondes (Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC et Miniature Hybrid Microwave Integrated Circuit, MHMIC) permettent de produire des circuits à faibles coûts mais à faible facteur de qualité dans le domaine millimétrique. Pour remédier à ces difficultés, les guides d’ondes métalliques sont souvent utilisés. Le premier guide d’onde fut proposé par Joseph John Thomson en 1893 et vérifié expérimentalement par Oliver Lodge en 1894, Ils présentent de faibles pertes globales, de bons facteurs de qualité et permettent donc de réaliser des composantes sélectives, mais leur fabrication est plus difficile et longue avec un coûts de production élevé. Afin de rallier les avantages des technologies planaires classiques et des technologies guides d’ondes sous la même bannière, l’idée des Guides Intégrés au Substrat (GIS ou SIW, Substrate Integrated Waveguide en anglais) vient d’apparaitre. Les premiers guides d’ondes intégrés au substrat ont été rapportés par Shigeki en 1994 et la première référence dans la littérature prend la forme d’une application pour un brevet japonais publié dans une même année. Ainsi un nouveau guide d’onde a vu le jour sous la forme de deux rangées de trous métallisés reliant deux plans métalliques parallèles qui forment un guide d’onde rectangulaire et traversent un substrat diélectrique [3]. La figure I.3 montre ce guide d’onde. Les premiers composants des guides GIS ont réellement vu le jour en 1997. C’est ainsi que Hirokawa et Ando ont utilisé ce nouveau guide d’onde pour réaliser une de leurs antennes avec la technologie GIS (Post wall waveguide in substrat) [4].En 1998, dans un nouvel article, Hirokawa et al ont dévoilé une structure d’alimentation GIS pour une antenne à 40 GHz, et ont en même temps mis en exergue les caractéristiques de transmission de ce guide d’ondes intégré [5]. De 1999 jusqu’à aujourd’hui, de nombreuses publications ont vu le jour. On retrouve dans la littérature des articles portant sur les réalisations des composants passifs GIS comme la transition micro-ruban-GIS [6], la transition coplanaire-GIS [7], [8], la transition guide métallique rectangulaire à GIS [9], les filtres [10], [12], les coupleurs hybrides et classiques[13], [14], les circulateurs [15], les antennes [16] et les circuits à six ports [17] et les circuits actifs en GIS tels que les oscillateurs[18], les amplificateurs[19]-[20] et les mixeurs.

Les antennes à ondes de fuites

Historique La première antenne à onde de fuite (AOF) date de 1940 et fut conçue par Hansen [30]. Elle se compose d’un guide d’onde rectangulaire avec une fente continue coupée le long de son côté selon la figure I.9. Cette antenne restera très peu utilisée jusqu’aux années 50 à cause de sa faible directivité.Avec le succès des antennes à ouvertures comme les cornets, les AOF resteront peu étudiées et peu utilisées. Il faudra attendre la fin des années 50 pour voir les premières avancées dans le domaine.Cependant. Dans les années 1950 des différents types d’antennes à onde de fuite ont été introduits, et les méthodes ont été développées pour leur analyse. En 1957, Hines propose de résoudre  le problème de la faible directivité des AOF en remplaçant l’ouverture par une série de trous périodiques faiblementespacés [31]. A la fin des années 50 , des autres nouvelles structures ont été introduites par Rotman et ses collègues. L’un d’eux était le “sandwich line antenna” [32], qui était conceptuellement le premier exemple d’une antenne à onde de fuite à une dimension périodique one-dimensional periodic leaky-wave antenna, mais il n’était pas pratique. Une autre approche de base reconnue par Rotman, Il prenait une structure de guide ouverte qui ne rayonne pas en raison de sa symétrie inhérente. Ainsi, l’adjonction d’une asymétrie dans la structure a pour conséquence de permettre la propagation d’un mode de fuite. La théorie de cette antenne, simple et performante, sera développée par Oliner [33]. Beaucoup plus tard, une étude de tableaux unidimensionnels de 1D antennes à ondes de fuit a été réalisée par Oliner et ses collègues, principalement Lampariello, Shigezawa, et Peng, à partir des années 1980, et ces travaux sont résumés dans un rapport complet [34]. La conception de l’antenne à onde de fuite à deux dimensions AOF 2D a été développée par Von Trentini [35] en 1950, il utilisa des écrans partiellement réfléchissant (EPR) disposés périodiquement pour obtenir un rayonnement broadside [35], Cette novelle structure a permis l’obtention des faisceaux directifs quand un simple guide d’ondes a été utilisé comme source d’alimentation. Des recherches sur l’antenne à onde de fuite 2D uniforme constitué d’une couche diélectrique de supérieure sur une couche de substrat ont été menées par Alexopoulos et Jackson dans les années 1980 [36,37], bien que cette structure n’ a pas été également reconnue comme une antenne à onde de fuite. L’analyse de ce type de structure comme une antenne à onde de fuite a été faite par Jackson et Oliner à la fin des années 1980 et au début des années 1990 [38,39]. Plus tard, les AOF 2D utilisant des écrans périodiques partiellement réfléchissants (comme dans l’antenne originale de von Trentini ) ont été examinées plus en détail par Feresidis et Vardaxoglou [39] utilisant partiellement écrans réfléchissants quasiuniforme constitués de divers éléments tels que les dipôles métalliques et plaques rectangulaires, patchs circulaires, boucles circulaires, boucles carrés, dipôles croisés, et leurs compléments. Une étude sur les caractéristiques de rayonnement d’AOF 2D quasi-uniformes utilisant des dipôles métalliques ou des fentes a également été discutée en détail dans les références [41] et [42].Depuis les années 2000 jusqu’à aujourd’hui, plusieurs articles sur les antennes a onde de fuite a été publiée. Dans cette thèse on s’intéresse aux antennes à onde de fuite basée sur les guides d’onde intégrée au substrat.

Les antennes 1-D

   L’antenne à onde de fuite 1D est celle où la structure de guidage est essentiellement unidimensionnelle, c’est-à-dire, la structure supporte une onde se propageant dans une direction fixe. Cette catégorie est ensuite découpée en trois grandes familles : les antennes uniformes, les antennes périodiques et enfin les antennes quasi-uniformes [45].
a) Antenne uniforme :Les AOF uniforme sont des structures invariantes (constante) sur la longueur de la structure de guidage, et sont caractérisé par une constante de propagation positive a toutes les fréquences, dans ce type de structure le seul mode onde rapide (faste wave) qui peut se propager et celui apparaissant àla fréquence limite inférieure de la zone de rayonnement, les modes apparaissant aux fréquences inférieures à cette fréquence limite sont guidé dans la structure et ne créent pas de rayonnement. la direction de faisceaux d’antenne a onde de fuite uniforme est varier entre 0◦ transverse (broadside) et 90◦ longitudinale (end fire) (Figure I.16 ) Il est cependant difficile d’obtenir un rayonnement transverse (broadside) car cet angle correspond à la fréquence de coupure. Ceci est le principal inconvénient de cette antenne. Une façon de le contourner est d’alimenter le guide à chaque extrémité à une fréquence très légèrement supérieure à la fréquence de coupure. Il en résulte alors deux rayonnements proches de la direction transverse (broadside). Si les deux lobes sont suffisamment proches, il en résultera un rayonnement équivalent à broadside mais moins directif (puisque composé de la somme des deux lobes).et Il en peut pas possible d’utiliser l’AOF uniforme trop proche de l’angle endfire car la fréquence élevée nécessaire induit la propagation de modes d’ordre supérieur dans le guide.

b) Les antennes périodiques :En général l’AOF périodiques sont assez similaires aux antennes uniformes. Les seules différences concernent la façon de produire le rayonnement et et l’intervalle de balayage du rayonnement. Dans les antennes à ondes de fuite périodique, une partie de la modulation périodique de la structure de guidage est introduit, et il est cette périodicité qui produit la fuite. La modulation périodique est uniforme sur la longueur de la structure, Un exemple d’une AOF périodique est un guide d’onde rectangulaire diélectrique sur lequel un réseau de bandes métalliques est placé périodiquement (Figure I.18) Cette antenne présentée pour la première fois par R.C. Honey [46] Une différence importante entre les AOFs uniformes et périodique est le mode dominant; dans le premier type est une onde rapide (faste wave) qui rayonne à chaque fois que la structure est ouverte, D’autre part, le mode dominant sur une AOF périodique est une onde lente qui est donc parfaitement guidé (ne rayonne pas). L’ajout des plaques métalliques de façon périodique produit une infinité d’harmoniques spatiaux, dont certains peut être rapide tandis que le reste sont lents; les harmoniques spatiaux rapides rayonnent. Pour expliquer l’origine de la fuite et de comprendre le comportement de balayage en fonction de la fréquence, nous invoquer la notion d’harmoniques spatiaux. Supposons que nous prenons d’abord un guide d’onde diélectrique uniforme, et ensuite nous placer un réseau de bandes métalliques périodiquement le long de sa longueur (Figure I.18). Avant que les bandes métalliques sont ajoutés, on choisit les dimensions de guide et la fréquence de sorte que seul le mode dominant est supérieure à la fréquence de coupure; En outre, > K0 pour ce mode, donc il est purement lié.

c) Les antennes quasi-uniformes :Ce type d’antenne est similaire à l’AOF uniforme, à l’exception que une structure périodique est utilisée dans la géométrie de la structure de guide d’ondes .la figure I.10 est un exemple d’une antenne quasi-uniforme dans [7]. Bien qu’il y aurait toujours un ensemble infini d’harmoniques spatiaux, la période doit être choisi suffisamment petit pour que seul le espace harmonique fondamental (n = 0) correspondant au mode fondamentale de guide d’onde .

Les Fréquences utilisées :

La bande S Est une bande de fréquences définie sur la partie du spectre électromagnétique allant de 2 à 4 GHz. La bande S est surtout utilisée par les radars météorologiques et quelques satellites de communication, spécialement ceux que la NASA emploie pour communiquer avec leurs navettes spatiales et la Station spatiale internationale. Utilisée aussi pour certains transmetteurs audio/vidéo de puissance maximale 20 mW, pour le Wi-Fi (2400 à 2460 MHz) et aussi pour les réseaux mobiles LTE (2500 à 2690 MHz).
La bande C Est la partie du spectre électromagnétique définie par les fréquences : de 3,4 à 4,2 GHz en réception et de 5.725 et 7.075 GHz en émission attribué au service de Radiodiffusion par Satellite (Broadcasting) particulièrement utilisée sur les zones tropicales et faiblement sur les autres zones.De 4 à 8 GHz pour des usages comme les radars météorologiques.
La bande Ku (Kurz-unten) Est la partie du spectre électromagnétique définie par la bande de fréquence microondes de 12 (GHz) à 18 GHz. La bande Ku est la plus employée de toutes les bandes de fréquences pour la télévision par satellite. Elle est attribuée au service de radiodiffusion par satellite (services de télévision, de radio et données informatiques). Cette bande est la plus répandue en Europe, du fait de la petite taille des paraboles nécessaires à sa réception.
La bande Ka (Kurtz-above) Correspond à une gamme de fréquences comprises entre la bande K et la bande Q ; elle est utilisée notamment pour l’Internet par satellite. Pour les télécommunications spatiales, elle s’étend en émission de 27,5 à 31 GHz et en réception, de 17,3 à 21,2 GHz. Les paraboles nécessaires pour recevoir les signaux sont encore plus petites que celles utilisées pour la bande Ku (certaines antennes Ka mesurent 20 cm de diamètre).
Les ondes millimétriques Historiquement les ondes millimétriques (30 – 300 GHz) étaient surtout utilisées pour les applications militaires comme les radars et l’imagerie, ainsi pour le domaine scientifique comme pour la radio astronomie ou la télédétection. Il y a plusieurs raisons qui rendent des ondes millimétriques attrayantes :
– La taille des antennes proportionnelle à la longueur d’onde est plus petite en montant en fréquence.
– Une fréquence d’exploitation plus élevée entraîne aussi des antennes à gain plus élevé puisque le gain augmente proportionnellement avec carré de la fréquence de fonctionnement. Les principaux inconvénients propres aux caractéristiques de la bande millimétrique sont :
– La réduction des longueurs d’onde nécessite une précision technologique, augmentant ainsi les coûts de fabrication. (La disponibilité de technologies en ondes millimétriques n’est pas toujours présente dans certains cas).
– La présence de gouttes d’eau et d’autres composants moléculaires dans l’atmosphère affecte les passages des ondes plus particulièrement aux fréquences millimétriques.
– La technologie millimétrique pose des problèmes pour des réalisations de très fortes puissances.

Conception des antennes LWA basées sur la technologie SIW opérants dans la bande millimétrique

  Les antennes à ondes de fuite possèdent certains avantages par rapport aux réseaux d’antennes classiques. Un gain élevé peut être réalisé par une simple extension de sa longueur physique, ce qui peut être entretenu dans un format compact notamment dans les applications à ondes millimétriques Dans cette partie, nous concevons une antenne à onde de fuite basée sur les guides d’onde intégrés au substrat, l’antenne rayonne l’énergie à partir des fentes longitudinales gravées dans la paroi supérieure de SIW. La structure de SIW utilisée est composée de deux rangées de trous métalliques de diamètre d= 0.4 mm, la distance entre les trous s=1.8 mm, et la distance entre les deux rangées as=3.2 mm. Les dimensions initiales de guide SIW ont été calculées sur la base des formules analytiques pour les guides d’ondes rectangulaires équivalentes (voire chapitre II) puis optimisées numériquement en utilisant le simulateur CST Microwave Studio. Pour notre antenne LWA à base de la technologie SIW nous avons utilisé un substrat de type Cu 233lx (lossy) avec épaisseur b = 0.508 mm, permittivité relative εr= 2.33 et le facteur de perte tangδ=0.0013. La figure III.13 montre la structure LWA SIW avec des fentes situées dans les deux côtés de SIW.

La technologie HMSIW

  La technologie HMSIW est semblable au guide d’onde rectangulaire classique ou les modes TEm0 peuvent être propagés. La distribution de champ du mode dominant TE10 est représentée dans la figure IV.1(a). Il est connu que, lorsqu’un SIW ne fonctionne que dans le mode dominant, le champ E est d’une valeur maximale au niveau du plan centrale verticale le long de la direction de propagation, donc le plan central peut être considéré comme un mur magnétique équivalent. Sur la base de cette idée nous pouvons couper le guide SIW en deux parties avec un mur magnétique fictif, et chaque moitié de guide SIW devient une structure HMSIW [6],[7]. On peut presque garder la distribution du champ d’origine dans sa propre partie et presque tous les avantages de guide SIW et la réduction de la taille près de la moitié. La distribution de champ du demi-mode TE10 dans un guide HMSIW est représentée sur la figure IV.1(b).

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Table des matières

Introduction générale
Bibliographie
Chapitre I Généralités sur la technologie SIW et les Antennes à Ondes de fuite
I. 1. Introduction
I. 2. Propagation des ondes électromagnétiques dans un guide d’onde rectangulaire
I.2. 1. Définition
I.2. 2. Expressions des composantes du champ électromagnétique dans un guide d’onde
I.2. 3. Propagation des modes TE
I.2. 4. Mode dominant
I.2. 5. Coefficient de réflexion et impédance
I.2. 6. Signification des paramètres S
I.2. 7. Propriétés générales de la matrice S
a. Composant réciproque
b. Composant sans pertes
c. Composant adapté
I. 3. Les guides d’ondes intégrées au substrat
I.3. 1. Historique
I.3. 2. Structure du GIS
I.3. 3. Paramètres des guides d’ondes intégrés au substrat
I.3. 4. Caractéristiques modales
I.3. 5. Transition des lignes micro-rubans aux guides d’ondes intégrés au substrat
I. 4. Les antennes à ondes de fuites
I.4. 1. Historique
I.4. 2. Définition
I.4. 3. Principe de fonctionnement
I.4. 4. Les types d’antennes à onde de fuite
1.4.4.1. Les antennes 1-D
a) Antenne uniforme
b) Les antennes périodiques
c) Les antennes quasi-uniformes
1.4.4.2. Les antennes AOF 2-D
I. 5. Conclusion
Bibliographie
Chapitre II Les Guides à Base de la Technologie SIW : Conception et simulation
II. 1. Introduction
II. 2. Les Fréquences utilisées
II.2. 1. La bande S
II.2. 2. La bande C
II.2. 3. La bande Ku (Kurz-unten)
II.2. 4. La bande Ka (Kurtz-above)
II.2. 5. Les ondes millimétriques
II. 3. Conception du SIW opérant dans la bande C de réception
II.3. 1. Transition des lignes micro-rubans au guide d’ondes intégrés au substrat
II. 4. Conception du guide SIW opérant dans la bande C d’émission
II. 5. Conception du guide SIW dans la bande Ka
II. 6. Conception du guide SIW opérant dans la bande millimétrique 
II. 7. Conclusion
Bibliographie
Chapitre III La Conception des Antennes à Onde de Fuite en Technologie SIW : Résultats et Discussion
III. 1 Introduction
III. 2 Les caractéristiques principales des antennes
III.2. 1. Puissance rayonnée par une antenne
III.2. 2. Antenne isotrope
III.2. 3. Diagramme de rayonnement
III.2. 4. Ouverture de l’antenne
III.2. 5. Largeur de bande
III.2. 6. Directivité
III.2. 7. Gain
III.2. 8. Rendement
III. 3 Différents types d’antennes
a) Antenne dipolaire
b) Boucle magnétique
c) Antenne cornet
d) Les antennes à ondes de fuites (« leaky waves antennas »)
e) Antenne à réflecteur parabolique
f) Antennes plaquées
III. 4 Conception de l’antenne LWA basé sur SIW dans la bande C
III. 5 Conception de l’antenne LWA basée sur SIW dans la bande ku 
III. 6 Conception des antennes LWA basées sur la technologie SIW opérants dans la bande millimétrique
III. 7 Conclusion 
Bibliographie
Chapitre IV La Conception des antennes LWA HMSIW et les réseaux du LWA SIW
IV. 1. Introduction
IV. 2. La technologie HMSIW
IV. 3. Conception du guide HMSIW dans la bande X
IV. 4. Conception de l’antenne LWA HMSIW opérant dans la bande X
IV. 5. Réseaux d’antennes à onde de fuite basée sur la technologie SIW 
IV. 6. Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
Annexe

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