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1 - PROPAGATION SUR LES STRUCTURES DE GUIDAGE FONDAMENTALES

2 - ÉVOLUTION DES GÉOMÉTRIES DÉVELOPPÉES

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : E1170 v2

Évolution des géométries développées
Structures de guidage hyperfréquences - Propagation et géométrie

Auteur(s) : Michel NEY, Camilla KÄRNFELT

Relu et validé le 05 janv. 2021

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RÉSUMÉ

Dans cet article, le mécanisme fondamental de guidage des ondes dans des structures comme les lignes, câbles ou plus généralement guides, est décrit. La théorie générale débouchant sur l'équation d'Helmholtz est brièvement expliquée. De nombreuses structures ont été proposées selon l'application ou la bande de fréquences utilisée. Le cheminement pour obtenir les équations des champs et la forme des solutions est brièvement présenté. Les concepts fondamentaux comme les modes discrets du guide et leur phénomène de coupure ainsi que la dispersion sont expliqués. Les structures les plus connues sont décrites ainsi que quelques développements récents. L'expression des principaux paramètres est donnée soit sous la forme exacte pour les formes canoniques soit empirique pour les autres cas.

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Auteur(s)

  • Michel NEY : Professeur à l’Institut Mines-Télécom, Télécom Bretagne à Brest, France

  • Camilla KÄRNFELT : Ingénieure d’études à l’Institut Mines-Télécom, Télécom Bretagne à Brest, France

INTRODUCTION

Les dispositifs hyperfréquences tels que filtres, amplificateurs, antennes, coupleurs, etc. sont généralement connectés ou alimentés à travers des lignes, câbles ou guides d’ondes. Ces structures ont la propriété de guider des ondes qui amènent ou transfèrent l’énergie vers ou entre les dispositifs. Elles doivent le faire de façon optimale, c’est-à-dire avec le minimum de pertes, le minimum de dispersion du signal et assurer une adaptation par rapport à la charge et au générateur et ceci sur la largeur de bande de fréquences utile à l’application.

Les structures de guidage uniformes, pouvant avoir des sections à géométries diverses mais invariantes dans la direction longitudinale de propagation, fonctionnent selon un mécanisme de base commun : les ondes transmises sont guidées par rebonds sur des parois métalliques et/ou sur des interfaces entre milieux différents. L’interférence entre ces ondes forme dans le guide des plans de champs équiphases qui se déplacent dans la direction longitudinale du guide supposé à section invariante. La distance entre les plans de même phase (modulo 2π) définit la longueur d’onde guidée, souvent différente de la longueur d’onde du milieu infini. La vitesse de déplacement longitudinale de ces plans définit la vitesse de phase. La particularité du problème du guide est qu’il existe une infinité de solutions pouvant se propager indépendamment. Celles-ci, appelées modes, ont chacune leur vitesse de phase, longueur d’onde, et le diagramme de dispersion illustre la dépendance de ces paramètres avec la fréquence du signal. Enfin, un mode ne peut se propager que si la fréquence du signal est supérieure à sa fréquence de coupure au-dessous de laquelle l’amplitude de ses champs s’atténue de façon exponentielle. Aucune puissance active n’est propagée dans le guide par ce mode. Le problème du guide est donc principalement de trouver le diagramme de dispersion pour les modes utiles et d’extraire les fréquences de coupure et les coefficients de propagation associés. Pour les guides avec pertes, ces derniers sont complexes et leur partie réelle donne le coefficient d’atténuation du mode. Des méthodes perturbationnelles permettent de calculer ces atténuations pour autant que les pertes soient faibles, ce qui est compatible avec les objectifs pratiques du guide.

De très nombreuses structures de guidage ont été proposées, selon l’application et la bande de fréquences d’opération. Ces deux derniers paramètres influent sur la géométrie, la taille, les matériaux utilisés et, par conséquent, la technologie utilisée. Par exemple, une application haute puissance, typique dans les radars, va obliger le choix de guides métalliques creux, généralement à section rectangulaire ou circulaire ou de câbles coaxiaux pour des puissances moindres. Par contre, des applications à faibles puissances permettent l’utilisation des technologies planaires telles que les lignes microrubans imprimées sur substrat diélectrique ou les nouvelles approches technologiques comme les guides intégrés en substrat (Surface Integrate Waveguide, SIW) ou guides non rayonnants (Non Radiating Dielectric, NRD). Enfin, des lignes particulières présentent des propriétés intéressantes par leurs caractéristiques de propagation, similaires à celles d’un milieu d’indice négatif dans certaines bandes de fréquences. On fait alors référence aux lignes à métamatériaux.

Après une brève présentation de la théorie de base du guide, différentes structures parmi les plus connues et certaines plus récentes sont présentées avec les paramètres associés importants. On explique les concepts de base liés aux guides comme les modes, les phénomènes de coupure et la dispersion. Sauf dans les cas à géométrie canonique, les solutions analytiques ne sont pas possibles et des modèles approximatifs ou numériques doivent être utilisés. Des formules empiriques sont alors proposées pour permettre le dimensionnement et le calcul des paramètres utiles associés aux structures actuellement les plus utilisées.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e1170


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2. Évolution des géométries développées

De rapides développements eurent lieu, dans ce domaine, aux États-Unis, pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsque des laboratoires spécialisés furent créés au MIT (Massachusetts Institute of Technology) et à l’université de Columbia pour appliquer les techniques micro-ondes, aux problèmes du radar. À ce moment-là, deux structures de base de guidage étaient fréquemment employées : le guide d’ondes métallique et la ligne coaxiale TEM. Les guides d’ondes permettaient une transmission de l’énergie avec une puissance élevée et de faibles pertes. Les lignes coaxiales, nées avec le câble sous-marin, procuraient des transmissions plus large bande du fait de l’absence de dispersion. Mais l’élévation des pertes, en particulier dans le diélectrique, lorsqu’on augmentait la fréquence, fixait une frontière au-delà de laquelle la ligne coaxiale était remplacée par le guide d’ondes dont on exploitait le mode dominant. Cependant, le guide était une structure encombrante, ses dimensions transversales étant de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde. La ligne bifilaire, quant à elle, n’était presque pas utilisée pour transporter des signaux à haute fréquence puisque, n’étant pas blindée, elle était facilement perturbée par des objets situés à proximité.

C’est avec l’avènement des circuits intégrés et la montée en fréquence que des structures planaires ont fait leur apparition. Elles permettent une meilleure compatibilité avec la connexion de composants discrets et même une intégration complète en technologie sur substrat de type Si ou AsGa. Par contre, elles souffrent de ne supporter que des puissances relativement faibles. De très nombreuses études ont été effectuées avec pour objectif de rendre ce type de ligne le moins dispersif possible et de diminuer les pertes. De plus, ces deux problèmes deviennent de plus en plus critiques avec la montée en fréquence. Ce paragraphe décrit les principaux développements de guides ou lignes planaires et les formules associées (quand elles sont disponibles) pour leur conception et l’évaluation de leurs performances.

Nous avons mentionné que les différentes structures de guidage employées dans les systèmes micro-ondes ou millimétriques peuvent être classées en deux catégories : les structures ouvertes (les champs s’étendent à l’espace libre) et les structures...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CALOZ (C.), and ITOH (T.) -   Transmission line approach of left-handed (LH) structures and microstrip realization of a low-loss broadband LH filter.  -  IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 52, no. 5, (2004).

  • (2) - CALOZ (C.), ITOH (T.) -   Electromagnetic metamaterials : transmission line theory and microwave applications-The engineering approach  -  . John Wiley Sons, (2006).

  • (3) - GUPTA (K.C.), GARG (R.), CHADHA (R.) -   Computer aided design of microwave  -  . Artech House Inc., Norwood, (1981).

  • (4) - ABRAMOWITZ (M.), STEGUN (I.A.) -   Handbook of mathematical functions  -  . Dover Publications, New York, (1972).

  • (5) - GUPTA (K.C.), GARG (R.), BAHL (I.J.) -   Microstrip lines and slotlines  -  . 2nd Ed. Artech House, Microwave Library, (1996).

  • (6) - ROZZI (T.), MOGLIE (F.), MORINI (A.), MARCHIONNA...

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