Les guides d’ondes rectangulaires

Les guides d’ondes rectangulaires

les ondes électromagnétiques peuvent être émises dans l’espace libre au moyen d’une antenne par exemple, on parle alors de propagation libre des ondes, procédé qui est largement utilisé pour les systèmes de télécommunication mais lorsque la fréquence et/ou la puissance augmente l’emploi de lignes de transmission devient très limité, Dans ce cas, il devient nécessaire d’utiliser des structures appelées « guide d’onde » pour la transmission de cette énergie électromagnétique.

Généralités sur les Guide d’ondes rectangulaire

Le guide d’onde rectangulaire est un système de guidage constitué de quatre parois conductrices (généralement parfaits) . Donc, ce type de guide d’onde possède une section conductrice fermée, donnant la forme d’un conducteur simple et creux. Le guide d’onde rectangulaire est défini transversalement (selon x) par la largeur a et verticalement (selon y) par l’épaisseur b (a>b). Un diélectrique souvent de l’air remplit à l’intérieur du conducteur creux. L’onde se déplace dans le diélectrique, mais il est confiné dans l’espèce par les quatre parois conductrices. L’axe (z) définit toujours la direction de la propagation .

Présentation de l’outil de simulation CST –HFSS-ADS

Dans notre travail,on s’est basé principalement sur les logiciels de simulation « CST Microwave » , « HFSS High frequency Simulation Software » et « ADS Advanced Design System » qui sont utilisés pour des applications dans le domaine de micro-ondes ,permettant d’anlyser, concevoir et simuler des filtres à base de guides d’onde en technologie SIW pour obtenir un modèle électromagnétique assez présis permettant une réalisation pratique par la suite.

CST :
CST Microwave Studio est un logiciel de simulation électromagnétique de structure passives en 3 Dimensions basé sur la résolution des équations de Maxwell suivant la technique des équations intégrales (FIT, Finite Integration Technic). Cette méthode numérique offre une discrétisation de l’espace permettant la description directement en 3D de tous les composants des systèmes décrits, ce qui lui permet d’être appliqué à de nombreux problèmes électromagnétiques allant de la statique aux hyperfréquences en analyses temporelle et fréquentielle. De plus, contrairement à la plupart des logiciels de simulation électromagnétique, CST discrétise la forme intégrale des équations de Maxwell plutôt que leurs formes différentielles, et ce qui est l’une de ses caractéristiques clé de ce simulateur [9].

HFSS :
Le logiciel HFSS[10] (High Frequency Simulation Software) est la référence de l’industrie pour la simulation de champs électromagnétiques pour les problèmes en 3D en haute fréquence. HFSS offre des solveurs de pointe basés sur les éléments finis (méthode fréquentielle) capable de résoudre les équations de Maxwell dans un volume donné, les équations intégrales et sur les méthodes asymptotiques et hybrides avancées, afin de résoudre un large spectre d’applications micro-ondes, RF et numériques ultra-rapides. HFSS est utilisé pour calculer des paramètres tels que les paramètres S, les fréquences de résonance et représenter les champs. Il permet aux utilisateurs de caractériser et d’obtenir les performances optimales des différentes jonctions à base de guide d’ondes. L’avantage de cet outil 3D est sa possibilité de traiter toutes sortes de structures homogènes et inhomogènes, quelle que soit la technologie désirée (micro ruban, coplanaire, ligne à fente, guide, les circulateurs,les coupleurs, les filtres …). avec la combinaison d’Optimetrics[1][11].

ADS :
ADS « Advanced Design System » [12] est le premier logiciel d’automatisation de conception électronique au monde pour les applications RF, micro-ondes, numériques haute vitesse et électroniques de puissance. Dans une interface puissante et facile à utiliser, ADS est le pionnier des technologies les plus innovantes et commercialement performantes, telles que les X parameters et les simulateurs EM 3D, utilisées par des entreprises leaders dans les domaines de la communication sans fil et réseau, aérospatial, défense, automobile et industries énergétiques. ADS fournit une conception et une vérification complètes basées sur des normes avec des bibliothèques sans fil et d’autres applications spécifiques. co-simulation dans une plateforme intégrée. ADS prend en charge toutes les étapes du processus de conception: capture schématique, mise en page, simulation de circuit de domaine temporel et temporel et simulation de champ électromagnétique permettant à l’ingénieur de caractériser et d’optimiser une conception RF sans changer d’outil.

La technologie SIW 

La technologie SIW qui appartient à la famille des SIC (Substrate Integrated Circuits) a été proposée pour la première fois en 1994. Elle apparaît de plus en plus comme une solution attrayante pour la conception de dispositifs hyperfréquences performants [2] : filtres, coupleurs, oscillateurs, antennes, circulateurs (…). La technologie SIW associe une technologie planaire de type microruban (ou coplanaire) et des cavités intégrées dans le substrat, dans lesquelles on manipule des modes volumiques [3].Une structure SIW est constituée techniquement de deux plans métalliques sur les faces supérieure et inférieure du substrat. Les faces latérales étant délimitées par des rangés de trous métallisés (vias) . Le diamètre et l’espacement des vias sont dimensionnés de sorte qu’ils soient vus comme un mur électrique parfait, ou quasi parfait à la fréquence de résonance du mode considéré[4]. La technologie SIW en plus d’être compatible avec les structures planaires, possède la plupart des caractéristiques propres aux structures volumiques classiques (rectangulaires ou circulaires). Cela se traduit par des modes de propagation particuliers et par un facteur de qualité élevé. Ce dernier dépend beaucoup de la tangente de pertes et de l’épaisseur du substrat.

Règles et conception des guides d’ondes rectangulaire SIW

Les guides d’ondes SIW intégrés dans le substrat (Substrate Integrated Waveguide) sont des interconnexions de haute performance à large bande qui possèdent d’excellentes caractéristiques d’immunité contre les interférences électromagnétiques et qu’on pourrait utiliser dans des systèmes microondes et des circuits d’ondes millimétriques. Pour les composants SIW avec des formes plus généralisées (II.1)-(II.3), deux règles de conception de base d’un guide d’ondes liées au diamètre d du trou métallisé et à la taille du pas p, sont utilisées pour négliger les pertes par rayonnement.

Adaptation du guides d’ondes en technologie SIW 

Les composants SIW sont très utilisés dans la conception des systèmes d’émission et de réception microondes. Cependant ces composants doivent être connectés avec les structures planaires, de sorte qu’ils aient une intégration complète. En effet la technologie planaire s’est énormément développée, principalement pour deux  , la première est que la réalisation d’un circuit planaire est très peu coûteuse, la seconde est que cette technologie se combine aisément aux circuits intégrés, planaires eux aussi. Le mécanisme par lequel une onde électromagnétique, se propageant dans un milieu donné (exemple: une onde TE dans un guide d’onde) soit couplée à une autre ligne de transmission (exemple: une onde quasi-TEM dans une ligne micro ruban), est appelé une transition microonde. Dans cette partie, nous allons étudier en premier la ligne micro ruban et ensuite nous envisageons l’analyse complète des transitions en lignes planaires afin de réaliser une adaptation d’impédance parfaite entre des dispositifs en technologie SIW et des lignes de transmission micro rubans [14].