Technologie SIW (généralités et concepts)

La réduction des coûts de fabrication et l’amélioration des propriétés électriques sont des paramètres fondamentaux qui préoccupent les chercheurs depuis des années [1- 2] plusieurs travaux de recherche ont été menés pour répondre à ces critères. Les guides d’ondes SIW intégrés dans le substrat (Substrate Integrated Wave guide) constituent de nouveaux types de ligne de transmission. Ils mettent en œuvre des guides d’ondes sur une partie du circuit imprimé en émulant les murs des côtés du guide d’ondes en utilisant des rangées de via métalliques. Cette technique hérite à la fois du bien-fondé 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 microondes et des antennes à faible coût.

Généralités sur les guides d’ondes classiques

Historique

Le fondateur de l’électromagnétisme moderne et les bases théoriques de microondes c’est Jaunes Clark Maxwell qui formula les équations qui porte son nom «Équations de Maxwell »Ou «Équations de Maxwell-Lorentz » sont des lois fondamentales de la physique. Une quinzaine d’années plus tard, le savon Heinrich Hertz produira et détectera les ondes électromagnétisme expérimentalement à une fréquence d’ordre 1 GHz, ces ondes portent son nom «Ondes Hertziennes». En 1897 Lord Rayleigh démontra la possibilité de faire propager des ondes dans des tuyaux métalliques creux à section rectangulaire ou circulaire que l’on appel guides ondes.

Définition 

Une guide d‟onde est une portion d‟espace vide ou remplie par un diélectrique (milieuisolant) et limité par un conducteur supposée parfait, Il sert à canaliser l‟OEM dans cette portion de l‟espace sans dissipation de son énergie. Le guide onde est invariant par translation dans une direction qui sera la direction de propagation de l‟OEM : onde électromagnétique. Les guides d‟ondes ce sont des lignes de transmission traditionnelle utilisée pour le guidage d‟un signal micro-onde et jusqu‟à aujourd‟hui sont encore largement utilisés pour plusieurs applications [6]. Les guides d’ondes peuvent être généralement classés comme des guides d’ondes métalliques ou des guides d’ondes diélectriques. Guides d’ondes métalliques prennent habituellement la forme d’un tube de métal conducteur clos. Les ondes se propageant à l’intérieur du guide d’ondes de métal peuvent être caractérisés par des réflexions à partir desparois conductrices. Le guide d’onde diélectrique est composé seulement du substrat diélectrique qui emploi la réflexions à des ondes qui se propage le long du guide.

Les types des guides d’ondes 

La technologie volumique
Pour ce type des guides, l‟action est mise sur la technologie de fabrication et de réalisation. Pour cela, on peut distinguer deux types des guides d‟ondes en technologie volumique: les guides d‟ondes rectangulaires et les guides d‟ondes circulaires.

Les guides d’ondes rectangulaires
Le guide d‟ondes rectangulaire est l‟un des premiers types des lignes de transmission utilisées pour transporter des signaux hyperfréquences. Plusieurs composants, tels que des coupleurs, déphaseurs, ou atténuateurs sont disponibles commercialement pour des fréquences de 1GHz à plus de 220 GHz. Bien que les circuits hyperfréquences sont de plus en plus miniaturisés ; les guides rectangulaires sont encore utilisées à cause de leur capacité à transporter des grandes puissances.

Guide d’onde circulaire
Il est constitué par une cylindre de section circulaire, un point quelconque est repéré parces coordonnées polaires r, Ө. Le guide d‟onde circulaire a été utilisé avec succès dans la télévision avec haute puissance d‟émission (UHF) depuis 1984.

Guide d’onde elliptique
L’avantage principal d’un guide d’onde elliptique souple, c’est que de très grandes longueurs peuvent être transportées en rouleaux ou en bobines ce qui est beaucoup moins encombrant qu‟un guide d‟ondes rectangulaire rigide. Le guide d’ondes elliptique peut aussi avoir un plus petit rayon de courbure qu‟un guide d’onde purement circulaire .

Les longueurs d’onde de coupure pour les différents modes de propagation dans un guide d’ondes elliptique peuvent être représentées par les valeurs nulles du champ magnétique (H).

Modes de propagation dans un guide d’onde

Les guides d‟ondes métalliques supportent les types d‟ondes TE et TM, Donc dans le cas d‟un guide de mode TE, le champ électrique n‟existe pas dans la direction de propagation de l‟onde (Ez=0), de même pour le guide de mode TM, le champ magnétique n‟existe pas dans la direction de propagation de l‟onde (Hz=0)[11]. Les champs électromagnétiques E et B qui peuvent se propager dans un guide doivent vérifier à la fois les équations de Maxwell et les conditions aux limites fixées par les parois du guide suivant les trois directions. En réalité, il existe plusieurs solutions possibles de E et de B, ces types d‟ondes s‟appellent modes[12]. Un mode de propagation est déterminé à travers deux entiers positifs n et m. Pour généraliser, ces solutions sont classées en deux familles : TEmn (Transversal électrique) où m, n= 0, 1,2,… sont des entiers positifs ou nuls. TMmn (Transversal magnétique) où m, n= 1, 2,3,… sont des entiers strictement positifs.

La propagation d‟un champ électromagnétique se fait selon 4 types :
TEM: Ez = 0, Hz = 0
TE: Ez =0, HZ ≠ 0
TM : Hz =0, EZ ≠ 0
Hybride : E et H en toutes directions.

Les conditions aux limites
Pour un guide d‟onde rectangulaire la propagation d’un champ électromagnétique à l’intérieur du guide étant conditionnée par les conditions aux limites, ces conditions sont les suivantes:
• L‟onde qui se propage à l‟intérieur du guide d‟onde doit obéir aux mêmes priorités électromagnétiques du vide.
• Les conducteurs métalliques qui limitent le guide sont supposés parfaits, sorte que lechamp électromagnétique sera considéré comme nul aux parois du guide.
• On suppose que la composante tangentielle de E est nulle sur les parois métalliques duguide (continuité de E).