Utilisations du guide d’onde

Les guides d’onde de section rectangulaire ou circulaire sont utilisés dès l’instant que le transport des ondes fait apparaître des affaiblissements exagérés. Ils sont employés conjointement avec d’autres pièces. En effet, une ligne de transmission est toujours associée à des équipements localisés qui permettent de faire subir au signal électrique transmis les modifications envisagées par la technique servie (modulation, amplification, détection, changement de fréquences, affaiblissement, filtrage, etc.). La mise en oeuvre des guides s’accompagne de celle d’organes actifs ou passifs (amplificateurs à ondes progressives, oscillateur à klystron, cavité résonnante, etc.). La ligne de transmission n’est plus un fil métallique sur lequel on peut mesurer une intensité ou un potentiel, mais elle limite aux parois du guide un espace en tout point duquel les phénomènes électriques se manifestent par des champs magnétique et électrique. Les guides d’onde sont utilisés dans les techniques de transmission par faisceaux hertziens, dans les gammes hyperfréquences, dans les techniques de détection d’obstacles (radar, navigation aérienne et maritime), dans les techniques de diffusion à grandes puissances et sur ondes très courtes. Les informations transmises, à la fois par l’onde porteuse et par le guide, sont de nature variée : signaux téléphoniques simples ou multiplex, signaux de télévision, impulsions numériques, données.

Le guide d’onde hélicoïdal est mis en oeuvre comme une véritable ligne de transmission à grande distance (20 km). C’est, à l’heure actuelle, la ligne de transmission ayant la plus grande capacité évaluée en nombre de communications téléphoniques. Il a la possibilité d’en transmettre simultanément plusieurs dizaines de milliers ainsi que plusieurs dizaines de programmes de télévision. Ces performances tiennent principalement au fait que, l’onde transmise étant de fréquence très élevée, sa possibilité de transmission l’est aussi. De plus, la nature physique de la ligne permet de maintenir avec un affaiblissement très faible l’énergie à l’intérieur du tube, alors que les procédés classiques de rayonnement d’ondes électromagnétiques entraînent une dispersion obligatoire dans la propagation en espace libre, donc un affaiblissement considérable. Enfin, on a réalisé des guides d’onde qui ont des domaines d’utilisation très particuliers et qui utilisent les propriétés de réflexion totale des ondes électromagnétiques à la surface de séparation d’un diélectrique et de l’air. Le régime de propagation dans une tige de section circulaire est une association d’un mode TE et d’un mode TM.s.[2]

Historique de SIW

La technologie SIW est basée sur la réalisation de guide d’ondes dans un substrat diélectrique. Les métallisations supérieure et inférieure du substrat sont utilisées comme des parois (plaques métalliques) de la structure de guide d’ondes. Tandis que, le substrat contient des rangées de vias métalliques soudées aux deux plaques pour assurer les parois latérales comme représenté sur la Figure 1-15. La structure résultante possède un profil plat et propose de bonnes performances de guides d’ondes métalliques. Figure I.15 Guide SIW Depuis le début des années 1990, diverses tentatives ont été proposées pour la mise en oeuvre de structures de guides d’ondes planaires. La première référence dans la littérature est un brevet japonais en 1994 où un nouveau guide d’onde diélectrique-chargé est proposé sous la forme de deux rangées de vias métalliques dans un substrat diélectrique [20]. Plus tard en 1995, un brevet américain propose un guide d’onde avec un processus LTCC (Low Temperature Co Ceramics) aussi appelé structure diélectrique multicouche [19] comme représenté sur la Figure I.16. En 1997, une première application de la technologie SIW apparait pour les antennes millimétriques [21], suivie par d’autres études connexes, puis l’utilisation des composants SIW en LTCC.

Depuis le début des années 2000, l’intérêt pour la technologie SIW et l’intégration des composants est intensivement menée par l’équipe dirigée par le professeur Ke Wu au Centre de recherche Polygames. L’excitation par ligne micro ruban comme transition vers une topologie SIW a fait l’objet d’un rapport en 2001, cette excitation est devenue, la référence des excitations de circuits SIW [19]. La plupart des fonctions électroniques micro-ondes ont été reprises avec une technologie SIW. Par exemple, les différentes transitions planaires, les filtres les coupleurs[, les duplexeurs , les Hexaples , les circulateurs et les antennes . Grâce à sa facilité d’intégration, plusieurs fonctions actives ont été mises en oeuvre avec les technologies SIW, comme les oscillateurs les mélangeurs et les amplificateurs. I.4.3 Définition La technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide) est une technologie récente, qui a la particularité d’être intégrée dans un substrat diélectrique et de rester compatible avec des circuits planaires. Les structures SIW sont à la base de la conception de plusieurs circuits planaires millimétriques. [22] La technologie SIW permet d’intégrer Le guide d’onde dans le substrat par l’intermédiaire de rangées de trous métallisés remplaçant les murs latéraux métalliques figure1.17. . Figure I.17: Vue tridimensionnelle d’un tronçon de guide SIW. Cet ensemble de trous métallisés permet de délimiter un guide, dans lequel les modes vont Apparaître. Utilisés dans des cavités, ces modes présentent des coefficients de qualité directement dépendants des performances électriques du substrat (pertes diélectriques), du métal (pertes conductrices) mais aussi et surtout de la forme et des dimensions de la structure SIW.

Technologie du guide d’onde SIW

La technologie traditionnelle, qu’elle soit planaire ou pas, est incapable de fournir toutes les caractéristiques à la fois lesquelles on ne sait pas de quoi on parle : faible coût et faible pertes. Les guides d’ondes rectangulaires ont de faibles pertes, mais sont couteux à fabriquer et leur intégration est difficile avec des circuits planaires. [24] Les circuits planaires possèdent un faible facteur de qualité, mais un poids négligeable et de faibles coûts de fabrication. Ces contraintes antagonistes nous ont conduits à utiliser la technologie SIW afin de combiner les avantages respectifs des technologies citées auparavant. Ce concept associe l’utilisation d’une technologie de réalisation planaire avec celle de type guide, cavité… Ces structures peuvent être réalisées par des processus planaires classiques (PCB, LTCC, …). Techniquement, les guides d’ondes sont enterrés dans le substrat. Les faces latérales sont remplacées par des rangées de trous métallisés qui relient les faces supérieure et inférieure du substrat comme le présente la Figure I.21. Ces deux rangées de vias métalliques dans le substrat créent l’équivalent de deux murs électriques pour les ondes électromagnétiques si les vias sont placés de façon suffisamment proche. Pour concevoir une bonne structure SIW, il faut suivre quelques étapes simples de conception. Les paramètres nécessaires pour la conception du guide sont les suivants : le diamètre D des vias , la distance b entre les vias. Les règles de conception sont : 𝐷 < λg 5 et b ≤ 2 D (I.72) Le problème principal dans la conception de circuits SIW est lié à la minimisation des pertes.

Il faut juste modifier des paramètres géométriques, à savoir l’épaisseur du substrat h, le diamètre D des vias métalliques et leur espacement b, l’épaisseur h joue un rôle important. Augmenter la hauteur h augmente le volume du substrat, ce qui réduit à des pertes conductrices [25]. En général, les pertes par rayonnement ne sont pas affectées par l’épaisseur du substrat. Un autre paramètre géométrique important est le diamètre D. En augmentant le diamètre d’un via métallique, les pertes conductrices vont augmenter, tandis que les pertes diélectriques vont diminuer parce qu’on réduit le volume pris par le diélectrique. Un comportement similaire est observé avec l’espacement b. La réduction de b fait augmenter les pertes conductrices (en raison de l’augmentation de la surface métallique) et les pertes diélectriques restent pratiquement inchangées. Pour ces deux paramètres, la condition de I.72 doit être utilisée pour garder des pertes par rayonnement faibles. Finalement, la technologie SIW est très prometteuse pour l’intégration de circuits micro-ondes dans les systèmes du futur. Elle permet d’intégrer des composants actifs, des fonctions passives et des éléments rayonnants sur le même substrat. De plus, grâce à cette technologie, des solutions rentables et flexibles pour l’implémentation de circuits micro-ondes peuvent être proposées.