Phénomène de propagation guidée

Lorsque la fréquence des ondes électromagnétiques devient supérieure au GHz (longueurs d’ondes centimétrique), les conducteurs métalliques, coaxiaux ou non, deviennent très peu utilisables pour plusieurs raisons [4]. Tout d’abord, une onde électromagnétique à haute fréquence pénètre mal à l’intérieur d’un conducteur à cause d’un phénomène physique nommé « effet de peau ». De plus, le diélectrique devient très absorbant en raison du CO2 introduit par les procèdes de fabrication. Nous somme donc amené à rigidifier l’enveloppe extérieure de ces conducteurs sous forme d’un tuyau métallique réfléchissant et à supprimer le diélectrique ainsi que le fil central qu’il supporte. On obtient ainsi un tube de section rectangulaire ou circulaire, guidant une onde électromagnétique qui se propage dans le milieu intérieur souvent de l’air [4]. Généralement un guide est défini comme une structure permettant de confiner et de guider les ondes électromagnétiques ou les ondes acoustiques par réflexion sur les parois internes. Au début de l’apparition de l’imagerie passive, les guides d’ondes métalliques étaient les seuls utilisés pour l’interconnexion des composants [5].

Le guide métallique, non-construit par deux conducteurs métalliques, ne peut pas supporter le mode TEM. Par contre, des modes d’ordre supérieur peuvent se propager. Ces modes sont classés en 2 catégories: le mode transverse magnétique (TM) et le mode transverse électrique (TE). Les modes TE et TM ont des largeurs de bande limitées et ne peuvent fonctionner en dessous d’une certaine fréquence connue par la fréquence de coupure. Un autre inconvénient: les modes TE et TM sont dispersives et ainsi la vitesse de phase est dépendante de la fréquence. Le principal avantage des guides d’ondes métalliques est la capacité de supporter des puissances élevées avec des pertes très faibles. En conclusion, le guide d’onde métallique est mieux adapté pour des applications à puissance élevée, comme dans le cas de certains émetteurs RF. De manière générale plusieurs types de guides électromagnétiques sont particulièrement adaptés à la propagation des ondes hyperfréquences. En effet les micro-ondes sont souvent réparties en gammes de fréquences correspondant à des bandes normalisées d’utilisation de guide d’onde comme illustré dans la figure I.1.

Substrate Integrated Waveguide (SIW)

Une haute sélectivité, de faibles pertes d’insertion, une taille réduite et un coût limité sont autant de questions essentielles dans la conception et la fabrication de circuits hyperfréquences. Malheureusement, une technologie traditionnelle, soit planaire ou non-planaire, est incapable de fournir toutes ces caractéristiques à la fois. En effet, les guides d’ondes rectangulaires présentent de faibles pertes d’insertion, une bonne sélectivité et une bonne platitude. Cependant, ils sont encombrants, coûteux à fabriquer et leur intégration avec d’autres circuits planaires exige une transition spécifique. 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 facilement être intégré dans les circuits micro-ondes et ondes millimétriques intégrés. 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 supérieures et inferieures [19]. 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 [20]. 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 Figure I.10. 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. La distribution du champ dans le guide SIW est similaire à celle d’un guide d’onde rectangulaire classique comme illustré sur la figure I.11. Par conséquent, il présente les avantages de faible coût, de facteur de qualité élevé, et peut facilement être intégré dans les circuits microondes et ondes millimétriques intégrés.

Transition 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. Le signal transitant par un guide d’onde, nécessite généralement une transition intermédiaire pour faire un lien entre le circuit planaire en technologie micro-ruban et le guide d’onde. Cette transition doit permettre d’adapter en impédance le mode fondamental du guide sur le mode quasi-TEM de la ligne micro-ruban [25]. Une transition doit être simple à réaliser, engendrer un minimum de pertes et l’adaptation doit donc être optimale. Vu que l’impédance au niveau du guide est beaucoup plus importante que celle de la ligne micro-ruban (généralement de 50Ω dans la gamme des microondes), la conception d’un tel dispositif reste assez compliquée. Les dimensions de cette transition sont optimisées pour fonctionner dans une bande de fréquences donnée. Les structures de transition entre les circuits planaires et les guides d’ondes rectangulaires traditionnels ont été largement étudiées, et différentes approches d’adaptation d’impédance ont été utilisées en microondes. À titre d’exemple la technique du guide d’onde corrugué [26] considère une transition constituée d’une discontinuité entre une ligne micro-ruban et un guide d’onde corrugué qui se transforme ensuite en un guide d’onde rectangulaire métallique.

D’autres techniques utilisent une fente située au niveau du plan de masse sous la ligne micro-ruban [27] ou une sonde ou un patch placé au bout de la ligne micro-ruban Figure1.14. Figure I.14: Exemples de transition ligne micro-ruban-guide d’ondes. D’autre part, depuis que les composants SIW et les circuits planaires ont pu être intégrés sur le même substrat, différentes transitions efficaces ont été proposées pour adapter des guides d’ondes avec les circuits planaires. Nous citons en particulier la transition micro-ruban conique (taper) coplanaire au guide d’onde, facilement réalisable [28]. La nécessité de combiner les deux technologies ensemble, celle du guide d’onde intégré dans le substrat et celle de la ligne micro-ruban, impose de dépasser les dissimilitudes physiques et électromagnétiques de ces supports de transmission. Il est apparent que les champs sont dans les deux cas, polarisés de la même façon, par contre les champs du guide d’onde couvrent une région plus grande par rapport à ceux de la ligne micro-ruban plus concentrés entre le plan de masse et le conducteur Figure I.15.

Une des manières pour y remédier, consiste donc à forcer les lignes de champ du guide à se concentrer de façon continue. Une technique a été proposée [29] comme solution à la transformation sans pertes du mode de propagation quasi-TEM dans la ligne micro-ruban au mode fondamental transverse électrique du guide d’onde. Il s’agit de la transition coplanaire micro-ruban- guide d’onde Figure I.16, laquelle est très efficace et à large bande. Figure I.16: Transition d’un SIW vers un micro-ruban avec ses paramètres. Cette transition est conçue essentiellement d’un taper micro-ruban reliant la ligne micro-ruban de largeur initiale W1, de largeur finale W2, ainsi que de longueur L de la ligne profilée. La largeur initiale de la ligne micro-ruban W1 est généralement choisie pour obtenir une impédance caractéristique de Z0= 50 Ω. Le calcul du ratio se fait par la formule suivante : La longueur optimale peut être obtenue en choisissant la largeur médiane entre la ligne microruban et la fin de transition, donc en prenant : Il suffit de calculer la longueur d’onde pour cette largeur et de fixer la longueur à un quart de longueur d’onde. Il faut commencer par trouver la constante diélectrique effective pour cette largeur de ligne micro-ruban :