ETUDE PARAMETRIQUE DE L’ISOLATEUR COPLANAIRE SOUS HFSS

L’objectif de ce chapitre est de faire une étude paramétrique sur la structure à une fente de l’isolateur coplanaire asymétrique issu des travaux de thèse de S. Kirouane. L’objectif est d’une part de déterminer si il existe des dimensions permettant d’optimiser les performances du dispositif en vue d’en faire une fonction réellement utilisable dans une chaine de transmission en télécommunications, et d’autre part de mieux comprendre les phénomènes physiques qui entrent en jeu dans cette structure atypique, qui mêle une géométrie originale aux propriétés particulières des ferrites dans le domaine fréquentiel d’apparition des ondes magnétostatiques. Cette étude paramétrique du design du composant se fera par la simulation de la structure à l’aide du logiciel de simulation HFSS (High Frequency Structure Simulation), qui permet de structurer ainsi que de simuler ou de modéliser les composants à hautes fréquences, l’objectif étant d’avoir un effet non réciproque très grand avec une grande isolation et des pertes d’inser- tion très faibles.Le cahier des charges, qui consiste à dépasser les performances obtenues avec le circulateur d’O. Zahwe et celle obtenues par S. Kirouane, est d’obtenir un isolateur coplanaire présentant un effet non réciproque ENR ≥ 20dB avec une isolation comprise entre 20dB et 30dB, et des pertes d’insertion comprises entre 0,1 à 1dB, pour viser une application transférable. Pour se rappro- cher de ce cahier des charges, nous allons faire varier les différentes dimensions de l’isolateur pour en déterminer l’effet sur ses propriétés, effet non réciproque (ENR) et pertes d’insertion (PI).Cette étude paramétrique de l’isolateur coplanaire, va consister à faire varier les dimensions de la fente asymétrique à l’aide du logiciel HFSS, et devrait nous permettre d’observer l’évolution des phénomènes physiques dans le composant.

Le logiciel HFSS est un logiciel de simulation qui utilise des structures en 2D ou 3D. Il utilise plusieurs techniques pour résoudre un large éventail d’applications micro-ondes, radiofréquences ou hautes fréquences.Il permet de numériser les modèles géométriques en utilisant la méthode des éléments finis, faisant le maillage de toute forme géométrique de surface en les assemblant à partir d’une analyse adaptative, afin de résoudre les équations de Maxwell et de calculer la propagation des champs EM dans une structure soumise à une excitation donnée, à différentes fréquences. Cette méthode permet d’avoir une solution numérique vraisemblable.Les résultats de simulation obtenus sont restitués sous forme des paramètres S, Y et Z du dispositif modélisé ou de champs à l’intérieur et autour de la structure. Ces grandeurs lient les paramètres admittances Y avec les impédances Z et les ondes entrantes avec les ondes sortantes. Il permet de faire une étude paramétrique du composant afin d’optimiser ses performances. Généralement il est difficile d’obtenir une solution exacte avec les résultats de simulation, car la solution donnée par les logiciels est une solution approchée. L’évaluation de la qualité ou la fiabilité des solutions numériques se fait par la comparaison avec les mesures.Une première comparaison simulation / mesure permet de valider la fiabilité des résultats d’HFSS sur la problématique donnée (ici la simulation des résonances de la structure et de la couche de matériau magnétique), pour pouvoir ensuite se servir du logiciel pour l’optimisation du design des composants.

Pour simuler il faut d’abord créer un projet HFSS puis dessiner la géométrie de la structure à simuler. L’attribution des matériaux utilisés et les paramètres de configuration et leurs ports d’excitation doivent faire l’objet d’une définition attentive. Dans notre cas les matériaux utilisés sont le ferrite (YIG) et le cuivre. Après avoir défini le design du dispositif, on doit réaliser le maillage ainsi que paramétrer les fréquences de balayage.HFSS choisit un maillage 3D du dispositif en découpant sont volume en tétraèdres. Le maillage adaptatif est un maillage qui part d’un maillage initial de référence qu’HFSS utilise pour le calcul d’une première solution. Ensuite HFSS densifie le maillage selon les critères définis par l’utilisateur aux endroits où le résultat est le moins interpolable, et donne une deuxième solution. HFSS compare ces deux solutions à partir d’un critère de convergence donné initialement par l’utilisateur pour que la simulation se stabilise. Si la solution n’atteint pas le critère convergence, HFSS commence à nouveau le raffinage du maillage, ensuite il compare les deux dernières solutions par rapport au critère de convergence ainsi de suite jusqu’à ce que la solution atteigne le critère de convergence. [1] Un isolateur coplanaire asymétrique a été étudié précédemment au laboratoire [2], comme nous l’avons mentionné sur la dernière partie du chapitre précédent et est présenté sur la figure suivante.C’est un dispositif dont la propagation non réciproque est obtenue par l’excitation d’ondes magnétostatiques et la présence de déplacement de champ, qui permet d’atténuer le signal à la résonance par l’interférence destructive de deux ondes en opposition de phase.Cette structure est basée sur une ligne coplanaire, mais celle-ci est asymétrique car les deux plans de masse supérieurs n’ont pas la même configuration, un des plans de masse étant réalisé avec une fente pour tirer partie de l’effet de déplacement de champ. La fente asymétrique est précédée d’une zone de taper pour éviter la désadaptation d’impédance.Cette zone peut éviter les grosses réflexions de l’onde électromagnétique et permet de faire pro- gresser graduellement l’impédance caractéristique du port d’accès de 50Ω jusqu’à l’impédance de la zone asymétrique.Un plan de masse est ajouté en dessous de la couche magnétique sur le côté asymétrique afin de créer un guide d’onde secondaire, hybride, mélange de type microruban et de type coplanaire.