Technologie guide d’onde intégré au substrat

Généralités sur la technologie guide d’onde intégré au substrat

Le développement des télécommunications au cours de ces dernières années nécessite la réalisation des équipements de plus en plus performants et moins couteux. Cette évolution apparait dans de nombreux systèmes de télécommunications. Dans le domaine hyperfréquences, au par avant les circuits réalisés étaient lourd et leurs conception était imposante mais ces dernières années des circuits répondant à des performances électriques de plus en plus ambitieuse ont été réalisé. Le guide d’onde rectangulaire et un bon exemple des composants performants, mais encombrant et difficile à intégrer. Pour dépasser ce problème une nouvelle technologie a vue le jour : le guide d’onde intégré au substrat GIS. Le guide d’onde intégré au substrat est une technique très prometteuse du fait qu’il permet d’utiliser des avantages des guides d’onde et des lignes de transmission planaires. Comme guide d’onde, nous pouvons obtenir des avantages tels que de faibles pertes, un facteur de qualité élevé, les possibilités de grande puissance et de petit rayonnement. Et comme la ligne de transmission planaire, nous pouvons en faire la fabrication avec une taille compacte et à un faible coût.

Puisque cette technologie n’est pas encore mature, plusieurs recherches sont en cours afin de développer des filtres, des coupleurs,… etc. La diversité des applications et la multiplicité des dispositifs rend l’usage des filtres indispensable dans un système de télécommunication, pour éliminer tous signaux parasites. Ce dispositif permet donc dans l’idéal de transmettre les signaux utiles de manière transparente en éliminant complètement les autres. Dans ce mémoire nous allons voir la conception des guides d’ondes GIS et des filtres passe bande en technologie GIS. Dans le but d’arriver à des résultats de simulation satisfaisants, nous nous somme diriger vers un logiciel commercial disponible au niveau du laboratoire de télécommunication, c’est CST Microwave Studio. Le programme CST Microwave Studio est un outil spécialisé pour la simulation électromagnétique tridimensionnelle de composants haute-fréquence. Il est dédié avant tout aux applications micro-ondes et radiofréquences telles que les communications sans fil, mais permet aussi de simuler des mesures de compatibilité électromagnétique et d’interférence électromagnétique.

Ce mémoire est scindé en trois chapitres comme suit : Le premier chapitre va être consacré à l’étude théorique sous forme de généralité sur les guides d’onde et les technologies planaires en donnant quelques exemples d’applications des deux technologies, puis nous allons parler de la nouvelle technologie hybride qui est la technologie de guide d’onde intégré au substrat (GIS ou SIW) la, ou nous allons donner des descriptions et parler de la conception des GIS, et enfin nous donnerons quelques exemples d’application de cette technologie. Le deuxième chapitre sera réservé à la présentation et la description du logiciel utilisé dans nos simulations qui est CST Microwave Studio. Nous allons parler des modules de ce logiciel, des méthodes numériques utilisés dans ce logiciel ….etc. Le dernier chapitre consiste à la conception de deux guides d’onde fonctionnant en bande S et en bande C sous CST Microwave studio. Plusieurs études paramétriques seront effectuées sur différents paramètres constituant ces guides afin d’obtenir les meilleures performances en terme d’adaptation et de transmission. Puis à base de ces guides nous allons concevoir deux filtres passe bande fonctionnant dans la bande S et la bande C. Enfin nous allons terminer notre travail par une conclusion générale, et une référence bibliographique sera rajoutée à la fin de ce manuscrit.

Méthode des éléments finis

La méthode des éléments finis (FEM : Finite Element Method) a connu un grand développement depuis les années 1970 et offre un large champ d’application dans de nombreux domaines de la physique. Les avantages de cette méthode proviennent de sa capacité à s’adapter à des structures de formes géométriques relativement complexes. La méthode des éléments finis est une méthode rigoureuse, mais nécessite des temps de calcul importants ainsi qu’une grande ressource de mémoire du calculateur. La décomposition en éléments simples de la géométrie du système fait appel à des procédés de maillage de l’espace et des objets pouvant, suivant le cas, prendre la forme de triangles pour les éléments surfaciques ou de tétraèdres pour les volumes. A l’intérieur de chaque élément, la fonction inconnue est approximée par un polynôme. Par un choix judicieux des coefficients, la FEM impose automatiquement les conditions de continuité de la fonction d’un élément à l’autre. La FEM nécessite des conditions aux limites absorbantes pour limiter le domaine de calcul (maillage) en présence des structures ouvertes sur l’espace libre. De nombreuses solutions ont été proposées, mais celle retenue dans la plupart des logiciels est l’utilisation des couches parfaitement adaptées (PML : Perfectly Matched Layer) publiées par Bérenger.

Méthode des Moments MoM La méthode des Moments MoM, est basée sur la résolution d’équations intégrales transformées en un système d’équations linéaires. La MoM est connue depuis longtemps dans d’autres disciplines de la physique. En 1915 déjà, Galerkin, un ingénieur mécanicien d’origine russe propose une procédure numérique pour résoudre des équations où l’inconnue est une fonction. Plus tard, les mathématiciens ont démontré que l’approche Galerkin peut être étendue à d’autres classes de problèmes portant le nom générique de méthode des moments. La MoM a été introduite pour la résolution des problèmes liés aux antennes et à la diffusion électromagnétique à travers des parois métalliques dans les années 1960 par Harrington. En électromagnétisme, elle s’applique typiquement à la formulation intégrale du champ électrique (Electric Field Integral Equation) pour laquelle les inconnues sont la distribution de courant circulant sur les conducteurs ou, dans le cas de structures planaires multicouches, sur les rubans placés aux interfaces. Le fondement de la MoM consiste à proposer une solution sous la forme d’une somme de fonctions connues auxquelles sont associés des coefficients inconnus. Il s’agit ensuite d’appliquer une procédure de minimisation de l’erreur résiduelle pour générer un système matriciel et déterminer les coefficients inconnus. En bref, cette méthode uniquement applicable au domaine des fréquences, présente un intérêt pour l’analyse des couplages intervenant en espace libre (pas de frontière absorbante requise). [8]

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• Méthode des différences finies dans le domaine temporel La méthode des différences finies est basée sur la représentation des équations aux dérivées partielles sous la forme de différences finies. La résolution par inversion de matrice nous mène à une solution dans le domaine fréquentiel alors qu’un code itératif mènera à une solution dans le domaine temporel. Cette dernière est très utilisée pour obtenir des simulations sur des larges bandes de fréquences. On passe alors du domaine temporel au domaine harmonique par application d’une Transformée de Fourier.

Conclusion générale

Les besoins grandissants pour le développement de nouvelles technologies compactes, performantes et moins couteuse sont des défis à relever pour les systèmes de télécommunications. Dans ce contexte la technologie SIW est prometteuse vues les avantages qu’elle offre dans la réalisation de composants ou sous-systèmes, nécessaires aux applications micro-onde et millimétriques. Le thème général et l’objectif de nos travaux été la conception de deux filtres passe bande opérants dans la bande S et la bande C à base de la technologie des guides d’onde intégrés aux substrats SIW. Dans un premier chapitre nous avons exposé des généralités sur la technologie des guides d’onde et des lignes de transmission planaires puis nous avons passé a la technologie des guides d’onde intégrés aux substrats qui est une technologie hybride, son concept est inspiré des deux autre technologie. Ensuite nous avons consacré un deuxième chapitre pour parler du logiciel que nous avons utilisé dans nos simulations, il s’agit du logiciel CST Microwave Studio. Enfin dans le troisième chapitre nous avons présenté nos résultats de simulation qui porte sur la conception de deux guide d’onde opérants dans la bande S et la bande C et a base de ces guides d’onde nous avons réalisé deux filtre passe bande opérants dans les même bandes. Plusieurs études paramétriques ont été effectuées sur différents paramètres des guides d’onde et des filtres pour atteindre des meilleures performances. Nous souhaitons que ce travail puisse être bénéfique pour les futures promotions.

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations et des acronymes
Introduction générale
Chapitre I : Généralité sur la technologie guide d’onde intégrée au substrat
I. 1. Introduction
I. 2.Technologie de guide d’onde
I.2.1.Technologies volumiques
I.2.1.1. Guide d’onde rectangulaire
I.2.1.2. Guide d’onde circulaire
I.2.1.3 Exemples d’application des technologies volumique
I.2.2. Technologies planaires
I.2.2.1. Ligne micro ruban
I.2.2.2. Ligne coplanaire
I.2.1.3. Ligne triplaque
I.2.2.4.Autres technologies planaires
I.2.2.5. Exemples d’application des technologies planaires
I.3. Technologie guide d’onde intégré au substrat
I.3.1.Paramètres des guides d’ondes intégrés au substrat
I.3.2. Transition des lignes micro ruban aux guides SIW
I.3.3. Exemples de circuit SIW
I.4. conclusion
Chapitre II : Présentation du logiciel CST Microwave Studio
II.1. Introduction
II.2. Description du logiciel CST
II.3. Caractéristiques du logiciel CST
II.4. Module de CST
II.5. Les modules d’exécutions de CST
II.6. Les méthodes numérique utilisées par CST
II.6.1. Méthode des éléments finis
II.6.2. Méthode des moments MoM
II.6.3. Méthode des différences finies dans le domaine temporel
II.6.4. Méthode de la matrice des lignes de transmission TLM
II.7. Analyse numérique avec CST Microwave Studio
II.7.1. Construction du modèle numérique
II.7.2. Configuration du modèle
II.7.3. Simulation numérique et optimisation
II.8. Conclusion
Chapitre III : Présentation des résultats de simulation
III.1. Introduction
III.2. Conception d’un guide d’onde fonctionnant dans la bande S
III.2.1. Transition de la ligne microruban au guide d’onde SIW
III.2.2. Etude paramétrique
III.3. Conception d’un guide d’onde fonctionnant dans la bande C
III.2.1. Transition de la ligne microruban au guide d’onde SIW
III.2.2. Etude paramétrique
III.4. Conception d’un filtre passe bande fonctionnant dans la bande S
III.4.1. Etude paramétrique
III.5. Conception d’un filtre passe bande fonctionnant dans la bande C
III.5.1. Etude paramétrique
II.6. Conclusion
Conclusion générale

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