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1 - PROPAGATION SUR LES STRUCTURES DE GUIDAGE FONDAMENTALES

2 - ÉVOLUTION DES GÉOMÉTRIES DÉVELOPPÉES

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : E1170 v2

Conclusion
Structures de guidage hyperfréquences - Propagation et géométrie

Auteur(s) : Michel NEY, Camilla KÄRNFELT

Relu et validé le 05 janv. 2021

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RÉSUMÉ

Dans cet article, le mécanisme fondamental de guidage des ondes dans des structures comme les lignes, câbles ou plus généralement guides, est décrit. La théorie générale débouchant sur l'équation d'Helmholtz est brièvement expliquée. De nombreuses structures ont été proposées selon l'application ou la bande de fréquences utilisée. Le cheminement pour obtenir les équations des champs et la forme des solutions est brièvement présenté. Les concepts fondamentaux comme les modes discrets du guide et leur phénomène de coupure ainsi que la dispersion sont expliqués. Les structures les plus connues sont décrites ainsi que quelques développements récents. L'expression des principaux paramètres est donnée soit sous la forme exacte pour les formes canoniques soit empirique pour les autres cas.

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ABSTRACT

Microwave guiding structures. Propagation and geometry

In this paper, the basic mechanisms of guided waves such as lines, cables or more generally guides is described, and the general theory that yields Helmholtz's equation is briefly presented. Various structures have been proposed according to the application or the operating frequency band. Steps to obtain field equations and form of solutions are briefly presented. Fundamental concepts such as modes and their cut-off phenomenon and dispersion are explained. Well-known structures are described including some recently developed ones. Relevant parameter closed-form solutions for several canonical cases are given, and empirical expressions are proposed for other cases.

Auteur(s)

  • Michel NEY : Professeur à l’Institut Mines-Télécom, Télécom Bretagne à Brest, France

  • Camilla KÄRNFELT : Ingénieure d’études à l’Institut Mines-Télécom, Télécom Bretagne à Brest, France

INTRODUCTION

Les dispositifs hyperfréquences tels que filtres, amplificateurs, antennes, coupleurs, etc. sont généralement connectés ou alimentés à travers des lignes, câbles ou guides d’ondes. Ces structures ont la propriété de guider des ondes qui amènent ou transfèrent l’énergie vers ou entre les dispositifs. Elles doivent le faire de façon optimale, c’est-à-dire avec le minimum de pertes, le minimum de dispersion du signal et assurer une adaptation par rapport à la charge et au générateur et ceci sur la largeur de bande de fréquences utile à l’application.

Les structures de guidage uniformes, pouvant avoir des sections à géométries diverses mais invariantes dans la direction longitudinale de propagation, fonctionnent selon un mécanisme de base commun : les ondes transmises sont guidées par rebonds sur des parois métalliques et/ou sur des interfaces entre milieux différents. L’interférence entre ces ondes forme dans le guide des plans de champs équiphases qui se déplacent dans la direction longitudinale du guide supposé à section invariante. La distance entre les plans de même phase (modulo 2π) définit la longueur d’onde guidée, souvent différente de la longueur d’onde du milieu infini. La vitesse de déplacement longitudinale de ces plans définit la vitesse de phase. La particularité du problème du guide est qu’il existe une infinité de solutions pouvant se propager indépendamment. Celles-ci, appelées modes, ont chacune leur vitesse de phase, longueur d’onde, et le diagramme de dispersion illustre la dépendance de ces paramètres avec la fréquence du signal. Enfin, un mode ne peut se propager que si la fréquence du signal est supérieure à sa fréquence de coupure au-dessous de laquelle l’amplitude de ses champs s’atténue de façon exponentielle. Aucune puissance active n’est propagée dans le guide par ce mode. Le problème du guide est donc principalement de trouver le diagramme de dispersion pour les modes utiles et d’extraire les fréquences de coupure et les coefficients de propagation associés. Pour les guides avec pertes, ces derniers sont complexes et leur partie réelle donne le coefficient d’atténuation du mode. Des méthodes perturbationnelles permettent de calculer ces atténuations pour autant que les pertes soient faibles, ce qui est compatible avec les objectifs pratiques du guide.

De très nombreuses structures de guidage ont été proposées, selon l’application et la bande de fréquences d’opération. Ces deux derniers paramètres influent sur la géométrie, la taille, les matériaux utilisés et, par conséquent, la technologie utilisée. Par exemple, une application haute puissance, typique dans les radars, va obliger le choix de guides métalliques creux, généralement à section rectangulaire ou circulaire ou de câbles coaxiaux pour des puissances moindres. Par contre, des applications à faibles puissances permettent l’utilisation des technologies planaires telles que les lignes microrubans imprimées sur substrat diélectrique ou les nouvelles approches technologiques comme les guides intégrés en substrat (Surface Integrate Waveguide, SIW) ou guides non rayonnants (Non Radiating Dielectric, NRD). Enfin, des lignes particulières présentent des propriétés intéressantes par leurs caractéristiques de propagation, similaires à celles d’un milieu d’indice négatif dans certaines bandes de fréquences. On fait alors référence aux lignes à métamatériaux.

Après une brève présentation de la théorie de base du guide, différentes structures parmi les plus connues et certaines plus récentes sont présentées avec les paramètres associés importants. On explique les concepts de base liés aux guides comme les modes, les phénomènes de coupure et la dispersion. Sauf dans les cas à géométrie canonique, les solutions analytiques ne sont pas possibles et des modèles approximatifs ou numériques doivent être utilisés. Des formules empiriques sont alors proposées pour permettre le dimensionnement et le calcul des paramètres utiles associés aux structures actuellement les plus utilisées.

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KEYWORDS

waveguide   |   planar line   |   telecommunications   |   microwave electronics

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e1170


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3. Conclusion

Les lignes ou guides sont des structures indispensables pour la connexion entre les dispositifs électriques d’un système en général. En hautes fréquences, ils ne constituent plus des connexions idéales mais amènent des phénomènes qui détériorent les performances du système : dispersion et pertes par conduction et diélectriques. De très nombreux développements ont été effectués pour, d’une part, minimiser ces effets et, d’autre part, rendre ces structures plus compatibles avec l’intégration. En effet, la tendance est à utiliser des bandes de fréquences de plus en plus élevées pour augmenter les débits d’information et trouver une solution à l’encombrement des fréquences.

Après une revue du phénomène de propagation dans les guides et les équations de base, la description des principales structures utilisées ont été présentées. Les phénomènes de dispersion et de coupure ont aussi été discutés. Des formules pratiques de synthèse et de calculs de paramètres comme les affaiblissements dus aux pertes ont été données.

Certaines structures sont incontournables pour les applications à haute puissance comme tous les guides métalliques creux. Pour les systèmes à basse puissance, l’intégration avec les composants a fait émerger les structures planaires compatibles avec cette tendance et la montée en fréquence. Comme cette dernière amène une augmentation des pertes, des développements récents ont été proposés et ont été décrits. Il s’agit des technologies intégrées sur substrat qui produisent de bonnes performances en bande millimétrique pour des dispositifs jusqu’à 100 GHz.

La bande millimétrique est en plein développement principalement autour de 60 GHz pour des systèmes de communication intramuraux et dans la bande 76-81 GHz pour les applications radar et communications routières à relativement courtes portées. Il y a déjà des recherches sur les systèmes submillimétriques (le térahertz) où les connexions nécessaires feront encore évoluer la technologie et la géométrie des guides avec toujours les mêmes contraintes : dispersion et pertes minimales et compatibilité maximale avec l’intégration sur des substrats variés pour les faibles puissances.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CALOZ (C.), and ITOH (T.) -   Transmission line approach of left-handed (LH) structures and microstrip realization of a low-loss broadband LH filter.  -  IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 52, no. 5, (2004).

  • (2) - CALOZ (C.), ITOH (T.) -   Electromagnetic metamaterials : transmission line theory and microwave applications-The engineering approach  -  . John Wiley Sons, (2006).

  • (3) - GUPTA (K.C.), GARG (R.), CHADHA (R.) -   Computer aided design of microwave  -  . Artech House Inc., Norwood, (1981).

  • (4) - ABRAMOWITZ (M.), STEGUN (I.A.) -   Handbook of mathematical functions  -  . Dover Publications, New York, (1972).

  • (5) - GUPTA (K.C.), GARG (R.), BAHL (I.J.) -   Microstrip lines and slotlines  -  . 2nd Ed. Artech House, Microwave Library, (1996).

  • (6) - ROZZI (T.), MOGLIE (F.), MORINI (A.), MARCHIONNA...

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