Structures de guidage hyperfréquences - Propagation et géométrie

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.