Comment obtenir l'adaptation d'impédance des guides d'ondes ? La théorie des lignes de transmission, appliquée aux antennes microrubans, nous apprend que des lignes de transmission en série ou en parallèle appropriées peuvent être sélectionnées pour obtenir l'adaptation d'impédance entre elles ou entre elles et les charges, afin d'obtenir une transmission de puissance maximale et une perte par réflexion minimale. Le même principe d'adaptation d'impédance pour les lignes microrubans s'applique à l'adaptation d'impédance des guides d'ondes. Les réflexions dans les systèmes de guides d'ondes peuvent entraîner des désadaptations d'impédance. En cas de détérioration de l'impédance, la solution est la même que pour les lignes de transmission : modifier la valeur requise. L'impédance localisée est placée à des points prédéfinis du guide d'ondes pour pallier la désadaptation, éliminant ainsi les effets des réflexions. Alors que les lignes de transmission utilisent des impédances localisées ou des stubs, les guides d'ondes utilisent des blocs métalliques de formes diverses.
figure 1 : Iris de guide d'ondes et circuit équivalent, (a) Capacitif ; (b) inductif ; (c) résonant.
La figure 1 illustre les différents types d'adaptation d'impédance, prenant toutes les formes présentées et pouvant être capacitive, inductive ou résonante. L'analyse mathématique est complexe, mais l'explication physique ne l'est pas. En considérant la première bande métallique capacitive de la figure, on constate que le potentiel existant entre les parois supérieure et inférieure du guide d'ondes (en mode dominant) existe désormais entre les deux surfaces métalliques plus proches, de sorte que la capacité augmente. En revanche, le bloc métallique de la figure 1b permet au courant de circuler là où il ne circulait pas auparavant. Le courant circulera dans le plan de champ électrique précédemment renforcé grâce à l'ajout du bloc métallique. Par conséquent, l'énergie est stockée dans le champ magnétique et l'inductance en ce point du guide d'ondes augmente. De plus, si la forme et la position de l'anneau métallique de la figure c sont conçues de manière raisonnable, la réactance inductive et la réactance capacitive introduites seront égales, et l'ouverture sera une résonance parallèle. Cela signifie que l'adaptation d'impédance et le réglage du mode principal sont excellents, et que l'effet de dérivation de ce mode est négligeable. Cependant, les autres modes ou fréquences sont atténués, de sorte que l'anneau métallique résonant agit à la fois comme filtre passe-bande et filtre de mode.
figure 2 : (a) poteaux de guide d'ondes ; (b) adaptateur à deux vis
Une autre méthode d'accord est illustrée ci-dessus : un pilier métallique cylindrique s'étend depuis l'un des côtés larges du guide d'ondes, produisant le même effet qu'une bande métallique en fournissant une réactance localisée à cet endroit. Le pilier métallique peut être capacitif ou inductif, selon son enfoncement dans le guide d'ondes. En substance, cette méthode d'accord consiste à ce que, lorsqu'un pilier métallique s'enfonce légèrement dans le guide d'ondes, il crée une susceptance capacitive à cet endroit, laquelle augmente jusqu'à atteindre environ un quart de longueur d'onde. À ce point, une résonance série se produit. Une pénétration plus poussée du pilier métallique produit une susceptance inductive qui diminue à mesure que l'insertion est complète. L'intensité de résonance au point médian de l'installation est inversement proportionnelle au diamètre de la colonne et peut servir de filtre. Cependant, dans ce cas, il s'agit d'un filtre coupe-bande pour transmettre les modes d'ordre supérieur. Comparé à l'augmentation de l'impédance des bandes métalliques, l'utilisation de piliers métalliques présente l'avantage majeur d'être facile à régler. Par exemple, deux vis peuvent être utilisées comme dispositifs de réglage pour obtenir une adaptation efficace du guide d'ondes.
Charges résistives et atténuateurs :
Comme tout autre système de transmission, les guides d'ondes nécessitent parfois une adaptation d'impédance parfaite et des charges accordées pour absorber pleinement les ondes entrantes sans réflexion et être insensibles à la fréquence. Une application de ces terminaux est la réalisation de diverses mesures de puissance sur le système sans rayonnement réel.
figure 3 charge de résistance du guide d'ondes (a) simple cône (b) double cône
La terminaison résistive la plus courante est une section de diélectrique avec pertes, installée à l'extrémité du guide d'ondes et effilée (la pointe étant orientée vers l'onde incidente) afin d'éviter les réflexions. Ce milieu avec pertes peut occuper toute la largeur du guide d'ondes ou seulement le centre de son extrémité, comme illustré à la figure 3. La conicité peut être simple ou double et a généralement une longueur de λp/2, pour une longueur totale d'environ deux longueurs d'onde. Elle est généralement constituée de plaques diélectriques, telles que du verre, recouvertes d'un film de carbone ou de verre soluble à l'extérieur. Pour les applications haute puissance, ces bornes peuvent être équipées de dissipateurs thermiques ajoutés à l'extérieur du guide d'ondes, et la puissance délivrée à la borne peut être dissipée par le dissipateur thermique ou par refroidissement à air forcé.
figure 4 Atténuateur à palettes mobiles
Les atténuateurs diélectriques peuvent être rendus amovibles comme le montre la figure 4. Placés au milieu du guide d'ondes, ils peuvent être déplacés latéralement du centre du guide d'ondes, où ils fourniront la plus grande atténuation, vers les bords, où l'atténuation est considérablement réduite puisque l'intensité du champ électrique du mode dominant est beaucoup plus faible.
Atténuation dans le guide d'ondes :
L'atténuation énergétique des guides d'ondes comprend principalement les aspects suivants :
1. Réflexions provenant de discontinuités internes du guide d'ondes ou de sections de guide d'ondes mal alignées
2. Pertes causées par le courant circulant dans les parois du guide d'ondes
3. Pertes diélectriques dans les guides d'ondes remplis
Ces deux dernières valeurs sont similaires aux pertes correspondantes dans les lignes coaxiales et sont toutes deux relativement faibles. Cette perte dépend du matériau de la paroi et de sa rugosité, du diélectrique utilisé et de la fréquence (en raison de l'effet de peau). Pour un conduit en laiton, la plage varie de 4 dB/100 m à 5 GHz à 12 dB/100 m à 10 GHz, mais pour un conduit en aluminium, la plage est plus faible. Pour les guides d'ondes argentés, les pertes sont généralement de 8 dB/100 m à 35 GHz, de 30 dB/100 m à 70 GHz et de près de 500 dB/100 m à 200 GHz. Afin de réduire les pertes, notamment aux fréquences les plus élevées, les guides d'ondes sont parfois plaqués (interne) d'or ou de platine.
Comme indiqué précédemment, le guide d'ondes agit comme un filtre passe-haut. Bien que le guide d'ondes lui-même soit pratiquement sans perte, les fréquences inférieures à la fréquence de coupure sont fortement atténuées. Cette atténuation est due à la réflexion à l'entrée du guide d'ondes plutôt qu'à la propagation.
Couplage de guide d'ondes :
Le couplage du guide d'ondes s'effectue généralement par l'intermédiaire de brides lors de l'assemblage de pièces ou de composants du guide d'ondes. Ces brides assurent une connexion mécanique fluide et des propriétés électriques adéquates, notamment un faible rayonnement externe et une faible réflexion interne.
Bride:
Les brides de guide d'ondes sont largement utilisées dans les communications micro-ondes, les systèmes radar, les communications par satellite, les systèmes d'antennes et les équipements de laboratoire en recherche scientifique. Elles permettent de connecter différentes sections du guide d'ondes, d'éviter les fuites et les interférences, et de maintenir un alignement précis du guide d'ondes afin d'assurer une transmission fiable et un positionnement précis des ondes électromagnétiques à haute fréquence. Un guide d'ondes classique possède une bride à chaque extrémité, comme illustré à la figure 5.
figure 5 (a)bride lisse;(b)accouplement à bride.
À basses fréquences, la bride est brasée ou soudée au guide d'ondes, tandis qu'à hautes fréquences, une bride plus plate est utilisée. Lors de l'assemblage de deux pièces, les brides sont boulonnées, mais les extrémités doivent être lisses pour éviter les discontinuités de connexion. Il est évidemment plus facile d'aligner correctement les composants avec quelques ajustements ; c'est pourquoi les guides d'ondes plus petits sont parfois équipés de brides filetées qui peuvent être vissées ensemble à l'aide d'un écrou à anneau. À mesure que la fréquence augmente, la taille du couplage du guide d'ondes diminue naturellement, et la discontinuité de couplage s'accroît proportionnellement à la longueur d'onde du signal et à la taille du guide d'ondes. Par conséquent, les discontinuités à hautes fréquences deviennent plus problématiques.
figure 6 (a) Coupe transversale du raccord d'étranglement ; (b) Vue d'extrémité de la bride d'étranglement
Pour résoudre ce problème, un petit espace peut être laissé entre les guides d'ondes, comme illustré à la figure 6. Un couplage à self est constitué d'une bride ordinaire et d'une bride d'étranglement assemblées. Pour compenser d'éventuelles discontinuités, une bague d'étranglement circulaire de section en L est utilisée dans la bride d'étranglement afin d'obtenir une connexion plus serrée. Contrairement aux brides ordinaires, les brides d'étranglement sont sensibles à la fréquence, mais une conception optimisée peut garantir une bande passante raisonnable (environ 10 % de la fréquence centrale) sur laquelle le ROS ne dépasse pas 1,05.
Date de publication : 15 janvier 2024
