Comment réaliser l'adaptation d'impédance des guides d'ondes ? La théorie des lignes de transmission, utilisée pour les antennes microruban, nous apprend que des lignes de transmission en série ou en parallèle peuvent être sélectionnées pour adapter l'impédance entre elles ou entre les lignes de transmission et les charges, afin d'obtenir une transmission de puissance maximale et des pertes par réflexion minimales. Ce même principe d'adaptation d'impédance s'applique aux guides d'ondes. Les réflexions dans les systèmes de guides d'ondes peuvent engendrer des désadaptations d'impédance. En cas de dégradation de l'impédance, la solution est identique à celle des lignes de transmission : modifier la valeur requise. Des impédances localisées sont placées à des points prédéfinis du guide d'ondes pour compenser la désadaptation et éliminer 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 variées.
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, qui peuvent prendre les formes représentées et être capacitives, inductives ou résonantes. L'analyse mathématique est complexe, mais l'explication physique est simple. Considérons la première bande métallique capacitive de la figure : le potentiel existant entre les parois supérieure et inférieure du guide d'ondes (en mode dominant) se déplace désormais entre les deux surfaces métalliques plus proches, ce qui augmente la capacité. À l'inverse, le bloc métallique de la figure 1b permet au courant de circuler là où il ne circulait pas auparavant. L'ajout de ce bloc métallique induit un courant dans le plan de champ électrique initialement renforcé. Il en résulte un stockage d'énergie dans le champ magnétique et une augmentation de l'inductance en ce point du guide d'ondes. De plus, si la forme et la position de l'anneau métallique de la figure 1c sont judicieusement conçues, les réactances inductive et capacitive introduites s'équilibrent, et l'ouverture atteint la résonance parallèle. Cela signifie que l'adaptation d'impédance et l'accord du mode principal sont excellents, et que l'effet de shunt de ce mode sera négligeable. Cependant, les autres modes ou fréquences seront atténués ; l'anneau métallique résonant agit donc à la fois comme un filtre passe-bande et un 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. Ce pilier peut être capacitif ou inductif, selon sa profondeur d'insertion dans le guide d'ondes. Concrètement, cette méthode d'adaptation repose sur le fait que lorsqu'un tel pilier métallique pénètre légèrement dans le guide d'ondes, il introduit une susceptance capacitive à cet endroit. Cette susceptance augmente jusqu'à ce que la pénétration atteigne environ un quart de longueur d'onde. À ce stade, une résonance série se produit. Une pénétration plus importante du pilier métallique induit une susceptance inductive qui diminue à mesure que l'insertion se poursuit. L'intensité de résonance au point médian est inversement proportionnelle au diamètre du pilier et peut être utilisée comme filtre ; cependant, dans ce cas, elle est employée comme filtre coupe-bande pour transmettre les modes d'ordre supérieur. Comparé à l'augmentation d'impédance par des bandes métalliques, l'un des principaux avantages de l'utilisation de piliers métalliques réside dans leur facilité d'accord. Par exemple, deux vis peuvent être utilisées comme dispositifs d'accord pour obtenir une adaptation efficace du guide d'ondes.
Charges résistives et atténuateurs :
Comme tout système de transmission, les guides d'ondes nécessitent parfois une adaptation d'impédance parfaite et des charges accordées pour absorber intégralement les ondes incidentes sans réflexion et pour être insensibles à la fréquence. Une application de ces terminaux est la réalisation de diverses mesures de puissance sur le système sans rayonnement.
Figure 3 : Charge de résistance du guide d'ondes (a) cône simple (b) double cône
La terminaison résistive la plus courante est constituée d'une section de diélectrique dissipatif installée à l'extrémité du guide d'ondes et effilée (l'extrémité étant dirigée vers l'onde incidente) afin d'éviter les réflexions. Ce milieu dissipatif peut occuper toute la largeur du guide d'ondes ou seulement le centre de son extrémité, comme illustré sur la figure 3. L'effilement peut être simple ou double et a généralement une longueur de λp/2, soit une longueur totale d'environ deux longueurs d'onde. Ces terminaisons sont généralement réalisées en plaques diélectriques, comme du verre, recouvertes d'un film de carbone ou de silicate de sodium. Pour les applications haute puissance, des dissipateurs thermiques peuvent être ajoutés à l'extérieur du guide d'ondes ; la puissance délivrée à la terminaison peut alors être dissipée par le dissipateur thermique ou par refroidissement par air forcé.
figure 4 Atténuateur à aubes mobiles
Les atténuateurs diélectriques peuvent être rendus amovibles comme indiqué sur la figure 4. Placé au milieu du guide d'ondes, il peut être déplacé latéralement du centre du guide d'ondes, où il fournira la plus grande atténuation, vers les bords, où l'atténuation est fortement réduite puisque l'intensité du champ électrique du mode dominant est beaucoup plus faible.
Atténuation dans un guide d'ondes :
L'atténuation de l'énergie des guides d'ondes comprend principalement les aspects suivants :
1. Réflexions dues aux discontinuités internes du guide d'ondes ou aux sections de guide d'ondes mal alignées
2. Pertes dues au courant circulant dans les parois du guide d'ondes
3. Pertes diélectriques dans les guides d'ondes remplis
Les deux dernières pertes sont similaires à celles des lignes coaxiales et restent relativement faibles. Ces pertes dépendent du matériau de la paroi et de sa rugosité, du diélectrique utilisé et de la fréquence (en raison de l'effet de peau). Pour les conduits en laiton, elles varient de 4 dB/100 m à 5 GHz à 12 dB/100 m à 10 GHz, tandis que pour les conduits en aluminium, elles sont plus faibles. Pour les guides d'ondes argentés, les pertes sont typiquement de 8 dB/100 m à 35 GHz, 30 dB/100 m à 70 GHz et avoisinent les 500 dB/100 m à 200 GHz. Afin de réduire les pertes, notamment aux très hautes fréquences, les guides d'ondes sont parfois plaqués (intérieurement) en or ou en platine.
Comme indiqué précédemment, le guide d'ondes se comporte comme un filtre passe-haut. Bien que le guide d'ondes lui-même soit pratiquement sans pertes, 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 par guide d'ondes :
Le couplage des guides d'ondes s'effectue généralement par des brides lors de l'assemblage de leurs sections ou composants. Ces brides assurent une liaison mécanique optimale et des propriétés électriques adaptées, 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 servent à connecter différentes sections de guide d'ondes, à prévenir les fuites et les interférences, et à maintenir un alignement précis du guide d'ondes afin de garantir une transmission fiable et un positionnement précis des ondes électromagnétiques. Un guide d'ondes typique possède une bride à chaque extrémité, comme illustré sur la figure 5.
figure 5 (a) bride simple ; (b) accouplement de bride.
Aux basses fréquences, la bride est brasée ou soudée au guide d'ondes, tandis qu'aux hautes fréquences, une bride plate est utilisée. Lors de l'assemblage de deux pièces, les brides sont boulonnées, mais les extrémités doivent être parfaitement lisses pour éviter toute discontinuité de la liaison. Un alignement précis des composants est facilité par quelques ajustements ; c'est pourquoi les guides d'ondes de petite taille sont parfois équipés de brides filetées qui peuvent être vissées à l'aide d'un écrou annulaire. Lorsque 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 aux hautes fréquences sont 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 ménagé entre les guides d'ondes, comme illustré sur la figure 6. Un couplage par inductance est constitué d'une bride ordinaire et d'une bride d'inductance assemblées. Afin de compenser d'éventuelles discontinuités, un anneau d'inductance circulaire à section en L est utilisé dans la bride d'inductance pour obtenir une connexion plus étanche. Contrairement aux brides ordinaires, les brides d'inductance sont sensibles à la fréquence, mais une conception optimisée permet de garantir une bande passante raisonnable (environ 10 % de la fréquence centrale) sur laquelle le TOS ne dépasse pas 1,05.
Date de publication : 15 janvier 2024
