Les guides d’ondes rectangulaires

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Généralités

Lorsqu'on travaille dans le domaine des hyperfréquences (300MHz<f<300GHz), les câbles coaxiaux commencent à approcher de leur condition limites.
Tout d'abord les câbles coaxiaux présentent des pertes importantes à ces fréquences.
Plus on monte en fréquence, plus le TOS du câble devient mauvais. Il faut ainsi prendre beaucoup de soin pour réaliser un câble de genre RG-213 pour travailler à 4 GHz. Et même en apportant un maximum de soin on arrive à peine à un VSWR de 1,25.
Enfin un câble coaxial présente une fréquence de coupure qui est donnée par la relation

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où c est la vitesse des ondes électromagnétiques (300.000Km/s)
Ainsi pour un câble du genre RG-213 la permittivité relative du PE est de 2,28, D=8,1mm et d=2,25mm, on peut calculer une

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Cette formule montre aussi que plus le câble est gros plus sa fréquence sera basse! On arrive à cette conclusion : si on veut une fréquence de coupure élevée, il faut que le diamètre soit petit et si on veut que les pertes soient faibles il faut que le diamètre soit grand!

Pour contre carrer ces faiblesses du câble coaxial, on est obligé d'employer différents techniques de propagations d'énergie vers l'antenne. Cette technique est la mise en place des guides d'onde pour véhiculer l'énergie vers l'antenne de propagation. Les guides d'onde sont faits en matériaux métalliques, mais les développements technologiques aujourd'hui fait apparaitre le guide en fibre optique qui est un matériel non métallique.

Il y a quelques propriétés de l'onde électromagnétique dans l'espace libre suivant:

  • Une onde électromagnétique est constituée d'un champ électrique E et d'un champ magnétique H qui forment un trièdre direct avec la direction de la propagation. Soit u le vecteur unitaire de cette direction, nous avons alors:

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La permittivité et la perméabilité magnétique du milieu où s'effectue la propagation dans le cas de l'air ou du vide. Il est à noter que E et H forment un plan perpendiculaire à la direction de propagation (plan d'onde)

  • L'équation de propagation en espace libre diélectrique, selon une direction Oz des champs électrique et magnétique, pris en valeur instantanées complexes e(z, t) et h(z,t) est:

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  • Les conditions aux limites à l'interface diélectrique conductrice sont:
    1. la composante tangentielle du champ E est nulle : ET = 0
    2. La composante normale du champ H est nulle : HN = 0

Les conditions aux limites à l'interface entre deux milieux diélectriques parfaits 1 et 2 sont:

    1. Continuité des composantes tangentielles des champs E et H sont:
      ET.1 = ET.2 et HT.1 = HT.2
    2. Continuité des composantes normales des vecteurs D et B
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Lorsqu'une onde électromagnétique se dirige vers un plan conducteur parfait sous un angle (voir figure ci-après), cette onde peut être décomposée en un champ électrique incident Ei et un champ magnétique incident Hi.

  1. Le vecteur champ électrique Ei incident est parallèle à la surface. Il est représenté par le cercle avec la croix. Ce vecteur donnera par réflexion un vecteur Er tel que la somme vectorielle Ei+Er soit nulle. C'est la première condition énoncée ci-dessus. Par conséquent le vecteur Er sera représenté par un cercle avec un point.
  2. Le vecteur champ magnétique peut être décomposé en deux parties. D'une part la composante tangentielle HTi qui ne sera pas perturbée donc HTi=Hri. Et d'autre part la composante normale HNr qui donnera par réflexion une opposante normale HNr telle que la somme vectorielle HNi+HNr soit nulle. C'est la deuxième condition énoncée ci+-dessus.

Aussi dans Par conséquent, on peut dire qu'une onde électromagnétique qui arrive sur un conducteur parfait va être réfléchie, et,

  1. cette réflexion se fera sans perte
  2. la direction de l'onde incidente et la direction de propagation de l'onde réfléchie sont dans un même plan perpendiculaire au plan du conducteur
  3. L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion

Si on place l'un en face de l'autre, deux plans conducteurs, l'onde va être réfléchie d'un plan sur l'autre et elle va se propager. C'est le principe du guide d'onde
On distingue plusieurs types de guides d'ondes à savoir:

  • le guide d'ondes à section circulaire est en principe ceux qui représentent le moins de pertes. Les guides d’ondes circulaires permettent également de faire véhiculer deux signaux à polarisation orthogonale dans le même guide. Toutefois la maitrise requise pour garder les champs électriques et magnétiques bien perpendiculaires est très délicate. C'est pourquoi on leur préfère les guides rectangulaires ou elliptiques
  • le guide d'onde à section rectangulaire permettent de réaliser tous les raccordements à l'intérieur d'un équipement (à l'intérieur d'un émetteur ou d'un récepteur), et de raccorder plusieurs équipements ensemble, et
  • le guide d'onde à section elliptique avec une ondulation longitudinale permet de réaliser des guides faciles à poser sur des distances importantes, à l'intérieur des bâtiments de caoutchouc de protection. Ce type de guide d'onde se laisse assez facilement couder et "tordre", ce qui permet d'arriver exactement de l'antenne.