guides d'ondes

Un guide d'ondes est une forme spéciale de ligne de transmission constituée d'un tube métallique creux. La paroi du tube fournit une inductance répartie, tandis que l'espace vide entre les parois du tube fournit une capacité répartie.

Les guides d'ondes conduisent l'énergie micro-ondes avec une perte plus faible que les câbles coaxiaux.

Les guides d'ondes ne sont pratiques que pour les signaux de fréquence extrêmement élevée, où la longueur d'onde approche les dimensions de la section transversale du guide d'ondes. En dessous de ces fréquences, les guides d'ondes sont inutiles comme lignes de transmission électrique.

Utilisation des guides d'ondes comme ligne de transmission

Cependant, lorsqu'ils fonctionnent comme des lignes de transmission, les guides d'ondes sont considérablement plus simples que les câbles à deux conducteurs, en particulier les câbles coaxiaux, dans leur fabrication et leur maintenance.

Avec un seul conducteur (la "coque" du guide d'ondes), il n'y a aucun problème avec l'espacement approprié entre les conducteurs, ou la consistance du matériau diélectrique, puisque le seul diélectrique dans un guide d'ondes est l'air.

L'humidité n'est pas non plus un problème aussi grave dans les guides d'ondes que dans les câbles coaxiaux, et les guides d'ondes sont donc souvent épargnés par la nécessité de "remplir" de gaz.

Les guides d'ondes peuvent être considérés comme des conduits d'énergie électromagnétique, le guide d'ondes lui-même agissant comme rien de plus qu'un « directeur » de l'énergie plutôt que comme un conducteur de signal au sens normal du terme.

Dans un sens, toutes les lignes de transmission fonctionnent comme des conduits d'énergie électromagnétique lors du transport d'impulsions ou d'ondes à haute fréquence, dirigeant les ondes comme les rives d'une rivière dirigent un raz de marée.

Cependant, comme les guides d'ondes sont des éléments monoconducteurs, la propagation de l'énergie électrique dans un guide d'ondes est d'une nature très différente de la propagation de l'énergie électrique dans une ligne de transmission à deux conducteurs.

Qu'est-ce que la propagation des ondes électriques et magnétiques transversales (TEM) ?

Toutes les ondes électromagnétiques sont constituées de champs électriques et magnétiques se propageant dans le même sens de déplacement, mais perpendiculaires les uns aux autres. Le long d'une ligne de transmission normale, les champs électriques et magnétiques sont perpendiculaires (transversaux) à la direction du déplacement des ondes.

C'est ce qu'on appelle le mode principal , ou TEM (T transverse E électrique et M mode magnétique). Ce mode de propagation des ondes ne peut exister que là où il y a deux conducteurs, et c'est le mode dominant de propagation des ondes où les dimensions de la section transversale de la ligne de transmission sont petites par rapport à la longueur d'onde du signal.

Propagation de la ligne de transmission à double dérivation :mode TEM.

Au micro-ondes fréquences de signal (entre 100 MHz et 300 GHz), les lignes de transmission à deux conducteurs de toute longueur substantielle fonctionnant en mode TEM standard deviennent impraticables.

Les lignes suffisamment petites en section transversale pour maintenir la propagation du signal en mode TEM pour les signaux micro-ondes ont tendance à avoir des tensions nominales faibles et souffrent de pertes de puissance parasites importantes dues à la "peau" du conducteur et aux effets diélectriques.

Heureusement, cependant, à ces courtes longueurs d'onde, il existe d'autres modes de propagation qui ne sont pas aussi « avec pertes », si un tube conducteur est utilisé plutôt que deux conducteurs parallèles. C'est à ces hautes fréquences que les guides d'ondes deviennent pratiques.

Lorsqu'une onde électromagnétique se propage dans un tube creux, un seul des champs (électrique ou magnétique) sera réellement transversal à la direction de déplacement de l'onde.

L'autre champ "bouclera" longitudinalement à la direction de déplacement, mais sera toujours perpendiculaire à l'autre champ. Quel que soit le champ qui reste transversal à la direction de déplacement détermine si l'onde se propage en TE mode (T transverse E électrique) ou TM (T transverse M mode magnétique).

Modes électriques transversaux du guide d'ondes (TE) et magnétiques transversaux (TM).

De nombreuses variantes de chaque mode existent pour un guide d'ondes donné, et une discussion complète de ce sujet dépasse largement le cadre de ce livre.

Comment les signaux sont-ils introduits et extraits des guides d'ondes ?

Les signaux sont typiquement introduits et extraits des guides d'ondes au moyen de petits dispositifs de couplage de type antenne insérés dans le guide d'ondes. Parfois, ces éléments de couplage prennent la forme d'un dipôle, qui n'est rien de plus que deux fils tronqués à extrémité ouverte de longueur appropriée.

D'autres fois, le coupleur est un seul tronçon (un demi-dipôle, similaire en principe à une antenne "fouet", 1/4 "de longueur physique), ou une courte boucle de fil terminée sur la surface intérieure du guide d'ondes.

Stub and loop couplage au guide d'ondes.

Dans certains cas, comme une classe de dispositifs à tube à vide appelés tubes à sortie inductive (le soi-disant klystron tube entre dans cette catégorie), une « cavité » formée d'un matériau conducteur peut intercepter l'énergie électromagnétique d'un faisceau d'électrons modulé, n'ayant aucun contact avec le faisceau lui-même.

Tube de sortie inductif Klystron.

Qu'est-ce qu'un résonateur à cavité ?

Tout comme les lignes de transmission peuvent fonctionner comme des éléments résonants dans un circuit, en particulier lorsqu'elles sont terminées par un court-circuit ou un circuit ouvert, un guide d'ondes sans issue peut également résonner à des fréquences particulières.

Lorsqu'il est utilisé en tant que tel, l'appareil est appelé un résonateur à cavité . Les tubes de sortie inductifs utilisent des résonateurs à cavité en forme de tore pour maximiser l'efficacité de transfert de puissance entre le faisceau d'électrons et le câble de sortie.

Une fréquence de résonance de cavité peut être modifiée en changeant ses dimensions physiques. À cette fin, des cavités avec des plaques mobiles, des vis et d'autres éléments mécaniques pour le réglage sont fabriquées pour fournir un réglage grossier de la fréquence de résonance.

Si une cavité résonante est ouverte à une extrémité, elle fonctionne comme une antenne unidirectionnelle.

La photographie suivante montre un guide d'ondes fait maison formé à partir d'une boîte de conserve, utilisé comme antenne pour un signal de 2,4 GHz dans un réseau de communication informatique "802.11b".

L'élément de couplage est un tronçon quart d'onde :rien de plus qu'un morceau de fil de cuivre solide d'environ 1-1/4 pouce de longueur s'étendant du centre d'un connecteur de câble coaxial pénétrant le côté de la boîte.

Can-tenna illustre le couplage du tronçon au guide d'ondes.

Quelques autres antennes en boîte de conserve peuvent être vues à l'arrière-plan, l'une d'entre elles étant une boîte de croustilles « Pringles ». Bien que cette boîte soit en carton (papier), sa doublure intérieure métallique fournit la conductivité nécessaire pour fonctionner comme un guide d'ondes.

Certaines des boîtes de conserve à l'arrière-plan ont encore leurs couvercles en plastique en place. Le plastique, étant non conducteur, n'interfère pas avec le signal RF, mais fonctionne comme une barrière physique pour empêcher la pluie, la neige, la poussière et d'autres contaminants physiques de pénétrer dans le guide d'ondes.

Les « vraies » antennes à guide d'ondes utilisent des barrières similaires pour enfermer physiquement le tube, tout en laissant passer l'énergie électromagnétique sans entrave.

AVIS :

• Guides d'ondes sont des tubes métalliques fonctionnant comme des « conduits » pour transporter des ondes électromagnétiques. Ils ne sont pratiques que pour les signaux de fréquence extrêmement élevée, où la longueur d'onde du signal approche les dimensions de la section transversale du guide d'ondes.
• La propagation des ondes à travers un guide d'ondes peut être classée en deux grandes catégories :TE (Transverse Electrique), ou TM (Magnétique transverse), selon quel champ (électrique ou magnétique) est perpendiculaire (transversal) à la direction de déplacement des ondes. Le voyage des ondes le long d'une ligne de transmission standard à deux conducteurs est du TEM (Transverse Electrique et Magnétique), où les deux champs sont orientés perpendiculairement à la direction de déplacement. Le mode TEM n'est possible qu'avec deux conducteurs et ne peut pas exister dans un guide d'ondes.
• Un guide d'ondes sans issue servant d'élément résonant dans un circuit hyperfréquence est appelé résonateur à cavité .
• Un résonateur à cavité avec une extrémité ouverte fonctionne comme une antenne unidirectionnelle, envoyant ou recevant de l'énergie RF vers/depuis la direction de l'extrémité ouverte.