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-
M :
Universit Toulouse III Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)
Gnie Electrique, Electronique et Tlcommunications (GEET)
MODLISATION ET CONCEPTION D'UNE ANTENNE PLASMA BALAYAGEBASE SUR DES ONDES DE FUITE
mardi 2 dcembre 2014
Asma KALLEL
lectromagntisme et Systmes Haute Frquence
Olivier LAFONDThierry MONEDIERE
Jrme SOKOLOFFThierry CALLEGARI
LAPLACE, UPS
Olivier PASCAL, prsident du juryLuis ALVES, examinateurChristian CAREL, invit
-
M :
Universit Toulouse III Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)
Gnie Electrique, Electronique et Tlcommunications (GEET)
MODLISATION ET CONCEPTION D'UNE ANTENNE PLASMA BALAYAGEBASE SUR DES ONDES DE FUITE
mardi 2 dcembre 2014
Asma KALLEL
lectromagntisme et Systmes Haute Frquence
Olivier LAFONDThierry MONEDIERE
Jrme SOKOLOFFThierry CALLEGARI
LAPLACE, UPS
Olivier PASCAL, prsident du juryLuis ALVES, examinateurChristian CAREL, invit
-
A mes parents et mon mari
-
Remerciements
Je remercie tout dabord le laboratoire LAPLACE pour mavoir accueillie durant les
trois ans de thse.
Je tiens galement remercier M. Olivier Lafond, matre de confrences de
luniversit de Rennes et M. Thierry Monedire pour avoir accept dtre rapporteurs de
ce manuscrit. Je remercie galement M. Luis Alves de stre dplac du Portugal pour
faire partie de mon jury de thse. Je suis aussi trs reconnaissante M. Christian Carel
de faire partie du jury en tant quinvit.
Jexprime toute ma gratitude M. Olivier Pascal, professeur de luniversit Paul
Sabatier et directeur de lquipe GRE, que je croise presque tous les matins, pour avoir
prsid le jury de thse.
Paralllement mes travaux de recherche, jai consacr une partie de ces trois annes
lenseignement. Je remercie Laurent Berquez, professeur luniversit Paul Sabatier,
Herv Carfantan, maitre de confrences luniversit Paul Sabatier et Romain Pascaud,
enseignant-chercheur lISAE, de mavoir donn chacun lopportunit deffectuer cette
activit dans leurs tablissements.
Je remercie galement Freddy Gaboriau et Romain Baude pour mavoir offert
lopportunit deffectuer des mesures dans leur racteur ICP.
Je suis galement trs reconnaissante Gerjan Hagelaar de mavoir consacr du
temps pour mexpliquer son code numrique Magma.
Mes remerciements vont galement aux membres du service mcanique du
laboratoire pour mavoir aid prparer et monter le prototype.
Je voudrais remercier trs chaleureusement mes deux encadrants. Tous les deux ont
su toujours me consacrer de leur temps malgr leur emploi du temps charg. Ils ont su
aussi me donner les bons conseils dans lorganisation de la thse ainsi que dans la
rdaction des articles et du manuscrit. Jai eu la chance davoir deux encadrants
complmentaires : Jrme en microondes et Thierry en plasma. Cette complmentarit a
produit durant nos runions des discussions scientifiques animes et fructueuses
donnant naissance de nouvelles ides. Je leur suis reconnaissante davoir su me former
chacun dans sa spcialit. Je les remercie aussi pour leur bonne humeur quotidienne.
Mes remerciements vont aux doctorants avec qui jai partag de trs bons moments
au cours du djeuner et autour du caf et de la grille des mots flchs quotidienne. Je
-
pense notamment Juslan, Philippe, Jonathan, Yu, Nicolas, Romain, Mustafa, Karina,
...
Je ne peux pas faire de remerciements corrects sans citer mes collgues de bureau
Olivier et Kevin qui ont su contribuer pleinement la bonne ambiance de travail. Je
noublierai pas les rigolades sur la bouffe ou le radiateur du bureau mais aussi les
discussions plus srieuses sur lconomie ou la politique. Merci pour ces bons moments
autour du caf et du th quon prpare souvent ensemble.
Je tiens remercier mes amis de Tunisie, de France et dailleurs, quils soient du
lyce, prpa ou cole, pour les bons moments partags avant et au cours de la thse et
pour leur soutien durant ces trois annes.
Mes remerciements vont mes parents sans qui je ne serais sans doute pas l o je
suis aujourdhui. Ils ont toujours su mencourager persvrer dans les tudes et aller
jusquau bout.
Je remercie galement mes surs, mes grands-parents, ma belle-mre, mes oncles,
tantes et cousins.
Ces dernires lignes sont adresses Haythem, mon mari, qui a su me soutenir durant
ces trois annes et me remonter le moral. Je tiens lui exprimer ma profonde
reconnaissance pour ses encouragements, sa patience et son soutien inconditionnel.
-
i
Table des matires
Table des matires ............................................................................................................ i
Nomenclature ................................................................................................................... v
Chapitre 1 Introduction ........................................................................................... 1
1.1 Contexte et motivation ...................................................................................... 2
1.2 Objectifs et problmatiques de la thse ............................................................. 3
1.3 Plan du manuscrit .............................................................................................. 3
Chapitre 2 Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite ............. 5
2.1 Introduction ....................................................................................................... 6
2.2 Mise en quation ............................................................................................... 6 2.2.1 Configuration et hypothses .............................................................................. 6 2.2.2 Equation du champ magntique ........................................................................ 7
2.3 Analyse modale dune structure canonique monocouche ................................. 8 2.3.1 Proprits des ondes planes inhomognes ......................................................... 8 2.3.2 Ondes planes inhomognes dans la structure canonique ................................. 10 2.3.3 Discrimination des modes propres .................................................................. 11
2.3.3.1 Recherche des ples : Cas sans pertes ................................................................... 12 2.3.3.2 Cas avec pertes....................................................................................................... 14
2.4 Calcul du champ rayonn ................................................................................ 14 2.4.1 Mthode de la descente rapide ........................................................................ 14
2.4.1.1 Description de la mthode ..................................................................................... 14 2.4.1.2 Lieu des modes propres dans le plan de descente rapide ....................................... 19 2.4.1.3 Contribution des modes propres ............................................................................ 19 2.4.1.4 Etude du terme des rsidus .................................................................................... 20
2.4.2 Mthode de Kirchhoff-Huygens ...................................................................... 23
2.5 Modes de fuite et diagramme de rayonnement ............................................... 27 2.5.1 Introduction ..................................................................................................... 27 2.5.2 Angle de rayonnement dun mode de fuite ..................................................... 27
2.5.2.1 Expression de langle ............................................................................................. 27 2.5.2.2 Ordre dun mode de fuite et angle de rayonnement ............................................... 29
2.5.3 Directivit dun mode de fuite ......................................................................... 31 2.5.4 Effet des pertes ................................................................................................ 33
-
TABLE DES MATIERES
ii
2.6 Modlisation dune structure bicouche ........................................................... 34 2.6.1 Introduction ..................................................................................................... 34 2.6.2 Rsultats thoriques ......................................................................................... 34 2.6.3 Comparaison avec la configuration monocouche ............................................ 36
2.7 Conclusion du chapitre .................................................................................... 37
Chapitre 3 Antenne Ondes de Fuite Reconfigurable par Plasma ................... 41
3.1 Introduction ..................................................................................................... 42
3.2 Les antennes balayage .................................................................................. 42
3.3 Etat de lart sur les antennes ondes de fuite ................................................. 43 3.3.1 Principe ............................................................................................................ 43 3.3.2 Classification des antennes ondes de fuite .................................................... 43 3.3.3 Antennes ondes de fuite balayage .............................................................. 44
3.3.3.1 Frquence variable ................................................................................................. 44 3.3.3.2 Frquence fixe........................................................................................................ 45
3.4 Principe de fonctionnement de lantenne propose ......................................... 45 3.4.1 Excitation des ondes de fuite ........................................................................... 46 3.4.2 Principe de reconfigurabilit par plasma ......................................................... 47
3.5 Dimensionnement de lantenne ....................................................................... 48 3.5.1 Contraintes et choix ......................................................................................... 48 3.5.2 Dimensionnement de lpaisseur du plasma ................................................... 49
3.5.2.1 Dpendance des modes de fuite avec lpaisseur du plasma ................................. 49 3.5.2.2 Dtermination dune paisseur optimise du plasma ............................................. 53
3.5.3 Dimensionnement de la couche de quartz ....................................................... 56 3.5.4 Dimensionnement de la longueur de lantenne ............................................... 58
3.5.4.1 Effet de la troncature .............................................................................................. 58 3.5.4.2 Critre de troncature de lantenne .......................................................................... 58 3.5.4.3 Rsultats ................................................................................................................. 60
3.6 Sources adaptes lexcitation des ondes de fuite .......................................... 62 3.6.1 Critres de choix des sources .......................................................................... 62 3.6.2 Etude de sources ddies exciter lantenne 10 GHz .................................. 62
3.6.2.1 Guide donde fente .............................................................................................. 62 3.6.2.2 Monople ............................................................................................................... 64 3.6.2.3 Guide donde ......................................................................................................... 65 3.6.2.4 Cornet pyramidal ................................................................................................... 66 3.6.2.5 Comparaison et choix de la source ........................................................................ 68
3.6.3 Simulations de lantenne excite par un cornet pyramidal .............................. 68
3.7 Conclusion du chapitre .................................................................................... 70
Chapitre 4 Etude de la Source Plasma .................................................................. 73
4.1 Introduction ..................................................................................................... 74
4.2 Introduction aux plasmas ................................................................................ 74 4.2.1 Classification des plasmas ............................................................................... 74 4.2.2 Plasmas froids hors-quilibre .......................................................................... 76
4.2.2.1 Pulsation plasma .................................................................................................... 76 4.2.2.2 Frquence de collision ........................................................................................... 76 4.2.2.3 Longueur de Debye ................................................................................................ 76
-
TABLE DES MATIERES
iii
4.2.2.4 Gaine ...................................................................................................................... 77 4.2.3 Interaction entre un plasma et une onde lectromagntique ............................ 77
4.2.3.1 Permittivit du plasma vue par une onde lectromagntique ................................. 78 4.2.3.2 Epaisseur de peau................................................................................................... 80
4.3 Choix de la source plasma ............................................................................... 80 4.3.1 Critres de choix .............................................................................................. 80 4.3.2 Les mcanismes de cration du plasma ........................................................... 81
4.3.2.1 Dcharge courant continu et alternatif ................................................................ 81 4.3.2.2 La dcharge microonde .......................................................................................... 82 4.3.2.3 La dcharge radiofrquence ................................................................................... 83
4.3.3 Plasma couplage inductif .............................................................................. 84 4.3.3.1 Configurations ....................................................................................................... 84 4.3.3.2 Principe de fonctionnement ................................................................................... 84 4.3.3.3 Caractristiques dun plasma RF confin .............................................................. 86
4.4 Mesures plasma dans un racteur couplage inductif .................................... 88 4.4.1 Description du racteur .................................................................................... 89 4.4.2 Systme de mesure .......................................................................................... 90
4.4.2.1 Confinement du plasma ......................................................................................... 90 4.4.2.2 Sonde de diagnostic ............................................................................................... 90
4.4.3 Rsultats exprimentaux .................................................................................. 92 4.4.3.1 Test de balayage en puissance et profil vertical de densit lectronique ............... 92 4.4.3.2 Profil de densit lectronique entre les plaques ..................................................... 93
4.5 Pistes damlioration des rsultats .................................................................. 95 4.5.1 Remarques concernant les mesures ................................................................. 95 4.5.2 Confinement par des aimants permanents ....................................................... 96 4.5.3 Gomtrie de la bobine inductive .................................................................... 97
4.6 Intgration des rsultats exprimentaux dans lantenne .................................. 97 4.6.1 Introduction ..................................................................................................... 97 4.6.2 Simulations dun gradient de densit............................................................... 98
4.7 Conclusion du chapitre .................................................................................. 100
Chapitre 5 Conception du Prototype .................................................................. 103
5.1 Introduction ................................................................................................... 104
5.2 Passage aux conditions exprimentales ......................................................... 104 5.2.1 Contexte exprimental et nouvelle configuration .......................................... 104 5.2.2 Simulation du plasma dans la nouvelle configuration ................................... 106
5.2.2.1 Objectif ................................................................................................................ 106 5.2.2.2 Prsentation du modle numrique Magma ......................................................... 106 5.2.2.3 Rsultats de modlisation du plasma ................................................................... 106
5.2.3 Intgration dun gradient de densit lectronique dans lantenne ................. 110 5.2.3.1 Mise en place des simulations .............................................................................. 110 5.2.3.2 Analyse du champ dans la structure ..................................................................... 110 5.2.3.3 Analyse du champ lointain................................................................................... 113
5.3 Description du prototype ............................................................................... 117 5.3.1 Systme dexcitation microonde ................................................................... 117 5.3.2 Systme de gnration du plasma .................................................................. 119 5.3.3 Systme de mesure ........................................................................................ 120
5.4 Conclusion du chapitre .................................................................................. 121
-
TABLE DES MATIERES
iv
Chapitre 6 Conclusion et perspectives ................................................................ 123
6.1 Conclusions et contributions ......................................................................... 124
6.2 Perspectives du travail de thse ..................................................................... 126
6.3 Pistes de recherches futures ........................................................................... 126
Annexe A Calcul du spectre angulaire dondes planes dune structure monocouche en polarisation TM ................................................................................ 129
Annexe B Thorme du point col et thorme des rsidus ................................ 131
Annexe C Calcul du spectre angulaire dondes planes dune structure bicouche
en polarisation TM ...................................................................................................... 133
Annexe D Recherche numrique des ples rayonnants en configuration bicouche 135
Bibliographie ................................................................................................................ 137
Liste des Publications .................................................................................................. 145
Rsum ......................................................................................................................... 147
Abstract ........................................................................................................................ 147
-
v
Nomenclature
Symboles latins
Symbole Description
Clrit de la lumire dans le vide :
Le chemin dintgration original
Epaisseur du plasma
Epaisseur du quartz
Directivit
Charge dun lectron :
Distance entre les plaques
Champ lectrique
Frquence de travail
Taille de la gaine
( ) Transforme de Fourier du champ magntique dans
lespace spectrale
Fonction de Green bidimensionnelle dans lair libre
Position de la source de courant magntique
Position verticale des plaques
Position verticale de la sonde
Champ magntique
( )
Fonction de Hankel de seconde espce dordre 0
Champ magntique calcul sur le chemin de descente
rapide Degr dionisation
Courant RF
Nombre complexe ( )
Vecteur de courant lectrique
Vecteur de courant magntique
Vecteur donde
-
NOMENCLATURE
vi
Nombre donde
Constante de Boltzmann :
Longueur du cornet ou taille dun plasma confin
Longueur de lantenne
Masse dun lectron :
Point dobservation
Indice de rfraction dun milieu
Densit des lectrons
Densit du gaz
Densit des ions
Nombre des ples
Ensemble des nombres entiers naturels
Vecteur de Poynting
Pression du gaz
( ) Point sur linterface de lantenne
Distance radiale
Diagramme de rayonnement
Fonction des rsidus
Ensemble des nombres rels
Chemin de descente rapide
Coefficient de rflexion de londe lectromagntique
Temps
Temprature
Vitesse de phase
Vecteur vitesse de drive dun lectron
et Sens suivant les x croissants et dcroissants respectivement
(de mme pour y et z)
Symboles grecs
Symbole Description
Epaisseur de peau
( ) Distribution de Dirac
Permittivit du vide :
Permittivit relative du milieu 1
Permittivit relative du milieu 2
Angle dobservation
Angle critique dans le plan de descente rapide
Longueur donde dans le vide
-
NOMENCLATURE
vii
Longueur de Debye
Libre parcours moyen des lectrons
Permabilit du vide :
Frquence de collisions lectron-neutre
Distance dun point dobservation de linterface
Section efficace de transfert de quantit de mouvement
lectron-neutre
Section efficace dionisation
Variable complexe de la mthode de descente rapide
Pulsation de travail
Pulsation plasma
Pulsation de londe RF du racteur plasma
Oprateur Laplacien
Indices
Symbole Description
Bidirectionnel
Bicouche
Electron
Gaine
Ion ou partie imaginaire de
Kirchhoff-Huygens
Monodirectionnel
max Maximum
min Minimum
moy Moyenne
Ordre dun mode
Ple
Indice du milieu (0 ou 1)
Partie relle de
RF Radio-Frquence
x ou z Suivant laxe x ou z
0, 1 ou 2 Indice du milieu
Projection sur linterface
Exposants
-
NOMENCLATURE
viii
Symbole Description
Partie relle
Partie imaginaire
Abrviations
Symbole Description
CCP Capacitively Coupled Plasma
ER Efficacit de Rayonnement
ICP Inductively Coupled Plasma
OPI Onde Plane Inhomogne
PEC Perfect Electric Conductor
PMC Perfect Magnetic Conductor
PPT Puissance Perdue par Troncature
RF Radio-Frquence
SDP Steepest Descent Path
TE Transverse Electrique
TM Transverse Magntique
1D 1 Dimension
2D 2 Dimensions
3D 3 Dimensions
Glossaire
Expression Description
Mode / Mode propre Solution du problme vrifiant les conditions aux
limites dans la structure indpendamment de
lexcitation (= mode normal). Cette solution vrifie
en gnral une quation de rsonance.
Onde approprie Proper en anglais. Cest une onde vrifiant la
condition de rayonnement linfini
Onde inapproprie Improper en anglais. Cest une onde qui ne vrifie
pas la condition de rayonnement linfini
Puissance se
propageant suivant
La puissance mise en entre est dirige suivant les
x croissants, alors on a
Puissance se
propageant suivant
La puissance mise en entre est dirige suivant les
x dcroissants, alors on a
-
NOMENCLATURE
ix
Onde se propageant
suivant
Le droulement de phase est dirig suivant les x
croissants, alors on a
Onde se propageant
suivant
Le droulement de phase est dirig suivant les x
dcroissants, alors on a
-
NOMENCLATURE
x
-
1
Chapitre 1
Introduction
Sommaire
1.1 Contexte et motivation ...................................................................................... 2
1.2 Objectifs et problmatiques de la thse ............................................................. 3
1.3 Plan du manuscrit .............................................................................................. 3
-
Chapitre 1. Introduction
2
1.1 Contexte et motivation
Les dernires dcennies connaissent un dveloppement rapide du domaine des
tlcommunications, ce qui conduit la multiplication du nombre de systmes
lectroniques et des antennes dans un mme appareil. Il est alors impratif dutiliser des
systmes multifonctions pouvant tre adapts selon le besoin, on parle de dispositifs
reconfigurables.
Lintrt de ces dispositifs rside dans leur capacit accomplir plusieurs fonctions
avec un seul systme, tels que les filtres accordables ou les antennes reconfigurables.
Les technologies de reconfigurabilit existantes sont rparties en deux catgories : les
lments localiss comme les diodes [AG09]-[KLA06] ou les MEMS [LKK+05] et les
matriaux tels que les cristaux liquides [KBS+12] ou les ferromagntiques [ZAL
+12].
Dans ce manuscrit on sintresse au plasma comme lment de reconfigurabilit. Ce
gaz ionis possde des proprits lectromagntiques intressantes. En particulier, les
plasmas froids hors-quilibre prsentent une permittivit complexe dont la partie relle
peut tre ngative ou entre zro et un. Cette grandeur dpend de la pression du gaz, de la
densit dlectrons et de la frquence de londe lectromagntique avec laquelle il
interagit. Un intrt particulier est port dans ce manuscrit la proprit dajustabilit
de la permittivit du plasma avec la densit lectronique par le moyen de la puissance.
Parmi les travaux utilisant le plasma dans des systmes microondes, on peut citer le
radar rflecteurs plasma [M91], lantenne plasma faible surface quivalente radar
[BHM+99], la structure bande interdite lectromagntique forme dun rseau de
plasmas [SST05] ou lantenne rflecteur forme de tubes fluorescents plasma
[THC+13].
Dans ce cadre, le laboratoire LAPLACE sintresse depuis plusieurs annes
linteraction plasma / onde lectromagntique. Plusieurs travaux portant sur des
structures bande interdite lectromagntique reconfigurables (BIE) ont t proposs.
En contournant la difficult dintgrer le plasma dans la structure, plusieurs
configurations ont t tudies et testes : Varault et al. proposent dans [VGS+11] et
[VGC+14] un BIE dilectrique 2D o le plasma est intgr comme un dfaut localis
pour former un dmultiplexeur ou un diviseur de puissance, et Lo et al. [LSC+10] et
Giroud et al. [GSP09] tudient un BIE mtallique 2D qui, avec des plasmas localiss, se
comporte comme un filtre directionnel.
Un premier travail effectu au dbut de cette thse sinscrit dans ce cadre et porte sur
ltude dun BIE 1D form dune structure planaire priodique qui peut tre utilise
comme filtre accordable en intgrant le plasma de faon priodique [KSC14]. Notons
que cette tude nest pas dveloppe dans ce manuscrit.
Lensemble des travaux effectus au LAPLACE ont permis de valider le concept de
reconfigurabilit de structures BIE par intgration de plasmas localiss (des tubes
capillaires par exemple). Cependant, les types de plasma utiliss dans toutes ces tudes
ncessitent de travailler dans des gammes de pressions leves pour atteindre de fortes
densits lectroniques, ce qui engendre des pertes dilectriques importantes. Cest pour
cette raison que dans certains de ces travaux ces pertes sont subies, tandis que dans
dautres elles sont exploites dans la fonction de reconfigurabilit du BIE.
-
Chapitre 1. Introduction
3
Dans le cadre de ce travail de thse, nous explorons une autre faon de
reconfigurabilit par plasma en utilisant un plasma volumique dans des dispositifs
microondes. Ainsi, contrairement aux travaux cits prcdemment, le plasma est
considr comme un milieu de propagation de londe lectromagntique dans lequel,
pour la premire fois, nous pourrons exploiter la variation de la densit lectronique
comme lment de reconfigurabilit continu.
1.2 Objectifs et problmatiques de la thse
Lobjectif principal de ce travail de thse consiste concevoir une antenne ondes de
fuite reconfigurable par plasma en bande X. Un plasma volumique est ncessaire pour
exciter les ondes de fuite dont la direction de rayonnement est contrle par sa densit
lectronique. Nous souhaitons dans un premier temps tudier lantenne en nous
appuyant sur un modle thorique 2D avant de passer dans un second temps sa
conception.
Souvent, dans les tudes utilisant le plasma dans des dispositifs microondes, le
plasma est modlis par un milieu homogne de permittivit relle. Ce modle nglige
dun ct les effets des parois sur lhomognit de la permittivit et, de lautre, les
collisions lectroniques induisant les pertes.
Notre but est dtudier lantenne plasma en tenant compte de tous ces paramtres
ralistes. Pour ce faire, nous souhaitons nous appuyer dans ce travail sur des donnes
exprimentales et sur des modles plus reprsentatifs du milieu afin dtre plus proche
de la ralit.
En considrant le plasma comme un milieu de propagation, nous sommes confronts
deux enjeux : rduire les pertes dune part et maitriser et mieux utiliser
linhomognit dans le plasma de lautre. Nous tentons dans ce manuscrit de rpondre
ces problmes dans le but dobtenir avec lantenne un balayage angulaire du
rayonnement dondes de fuite par le moyen de la variation de la densit lectronique.
1.3 Plan du manuscrit
Ce manuscrit est rparti en six chapitres. Nous dcrivons le contenu des cinq
chapitres suivants ci-aprs.
Le Chapitre 2 est consacr la modlisation thorique des ondes de fuite en tudiant
une structure canonique en 2D compose dune lame de dilectrique sur mtal excite
par une source de courant magntique. A partir de lexpression de lintgrale du champ
magntique, une quation de rsonance est extraite et une tude des modes propres est
ralise en introduisant la notion donde plane inhomogne. Ensuite, le champ lointain
est calcul de deux faons diffrentes : la mthode de la descente rapide et la mthode
de Kirchhoff-Huygens, qui sont alors compares. Une focalisation particulire est
ensuite porte sur les proprits du diagramme de rayonnement des modes de fuite qui
font lobjet de cette thse. Finalement, la mme tude thorique est propose avec une
deuxime configuration canonique constitue de deux couches de dilectriques
superposes sur mtal.
-
Chapitre 1. Introduction
4
Le Chapitre 3 prsente le dimensionnement de lantenne propose. Tout dabord un
tat de lart sur les antennes ondes de fuite est propos aprs une brve prsentation
des antennes balayage. Ensuite nous expliquons le principe de fonctionnement de
lantenne propose, en termes dexcitation dondes de fuite et de reconfigurabilit par
plasma. La partie suivante sattarde sur le dimensionnement des paramtres de lantenne
en utilisant les outils thoriques tablis dans le chapitre prcdent. La dernire partie de
ce chapitre porte sur le choix dune source dexcitation microonde et tudie des
simulations de lantenne complte.
Le Chapitre 4 porte sur ltude de la source plasma ncessaire notre antenne. La
premire partie introduit les plasmas et plus particulirement les plasmas froids hors-
quilibre qui font lobjet de notre tude. Dans la mme partie une analyse de
linteraction plasma / onde lectromagntique est propose. Ensuite, les diffrents
mcanismes de cration du plasma sont compars afin de choisir le mcanisme adapt
notre antenne. Une tude de la source choisie est alors propose. Dans la partie suivante,
des mesures plasma issues dune telle source sont prsentes et analyses. partir de
ces mesures, des pistes damlioration des rsultats sont proposes. Finalement, des
simulations de lantenne intgrant les rsultats des mesures sont prsentes.
Le Chapitre 5 est consacr la conception du prototype de lantenne. Aprs une
prsentation des conditions exprimentales et du choix de la configuration, nous
prsentons une tude du plasma dans lantenne base sur un modle numrique 2D. Les
rsultats du modle sont ensuite intgrs dans des simulations de lantenne afin
danalyser leur impact sur le champ proche et lointain. Dans la dernire partie, une
description du prototype est propose.
Le Chapitre 6 prsente les conclusions de ce travail ainsi que ses perspectives court
et long terme.
-
5
Chapitre 2
Modlisation Thorique
de lExcitation des Ondes de Fuite
Sommaire
2.1 Introduction ....................................................................................................... 6
2.2 Mise en quation ............................................................................................... 6 2.2.1 Configuration et hypothses .............................................................................. 6 2.2.2 Equation du champ magntique ........................................................................ 7
2.3 Analyse modale dune structure canonique monocouche ................................. 8 2.3.1 Proprits des ondes planes inhomognes ......................................................... 8 2.3.2 Ondes planes inhomognes dans la structure canonique ................................. 10 2.3.3 Discrimination des modes propres .................................................................. 11
2.3.3.1 Recherche des ples : Cas sans pertes ................................................................... 12 2.3.3.2 Cas avec pertes....................................................................................................... 14
2.4 Calcul du champ rayonn ................................................................................ 14 2.4.1 Mthode de la descente rapide ........................................................................ 14
2.4.1.1 Description de la mthode ..................................................................................... 14 2.4.1.2 Lieu des modes propres dans le plan de descente rapide ....................................... 19 2.4.1.3 Contribution des modes propres ............................................................................ 19 2.4.1.4 Etude du terme des rsidus .................................................................................... 20
2.4.2 Mthode de Kirchhoff-Huygens ...................................................................... 23
2.5 Modes de fuite et diagramme de rayonnement ............................................... 27 2.5.1 Introduction ..................................................................................................... 27 2.5.2 Angle de rayonnement dun mode de fuite ..................................................... 27
2.5.2.1 Expression de langle ............................................................................................. 27 2.5.2.2 Ordre dun mode de fuite et angle de rayonnement ............................................... 29
2.5.3 Directivit dun mode de fuite ......................................................................... 31 2.5.4 Effet des pertes ................................................................................................ 33
2.6 Modlisation dune structure bicouche ........................................................... 34 2.6.1 Introduction ..................................................................................................... 34 2.6.2 Rsultats thoriques ......................................................................................... 34 2.6.3 Comparaison avec la configuration monocouche ............................................ 36
2.7 Conclusion du chapitre .................................................................................... 37
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
6
2.1 Introduction
Lobjectif de cette thse est dtudier la possibilit de raliser une antenne balayage
au moyen dun plasma dont on peut contrler la permittivit. Le mcanisme de
rayonnement dune telle antenne sappuie sur les ondes de fuite.
Dans ce chapitre, une modlisation thorique de structures canoniques ondes de
fuite est dtaille en se basant sur les outils mathmatiques proposs dans
[TO63a][C91]. Dans le cas classique et connu dun guide donde ferm, la solution est
dcrite intgralement par le spectre discret sous forme dune somme discrte de modes
qui satisfont individuellement les conditions aux limites imposes par les parois. Par
ailleurs, dans le cas dune structure planaire guide ouverte, le champ rayonn est non
seulement reprsent par un spectre discret mais aussi par un spectre continu de modes
[CZ69] du fait de louverture du domaine. Le spectre discret contient des modes
dits appropris ( proper en anglais) cest--dire vrifiant la dcroissance de lintensit
du mode rayonn en sloignant de la structure. Il contient aussi, contrairement aux
guides ferms, des modes dits inappropris1 dont lintensit croit en sloignant de la
structure.
Une tude de ces modes est expose dans ce chapitre sur une structure canonique
monocouche dans le cas dune polarisation TM. Ensuite, deux mthodes de calcul
analytique du champ lointain sont prsentes et analyses. Nous nous focaliserons dans
le paragraphe suivant sur les proprits dun mode propre particulier appel mode de
fuite travers le diagramme de rayonnement. Enfin, en appliquant les mmes outils
mathmatiques, ltude dune structure planaire bicouche est prsente.
2.2 Mise en quation
2.2.1 Configuration et hypothses
Dans ce chapitre, dans un premier temps, la structure tudie est constitue, comme le
montre la Figure 2.1, dune couche de dilectrique, dsign par le milieu 1, dpaisseur
d et de permittivit relative (le milieu 0 tant lair libre). Ce dilectrique est plac sur un plan mtallique et est suppos invariant selon laxe y. Cette structure 2-D a
initialement t propose par Tamir et al. [TO62]. Il sagit dune configuration
canonique qui nous permet danalyser simplement les modes propres et de lutiliser
comme un point de dpart de ltude dune structure guide ouverte planaire
quelconque. Toutefois, dans un souci de concision, nous concentrerons notre propos
dans ce manuscrit aux cas o la permittivit de la couche du dilectrique correspond
celle que peut prendre un plasma, soit , avec
. Ainsi, le cas
de ne sera pas trait ici, il est tudi dans [B14].
1 Dans la littrature, le terme anglais improper est utilis pour qualifier les ondes ne respectant pas la
condition de rayonnement linfini. Nous traduisons ici cet adjectif par inappropri.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
7
Figure 2.1 Schma de la structure monocouche tudie
2.2.2 Equation du champ magntique
Dans cette partie, seule la polarisation TM (Transverse Magntique) est tudie. La
mme mthode peut tre applique au cas TE.
On considre que la structure est excite, dans le milieu 1, par une source linique de
courant magntique dirig suivant la direction y et de densit unitaire :
( ) ( ) (2.1)
o correspond la distance de la source laxe z, .
Les quations de Maxwell nous permettent dobtenir deux quations dHelmholtz :
une quation homogne dans le milieu 0 et une non homogne dans le milieu 1 :
( ) ( ) (2.2)
( ) ( ) ( ) ( ) (2.3)
o et correspondent au champ magntique respectivement dans le milieu 0 et 1, et est le vecteur donde dans le vide. Il est noter que nous considrons ici une volution temporelle en que nous omettons dans les quations.
Le passage dans le domaine spectral permet de simplifier la rsolution des quations
(2.2) et (2.3). En effet, on effectue une transforme de Fourier unidimensionnelle du
champ magntique en passant du domaine spatial avec la variable x au domaine spectral
avec la variable qui reprsente le vecteur donde suivant la direction x. Ainsi, les quations (2.2) et (2.3) deviennent :
(
) ( ) (2.4)
(
) ( ) ( ) (2.5)
avec le vecteur donde suivant la direction z dans le milieu q =0 ou 1 et est
proportionnelle la transforme de Fourrier du champ magntique :
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
8
( )
( )
(2.6)
avec si et si . Les relations de continuit de la
composante tangentielle des champs lectrique et magntique au niveau de , et nous permettent dexprimer les fonctions (voir Annexe A). Ainsi, le champ magntique dans le milieu 0 est obtenu partir de la transforme de Fourier
inverse de la fonction :
( )
( )
(2.7)
avec
( ) ( )
( ) ( ) (2.8)
reprsente le coefficient de transmission du milieu 1 vers le milieu 0. Lintgrale de (2.7) est une dcomposition de Weyl [W19] sous forme dune somme continue dondes
planes homognes pour | | et inhomognes (OPI) pour | | , ce qui constitue le champ issu du spectre continu au-dessus de linterface. Nous allons tudier
dans la suite les ples du coefficient de transmission qui sont les zros du dnominateur.
Ainsi, les solutions sont des modes propres de la structure. Vu lexpression du
dnominateur, ces ples sont forcment complexes, mme en labsence de pertes dans le
milieu 1. Dans ce cas, les ples et donc les modes propres sont sous forme dOPI. Dans
le paragraphe suivant, nous analyserons en dtail les modes propres.
2.3 Analyse modale dune structure canonique monocouche
2.3.1 Proprits des ondes planes inhomognes
Rappelons ici, avant de dcrire les modes propres, les proprits dune OPI se
propageant dans un milieu sans pertes avec le vecteur donde . En considrant une polarisation TM, le champ magntique de cette OPI scrit sous la forme , avec une constante et . En dcomposant le vecteur donde sur les axes x et z, on obtient :
(2.9)
Dans le cas dune OPI, le vecteur donde a des composantes complexes telles que :
(2.10)
Posons les 2 vecteurs suivants :
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
9
(2.11)
(2.12)
Le vecteur donde dans le milieu scrit alors comme suit :
(2.13)
Le champ magntique de cette OPI devient alors :
(2.14)
Ainsi correspond la direction de propagation de londe et celle de la dcroissance exponentielle de son amplitude.
En notant la norme complexe par le symbole , le nombre donde du milieu scrit partir de la relation (2.9) comme suit :
(2.15)
tant rel car le milieu est sans pertes. A partir des relations de (2.9) (2.12) et (2.15), nous obtenons les relations suivantes :
(2.16)
| | | | (2.17)
Les contours qui-phase et qui-amplitude sont dfinis par les quations
constante et constante, respectivement. En utilisant lquation (2.16), nous pouvons conclure que les contours qui-phase et qui-amplitude sont orthogonaux,
comme le montre la Figure 2.2. La phase se droule perpendiculairement la direction
de lvanescence de londe.
De plus, lquation (2.17) montre que | | . Il en dcoule que la vitesse de phase de lOPI scrit : | | . Ainsi, une OPI est lente dans la direction de propagation, i.e. sa vitesse de phase est infrieure la clrit de la lumire dans le
milieu.
Figure 2.2 Reprsentation dune onde plane inhomogne dans un milieu sans pertes.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
10
Il est noter que dans un milieu avec pertes, lquation (2.16) nest plus valable, donc
les vecteurs et ne sont plus orthogonaux.
2.3.2 Ondes planes inhomognes dans la structure canonique
Revenons notre configuration en polarisation TM. Les modes faisant intervenir des
OPI se caractrisent par : une OPI reprsente par le vecteur donde dans le milieu 0 et deux OPI de vecteurs donde et dans le milieu 1 dpaisseur finie suivant
et respectivement, comme reprsent sur la Figure 2.3. Le champ magntique scrit alors sous la forme :
{ ( )
( )
(2.18)
avec , et des constantes. Les conditions aux limites en , et
permettent dobtenir les relations suivantes
{
(2.19)
Les quations (2.18) deviennent alors
{
( )
( ) ( ( ))
( )
(2.20)
Figure 2.3 Reprsentation des OPI dans les 2 milieux, par la partie relle du vecteur
donde correspondant au droulement de la phase
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
11
2.3.3 Discrimination des modes propres
Lintgrande du champ magntique dans (2.7) possde des singularits qui sont les
zros du dnominateur. Les ples de lintgrande sont donc les racines de lquation
suivante :
( ) (2.21)
qui sassocie la relation de continuit suivante :
( ) (2.22)
Lquation de dispersion (2.21) peut galement tre obtenue en considrant un
schma quivalent de lignes de transmission et en exprimant la rsonance transversale
travers limpdance surfacique linterface et limpdance de lespace libre semi-infini
[CZ69, p.156].
Les modes propres possibles sont obtenus en rsolvant le systme constitu en partie
des quations (2.21) et (2.22) :
{
( )
( )
(2.23)
Les solutions de ce systme dquations reprsentent les ondes guides possibles dans
les 2 milieux sous forme dOPI. Elles constituent le spectre discret.
Nous nous intressons ici au milieu 0. Nous allons considrer uniquement les ondes
dont le droulement de phase est suivant les x croissants ( ), i.e. . A partir de la
3me
ligne du systme (2.23), on peut conclure que le signe de est impos
uniquement par le signe de et
. Les diffrents types de solutions de (2.21) sont
classs suivant le signe de et
sur la Figure 2.4.
Lamplitude des modes (a), (b) et (c) dcroit en sloignant de linterface, tandis que les
modes (d), (e) et (f) ne satisfont pas cette condition de rayonnement. Ce dernier type
donde est qualifi dans la littrature de mode inappropri1.
Ces modes sont identifis comme suit (voir Figure 2.4) :
(a) Onde de surface sans pertes (b) Onde de surface pertes appele onde de Zenneck [M07] (c) Onde complexe approprie (contraire inapproprie) (d) Onde de surface inapproprie (e) Onde complexe inapproprie appele onde de fuite (f) Onde complexe inapproprie transportant lnergie vers linterface.
Ltude de la contribution de chacun de ces modes dans le champ total sera effectue
dans la section 2.4.1.3. Dans les paragraphes, suivants nous allons discuter des
conditions de leur existence. Notons que des schmas quivalents ceux de la Figure
2.4 peuvent tre raliss pour . Il est noter que si la partie relle de est nulle,
le systme (2.23) nadmet pas de solution.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
12
Figure 2.4 Reprsentation des diffrents types dOPI en prenant . Les vecteurs
et correspondent respectivement la direction de droulement de la phase et la direction de la dcroissance exponentielle de lamplitude. Inspir de [CZ69, p.167]
2.3.3.1 Recherche des ples : Cas sans pertes
Nous considrons ici les modes obtenus avec le milieu 1 pris sans pertes ( ),
qui correspondent aux cas (a), (c), (d) et (e). Nous pouvons distinguer dans ces modes
deux catgories dOPI : les ondes de surface ((a) et (d)) et les ondes qui rayonnent ((c)
et (e)). La premire catgorie est caractrise par un confinement de lnergie le long de
linterface, le vecteur donde est donc imaginaire pur. La 3me
quation du systme
(2.23) montre que est alors purement rel. Dans le cas o la partie relle de est
non nulle, lnergie rayonne dans lespace libre. Ce cas est quivalent une partie
imaginaire non nulle de , ce type donde est alors appel mode complexe. La recherche de solutions du systme dquations (2.23) repose sur la distinction de ces 2
cas.
Ondes de surface : comme expliqu prcdemment, on a dans ce cas , de
signe positif si on considre un droulement de phase suivant . Dans notre cas o on admet une OPI dans le milieu 0, la relation (2.16) nous permet de conclure que le
vecteur donde suivant z est imaginaire pur . Par consquent, lquation
(2.22) donne aussi . Le systme (2.23) devient alors :
{
(
)
( )
(2.24)
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
13
Ce systme admet une solution unique qui dpend du signe de . En effet, la premire ligne de (2.24) montre que et
sont de signes opposs. Sur le domaine
qui nous intresse, deux cas peuvent se prsenter :
Si , la premire ligne de (2.24) permet davoir . Londe de
surface dcroit donc en sloignant de linterface. Ce mode confin le long de
linterface est appel plasmon de surface [TO63], qui correspond londe (a)
de la Figure 2.4. De plus, il sagit dun mode lent suivant la direction de
propagation x car .
Si , on obtient , i.e. londe de surface est inapproprie car
ne satisfait pas la condition de rayonnement. Il sagit du mode (d).
Ondes complexes : dans ce cas, , ce type dondes rayonne dans le milieu 0,
est donc positif. est un nombre complexe, par consquent et sont aussi
complexes. Le systme dquations (2.23) admet une infinit de solutions complexes.
Avec la relation de dispersion (2.21), nous pouvons montrer que et sont de signes
opposs.
Commenons par le cas , est donc positif. Pour une propagation de la
puissance suivant (voir Glossaire), ce qui impose physiquement positif, la
relation (2.16) induit . Il sagit donc dun rayonnement en arrire, appel dans la
littrature backward . Ce mode correspond au symtrique par rapport laxe z de
londe (c) reprsente sur la Figure 2.4. Londe (c) reprsente en effet le mme mode
complexe mais pour une puissance dirige suivant . Elle rayonne bien en arrire par rapport aux x ngatifs.
Si , est ngatif. Il en dcoule que le mode est inappropri vu quil ne
satisfait pas les conditions aux limites de rayonnement linfini. De plus, la relation
(2.16) permet de montrer que . Ce type donde reprsent sur le schma (e) de la
Figure 2.4 est appel dans la littrature onde de fuite.
Selon lquation (2.20), lamplitude du champ magntique dun mode complexe
dcrit une arche de cosinus dans le milieu 1. Vu que le nombre de modes complexes est
infini pour une configuration donne, lordre n dun mode reprsente le nombre
darches de cosinus qui est dfini par la partie entire de , comme le montre la
Figure 2.5.
La recherche des ples se fait par rsolution numrique du systme (2.23). La
mthode de rsolution est explique dans [B14].
Figure 2.5 Reprsentation de la forme du module du champ magntique selon lordre
dun mode complexe
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
14
2.3.3.2 Cas avec pertes
En introduisant des pertes dans le milieu 1, i.e.
avec , les ples
de (2.21) sont toujours rpartis en 2 catgories : ondes de surface et ondes complexes
rayonnantes. Cependant, les ondes de surface deviennent de la forme du mode (b) de la
Figure 2.4, compte tenu des pertes. Ces ondes de surface sattnuent donc le long de
linterface.
Les ondes de fuite et les ondes backward quant elles gardent la mme forme dans le
milieu 0 avec une attnuation supplmentaire due aux pertes.
Par ailleurs, la prsence des pertes peut crer un autre type de mode reprsent par (f)
de la Figure 2.4. Toutefois, ce type de mode ne contribue pas dans le champ total
comme cela sera expliqu dans la section 2.4.1.3.
La mthode numrique de recherche des ples dans le cas avec pertes reste la mme.
2.4 Calcul du champ rayonn
Lquation (2.7) : ( )
( )
reprsente le
champ total cr par une source linique de courant magntique dans lespace libre.
Lintgrale spectrale exprime dans cette quation suit un chemin dintgration qui dcrit lintervalle - , sur laxe rel de dans le plan (
, ). Cette intgrale
est dfinie sur une surface de Riemann deux feuillets [C91] ; sur un feuillet la
condition est vrifie, sur lautre feuillet cest la condition
qui lest. La
complexit du calcul de cette intgrale rside notamment dans le passage dun feuillet
un autre laide de coupures quil faut contourner lors de lintgration. Une
reprsentation plus simple est possible avec un changement de plan dintgration par la
mthode de la descente rapide. Elle permet de travailler sur un seul feuillet de Riemann
et donc de ne plus avoir recours aux coupures.
2.4.1 Mthode de la descente rapide
2.4.1.1 Description de la mthode
Cette technique, dveloppe par Riemann en 1892 [R1892], permet dvaluer
asymptotiquement les intgrales de la forme explicite dans lAnnexe B. Lide
principale de cette mthode est dappliquer le thorme de Cauchy afin de remplacer le
chemin dintgration initial par des chemins particuliers appels de descente rapide (pour Steepest Descent Path). Dans notre cas prcis, pour appliquer cette mthode, on passe en coordonnes polaires par un changement de variables spatiales :
2
(2.25)
et un changement de variables spectrales
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
15
{
(2.26)
En introduisant une variable complexe avec , - et . Lintgrale dans (2.7) devient alors :
( )
( ) ( )
(2.27)
avec le coefficient de transmission dfini dans (2.8). Avec ce changement de variables, lintgrande devient une fonction analytique dans le plan complexe . Par consquent, les singularits de cette intgrande sont uniquement les ples, vu que la
fonction est dfinie sur un seul feuillet de Riemann. Le chemin initial est trac en rouge
dans le plan complexe sur la Figure 2.6. Le chemin de descente rapide dont la mthode de calcul est donne dans lAnnexe B, est dfini par lquation suivante :
( ) ( ) (2.28)
Lensemble des contours vrifiant la relation (2.28) pour , - reprsente le nouveau chemin dintgration ( ) (i.e. fonction de ). Il est obtenu par translation du chemin ( ) paralllement laxe rel de . Rappelons que est langle dobservation. Le point sur laxe rel est appel point col. Cette appellation vient du fait que lintgrande est maximale autour de ce point. Appelons la valeur de lintgrale spectrale (2.27) en suivant le chemin de descente rapide, sans prendre en compte les
singularits.
Figure 2.6 Reprsentation du chemin dintgration initial et le chemin de descente rapide ( ) dans le plan complexe
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
16
Il est important de distinguer et ; le premier est le champ total dans le milieu 0, tandis que le second reprsente la valeur de lintgrale spectrale en suivant les
contours de descente rapide sans prendre en compte les singularits par lesquelles ils passent. En effet, la dformation du chemin dintgration initial vers le chemin peut rencontrer des ples de lintgrande (les seules singularits pouvant exister comme expliqu ci-dessus).
Il faut donc contourner ces points singuliers comme le montre la Figure 2.7. Pour
prendre en compte cette dformation autour du ple dans le champ total, on applique le
thorme des rsidus (voir Annexe B). La formulation de ce thorme permet de
calculer les intgrales autour des ples en suivant des lacets ferms. Le champ total correspond alors auquel on ajoute la somme des rsidus des points singuliers de lintgrande, comme suit :
( ) ( ) ( ) ( )
(2.29)
avec lindice dsignant un ple quon reprsente par sa position dans le plan
complexe, et N le nombre de ples intercepts par le chemin de descente rapide. est la fonction de Heaviside qui vaut 1 quand le ple est contourn et 0 sinon, et
un angle critique dpendant du lieu du ple et sera explicit dans ce qui suit. Le terme
reprsente alors le champ despace d au spectre continu. Le second terme de (2.29) reprsente la somme de tous les rsidus des ples calculs dans le plan
complexe de , i.e. le champ du spectre discret. Le signe prcdant ce terme est d au sens de rotation anti-trigonomtrique ou trigonomtrique respectivement autour du ple,
comme lillustre la Figure 2.7. Un signe est choisi quand il sagit dun ple se
propageant suivant , et un signe + dans le cas contraire.
Figure 2.7 Illustration du calcul du rsidu dun point singulier (reprsent en vert) dans
le plan complexe
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
17
Lexpression de ( ) pour un ple est donne par le thorme des rsidus comme suit (voir Annexe B) :
( )
( )
( ( ) )
( )
( ( ) )
( )
( .
/
(
)
)
( ) ( )
(2.30)
Il est important de noter que linterprtation des deux termes de la relation (2.29) est
difficile dans certains cas. En effet, comme nous le verrons par la suite, un des deux
termes peut tre prpondrant selon la valeur de la permittivit du milieu 1 et de la zone
dobservation (champ proche ou lointain). De plus, la sparation entre le champ d au
spectre continu et le champ d aux ples parait ambige dans certains cas surtout en
champ lointain o le terme peut tre influenc par les ples, comme nous allons aussi le voir.
Nous avons vu quun ple est sous forme dOPI. Nous pouvons donc lui associer
un vecteur donde . A partir de lexpression (2.30), nous remarquons que le terme de
rsidu de ce ple peut scrire sous la forme suivante :
( ) ( ) (2.31)
avec un coefficient quon peut calculer partir de (2.30). Le rsidu dun ple sexprime donc sous forme dOPI. En reprenant (2.29), on peut conclure que le champ
d un ple sexprime comme une OPI dans une zone limite de lespace (dfinie par
la fonction de Heaviside), alors que le champ d au spectre continu est dfini partout.
Considrons un ple reprsent par la croix verte sur la Figure 2.8, dfini par
, et considrons lunique contour ( ) passant par ce ple.
reprsente ainsi langle qui vrifie la relation (2.28) pour le point singulier ( ).
Si le ple en question correspond une onde se propageant suivant , la dformation du chemin dintgration initial vers les contours ( ) ne rencontre le ple en question qu partir de . Ceci se traduit par labsence de terme de rsidu dans
lexpression de d ce ple pour
et son intgration partir de
, ce qui explique lintgration de la fonction de Heaviside dans lquation
(2.29). Pour une propagation suivant , une symtrie par rapport lorigine du plan est effectue.
Considrons maintenant le point singulier reprsent par une croix orange sur la
Figure 2.8. Il nexiste aucun contour ( ) passant par ce point dans le domaine de
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
18
dfinition de langle , i.e. , -. Ceci est vrai pour tous les ples se situant
droite du chemin (
) et gauche du chemin (
).
Figure 2.8 Reprsentation des chemins limites (
) et (
), et de langle
critique pour un point singulier
Aucune dformation du chemin vers un chemin ( ) ne peut exister pour des ples se situant dans ces deux zones. Par consquent, aucun terme de rsidu d ces
ples ne figure dans lexpression du champ total (2.29).
Ainsi, seuls les points singuliers situs dans la zone entre les contours (
) et
(
) peuvent contribuer dans le calcul des rsidus et donc dans le champ
total. Le plan complexe de descente rapide nous permettra alors dtudier la
contribution des modes propres de la structure de faon simple dans le rayonnement.
Cest ce que traiteront les paragraphes suivants o nous commencerons par placer les
diffrents modes sur ce plan et ensuite tudierons leur contribution dans le champ total.
Par ailleurs, le champ despace peut tre calcul par intgration numrique en suivant les chemins de descente rapide. Cependant, le thorme du point col nous
permet dobtenir une valuation asymptotique de ce champ autour du point col, comme
expliqu dans lAnnexe B. En effet, pour , i.e. en champ lointain, la valeur de lintgrale (2.27) peut tre calcule au 1
er ordre en appliquant le thorme comme suit :
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
19
( )
.
/ ( )
( ) .
( )/
- ,
(2.32)
avec .
2.4.1.2 Lieu des modes propres dans le plan de descente rapide
Ltude prcdente nous a permis de dfinir un critre qui distingue les ples selon
leur contribution dans lexpression du champ total par le moyen des rsidus. Nous
pouvons donc appliquer ce critre sur les modes propres supports par la structure
tudie et que nous avons dj classs sur la Figure 2.4.
Commenons par dvelopper lexpression des vecteurs donde suivant x et z de (2.26)
dans le cas dun ple plac en :
{ ( )
( ) (2.33)
Ces expressions nous permettent de distinguer, selon la valeur de , - et le
signe de , douze cas : six ondes se propageant suivant et six suivant . La
correspondance avec les modes propres de la Figure 2.4 nous permet de diviser le plan
complexe en diffrents cadrans, comme le montre la Figure 2.9. Les modes propres se propageant suivant se dduisent directement des modes suivant par symtrie par rapport lorigine des axes.
Ainsi, en plaant dans ce plan un ple solution du systme (2.23), nous pouvons en
dduire directement le mode en question.
2.4.1.3 Contribution des modes propres
Comme expliqu prcdemment, lexistence de ples de lintgrande du champ
magntique nimplique pas obligatoirement leur contribution dans le champ total. Il est
donc intressant de superposer les courbes (
) et (
) sur la Figure
2.9.
Les cadrans du mode de surface sans pertes (a) et du mode complexe appropri (c) sont
entirement inclus dans la zone comprise entre les contours (
) et
(
). Ces deux modes sont donc excitables et contribuent dans le rayonnement
travers le terme des rsidus.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
20
Figure 2.9 Lieu des modes propres dans le plan complexe , avec la nomenclature de Figure 2.4. En bleu la propagation de la puissance se fait suivant et en vert suivant
Dun autre ct, les deux chemins extrmes (
) et (
) partagent
les cadrans des modes (b) et (e) en 2 parties. En prenant les ondes se propageant suivant
comme exemple, les ples (b) et (e) situs dans la partie gauche de la courbe
(
) peuvent tre excits tandis qu droite de la mme courbe les ples
ninterviennent pas dans le terme des rsidus. Il sagit ici des ondes de surface dans le
cas de pertes (modes (b)) et des ondes de fuite (modes (e)). Il est donc important de bien
tudier les paramtres de la structure afin de placer les modes quon dsire exciter dans
la partie adquate du plan complexe.
La troisime catgorie regroupe les modes ne contribuant pas directement dans le
champ rayonn vu que leurs cadrans correspondants sont placs en dehors de la zone
dexcitation. Ces modes, (d) et (f), peuvent nanmoins modifier localement la mthode
de descente rapide en
et influer ainsi sur le rayonnement dans les directions
proches de celle de linterface (end-fire en anglais) [CZ69, p.167].
Dans ce plan, on peut extraire les diffrents types de modes et leurs proprits. Dans
ce manuscrit, nous nous intresserons uniquement aux modes de fuite.
2.4.1.4 Etude du terme des rsidus
Selon lexpression (2.30), le terme de rsidu de chaque ple dcroit
exponentiellement en sloignant de linterface.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
21
Dun autre ct, le champ despace, daprs son expression asymptotique en (2.32),
dcroit en
. Lvanescence du champ d aux ples est ainsi plus rapide ; par
consquent, en champ lointain, le champ despace sera prpondrant.
Considrons titre dexemple une structure (selon la Figure 2.1) dont lpaisseur du
milieu 1 est gale , avec une source de courant magntique place en et une frquence de travail de 20 GHz. Deux cas sont traits selon la valeur de la permittivit du dilectrique :
et . Une rsolution
numrique du systme (2.23) nous permet dobtenir les ples dans chaque cas. Nous
nous limiterons ici aux 3 premiers ordres (cf. Figure 2.5).
Les ples dont la propagation se fait suivant sont reprsents dans le plan complexe sur la Figure 2.10. Dans le cas o
, les ples tracs en bleu sont situs dans le cadran correspondant aux modes du type (c) (ondes complexes appropris), daprs la
Figure 2.9. Pour , les ples reprsents en rouge sont des modes du type (e) (OF).
Ces rsultats numriques confirment ltude thorique des modes complexes dans le
paragraphe 2.3.3.1.
Figure 2.10 Lieu des ples dans le plan complexe pour la configuration tudie
( et ) pour 2 permittivits diffrentes : en bleu pour , et en rouge pour
Afin dtudier le terme des rsidus, commenons par le cas . A
une distance radiale de la structure, nous comparons sur la Figure 2.11 le module du champ magntique et en fonction de langle dobservation . Notons qu cette distance, nous pouvons appliquer le thorme du point col vu que
.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
22
Figure 2.11 Module des champs magntiques et obtenus une distance de dune structure avec les paramtres suivants :
, et ( ) , . Unit arbitraire
Les deux courbes sont confondues en chaque point ce qui montre que les rsidus dus
aux ples sont ngligeables cette distance. Lexpression asymptotique donne par la
mthode de descente rapide permet ainsi de dcrire fidlement le rayonnement en
champ lointain dans le cas des modes (c), sans avoir recours au terme des rsidus.
Prenons maintenant le cas . Daprs la Figure 2.12, le module du
champ magntique et celui de sont confondus jusqu un angle proche de 45 (et -45 pour les angles ngatifs, par symtrie). Au-del de cet angle, les deux courbes
sloignent et la diffrence correspond aux rsidus. En sloignant encore plus de la
structure, il est vident que cette diffrence dcroit. En effet, pour , les courbes sont totalement confondues, comme le montre la Figure 2.13.
Essayons dexpliquer ces rsultats. La diffrence note entre les deux exemples
provient principalement du lieu des ples. En effet, selon la Figure 2.10, les ples
rouges sont plus proches que les ples bleus de laxe , i.e. est plus faible. Par
consquent, la dcroissance des rsidus des ondes de fuite est plus lente que celle des
ondes complexes appropries. Ces dernires ont ainsi moins de poids sur le champ
rayonn, compares aux ondes de fuite.
Par ailleurs, bien que lexpression analytique asymptotique ne dcrive pas
entirement le champ rayonn dans le milieu 0 pour les faibles distances dans le cas des
ondes de fuite, elle permet dobtenir un lobe principal assez proche du champ total. Elle
reprsente ainsi un moyen simple dobtenir une information rapide sur langle principal
de rayonnement et dobtenir le diagramme de rayonnement.
Pour rsumer, le terme des rsidus reste important dans le calcul du champ proche et
ne peut tre nglig. Mais en champ lointain, partir dune certaine distance dpendant
des ples, il tend vers zro et lexpression analytique donne par la mthode de descente
rapide peut tre suffisante pour dcrire entirement le champ rayonn.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
23
Figure 2.12 Module des champs magntiques et obtenus une distance de dune structure avec les paramtres
, et ( ) , . Unit arbitraire
Figure 2.13 Module des champs magntiques et obtenus une distance de dune structure avec les paramtres suivants :
, et ( ) , . Unit arbitraire
2.4.2 Mthode de Kirchhoff-Huygens
Lintgration de Kirchhoff-Huygens peut tre utilise dans le cas gnral pour le
calcul du champ rayonn partir dune distribution de courants quivalents sur une
surface donne. Dans notre cas 2D, ceci revient considrer des courants
unidimensionnels invariants suivant la direction y. Lintrt de cette mthode est quelle
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
24
permet de calculer le champ lointain dans le cas dune structure finie, ce qui ne peut tre
fait avec la mthode du point col.
Considrons des courants quivalents sur linterface sparant les deux milieux de
notre structure et confondue avec laxe x ; la distance entre un point dobservation
( ) de lair libre et un point ( ) de linterface est note , comme le montre la Figure 2.14.
Figure 2.14 Position dun point dobservation M par rapport un point P de la
distribution de champ sur linterface
Le champ rayonn not sexprime avec lintgrale de Kirchhoff-Huygens comme suit :
( ) ( ( ) ( )
( ) (
)
)
(2.34)
avec et les bornes dintgration finies ou infinies sur laxe x, tels que . ( ) est la valeur du champ magntique sur linterface, i.e. en et
. reprsente la fonction de Green bidimensionnelle de lair libre dont
lexpression est ( )
( )( ), avec ( )
la fonction de Hankel de seconde
espce dordre 0. En choisissant sur linterface [TO63a], le second terme de lexpression (2.34) devient nul et on obtient :
( )
( )
( )( )
(2.35)
avec ( )
la fonction de Hankel de seconde espce dordre 1. Dans la zone de champ
lointain, on peut crire lapproximation suivante . Avec la formulation asymptotique de la fonction de Hankel, lintgrale devient :
( )
( ) ( )
(2.36)
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
25
Dans le cas gnral, ( ), ce qui ncessite un calcul
numrique de lintgrale spectrale afin dobtenir , en plus du calcul des
rsidus sur linterface.
Mais dans des cas particuliers, le champ despace est ngligeable devant le champ d
aux ples, au niveau de linterface. Ceci est vrai notamment dans le cas des ondes de
surface, mais ne prsentent pas dintrt vu quelles ne rayonnent pas. Les rsidus sont
aussi importants dans le cas des ondes de fuite tant donn quils sont gnralement trs
proches de laxe rel du plan complexe comme expliqu dans la section 2.4.1.4. Ainsi, afin de calculer , nous pouvons distinguer 3 cas de figure quon regroupe dans le Tableau 2.1.
Tableau 2.1 Valeur du champ magntique sur linterface selon la permittivit du milieu
1
Permittivit Valeur de Commentaire
Ondes complexes ngligeables et
ondes de surfaces non rayonnantes
( )
Domination des ondes de fuite.
Exemple : Figure 2.12 et Figure
2.13
( ) Cas non trait ici
Des critres ont t proposs notamment dans [TO62] pour dfinir les cas de
domination des rsidus sur le champ despace au niveau de linterface. Nous allons
vrifier cette domination avec des exemples dondes de fuite, sans utiliser de tels
critres. On considre ici que ( ) est gal uniquement aux rsidus sur
linterface et sexprime donc, partir de (2.30), comme suit :
( ) ( ) | |
(2.37)
avec ( ) le champ en du ple , son expression est drive de (2.30).
Lintgration immdiate de (2.36) sur une interface allant de , en utilisant (2.37) permet dobtenir le champ rayonn et donc le diagramme de rayonnement.
Dans le cas particulier dune structure infinie, i.e. pour et , lintgration donne lexpression du diagramme de rayonnement suivante :
( ) | ( )
|
(2.38)
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
26
Lindice b indique que lexcitation des modes est bidirectionnelle, i.e. suivant et . Reprenons la configuration de la section 2.4.1.4 avec
. Comparons
dans ce cas sur la Figure 2.15 le diagramme de rayonnement analytique obtenu partir
de lexpression (2.32) et quon notera et le diagramme de rayonnement . En
tenant compte de la contribution des 3 premiers ples, tracs en rouge sur la Figure
2.10, nous observons une diffrence entre la formulation analytique trace en rouge et lintgration de Kirchhoff-Huygens trace en bleu. En intgrant les 3 ples
suivants des ondes de fuite, le diagramme de rayonnement trac en pointills noirs
devient gal . La mthode de Kirchhoff-Huygens permet ainsi dobtenir le champ rayonn partir dun nombre fini de ples.
Avec cette mthode, nous pouvons obtenir simplement le rayonnement dune
structure de longueur finie ou semi-infinie suivant la direction x. La mthode de
descente rapide, quant elle, ne permet pas dtudier de telles structures. En effet,
lexpression du champ magntique en (2.27) a t obtenue sous lhypothse dune
structure de longueur infinie. Ainsi, avec la mthode de Kirchhoff-Huygens, nous
pouvons, en choisissant les bornes et , calculer le diagramme de rayonnement par exemple dans le cas dune structure tronque ou dune excitation unidirectionnelle
(suivant ou ).
Il est important de noter que est en ralit le champ despace, mais avec ltude prcdente nous montrons quen champ lointain il concide avec le champ modal
obtenu avec Kirchhoff-Huygens dans lexemple prcdent. Ainsi dans le cas de
domination des modes sur linterface, le champ modal est transfr, en champ lointain,
en totalit vers le champ despace reprsentant le spectre continu.
Figure 2.15 Diagrammes de rayonnement calculs pour les paramtres , et , . Unit arbitraire
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
27
2.5 Modes de fuite et diagramme de rayonnement
2.5.1 Introduction
Un diagramme de rayonnement est caractris par des lobes dont la direction, la
directivit et lamplitude sont diffrentes. Dans ce paragraphe, nous allons voir que les
ples et leur position dans le plan complexe donnent toutes les informations ncessaires pour analyser un diagramme de rayonnement.
Rappelons que nous nous intressons aux modes de fuite dans ce manuscrit.
2.5.2 Angle de rayonnement dun mode de fuite
2.5.2.1 Expression de langle
Considrons un ple plac dans la zone dexistence des modes de fuite, i.e. dans la
partie du cadran du mode (e) limite droite par le chemin (
) sur la Figure
2.9 pour une propagation suivant . Comme vu prcdemment, le champ li ce ple sexprime travers le terme des rsidus par une OPI dfinie dans une rgion limite de
lespace 0 1. La Figure 2.16 montre cette zone de dfinition. Ailleurs il nexiste
que le champ despace.
En exprimant le vecteur de Poynting dans lespace libre en fonction du champ magntique cr par le mode (exprim sous forme dune OPI), nous obtenons
| |
.
/. Langle que fait le vecteur avec laxe z, not , est alors
dduit de la relation suivante :
(2.39)
Les vecteurs et sont alors colinaires comme le montre la Figure 2.16. Par consquent, la position du ple dans le plan complexe nous permet dobtenir la direction
de rayonnement du mode de fuite.
Notons que le mode en cre un champ qui peut en tre dduit par symtrie par rapport laxe z.
Analysons maintenant la direction des lobes dun diagramme de rayonnement. Pour
ce faire, commenons par ltude dune excitation bidirectionnelle, i.e. en tenant compte
des ples se propageant suivant et . Nous avons calcul avec la mthode de Kirchhoff-Huygens le diagramme de rayonnement dans (2.38) partir du champ
total cr par les modes propres sur linterface avec une propagation suivant et . Nous avons montr aussi que cette mthode est quivalente la mthode asymptotique
de descente rapide si on prend en compte un nombre suffisant de ples.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
28
Figure 2.16 Zone dexistence dun mode de fuite se propageant suivant et ses caractristiques angulaires
Afin dtudier chaque mode sparment, nous ne prenons en compte quun seul ple
et ainsi la somme ne se rsume qu un seul terme | ( )
|
.
La drive de cette expression par rapport permet dobtenir la position des maxima du diagramme. Deux cas se prsentent :
(a) | | : deux maxima symtriques existent avec
| |
(2.40)
(b) | | : dans ce cas, un seul maximum apparat .
Considrons maintenant une excitation monodirectionnelle : on ne tient compte que
des modes qui se propagent suivant une seule direction quon choisira ici . Dans ce cas, avec la mthode de Kirchhoff-Huygens, le diagramme de rayonnement est calcul
avec lexpression (2.37) pour et et en considrant uniquement les ples tels que (pour les modes se propageant suivant
), ce qui donne :
( ) | ( )
|
(2.41)
o lindice m indique lexcitation monodirectionnelle. Pour un seul ple contribuant
dans le champ lointain, la somme dans (2.41) se rsume un seul terme :
| ( )
|
. Comme pour le cas bidirectionnel, la drive de ce terme permet
de dduire la position des maxima telle que :
(2.42)
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
29
Il est noter que, contrairement au cas bidirectionnel, ce type dexcitation conserve
langle de rayonnement des ples tels que | | vu labsence dexcitation du ple symtrique.
Par ailleurs, les expressions (2.40) et (2.42) donnent des positions de lobes diffrents
pour un mme ple, except dans le cas o | | . En effet, si lattnuation dune
onde de fuite est faible, on obtient
(2.43)
On retrouve alors , la direction du vecteur de Poynting de ce mode prvue par
lquation (2.39).
2.5.2.2 Ordre dun mode de fuite et angle de rayonnement
Avant dillustrer les rsultats prcdents travers des exemples, nous allons dfinir
lordre dun mode de fuite. Pour une configuration donne excitant des ondes de fuite,
i.e. , le systme (2.23) admet une infinit de solutions complexes sous forme
de modes de fuite. Ils peuvent tre classs selon la forme du champ cr dans le milieu 1
suivant laxe z. En effet, lordre n dun mode quon dsignera par dans le plan complexe, est donn par la partie entire de
, comme expliqu prcdemment
dans la section 2.3.3.1, avec .
Reprenons maintenant lexemple du paragraphe 2.4.1.4, o nous avons considr une
configuration telle que , , ( ) et une frquence de
travail de 20 GHz. Comme pour les ples rouges de la Figure 2.10, avec un calcul
numrique, nous plaons sur la Figure 2.17 cinq ples dsigns par leurs coordonnes
, * +. Daprs les valeurs de du Tableau 2.2, les ples sloignent
de laxe rel du plan complexe avec lordre n.
Figure 2.17 Reprsentation dans le plan complexe des 5 premiers ples dans la
configuration suivante : , et
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
30
Tableau 2.2 Calcul numrique de paramtres lis aux 5 premiers modes de fuite dans la
configuration suivante : , et
0.48 1.43 2.21 3.04 4.01
44.51 41.02 35.38 25.37 7.29 342 37 15 12 4
Rappelons que les modes traits dans cet exemple correspondent une propagation
suivant . Nous reportons aussi dans le mme tableau langle reprsentant la direction du
vecteur de Poynting de chaque ple , * +, calcul avec la formule (2.39).
Dun autre ct, traons, sur la Figure 2.18, pour le mme exemple, les diagrammes
de rayonnement et pour , i.e. pour les 6 premiers modes (ce nombre
est suffisant comme nous lavions montr dans 2.4.2). Notons tout dabord que la
position des 4 premiers lobes sur les deux courbes est trs proche des valeurs de du Tableau 2.2. En revanche, on ne distingue pas de lobe pour le ple autour de 7. Ceci peut tre expliqu par la trs faible amplitude de ce mode due sa forte
attnuation. Il en est de mme pour les ordres suprieurs.
Comparons maintenant et . Nous remarquons que les lobes de chaque courbe
correspondant aux deux premiers modes sont confondus. En effet, les modes et
vrifient la condition | | , comme le montre la Figure 2.17 ce qui donne lgalit
(2.43). Dautre part, partir du mode dordre 2, les courbes sloignent avec des lobes
aux mmes angles mais des amplitudes diffrentes. Autour de 0, dcroit
rapidement jusqu sannuler alors que augmente lgrement. Cette diffrence est
due la contribution des modes symtriques ( ) dans . En effet, pour les ordres
, on vrifie numriquement que | | pour cet exemple. On est alors dans le cas (b) de langle de rayonnement, ce qui signifie que tous les modes dordre rayonnent . Ainsi, la contribution de ces modes et de leurs symtriques dans fait croitre lamplitude du diagramme autour de 0 par rapport
o seuls les modes rayonnent.
-
Chapitre 2. Modlisation Thorique de lExcitation des Ondes de Fuite
31
Figure 2.18 Diagramme de rayonnement calcul avec la mthode de Kirchhoff-
Huygens avec , , et . Les flches
montrent les lobes prsents sur les diagrammes. Unit arbitraire
2.5.3 Directivit dun mode de fuite
Dans le paragraphe prcdent, nous avons analys la direction des lobes sur le
diagramme de rayonnement. Dans ce paragraphe, nous traiterons de leur amplitude.
Lamplitude dun lobe est lie deux facteurs :
- Lexcitation : en reprenant les formules analytiques de et dans le
paragraphe prcdent, nous voyons que le champ rayonn de chaque ple est
pondr par un coefficient. Lamplitude du lobe d un mode est lie ce
coefficient. De plus, lexcitation peut privilgier un