Définition : Les guides d’ondes sont une catégorie spéciale de ligne de transmission qui est utilisée pour guider (diriger) les ondes (rayonnement) sur la longueur du tube. Il s’agit généralement d’un tube métallique creux qui sert de support pour transférer ou transmettre l’énergie.

Les fibres optiques sont un type de guide d’ondes plus précisément on peut dire guide d’ondes diélectrique qui fonctionne à des fréquences optiques afin de transmettre le signal optique (lumière).

Contenu : Guides d’ondes

1. Introduction
2. Types
3. Modes de propagation
4. Paramètres
5. Avantages
6. Inconvénients

Introduction

Dans les guides d’ondes, l’énergie est propagée dans un tube. Il peut s’agir d’un guide d’ondes rectangulaire ou cylindrique qui n’est constitué d’aucun conducteur central. Ils sont essentiellement utilisés pour la propagation de l’énergie électromagnétique (micro-ondes) ou du signal d’une extrémité à l’autre. Dans le cas de la transmission de signaux à basse fréquence, on utilise des lignes de transmission parallèles ou des câbles coaxiaux. Mais pour avoir une transmission de signaux à haute fréquence, on utilise principalement des guides d’ondes.

La fréquence d’un signal micro-ondes se situe quelque part entre 300 MHz et 300 GHz. Ces ondes se propagent généralement dans l’espace libre avec la vitesse de la lumière c’est-à-dire, 3Χ108 m/sec.

Les guides d’ondes ont remplacé les lignes de transmission (ou câbles coaxiaux) en raison de plus d’atténuation et de pertes diélectriques étaient associés aux lignes de transmission. Comme avec l’aide des guides d’ondes, on peut obtenir une faible atténuation du signal et une grande largeur de bande. Les guides d’ondes fonctionnent fondamentalement comme un filtre passe-haut car il permet la transmission des composantes à haute fréquence tout en atténuant les signaux à basse fréquence.

La figure ci-dessous représente un guide d’ondes rectangulaire:

Un guide d’ondes transmet un signal micro-ondes en effectuant des réflexions continues sur les parois intérieures du tube cylindrique creux. Les parois des guides d’ondes sont généralement constituées de cuivre, d’aluminium ou de laiton. Cependant, sa surface intérieure est revêtue d’or ou d’argent.

Types de guides d’ondes

Les guides d’ondes sont principalement classés comme rectangulaires ou circulaires mais ceux-ci sont fondamentalement de 5 types différents :

Modes de propagation dans un guide d’ondes

Lorsqu’une onde électromagnétique est transmise à travers un guide d’ondes. Alors elle a deux composantes de champ qui oscillent mutuellement perpendiculaires l’une à l’autre. Sur les deux, l’un est un champ électrique et l’autre est un champ magnétique.

La figure ci-dessous représente la propagation d’une onde électromagnétique dans la direction z avec les deux composantes de champ:

La propagation de l’onde à l’intérieur du guide d’ondes provient fondamentalement de 2 modes. Cependant, globalement, fondamentalement 3 modes existent, qui sont les suivants :

• Onde électrique transversale :

Dans ce mode de propagation de l’onde, la composante du champ électrique est totalement transversale à la direction de propagation de l’onde alors que le champ magnétique n’est pas totalement transversal à la direction de propagation de l’onde. Il est abrégé en mode TE.

• Onde magnétique transverse:

Dans ce mode de propagation de l’onde, la composante du champ magnétique est totalement transversale à la direction de propagation de l’onde tandis que le champ électrique n’est pas totalement transversal à la direction de propagation de l’onde. Il est abrégé en mode TM.

• Onde électromagnétique transversale:

Dans ce mode de propagation de l’onde, les deux composantes du champ, c’est-à-dire les champs électrique et magnétique, sont totalement transversales à la direction de propagation de l’onde. Il est abrégé en mode TEM.

Il faut noter ici que, le mode TEM n’est pas supporté dans les guides d’ondes. Comme pour le mode TEM, il y a une nécessité de la présence de deux conducteurs et nous savons déjà qu’un guide d’ondes est un conducteur creux unique.

Maintenant, la question se pose pourquoi avons-nous besoin de deux conducteurs pour que le mode TEM ait lieu ?

La réponse à la question ci-dessus est que, dans un mode TEM, le champ électrique et le champ magnétique sont tous deux totalement transversaux à la direction de propagation de l’onde.

Dans le cas de deux conducteurs séparés, cela est possible parce que, à partir du conducteur intérieur, le champ électrique se génère et se termine au niveau du conducteur extérieur. Et à ce conducteur particulier, une source de courant doit être présente afin de générer un champ magnétique. Mais, comme nous l’avons déjà dit, le guide d’ondes est un support de transmission à un seul conducteur. C’est la raison pour laquelle le mode TEM n’est pas supporté dans les guides d’ondes.

Paramètres d’un guide d’ondes

• Longueur d’onde de coupure : C’est la longueur d’onde maximale du signal transmis qui peut se propager dans le guide d’ondes sans aucune atténuation. Cela signifie que jusqu’à la longueur d’onde de coupure, un signal micro-ondes peut être facilement transmis dans le guide d’ondes. Elle est notée par λc.
• Vélocité de groupe : La vitesse de groupe est la vitesse avec laquelle l’onde se propage à l’intérieur du guide d’ondes. Si la porteuse transmise est modulée, alors la vitesse de l’enveloppe de modulation est un peu plus faible par rapport au signal de la porteuse.
  Cette vitesse de l’enveloppe est appelée vitesse de groupe. Elle est représentée par Vg.
• Vitesse de phase : C’est la vitesse avec laquelle l’onde transmise change de phase pendant la propagation. Ou on peut dire que c’est essentiellement la vitesse d’une phase particulière de l’onde qui se propage. Elle est dénotée par Vp.
• Impédance d’onde : Elle est aussi connue comme l’impédance caractéristique. Elle est définie comme le rapport entre le champ électrique transversal et celui du champ magnétique transversal pendant la propagation de l’onde en tout point à l’intérieur du guide d’onde. Elle est notée par Zg.

Avantages des guides d’ondes

1. Dans les guides d’ondes, la perte de puissance pendant la propagation est presque négligeable.
2. Les guides d’ondes ont la capacité de gérer la puissance des grands signaux.
3. Comme les guides d’ondes possèdent une structure simple ainsi leur installation est quelque peu facile.

Inconvénients des guides d’ondes

1. Son coût d’installation et de fabrication est élevé.
2. Les guides d’ondes sont généralement rigides par nature et, par conséquent, causent parfois des difficultés dans les applications où la flexibilité du tube est requise.
3. Il est un peu grand en taille et plus encombrant par rapport à d’autres lignes de transmission.

Il est à noter dans le cas des guides d’ondes que leur diamètre doit avoir une certaine valeur afin d’avoir une bonne propagation du signal. Il en est ainsi parce que si son diamètre est très petit et que la longueur d’onde du signal à propager est grande (ou que la fréquence du signal est petite), alors il ne sera pas propagé correctement.

Donc, la fréquence du signal doit être supérieure à la fréquence de coupure afin d’avoir une transmission correcte du signal.

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