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Apr 27, 2023

Analyse et conception d'ultra

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14214 (2022) Citer cet article

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Dans cet article, une nouvelle méthode pour faciliter la conception de structures de guides d'ondes imprimés Ridge Gap (PRGW) est introduite. L'une des principales difficultés de conception de telles structures est liée à leur processus de simulation qui est très consommateur de temps et d'énergie. Par conséquent, une condition aux limites appropriée est considérée pour créer la structure primaire sans impliquer le lit de clous ou les cellules unitaires en champignon. En utilisant cette technique, un coupleur double boîtier hybride PRGW 3 dB à large bande est conçu pour servir dans des fréquences d'ondes millimétriques à une fréquence centrale de 30 GHz, qui peuvent être déployées pour la prochaine génération de communication mobile. Le coupleur conçu fournit une large bande passante d'adaptation et d'isolation avec un faible déséquilibre d'amplitude de sortie, ce qui est unique par rapport aux coupleurs actuels. Le prototype du coupleur proposé est fabriqué et mesuré là où les résultats de la simulation et de la mesure montrent un bon accord indiquant également la force de la méthode proposée dans la conception de la structure PRGW. Les résultats mesurés montrent que les coupleurs obtiennent une perte de retour et une isolation supérieures à 10 dB sur la plage de fréquences de 25 à 40 GHz (46 % BW) avec un déséquilibre de puissance et une erreur de phase de ± 1 dB et ± 5°, respectivement. De plus, des champignons carrés sont choisis ici pour satisfaire la surface à haute impédance. Non seulement ils apportent une bande passante d'arrêt plus importante, mais en plus leur configuration facilite leur agencement autour du coupleur. La conception proposée présente de superbes caractéristiques telles qu'un profil bas, une faible perte et une intégration facile avec des circuits et des systèmes hyperfréquences qui peuvent convenir à la conception de réseaux de formation de faisceaux à ondes millimétriques.

Les technologies de communication sans fil de sixième génération (6G) et de cinquième génération (5G) à venir ont fondamentalement révolutionné l'industrie des télécommunications1. La prochaine génération de communications mobiles nécessite l'utilisation d'un spectre haute fréquence en raison de la bande passante limitée des canaux actuels qui ont fonctionné dans les canaux de fréquences micro-ondes2. La bande de fréquence des ondes millimétriques (ondes millimétriques) allant de 30 à 300 GHz est un bon candidat pour l'objectif proposé. Le spectre d'ondes millimétriques avec une bande passante disponible massive est une technologie prometteuse pour la prochaine génération pour augmenter la transmission du débit de données de l'ordre de multigigabit/s et triompher de la pénurie de bande passante au spectre micro-ondes traditionnel saturé3,4. Cette évolution des communications de données sans fil des bandes de micro-ondes et de fréquences inférieures d'aujourd'hui aux bandes d'ondes millimétriques a créé des défis et des opportunités pour les concepteurs de services mobiles5,6,7.

Dans ce contexte, de nombreux travaux ont été menés concernant la conception de coupleurs, antennes, filtres et résonateurs8,9,10,11,12,13,14. Les technologies utilisées pour concevoir les composants dans les bandes de fréquences à ondes millimétriques ont été principalement des lignes microruban, des guides d'ondes et des guides d'ondes intégrés au substrat (SIW)15,16,17. Cependant, il existe un gros problème associé à ces technologies, les pertes dues aux pertes diélectriques et conductrices ou aux fuites de via, y compris les parois18,19,20,21. À cette fin, récemment, une nouvelle technologie appelée Ridge Gap Waveguide (RGW) ou en particulier les structures Printed-RGW (PRGW) sont envisagées pour résoudre ce problème22,23,24,25,26,27,28, cela permet à l'onde électromagnétique de se propagent dans l'entrefer entre le conducteur et le faîtage et éliminent par conséquent les pertes diélectriques. De plus, la fuite d'énergie diminue en raison du lit de clous dans RGW ou des bandes interdites électromagnétiques (EBG) dans PRGW29.

D'autre part, la réalisation du système de communication 5G à la fréquence des ondes millimétriques avec des longueurs d'onde courtes est limitée par une perte de trajet élevée et une absorption atmosphérique, impliquant une portée de communication réduite. Bien que cette limitation puisse être compensée à l'aide d'antennes à gain élevé, elles ont une largeur de faisceau étroite directionnelle nécessitant des techniques de commutation de faisceau pour compenser le désalignement du faisceau principal. Les réseaux de commutation de faisceaux sont nécessaires pour relever les défis et les attentes de la technologie future. Ceux-ci peuvent être résumés comme une efficacité énergétique élevée, des systèmes multi-utilisateurs et une grande capacité de canaux avec une large couverture de balayage.

Butler Matrix (BM) en tant que réseau d'alimentation à commutation de faisceau avec ses diverses modifications peut satisfaire l'objectif mentionné30,31,32,33,34. BM comprend des coupleurs, des croisements et des diviseurs de puissance, qui doivent être conçus puis disposés de manière spécifique. Il y a eu quelques publications concernant les coupleurs PRGW et RGW35. In36, le coupleur d'embranchement déjà existant et le coupleur directionnel de ligne couplée37, ont été mis en œuvre au moyen du lit de clous et de la crête configurant les coupleurs. Bien que les résultats soient satisfaisants, le processus de fabrication est difficile à cet égard. Les auteurs en38,39 ont étudié les coupleurs directionnels sur une plate-forme de silicium basée sur la théorie des modes couplés. Bien qu'ils puissent être utilisés dans des fréquences d'ondes millimétriques, ils ont un couplage faible et il n'y a pas de différence de phase qui limite leur application.

En 40, le coupleur RGW imprimé avec une nouvelle structure a été introduit, qui fournit une bonne largeur de bande d'impédance ainsi qu'un léger déséquilibre de phase et d'amplitude de sortie. Il convient de mentionner que, comme il est impossible de connecter directement les connecteurs à la structure, il faut utiliser une ligne de transition microruban qui est également décrite dans cet article. Une autre structure similaire avec des équations mathématiques, qui permet une structure plus flexible dans d'autres bandes de fréquences d'ondes millimétriques, a été proposée en41. Les auteurs de42,43 ont conçu des coupleurs directionnels hybrides à profil bas à des fins de communication 5G. De plus, un coupleur Rat-Race, qui a la capacité de diviser la puissance d'entrée avec une différence de phase de 0° ou 180°, a été mis en œuvre en 44 au moyen de la technologie PRGW.

Cependant, les coupleurs mentionnés possèdent une large bande passante d'impédance, et ils souffrent d'un déséquilibre d'amplitude et de phase de sortie, ce qui rend toute la structure à bande étroite, il n'est donc pas possible de concevoir un réseau d'alimentation à large bande dans des fréquences d'ondes millimétriques comprenant des coupleurs directionnels. De plus, leur processus de simulation est difficile en raison des cellules unitaires EBG placées autour de la structure pour agir comme une surface à haute impédance évitant la propagation des ondes de surface. Ainsi, une condition aux limites appropriée est nécessaire pour faciliter le processus de conception. Il n'est pas nécessaire de mettre les cellules élémentaires EBG dans la structure primaire dans cette situation. Pour obtenir les résultats requis, dans un souci d'optimisation finale, le coupleur complet avec des surfaces à haute impédance est simulé. La procédure proposée réduit le temps de simulation et aboutit à la performance souhaitée qui est difficile à obtenir à partir du processus de conception d'optimisation complète. Grâce à cette technique, un coupleur hybride ultra-large bande PRGW 3 dB est conçu pour obtenir une bande passante de 46% de coefficient de réflexion ainsi qu'une isolation inférieure à − 10 dB sur la gamme de fréquences de 25 à 40 GHz.

Les superbes résultats sont obtenus grâce à la procédure de conception proposée qui non seulement facilite la conception en évitant l'EBG dans la phase de conception, mais permet également d'obtenir de très bonnes performances en éliminant le positionnement de la structure des EBG et des clous dans la crête. Ces structures augmentent considérablement le temps de simulation car la taille du maillage est considérablement augmentée. La procédure de conception proposée est appliquée à la conception d'un coupleur, cependant, elle peut également être appliquée à la conception de grandes structures et permet d'économiser énormément de temps et d'efforts. La nouveauté de notre article est non seulement d'introduire la nouvelle méthode de conception de structures RGWs, mais également de concevoir un coupleur à large bande qui a les meilleures performances par rapport à des travaux similaires dans les fréquences d'ondes millimétriques.

Dans cette section, une procédure de conception étape par étape du coupleur hybride à large bande basée sur la technologie PRGW est illustrée. En premier lieu, la cellule unitaire EBG carrée périodique entourant la crête est conçue avec les dimensions appropriées pour supprimer toute fuite et générer une large plage de bande interdite de 24 à 45 GHz requise pour les applications 5G. Une condition aux limites concernant la hauteur d'entrefer obtenue entre les cellules unitaires EBG et le conducteur supérieur est définie pour faciliter la conception du coupleur primaire. Le coupleur d'embranchements traditionnel est conçu par la condition aux limites proposée pour valider la robustesse de la méthode. Par la suite, le coupleur hybride à double boîte à large bande avec la même condition aux limites proposée est simulé. Après avoir obtenu les résultats souhaités, des cellules unitaires EBG sont appliquées à la structure et une optimisation finale est effectuée. Enfin, les paramètres de la structure fabriquée sont évalués et comparés aux résultats simulés.

Le RGW idéal utilise la bande de coupure de base liée à la configuration du guide d'ondes à plaques parallèles du conducteur électrique parfait (PEC) et du conducteur magnétique parfait (PMC). Il n'y a pas de champ propagé dans l'entrefer entre la surface PEC et la surface PMC tant que l'espacement entre les deux surfaces, appelé hauteur d'entrefer (H), est inférieur à un quart de longueur d'onde (λ/4) .

Sur la figure 1, la forme idéale du concept proposé est illustrée, alors qu'il est évident dans RGW, une bande métallique ou plus précisément la crête est entourée de surfaces PMC. En fournissant une hauteur de cavité de guide d'ondes inférieure à λ/4, l'onde électromagnétique (EM) peut se propager entre le conducteur supérieur et la crête car les surfaces PEC-PEC suppriment la fuite dans toutes les directions comme les surfaces PMC-PEC.

La propagation du champ (a) dans deux plaques parallèles consiste en une plaque PEC et une plaque PMC, et (b) un côté à texture unique de RGW idéal.

Cependant, comme le PMC n'existe pas dans la nature, il est réalisé par un conducteur magnétique artificiel (AMC) qui imite le comportement du PMC sur une bande passante spécifique45. Une cellule unitaire EBG est un AMC qui peut satisfaire les caractéristiques mentionnées, de sorte qu'une période de celles-ci est utilisée dans les structures PRGW, qui sont une forme modifiée imprimée de RGW. Cette partie périodique est utilisée pour empêcher les ondes électromagnétiques de fuir à l'extérieur de la région entre la crête et le conducteur supérieur dans une certaine bande d'arrêt. La figure 2 représente la cellule unitaire EBG et son diagramme de dispersion sur une large gamme de fréquences obtenue à l'aide de la technologie de simulation informatique (CST) (solveur en mode propre). Des conditions aux limites périodiques sont utilisées pour modéliser l'ensemble de la structure de la cellule unitaire EBG. Le balayage des paramètres du solveur en mode propre est utilisé pour parcourir la phase affectée aux frontières périodiques sans utiliser de ports40,46. Comme dans l'écart de fréquence de 24 à 45 GHz, la valeur constante de propagation est nulle, on en conclut que dans la plage de fréquences mentionnée, une cellule unitaire EBG agit comme PMC, entraînant ainsi une suppression de la propagation. La hauteur de l'espace rempli d'air entre le patch mis à la terre carré et le conducteur supérieur joue un rôle clé dans la définition de la condition aux limites parfaite. Il convient également de mentionner que le substrat utilisé ici est Rogers RT 6002 avec la constante diélectrique de 2,94 et une hauteur de 0,762 mm. Le patch est carré avec une longueur et une largeur de 1,2 mm et la région remplie d'air a une hauteur de 0,254 mm.

Conception de la structure PRGW. ( a ) La condition aux limites périodique de la conception de la cellule unitaire EBG dans CST Microwave Studio. (b) Section de la structure de guidage PRGW et (c) diagramme de dispersion de la cellule unitaire PRGW carrée (Wcell = 1,6, Gap = 0,254, hs = 0,762, Wr = 1,34, P = 1,4 (tout en mm)).

Pour illustrer la condition aux limites spécifique, le coupleur de dérivation traditionnel à boîtier unique est proposé47,48. La figure 3 montre la configuration du coupleur fonctionnant à 28 GHz dans CST Microwave Studio. La structure se compose uniquement du patch de coupleur de ligne de dérivation sans les cellules unitaires EBG et d'une plaque métallique en tant que surface PEC placée au-dessus. L'écart rempli d'air entre le patch de coupleur et le PEC est déjà déterminé dans le processus de conception de cellule unitaire, qui est obtenu à l'aide du logiciel CST (solveur en mode propre) de la section précédente. Lorsqu'il s'agit de parler de la condition aux limites, il convient de mentionner qu'il est nécessaire de définir la condition PMC, (Ht = 0), au lieu d'utiliser la structure périodique EBG à Zmin = 0 pour le plan touchant le patch de coupleur et d'attribuer la condition aux limites ouverte pour les autres faces, voir Fig. 3b. Comme il est évident, la configuration est si simple et il faut quelques minutes pour observer les résultats. Cependant, ce n'est pas le cas car on souhaite suivre la méthode de conception déjà existante. La figure 4 représente les paramètres de diffusion du coupleur. Le déséquilibre d'amplitude dans la région comprise entre 27 et 29 GHz est acceptable rendant la structure à bande si étroite. Il convient également de souligner que le déséquilibre de différence de phase est acceptable dans toute la bande de fréquence. Dans l'étape suivante, les cellules unitaires EBG conçues sont placées autour du coupleur et la branche elle-même est mise à la terre au moyen d'une série de vias, Fig. 5. Tous les paramètres et longueurs sont presque les mêmes que ceux de la Fig. 1 pour les cellules unitaires. et Fig. 3 pour le coupleur. La distance entre les champignons est également de 0,2 mm. La figure 6 illustre les résultats obtenus lors de l'application des cellules unitaires EBG autour du coupleur de dérivation.

Coupleur de ligne secondaire à boîtier unique. (a) Schéma de base, (b) la condition aux limites spécifique dans CST Microwave Studio (W1 = 1,3, W2 = 2,1, Wf = 1,34 (tout en mm)).

Résultats simulés du coupleur de ligne secondaire à boîtier unique avec condition aux limites parfaite. (a) Paramètres de diffusion, (b) différence de phase entre les ports de sortie (Φ (S21)–Φ (S31)).

La configuration du coupleur de dérivation PRGW traditionnel.

Résultats simulés du coupleur de branche à boîtier unique avec cellules unitaires EBG. (a) Paramètres de diffusion, (b) différence de phase entre les ports de sortie (Φ (S21)–Φ (S31)).

Il ressort de la Fig. 6a que les résultats sont complètement en accord avec ceux obtenus à partir du coupleur avec des conditions aux limites spécifiques. A partir de la gamme de fréquences de 27 à 29 GHz, le coefficient de réflexion et l'isolation sont presque acceptables car le déséquilibre entre les signaux de sortie d'amplitude est satisfaisant. De plus, on observe à partir de la figure 6b que la différence de phase entre les signaux de sortie est sans aucun doute si proche l'une de l'autre dans les deux conditions ; le déséquilibre est inférieur à 2°. Dans l'ensemble, on peut conclure que la procédure présentée est un outil puissant dans la conception des structures basées sur la technologie PRGW.

Le coupleur de ligne de dérivation traditionnel donne lieu à une structure à bande étroite, car le déséquilibre entre les amplitudes de sortie devient de plus en plus grand lorsqu'une large plage de fréquences est considérée. Cela perturbe les performances du système dans lequel le coupleur va être intégré. A titre d'illustration, pour utiliser le coupleur dans un réseau Butler Matrix à large bande, il y aurait quelques problèmes avec le coupleur à bande étroite. Ainsi, pour améliorer la bande passante, une solution consiste à ajouter une autre section suivant la ligne de dérivation en tant que coupleur à double boîtier 3 dB. Ce faisant, l'impédance caractéristique des bras est modifiée; cependant, leur longueur reste en quadrature de longueur d'onde48. La figure 7a montre le schéma de la structure proposée, les figures 7b,c représentent la transition ainsi que les coefficients de réflexion et la différence de phase de la structure dans la situation idéale, respectivement. Les résultats sont tout à fait satisfaisants du fait que le déséquilibre d'amplitude est faible et acceptable sur la grande bande de fréquence. Celle-ci trouve son origine dans le second boîtier qui fonctionne à une fréquence proche du fonctionnement du premier boîtier et rend par conséquent la structure large bande. Dans l'étape suivante, nous utilisons un outil de résolution pleine onde, CST Microwave Suit, pour simuler la structure avec la condition aux limites spécifique, ce qui permet d'obtenir les résultats souhaités sans impliquer les cellules unitaires en champignon. La figure 8 représente le coupleur dans la condition aux limites proposée qui permet d'atteindre les résultats simulés le plus rapidement possible. La figure 9 montre les paramètres de diffusion du coupleur à large bande en tenant compte de la condition aux limites. Il convient de mentionner que dans la gamme de fréquences de 25 GHz à 40 GHz, le déséquilibre d'amplitude de sortie est proche de ± 1 dB et la différence de phase entre les ports de sortie est comprise entre ± 5°. Ces caractéristiques sont uniques par rapport aux coupleurs hybrides à ondes millimétriques actuels.

Coupleur hybride idéal à double boîtier. (a) Schéma de base, (b) paramètres de diffusion, (c) différence de phase entre les ports de sortie (Φ (S21)–Φ (S31)).

(a) La configuration géométrique du coupleur hybride à double boîtier, (b) la condition aux limites spécifique dans CST Microwave Studio (c = 1,3, W1 = 1,02, W2 = 1,67, W3 = 1,62, Wr = 1,34, L1 = 1,12, L2 = 1,54, L3 = 2,62, L4 = 1, Lc = 2,46 (toutes en mm)).

Résultats simulés du coupleur à double boîte avec condition aux limites spécifique. (a) Paramètres de diffusion, (b) différence de phase entre les ports de sortie (Φ (S21)–Φ (S31)).

Après avoir conçu le coupleur hybride à large bande à l'aide de conditions aux limites spécifiques, il est temps d'appliquer les cellules unitaires EBG, comme illustré à la Fig. 10. Le paramètre S et la différence de phase entre les ports de sortie du coupleur à large bande sont illustrés à la Fig. 11 Il ressort clairement de la Fig. En se référant au fonctionnement de la cellule unitaire, il est conclu que toute la zone de bande d'arrêt de la cellule unitaire est bien utilisée. Cependant, dans le cas où les cellules unitaires EBG circulaires traditionnelles sont utilisées, une telle largeur de bande n'est pas réalisable. De plus, il est évident d'après la figure 11b que la différence de phase entre les signaux de sortie est d'environ 90° sur une large plage de fréquences. Il convient de mentionner que le déséquilibre de phase est proche de ± 5° et le déséquilibre d'amplitude est d'environ 1 dB. Ainsi, nous pouvons affirmer qu'au moyen de la condition aux limites proposée, c'est le moyen le plus simple d'optimiser la structure sans cellules unitaires en champignon et d'utiliser les paramètres obtenus, y compris la taille des bras et leur longueur, pour atteindre le coupleur PRGW final.

(a) Schéma fonctionnel du coupleur hybride à large bande, (b) vue 3D, (b) vue de dessus (le sol supérieur est supprimé pour une illustration claire).

Résultats simulés du coupleur PRGW large bande. (a) Paramètres de diffusion, (b) différence de phase entre les ports de sortie (Φ (S21)–Φ (S31)).

Bien que les résultats de la structure à double coupleur avec des conditions aux limites parfaites et de la structure avec des cellules unitaires EBG soient proches, les résultats du double coupleur sont plus différents du couple parfait par rapport au coupleur simple. Cette différence est due au fait que la structure du coupleur à double boîtier est plus complexe que celle du coupleur simple et que le nombre de cellules unitaires EBG utilisées dans le coupleur à double boîtier est supérieur à celui du coupleur simple.

Comme il a été mentionné précédemment, il n'est pas possible de connecter directement les connecteurs SMA aux structures PRGW à des fins de mesure, il faut donc une ligne de transition de la ligne microruban à PRGW. Le schéma de la transition de courbure à 90° est représenté sur les Fig. 12a,b. Rogers RT 6002 avec une épaisseur équivalente à la hauteur d'écart requise entre les cellules unitaires et le conducteur supérieur est utilisé ici pour fournir une ligne de transmission avec l'impédance caractéristique de 50 Ω. Ensuite, cette ligne microruban est connectée à son homologue PRGW et enfin la transition est effectuée. Un point important à considérer est lié au fait que le coefficient de réflexion de la ligne de transition doit être inférieur à -10 dB et que son coefficient de transition doit être d'environ 0 dB sur la bande de fréquence de fonctionnement. Pour valider les performances de la ligne de transmission, celle-ci est conçue et simulée séparément. La figure 12c illustre les paramètres s de la structure. Sur toute la bande de fréquence de 25 à 40 GHz, le signal est transféré du Port 1 au Port 2 avec une réflexion minimale et un coefficient de transition maximal. Une telle ligne de transmission est intégrée au coupleur PRGW comme illustré sur la figure 12b, qui sera démontrée dans la section suivante. De plus, il faut tenir compte du fait que les cellules unitaires EBG utilisées pour la ligne sont les mêmes que celles utilisées pour l'ouvrage principal.

Schéma fonctionnel du coude à 90 ° PRGW avec transition microruban vers PRGW. (a) Vue de côté, (b) vue de dessus, (c) paramètres de diffusion (Wm = 0,633 mm).

Après avoir conçu le coupleur large bande, celui-ci est fabriqué et mesuré pour valider les résultats obtenus à partir des simulations, voir Fig. 13a. Les connecteurs SMA à lancement final de 2,92 mm sont utilisés dans la configuration de mesure. Notre attente est d'obtenir un coefficient de réflexion ainsi qu'une isolation inférieurs à − 10 dB sur la gamme de fréquences de 24 à 40 GHz, comme obtenu dans les simulations effectuées. De plus, nous préférons avoir deux signaux égaux avec une différence de phase de ± 90° selon le port d'entrée d'excitation. Cependant, comme mentionné précédemment, un déséquilibre d'amplitude de 1 dB et un déséquilibre de phase de ± 5° sont acceptables pour de nombreuses applications. Avec tout cela à l'esprit, la configuration de mesure illustrée sur la figure 13c est effectuée. Le coupleur étant totalement symétrique, il n'est pas nécessaire de mesurer les paramètres de diffusion pour les deux ports d'entrée. De plus, un kit d'étalonnage TRL (Thru-Reflect-Line) représenté sur la figure 13b est fabriqué pour étalonner l'analyseur de réseau localement. Le circuit de réflexion ou de court-circuit, traversant et de ligne requis pour l'étalonnage de tout analyseur de réseau disponible est intégré dans un seul boîtier. Il est également évident que les lignes de transmission conçues dans la section précédente sont entièrement intégrées au coupleur PRGW ainsi qu'au kit d'étalonnage TRL. Les résultats mesurés sont présentés sur la Fig. 14. La largeur de bande d'impédance couvre toute la gamme de fréquences représentée sur la Fig. 14a. Cependant, il existe des différences entre les résultats simulés et mesurés. Cela est vrai en raison d'erreurs de fabrication mineures et de problèmes de connexion inévitables. Lorsqu'il s'agit de parler des amplitudes et des phases de sortie, on peut facilement observer que les résultats souhaités sont obtenus. De la fréquence de 25 GHz jusqu'à 39 GHz, les déséquilibres définis sont pris en compte. Ainsi, on peut conclure que la méthode proposée à l'aide de conditions aux limites spécifiques dans la conception des structures PRGW est fiable et accélère le processus de conception.

(a) Fabrication du coupleur PRGW à large bande proposé, (b) kit d'étalonnage TRL, (c) configuration de mesure.

Résultats simulés et mesurés du coupleur PRGW large bande proposé. (a) Paramètres de diffusion, (b) différence de phase entre les ports de sortie (Φ (S21)–Φ (S31)).

Afin d'évaluer les performances du coupleur et de les comparer aux travaux existants, le tableau 1 est fourni où l'accent est mis sur les structures de guidage, car ce sont les technologies prometteuses pour les applications à ondes millimétriques. La plupart des coupleurs hybrides 3 dB présentés dans la littérature ont une bande passante étroite allant jusqu'à 18 % et un déséquilibre de phase et d'amplitude de sortie élevé40,43,49,50,51,52. Les coupleurs proposés en 41, 42 ont une largeur de bande d'impédance plus large de 26,5 % et 26,6 % respectivement, ainsi qu'un faible déséquilibre de phase et d'amplitude de sortie alors qu'ils souffrent d'une plus grande taille. Les auteurs in53 ont conçu un coupleur hybride SIGW qui fournit 26,4% de bande passante. Cependant, il présente un faible équilibre d'amplitude et de phase. La taille de coupleur PRGW proposée est de 1,1 λg × 0,75 λg au centre de fréquence de 30 GHz avec une perte d'isolation et de réflexion inférieure à − 10 dB sur toute la bande de fréquences de 25 à 40 GHz. Considérant la bande de fréquence dans laquelle le déséquilibre de sortie est inférieur à 1 dB, le coupleur proposé offre la bande passante la plus large. De plus, le coupleur proposé offre une bande passante en équilibre de phase de 43% avec un déséquilibre entre 90° ± 5°, soit de 25 à 39 GHz. Les résultats indiquent que le coupleur hybride suggéré dans cet article présente les meilleures performances par rapport à des travaux similaires mis en œuvre avec des technologies de structure de guidage de pointe telles que PRGW, RGW et SIW, dans des fréquences d'ondes millimétriques.

Dans cet article, une condition aux limites spécifique a été présentée pour faciliter la conception des structures PRGW. Tirant parti de la condition aux limites proposée, un coupleur hybride à double boîtier à large bande a été conçu, fabriqué et mesuré. La perte de réflexion et d'isolation entre deux ports adjacents du coupleur est inférieure à − 10 dB de 46% dans la gamme de fréquences de 25 à 40 GHz. De plus, la bande dans laquelle le déséquilibre d'amplitude de sortie est inférieur à 1 dB est de 26 à 39 GHz. Ceci est vrai pour la bande dans laquelle le déséquilibre de phase de sortie est compris entre ± 5̊. La comparaison entre ce travail et des homologues déjà existants montre que le coupleur proposé présente des caractéristiques inédites qui lui permettent d'être utilisé dans des réseaux d'alimentation nécessitant des composants large bande.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable. Zahra Mousavirazi ([email protected]).

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Ce travail a été soutenu en partie par le Fonds de recherche du Québec-Nature et Technologies du Canada (FRQNT).

Institut National de la Recherche Scientifique (INRS), Montreal, H5A 1K6, Canada

Zahra Mousavirazi, Hassan Naseri Gheisanab & Tayeb A. Denidni

Département de génie électrique Faculté d'ingénierie, Université d'Assiut, Assiut, Égypte

Mohamed Mamdouh M. Ali

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Conceptualisation, ZM et MMMA ; méthodologie, ZM et MMMA ; logiciel et simulation, ZM; validation, ZM, MMMA et TAD ; analyse formelle, ZM et MMMA ; enquête ZM, MMMA et HNG ; ressource, TAD ; rédaction—préparation du brouillon original, ZM et HNG ; rédaction—révision et édition, ZM, MMMA et TAD ; supervision, TAD Tous les auteurs ont revu le manuscrit.

Correspondance à Zahra Mousavirazi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Mousavirazi, Z., Ali, MMM, Gheisanab, HN et al. Analyse et conception d'un coupleur hybride PRGW ultra-large bande en utilisant le modèle de guide d'onde PEC/PMC. Sci Rep 12, 14214 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18343-0

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Reçu : 21 avril 2022

Accepté : 09 août 2022

Publié: 20 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18343-0

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