Ondes électromagnétiques guidées/Guide rectangulaire

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Dans ce chapitre, est un guide d'ondes :

  • de section droite rectangulaire
  • supposé illimité dans la direction
  • parfaitement conducteur
  • creux
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Ondes électromagnétiques guidées/Guide rectangulaire
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On souhaite propager dans ce guide une onde de pulsation ω. Son vecteur d'onde dans le vide a pour norme et sa longueur d'onde dans le vide est .

Panneau d’avertissement On ne s'intéressera dans cette page qu’à la propagation des modes TE.

Étude des modes TEm0

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Quantification

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Supposons dans un premier temps le champ électrique polarisé rectilignement suivant  .

 

On a vu que ce champ satisfaisait :

  • l'équation  
  • l'équation d'Helmotz  
  • les conditions aux limites. Le champ électrique étant suivant la direction  , on a  . Les équations de passage du champ électrique assurent alors que  

On en tire les conclusions suivantes :

  • Du premier point, on tire  , ce qui permet de se ramener à  
  • La réinjection de ce premier résultat dans le deuxième point donne l'équation différentielle vérifiée par  
La résolution de cette équation différentielle donne des solutions de la forme  
  • La condition aux limites   impose  
La condition aux limites   impose  

Finalement, le champ électrique a pour expression  .



Dispersion et coupure

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La quantification   donne, pour un entier   donné, la relation de dispersion  

Les modes propagés ont pour pulsation  

Début d’un théorème
Fin du théorème


Vitesse de phase, vitesse de groupe

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Pour  , une onde progressive est susceptible de se propager.

  • La vitesse de phase vaut  
  • La vitesse de groupe vaut  

La vitesse de groupe est inférieure à c. La propagation est donc plus lente dans un guide que dans le vide.

Interprétation géométrique

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Pour propager une onde électromagnétique dans le guide, il faut  . Il existe alors   tel que  .

On a  .

Tout se passe donc comme si l’on décomposait le vecteur d'onde   suivant deux composantes :

  • la composante suivant  , transversale par rapport à la direction de propagation de l'onde, notée  
  • la composante suivant  , parallèle à la direction de propagation de l'onde, notée  

Les normes de ces vecteurs vérifient de plus  

L'angle θ est alors équivalent à l'angle d'incidence de l'onde sur le guide. Cette vision des choses permet de retomber sur les résultats montrés plus tôt :

  • Dans la direction  , on a une onde progressive de vecteur d'onde  . Sa vitesse de phase est  
  • Dans la direction  , on obtient une onde stationnaire de vecteur d'onde   quantifié.


Quantification des incidences

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Si on poursuit l'approche géométrique du paragraphe précédent, étudions l'influence de θ sur la propagation. Pour une onde de pulsation ω déterminée :

 .
Début d’un théorème
Fin du théorème


Si on souhaite propager un signal polychromatique dans un certain mode TEm0, à chaque fréquence correspond une incidence donnée. Chaque fréquence se propage alors dans le guide « suivant ses propres zigzags », et donc à des vitesses suivant   différentes. Ceci explique le phénomène de dispersion.

Étude des modes TE0n

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Supposons à présent le champ électrique polarisé rectilignement suivant  . De la même manière que précédemment, on obtient que ce champ est :

  • progressif dans la direction  
  • stationnaire dans la direction  
  • quantifié par un entier n. Chaque valeur de n définit un mode.
  • indépendant en module de z.

 

Étude des modes TEmn

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Cherchons à présent la forme d'un champ électrique propagé de direction quelconque. En mode TE, tout champ électrique propagé est la superposition d'un champ électrique suivant   et d'un champ électrique suivant  . En effectuant la superposition des résultats obtenus aux paragraphes précédents dans le cas le plus général, on subodore au final une double quantification des champs électriques transversaux.

Note : Pour trouver l’expression analytique de ces modes supérieurs, il faut reprendre depuis le début le système des équations vérifiées par Ex et Ey, et résoudre ce système par la méthode de séparation des variables. Vous pouvez essayer de faire ces calculs pour vous entraîner à la résolution de ce type de problème. On peut également retrouver directement tous ces résultats en partant des fonctions génératrices, ce qui est proposé en exercice.




Début de l'exemple
Fin de l'exemple


On peut alors de la même manière que précédemment décomposer le vecteur d'onde en 2 composantes :

  • Dans la direction  , un vecteur d'onde   représentant une onde progressive.
  • Dans la direction orthogonale à  , un vecteur d'onde   représentant une onde stationnaire.

Le vecteur d'onde   est de norme quantifiée  

La relation de dispersion devient :

 

Les modes propagés ont alors pour pulsation:

 
Début d’un théorème
Fin du théorème