L’objectif de cette étude est le développement des logiciels de modélisation électromagnétique spécifique aux cellules de caractérisation micro-ondes des matériaux. Ce développement s’appuie sur des méthodes numériques alternatives à celle des éléments finis largement utilisés dans des logiciels de commerce. Pour le besoin d’extraction des propriétés des matériaux par des méthodes de modélisation inverse, la recherche en l’efficacité numérique de l’analyse directe est le point central de cette étude.
Les cellules de caractérisation ciblées dans ce travail concernent une cellule coaxiale et une cellule en ligne planaire. La présence d’un matériau inconnu est modélisée par une structure de transmission hétérogène stratifiée. L’application de la méthode de l’opérateur transverse (TOM) sur la cellule coaxiale multicouche a permis la détermination de la constante de propagation du mode fondamental, la répartition des champs électromagnétique, et les caractéristiques des modes d’ordre supérieurs pour le besoin de la caractérisation des discontinuités entre ligne vide et ligne chargée. Dans le cas de la cellule en microruban l’utilisation de la méthode de résonance transverse modifiée (MTRM) a permis la détermination des caractéristiques des modes d’ordre fondamental et supérieur. Chaque cellule étant constitué de plusieurs sections différentes, la matrice S de l’ensemble sera déterminée par l’utilisation de plusieurs méthodes modales : méthode de raccordement modal (« Mode Matching ») et méthode variationnelle multimodale (MVM).
Les codes d’analyse directe sont couplés avec plusieurs programmes d’optimisation pour constituer les logiciels d’extraction des paramètres matériaux. Ceux-ci sont appliqués à des échantillons de matériaux sous forme de cylindre trouée par la cellule coaxiale, ou de plaquette rectangulaire mince par la cellule microruban. Des résultats d’extraction large bande ont été obtenus ; des valeurs sont comparables avec ceux publiés. Aussi bien des diélectriques à fortes pertes que des matéraux nano structurés ont fait l’objet des études par nos méthodes.
Mots clés:
Méthode numérique, procédure d'optimisation, cellule coaxiale, matériau diélectrique à forte perte, matériau de Nanostructure.
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Several numerical approaches of computational electromagnetics are presented and applied in this dissertation to characterize the inhomogeneous stratified guiding structures including the transverse and longitudinal discontinuities.
The rigorous formulation of transverse operator method is introduced for analyzing the transverse discontinuity in the partially dielectric-loaded rectangular waveguide and coaxial cell. The propagation constants and transverse field distributions of the fundamental and higher-order modes are determined for multi-layered structures. It turns out a good accuracy compared with the commercial FEM simulations.
To solve the uniaxial discontinuities, the mode matching and multimodal variational techniques are described for the characterization of scattering parameters of the constitutive waveguides. And the theoretical analyses have been validated by comparison of the results from the simulation software. An optimization procedure is carried out for the dielectric relative permittivity extraction.
For more information of the nanostructure materials, such as Double Negative Metamaterials (DNM), the microstrip line measurement bench has been used for simultaneous characterization of the permittivity and permeability by Nicolson-Ross-Weir algorithm. This technique has been validated on several sample of nanostructure materials.
Keywords:
Numerical method, optimization procedure, Coaxial cell, high-loss dielectric material, Nanostructure material.
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