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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1165 intitulé « Matériaux composites en électromagnétisme. Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériaux » rédigé par Alain PRIOU et paru en 2009.
RÉSUMÉ
Cet article présente des matériaux composites électromagnétiques à structures aléatoires et les différentes méthodes de modélisation qui s’appliquent à ces matériaux en fonction de leur composition. Ensuite sont abordés les matériaux artificiels à structure périodique, les métamatériaux, ainsi que les cristaux photoniques en commençant par les matériaux bidimensionnels, les surfaces sélectives en fréquence, les surfaces à haute impédance et les métasurfaces, puis les structures tridimensionnelles.
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-
Alain PRIOU : Professeur des universités - Directeur du Groupe d'électromagnétisme appliqué - Université Paris Ouest Nanterre-La Défense
INTRODUCTION
À partir des lois de Faraday et d'Ampère pour la magnétostatique et l'électrostatique, Maxwell a établi, en 1873, les équations dites de Maxwell qui sont une extension à l'espace et au temps des lois précédentes. Ces lois ont été vérifiées par Hertz en 1888 et, en 1905, A. Einstein, dans sa théorie de la relativité, montre toute l'élégance et la rigueur de la théorie de Maxwell.
Après avoir rappelé les lois de Maxwell avec les grandeurs fondamentales et la modélisation de couches homogènes, nous présenterons l'analogie entre les matériaux et les circuits électroniques, ce qui nous conduira à définir deux concepts de réalisation de matériaux pour l'électromagnétisme. Le premier, ou approche matériau, se rapporte à la réalisation de matériaux composites issus de mélanges de divers éléments et qui contiennent les paramètres constitutifs ε et µ, positifs ou négatifs ou positif/négatif ou négatif/positif. Le second concept, ou approche structurée qui consiste à la mise en réseau périodique d'inclusions ou d'agrégats (diélectriques, conducteurs ou métalliques). Cette dernière approche permettra de définir et de réaliser des matériaux électroniques et des métamatériaux à propriétés remarquables qui n'existent pas dans la nature. Dans chaque cas, nous aborderons les aspects de la modélisation et donnerons les applications spécifiques et principales en hyperfréquence.
Les matériaux composites en électromagnétisme font l'objet de plusieurs articles :
Matériaux composites en électromagnétisme- Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériauxE1165 : Matériaux chargés, matériaux électroniques et métamatériaux
E1166 Matériaux absorbants radar
E1167 Caractérisation des matériaux composites
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres articles.
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matériau composite métamatériau métasurface surfaces sélectives en fréquence surface à haute impédance
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Notions d'électromagnétisme4. Circuits électroniques et métamatériaux
Sous cette appellation, nous rangeons l'ensemble des matériaux structurés à partir d'éléments individuels organisés en réseau périodique. La définition de la cellule élémentaire se fait par la théorie des lignes et, quand le milieu est homogène, on obtient un matériau composite à permittivité (ou perméabilité ou les deux) équivalente qui peut devenir négative dans certains cas. Ce sera le cas des métamatériaux. Nous verrons, en outre, dans les métamatériaux que le caractère périodique ne constitue pas une condition impérative pour avoir des milieux à indice négatif.
Rappelons que nous avons montré que seule l'association de circuits électroniques série ou parallèle ou encore série/parallèle équivalents permettait d'envisager la réalisation de milieu à indice négatif ou à permittivité et perméabilité apparentes négatives. (Von Hippel : et Veselago ).
Avant d'aborder ces matériaux électroniques, nous avons donné sur la figure 13 le diagramme dimension de la particule élémentaire envisagée par rapport à la longueur d'onde et des exemples de matériaux composites réalisables par gamme de fréquence. Pour
, nous avons ajouté les écrans sélectifs en fréquence appelés FSS.
Dans le paragraphe précédent nous avons traité des matériaux composites comportant des particules plus ou moins sphériques et vu comment on pouvait modéliser des milieux transparents ou à...
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Circuits électroniques et métamatériaux
ANNEXES
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Métamatériaux :
* - http://physicsweb.org/articles/world/16/5/3/
* - http://www.cmth.ph.ic.ac.uk/photonics : site de l'Impérial Collège, Centre de Photonics, UK
* - http://physics.ucsd.edu/ : site de D. Smith, UCSD, USA
* - http://www.brl.ntt.co.jp/people/notomi/ : site de NTT, Japon, Photonic Nanostructures Research Group.
* - http://cmpweb.ameslab.gov/personnel/soukoulis : site de C. Soukoulis à AMES Lab, USA
* - http://www.iesl.forth.gr/ site du projet européen DALHM : Development and analysis of LHMaterials, IST project, IST-2001-35511, Grèce.
* - http://www.metamorphose-vi.org/ : site du Virtual Institute for Artificial EM materials and Metamaterials, METAMORPHOSE VI AISBL., Réseau d'Excellence Européen, Europe.
* - http://www.rayspan.com/technology/default.html : site de Rayspan Corporation
* - http://www.netgear.com/About/PressReleases/en6US/2008/2080106b.aspx
* - http://www.ese.upenn.edu/˜engheta/ : site de N. Engheta à l'université de Pennsylvanie, USA
* - http://www.mwlab.ee.ucla.edu/, et http://www.mwlab.ee.ucla.edu/posters.html :...
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