Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
De nombreuses techniques existent permettant la mesure et la caractérisation des matériaux composites manufacturés (à permittivité et perméabilité positives ou négatives) ou structuraux (à réseau périodique). L’article se focalise essentiellement sur les méthodes en espace libre souvent préférées aux techniques coaxiale, de cavité ou d’interférométrie. Parmi les raisons qui justifient ce choix, soulignons que ces méthodes nécessitent peu de préparation des échantillons, ne sont pas destructives, et restent sans contact. De plus, les techniques en espace libre sont adaptées aux mesures sous incidence variable et sous des températures relativement élevées.
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A significant number of techniques are available in order to measure and characterize manufactured composite materials (with positive or negative permittivity and permeability) or structural ones (with a periodic array). This article focuses mainly on the free-space methods which are often preferred to the coaxial, cavity or interferometry techniques; amongst the reasons that justify this choice, it must be noted that these methods require hardly any sample preparation, are not destructive and remain without contact. Furthermore, the free-space techniques are adapted to measurements at variable incidences and relatively high temperatures.
Auteur(s)
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Alain PRIOU : Professeur des universités - Directeur du Groupe d'électromagnétisme appliqué - Université Paris Ouest Nanterre -La Défense
INTRODUCTION
Pe but de cet article est de familiariser le lecteur avec les différentes techniques de mesure et de caractérisation des matériaux composites manufacturés (à permittivité et perméabilité données positives ou négatives) ou structuraux (utilisation de cellules élémentaires en réseau périodique 2D ou 3D, développés dans l'article [E1165]), constituant, entre autres, les milieux absorbants mais pouvant servir aux radômes et aussi aux matériaux pour des antennes.
De nombreuses méthodes existent, qui seront rappelées au début de cet article. Forts de notre expérience, nous avons retenu les méthodes en espace libre auxquelles sera consacrée la plus grande partie de ce dossier.
En effet, les méthodes en espace libre sont souvent préférées aux techniques coaxiales, de cavité, d'interférométrie à un cornet ou de sondes à terminaison coaxiale ouverte pour les raisons qui suivent.
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Les céramiques, les composites et les structures à métamatériaux sont des matériaux inhomogènes par suite même de leur procédé de fabrication. En guide d'onde, en coaxial, en cavité, des modes d'ordre supérieur au mode fondamental sont excités et on doit les prendre en compte dans le calcul.
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Par suite de leur hétérogénéité intrinsèque, de petits échantillons de matériau composite ne sont pas représentatifs du matériau entier. Il peut y avoir des dispersions importantes changeant complètement les propriétés de réflexion et de transmission ainsi que les propriétés intrinsèques des milieux.
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Les méthodes en espace libre sont non destructives et sans contact. Elles sont parfaitement adaptées aux mesures sous incidence variable et pour des mesures en température relativement élevée.
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Les méthodes en espace libre demandent peu de préparation des échantillons, ce qui n'est pas le cas des méthodes guidées ou des techniques de cavité.
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Avec les techniques en espace libre, des caractérisations large bande avec une grande plage d'angle d'incidence, des polarisations diverses et des conditions de température sont possibles sur des matériaux isotropes, anisotropes ou des milieux bi-anisotropes.
Les matériaux composites en électromagnétisme font l'objet de plusieurs articles :
[E1165] Modélisation des composites, du matériau électronique et des métamatériaux ;
[E1166] Matériaux absorbants radar ;
Matériaux composites en électromagnétisme- Caractérisation[E1167] Caractérisation des matériaux composites.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules [E1165] et [E1166].
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VERSIONS
- Version courante de févr. 2019 par André DE LUSTRAC, Gérard-Pascal PIAU
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Présentation
Techniques de contrôle non destructif des matériaux composites3. Techniques en espace libre
3.1 Principes
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Cette technique a été mentionnée en 1948 et, ensuite, en 1963. Elle fut abandonnée durant plusieurs années par suite du manque de précision et des difficultés pour obtenir des échantillons de plus grandes dimensions que celles nécessaires aux guides d'onde ou aux lignes TEM. Il a fallu attendre 1986 pour voir réapparaître cette technique de mesure et sa mise en application pour la caractérisation des matériaux dans le domaine des micro-ondes.
La méthode est principalement limitée par la précision du récepteur (0,05 dB en amplitude et 1° pour la phase) dépendant principalement des erreurs commises sur la mesure des paramètres S.
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En espace libre, l'échantillon inconnu est placé entre une antenne d'émission et une de réception. Les permittivités et les perméabilités complexes sont déduites par les mesures des variations d'amplitude et de phase d'une onde électromagnétique transmise ou réfléchie par l'échantillon.
Le modèle le plus simple utilisé consiste en une lame plane à faces parallèles éclairée par une onde plane. Dans ce cas, il est possible de relier le déphasage et l'atténuation de l'onde plane incidente avec les coefficients de transmission ou de réflexion pour divers angles d'incidence et diverses polarisations. Pour appliquer les relations de couplage entre les variations de phase et d'amplitude et les coefficients de transmission et de réflexion, on doit choisir des échantillons de dimensions telles que les phénomènes de diffraction par les bords soient négligeables. Cela signifie que la dimension transversale minimale de l'échantillon doit être plus grande que la largeur à 20 dB du faisceau d'émission en plan champ électrique E.
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Une onde électromagnétique plane peut être produite grâce à des lentilles ou des réflecteurs métalliques. Des ondes sphériques sont créées par un cornet micro-ondes. L'onde plane est produite par transformation des ondes sphériques par la surface de la lentille ou du réflecteur. La lentille ou le réflecteur métallique a un profil défini pour générer un champ équiphase par l'ouverture de l'antenne. Les deux systèmes diffèrent seulement par la position du cornet d'alimentation :
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avec une lentille, le cornet est placé devant la lentille et un faisceau focalisé émerge...
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Techniques en espace libre
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VON HIPPEL (A.R.) - Dielectric materials and applications. - Wiley New York 1954. Et VON HIPPEL (A.R.). – Dielectric and waves. Wiley New York 1954.
-
(2) - MAURENS (M.), PRIOU (A.), BRUNIER (P.), AUSSUDRE (S.), LOPEZ (M.), COMBES (P.) - Free-space microwave measurement technique for composite materials. - PIERS vol. 6, Special Issue od Dielectric Properties of Heterogeneous Materials, Guest Editor : A. Priou, Elsevier 1992.
-
(3) - PRIOU (A.) - Bi-anisotropic and bi-isotropic media and applications - PIER 9, EMW Publishing 1994.
-
(4) - PRIOU (A.), SIHVOLA (A.), TRETYAKOV (S.), VINOGRADOV (A.) - Advances in complex electromagnetic materials. - NATO ASI Series, n 3 High Technology, vol. 28, Kluwer Academic Publishers
-
(5) - WEIR (W.B.) - Automatic measurements of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. - Proc. of IEEE, vol. 62, n 1, jan. 1974, p. 33.
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Métamatériaux,
-
Métamatériaux : des micro-ondes à l'optique
ANNEXES
http://www.onera.fr/demr/contacts.php
http://www.cea.fr/le_cea/les_centres_cea/cesta
http://w3.u-psud.fr/AR/139.fr.html, site du LGEP
http://cva.u-paris10.fr/GEA, site du GEA
http://www.xlim.fr/, site Université de Limoges, Labo Xlim, http://www.xlim.fr/PHOTONIQUE, http://www.xlim.fr/C2S2, département de circuits et systèmes hyperfréquences, http://www.xlim.fr/OSA, Ondes et Systèmes Associés
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