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Article

1 - CLASSIFICATION DES MATÉRIAUX

2 - CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX LINÉAIRES, HOMOGÈNES ET ISOTROPES

3 - PROBLÉMATIQUES PARTICULIÈRES

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SYMBOLES

7 - REMERCIEMENTS

Article de référence | Réf : E1157 v1

Conclusion
Caractérisation électromagnétique des matériaux anisotropes ou hétérogènes

Auteur(s) : Patrick QUÉFFÉLEC

Date de publication : 10 févr. 2018

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RÉSUMÉ

La mesure hyperfréquence des propriétés électromagnétiques (EM) des matériaux diélectriques ou magnétiques linéaires, homogènes et isotropes a fait l’objet depuis les années soixante-dix de nombreuses études et publications scientifiques. L'objet de cet article est, partant des méthodes classiques, de présenter aux ingénieurs les techniques de caractérisation hyperfréquences permettant la mesure des propriétés EM de matériaux non conventionnels: couches minces ferroélectriques ou ferromagnétiques, ferrites anisotropes, bétons, élastomères sous contrainte mécanique, en vue de leur application dans des secteurs aussi variés que les télécommunications, le génie civil, le transport, la santé, etc.

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ABSTRACT

Electromagnetic characterization of anisotropic or heterogeneous materials

Measuring microwave electromagnetic (EM) properties of linear, homogeneous and isotropic dielectric or magnetic materials has been the subject of numerous studies and scientific publications since the 1970s. This article directed to engineers presents, on the basis of conventional methods, microwave characterization techniques that allow the measurement of the EM properties of unconventional materials: ferroelectric or ferromagnetic thin films, anisotropic ferrites, concrete, and elastomers under mechanical strain, for their application in areas spanning telecommunications, civil engineering, transport, health, etc.

Auteur(s)

  • Patrick QUÉFFÉLEC : Professeur des universités - Lab-STICC – UMR CNRS 6285, université de Brest, France

INTRODUCTION

L'exploitation des propriétés physiques de certains matériaux a permis ces dernières années un grand nombre d'avancées technologiques dans le domaine des hyperfréquences. Citons, pour mémoire, la miniaturisation des circuits grâce à l'emploi de substrats diélectriques à forte permittivité, la réalisation de fonctions de traitement du signal, telles que l'atténuation, l'isolation, le déphasage, basées sur les propriétés des milieux ferrimagnétiques, ou encore la diminution des coûts de fabrication rendue possible par la mise au point de matériaux composites. Dans ce contexte, la caractérisation électromagnétique (EM) des matériaux s'impose pour, d'une part, contrôler les procédures de fabrication et les performances des matériaux qui rentrent dans la réalisation des dispositifs hyperfréquences et, d'autre part, développer de nouveaux matériaux.

Deux grandes classes de milieux, les diélectriques et les ferrites (céramiques ferrimagnétiques), sont couramment utilisés en hautes fréquences. Cependant, pour répondre aux cahiers des charges fixés par certaines applications, des matériaux nouveaux ont été élaborés ou sont actuellement à l'étude. Il s'agit, par exemple : des métamatériaux utilisés pour la réalisation de lentilles à haute résolution, d’antennes compactes et directives ou encore pour l'absorption des ondes EM ; des matériaux ordonnés à bande interdite photonique, les BIPS, interdisant la pénétration de rayonnement EM pour certaines fréquences et dont la principale application est la réalisation de réflecteurs d'antennes ; ou encore des supraconducteurs employés pour réduire les pertes ohmiques des pistes conductrices des circuits. Cette liste n'est naturellement pas exhaustive, elle montre cependant la complexité du travail de mise en œuvre des techniques de caractérisation, de par la diversité des propriétés des matériaux étudiés (absorbants, hétérogènes, anisotropes, etc.) et de leur conditionnement (liquides, couches épaisses, films minces, peintures, encres, etc.).

La mesure de la permittivité et de la perméabilité hyperfréquences des matériaux diélectriques et des matériaux magnétiques massifs isotropes et homogènes est actuellement bien maîtrisée, grâce à une grande diversité de techniques basées sur l’utilisation conjointe des analyseurs de réseaux de dernière génération et des structures résonantes (cavités fermées, semi-ouvertes, etc.) ou de propagation (ligne coaxiale, triplaque, guide d’ondes, etc.). Par contre, certains conditionnements de la matière, par exemple sous la forme de couches minces, ou l’étude de l’influence de certaines contraintes extérieures, par exemple mécaniques, électriques (tension de commande), magnétiques (courant de commande) ou thermiques, posent des problèmes de caractérisation EM non encore résolus.

Dans ce contexte, il convient de donner aux ingénieurs une présentation de base concernant la mesure des milieux aux propriétés classiques, e.g. matériaux diélectriques ou magnétiques linéaires, homogènes et isotropes (LHI) et une aide dans le choix de la technique de mesure la mieux adaptée à des matériaux présentant de fortes singularités de par leurs propriétés (anisotropes, hétérogènes), leur forme (couches minces, liquides, poudres), leur environnement applicatif qui impose l’application de contraintes variées : une commande statique (tension ou courant de commande), par exemple pour assurer l’accordabilité de certains dispositifs hyperfréquences, ou encore de contraintes mécaniques, thermiques, etc.

Dans une première section, nous rappelons les relations constitutives des milieux, en nous concentrant sur les matériaux diélectriques, magnétiques et conducteurs. Nous introduisons ensuite les notions de dispersion des propriétés EM des matériaux et d'absorption (effets dissipatifs) dans la matière.

Nous décrivons dans une deuxième section, après un bref historique sur le sujet et le rappel du principe général de la caractérisation EM des matériaux, les différentes techniques utilisées en hyperfréquences pour caractériser les matériaux diélectriques ou magnétiques LHI. Nous nous limitons dans cette section au cas des mesures en régime harmonique. Nous mettons en évidence les différents critères qui rentrent en jeu lors du choix d'une méthode de mesure (gamme de fréquences, propriétés et nature du matériau testé).

Enfin, dans une troisième section, nous présentons les différentes approches expérimentales qui peuvent être utilisées pour déterminer les propriétés EM de matériaux non conventionnels, tels que les couches minces ferroélectriques ou ferromagnétiques (non linéaires vis-à-vis d’une commande statique : tension ou courant), les ferrites aimantés (anisotropes), les bétons (hétérogènes) et les élastomères placés sous contrainte mécanique.

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KEYWORDS

Concrete   |   Electromagnetic characterization   |   thin films   |   magnetized ferrites   |   elastomer under mechanical strain

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e1157


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4. Conclusion

Dans cet article, après une brève description des différentes classes de matériaux (diélectriques, magnétiques, conducteurs), nous rappelons le principe de fonctionnement des deux principaux modes opératoires utilisés usuellement pour déterminer la permittivité et la perméabilité complexes des matériaux massifs linéaires, homogènes, isotropes (LHI) : la technique monofréquence en cavité résonante, bien adaptée aux matériaux diélectriques faibles pertes versus la méthode en réflexion/transmission basée sur l’utilisation d’une ligne à air coaxiale et qui répond bien au problème de la mesure large bande des propriétés fortement dispersives et dissipatives des matériaux magnétiques. Nous mettons en évidence les limitations de ces techniques conventionnelles pour déterminer les paramètres constitutifs de matériaux présentant des propriétés singulières. Ces singularités peuvent être la forme de l’échantillon à tester (couche mince), ses propriétés EM qui ne sont pas forcément toujours linéaires, isotropes et homogènes. Dans ce contexte, nous répondons à trois problématiques dans le domaine de la caractérisation EM des matériaux : i) quelles méthodes utiliser pour mesurer les propriétés EM des couches minces ferroélectriques ou ferromagnétiques ; ii) comment déterminer la réponse dynamique des matériaux anisotropes, avec l’exemple des ferrites aimantés dont la perméabilité est représentée par un tenseur d’ordre 3 ; iii) quelle approche pour prendre en compte le caractère hétérogène de certains matériaux comme les bétons hydrauliques ou bitumineux et enfin ; iv) comment prendre en compte la variation des propriétés EM des matériaux soumis à des contraintes extérieures, avec le cas des polymères subissant un étirement uniaxial.

Au travers de la description de méthodes de caractérisation EM développées pour répondre à des besoins bien particuliers dans divers secteurs d’activités (télécommunications, génie civil, transport, etc.), nous montrons qu’il n’existe pas de technique expérimentale universelle dans le domaine de la détermination des propriétés EM des matériaux. Certes dans les cas simples (milieux LHI), deux méthodes ont démontré leurs...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GARING (C.) -   Milieux diélectriques.  -  Ellipses (1995).

  • (2) - CHIKAZUMI (S.) -   Physics of magnetism.  -  J. Wiley and sons, New York, London (1964).

  • (3) - VON HIPEL (A.) -   Dielectric materials and applications.  -  Cambridge, MA : M.I.T. Press (1954).

  • (4) - RBOERT (S.), VON HIPEL (A.) -   A new method of measuring dielectric constant and loss in the range of centimetre waves.  -  J. Appl. Phys., vol. 17, pp. 610-616 (1946).

  • (5) - COMBES (P.F.) -   Micro-Ondes 1. Lignes, guides et cavités. Cours et exercices.  -  Édition Dunod (janvier 1996).

  • (6) - KRASZEWSKI (A.W.), NELSON (S.O.) -   Observations on Resonant Cavity Perturbation by Dielectric Objects.  -  IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,...

1 Sites Internet

Description du logiciel de simulation électromagnétique ANSYS HFSS :

http://www.ansys.com/

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2 Annuaire

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2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Monture de tests Anritsu 3 680 V series

Anritsu, Atsugi, Préfecture de Kanagawa, Japon :

https://www.anritsu.com/

Analyseurs de réseau vectoriel couvrant la gamme de fréquences [30 kHz – 50 GHz]

HP 8753ES, HP 8720, PNA E8364A

Agilent Technologies, Santa Clara, Californie, États-Unis :

http://www.agilent.com/

Analyseur de réseau vectoriel couvrant la gamme de fréquences [10 MHz – 67 GHz] ZVA67

Rohde & Schwarz, Munich, Allemagne :

https://www.rohde-schwarz.com/fr/accueil_48230.html

Banc de traction-flexion EX150 Deltalab SMT

Deltalab-SMT, 425 Boulevard Joseph Gay Lussac, 11000 Carcassonne :

http://www.deltalab.fr/

Ligne coaxiale à air standard 7 mm

Maury Microwave, Ontario, Californie, États-Unis distribué par MB Electronique :

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