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En anglais
NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1164 intitulé « Matériaux composites en électromagnétisme- Introduction » rédigé par M. Alain PRIOU et paru en 2009.
RÉSUMÉ
Dans cet article, le concept de matériaux composites électromagnétiques est d’abord présenté, ainsi que le domaine de fréquence concerné. Les principes de modélisation et de caractérisation de ces matériaux sont introduits. Les rappels d’électromagnétisme indispensables sont ensuite énumérés, comme la propagation des ondes dans un milieu homogène et isotrope, et les lois de la réfraction et de la réflexion à l’interface entre deux milieux, et dans des structures multicouches. Ensuite, les propriétés générales des matériaux homogènes classiques sont rappelées, principalement pour les matériaux diélectriques, conducteurs et magnétiques.
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In this article, the concept of electromagnetic composite materials is first presented, with the relevant frequency domain. The principles of simulation and characterization of these materials are introduced. The main concepts of electromagnetism are enumerated, such as the propagation of waves in a homogeneous isotropic material, and the laws of Snell-Descartes at the interface between two materials and in a stratified structure. The main properties of classical homogeneous materials are then presented, mainly for dielectric, conductive and magnetic materials.
Auteur(s)
-
André de LUSTRAC : Professeur des universités – Université Paris Nanterre - Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N) - Université Paris Sud, Orsay, France
INTRODUCTION
En électromagnétisme, tous les secteurs industriels, de l’aéronautique à l’aérospatiale, en passant par l’automobile, le maritime, le ferroviaire, et les radiocommunications sont demandeurs de matériaux composites pour remplir de nouvelles fonctions et satisfaire les nouveaux besoins en termes d’économie d’énergie, d’adaptabilité, de coût, de légèreté et de compacité. Ces matériaux composites, chargés d’inclusions diélectriques ou conductrices, actifs ou passifs, peuvent apporter des solutions. Cet article fait partie d’une série d’articles dédiés aux matériaux composites en électromagnétisme, dans lesquels nous avons souhaité faire un point sur les matériaux composites existants, ou à venir, et indiquer les applications et domaines concernés. Dans cet article, nous définissons le domaine des hyperfréquences, puis la notion de matériau composite électromagnétique, pour ensuite évoquer les aspects modélisation et caractérisation de ces matériaux. Nous introduisons ensuite les principales grandeurs électromagnétiques que nous utiliserons par la suite.
Cette série sur les matériaux composites en électromagnétisme se poursuit avec les articles suivants :
-
[E 1 165] Matériaux composites électromagnétiques et métamatériaux ;
-
[E 1 166] Matériaux composites en électromagnétisme – Matériaux absorbants radar ;
-
[E 1 167] Matériaux composites en électromagnétisme – Caractérisation.
Ces articles sont indépendants, nous y abordons la modélisation des composites passifs ou actifs et des métamatériaux. Puis, nous détaillons les milieux absorbants et les grands principes qui les régissent, ainsi que de nouveaux concepts de matériaux fins appelés métasurfaces, et nous terminons par les procédés de caractérisation de ces milieux composites.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
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KEYWORDS
absorption | permittivity | permeability | composite material | metamaterial
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 2009 par Alain PRIOU
DOI (Digital Object Identifier)
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Notions élémentaires d’électromagnétisme
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3. Modélisation et caractérisation de ces matériaux
Pour tous les matériaux composites électromagnétiques, les caractéristiques électromagnétiques, la permittivité et la perméabilité effectives, réelles et imaginaires, ainsi que la conductivité, sont les propriétés principales à estimer et mesurer. On en déduit les paramètres de propagation, tels que les impédances, l’indice optique, les coefficients de réflexion, de transmission et d’absorption. La modélisation électromagnétique complète de ces matériaux, qui s’est beaucoup développée ces dernières années, grâce aux progrès considérables des logiciels, des méthodes numériques et des calculateurs, permet très souvent d’obtenir une bonne estimation de ces grandeurs avant la fabrication du matériau et sa caractérisation. De nombreux logiciels sont disponibles, soit payants, soit gratuits, pour réaliser ces simulations. Nous verrons dans l’article [E 1 165] les principes généraux de cette simulation et sa mise en œuvre.
La mesure des coefficients d’absorption, de réflexion et de transmission, en fonction de la fréquence, de la polarisation et de l’angle d’incidence, donne des informations très importantes sur les propriétés de ces matériaux. Cela permet de les classer dans un premier temps en termes de milieux transparents, réfléchissants, à pertes ou absorbants. La comparaison de ces mesures avec les résultats de simulation est souvent éclairante dans la mesure où on simule souvent un matériau idéal, et où la mesure expérimentale nous indique ensuite si le matériau réel se rapproche ou non de cet idéal. Par ailleurs, la mesure permet parfois de mettre en évidence des phénomènes physiques mal pris en compte dans la simulation, et donc d’améliorer celle-ci. Ces méthodes de mesure sont détaillées dans l’article ...
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Modélisation et caractérisation de ces matériaux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CAPOLINO (F.) - Theory and phenomena of metamaterials. - CRC Press (2009).
-
(2) - PAUL (F.) - Goldsmith, quasioptical systems. - IEEE Press/Chapman & Hall Publishers Series on Microwave Technology and RF (1998).
-
(3) - VESELAGO (V.G.) - The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. - Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, n° 4 (1967).
-
(4) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Low frequency plasmons in thin wire structures. - J. Phys. Condens. Matter, vol. 10, p. 4785-4809 (1998).
-
(5) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Magnetism from conductors and enhancednonlinear phenomena. - IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, n° 11, nov. 1999.
-
(6) - SMITH (D.R.), PADILLA...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Matériaux composites électromagnétiques et métamatériaux
-
Matériaux composites en électromagnétisme – Matériaux absorbants radar
ANNEXES
1 Outils logiciels (liste non exhaustive)
Il existe plusieurs outils logiciels permettant de résoudre les équations de Maxwell, soit des logiciels généralistes de calcul numérique (Matlab, Scilab, Octave...), soit des logiciels plus spécialisés (Ansys, Comsol, CST, Quickfield...). Certains sont payants, d’autres disponibles gratuitement.
Certains des produits payants ont cependant des versions étudiantes gratuites
Ansys HFSS http://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss
Comsol RF https://www.comsol.com/rf-module
CST Studio suite https://www.cst.com/products/csts2
Matlab https://fr.mathworks.com/products/matlab.html
Mathematica https://www.wolfram.com/mathematica/
Outils gratuits de simulation électromagnétique :
Quickfield https://quickfield.com/fr/free_soft.htm
Onelab http://onelab.info/wiki/ONELAB
OpenEMS http://openems.de/start/index.php
Outils...
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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