Academic literature on the topic 'Électromagnétisme – Matériaux – Propriétés électromagnétiques'

Victor Veselago (1929–2018) est un physicien russe spécialiste des ondes électromagnétiques. Il a publié en 1968 un article fondateur de la théorie des métamatériaux dans lequel il décrit les propriétés électromagnétiques de matériaux ayant des permittivités et perméabilités négatives. Ses travaux seront popularisés plusieurs décennies plus tard par le développement des métamatériaux par John Pendry.

De nos jours, le développement rapide des systèmes électroniques complexes multiplie les sources de perturbations électromagnétiques, auxquelles un nombre de circuits actuels deviennent de plus en plus susceptibles. Il devient donc indispensable de prédire les comportements des circuits intégrés vis-à-vis de ces perturbations, qu’elles soient conduites ou rayonnées. Cette thèse propose donc une méthodologie de simulation de l’immunité conduite et rayonnée des circuits intégrés dans leur environnement. Les travaux ont été menés sur un circuit intégré multi-cœur précédemment utilisé pour l’étude des techniques de réduction des émissions parasites. Celui-ci a permis, en sus de la méthodologie déjà citée, d’identifier quelques règles de conception en vue d’une meilleure immunité électromagnétique. Le premier chapitre est consacré à l’étude des origines des perturbations électromagnétiques et de leurs influences sur le comportement des circuits intégrés, ainsi que des méthodes de mesure de la susceptibilité en modes conduit et rayonné, en harmonique et en transitoire. Les chapitres 2 et 3 présentent des modèles électriques complets pour la simulation de l’immunité en mode conduit d’un circuit intégré, respectivement en harmonique (DPI - Direct Power Injection) et en transitoire (VF-TLP - Very Fast Transmission Line Pulsing). Les pertes en puissance ainsi que le substrat du circuit intégré ont également été modélisés. Dans le chapitre 4, un modèle de simulation d’injection en champ proche (en mode rayonné) est introduit et validé par des mesures de susceptibilité effectuées sur des circuits en boîtier avec et sans couvercle. Enfin, l’utilisation de diverses techniques de réduction de l’émission parasite des circuits intégrés pour la diminution conjointe de leur susceptibilité en modes conduit et rayonné est étudiée et discutée dans le chapitre 5. Les perspectives de cette thèse couvrent la prédiction avant fonderie de l’immunité des circuits intégrés aux agressions externes ainsi que la fourniture de leurs modèles pour la simulation d’immunité au niveau carte et au niveau système
Nowadays, the steep growth of mass-market complex electronic systems is the source of numerous electromagnetic disturbances, to with an increasing number of integrated circuits (ICs) are becoming more and more susceptible. Therefore, predicting the behaviour of integrated circuits to electromagnetic aggression, conducted or radiated, is a topical demand. This thesis introduces a new simulation methodology aimed to assess the conducted and radiated immunity of integrated circuits in their environment. The whole study was conducted thanks to a multi-core integrated circuit which was initially intended for the validation of low-emission design techniques; this circuit also made it possible to define new design rules to increase the immunity of integrated circuits against electromagnetic interference. This thesis is organized as follows. In the first chapter, an investigation of several electromagnetic disturbance sources and their influences on the behavior of integrated circuits is presented. Moreover, in the same chapter, the existing measurement methods for IC susceptibility to conducted and radiated, either continuous harmonic or fast transient pulses, are detailed. In the second and third chapters, complete electrical models for the simulation of conducted immunity are presented, with respect to continuous harmonic (DPI - Direct Power Injection) and fast transient (VF-TLP - Very Fast Transmission Line Pulsing) injection modes, respectively; furthermore, simplified electrical models for power losses and IC substrates are introduced. In the fourth chapter, a complete immunity simulation model for the near field (radiated) injection method is established and validated by measurements on the integrated circuit encapsulated in normal and unshielded packages. Finally, the fifth chapter is focused on the demonstration of the validity of suggested emission reduction techniques for susceptibility reduction, as well as their classification according to their respective efficiencies and costs. The prospective of this thesis lies in the development of pre-manufacturing immunity prediction models for integrated circuits; these models can be used for the immunity simulation of an IC located on a printed circuit board inside a complex system

La généralisation de l’utilisation des matériaux composites a rendu indispensable la connaissance de leurs propriétés électromagnétiques. Celles ci sont définies à partir des valeurs de leurs paramètres intrinsèques. Au cours de cette thèse, nous avons étudié les matériaux composites à indice de réfraction négatif. Nous avons développé des méthodes de calcul théoriques capables de traduire correctement leurs paramètres intrinsèques. Ensuite, nous avons mis en place des modèles électriques basés sur des résultats expérimentaux issus de bancs de mesure que nous avons conçus. Ces modèles nous ont permis de décrire la participation de chacun des composants d’un métamatériau à la réponse globale du système. Enfin, nous avons vérifié la faisabilité de systèmes à base de métamatériaux réalisant une fonction d’absorption. Pour cela, nous avons réalisé des structures à base de résonateurs fendus dissymétriques électriquement résonants, puis dans un souci de performance, nous avons évolué vers des structures à base de surfaces fractales
The knowledge of the electromagnetic properties of composite materials has become indispensable since their use was generalized. These electromagnetic properties are defined with their intrinsic parameter values. In this thesis, we have studied composite materials with a negative refractive index. We have developed theoretical methods capable of correctly translating their intrinsic parameters. Then, we have set up theoretical models based on experimental results obtained from experimental benches realized in our lab. These models have led to the description of the participation of each of the material components to the global response of the system. Finally, we have verified the feasibility of metamaterial based systems in order to realize an absorbing function. To do so, we have realized structures based

Les matériaux à Bande Interdite Electromagnétique (BIE) 3D diélectriques ou métalliques présentent des propriétés de filtrages fréquentiels et spatiaux très intéressantes. La principale difficulté dans ce domaine reste leur conception. La techniq ue du prototypage rapide offre une solution en réalisant des structures céramiques couche par couche à partir d'une pâte photo polymérisable par radiation UV. Une fois frittée, la céramique possède les mêmes propriétés que celles obtenues par des techniques de réalisation plus traditionnelles. Ce mémoire est consacré à la caractérisation de ces structures à partir de leurs propriétés électromagnétiques. Un banc de mesure en espace libre permet d'identifier la bande interdite des structures réalisées. L'objectif de ce travail est d'utiliser les structures ainsi caractérisées pour réaliser des antennes BIE. Le filtrage spatial et fréquentiel permet le contrôle des directions privilégiées du rayonnement et de la directivité de l'antenne
3-D dielectric or metallic Electromagnetic BandGap (EBG) materials allow interesting properties in spatial and frequency filtering. One of the most difficult things in this domain is to realize it. The rapid prototyping offers a solution. A part is built layer by layer. An UV laser comes to polymerize a paste composed of ceramic and photosensitive resin. The ceramic, after sintering, has the same properties than those obtained through traditional manufacturing processes. The purpose of this report is to characterize this kind of materials by using their own electromagnetic properties. A bench of measurement in free space is used to identify the bandgap over a large frequency range of the manufactured structures. EBG antennas are realized from the manufactured and characterized 3-D electromagnetic bandgap materials. The filtering of the spatial and frequency wave obtained with those materials allowscontrolling the radiation directions and the directivity of the antenna

Cette thèse entre dans le cadre d’un projet de recherche intitulé Electromagnetic Characterization of new Materials for Industrial Applications up to microwave frequencies (EMINDA). Il a pour objectif principal de développer une traçabilité électromagnétique de matériaux fonctionnels afin de permettre l’adoption de ces matériaux dans les industries européennes plus particulièrement dans le domaine de l’électronique. Le projet vise dans un premier temps à développer des techniques de caractérisation électromagnétiques des matériaux à l’échelle submicronique aux fréquences micro-ondes, puis par la suite à élargir la traçabilité métrologique de ces matériaux car la métrologie des propriétés électromagnétiques des matériaux. Une technique de caractérisation électromagnétique sur des matériaux ferroélectrique (BST et PZT) en couches minces à partir d’une topologie CPW pour en déterminer leurs propriétés électromagnétiques a été développée dans cette thèse. La topologie CPW a été privilégiée dans la réalisation de ces mesures hyperfréquences, car elle est compatible avec les exigences métrologiques de traçabilité des mesures aux unités du SI. Ce travail de thèse a également pour objectif de réaliser des mesures comparatives entre laboratoires nationaux de métrologie utilisant des techniques expérimentales différentes. Ces travaux constitueront au final au niveau européen, une base de mesures des propriétés électromagnétiques de matériaux émergents dans l’industrie avec une grande précision sur les incertitudes pour des mesures allant jusqu’à 110 GHz
This thesis is part of a Join Research Project entitled Electromagnetic Characterization of new Materials for Industrial Applications up to microwave frequencies (EMINDA). The central aim of EMINDA is to develop traceable Electromagnetic (EM) materials metrology to enable the uptake of new EM and functional materials by European industries, especially electronics and ICT related industries.The project aims initially to develop techniques for electromagnetic characterization of materials at the submicron scale to microwave frequencies, and later to extend the metrological traceability of these materials. An electromagnetic characterization technique has been developed to extract electromagnetic properties of ferroelectric thin films (BST and PZT) from a CPW topology (CoPlanar Waveguide). CPW measurements on such thin-films have been shown to be the most tractable for metrological purposes.This thesis also aims to make comparative measurements between national metrology institutes using different experimental techniques. This work will constitute at European level, a measurement base of electromagnetic properties of emerging materials in industry with high accuracy on uncertainties measurements up to 110 GHz

L'étude des milieux electromagnétiques a été, historiquement, une démarche passive, dans le sens que les structures sous étude étaient des structures naturelles, et la mission du physicien était de modéliser et comprendre leur comportement. Ce travail était principalement un travail d'observation. Pourtant, depuis une vingtaine d'années les avancées de la technologie moderne ont ouvert une possibilité qui avait pas été envisagé auparavant: la création de milieux artificiels, avec des propriétés nouvelles, voire exotiques. Dans ce mémoire je présente des résultats dans la modélisation des deux principales types de structures à naitre de cette revolution des matériaux electromagnétiques: les cristaux photoniques et les milieux composés à indice négatif. Les cristaux photoniques sont des structures dielectriques périodiques qui fonctionnent à des longueurs d'onde à l'échelle de leur périodicité. Leur forte dispersion spatiale donne lieu à des nombreux phénomènes et applications. En particulier, je présente des résultats concernant l'effet superprisme. Je montre que en utilisant des cristaux avec des cellules de base de forme rectangulaire il est possible d'améliorer le taux de transmission de la lumière incidente dans le cristal par rapport à d'autres géometries. Les métamatériaux composés sont des structures périodiques metallo-dielectriques fonctionnant à des longueurs d'onde plus grandes que leur périodicité. A des longueurs d'onde sufisamment grandes ces structures se comportent comme des milieux homogènes caractérisés par des paramètres tensoriels de permittivité et perméabilité. Ces paramètres peuvent prendre des valeurs en dehors du domaine naturellement disponible; notamment il est possible de concevoir des matériaux avec une permittivité et perméabilité simultanément négative, donnant lieu à un indice de refraction négatif. Cependant, il n'est pas toujours évident que un modèle homogène soit adapté pour decrire le comportement d'une structure donnée à une longueur d'onde donnée. C'est un aspect souvent passé sous silence dans la littérature. Dans ce travail je pose la question de savoir dans quelle mesure un matériau donné s'apprête à être décrit par un modèle homogène. Je propose une méthode qui permet de identifier des domaines de fréquence où une structure puisse être décrite quantitativement par des paramètres effectifs de permittivité et perméabilité. Ce travail ouvre la voie vers une compréhension plus détaillée de la transition entre comportement homogène et inhomogène dans les métamatériaux composés
The study of electromagnetic media has historically been an essentially passive endeavor, in the sense that the structures being studied were naturally occurring, and the physicist attempted to model and understand their behavior. The work was mainly one of observation. However, over the last two decades, the advances of modern technology have opened up a possibility which had not been imagined previously: the design of new, non-naturally occurring media with surprising, exotic, properties. The physicist no longer simply observed existing materials, but could design and create new ones. In this work I discuss the modeling of the two most important types of structures that have come out of the electromagnetic medium revolution: photonic crystals and composite metamaterials. Photonic crystals are periodic dielectric structures operating at wavelengths that are on the same scale as the periodicity. Their strong spatial dispersive properties have given rise to numerous applications. In particular I discuss the super-prism effect and show that by using crystals with rectangular unit cells it is possible to improve the transmission efficiency into such structures considerably. Composite metamaterials are periodic metal-dielectric structures operating at wavelengths larger than the structure period. If properly designed these structures behave as homogeneous media described by effective permittivity and permeability parameters. These effective parameters can be designed to take values in domains that are not available in naturally occurring media; notably it is possible to design composite metamaterials with simultaneously negative permittivity and permeability, or, in other words, with a negative refractive index. In the existing literature one commonly finds numerical or experimental studies claiming to have demonstrated the existence of a negative index of refraction in a given structure without providing sufficient arguments that an effective medium model is justified at the operating wavelength for the given structure. In this work I take a detailed look at the assumptions on which effective medium models rely and put forward a method for determining frequency domains where a given structure may or may not be accurately described by simply specifying effective medium parameters

Ce travail de thèse, consacré à la modélisation électrique ainsi qu’à la caractérisation électromagnétique des métamatériaux main gauche applicable aux dispositifs hyperfréquences, a permis dans un premier temps de contribuer à clarifier les domaines de validité des modèles quasi statiques de structures planaires du type "Mushroom", puis dans un deuxième temps, de montrer, à travers la modélisation électromagnétique et la mesure de structures résonantes de type SRRs (Split Ring Resonators), que le comportement main gauche dans les SRRs est principalement dû à des couplages magnétoélectriques (phénomène de bianisotropie). Ainsi la réfraction négative qui a été déjà mesurée, à travers un prisme composé de SRRs et fils métalliques, n’est pas nécessairement due à la double négativité de la permittivité et de la perméabilité. Cette nouvelle manière d’appréhender l’origine du comportement main gauche nous a permis d’introduire d’autres structures plus simples à réaliser que les SRRs, tels que les anneaux et les disques, conduisant ainsi à la possibilité de créer une lentille de focalisation ainsi que des filtres hyperfréquences miniaturisés.

Cette thèse porte sur la caractérisation non destructive de structures 2D magnéto-diélectriques inhomogènes complexes. L’ensemble des étapes allant de l’expérience au traitement du problème inverse est traité. Dans un premier temps, un modèle direct reliant le champ diffusé aux propriétés électromagnétiques du matériau a été mis en place. Ce modèle requiert des calculs par éléments finis de la propagation de l’onde électromagnétique, en présence de l’objet observé lorsque celui-ci est positionné sur un support métallique. Une validation expérimentale a été réalisée via la mise en place d'un banc de mesure multi statique. Différentes étapes d'ajustements et d'étalonnages ont permis la réduction du bruit de mesure ainsi que des biais. L’inversion est traitée principalement par une approche linéaire, avec un choix attentif de la valeur des hyper paramètres qui y sont associés. Une fois les outils mis en place, six études ont été réalisées pour la validation de notre système d’imagerie 2D des propriétés électromagnétiques de matériaux magnéto-diélectriques inhomogènes. Cela comprend l’évaluation des incertitudes de mesure, de la résolution spatiale, la mesure de différents matériaux magnétiques et l’utilisation de différents supports à géométries variées. L’ensemble des résultats expérimentaux réalisés se place dans une hypothèse de géométrie 2D. C’est pourquoi, nous avons ensuite orienté nos travaux vers la recherche d’un design innovant permettant de faire évoluer le banc de mesure en un dispositif d’imagerie 3D. Dans cette perspective, une source secondaire vient se déplacer proche de la cible pour acquérir de l’information selon la troisième dimension
The subject of this thesis is the non-destructive characterization of complex inhomogeneous magneto-dielectric structures. Successively, the experimental developments, the modelling and the data treatments stages are addressed. A forward model that links the scattered field to the electromagnetic properties is established. This model requires some finite element computations in order to estimate the propagation of the electromagnetic wave in presence of the magneto-dielectric object which is glued on a metallic support. A multistatic bench has been designed and constructed in order to collect measured scattered fields. Several adjustments and calibration procedures have been carried out to reduce the measurement noise and biases. Next, the inverse problem has been dealt with, in order to retrieve the electromagnetic properties of the samples, from the measured scattered field. The inverse problem is mainly solved with a linear approach, with a careful selection of the hyperparameters. Once the system has been fine tuned, six studies have been realized to validate our 2D imaging system. The assessment of the measurement uncertainty, the evaluation of the spatial resolution, the characterization of various magnetics materials and the use of different supports with variable geometries have been performed. So far, all the developments were done under a 2D hypothesis. That is why, we have then focused our research on the design of a 3D innovative imaging setup. To this end, a secondary source moving close to the target has been added in order to gain information in the third direction. A numerical study has been performed to assess the expected performances of this new setup

Le travail présenté apporte un aperçu général de la technologie micro-ondes et de ses applications en chimie et aux traitements des matériaux. Nous avons voulu participer au développement de cette nouvelle méthode de traitement en reconsidérant les questions d'optimisation et contrôle des procédés au moyen de la mesure des propriétés électromagnétiques Dans cet objectif, nous avons mesuré les propriétés diélectriques des matériaux au cours des procédés : réticulation des résines thermodurcissables, ramollissement des polymères thermoplastiques, gélification du PVC-plastisol et séchage des bois. La méthode des perturbations en cavités résonnantes est utilisée, d'abord en champ faible puis en champ fort afin de mieux comprendre la réponse de ces divers produits traités par les micro-ondes. Par la suite, nous avons étudié la préparation des pigments céramiques à partir de la calcination d'un mélange d'oxydes métalliques par les micro-ondes et par chauffage mixte. La préparation a été rapide, sélective et hétérogène en fonction des propriétés électromagnétiques des oxydes utilisés. Des résultats d'intérêt technologique ont été obtenus concernant la stabilité thermique, et la structure des produits. En fin, des réactions de benzoylation et sulfonylation de composés aromatiques (Friedel-Crafts) ont été conduites en batch comme un étude préliminaire du procédé en continu. La mesure des propriétés diélectriques des espèces chimiques et des solutions impliquées, a apporté une rationalisation sur les réactions en batch et aussi sur les procédés en continu en ce qui concerne l'absorption des micro-ondes et l'optimisation énergétique des procédés. Le procédé en continu a été mis au point pour diverses réactions à l'échelle pilote, ce qui montre de bonnes perspectives pour une démarche à l'échelle industrielle.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie automobile comme pièces de structure. Alliant légèreté et bonnes propriétés mécaniques, ils ont remplacé les métaux classiquement adoptés dans la fabrication de moyens de transport. Toutefois, l'emploi des matériaux composites doit tenir compte de leur comportement électromagnétique. En effet, les composites à fibres conductrices, généralement moins conducteurs que les métaux, engendrent une interaction avec les ondes électromagnétiques, différente de celle introduite par les alliages métalliques. Il s'avère donc important de développer des outils de modélisation permettant de mieux appréhender le comportement électromagnétique de matériaux composites, et d'éclairer les changements qu'apportent ces matériaux sur la distribution des champs, provenant d'une multitude de sources externes, au voisinage des systèmes mécatroniques. Par ailleurs, l'étude du comportement électromagnétique de matériaux composites permet de tirer parti de leurs propriétés mécaniques attractives afin d'alléger les boîtiers de blindage en gardant un niveau d'atténuation conforme aux normes de l'industrie. Cependant, la modélisation numérique de structures composites de grande taille, telles que les boîtiers de blindage, bien que classiquement adoptée pour les structures métalliques, est rendue complexe par le fait que les composites présentent des hétérogénéités à l'échelle microscopique, et que leurs mécanismes de blindage diffèrent de ceux des conducteurs homogènes. Le calcul numérique s'avère envisageable une fois le composite remplacé par un matériau homogène ayant une réponse identique face à une sollicitation électromagnétique. Ainsi, au travers de ce travail de thèse, nous proposons une technique d'homogénéisation permettant d'estimer les propriétés électriques équivalentes que nous appliquons aux composites à fibres conductrices unidirectionnelles et tissées. Les résultats obtenus sont utilisés pour la simulation numérique d'un boîtier de blindage
Composite materials are widely used in the automotive industry as structural components. By combining lightness and robust mechanical properties, they are increasigly replacing the conventionnally used metallic alloys, for the manufacturing of vehicle parts. However, the use of composite materials is not without consequences on the electromagnetic behavior of these parts. Since carbon fiber reinforced composites are generally worse conductors of electricity than metals, they interact differently with the electromagnetic waves which surround them. It is therefore important to develop modeling tools to better understand the electromagnetic behavior of composite materials. This is to explain the changes that these materials bring to the distribution of waves, generated by a multitude of external sources, in the vicinity of mechatronic systems. On the other hand, the study of the electromagnetic behavior of composite materials makes it possible to determine the possibility of taking advantage of their attractive mechanical properties in order to further reduce the weight of electromagnetic shielding enclosures while maintaining a level of attenuation in accordance with the standards of the industry. However, numerical modeling of large composite structures, such as shielding enclosures, although conventionally adopted for metal structures, is hindered by the fact that composites exhibit heterogeneities at the microscopic scale. The numerical calculation becomes possible once the composite is replaced by a homogeneous material that exhibits an identical response to an identical electromagnetic solicitation. In this work, we present a homogenization technique, based on finite element simulation and an optimisation method, that computes an estimate of the equivalent electrical properties of unidirectional and woven fiber reinforced composites. The results are then used to simulate the shielding effectiveness of an enclosure constructed by combining composite materials and metallic alloys

Lorsqu’un avion est frappé par la foudre, les tensions et courants induits sur le câblage peuvent perturber le fonctionnement des équipements électroniques et ce d’autant plus si le fuselage est en partie composite. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle électromagnétique d’un avion composite frappé par la foudre afin de calculer les contraintes en courant sur le câblage. Tous les calculs sont effectués grâce au simulateur TEMSI-FD basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). L’utilisation d’un formalisme original de fils obliques ainsi que l’application d’une méthodologie basée sur les plans d’expériences permettent de prendre en compte tout le câblage interne d’un aéronef. De plus, afin de diminuer les temps de calcul, un algorithme basé sur l’extrapolation de signaux temporels est conçu. La comparaison des résultats avec les mesures effectuées sur avion valide le modèle et démontre son utilité durant le processus de certification
When an aircraft is struck by lightning, voltages and currents induced on the wire harnesses can cause damages on equipments and compromise flight safety. Those indirect effects are even more deleterious due to the increasing use of composite materials. This thesis deals with the study of lightning indirect effects on a composite aircraft by numerical simulation. Computations are realized using the TEMSI-FD simulator based on the finite-difference timedomain method (FDTD). It is possible to model the entire cable harness present inside the aircraft thanks to a new formalism allowing one to consider oblique wires in the FDTD grid and through the application of the design of experiments method. Furthermore, a new algorithm extrapolating signals in the time domain permits one to reduce the computation time. The good agreement between the induced currents calculated and measurements on aicraft demonstrates the model’s usefulness during the certification process