Academic literature on the topic 'Méthode des différentes finies dans le domaine temporel [fdtd]'

Les Antennes à Résonateur Diélectrique (DRA) représentent une nouvelle classe d'éléments rayonnants aux propriétés particulièrement intéressantes. Elles présentent en effet une large bande passante intrinsèque, associée à des pertes plus faibles que les antennes imprimées classiques. Dans le cas de notre étude, leur synthèse a été effectuée à l'aide de la Méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD), qui permet de les simuler sur un spectre très large et de prendre en compte leur caractère volumique. Plusieurs structures originales ont ainsi été proposées et validées, parmi lesquelles une structure " double substrat " à polarisation linéaire, large bande et particulièrement robuste. L'application de métallisations parasites sur le résonateur pour exciter une polarisation circulaire a aussi fait l'objet d'investigations. Des maquettes avec une métallisation parasite gravée sur le résonateur, ou encore des plots métalliques gravés sur le plan de masse ont permis de valider le principe exposé. Dans un deuxième temps, une formulation Multi-Région de la FDTD (MR/FDTD) a été proposce pour la simulation de DRAs environnés. Des techniques de compression combinant multirésolution et interpolation linéaire 2D ont été implantées dans le calcul des interactions entre les volumes, afin d'en diminuer significativement le coût en ressources informatiques. La flexibilité de la MR/FDTD ainsi obtenue a été illustrée au travers de nombreuses stratégies de simulation La MR/FDTD " multirésolution " a finalement été évaluée pour le traitement d'un réseau linéaire plan E de 8 DRAs. Durant cette thèse, deux études ont par conséquent été menées en parallèle, portant d'une part sur les outils de simulation, et d'autre part sur leur application à la synthèse de DRAs et les technologies mises en oeuvre pour leur réalisation.

Apres une introduction a la methode des differences finies dans le domaine temporel (fdtd), une discussion sur quelques methodes avancees est realisee. Nous nous sommes focalises sur des approches sequentielles qui permettent l'analyse du probleme en deux simulations distinctes. Ces methodes necessitent un echange important de donnees. Nous proposons donc une technique de compression de l'information "champ proche" qui permet la reduction de plus de 99% du nombre de donnees a stocker. Ensuite, un nouveau schema rapide pour la fdtd est introduit : la fdtd a grilles duales (dg-fdtd). Avec la dg-fdtd, l'antenne est caracterisee seule a l'aide d'une fdtd fine, puis son rayonnement primaire sert d'excitation a un volume fdtd grossier decrivant l'antenne avec son environnement. Ce nouveau schema est applique a la simulation de structures realistes. Finalement, deux techniques hybrides simples a mettre en oeuvre sont exposees. Elles sont basees sur l'hybridation de la dg-fdtd avec la mr-fdtd
After the introduction of the finite-difference time-domain method (fdtd), several advanced methods are given. We focused on sequential approaches that enables the overall analysis to be divided into two different fdtd simulations. These approaches require a large data exchange. We propose a new near-field data compression technique that reduces the near-field data file by 99%. Then, a new fdtd scheme for the fast simulation of surrounded antennas is presented : the dual-grid fdtd (dg-fdtd). With the dg-fdtd, the antenna is analysed alone with a fine fdtd simulation, then its primary radiation acts as the excitation of a coarsely meshed fdtd volume that includes both the antenna and its environment. The dg-fdtd is applied to the simulation of realistic structures. Finally, two simple hybrid techniques, easy to implement, are presented. They are based on the hybridisation of the dg-fdtd and the mr-fdtd

Les réseaux corporels sans fil (WBAN pour Wireless Body Area Network) consistent en un ensemble d'objets communicants placés directement sur ou à l'intérieur du corps humain. Les domaines d'application sont variés et s'étendent du domaine médical au domaine militaire en passant par les loisirs. Les travaux de cette thèse ont été consacrés au développement de nouvelles techniques de simulation électromagnétique dédiées à l'analyse rapide et précise de la transmission des ondes radio entre les objets communicants d'un réseau WBAN. Face à la nature tridimensionnelle et inhomogène du milieu de propagation, la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) s'est avérée la mieux adaptée pour résoudre ce genre de problème. Cependant, sous sa forme classique, cette méthode impose un schéma de maillage uniforme qui rend les simulations coûteuses en ressources informatiques. Deux nouveaux schémas multigrilles en FDTD sont proposés dans cette thèse. Ces schémas sont basés sur la division du problème global en sous-volumes FDTD indépendants permettant de caractériser chaque élément à l'aide d'un maillage approprié. Le transfert de l'information électromagnétique entre les volumes est assuré par l'utilisation de surfaces de prélèvement et d'excitation. Ainsi les schémas proposés sont stables. Après avoir validé ces nouvelles approches sur des cas simples, elles sont appliquées à la simulation de problèmes complexes et réalistes. La transmission entre une antenne implantée dans le corps humain et un dipôle en espace libre est tout d'abord analysée. Différentes postures du corps ainsi que différents environnement de propagation sont considérés. Le canal de propagation sur le corps humain est ensuite caractérisé à l'aide de deux antennes disposées sur le corps. Enfin, le débit d'absorption spécifique à 900 MHz dans le cerveau d'un fœtus est calculé à l'aide d'un modèle numérique de femme enceinte
This thesis aims at developing new Finite Difference Time Domain (FDTD) schemes for the fast and accurate simulation of Wireless Body Area Network problems. This emerging technology consists of several body sensors placed on or inside the body. The application range is wide. It concerns medical, entertainment and military domains. The FDTD is an efficient numerical technique for analysing waves propagation in complex environments such as the human body. However, it involves a uniform cubic grid, which leads to time consuming simulations. Two multigrid FDTD schemes are proposed in this thesis. They are based on the principle of dividing the general problem into independent FDTD sub-volumes which aim at characterising each element with an appropriate mesh. The electromagnetic information transfer is realised by the use of near-field and excitation surfaces. Thus, the proposed schemes are stable. These approaches are first validated using canonical examples. Then, they are applied to the simulation of complex and more realistic problems. The transmission between an implanted antenna and a simple dipole is firstly analysed. Several body postures and environment are considered. The WBAN on-body channel is then characterised by use of two antennas placed on the body surface. Finally, the specific absorption rate is calculated at 900 MHz in the fetal brain of a numerical pregnant woman model

Ce travail de thèse est une contribution à l’étude des propriétés optiques de structures plasmoniques composées de nanoparticules métalliques. Il s’appuie sur diverses simulations numériques réalisées à l’aide de la méthode des différences finies dans le domaine temporel ou FDTD (Finite-Difference Time-Domain). La première partie de ce travail concerne l’étude d’un réseau périodique de nanofils d’or, de section droite rectangulaire, situé au sein d’un environnement diélectrique multi-couches. L’influence des paramètres géométriques des nanofils, de la période du réseau et de l’épaisseur de diélectrique recouvrant les nanofils sur la position spectrale de la résonance plasmonique a été explorée. Cette étude a démontré que la longueur d’onde de résonance oscille quand l’épaisseur du diélectrique recouvrant les nanofils varie. Un modèle analytique simple a été développé afin de mieux appréhender l’origine de ces oscillations. L’influence des indices de réfraction de la matrice diélectrique sur les paramètres de l’oscillation a également été analysée. La deuxième partie de ce travail a été consacrée à la détermination et à l’étude de facteurs contrôlant la sensibilité des capteurs à résonance de plasmons de surface localisés. Différentes formes de nanoparticules et différents types de nanofils ont été analysés. De plus, trois grands thèmes ont été abordés :- l’influence sur la sensibilité du substrat sur lequel sont déposées les nanoparticules,- l’influence sur la sensibilité du matériau recouvrant les nanoparticules et,- l’origine du lien existant entre la longueur d’onde de résonance plasmonique et la sensibilité des nanoparticules à un changement d’indice de réfraction
This thesis is a contribution to the optical properties study of plasmonic structures composed by metallic nanoparticles. This study is based on numerical simulation results obtained by the Finite-Difference Time-Domain method (FDTD).The first part of this work is related to the analysis of gold nanowires periodic arrays, which section is rectangular, placed in a multi-layered dielectric environment. The influence of the nanowires geometrical parameters, of the array period and of the dielectric thickness covering the nanowires on the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) spectral position has been explored. This study especially demonstrated that the resonance wavelength oscillates when the dielectric thickness covering the nanowires is varying. A simple analytical model has been developed in order to better understand the oscillations origin. The influence of the refractive indexes of the dielectric matrix on the oscillation parameters has been analyzed too.The second part of this work concerns the determination and the study of factors controlling LSPR sensors sensitivity. Different shapes of nanoparticles and different kinds of nanowires have been considered. Moreover, three wide topics have been approached in this part:- the influence of the nanoparticles substrate on the sensitivity,- the influence of the material covering the nanoparticles on the sensitivity and,- the origin of the relationship between the LSPR wavelentgh and the refractive index sensitivity of the nanoparticles

Cette étude est consacrée à la mise en oeuvre de modèles électromagnétiques 2d et 3d destinés à l'étude d'éléments de circuits pour intégration monolithique. Dans la première partie, nous décrivons le système d'équations à la base de notre modèle. Il s'agit d'une formulation rigoureuse des équations de maxwell. Nous montrons que l'écriture de ces équations dans le système d'unités naturel permet d'obtenir un système d'équations différentielles aux dérivées partielles linéaire du premier ordre, hyperbolique et symétrique au sens de Friedrichs. Ce choix nous permet de mettre en oeuvre une méthode numérique de résolution basée sur l'utilisation des différences finies dans le domaine temporel, ainsi que nous le montrons dans la deuxième partie de notre mémoire. Plus précisément, nous utilisons un schéma numérique aux différences finies explicite, du type prédicteur-correcteur. Ce type de schéma présente deux avantages importants. D'une part, la formulation vectorielle ainsi obtenue facilite l'implantation de l'algorithme sur calculateur, et devrait permettre, à moyen terme, un transfert aisé sur machine vectorielle ou parallèle. D'autre part, ce type de schéma est compatible avec les modèles de dispositifs semiconducteurs mis au point au laboratoire, ce qui laisse envisager à long terme, un couplage possible des deux types de modèles
Dans une troisième et dernière partie, nous décrivons les applications possibles des modèles mis en oeuvre dans l'état actuel de leur développement. Nous y insistons en particulier sur les méthodes adoptées pour résoudre les problèmes de conditions aux limites, conditions de raccordement, conditions aux limites absorbantes et excitation des structures étudiées. Ces modèles permettent actuellement de mettre qualitativement en évidence les phénomènes électromagnétiques dans des guides d'ondes métalliques et des structures de type lignes planaires, en régime d'oscillations entretenues et dans la gamme des longueurs d'ondes millimétriques. Il est d'autre part possible d'extraire différentes grandeurs physiques importantes, telles que l'impédance caractéristique, la longueur d'onde guidée, ou la puissance électromagnétique véhiculée dans la structure. Finalement, nous présentons une comparaison théorie-expérience, consacrée à l'étude d'une transition guide rectangulaire métallique-ligne microruban, à 60 ghz. Cette comparaison est satisfaisante. La validation de nos modèles et les résultats satisfaisants obtenus devraient permettre d'envisager leur application à l'étude de circuits plaques en vue de leur intégration monolithique

Ce manuscrit présente les différentes sources d'incertitudes courantes lors des simulations des effets des ondes sur et dans le corps humain. Ainsi, même si les programmes utilisés en bio électromagnétisme de nos jours sont très performants (méthode FDTD, méthode One-Step limitée dans les cas à pertes), il reste des paramètres non maitrisables ou inconnus pouvant avoir un rôle sur le Débit d'Absorption Spécifique (DAS ou SAR) obtenu lors des simulations. La modélisation de la source, de sa position, mais aussi les propriétés diélectriques et la géométrie du modèle de tête ou de corps utilisés, sont autant d'incertitudes qu'il faut pouvoir quantifier. Dans ce but, des méthodes numériques permettant le calcul d'incertitudes et de sensibilités sont évaluées. La méthode de l'adjoint associée à la FDTD permet ainsi de connaître les sensibilités locales et peut être introduite dans un processus d'optimisation permettant ainsi de réduire les erreurs lors des études d'homogénéisation de structures multicouches. Les méthodes de collocation stochastiques permettent d'avoir une évaluation des moyennes, des variances, et des sensibilités globales. Les approches nodales et spectrales de collocation sont utilisées afin de déterminer l'influence des incertitudes des angles de propagation d'une onde plane sur l’évaluation du DAS, ainsi que l'influence des incertitudes concernant les propriétés diélectriques de deux modèles : le fantôme homogène SAM et la tête hétérogène d'enfant de 15ans.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la transmission d'énergie sans fil, appliquée à l'alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d'actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception,l'optimisation, la réalisation et la mesure de circuits Rectennas (Rectifying antennas)compacts, à faible coût et à haut rendement de conversion RF-DC.Un outil d'analyse globale, basé sur la méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD), a été développé et utilisé pour prédire avec précision la sortie DC des rectennas étudiées. Les résultats numériques obtenus se sont avérés plus précis et plus complets que ceux de simulations à base d'outils commerciaux. La diode Schottky a été rigoureusement modélisée, en tenant compte de ses éléments parasites et de son boîtier SOT23, et introduite dans le calcul itératif FDTD.Trois rectennas innovantes, en technologie micro-ruban, ont été développées,optimisées et caractérisées expérimentalement. Elles fonctionnent à 2.45 GHz et elles ne contiennent ni filtre d'entrée HF ni vias de retour à la masse. Des rendements supérieurs à 80% ont pu être mesurés avec une densité surfacique de puissance de l'ordre de 0.21 mW/cm²(E = 28 V/m). Une tension DC de 3.1 V a été mesurée aux bornes d'une charge optimale de1.05 k_, lorsque le niveau du champ électrique est égal à 34 V/m (0.31 mW/cm²).Des réseaux de rectennas connectées en série et en parallèle ont été développés. Les tensions et les puissances DC ont été doublées et quadruplées à l'aide de deux et de quatre éléments, respectivement.

Les travaux de cette thèse concerne l’étude d’une méthode élément finis d’ordre spatial élevé que l’on peut assimilé à une extension du schéma de Yee. On parle alors de méthode différences finies d’ordre élevé. Après avoir donné, dans un premier chapitre, un historique non exhaustif des principales méthodes utilisées pour résoudre les équations de Maxwell dans le cadre de problèmes de CEM et montré l’ intérêt de disposer d’un solveur de type "différences finies d’ ordre élevé", nous présentons dans un deuxième chapitre le principe de la méthode. Nous donnons pour cela les caractéristiques du schéma spatial et temporel en précisant les conditions de stabilité de la méthode. En outre, dans une étude purement numérique, nous étudions la convergence du schéma. On se focalise ensuite sur la possibilité d’utiliser des ordres spatiaux variable par cellules dans chaque direction de l’espace. Des comparaisons avec le schéma de Yee et un schéma de Galerkin Discontinu particulier sont ensuite effectuées pour montrer les gains en coûts calcul et mémoire et donc l’intérêt de notre approche par rapport aux deux autres. Dans un troisième chapitre, nous nous intéressons à l’étude de modèles physiques indispensable au traitement d’un problème de CEM. Pour cela, nous nous focalisons particulièrement sur un modèle de fil mince oblique, des modèles de matériaux volumiques et minces et enfin sur la prise en compte de sol parfaitement métallique dans une agression de type onde plane. Chaque modèle est détaillé et validé par comparaison avec des solutions analytiques ou résultant de la littérature, sur des exemples canoniques. Le quatrième chapitre est dédié à une technique d’hybridation entre notre méthode et une approche Galerkin Discontinu en vue de traiter des géométries possédant des courbures. Nous donnons pour cela une stratégie d’hybridation basée sur l’échange de flux qui garantie au niveau continue la conservation d’une énergie. Nous présentons ensuite quelques exemples montrant la validité de notre approche dans une stratégie multi-domaines/multi-méthodes que nous précisons. Enfin le dernier chapitre de cette thèse concerne l’exploitation de notre méthode sur des cas industriels en comparaisons avec d’autres méthodes ou des résultats expérimentaux
This thesis is about the study of a high spatial finite element method whichcan be assimilated at an extension of the Yee schema. In the next, this method is also called high order finite difference method. In the first chapter, we give a non exhaustive recall of the major methods used to treat EMC problems and we show the necessity to have this kind of schema to simulate efficiently some EMC configurations. In the second chapter, the principle of the numerical method is presented and a stability condition is given. A numerical study analysis of the schema convergence is also done. Next, we show the interest to have the possibility to use local spatial order by cell in each direction of the computational domain. Some canonic examples are given to show the advantages interms of CPU time and memory storage of the method by comparison with Yee’s scheme and DG approach. In the third chapter, we define and validate on several examples,some physical models as thin wire, materials and perfectly metallic ground in presence of a plane wave, to have the possibility to treat EMC problems. The fourth chapter is about a hybridization strategy between our high order FDTD method and a DG schema.We focalize our study on a hybrid method which provides an energy conservation of the continuous problem. A numerical example is given to validate the method. Finally, in the last chapter, we present some simulations on industrial problems to show the possibility of the method to treat realistic EMC problems