Radômes actifs utilisant des matériaux et structures à propriétés électromagnétiques contrôlées

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Sous la direction de Valérie Vignéras-Lefebvre
Thèse soutenue le 28 octobre 2009: Bordeaux 1
Les recherches que nous présentons dans ce mémoire s'inscrivent dans le cadre du développement de nouvelles structures et de l'étude de matériaux accordables en vue d'une intégration industrielle comme radôme actif.Plus particulièrement, ils consistent en la réalisation d'un dispositif micro-onde permettant à la fois un filtrage et une agilité fréquentiels en espace libre. Des structures basées sur des surfaces sélectives en fréquences, pour l'aspect filtrage, et sur des matériaux de type ferroélectrique, pour l'aspect accordabilité, sont développées. Des modélisations et des simulations électromagnétiques montrent que le changement de permittivité du matériau, obtenu par application d'un champ électrique externe, permet le pilotage fréquentiel de la transmission de la structure. Une mise en oeuvre expérimentale complète ces travaux, au cours de laquelle des prototypes ont été fabriqués par des techniques de photolithographie, puis caractérisés en espace libre grâce à un banc ABmm. Les mesures micro-ondes valident ainsi les résultats de simulations menées en amont et montrent les possibilités de contrôler la fréquence de transmission du radôme.
-Surfaces sélectives en fréquences
-Accordabilité
-Métamatériau
-Radôme actif
-Permittivité
-Matériaux ferroélectriques
-Films minces
-BST
-PVDF-TrFE-CFE...
The research we present in this memory registers within the framework to develop new structures and to study tunable materials for an industrial integration as an active radome. Specifically, they consist of achieving a free space microwave device for both a filtering behaviour and a frequency agility behaviour. Structures based on frequency selective surfaces, for the filtering aspect, and on ferroelectric materials for the tuning aspect, are developed. Modeling and simulations show that the change of the material permittivity, obtained by applying an external electric field, enable piloting the transmission frequency of the structure. An experimental implementation complete this work and prototypes have been fabricated by photolithography techniques and then characterized in free space with a bench ABmm. Thus, microwave measurements validate the results of simulations and show the possibility to control the frequency transmission of the radome.
-Frequency selective surfaces
-Tunability
-Metamaterial
-Active radome
-Permittivity
-Ferroelectric material
-Thin films
-BST
-P(VDF-TrFE-CFE)
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13862/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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N° d’ordre : 3862

THÈSE
présentée à

L'UNIVERSITÉ BORDEAUX

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR

par Guillaume LUNET

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPÉCIALITÉ : électronique



RADOME ACTIF UTILISANT DES MATERIAUX ET STRUCTURES A
PROPRIETES ELECTROMAGNETIQUES CONTROLEES.




Soutenue le 28 octobre 2009 devant la commission d’examen :

M. T. MONEDIERE Professeur à l’Université de Limoges Rapporteur
M. B. SAUVIAC Professeur à l’Université de St- Etienne Rapporteur
M. P. MASCLET Responsable Scientifique de la Division Matériaux de la DGA Examinateur
M. J.-P. PARNEIX Professeur à l’ENSCPB Examinateur
Mme V. VIGNERAS-LEFEBVRE Professeur à l’ENSCPB Directrice de thèse

-2009-














A Erine,
A Sandrine,
A l‟Amour.







« La Matière suit l‟Energie, l‟Energie suit la Pensée. »
Extrait d’une discussion avec un inconnu médecin, quelque part sur
le chemin de fer reliant Paris à Bordeaux, un jour comme les autres
de novembre 2007.



Remerciements

Ces travaux de recherche ont été effectués à la faculté des Sciences de l‟Université de
Bordeaux, au sein du laboratoire I.M.S, grâce au soutien financier de la D.G.A.
meJe remercie sincèrement mon directeur de thèse, M le Professeur Valérie VIGNERAS, pour
le sujet qu‟elle m‟a proposé et pour l‟aide qu‟elle m‟a prodigué tout au long de ce doctorat. Je me suis
humainement considérablement enrichi à son contact et je l‟en remercie.
Je remercie mon responsable scientifique à la D.G.A., M. Philippe MASCLET, d‟avoir suivi
ces travaux de thèse et d‟avoir participé au jury de thèse. A travers lui, je tiens à remercier l‟ensemble
de la Délégation Générale pour l‟Armement pour l‟encadrement actif de leurs doctorants.
J‟associe à ces remerciements M. le Professeur Bruno SAUVIAC et M. le Professeur Thierry
MONEDIERE pour avoir accepté de rapporter ces travaux de thèse. Je remercie également M. le
Professeur Jean-Paul PARNEIX pour avoir présidé ce jury de thèse.
Un grand merci à toutes les personnes qui ont contribué à la réalisation de ces travaux : à
Mylène et à Adrien pour la fabrication des prototypes, à Sylvain, à Riad et à Laurent pour les
expérimentations, ainsi que pour toutes les discussions scientifiques et, bien entendu, un immense
merci à Hussein pour avoir partagé de manière très agréable et très constructive l‟espace qui nous
était dédié; ce travail est le sien.
Je souhaite souligner l‟ambiance agréable qui règne au laboratoire et remercie en particulier
Nathalie, Habiba et Minh Trung pour leur soutien au quotidien. J‟associe à ces remerciements
Guillaume, Heather, Renaud, François, Lionel, Gilles, Guillaume, Fabrice, Annabelle, Pascal,
Emmanuelle et tous les autres membres du laboratoire. Qu‟ils soient remerciés pour leurs
sympathiques échanges. Enfin, je remercie M. Bernard VEYRET sans qui je n‟aurais probablement
pas passé ces trois dernières années au laboratoire I.M.S.
De manière plus personnelle, je tiens à remercier tous mes amis qui m‟apportent chaque jour
une part importante de bonheur. Je remercie du fond du cœur ma famille et notamment, ma sœur et
mes parents. Je remercie également ma « belle » famille pour leur soutien et pour avoir fait grandir
une si magnifique compagne. Je remercie Sandrine doublement, d‟une part pour le soutien
considérable qu‟elle m‟apporte chaque jour et pour le beau cadeau qu‟elle m‟a fait avec la venue au
monde d‟Erine.
















Sommaire
TABLE DES MATIERES
Introduction Générale _________________________________________________ 15
Chapitre 1. Etat de l’Art 19
Introduction _________________________ 21
I. LES STRUCTURES PERIODIQUES _____________________________________ 22
I.1. Les Cristaux Photoniques _____________________ 22
I.1.1. Présentation des BIP. 22
I.1.2. Propriétés électromagnétiques. _____________ 24
I.1.3. Applications en micro-ondes. ______________ 27
I.2. Les Métamatériaux __________________________________________________________ 28
I.2.1. Présentation des matériaux à indice optique négatif. _____________________________ 28
I.2.2. Propriétés Electromagnétiques. _____________ 30
I.2.3. Applications en micro-ondes. ______________ 31
I.3. Les Surfaces Artificielles Complexes ____________________________________________ 33
I.3.1. Les surfaces à hautes impédances. ___________ 33
I.3.2. Les Surfaces Sélectives en Fréquences (FSS). __ 35
II. TECHNIQUES D’AGILITE ____________ 38
II.1. Agilité basée sur des composants intégrés _______________________________________ 38
II.1.1. Les Diodes ____________________________________________________________ 38
II.1.2. Les MEMS 41
II.1.3. Les Transistors FET _____________________ 43
II.1.4. Le Contrôle Optique ____________________ 44
II.2. Agilité basée sur des matériaux ______________________________________________ 45
II.2.1. Les Cristaux Liquides 45
II.2.2. Les Piézoélectriques _____________________ 47
II.2.3. Les Ferroélectriques 48
II.2.4. Les Matériaux Magnétiques _______________ 49
III. DISCUSSIONS ______________________________________________________ 51
III.1. Comparaisons des méthodes pour réaliser l‟agilité ________________________________ 51
III.2. Les Radômes Actifs ________________________ 53
III.3. Choix de la ligne de conduite des travaux de thèse 54
Conclusion __________________________________________________________ 55



Sommaire
Chapitre 2. Modélisation de Surfaces Sélectives en Fréquences ____________ 57
Introduction _________________________________________________________ 57
I. THEORIE DES SURFACES SELECTIVES EN FREQUENCE ________________ 60
I.1. Explications physiques et comparaisons électroniques_______________________________ 60
I.2. La matrice de diffusion _______________________ 64
II. LES METHODES DE MODELISATION _________________________________ 66
II.1. La méthode des éléments finis _______________ 66
II.2. La méthode de la ligne de transmission __________ 68
III. ETUDE DE MOTIFS POUR DES SURFACES SELECTIVES EN FREQUENCES70
III.1. Les motifs dipôles et tripôles _________________________________________________ 70
III.1.1. Paramètres géométriques ________________ 71
III.1.2. Etude de dispositifs multicouches __________ 73
III.2. Les autres éléments simples usuels ____________ 75
III.2.1. Les motifs croix _______________________ 75
III.2.2. Les motifs boucles _____________________________________________________ 75
III.3. Association de boucles et de dipôles : le motif « oméga » ___________________________ 77
III.4. Le choix de l‟élément inductif résonant _________ 79
IV. ETUDE COMPLEMENTAIRE SUR LE MOTIF OMEGA __________________ 81
IV.1. Isotropie _________________________________________________________________ 81
IV.2. Etude Paramétrique de la FSS de Cellule Isotrope 84
IV.2.1. La taille des motifs & Comparaison des méthodes de simulation__________________ 84
IV.2.2. La forme des motifs omégas ______________________________________________ 88
IV.2.3. La position des motifs ___________________ 89
IV.3. Analyse par Circuit Electronique Equivalent _____ 90
Conclusion __________________________________________________________ 93
Chapitre 3. La Structure Active ___________ 95
Introduction _________________________ 95
I. LA STRUCTURE A 2 FSS _______________________________________________ 98
I.1. Présentation de la structure « sandwich » _________ 98
I.2. Etude du substrat diélectrique __________________ 99
I.2.1. Influence de la permittivité du substrat _______ 99
I.2.2. Influence de l‟épaisseur du substrat _________ 100
I.2.3. Agilité fréquentielle par modification de la permittivité du substrat ________________ 102
I.3. Amplitude du Signal Transmis ________________________________ 103
I.3.1. Étude de la largeur des motifs omégas. ______ 103

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