Caractérisation électromagnétique des matériaux anisotropes ou hétérogènes

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.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.