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Article

1 - PROPRIÉTÉS ÉLECTROMAGNÉTIQUES DES MATÉRIAUX

2 - SYSTÈMES DE MESURE HYPERFRÉQUENCE

3 - TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : R1117 v1

Techniques de caractérisation
Mesure hyperfréquence des propriétés électromagnétiques de matériaux : 300 MHz à 300 GHz

Auteur(s) : Kamel HADDADI

Relu et validé le 14 déc. 2021

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RÉSUMÉ

Cet article de synthèse décrit les techniques de caractérisation hyperfréquence de matériaux. Ce travail constitue un guide pour le lecteur en intégrant l’essentiel des fondements théoriques de l’interaction onde/matière, les méthodes de mesure et l’instrumentation associée. La mise en œuvre des techniques de caractérisation est illustrée au travers d’exemples d’application.

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ABSTRACT

Microwave measurement of electromagnetic material properties

Microwave techniques for the electromagnetic characterisation of materials are described. This article is intended primarily as a guide for readers: it outlines the foundations and theory of wave / matter interaction, measurement techniques and related instrumentation. The measurement methods are illustrated by applied examples.

Auteur(s)

  • Kamel HADDADI : Maître de conférences - Université de Lille – Sciences et Technologies - Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie, UMR CNRS 8520, Villeneuve d'Ascq, France

INTRODUCTION

Depuis des décennies, les techniques de caractérisation électromagnétique dans le domaine des hyperfréquences sont mises en œuvre dans les laboratoires de recherche et l’industrie. La pénétration de ces méthodes dans des secteurs aussi variés que l’électronique, l’aéronautique, le génie civil, la chimie ou la biologie s’expliquent par la nécessité de caractériser avec précision les matériaux. En effet, ces mesures nous renseignent sur la santé d’un matériau. Les caractéristiques électromagnétiques du matériau sont également indispensables pour concevoir des systèmes.

Ce travail se veut un article de synthèse intégrant l’essentiel des fondements théoriques de l’interaction onde/matière, des techniques de caractérisation électromagnétique et de l’instrumentation associée. Cet article constitue un guide pour le lecteur afin qu’il détermine la technique et l’instrumentation associée en fonction de l’application visée.

Les propriétés électromagnétiques des matériaux sont exposées en premier lieu. Les systèmes de mesure hyperfréquence sont présentés dans la deuxième partie. Les techniques de caractérisation électromagnétique sont décrites en dernière partie. La formulation du problème direct et la méthode pour traiter le problème inverse sont développées pour chacune des techniques de mesure.

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KEYWORDS

non destructive testing (NDT)   |   dielectric properties   |   Electromagnetic characterization   |   complex permittivity   |   complex permeability   |   vector network analyzer   |   six-port technology

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r1117


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3. Techniques de caractérisation

3.1 Interaction onde-matière

Lorsqu’une onde hyperfréquence rencontre une transition entre deux milieux diélectriques, trois types d’effets vont intervenir suivant la nature de la surface de transition.

  • Réflexion et réfraction : si la surface du matériau est plane, le rayonnement est réfléchi selon les lois de l’optique géométrique. Si le second milieu est plus ou moins transparent aux ondes, le rayonnement peut aussi être transmis au travers de celui-ci.

  • Diffusion : à l’échelle sublongueur d’onde, le rayonnement électromagnétique peut interagir avec les particules (ou la surface du matériau). Dans ce cas, l’onde hyperfréquence est redistribuée dans l’espace suite à l’interaction avec la particule (ou la surface). Les caractéristiques de la diffusion sont liées à la fois à la taille des particules (ou la rugosité de surface) et à la longueur d’onde du signal hyperfréquence incident.

  • Absorption : le phénomène correspond à la dissipation de l’énergie électromagnétique dans le matériau et dépend principalement du facteur de dissipation diélectrique du matériau.

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3.2 Sonde coaxiale ouverte

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3.2.1 Principe de mesure

Il est bien plus souvent pratique de mesurer le signal réfléchi par un objet plutôt que le signal transmis. C’est le cas notamment lorsqu’une seule face du matériau est accessible. La méthode de caractérisation diélectrique par sonde (ou ligne) coaxiale repose ainsi sur la détermination du facteur de réflexion de la discontinuité entre une sonde coaxiale ouverte et le matériau sous investigation sur une large gamme de fréquences. Cette méthode est l’une des plus répandues car elle ne nécessite pas a priori de conditionnement du matériau sous test. La technique nécessite de placer la sonde en contact franc avec le matériau solide ou en immergeant la sonde dans le cas de la mesure de...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DEBYE (P.J.W.) -   Polar molecules.  -  Chemical Catalog Company, Incorporated (1929).

  • (2) - COLE (K.S.), COLE (R.H.) -   Dispersion and absorption in dielectrics I. Alternating current characteristics.  -  The Journal of chemical physics 9.4 : p. 341-351 (1941).

  • (3) - DAVIDSON (D.W.), COLE (R.H.) -   Dielectric relaxation in glycerol, propylene glycol, and n-propanol.  -  The Journal of Chemical Physics 19.12 : 1484-1490 (1951).

  • (4) - MAXWELL GARNETT (J.C.) -   Colours in metal glasses, in metallic films, and in metallic solutions.  -  II. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character : 237-288 (1906).

  • (5) - BRUGGEMAN (V.D.) -   Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der Mischkörper aus isotropen Substanzen.  -  Annalen der physik 416.7 : 636-664 (1935).

  • ...

1 Outils logiciels

Ansys High Frequency Structure Simulator (HFSS)®

ANSYS France SAS® (Montigny-le-Bretonneux, France)

http://www.ansys.com

Computer Simulation Technology (CST) Studio Suite®

CST France Eurl Map® (Massy, France)

http://www.cst.com

Advanced Design System (ADS) Momentum 3D

Keysight Technologies France SAS® (Les Ulis, France)

http://www.keysight.fr

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2 Annuaire

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2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Keysight Technologies France SAS® (Les Ulis, France)

http://www.keysight.fr

Rohde & Schwarz France SAS® (Meudon, France)

http://www.rohde-schwarz.com

Équipements Scientifiques® (ES) (Garches, France)

http://www.es-france.com

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