Soutenance de thèse de SCOTTI Chloé
Titre de thèse
Vers la Fiabilisation de la Caractérisation Non Destructive de Matériaux Hétérogènes en Hyperfréquence
Towards the Reliability of Non-Destructive Characterization of Heterogeneous Materials in Hyperfrequency Domain
Résumé de la thèse
La caractérisation électromagnétique des matériaux de furtivité nécessite une amélioration continue en précision et robustesse. Un moyen de caractérisation en espace libre innovant a été créé à cette fin. Son objectif est de remonter aux propriétés magnéto-diélectriques de matériaux radioélectriques hétérogènes par illumination monostatique à plusieurs angles d'incidence.
Bien que la démonstration de la perméabilité se soit révélée satisfaisante, la démonstration de la permittivité a soulevé des difficultés jusqu'alors non détectées. La caractérisation de la perméabilité et de la permittivité a demandé la conception de supports à échantillon adaptés à la caractérisation des dites propriétés en permettant à l'échantillon à se positionner dans une zone de fort champ correspondant à la propriété mesurée. Cette nouvelle configuration de mesure amis en évidence que les résultats de caractérisation des propriétés sont reliés aux propriétés des échantillons mais aussi de la configuration de mesure. En effet, pour des matériaux magnéto-diélectriques spatialement hétérogènes à perméabilité et épaisseur relativement faibles, on retrouve dans les travaux de X. Faget (2018) une bonne accordance entre les caractérisations réalisées en ligne coaxiale et celle menée en espace libre sur le moyen de mesure dans la configuration de mesure proche métal. Néanmoins, les résultats de la caractérisation de matériaux diélectriques ou magnéto-diélectriques à fort indice et/ou fort épaisseur sur le moyen en espace libre dans la configuration décalé métal divergent de ceux obtenus en ligne coaxiale. D'ailleurs, la partie imaginaire diverge plus rapidement des valeurs théoriques que la partie réelle lorsque l'indice matériau (ou l'épaisseur) augmente. L'approximation de Born, utilisée pour la simplification du problème complet et donc l'amélioration de la rapidité de caractérisation, s'est avérée jouer un rôle non négligeable dans l'estimation des propriétés matériaux. Le besoin de définir une matrice de couples indice matériau/épaisseur maximaux permettant une caractérisation satisfaisante est mis en évidence.
De plus, la configuration décalée participe à la reconstruction insatisfaisante de la permittivité puisqu'une augmentation des pertes par diffusion est constatée dans cette configuration particulièrement. Une métasurface de type Sievenpiper a été conçue et caractérisée afin de répondre au besoin en robustesse pour la caractérisation magnéto-diélectrique et notamment par rapport à la disposition de l'échantillon sous test. Son implémentation au dispositif de mesure permettrait de caractériser les propriétés radioélectriques dans la même configuration de mesure proche métal. La conception de la métasurface demande un compromis entre comportement résonance à la fréquence désirée, conformation, stabilité angulaire et représentation numérique fiable pour l'intégration au code d'inversion. Cette étape a montré les décalages à prendre en compte selon les conditions limites posées par les modélisations analytiques ou numériques et/ou selon les conditions expérimentales propres à chaque moyen de mesure comme les rapports entre les dimensions de la structure considérée ou les contraintes liées à l'illumination de la structure. De plus, le principe d'homogénéisation utilisée pour la description des comportements des métasurfaces montre des limitations lors de la confrontation numérique/expérimentale. Les premiers résultats de caractérisation utilisant la métasurface sont encourageants bien que demande des améliorations.
Thesis resume
The electromagnetic characterization of stealth materials requires continuous improvement in accuracy and robustness. An innovative free-space characterization method has been developed for this purpose. Its objective is to determine the magneto-dielectric properties of heterogeneous radiofrequency materials using monostatic illumination at multiple angles of incidence.
While the permeability demonstration proved satisfactory, the permittivity demonstration raised previously undetected challenges. The characterization of permeability and permittivity required the design of sample holders adapted to the characterization of these properties by allowing the sample to be positioned in a strong field zone corresponding to the measured property. This new measurement configuration highlights that the property characterization results are related to the properties of both the samples and the measurement configuration. Indeed, for spatially heterogeneous magneto-dielectric materials with relatively low permeability and thickness, we find in the work of X. Faget (2018) a good agreement between the characterizations carried out in coaxial line and that carried out in free space on the measuring means in the near-metal measurement configuration. Nevertheless, the results of the characterization of dielectric or magneto-dielectric materials with high index and/or high thickness on the free-space means in the metal-shifted configuration diverge from those obtained in coaxial line. Moreover, the imaginary part diverges more quickly from the theoretical values ​​than the real part when the material index (or thickness) increases. The Born approximation, used for the simplification of the complete problem and therefore the improvement of the speed of characterization, has proven to play a significant role in the estimation of material properties. The need to define a matrix of maximum material index/thickness pairs allowing satisfactory characterization is highlighted.
Furthermore, the offset configuration contributes to the unsatisfactory reconstruction of permittivity since an increase in diffusion losses is observed in this configuration in particular. A Sievenpiper-type metasurface was designed and characterized to meet the robustness requirement for magneto-dielectric characterization, particularly with respect to the layout of the sample under test. Its implementation in the measurement device would allow characterization of radioelectric properties in the same near-metal measurement configuration. The design of the metasurface requires a compromise between resonance behavior at the desired frequency, conformation, angular stability, and reliable numerical representation for integration into the inversion code. This step demonstrated the offsets to be taken into account depending on the boundary conditions imposed by analytical or numerical models and/or the experimental conditions specific to each measurement method, such as the relationships between the dimensions of the structure under consideration or the constraints related to the structure's illumination. Furthermore, the homogenization principle used for the description of metasurface behaviors shows limitations during numerical/experimental confrontation. The first characterization results using the metasurface are encouraging although they require improvements.