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Thèse de doctorat

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Titre

Contribution à la résolution des équations de Maxwell dans les structures périodiques par la méthode des éléments finis

Auteur

Garnier, Romain

Directeur de thèse

Barka, André

Pascal, Olivier

Date de soutenance

2013-01-30

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Génie électrique, électronique, télécommunications et santé (GEETS)

Structure de recherche

Office national d'études et recherches aérospatiales (ONERA)

Discipline

Micro-ondes, electromagnétisme et optoélectronique

Sujet

Mathématiques

Mots-clés en français

Structures périodiques

Solveur mode propre

Modes de Surface

Méthode des éléments finis

Problèmes aux valeurs propres

Bande interdite électromagnétique

Matrices creuses

Couplage mutuel

Résumé en français

En électromagnétisme les structures périodiques suscitent un grand intérêt.Ces structures agissent ainsi comme des filtres fréquentiels et permettent la fabrication de méta-matériaux, composites et artificiels. Elles présentent des propriétés électromagnétiques inédites pour les matériaux naturels telles que des bandes interdites. On a ainsi pu fabriquer de nouveaux dispositifs permettant de guider, de focaliser ou de stopper la propagation. C'est par exemple utile pour éviter le couplage entre différents éléments rayonnants notamment via la caractérisation des ondes de surface qui se propagent à l'interface entre l'air et la structure périodique. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et propose une description de la méthode des éléments finis dédiée à la caractérisation des structures périodiques. La modélisation numérique aboutit à des problèmes de valeurs propres de grandes tailles. Elle implique la résolution de systèmes linéaires composés de matrices creuses. Une méthode est abordée pour résoudre ce type de problème, en optimisant et combinant différents algorithmes. Avant d'aborder les différents aspects de la méthode développée, nous établissons une liste exhaustive de l'ensemble des méthodes qui existent en énonçant leurs avantages et leurs inconvénients. Nous constatons notamment que la méthode des éléments finis permet de traiter un large éventail de structures périodiques en trois dimensions sans limitation sur leur forme géométrique. Nous présentons alors les différentes formulations de cette méthode. Ensuite les aspects algorithmiques de la méthode sont détaillés. Nous montrons notamment qu'une analyse des paramètres de résolution permet de préciser les interprétations physiques des résultats obtenus. Finalement nous présentons les performances de notre outil sur des cas d'applications issus de la littérature et nous abordons la caractérisation des ondes de surface. Pour cela, l'étude d'un réseau d'antennes patchs insérées dans des cavités métalliques est conduite. Notons pour conclure que les études conduites au cours de cette thèse ont abouti à la production d'un code utilisable dans un environnement de calcul initialement présent à l'ONERA.

Résumé en anglais

Electromagnetic periodic structures are of great interest. These structures act as frequency filters and allow the manufacturing of meta-materials which appear to be composite and artificial. They exhibit electromagnetic properties that are unusual to natural materials such as band gaps. This allows new devices to guide, focus or stop the propagation. This is for example useful to avoid coupling between various radiating elements via the characterization of the surface waves which propagate at the interface between air and the periodic structure. This thesis provides a description of the finite element method dedicated to the characterization of periodic structures. Numerical modelling results in eigenvalue problems of large sizes. It involves solving linear systems compounds of sparse matrices. A method is therefore discussed for solving this type of problem, optimizing and combining different algorithms. Before discussing the different aspects of the developed method, we establish an exhaustive list of all the existing methods by stating their advantages and drawbacks. We note that the finite element method can handle a wide range of periodic structures in three dimensions without limitation on their shape. We present different formulations of this method. Then the algorithmic aspects of the method are detailed. We show that an analysis of the resolution settings can impact the physical interpretations of the results. Finally we show the performance of our tool on classical validation results from the bibliography and we discuss the characterization of surface waves. Therefore, the study of a patch antenna array included in metal cavities is conducted. To conclude we can say that the studies conducted in this thesis have resulted in the production of a code used in an environment calculation initially present at ONERA.

Numéro national de thèse

2013TOU30026

Date de publication

2013-08-27T08:36:32