Este trabalho apresenta um novo formalismo bi-dimensional em diferenças finitas no domínio do tempo (2D-FDTD) para a simulação de estruturas baseadas em metamateriais. A natureza dispersiva destes meios é levada em consideração de forma precisa pela inclusão dos modelos materiais de Drude para os tensores permissividade elétrica e permeabilidade magnética. Todos os elementos dos tensores são considerados neste formalismo, o que o torna muito atraente para a modelagem de uma classe geral de estruturas eletromagnéticas. Dois efeitos de enorme impacto são analisados em detalhes, sendo eles a cobertura de invisibilidade e o rotacionamento de campo. Ambos os efeitos requerem a utilização de técnicas de transformação de coordenadas a qual deve ser aplicada apenas na região onde os campos eletromagnéticos precisam ser manipulados, tirando vantagem da invariância das equações de Maxwell quanto a estas operações. Esta técnica redefine localmente os parâmetros de permissividade e permeabilidade do meio transformado. O formalismo implementado apresentou grande estabilidade e precisão, uma conseqüência direta da natureza dispersiva dos modelos materiais de Drude, o que o caracteriza como uma boa contribuição para uma completa compreensão da fenomenologia por trás destes efeitos fascinantes. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os disponíveis na literatura. Foi também observado que ambas estruturas são muito sensíveis a variações de freqüência do campo de excitação. / This work introduces an extended two-dimensional finite difference time domain method (2D-FDTD) for the simulation of metamaterial based structures. The dispersive nature of these media is accurately taken into account through the inclusion of the Drude material models for the permittivity and permeability tensors. All tensor elements are properly accounted for, making the formalism quite attractive for the modeling of a general class of electromagnetic structures. Two striking effects are investigated with the proposed model, namely, the invisibility cloaking and the field rotation effects. Both effects require the utilization of a coordinate transformation technique which must be applied only in the region where the electromagnetic field needs to be manipulated, taking advantage of the invariance of Maxwell\'s equations with respect to these operations. This technique locally redefines the permittivity and permeability parameters of the transformed media. The implemented formalism has proved to be quite stable and accurate, a direct consequence of the dispersive nature of the Drude material model, which characterizes it as a good contribution to fully understand the phenomenology behind these fascinating effects. The numerical results are in good agreement with those available in the literature. It was also verified that both structures are very sensitive to frequency variations of the excitation field.

Este trabalho apresenta um novo formalismo bi-dimensional em diferenças finitas no domínio do tempo (2D-FDTD) para a simulação de estruturas baseadas em metamateriais. A natureza dispersiva destes meios é levada em consideração de forma precisa pela inclusão dos modelos materiais de Drude para os tensores permissividade elétrica e permeabilidade magnética. Todos os elementos dos tensores são considerados neste formalismo, o que o torna muito atraente para a modelagem de uma classe geral de estruturas eletromagnéticas. Dois efeitos de enorme impacto são analisados em detalhes, sendo eles a cobertura de invisibilidade e o rotacionamento de campo. Ambos os efeitos requerem a utilização de técnicas de transformação de coordenadas a qual deve ser aplicada apenas na região onde os campos eletromagnéticos precisam ser manipulados, tirando vantagem da invariância das equações de Maxwell quanto a estas operações. Esta técnica redefine localmente os parâmetros de permissividade e permeabilidade do meio transformado. O formalismo implementado apresentou grande estabilidade e precisão, uma conseqüência direta da natureza dispersiva dos modelos materiais de Drude, o que o caracteriza como uma boa contribuição para uma completa compreensão da fenomenologia por trás destes efeitos fascinantes. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os disponíveis na literatura. Foi também observado que ambas estruturas são muito sensíveis a variações de freqüência do campo de excitação. / This work introduces an extended two-dimensional finite difference time domain method (2D-FDTD) for the simulation of metamaterial based structures. The dispersive nature of these media is accurately taken into account through the inclusion of the Drude material models for the permittivity and permeability tensors. All tensor elements are properly accounted for, making the formalism quite attractive for the modeling of a general class of electromagnetic structures. Two striking effects are investigated with the proposed model, namely, the invisibility cloaking and the field rotation effects. Both effects require the utilization of a coordinate transformation technique which must be applied only in the region where the electromagnetic field needs to be manipulated, taking advantage of the invariance of Maxwell\'s equations with respect to these operations. This technique locally redefines the permittivity and permeability parameters of the transformed media. The implemented formalism has proved to be quite stable and accurate, a direct consequence of the dispersive nature of the Drude material model, which characterizes it as a good contribution to fully understand the phenomenology behind these fascinating effects. The numerical results are in good agreement with those available in the literature. It was also verified that both structures are very sensitive to frequency variations of the excitation field.

Na condução por saltos dispersiva, os portadores de carga são caracterizados por tempos de residência não exponenciais. Como uma conseqüência, efeitos hereditários aparecem e o problema deve ser conduzido no espaçõ de Laplace. Distribuições dielétricas conhecidas e algumas outras foram usadas como possíveis funções capazes de descrever o meio desordenado. Um estudo cuidadoso de seus espectros de freqüência foi realizado. O método de inversão de Widder truncado foi desenvolvido para possibilitar a volta do espaço de Laplace para o do tempo real. Dois tipos de problemas práticos foram abordados: condução dispersiva na qual o campo elétrico das cargas móveis pode ser desprezado e o caso de carga espacial para o qual essa aproximação não pode ser feita. Duas configurações de interesse foram escolhidas: decaimento do potencial de superfície de amostras carregadas por descarga corona e a subida do potencial no carregamento por corrente constante. / Dispersive conductive process are characterized by non-exponential residence times of the hopping carrier. As a consequence, hereditary effects appear and the problem must be conducted in the Laplace space. A bunch of known dielectric distributions functions and others were used as possible functions describing the disordered medium. A careful study of their frequency spectrum was carried out. The truncate Widder inversion was developed in order to allow returning from the Lapace to the real time space. Two kind of practical problems were studied: dispersive conduction in which the electric field of the mobile charge may be neglected and the space charge ones when that approximation cannot be made. Two configurations of interest were selected: the corona discharge potential decay and the constant current potentinal build-up.

Na condução por saltos dispersiva, os portadores de carga são caracterizados por tempos de residência não exponenciais. Como uma conseqüência, efeitos hereditários aparecem e o problema deve ser conduzido no espaçõ de Laplace. Distribuições dielétricas conhecidas e algumas outras foram usadas como possíveis funções capazes de descrever o meio desordenado. Um estudo cuidadoso de seus espectros de freqüência foi realizado. O método de inversão de Widder truncado foi desenvolvido para possibilitar a volta do espaço de Laplace para o do tempo real. Dois tipos de problemas práticos foram abordados: condução dispersiva na qual o campo elétrico das cargas móveis pode ser desprezado e o caso de carga espacial para o qual essa aproximação não pode ser feita. Duas configurações de interesse foram escolhidas: decaimento do potencial de superfície de amostras carregadas por descarga corona e a subida do potencial no carregamento por corrente constante. / Dispersive conductive process are characterized by non-exponential residence times of the hopping carrier. As a consequence, hereditary effects appear and the problem must be conducted in the Laplace space. A bunch of known dielectric distributions functions and others were used as possible functions describing the disordered medium. A careful study of their frequency spectrum was carried out. The truncate Widder inversion was developed in order to allow returning from the Lapace to the real time space. Two kind of practical problems were studied: dispersive conduction in which the electric field of the mobile charge may be neglected and the space charge ones when that approximation cannot be made. Two configurations of interest were selected: the corona discharge potential decay and the constant current potentinal build-up.

Ground penetrating radar (GPR) systems are increasingly being used for the detection and location of buried objects within the upper regions of the earth’s surface. The antenna is the most critical component of such a system. This thesis presents a comprehensive study of resistor-loaded planar dipole antennas for GPR applications using both theory and experiments. The theoretical analysis is performed using the finite difference time domain (FDTD) technique. The analysis starts with the most popular planar dipole, the bow-tie. A parametric study is done to find out how the flare angle, length, and lumped resistors of the antenna should be selected to achieve broadband properties and good target detection with less clutter. The screening of the antenna and the position of transmitting and receiving antennas with respect to each other and ground surface are also studied. A number of other planar geometrical shapes are considered and compared with the bow-tie in order to find what geometrical shape gives the best performance. The FDTD simulations are carried out for both lossless and lossy, dispersive grounds. Also simulations are carried out including surface roughness and natural clutter like rocks and twigs to make the modeling more realistic. Finally, a pair of resistor-loaded bow-tie antennas is constructed and both indoor and outdoor measurements are carried out to validate the simulation results. / <p>QC 20100923</p>

The work begins with a review on the concept of group and phase velocity, and a discussion about pulses propagation in dispersive media. After that, we are going to study the Helmholtz equation, followed by Drude-Lorentz s model description of electric susceptibility. In this study we have analyzed the relations between the real and imaginary part of the dielectric constant, using Kramers-Kronig relations. Moreover, we have analyzed the necessary conditions to obtain these relations, and the causality principle. We have shown physical systems in which is possible to obtain anomalous dispersion. The systems are population inversion, system with gain-assisted and photonic crystal. To understand better about some mathematical methods used to study the propagation of pulses, we have reviewed Fourier, Laplace and Green s methods. We used the wave equation to show how the methods mentioned above became a problem simpler to be solved. Finally, we have studied Cauchy-Riemann s conditions and the analyticity of real and imaginary functions. We have studied the propagation of Gaussian pulse and a compact support pulse, in the anomalous dispersion region. We have shown that the Gaussian pulse can propagate with a bigger group velocity than the speed of light in the vacuum, and these results are the same when we use the whole expression for the refractive index or not. However, in the case of the compact support pulse we have seen that is not true. On the other hand, in the study of the compact support pulse propagation, it was observed that the non-analytical points never exceed the speed of light in the vacuum. Associating the information to the non-analytical points we have observed the impossibility to send information faster than light in the vacuum. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O trabalho inicia com uma revisão sobre o conceito de velocidade de grupo e de fase, e uma breve discussão do que ocorre quando um pulso se propaga num meio dispersivo. Em seguida, fazemos um estudo da equação de onda de Helmholtz, seguido por uma descrição do modelo de Drude-Lorentz para a susceptibilidade elétrica. Durante este estudo exploramos as relações que existem entre a parte real e imaginária da constante dielétrica, através da relação de Kramers-Kronig. Além disso, discutimos o que é necessário na obtenção deste tipo de relação além do princípio de causalidade. Apresentamos os seguintes sistemas físicos nos quais é possível obter regiões com dispersão anômala: sistema com inversão de população, com ganho assistido e cristal fotônico. Com o objetivo de aprofundar o entendimento das ferramentas matemáticas usadas no estudo da propagação de pulsos, revisamos os métodos de Fourier, de Laplace e de Green. Aplicamos estes métodos na equação de onda para mostrar como os mesmos tornam o problema mais simples de ser resolvido. Por fim, estudamos as condições de Cauchy-Riemann e a analiticidade de funções reais e imaginárias. Estudamos a propagação de um pulso Gaussiano e de um pulso com suporte compacto, na região de dispersão anômala. Mostramos que um pulso Gaussiano se propaga com uma velocidade de grupo maior que a velocidade da luz no vácuo, e que o resultado obtido é o mesmo se usarmos somente a parte real do índice de refração ou se usarmos a expressão completa no estudo da propagação. No caso de um pulso com suporte compacto vimos que isto não é verdade. Percebemos ainda que na propagação do pulso com suporte compacto os pontos não analíticos nunca excedem a velocidade da luz no vácuo. Associando a informação a pontos não analíticos mostramos ser impossível enviar informação mais rápida que a luz no vácuo.

Disertační práce se zabývá modelováním dispersních materiálů metodou konečných prvků v časové oblasti. V práci jsem navrhl matematický model zahrnující dispersní modely a aplikoval jsem na něj metodu konečných prvků. Pozornost jsem věnoval třem nejvíce používaným dispersním modelům. Jedná se o Debyeho model, Lorentzův model a Drudův model. Dále jsem se zabýval technikami implementace těchto dispersních modelů. Techniky jsem zabudoval do metody konečných prvků. Navíc jsem vyvinul novou metodu založenou na technice digitální filtrace. Funkčnost vyvinutých metod a technik jsem ověřil na řadě testovacích příkladů. Diskutoval jsem dosažené výsledky a navrhuji jejich možná vylepšení.

Nous nous intéressons à des problèmes de transmission entre diélectriques et métamatériaux, milieux présentant des propriétés électromagnétiques inhabituelles comme des caractéristiques effectives négatives à certaines fréquences. Par exemple, ces milieux peuvent être construits comme des assemblages périodiques de microstructures résonantes et dans ce cas la théorie de l'homogénéisation permet de justifier mathématiquement ces propriétés effectives. En régime harmonique et dans des géométries à variables séparables, des calculs analytiques peuvent être menés. Ils révèlent dans des cas dits critiques des difficultés mathématiques: les solutions n'ont pas la régularité standard, voire le problème peut être mal posé.La première partie étudie ces problèmes de transmission en régime temporel pour lequel les métamatériaux sont modélisés par des modèles dispersifs (modèle de Drude ou de Lorentz). Les difficultés résident dans le choix d'un schéma de discrétisation mais surtout dans la construction de conditions absorbantes. La méthode retenue ici est celle des Perfectly Matched Layers (PMLs). Comme les PMLs classiques sont instables pour ces modèles du fait de la présence d'ondes inverses, nous proposons une nouvelle classe de PMLs pour lesquelles nous menons une analyse de stabilité. Cette dernière permet de construire des PMLs stables. Elles sont ensuite utilisées pour simuler le comportement en temps long d'un problème de transmission; nous illustrons alors le fait que le principe d'amplitude limite peut être mis en défaut en raison de résonances d'interface.La deuxième partie vise à pallier ces phénomènes d'interface en régime harmonique en revenant sur le processus d'homogénéisation classique, pour un milieu dissipatif. Pour des problèmes de transmission, il est connu que les modèles issus de cette méthode perdent en précision du fait de la présence de couches limites à l'interface. Nous proposons un modèle enrichi au niveau de l'interface. En combinant la méthode d'homogénéisation double-échelle et celle des développements asymptotiques raccordés, nous construisons des conditions de transmission non standards faisant intervenir des opérateurs différentiels le long de l'interface. Le calcul de ces conditions nécessite la résolution de problèmes de cellule et de problèmes non standards posés dans des bandes périodiques infinies. Une analyse d'erreur confirme l'amélioration de la précision du modèle. Des simulations numériques illustrent l'efficacité de ces nouvelles conditions. Enfin, cette démarche est reproduite formellement dans le cas des matériaux à fort contraste se comportant comme des métamatériaux. Nous montrons alors que ces nouvelles conditions permettent de régulariser le problème de transmission dans les cas critiques. / We are interested in transmission problems between dielectrics and metamaterials, that is to say media with unusual electromagnetic properties such as negative constants at some frequencies. These media are often made of periodic assemblies of resonant micro-structures and in this case the homogenization theory can justify mathematically these effective properties. A preliminary part deals with these problems in the harmonic domain and in geometry with separation of variables.Analytical computations are done and reveal in the so-called critical cases some mathematical diffculties: the solutions do not have the standard regularity and the problem can even be ill-posed.The first part examines these transmission problems in the time domain for which metamaterials are modelled by dispersive models (Drude model or Lorentz model for instance). The diffculties reside in the choice of a discretization scheme but especially in the construction of absorbing conditions. The method used here is the use of Perfectly Matched Layers (PMLs). Since classical PMLs are unstable for these models due to the presence of backward waves, we propose a new class of PMLs for which we conduct a stability analysis. The latter allows us to build stable PMLs. They are then used to simulate the long-time behaviour of a transmission problem; we illustrate the fact that the limit amplitude principle can be faulted because of interface resonances.The second part aims to overcome these phenomena by coming back to the classical homogenization in the harmonic domain, for dissipative media. For transmission problems, it is known that models resulting from this method lose accuracy due to the presence of boundary layers at the interface. We propose an enriched model at the interface: by combining the method of two-scale homogenization and that of matched asymptotic expansions, we build non-standard transmission conditions involving tangential derivatives along the interface (Laplace-Beltrami operators). This requires to solve cell problems and non-standardproblems in infinite periodic bands. An error analysis confirms the improvement of the accuracy of the model and numerical simulations show the effectiveness of these new conditions. Finally, this approach is formally reproduced in the case of high contrast materials which behave like metamaterials. We show that these new conditions regularise the transmission problem in the critical cases.