Le problème de diffraction électromagnétique gouverné par les équations de Maxwell admet une formulation équivalente par une équation intégrale volumique fortement singulière. Cette thèse a pour but d'examiner l'opérateur intégral qui décrit cette équation. La première partie de ce manuscrit porte sur l'étude de son spectre essentiel. Cette analyse est intéressante en vue d'obtenir les conditions nécessaires et suffisantes pour avoir l'unicité de solutions du problème surtout quand il s'agirait de la diffraction des ondes par des matériaux négatifs où les techniques classiques perdent leurs utilité. Après avoir justifié le bon choix du cadre fonctionnel, nous étudions tout d'abord le cas où les paramètres caractéristiques du milieu à savoir la permittivité électrique et la perméabilité magnétique sont constants par morceaux avec discontinuité au travers du bord de la cible. Dans ce cadre, nous donnons une réponse complète à la question pour les domaines réguliers et Lipschitziens. Ensuite, et à l'aide d'une technique de localisation, nous donnons une extension de ces résultats dans le cas des paramètres réguliers par morceaux pour deux opérateurs intégraux, l'un qui correspond à la version diélectrique du problème et l'autre pour sa version magnétique. Nous terminons cette thèse par l'étude de la dérivée de forme des opérateurs diélectrique et magnétique et nous en déduisons une nouvelle caractérisation de la dérivée de forme des solutions des deux problèmes de diffraction. / The electromagnetic diffraction problem which is governed by the Maxwell equations admits an equivalent formulation in terms of a strongly singular volume integral equation. This thesis aims to examine the integral operator that describes this equation. The first part of this document focuses on the study of its essential spectrum. This analysis is interesting to get the necessary and sufficient conditions of solution uniqueness of the problem especially when we consider the diffraction of waves by negative materials where classic tools lose their usefulness. After justifying the adequate choice of the functional framework, we first study the case where the characteristics parameters of the medium like the electric permittivity and magnetic permeability are piecewise constant with discontinuity across the boundary of the target. In this context, we give a full answer to the question for smooth and Lipschitz domains. Then, by using a localization technique, we give an extension of those results in the case of piecewise regular parameters for two integrals operators, one which corresponds to the dielectric version of the problem and the other for its magnetic version. We end this thesis by the study of the shape derivative of the dielectric and magnetic operators and we derive a new characterization of the shape derivative of the two diffraction problems solution.

Cette thèse vise à développer et à évaluer une méthode de décomposition de domaine avec recouvrement dans le cadre de la modélisation du contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault (CF). L'objectif d'une telle approche consiste à éviter le remaillage systématique de l'intégralité du domaine d'étude lors du déplacement de l'un de ses éléments constitutifs(par exemple, déplacement de la sonde CF au dessus de la pièce contrôlée). Plus précisément, il s'agit de concevoir une méthode de décomposition de domaine avec recouvrement qui s'appuie sur la théorie apportée par la méthode des éléments finis avec joints. En plus de s'affranchir de la contrainte d'une interface d'échange invariante avec le mouvement, la technique décrite dans ce travail réalise des transferts d'information réciproques entre les domaines. Cette étude présente les résultats théoriques ainsi que numériques liés à la simulation magnétodynamique. Par ailleurs, l'intérêt d'une telle méthode est illustré par des applications sur des configurations bidimensionnelles de CND par CF. / This thesis aims at studying and developing a domain decomposition method with overlapping subdomains for the modeling in eddy current (EC) non-Destructive testing (NDT). The idea behind such an approach is the possibility to avoid the systematic remeshes of the whole studying domain when some of its components are modified (for example the displacement of the coil above the conductor). More precisely, this work aims at designing a domain decomposition method with overlapping based on the theory of the mortar finite element method. In addition to remove the constraint owing to an coupling interface which is invariant with the displacement, the technique described, in this work, realizes reciprocal transfers of information between subdomains. This study presents the theoretical and numerical results attached to the magnetodynamic simulation. Moreover, the interest of such a method is illustrated by applications in some 2D modeling cases of EC NDT.

This thesis investigates the possibility of enhancing the efficiency of thin film solar cells by including periodic material nonhomogeneities in combination with periodically corrugated back reflectors. Two different types of solar cell are investigated; p-i-n junctions solar cells made from alloys of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) (containing either carbon or germanium), and Schottky barrier junction solar cells made from alloys of indium gallium nitride (InξGa1-ξN). Material nonhomogeneities are produced by varying the fractions of the constituent elements of the alloys. For example, by varying the content of carbon or germanium in the a-Si:H alloys, semiconductors with bandgaps ranging from 1:3 eV to 1:95 eV can be produced. Changing the bandgap alters both the optical and electrical properties of the material so this necessitates the use of coupled optical and electrical models. To date, the majority of solar cell simulations either prioritise the electrical portion of the simulation or they prioritise the optical portion of the simulation. In this thesis, a coupled optoelectronic model, developed using COMSOL Multiphysics®, was used to simulate solar cells: a two-dimensional finite-element optical model, which solved Maxwell's equations throughout the solar cells, was used to calculate the absorption of incident sunlight; and a finite-element electrical drift-diffusion transport model, either one- or two-dimensional depending on the symmetries of the problem, was used to calculate the steady state current densities throughout the solar cells under external voltage biases. It is shown that a periodically corrugated back reflector made from silver can increase efficiency of an a-Si:H alloy single p-i-n junction solar cell by 9:9% compared to a baseline design, while for a triple junction the improvement is a relatively meagre 1:8%. It is subsequently shown that the efficiency of these single p-i-n junction solar cells with a back reflector can be further increased by the inclusion of material nonhomogeneities, and that increasing the nonhomogeneity progressively increases efficiency, especially in thicker solar cells. In the case of InξGa1-ξN Schottky barrier junction solar cells, the gains are shown to be even greater. An overall increase in efficiency of up to 26:8% over a baseline design is reported.

Dans cette thèse, nous étudions la convergence de méthode de type éléments finis pour les équations de Maxwell en régime harmonique avec condition au bord d'impédance et l'équation de Helmholtz avec une couche parfaitement absorbante(PML). On étudie en premier, la formulation régularisée de l'équation de Maxwell en régime harmonique avec condition au bord d'impédance (qui consiste à ajouter le term ∇ div à l'équation originale pour avoir un problème elliptique) et on garde la condition d'impédance comme une condition au bord essentielle. Pour des domaines à bord régulier, le caractère bien posé de cette formulation est bien connu mais cela n'est pas le cas pour des domaines polyédraux convexes. On commence alors le premier chapitre par la preuve du caractère bien posé dans le cas du polyèdre convexe, qui est basé sur le fait que l'espace variationnel est inclus dans H¹. Dans le but d'avoir des estimations explicites en le nombre d'onde k de ce problème, il est obligatoire d'avoir des résultats de stabilité explicites en ce nombre d'onde. C'est aussi proposé, pour quelques situations particulières, dans ce chapitre. Dans le second chapitre on décrit les singularités d'arêtes et de coins pour notre problème. On peut alors déduire la régularité de la solution du problème original, ainsi que de son adjoint. On a tous les ingrédients pour proposer une analyse de convergence explicite en k pour une méthode d'éléments finis avec éléments de Lagrange. Dans le troisième chapitre, on considère une méthode d'éléments finis hp non conforme pour un domaine à bord régulier. Pour obtenir des estimations explicites en k, on introduit un résultat de décomposition, qui sépare la solution du problème original (ou de son adjoint) en une partie régulière mais fortement oscillante et une partie moins régulière mais peu oscillante. Ce résultat permet de montrer des estimations explicites en k. Le dernier chapitre est dédié à l'équation de Helmholtz avec une PML. L'équation de Helmholtz dans l'espace entier est souvent utilisée pour modéliser la diffraction d'onde acoustique (en régime harmonique), avec la condition de radiation à l'infini de Sommerfeld. L'ajout d'une PML est une façon pour passer d'un domaine infini à un domaine fini, elle correspond à l'ajout d'une couche autour du domaine de calcul qui absorbe très vite toutes les ondes sortantes. On propose en premier un résultat de stabilité explicite en k. On propose alors deux schémas numériques, une méthode d'éléments finis hp et une méthode multi- échelle basée sur un sous-espace local de correction. Le résultat de stabilité est utilisé pour mettre en relation de choix des paramètres des méthodes numériques considérées avec k. Nous montrons aussi des estimations d'erreur a priori. A la fin de ces chapitres, des tests numériques sont proposés pour confirmer nos résultats théoriques. / In this thesis, we propose wavenumber explicit convergence analyses of some finite element methods for time-harmonic Maxwell's equations with impedance boundary condition and for the Helmholtz equation with Perfectly Matched Layer (PML). We first study the regularized formulation of time-harmonic Maxwell's equations with impedance boundary conditions (where we add a ∇ div-term to the original equation to have an elliptic problem) and keep the impedance boundary condition as an essential boundary condition. For a smooth domain, the wellposedness of this formulation is well-known. But the well-posedness for convex polyhedral domain has been not yet investigated. Hence, we start the first chapter with the proof of the well-posedness in this case, which is based on the fact that the variational space is embedded in H¹. In order to perform a wavenumber explicit error analysis of our problem, a wavenumber explicit stability estimate is mandatory. We then prove such an estimate for some particular configurations. In the second chapter, we describe the corner and edge singularities for such problem. Then we deduce the regularity of the solution of the original and the adjoint problem, thus we have all ingredients to propose a explicit wavenumber convergence analysis for h-FEM with Lagrange element. In the third chapter, we consider a non conforming hp-finite element approximation for domains with a smooth boundary. To perform a wavenumber explicit error analysis, we split the solution of the original problem (or its adjoint) into a regular but oscillating part and a rough component that behaves nicely for large frequencies. This result allows to prove convergence analysis for our FEM, again explicit in the wavenumber. The last chapter is dedicated to the Helmholtz equation with PML. The Helmholtz equation in full space is often used to model time harmonic acoustic scattering problems, with Sommerfeld radiation condition at infinity. Adding a PML is a way to reduce the infinite domain to a finite one. It corresponds to add an artificial absorbing layer surrounding a computational domain, in which scattered wave will decrease very quickly. We first propose a wavenumber explicit stability result for such problem. Then, we propose two numerical discretizations: an hp-FEM and a multiscale method based on local subspace correction. The stability result is used to relate the choice of the parameters in the numerical methods to the wavenumber. A priori error estimates are shown. At the end of each chapter, we perform numerical tests to confirm our theoritical results.

Aquesta tesi proposa una millora del clàssic mètode dels elements finits (finite element method, FEM) per a un tractament eficient de dominis amb contorns corbs: el denominat NURBS-enhanced finite element method (NEFEM). Aquesta millora permet descriure de manera exacta la geometría mitjançant la seva representació del contorn CAD amb non-uniform rational B-splines (NURBS), mentre que la solució s'aproxima amb la interpolació polinòmica estàndard. Per tant, en la major part del domini, la interpolació i la integració numèrica són estàndard, retenint les propietats de convergència clàssiques del FEM i facilitant l'acoblament amb els elements interiors. Només es requereixen estratègies específiques per realitzar la interpolació i la integració numèrica en elements afectats per la descripció del contorn mitjançant NURBS.La implementació i aplicació de NEFEM a problemes que requereixen una descripció acurada del contorn són, també, objectius prioritaris d'aquesta tesi. Per exemple, la solució numèrica de les equacions de Maxwell és molt sensible a la descripció geomètrica. Es presenta l'aplicació de NEFEM a problemes d'scattering d'ones electromagnètiques amb una formulació de Galerkin discontinu. S'investiga l'habilitat de NEFEM per obtenir solucions precises amb malles grolleres i aproximacions d'alt ordre, i s'exploren les possibilitats de les anomenades malles NEFEM, amb elements que contenen singularitats dintre d'una cara o aresta d'un element. Utilitzant NEFEM, la mida de la malla no està controlada per la complexitat de la geometria. Això implica una dràstica diferència en la mida dels elements i, per tant, suposa un gran estalvi tant des del punt de vista de requeriments de memòria com de cost computacional. Per tant, NEFEM és una eina poderosa per la simulació de problemes tridimensionals a gran escala amb geometries complexes. D'altra banda, la simulació de problemes d'scattering d'ones electromagnètiques requereix mecanismes per aconseguir una absorció eficient de les ones scattered. En aquesta tesi es discuteixen, optimitzen i comparen dues tècniques en el context de mètodes de Galerkin discontinu amb aproximacions d'alt ordre.La resolució numèrica de les equacions d'Euler de la dinàmica de gasos és també molt sensible a la representació geomètrica. Quan es considera una formulació de Galerkin discontinu i elements isoparamètrics lineals, una producció espúria d'entropia pot evitar la convergència cap a la solució correcta. Amb NEFEM, l'acurada imposició de la condició de contorn en contorns impenetrables proporciona resultats precisos inclús amb una aproximació lineal de la solució. A més, la representació exacta del contorn permet una imposició adequada de les condicions de contorn amb malles grolleres i graus d'interpolació alts. Una propietat atractiva de la implementació proposada és que moltes de les rutines usuals en un codi d'elements finits poden ser aprofitades, per exemple rutines per realitzar el càlcul de les matrius elementals, assemblatge, etc. Només és necessari implementar noves rutines per calcular les quadratures numèriques en elements corbs i emmagatzemar el valor de les funciones de forma en els punts d'integració. S'han proposat vàries tècniques d'elements finits corbs a la literatura. En aquesta tesi, es compara NEFEM amb altres tècniques populars d'elements finits corbs (isoparamètics, cartesians i p-FEM), des de tres punts de vista diferents: aspectes teòrics, implementació i eficiència numèrica. En els exemples numèrics, NEFEM és, com a mínim, un ordre de magnitud més precís comparat amb altres tècniques. A més, per una precisió desitjada NEFEM és també més eficient: necessita un 50% dels graus de llibertat que fan servir els elements isoparamètrics o p-FEM per aconseguir la mateixa precisió. Per tant, l'ús de NEFEM és altament recomanable en presència de contorns corbs i/o quan el contorn té detalls geomètrics complexes. / This thesis proposes an improvement of the classical finite element method (FEM) for an efficient treatment of curved boundaries: the NURBSenhanced FEM (NEFEM). It is able to exactly represent the geometry by means of the usual CAD boundary representation with non-uniform rational Bsplines (NURBS), while the solution is approximated with a standard piecewise polynomial interpolation. Therefore, in the vast majority of the domain, interpolation and numerical integration are standard, preserving the classical finite element (FE) convergence properties, and allowing a seamless coupling with standard FEs on the domain interior. Specifically designed polynomial interpolation and numerical integration are designed only for those elements affected by the NURBS boundary representation.The implementation and application of NEFEM to problems demanding an accurate boundary representation are also primary goals of this thesis. For instance, the numerical solution of Maxwell's equations is highly sensitive to geometry description. The application of NEFEM to electromagnetic scattering problems using a discontinuous Galerkin formulation is presented. The ability of NEFEM to compute an accurate solution with coarse meshes and high-order approximations is investigated, and the possibilities of NEFEM meshes, with elements containing edge or corner singularities, are explored. With NEFEM, the mesh size is no longer subsidiary to geometry complexity, and depends only on the accuracy requirements on the solution, whereas standard FEs require mesh refinement to properly capture the geometry. This implies a drastic difference in mesh size that results in drastic memory savings, and also important savings in computational cost. Thus, NEFEM is a powerful tool for large-scale scattering simulations with complex geometries in three dimensions. Another key issue in the numerical solution of electromagnetic scattering problems is using a mechanism to perform the absorption of outgoing waves. Two perfectly matched layers are discussed, optimized and compared in a high-order discontinuous Galerkin framework.The numerical solution of Euler equations of gas dynamics is also very sensitive to geometry description. Using a discontinuous Galerkin formulation and linear isoparametric elements, a spurious entropy production may prevent convergence to the correct solution. With NEFEM, the exact imposition of the solid wall boundary condition provides accurate results even with a linear approximation of the solution. Furthermore, the exact boundary representation allows using coarse meshes, but ensuring the proper implementation of the solid wall boundary condition. An attractive feature of the proposed implementation is that the usual routines of a standard FE code can be directly used, namely routines for the computation of elemental matrices and vectors, assembly, etc. It is only necessary to implement new routines for the computation of numerical quadratures in curved elements and to store the value of shape functions at integration points. Several curved FE techniques have been proposed in the literature. In this thesis, NEFEM is compared with some popular curved FE techniques (namely isoparametric FEs, cartesian FEs and p-FEM), from three different perspectives: theoretical aspects, implementation and performance. In every example shown, NEFEM is at least one order of magnitude more accurate compared to other techniques. Moreover, for a desired accuracy NEFEM is also computationally more efficient. In some examples, NEFEM needs only 50% of the number of degrees of freedom required by isoparametric FEs or p-FEM. Thus, the use of NEFEM is strongly recommended in the presence of curved boundaries and/or when the boundary of the domain has complex geometric details.

An analytical solution for the coupled telegrapher’s equations in terms of the voltage and current on a homogeneous lossy transmission line and multiconductor transmission line is presented. The resulting telegrapher’s equation solution is obtained in the form of an exact time domain propagator operating on the line voltage and current. It is shown that the analytical equations lead to a stable numerical method that can be used in the analysis of both homogeneous and inhomogeneous transmission lines. A numerical dispersion relation is derived proving that this method has no numerical dispersion down to the two points per wavelength Nyquist limit. Examples are presented showing that exceptionally accurate results are obtained for lossy single and multiconductor transmission lines. The method is extended to represent the general solution to Maxwell’s differential equations in vector matrix form. It is shown that, given the electromagnetic field and boundary conditions at a given instant in time, the free space time domain propagator and corresponding dyadic Green’s functions in 1-, 2-, and 3-dimensions can be used to calculate the field at all subsequent times.

Bandpass microwave filters are often modeled as a set of coupled discrete and localized resonators. This model is adequate in the narrow-band case. It, however, fails to describe accurately compact structures where stray couplings can be strong. To address this problem, a new view is proposed in this thesis. Instead of basing the model on localized discrete resonances, we start by constructing a model that is based on the global resonances of the structure. These are the resonances that the ports see and emerge when the entire structure is treated as a single unit. The resulting circuit, the transversal circuit, is universal. It is valid for any coupled resonator filter. The circuit is used in optimization of compact and ultra wideband suspended stripline filters and excellent results were obtained. In order to relate the global-eigen modes model to the conventional model, the issue of representation of microwave filters is investigated in detail. It is shown that a microwave filter can be represented by an infinite number of similar coupling matrices by using different modes as basis. According to this new view, a similarity transformation in microwave coupled resonator filters is interpreted as a change of basis. Two circuits that are related by a similarity transformation represent the same filter structure by using different sets of modes as basis. These conclusions were exploited in establishing a design theory for filters with dual-mode cavities. The new theory leads to direct and accurate design techniques that need no, or minimal, optimization. No tuning is used in the CAD steps. Tuning may only be required to account for manufacturing tolerances. A new tuning configuration is described and validated by computer simulation. A novel dual-mode filter with improved quality factor and reduced sensitivity is developed and designed within the same approach. The filter is fabricated and measured and excellent results are achieved. The same design methodology was used to introduce a new class of dual-mode dual-band microwave filters with improved sensitivity. It is also shown that canonical dual-mode filters can be designed within the same view with minimal local optimization of the input cavity. / Thesis (Ph.D, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2010-03-31 01:33:36.818

Vlasov-Maxwell equilibria are characterised by the self-consistent descriptions of the steady-states of collisionless plasmas in particle phase-space, and balanced macroscopic forces. We study the theory of Vlasov-Maxwell equilibria in one spatial dimension, as well as its application to current sheet and flux tube models. The ‘inverse problem' is that of determining a Vlasov-Maxwell equilibrium distribution function self-consistent with a given magnetic field. We develop the theory of inversion using expansions in Hermite polynomial functions of the canonical momenta. Sufficient conditions for the convergence of a Hermite expansion are found, given a pressure tensor. For large classes of DFs, we prove that non-negativity of the distribution function is contingent on the magnetisation of the plasma, and make conjectures for all classes. The inverse problem is considered for nonlinear ‘force-free Harris sheets'. By applying the Hermite method, we construct new models that can describe sub-unity values of the plasma beta (βpl) for the first time. Whilst analytical convergence is proven for all βpl, numerical convergence is attained for βpl = 0.85, and then βpl = 0.05 after a ‘re-gauging' process. We consider the properties that a pressure tensor must satisfy to be consistent with ‘asymmetric Harris sheets', and construct new examples. It is possible to analytically solve the inverse problem in some cases, but others must be tackled numerically. We present new exact Vlasov-Maxwell equilibria for asymmetric current sheets, which can be written as a sum of shifted Maxwellian distributions. This is ideal for implementations in particle-in-cell simulations. We study the correspondence between the microscopic and macroscopic descriptions of equilibrium in cylindrical geometry, and then attempt to find Vlasov-Maxwell equilibria for the nonlinear force-free ‘Gold-Hoyle' model. However, it is necessary to include a background field, which can be arbitrarily weak if desired. The equilibrium can be electrically non-neutral, depending on the bulk flows.

Dans la première partie de cette thèse, nous avons considéré les équations de Maxwell en temps et construit une formulation discontinue de Galerkin (DG). On a montré que cette formulation est bien posée et ensuite on a établi des estimateurs a priori pour cette formulation. On a obtenu des résultats numériques pour valider les estimateurs a priori obtenus théoriquement. Dans la deuxième partie de cette thèse, des estimateurs d'erreur a posteriori de cette formulation sont établis, pour le cas semi-discret et pour le système complètement discrétisé. Dans la troisième partie de cette thèse, on considére les équations de Maxwell en régime harmonique. On a développé une formulation discontinue de Galerkin mixte. On a établi des estimations d'erreur a posteriori pour cette formulation. / In the first part of this thesis, we have considered the time-dependent Maxwell's equations in second-order form and constructed discontinuous Galerkin (DG) formulation. We have established a priori error estimates for this formulation and carried out the numerical analysis to confirm our theoretical results. In the second part of this thesis, we have established a posteriori error estimates of this formulation for both semi discrete and fully discrete case. In the third part of the thesis we have considered the time-harmonic Maxwell's equations and we have developed mixed discontinuous Galerkin formulation. We showed the well posedness of this formulation and have established a posteriori error estimates.

Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet TRAX. Il s’agit là du développement de moteurs électriques destinés à la traction des petits véhicules électriques urbains. Les caractéristiques clés d’une machine électrique pour une application de traction sont le couple, le rendement, la fiabilité, l’encombrement et la plage de vitesse à puissance maximale (dé-fluxage). Les machines électriques à aimants permanents répondent à ces exigences. C’est pourquoi ce travail de thèse s’est intéressé à l’étude des performances de machines à aimants permanents en proposant une étude comparative. Un état de l’art basé sur l’étude des brevets des machines électriques dans les applications automobiles est réalisé. Une description des dernières avancées des moteurs électriques principalement des structures à aimants permanents est fournit. Nous avons modélisé une première machine avec une méthode ana-lytique simplifiée basée sur la résolution des équations de Maxwell en 2D. Cette méthode est confrontée à une méthode numérique. Trois nouvelles machines sont définies à partir de la première en modifiant la configuration du rotor. La comparaison de quatre structures à aimants permanents est réalisée par des modèles numériques. Les performances à vide et en charge ainsi que le calcul des inductances dans l’axe direct et en quadrature sont évaluées. Les résultats théoriques sont comparés aux essais expérimentaux. / The thesis is part of the TRAX project. It deals with development of electric motors used for traction of small urban electric vehicles. The key characteristics of an electric machine for traction application are the torque, efficiency, reliability, size and flux-weakening. The permanents magnets electric machines meet these requirements. That’s why this thesis takes interest in the performances of permanents magnets machines by proposing a comparative study. A study of patents for electrical machines in automotive applications is realized. A description of the latest advances in electrical motors, mainly in permanent magnet structures, is provided. We started to model a first machine with a simplified analytical method based on the resolution of Maxwell's equations in 2D. This method is compared with a numerical method. Three new machines are defined from the first one by changing the configuration of the rotor. The comparison of four structures with permanent magnets is realized by numerical models. No load and load performances, as well as the calculation of inductances in the direct and quadrature axis, are evaluated. The theoretical results are compared with experimental tests.