Les surfaces sélectives en fréquence (FSS) pour la furtivité radar ou l'optique ont été largement étudiées. Depuis plus de vingt ans, des matériaux artificiels ont été conçus, permettant d'obtenir des propriétés particulières, notamment l'existence de bandes permises ou interdites, réfraction négative, ultra-réfraction. Par ailleurs, des antennes basées sur la mise en réseau d'un élément rayonnant sont plus compactes et plus facilement intégrables. Le problème de la diffraction d'une onde plane par des réseaux tridimensionnels bipériodiques peut être résolu par éléments finis ou par équations intégrales bipériodiques ; il l'est souvent par une méthode hybride combinant la méthode des éléments finis et la méthode aux équations intégrales. Nous avons choisi de développer une méthode hybride utilisant deux variantes de la méthode aux équations intégrales. Les domaines semi-infinis (l'extérieur du réseau) sont traités par des équations intégrales bipériodiques (EI3D2D), et les domaines bornés (l'intérieur du réseau) sont traités par des équations intégrales tridimensionnelles (EI3D), auxquelles on impose des conditions aux limites de pseudopériodicité. Ce code numérique est développé dans le cadre du code SPECTRE de Dassault-Aviation, qui est un code généraliste 3D, afin de bénéficier de la richesse des modèles qui y ont déjà été développés (modèle composé d'un nombre quelconque de sous-domaines de formes et de matériaux quelconques, traitement des différents cas de jonctions entre sous-domaines, matériaux de faible épaisseur). L'efficacité en termes de précision et en temps de calcul de la méthode numérique est validée par comparaison des résultats avec d'autres simulations numériques et également avec des résultats de mesures. Les cas testés sont représentatifs de plusieurs des principaux phénomènes liés aux métamatériaux : surfaces sélectives en fréquence, transmission " extraordinaire ", surfaces à haute impédance. Enfin, nous étudions un radôme passe-bande indépendant à l'angle d'incidence, à l'aide de la méthode numérique que nous proposons. La structure retenue se base sur un réseau de cavités coaxiales dans une couche métallique. Nous expliquons l'origine physique des résonances qui apparaissent et nous suggérons une évolution géométrique du profil des cavités, afin d'augmenter la largeur de bande passante.

Les surfaces sélectives en fréquence (FSS) pour la furtivité radar ou l’optique ont été largement étudiées. Depuis plus de vingt ans, des matériaux artificiels ont été conçus, permettant d’obtenir des propriétés particulières, notamment l’existence de bandes permises ou interdites, réfraction négative, ultra-réfraction. Par ailleurs, des antennes basées sur la mise en réseau d’un élément rayonnant sont plus compactes et plus facilement intégrables. Le problème de la diffraction d’une onde plane par des réseaux tridimensionnels bipériodiques peut être résolu par éléments finis ou par équations intégrales bipériodiques ; il l’est souvent par une méthode hybride combinant la méthode des éléments finis et la méthode aux équations intégrales. Nous avons choisi de développer une méthode hybride utilisant deux variantes de la méthode aux équations intégrales. Les domaines semi-infinis (l’extérieur du réseau) sont traités par des équations intégrales bipériodiques (EI3D2D), et les domaines bornés (l’intérieur du réseau) sont traités par des équations intégrales tridimensionnelles (EI3D), auxquelles on impose des conditions aux limites de pseudopériodicité. Ce code numérique est développé dans le cadre du code SPECTRE de Dassault-Aviation, qui est un code généraliste 3D, afin de bénéficier de la richesse des modèles qui y ont déjà été développés (modèle composé d’un nombre quelconque de sous-domaines de formes et de matériaux quelconques, traitement des différents cas de jonctions entre sous-domaines, matériaux de faible épaisseur). L’efficacité en termes de précision et en temps de calcul de la méthode numérique est validée par comparaison des résultats avec d’autres simulations numériques et également avec des résultats de mesures. Les cas testés sont représentatifs de plusieurs des principaux phénomènes liés aux métamatériaux : surfaces sélectives en fréquence, transmission « extraordinaire », surfaces à haute impédance. Enfin, nous étudions un radôme passe-bande indépendant à l’angle d’incidence, à l’aide de la méthode numérique que nous proposons. La structure retenue se base sur un réseau de cavités coaxiales dans une couche métallique. Nous expliquons l’origine physique des résonances qui apparaissent et nous suggérons une évolution géométrique du profil des cavités, afin d’augmenter la largeur de bande passante. / Frequency selective surfaces (FSS) for radar stealth or in optics have been widely studied. For more than two decades, articial materials have been designed to highlight specific behaviour, like the existence of allowed or forbidden bands, negative refraction, ultra-refraction... Moreover, antennas based upon an array of radiating elements improve the compactness and integration of these features. The problem of the diffraction of a plane wave by 3D biperiodic scatterers can be solved by finite-elements methods (FEM) or biperiodic boundary integral equations (BIE). It is often done by hybrid methods, that combine FEM and BIE. We choose to develop a hybrid method that uses two variants of the BIE method. Semiinfinite outer domains are treated by biperiodic integral equations (3D2D IE) and inner bounded domains are treated by 3D free-space integral equations (3D IE). Pseudoperiodic boundary conditions are enforced in the scattering biperiodic structure. The numerical code is developed in the framework of Dassault Aviation’s SPECTRE code, which is a general 3D code, in order to take advantage of the various models that have already been developed : arbitrary number of sub-domains of various shapes or materials, treatment of the different types of junctions between sub-domains, thin slabs. The efficiency in terms of accuracy and computation time of the numerical code is validated by comparison of the results from other numerical simulations or measurements. All the test cases are representative of several of the main phenomena that can be observed in metamaterials : FSS, “extraordinary” transmission, high-impedance surfaces. Finally, a bandpass radome which is independent to the angle of incidence is studied. The proposed numerical method is used. The chosen structure is based upon an array of coaxial cavities in a metallic slab. We explain the physical origin of resonances that appear and we suggest a geometrical evolution of the profile of the cavities, to favor a wideband behavior.

Les structures planaires de tailles finies sont de plus en plus utilisées dans les applications des satellites et des radars. Deux grands types de ces structures sont les plus utilisés dans le domaine de la conception RF à savoir Les Surfaces Sélectives en Fréquence (FSS) et les Reflectarrays. Les FSSs sont un élément clé dans la conception de systèmes multifréquences. Elles sont utilisées comme filtre en fréquence, et trouvent des applications telles que les radômes, les réflecteurs pour antenne Cassegrain, etc. Les performances des FSSs sont généralement évaluées en faisant l'hypothèse d'une FSS de dimension infinie et périodique en utilisant les modes de Floquet, le temps de calcul étant alors réduit quasiment à celui de la cellule élémentaire. Plusieurs méthodes permettant la prise en compte de la taille finie des FSSs ont été développées. La méthode de Galerkin basée sur l'approche rigoureuse permet la prise en compte des interactions entre les différents éléments du réseau, mais cette technique ne fonctionne que pour les FSSs de petite taille, typiquement 3x3 éléments. Pour les grands réseaux, cette méthode n'est plus adaptée, car le temps de calcul et l'exigence en mémoire deviennent trop grands. Donc, une autre approche est utilisée, celle basée sur la décomposition spectrale en onde plane. Elle permet de considérer un réseau fini comme un réseau périodique infini, illuminé partiellement par une onde plane. Avec cette approche, des FSSs de grande taille sont simulées, mais elle ne permet pas dans la plupart des cas, de prendre en compte les couplages qui existent entre les différentes cellules du réseau, les effets de bord non plus. La simulation des FSSs par les méthodes numériques classiques basées sur une discrétisation spatiale (méthode des éléments finis, méthode des différences finies, méthode des moments) ou spectrale (méthodes modales) aboutit souvent à des matrices mal conditionnées, des problèmes de convergence numérique et/ou des temps de calcul e xcessifs. Pour éviter tous ces problèmes, une technique appelée technique par changements d'échelle tente de résoudre ces problèmes. Elle est basée sur le partitionnement de la géométrie du réseau en plusieurs sous-domaines imbriqués, définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle de changement d'échelle, appelé Scale-Changing Networks (SCN), modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives. La cascade de ces multi-pôles de changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète et donc la modélisation globale du réseau. Ceci conduit à une réduction significative en termes de temps de calcul et d'espace mémoire par rapport aux méthodes numériques classiques. Comme le calcul des multi-pôles de changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent encore être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. La SCT permet donc de modéliser des FSSs Finies tout en prenant en compte le couplage entre les éléments adjacents du réseau.

Les matériaux composites prennent une place de plus en plus importante dans la conception et la fabrication des moyens de transport et notamment dans le domaine naval où ils sont particulièrement privilégiés. En effet, ces matériaux sont utilisés pour leur légèreté, insensibilité à la corrosion et leurs caractéristiques mécaniques. Dans le domaine militaire, où l'optimisation des moyens de communication et de protection électromagnétique est primordiale, le développement de matériaux composites dotés de propriétés de reconfigurabilité sous commande(s) externe(s), présente un atout opérationnel majeur pour les parois structurales exploitant ces matériaux. Afin d'explorer cette voie, DCNS et l'Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes (IETR, UMR-6164) se sont associés. Les travaux de thèse engagés ont pour objectif d'étudier et de développer des matériaux composites présentant des fonctions de reconfigurabilité applicables aux systèmes navals tels que les radômes, les antennes et exploitables pour répondre aux problématiques de furtivité (SER). Une première étude a permis d'explorer les matériaux à base de carbone, présentant une potentielle agilité de leurs caractéristiques diélectriques sous actuateur électrique. Ces matériaux présentent également un fort pouvoir absorbant électromagnétique, tributaire des propriétés diélectriques, elles-mêmes potentiellement reconfigurables. La seconde étude engagée a étudié l'impact des matériaux ferroélectriques, c'est-à-dire des matériaux reconfigurables sous champ électrique, lorsqu'ils sont intégrés comme charge dans une résine d'imprégnation. Ce nouveau matériau composite présente alors une reconfigurabilité de ses caractéristiques diélectriques, rendant commandable en fréquence sa structure hôte. Une troisième étude, exploitant aussi le matériau ferroélectrique a permis l'obtention d'une reconfigurabilité des caractéristiques de réflectivité de panneaux composites grâce au développement de surfaces sélectives en fréquence reconfigurables. De nouvelles propriétés ont ainsi été mises en évidence en hyperfréquences. Enfin, les matériaux d'âmes et spécifiquement les nids d'abeilles diélectriques ont fait l'étude d'une fonctionnalisation pour des applications DC et hyperfréquences. / Composite materials are used for their lightness, high resistance to corrosion and high mechanical properties over large application areas, such as naval, ground and aerial. Collaboration between DCNS group and the Institute of Electronics and Telecommunications of Rennes (IETR, UMR-6164) has been initiated to develop smart composite materials with tunable properties at microwaves. Three different routes have been investigated during the thesis work. The first one is based on carbon composite material, its electromagnetic absorbing ability and its potential dielectric tunability. For this, we develop composite materials loaded with various carbon particles (carbon nanotube, graphene, black carbon). Next, to elaborate smart composite materials, a ferroelectric material has been used as filler. The dielectric characteristics of such materials can be tuned under external biasing for example. Thus we develop an active composite material under various external actuators for naval application, and especially for new reconfigurable frequency selective surface (RFSS). Finally dielectric honeycomb materials have been specifically elaborated and studied to develop smart properties for DC and microwave applications. During this work, three different prototypes improving composite materials in naval area have been performed: reconfigurable radome, RCS reduction, and antenna isolation.