Brevet FR2694406A1 — publié le 19940204

DISPOSITIF DE MESURE DES CARACTERISTIQUES DIELECTRIQUES ET MAGNETIQUES DE MATERIAUX DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif de mesure des caractéristiques diélectriques et magnétiques de matériaux. Les caractéristiques diélectriques d'un matériau, que la présente invention permet de mesurer (en fonction de la fréquence), sont la partie réelle El et la partie imaginaire E2 de la permittivité complexe E du matériau, qui est telle que E = El - jE2 o ù j 2=-1 ; Les caractéristiques magnétiques du matériau, que la présent e invention permet de mesurer (en fonction de la fréquence), sont la partie réelle M1 et la partie imaginaire M2 de la perméabilité complexe M du matériau, qui est telle que M = M1 - jM2. Ces deux paramètres E et M sont des caractéristiques intrinsèques du matériau. On contact déjà par le document suivant : (1) Hewlett Packard, "Measuring dielectric constant with the HP8510 Network Analyser, HP Product Note 8510-3, 1987, une technique permettant de caractériser des matériaux sur une large bande de fréquences. Cependant, cette caractérisation est effectuée sur un échantillon du matériau que l'on place à l'intérieur d'une cellule de mesure. Il s'agit donc d'une technique destructive. On contact également par le document suivant (2) EP-A-0418117, "Dispositif de caractérisation diélectrique d'échantillons de matériaux de surface plane ou non plane et application au contrôle non destructif de l'homogénéité diélectrique desdits échantillons", un dispositif comprenant une seule ligne coaxiale qui débouche sur un matériau à caractériser. Ce dispositif connu permet de déterminer uniquement l'une ou l'autre des caractéristiques E ou M et non pas simultanément ces deux caractéristiques. De plus, ce dispositif met en oeuvre une modélisation de type "capacité équivalente" en bout de ligne et n'utilise ainsi qu'une information prélevée dans la couche superficielle du matériau, et ne permet don c pas de contrôler le matériau dans toute l'épaisseur de ce dernier. On connaît aussi par le document (3) Etude du guide d'ondes ouvert Application aux mesures non destructives des matériaux, Thèse nO 549 (1984), Ecole Polytechnique Fédéra le de Lausanne un dispositif utilisant un guide d'onde circulaire appliqué sur un maté ri au à caractériser. Cet autre dispositif connu ne fournit qu'une information soit sur les propriétés diélectriques soit sur les propriétés magnétiques du matériau et possède donc le même inconvénient que précédemment. De plus, cet autre dispositif connu fonctionne sur une étroite bande de fréquences et les dimensions de ce dispositif, qui sont directement liées à La fréquence de travail, deviennent prohibitives endessous de 5 GHz. Ainsi, aucun de ces trois dispositifs connus ne permet de satisfaire à la fois aux trois conditions suivantes - mesure des caractéristiques diélectriques et magnétiques du matériau sans que ce matériau soit détruit c' est-à-dire sans que l'on doive prélever un échantillon de ce matériau, - mesure de ces caractéristiques sur une large bande de fréquences - détermination, en une seule opération, des deux paramètres E et M à la fois (et npn pas seulement de l'un d'entre eux, ce qui oblige à déterminer l'autre au moyen d'un autre dispositif). La présente invention a pour but de remédier à ce t i nconvén ien t e n proposant un dispositif qui permet, par simple contact et sans destruction du matériau à contrôler, de déterminer les caractéristiques diéiectriques et magnétiques de ce matériau, sur une large bande de fréquences La présente invention a pour objet un dispositif de mesure des caractéristiques diélectriques et magnétiques d'un matériau, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend - deux lignes coaxiales comportant chacune une âme centrale et une paroi périphérique qui sont coaxiales et électriquement conductrices, une extrémité de la paroi périphérique se prolongeant vers l'extérieur de manière à présenter une surface plane destiné e à venir au contact du matériau, une zone comprise entre l'âme et la paroi périphérique étant remplie d'un diélectrique homogène, cette zone s'étendant à partir de ladite extrémité de manière que la propagation des ondes électromagnétiques dans chaque ligne coaxiale se fasse suivant le mode transverse électromagnétique jusqu a une fréquence déterminée, et - un appareil de mesure qui est connecté aux lignes coaxiales et qui est apte à exciter L'une de celles-ci à des fréquences inférieures ou égales à la fréquence déterminée, à détecter les signaux réfléchis et transmis respectivement à L'entrée de la ligne coaxiale excitée et à la sortie de L'autre ligne coaxiale, lorsque ces lignes coaxiales sont disposées en regard l'une de l'autre, de part et d'autre du matériau et contre celui-ci, et à fournir, à partir de ces signaux, des informations permettant de déterminer les caractéristiques diélectriques et magnétiques du matériau aux fréquences d'excitation. L'invention permet notamment de déterminer les caractéristiques diélectriques et magnétiques d'un matériau isotrope à pertes. Pour La précision des mesures, il est préférable que le matériau se présente sous la forme d'une plaque qui est plane ou ait du moins un fort rayon de courbure. La présente invention permet également de déterminer les coefficients de réflexion et de transmission du matériau en fonction de ta fréquence. Ces coefficients de réflexion et de transmission sont des fonctions des paramètres E et M ainsi que de L'épaisseur du matériau. Le diélectrique homogène que comprennent les deux lignes coaxiales du dispositif objet de L'invention est par exemple de l'air. Le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens électroniques de traitement des informations fournies. par l'appareil de mesure, ces moyens électroniques de traitement étant prévus pour fournir les caractéristiques diélectriques et magnétiques du matériau. Les informations fournies par l'appareil de mesure peuvent être le module et La phase des coefficient s de réflexion et de transmission du matériau ou une grandeur directement reliée à ces quantités (impédance, admittance, .. Dans ce cas, selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens électroniques de traitement sont prévus pour déterminer les caractéristiques dié lectrique s et magnétiques du matériau par - une méthode d'itération à chaque étape de laquelle les coefficients de réflexion et de transmission sont calculés à partir des valeurs des caractéristiques diélectriques et magnétiques utilisées à L'étape précédente et sont comparés aux coefficients fournis par l'appareil de mesure, ces valeurs des caractéristiques diélectriques et magnétiques étant alors corrigées en fonction du résultat de la comparaison. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-apres à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de L'invention, et - la figure 2 est une vue schematique de l'une des deux lignes coaxiales que comporte ce dispositif. Le dispositif conforme à L'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, comprend - deux Ligne s coaxiales circulaires identiques 2 et 4, - un appareil de mesure qui est relié à ces lignes coaxiales 2 et 4 respectivement par des connexions 8 et 10, - des moyens électroniques 12 de traitement d'informations fournies par cet appareil de mesure 6 et - des moyens 14 de visualisation des résultats fournis par les moyens électroniques de traitement 12. Le dispositif schématiquement représenté sur la figure 1 est destiné à mesurer la permittivité complexe E et la perméabilité complexe M d'un matériau 16, par exemple un matériau utilise dans des composants hyperfréquences. Dans l'exemple représenté, le matériau 16 a la forme d'une plaque qui est plane et, pour faire les mesures, les lignes coaxiales 2 et 4 sont respectivement placées de part et d'autre de cette pLaque et en regard L'une de L'autre, comme on le voit sur la figure 1. Chacune des lignes coaxiales 2 et 4 comprend une âme centrale 18 et une paroi périphérique 20 qui sont coaxiales et électriquement conductrices, l'âme centra le 18 s'étendant suivant l'axe de la paroi périphérique 20. De plus, une extrémité de la paroi périphérique 20 se prolonge vers l'extérieur de manière à présenter une surface annulaire plane 21 qui, lors des mesures, est mise en contact avec le matériau comme on le voit sur les figures 1 et 2. Ce prolongement de la paroi périphérique 20 est par exemple obtenu en raccordant à l'extrémité considérée de cette dernière un flasque métallique 22. Ce prolongement de la paroi périphérique 20 permet d'assurer le contact entre la ligne coaxiale et La plaque 16 du matériau étudié, afin de confiner Le champ électromagnétique dans ce matériau. L'autre extrémité de chaque ligne coaxiale est muni e de moyens classiques 24 permettant de connecter ta ligne coaxiale 2 ou 4 à la connexion correspondante 8 ou 10. Un volume 26 de matériau homogène, sans pertes (par exemple l'air), s'étend, dans chaque ligne coaxiale, à partir de l'extrémité ouverte de celle-ci portant le flasque 22, entre la paroi périphérique 20 et l'amie 18, sur une longueur L suffisante de manière que la propagation des ondes électromagnétiques dans cette ligne coaxiale se -fasse suivant le mode transverse électromagnétique TEM jusqu'à une fréquence déterminée. Dans la partie restante de la ligne coaxiale, un voile diélectrique 28 est compris entre l'amie 18 et la paroi périphérique 20 et maintient l'ame18 dans sa position axiale. Ce voile diélectrique 28 est suffisamment en retrait par rapport à L'extrémité portant Le flasque 22 et n' induit pas de mode d'ordre supérieur sur L'onde électromagnétique incidente au niveau du flasque 22. Chaque ligne coaxiale peut être obtenue en transformant de façon appropriée une ligne coaxiale de type APC7. A titre d'exemple, le rayon ri de l'âme 18 vaut 1,75225 millimètre, le rayon re de la face externe de la paroi périphérique 20 vaut 3,5 millimètres, le rayon extérieur R du flasque 22 vaut 70 millimètres et la longueur L est de l'ordre de quelques centimètres. Dans ces conditions, le mode transverse électromagnétique se propage seul depuis 0Hz jusqu'à une fréquence de 19,4 GHz qui délimite ainsi la bande de fréquences opérationnelle du dispositif obtenu. On pourrait remplacer l'air par un autre diélectrique homogène qui s'étendrait à parti r du flasque 22 sur une longueur appropriée pour avoir encore une propagation suivant le mode transverse électromagnétique. Cependant i 'utiLisation d'un autre diélectrique que l'air changerait la fréquence maximum de fonctionnement et l'impédance caractéristique de la Ligne. Dans cé cas, il serait possible d'éliminer la réflexion induite à l'interface voile 28/ diélectrique 26 par étalonnage du dispositif au niveau du flasque ou en utilisant un transformateur d'impédance adéquat. On pourrait également, remplacer les lignes coaxiales circulaires par des ligne s coaxiales rectangulaires. L'appareil de mesure 6 est un analyseur de réseau, par exemple du genre de celui qui est commercialisé par la société Hewlett Packard sous La référence 8510. Les connexions 8 et 10 sont des connexions hyperfréquences qui sont par exemple des lignes coaxiales circulaires APC3.5 également commercialisées par la société Hewlett Packard. L'analyseur de réseau 6 envoie un signal d'excitation à l'entrée de L'une des lignes coaxiales 2 et 4, par exemple la ligne 2, La fréquence de ce signal appartenant à la bande de fréquences mentionnée plus haut, d'où L'excitation de cette ligne 2. Puis cet analyseur de réseau détecte les signaux réfléchis et transmis respectivement à L'entrée de la ligne coaxiale 2 et à la sortie de la ligne coaxiale 4, par l'intermédiaire des connexions hyperfréquences 8 et 10. La détection de ces signaux permet à L'analyseur de réseau de mesurer le module et la phase du coefficient complexe de réflexion S11 sur la face d'entrée de la plaque (face où arrive le signal d'excitation) ainsi que le module et la phase du coefficient complexe de transmission S21 sur la face de sortie (face opposée à la précédente). A partir de ces paramètres, on est capable de déterminer les caractéristiques E et M du matériau. Ces opérations sont ensuite répétées à d'autres fréquences (de la bande de fréquences mentionnée plus haut) afin de déterminer les caractéristiques E et M du matériau à ces autres f réquences. On explique ci-après comment calculer les caractéristiques E et M à partir des cqefficients S11 et S21 qui ont été déterminés par l'analyseur de réseau 6. Ce calcul a lieu dans Les moyens électroniques de traitement 12 et les résultats du calcul sont donnés par les moyens de visualisation 14. L' en se mb i e du di sp os i t i f de mesure et du matériau est modélisé avec une méthode quasianalytique, à savoir une méthode spectrale. Cette méthode décrit les champs sous forme de décompositions en modes de propagation dans les trois parties du dispositif : ligne coaxiale circulaire 2, matériau 16, ligne coaxiale circulaire 4. La continuité de ces champs aux interfaces ligne coaxiale/matériau et matériau/ligne coaxiale est ensuite exprimée. Les coefficients Sîl et S21 sont ainsi calculés. Ils dépendent de manière implicite de E et M. Une optimisation classique, minimisant l'écart entre les coefficients mesurés et les coefficients théoriques calculés pour un couple (E, M) donné, permet de remonter aux caractéristiques E et M du matériau 16. PLus précisément, pour déterminer les caractéristiques E et M à une fréquence donnée, on effectue une suite d'itérations: on part de valeurs initiales de E et M, on calcule les coefficients S11 et S21, on compare ces coefficients aux coefficients mesurés par L'analyseur de réseau 6 et si L'écart entre les valeurs calculées et les valeurs mesurées de ces coefficients depasse un écart que l'on s'est fixé, on modifie les valeurs de E et M de départ, et ainsi de suite jusqu' à ce que L'écart ne dépasse pas celui que l'on s'est fixé, d'où les valeurs des caractéristiques E et M. On précise que Le choix des valeurs initiales de E et M ne pose pas de problème pour la première fréquence (par une mesure annexe ou un développement limité en basse fréquence) et que, pour une autre valeur dans la bande de fréquences, on prend comme valeurs initiales de E et M celles qui ont été obtenues à la fréquence considérée avant cette autre valeur. Les moyens électroniques de traitement 12 peuvent être équipés d'un logiciel de pilotage d'instrumentation développé pour les mesures considérées, afin d'automatiser ces mesures. Dans ce cas, les moyens électroniques de traitement 12 assurent les fonctions suivantes : - étalonnage de l'appareil de mesure 6, - mise en configuration de cet appareil, - acquisition et stockage des paramètres Sil et S21 sur la bande de fréquences, et - calcul des paramètres E et M pour diverses fréquences de cette bande. La présente invention trouve des applications dans divers domaines. Elle s'applique notamment à la caractérisation de matériaux absorbant les hyperfréquences, tant pour leur conception que pour le contrôle (non destructif) de leur fabrication. L'invention s'applique également à la caractérisation de matériaux utilisés pour les composants hyperfréquences (circulateurs, isolateurs, résonateurs, substrats). De plus, un dispositif conforme à L'invention, par exemple du genre de celui de la figure 1, permet également de réaliser des caractérisations de matériaux en fonction de La température. Il suffit pour cela de chauffer la plaque 16, ce qui évite de mettre les lignes coaxiales 8 et 10 à l'intérieur d'un four. Un dispositif conforme à L'invention permet également de détecter certains défauts d'homogénéité des matériaux testes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure des caractéristiques diélectriques et magnétiques d'un matériau (16), ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend - deux lignes coaxiales (2, 4) comportant chacune une âme centrale (18) et une paroi périphérique (20) qui sont coaxiales et électriquement conductrices, une extrémité de la paroi périphérique se prolongeant vers l'extérieur de manière à présenter une surface plane destinée à venir au contact du matériau, une zone comprise entre i l'âme et la paroi périphérique étant rempli e d'un diélectrique homogène (26), cette zone s'étendant à partir de ladite extrémité de manière que La propagation des ondes électromagnétiques dans chaque ligne coaxiale se fasse suivant Le mode transverse électromagnétique jusqu'a une fréquencesdéterminée, et - un appareil de mesure (6) qui est connecté aux lignes coaxiales et qui est apte à exciter L'une de celles-ci à des fréquences inférieures ou égales à la fréquence déterminée, à détecter les signaux réfléchis et transmis respectivement à l'entrée de la ligne coaxiale excitée et à La sortie de l'autre ligne coaxiale, lorsque ces lignes coaxiales sont disposées en regard L'une de L'autre, de part et d'autre du matériau et contre celui-ci, et à fournir, à partir de ces signaux, des informations permettant de déterminer les caractéristiques diélectriques et magnétiques du matériau aux fréquences d'excitation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diélectrique homogène (26) est l'air. 3. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les informations fournies par l'appareil de mesure (6) sont le module et la phase des coefficients de réflexion et de transmission du matériau (16) ou une grandeur directement reliée à ces quantités. 4. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens électroniques (12) de traitement des informations fournies par l'appareil de mesure (6), ces moyens électroniques de traitement étant prévus pour fournir les caractéristiques diélectriques et magnétiques du matériau (16). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les informations fournies par l'appareil de mesure (6) sont le module et la phase des coefficients de réflexion et de transmission du matériau (16) et en ce que tes moyens électroniques de traitement (12) sont prévus pour déterminer les caractéristiques diélectriques et magnétiques du matériau par une méthode d'itération à chaque étape de laquelle Les coefficients de réflexion et de transmission sont calculés à parti r des valeurs des caractéristiques diélectriques et magnétiques utilisées à l'étape précédente et sont comparés aux coefficients fournis par l'appareil de mesure (6), ces valeurs des caractéristiques diélectriques et magnétiques étant a lors corrigées en fonction du résultat de la comparaison.