Modélisation par faisceaux gaussiens de systèmes quasi-optiques intégrant des surfaces dichroïques pour la radiométrie millimétrique

par Kevin Elis

Thèse de doctorat en Electromagnétisme et systèmes haute fréquence

Sous la direction de Alexandre Chabory et de Jérôme Sokoloff.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 , en partenariat avec École Nationale de l'Aviation Civile (Toulouse ; 1968-....) (laboratoire) .

mots clés

• Faisceaux gaussiens
• Surfaces dichroïques
• Radiométrie
• Systèmes quasi-optiques
• Surfaces sélectives en fréquence
• Méthodes asymptotiques
• Modélisation électromagnétique
• Systèmes de communication à laser
• Radiométrie
• Faisceaux gaussiens

Résumé

Dans les domaines de la radioastronomie et de la météorologie, il est courant de faire appel à des radiomètres millimétriques qui, pour la plupart d'entre eux, intègrent des systèmes quasi-optiques. Ces systèmes permettent de réaliser des fonctions de guidage, de filtrage et de séparation des signaux. Ils sont constitués à partir de lentilles, de miroirs, de cornets et de lames dichroïques. Il apparaît, pour la conception de tels dispositifs, un fort besoin en outils de simulation adaptés. En effet, les systèmes quasi-optiques sont souvent très grands devant la longueur d'onde et, de ce fait, les méthodes de modélisation conventionnelles comme l'optique physique ou la méthode des moments sont trop coûteuses en ressources informatique. Dans ce contexte, les méthodes basées sur les faisceaux gaussiens sont prometteuses. Elles ont d'ailleurs été largement étudiées dans la littérature pour la modélisation d'antennes, de lentilles, de réflecteurs ou encore de radômes. Cependant, à l'heure actuelle, elles ne permettent pas de modéliser les surfaces dichroïques comportant des éléments périodiques, qui sont très souvent utilisées dans les systèmes quasi-optiques. Nous proposons dans cette thèse plusieurs méthodes permettant d'intégrer les surfaces dichroïques à une technique basée sur les faisceaux gaussiens. Pour cela, nous faisons l'hypothèse qu'un faisceau incident illuminant une surface dichroïque ne génère qu'un faisceau réfléchi et qu'un faisceau transmis. Les paramètres de ces faisceaux sont déterminés par un raccordement spectral prenant en compte la réponse spectrale de la surface. Après avoir présenté le contexte et le formalisme utilisé, nous nous intéressons dans un premier temps à l'étude du cas 2D. Au travers de diverses simulations, nous mettons en évidence la précision de cette approche et nous établissons ses limites. Nous la généralisons ensuite au cas 3D, puis nous réalisons des confrontations logicielles et expérimentales afin d'en démontrer l'efficacité.

Titre traduit

Gaussian-beam based modeling of quasi-optical systems including dichroic surfaces for millimeter-wave radiometry

Résumé

In the context of astronomy and meteorology, millimeter-wave radiometers are often used. They generally include quasi-optical systems. The role of these systems is to guide, filter, and split the incoming signals. They are constituted by lenses, mirrors, horns and dichroic surfaces. For the design of such systems, there exists a strong need for adapted simulation tools. Indeed, quasi-optical systems are often of large size compared to the wavelength. Thus, conventional modeling methods, such as physical optics or the method of moments, are too costly in computational resources. In this context, Gaussian-beams based methods are promising. They have been widely studied in the literature for modeling antennas, lenses, reflectors or radomes. However, up to now, they cannot be applied to dichroic surfaces made of periodic elements, which are often used in quasi-optical systems. We propose in this PhD thesis a method to include dichroic surfaces in a Gaussian-beam based technique. We assume that one incident beam yields one transmitted and one reflected beam. The beam parameters are obtained by means of a matching of their spectra taking into account the dichroic surface response. After the presentation of the context and framework, we start with the study of the 2D case. Through simulations, we demonstrate the accuracy of the approach and we establish its limits. This approach is then generalized to the 3D case. To demonstrate its capacities, we realize experimental and numerical confrontations.