Numerical Analysis of a Conical Type Coaxial Open-Ended Probe for Dielectric Measurement

L'objectif principal de cette recherche est de trouver un modèle précis pour le calcul de la constante diélectrique et le facteur de perte d'un matériau diélectrique homogène partir d'un coefficient de réflexion mesurée a l'aide d'une sonde coaxiale de type conique dans les fréquences radio et micro-ondes. Ce type de sonde peut être facilement inséré dans plusieurs types de tissus biologiques et dans des matériaux semi-rigides comme le caoutchouc, certains plastiques et des matières organiques (ex.: des produits laitiers comme le beurre, pour en mesurer la teneur en humidité). Cette caractéristique est très importante pour des applications biologiques et industrielles. Le principe à la base de ce type de mesure est la détection de la variation de capacité par rapport au mouvement de la masse diélectrique dans le champ de frange électrique. L'admittance d'entrée électrique, ainsi que le coefficient de réflexion, sont calculés à l'aide d'une analyse par éléments finis. Contrairement à de nombreuses autres techniques de modélisation utilisées pour l'étude des sondes coaxiales qui sont approximatif et donc limitées, le modèle par éléments finis est plus précis et est applicable aux géométries complexes. Afin de valider le modèle numérique, une étude expérimentale a été menée en parallèle en laboratoire, avec mêmes dimensions géométriques.Les résultats sont compares et une excellente correspondance est observée, ce qui démontre que la modélisation par éléments finis est une bonne approche pour la conception optimale de sondes coaxiales coniques. Une formulation éléments finis tridimensionnelle est utilisée dans la région du matériau diélectrique et dans une petite région voisine de la structure de la sonde sur laquelle elle est montrée. Le coefficient du facteur de réflexion, le champ électromagnétique à l'ouverture de la sonde et la permittivité de différents matériaux ont été analysés pour des fréquences de 300 MHz à 3 GHz. De plus, une étude comparative de trois modèles de sondes coniques à ouverture coaxiale (modèle capacitif, modèle d'antenne et modèle améliore de la ligne virtuelle) qui fait un lien entre le coefficient de réflexion à la permittivité complexe du matériau testé est présentée. L'influence de l'angle du cône et de la forme du câble coaxial (plat-conique-elliptique) est aussi étudiée en détail. La conception de sondes diélectriques ainsi que leur utilisation efficace nécessite des méthodes de calcul précises et optimales, validées de façon rigoureuse et à coûts de calculs réduits.