Design and development of fast reconfigurable microwave devices based on metal-insulator transition (MIT) materials : application to vanadium dioxide (VO2)
Conception et développement de dispositifs hyperfréquences à reconfiguration rapide à partir de matériaux à transition isolant-métal (MIT) : application au dioxyde de vanadium (VO2)
Résumé
This thesis, conducted at Lab−STICC as part of the ANR MUFRED project, focuses on the study, the design and the development of reconfigurable microwave devices based on vanadium dioxide (a metal-insulator transition material). This multidisciplinary project – from material deposition and study to the design and characterization of RF devices by way of optical control – aims to demonstrate the VO2 performances as a tuning element for fast (about ten nanoseconds) to ultra-fast (about hundred picoseconds) switching.With this aim in mind, this work begins with a characterization of vanadium dioxide as a tuning element before integrating it into reconfigurable RF devices.Thus, the first VO2 based switches, SPST, SP2T and SP4T are designed for control of the metal-insulator transition with an electrical or optical command. These switches are subsequently used in the design of reconfigurable 1-bit (relative phase shift of 0° and − 45°) and 2-bits (relative phase shift of 0°, − 90°, − 180° and − 270°) switched lines True Time Delay phase shifters.Then this study focuses on the proof-of-concept targeted by the MUFRED project, i.e. a reconfigurable phased array antennas based on VO2 switches. The performances of each RF blocks involved in its design are described, presented and analyzed.The first demonstrators carried out make it possible to foresee prospects for improvement in the short and long term.
Ce travail de thèse, réalisé au Lab−STICC, dans le cadre du projet ANR MUFRED, porte sur l’étude, la conception et le développement de dispositifs hyperfréquences reconfigurables à base de dioxyde de vanadium (matériau à transition isolant-métal). Ce projet, multidisciplinaire – allant du dépôt et l’étude du matériau à la conception et la caractérisation de dispositifs RF en passant par une commande optique – vise à démontrer les performances du VO2 en tant qu’élément d’accord pour une commutation rapide (une dizaine de nanosecondes) à ultra-rapide (une centaine de picosecondes, selon la littérature). Pour ce faire, ce travail débute par une caractérisation du dioxyde de vanadium en tant qu’élément de commutation avant de l’intégrer dans des dispositifs reconfigurables.Ainsi, les premiers commutateurs SPST, SP2T et SP4T à base de VO2 sont conçus pour un contrôle de la transition isolant-métal par commande électrique et optique. Ces commutateurs sont par la suite utilisés dans la conception de déphaseurs reconfigurables 1-bit (déphasage relatif de 0° et − 45°) et 2-bits (déphasage relatif de 0°, − 90°, − 180°, − 270°) de type « True Time Delay » à lignes commutées.La suite du travail porte sur le démonstrateur ciblé par le projet MUFRED, i.e. un réseau d’antennes phasé reconfigurable à base de commutateurs de VO2. Les performances de chacun des blocs RF intervenant dans sa conception sont décrites, présentées et analysées.Les premiers démonstrateurs réalisés ont permis d’envisager des perspectives d’amélioration à court et long terme.
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