Développement d’antennes reconfigurables en fréquence dans le domaine millimétrique par l’intégration de condensateurs ferroélectriques

Development of millimeter wave frequency reconfigurable antenna integrating ferroelectric-based tunable capacitors

• Auteur / Autrice : Vincent Muzzupapa
• Direction : Aurelian Crunteanu-Stànescu, Laure Huitema
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l’information
• Date : Soutenance le 19/06/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Dominique Cros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Cros, Hartmut Wolfgang Gundel, Hervé Parvery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ala Sharaiha, Leonardo Lizzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Condensateurs électriques

Ondes millimétriques

Antennes hyperfréquences

Mots clés libres

Antenne millimétrique reconfigurable

Matériaux ferroélectriques

Matériaux à changement de phase

Dtc

Reconfiguration fréquentielle

Millimeter wave tunable antenna

Ferroelectric materials

Phase change materials

Dtc

Frequency tunable

Résumé

Cette thèse a pour objectif de développer une antenne millimétrique reconfigurable en fréquence par l’intégration de condensateurs variables ferroélectriques. Dans un premier temps, des condensateurs interdigités intégrant des couches minces ferroélectriques de Titanate de Baryum et Strontium (BaxSr1-xTiO3 - BST) de composition x=0,5 et x=0,8 ont été fabriqués et caractérisés jusqu’à 110 GHz. Les condensateurs fabriqués à partir de la composition x=0,8 (x=0,5) présentent en moyenne une accordabilité de 43% (25%) sous un champ électrique de polarisation moyen de 250 kV.cm-1 et une tangente de pertes de 10-1 (10-2). Les condensateurs, quelle que soit leur composition, présente un comportement résonant en haute fréquence qui limite leur utilisation à une fréquence maximale de 65 GHz. Les performances des condensateurs sont au niveau de l’état de l’art pour un fonctionnement en bande millimétrique, permettant de les intégrer dans un dispositif antennaire afin de le rendre reconfigurable en fréquence. La composition x=0,8 est retenue pour l’intégration dans l’antenne du fait de sa meilleure accordabilité. L’antenne développée consiste en une antenne patch alimentée par couplage à une fente boucle rectangulaire disposée sous ce dernier, et dans laquelle sont intégrés 4 condensateurs ferroélectriques. Les dimensions du patch, de la fente-boucle ainsi que les valeurs et les positions des condensateurs ferroélectriques ont été optimisées par le biais d’un modèle électrique développé dans ces travaux de thèse afin de maximiser l’accordabilité fréquentielle tout en maintenant un niveau d’adaptation inférieur à - 15 dB. Ces antennes utilisent un substrat d’alumine compatible avec les dépôts des couches minces de BST et permettant ainsi d’avoir une antenne miniature. Plusieurs antennes ont été fabriquées et mesurées en réflexion et en rayonnement. Ces mesures valident dans tous les cas considérés le modèle électrique développé sur une très large bande de fréquence. Lorsque le critère fixé par notre modèle est la maximisation de l’excursion fréquentielle, une accordabilité de 23% est obtenue, correspondant à la couverture d’une bande de fréquence de largeur 6,45 GHz. Dans ce cas, l’efficacité de rayonnement de l’antenne est relativement faible à polarisation nulle des condensateurs (7% à 29,5 GHz) et augmente avec la tension de polarisation (46% à 34 GHz pour une tension de 100V). L’efficacité de rayonnement peut être augmentée en passant par un compromis sur l’accordabilité fréquentielle. En effet, un second démonstrateur montre que pour une agilité fréquentielle de 17,5%, une efficacité de rayonnement de 19,5% est obtenue pour une polarisation nulle des condensateurs et de 60% pour une tension de polarisation de 100V. Afin de compléter ces études, des commutateurs à base de matériaux à changement de phase (PCM) ont été développés et fabriqués dans l’optique de les associer aux condensateurs ferroélectriques. La mesure d’un premier type de dispositifs simplifié a permis d’évaluer leurs performances en termes d’isolation et de pertes d’insertion. Une étude de l’association des condensateurs ferroélectriques et des commutateurs PCM a pu être réalisée en simulation à partir des mesures des condensateurs ferroélectriques et des commutateurs PCM. Cette étude montre que l’association de ces deux composants permet l’obtention d’un condensateur accordable numériquement (par l’état des commutateurs) et analogiquement (par la polarisation des condensateurs). L’accordabilité obtenue est de 56% contre 38% d’accordabilité des condensateurs ferroélectriques seuls, ce qui démontre que l’association des matériaux ferroélectriques et à changement de phase permet l’obtention d’accordabilités continues importantes.

The aim of this thesis is to develop a frequency-reconfigurable millimeter wave antenna by integrating ferroelectric tunable capacitors. Initially, interdigited capacitors integrating ferroelectric thin films of Baryum and Strontium Titanate (BaxSr1-xTiO3 - BST) with compositions x=0.5 and x=0.8 were fabricated and characterized up to 110 GHz. Capacitors made from the x=0.8 (x=0.5) composition show an average tunability of 43% (25%) under an average bias electric field of 250 kV.cm-1 and a loss tangent of 10-1 (10-2). Whatever the composition, the capacitors exhibit a resonant behavior at high frequencies, which limits their use to a maximum frequency of 65 GHz. Capacitor performances are state-of-the-art for millimeter wave band, enabling them to be integrated into an antenna device to make it frequency reconfigurable. The x=0.8 composition has been chosen for integration into the antenna because of its high tunability. The developed antenna consists of a radiating patch fed by coupling to a rectangular slot-loop lying beneath it, in which four ferroelectric capacitors are integrated. The dimensions of the patch, the slot-loop and the values and positions of the ferroelectric capacitors have been optimized using an electrical model developed in this thesis work, in order to maximize frequency tunability of the overall device while maintaining a matching level below -15 dB. The antennas uses an alumina substrate compatible with BST thin-film deposition, thus enabling a miniature antenna. Several antennas have been manufactured and measured for reflection and radiation. In all cases, these measurements validated the electrical model over a very wide frequency band. When the criterion set by our model is the maximization of the frequency excursion, a tunability of 23% is obtained, corresponding to the coverage of a 6.45 GHz wide frequency band. In this case, the antenna's radiation efficiency is relatively low at zero capacitor bias voltage (7% at 29.5 GHz) and increases with bias voltage (46% at 34 GHz for a bias voltage of 100V). Radiation efficiency can be increased by compromising on frequency tunability. Indeed, a second demonstrator shows that for a frequency agility of 17.5%, a radiation efficiency of 19.5% is obtained for zero capacitors bias voltage, and 60% for a bias voltage of 100V. To complete these studies, switches based on phase-change materials (PCM) were developed and manufactured with a view to combining them with ferroelectric capacitors. Measurement of an initial, simplified type of device has allowed assessing their performances in terms of insulation and insertion loss. A study of the combination of ferroelectric capacitors and PCM switches was carried out in simulation using measurements their respective measured S parameters. This study shows that the combination of these two components produces a capacitor that can be tuned in both discrete (by the state of the switches) and continuous ways (by the polarization of the capacitors). The tunability obtained is 56%, compared with 38% for ferroelectric capacitors alone, demonstrating that the combination of ferroelectric and phase-change materials enables significant continuous tunabilities to be achieved.