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

Discipline

Sciences et ingénierie pour l’information

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Antenne millimétrique reconfigurable, Matériaux ferroélectriques, Matériaux à changement de phase, Dtc, Reconfiguration fréquentielle

Mots-clés

Antennes hyperfréquences,

Ondes millimétriques,

Condensateurs électriques

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.