THÈse présentée devant l’université de rennes 1





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date de publication09.10.2017
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N° ordre : 3645

THÈSE

présentée

DEVANT L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1

pour obtenir

le grade de : DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : Traitement du Signal et Télécommunications

PAR

MOUSSAVOU Arnaud-Gides
Équipes d’accueil :

Institut d’Électronique et des Télécommunications de Rennes

&

Unité Sciences Chimiques de Rennes
École Doctorale : MATISSE

Composante Universitaire : Structure et Propriété de la Matière
Couches Minces Ferroélectriques KTa1-xNbxO3 (KTN): Applications à la Reconfigurabilité de Dispositifs Hyperfréquences et des Antennes BIE.
Composition du jury 

Rapporteurs :

Jean-Claude CARRU Professeur, Université du Littoral Côte d’Opale

Valérie MADRANGEAS Professeur, Université de Limoges

Examinateurs :

Hartmut GUNDEL Professeur, Université de Nantes

Afshin ZIAIE Ingénieur, Thalès TRT

Animateur :

Gérard TANNÉ Professeur, Université de Bretagne Occidentale

Encadrants :

Ronan SAULEAU Maître de Conférences HDR, Université de Rennes 1

André PERRIN Professeur, Université de Rennes 1

Xavier CASTEL Maître de Conférences, Université de Rennes 1

Directeurs de thèse :

Maryline GUILLOUX-VIRY Professeur, Université de Rennes 1

Kouroch MAHDJOUBI Professeur, Université de Rennes 1

Résumé
Les dispositifs reconfigurables constituent un sujet d’intérêt majeur à mesure que les systèmes de télecommunications se multiplient et se complexifient. Ces travaux de thèse portent sur l’application des matériaux ferroélectriques aux dispositifs hyperfréquences reconfigurables et aux antennes BIE à dépointage de faisceau.

Après une présentation du matériau KTN et un état de l’art des dispositifs agiles dans le chapitre I, le chapitre II présente l’étape de l’élaboration du matériau. L’étude de l’influence du substrat montre que les films de KTN sont épitaxiés sur MgO et LaAlO3 alors qu’ils sont texturés sur saphir. L’obtention de films de KTN sur silicium nécessite la présence d’une couche tampon. Les films sont alors épitaxiés sur SrTiO3/silicium et texturés sur platine/silicium. Les caractérisations diélectriques sont ensuite mises en relief. Le chapitre III est dédié à l’étude numérique de dispositifs standard, lignes de transmission et résonateurs à stub, en termes de pertes et d’agilité. La réalisation et les mesures des dispositifs, présentées au chapitre IV, montrent une agilité élevée, supérieure à 20 % pour des résonateurs intégrant des couches de KTN sur saphir, associée à des pertes des films caractérisées par un tanδ supérieur à 0,1. La corrélation entre les performances des dispositifs et les caractéristiques structurales et microstructurales des couches est discutée. Dans le chapitre V, la simulation électromagnétique d’une antenne BIE reconfigurable à cavité Fabry-Perot a démontré un dépointage de faisceau de 30° et une directivité maximale de 14,5 dB.

Mots clés : KTN - KTa1-xNbxO3 - couches minces ferroélectriques - dispositifs reconfigurables - résonateurs à stub – structure à bande interdite électromagnétique – conducteur magnétique artificiel (AMC) reconfigurable - antennes à dépointage de faisceau – antennes à cavité Fabry-Pérot
Abstract
Agile devices are more and more interesting as the telecommunications systems become more numerous and complicated. The present work deals with the application of the ferroelectric material for agile devices and scanning-beam EBG antennas.

After a presentation of the ferroelectric material and a state of the art of basic ferroelectric thin film agile devices in chapter I, the chapter II deals with the KTN material elaboration. The study of the influence of the substrate shows that KTN films on LaAlO3 and MgO are epitaxial while those on sapphire are essentially textured. The realisation of KTN films of pure perovskite phase on silicon substrate requires the use of a buffer layer. It is found that KTN films on SrTiO3/silicon are epitaxial, while those on platin/silicon are textured. Dielectric characterizations are also presented in this chapter. The chapter III is dedicated to the numerical study of standard microwave devices, transmission lines and stub resonators, in terms of agility and loss. The realisation and measurements are discussed in chapter IV. Stub resonators show an agility higher than 20%, with a loss factor tanδ higher than 0.1. Correlation between performances and structural and micro-structural characteristics are commented. In chapter V, we demonstrate numerically the feasibility of a reconfigurable Fabry-Perot antenna with a 30° beam scanning capability and a maximal directivity of 14.5 dB.

Keywords: KTN - KTa1-xNbxO3 - ferroelectric thin films - reconfigurable devices - stub resonators - Electromagnetic Band Gap structures - beam scanning antennas - Fabry-Pérot antennas

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