Ce travail concerne la réalisation et la caractérisation de dispositifs hyperfréquences agiles en fréquence à base du matériau ferroélectrique KTa1-xNbxO3 (KTN) déposé en couche mince. Doté d'une permittivité diélectrique élevée (er = 700 à 10 GHz et Ebias = 0 kV/cm), KTN est un candidat prometteur pour la reconfigurabilité et la miniaturisation des dispositifs hyperfréquences. Ses pertes restent néanmoins conséquentes (tanδr = 0,3 à 10 GHz et Ebias = 0 kV/cm) et sont en partie à l'origine des pertes globales des dispositifs hyperfréquences réalisés. Afin de limiter ces pertes, une double approche a été engagée : (1) réduction des pertes diélectriques par le dopage du matériau KTN par un oxyde à faibles pertes : MgO à 3% et 6% en moles et (2) réduction des pertes globales par le confinement du matériau KTN dopé dans les zones actives des dispositifs hyperfréquences. Les couches minces de KTN non dopé et dopé d'épaisseur ~ 600 nm ont été déposées sur substrats de saphir orienté R par ablation laser pulsé (PLD). Deux compositions différentes (KTa0,5Nb0,5O3 et KTa0,65Nb0,35O3) ont été sélectionnées pour cette étude. Des dispositifs coplanaires imprimés sur les films ferroélectriques ont été réalisés et caractérisés dans la bande d'intérêt 1 GHz-20 GHz. Le dopage à 6% assure le meilleur compromis pertes / agilité avec une réduction significative des pertes globales de 0,73 à 0,20 (facteur ~ 4) du dispositif résonant imprimé sur KTa0,5Nb0,5O3 après son confinement par microgravure laser. Une agilité en fréquence de 8% est obtenue sous Ebias ≈ 75 kV/cm. L'étude d'une antenne à ondes de fuite reconfigurable en bande Ku a ensuite été mise en oeuvre. Les couches minces de KTa0,5Nb0,5O3 d'épaisseur ~ 600 nm ont été déposées par PLD sur substrats de saphir R, puis le matériau ferroélectrique a été localisé par microgravure laser dans les 6 zones actives de l'antenne (constituée de 6 tronçons). L’évolution du coefficient de réflexion sous Ebias ≈ 85 kV/cm montre une agilité en fréquence égale à 2%. Un gain maximal de 6,7 dBi a été mesuré à f = 17 GHz et Ebias = 0 kV/cm, conformément aux résultats de simulation. / This work deals with the fabrication and characterization of frequency tunable microwave devices based on ferroelectric KTa1-xNbxO3 (KTN) thin films. KTN material is a promising candidate for the tunability and miniaturization of microwave devices, due to its high dielectric permittivity (er= 700 at 10 GHz and Ebias= 0 kV/cm). Nevertheless its intrinsic loss (tanδr= 0.3 at 10 GHz and Ebias= 0 kV/cm) strongly impacts the global loss of the tunable microwave devices. To reduce this, a twofold solution has been investigated: (1) reduction of the loss tangent by doping KTN material with a low loss oxide, namely MgO (3% and 6% in mol.) and (2) confinement of the doped KTN film in efficient regions of the microwave devices and removal in noncritical areas by laser microetching. The ~ 600 nm-thick undoped and doped KTN films have been grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) on R-plane sapphire substrates. Two different compositions (KTa0.5Nb0.5O3 and KTa0.65Nb0.35O3) were specifically selected for this study. Microwave measurements have been performed on KTN-based coplanar devices from 1 GHz to 20 GHz. Stub resonator printed on confined 6% doped KTa0.5Nb0.5O3 film exhibits the best loss/agility trade-off with a significant global loss reduction from 0.73 to 0.20 (factor ~ 4) with a 8% frequency tunability under Ebias≈ 75 kV/cm.Thereafter, the study of a reconfigurable Ku-band leaky-wave antenna has been carried out. A ~600 nm-thick KTa0.5Nb0.5O3 film was deposited by PLD on R-plane sapphire substrate. The ferroelectric material was localized by laser microetching on 6 specific areas of the antenna (consisted of 6 sections). The variation of the reflection coefficient under biasing (Ebias≈ 85 kV/cm) demonstrates a frequency tunability of 2%. A gain equal to 6.7 dBi has been measured at f= 17 GHz and Ebias= 0 kV/cm, in accordance with the numerical results.

Libyan Ministry of Higher Education. / The full text will be available at the end of the embargo: 28th Nov 2024 / Subtitle: Simulation and Measurement of Reconfigurable Antennas for Cognitive Radio, UWB Applications, Investigation of Antenna Gain and Efficiency, Frequency Tuneable Range, Antenna Radiation Performance and Antenna Design Optimization using Parametric Studies as well as using MIMO antenna for wireless body area networks

Les antennes présentes dans la plupart des systèmes communicants comme les véhicules automobiles, les avions et les trains se multiplient et sont soumises à une contrainte d’intégration de plus en plus sévère. De nombreuses techniques de miniaturisation d’antennes existent et passent toutes par un compromis entre la taille et les performances (bande passante et/ou rendement de rayonnement). Pour les systèmes cités ci-dessus, les antennes sont souvent placées devant ou à proximité d’un réflecteur métallique (toit de véhicule, carlingue d’aéronef). Dans ce cas, l’épaisseur de système antennaire est une contrainte majeure et les métamatériaux de type Conducteur Magnétique Artificiel (CMA) ouvrent des perspectives intéressantes grâce à leurs propriétés électromagnétiques non conventionnelles. Cependant, pour les applications sub-GHz (RFID, LTE, PMR…), les CMA sont limités par les dimensions des cellules unitaires nécessaires à leur mise en œuvre (λg/4) ainsi que leur bande réduite de fonctionnement. Réduire leurs dimensions permet de rendre leur utilisation compatible avec le contexte des antennes miniatures intégrées. Ajouter l’agilité fréquentielle permet de palier le problème de la bande passante réduite dans le cas des antennes et des CMA miniaturisés en ajustant le fonctionnement du système antennaire sur une large bande passante. Cette thèse de doctorat propose d’étudier et de développer un nouveau système antennaire à faible profil composé d’une antenne miniature associée à une métasurface compacte reconfigurable en fréquence et compatible avec le standard NB-IoT dans la bande basse LTE (700 MHz – 960 MHz). / Antennas are now very integrated in several connected systems like cars, airplanes and trains. Many antenna miniaturization techniques exist and all go through a compromise between size and performance (bandwidth and/or radiation efficiency). For the systems mentioned above, the antennas are often placed near a metallic reflector (vehicle roof, aircraft cabin). Within this context, Artificial Magnetic Conductors (AMC) present an attractive reflector for low profile antennas which can take advantage of intrinsic zero reflection phase response to boost antenna performance without the need for thick quarter wave backplane. However, for sub-GHz applications (RFID, LTE, PMR ...), AMC are limited by the size of the unit cells necessary for their implementation (λg/4) as well as their reduced operating bandwidth. AMC miniaturization makes their use compatible with small antennas. Adding tunability restores the possibility of adjusting the operating frequency over a large bandwidth. This PhD thesis proposes to study and develop a new electrically small, low-profile antenna based on miniaturized and tunable AMC for the NB-IoT standard in low LTE band (700 MHz – 960 MHz).

Magnetic vortices are fundamental topologically protected magnetic structures which have evolved into a large and intense field of research and hold promise for future technological applications. The fundamental frequency of the magnetic vortex in a disk is directly proportional to the magnitude of the local saturation magnetization and individual sample design resulting in a single vortex precession frequency. Commercial applications like RF oscillators in wireless transmitters and receivers, however, require tuning of the output frequency by external parameters, such as applied fields or spin-polarized currents. It is shown here that the limited tunability of a magnetic vortex in a permalloy disk can be lifted when submitted to local chromium ion implantation by introducing areas in the disk with different saturation magnetization. A static magnetic field is applied to displace the vortex core between these two regions to enable detection of different frequencies corresponding to the respective regions. This realization of multiple resonance frequencies in one and the same magnetic disk is shown experimentally via electrical detection exploiting anisotropic magnetoresistance effects and the results are supported by micromagnetic simulations. In the experiments presented here, the gyrotropic mode is excited at resonance with spin-polarized alternating currents. Systematic investigations (in terms of excitation amplitude, external static field amplitude, angle between static field and current) on the disks without chromium ion implantation clearly indicate that the vortex core is driven by a combination of Oersted field and spin-torque. These measurements also help to identify the linear and non-linear regions of vortex dynamics electrically on single disks. The results shown in this work pave the way for enabling highly tuneable wireless transmitters and receivers based on magnetic vortex structures.