This thesis presents design, fabrication and testing of a number of multi-frequency band microstrip-fed re-configurable microstrip patch antennas. All re-configurable antennas are designed to change from one resonance frequency to another by an electronic control of RF MEMS switches, one at a time. Besides a fixed size slot on the patch, switches are placed in insets for satisfying better input match at each resonance frequency individually. Also some switches are placed into the slot for adding another resonance frequency to change the effective slot-length like effective inset length changing.To actuate the RF MEMS switches in the configured way, DC-stubs are also designed to apply required potential difference between switch ports and the carrier. These stubs exhibit RF-open at switch side to prevent any RF leakage, and DCground on the other side. That RF short-to-open conversion is accomplished together with feed structure / with a taper depending on the feed network selected. All devices introduced here are built by Microwave Research Group in Electrical and Electronics Department, Middle East Technical University. Depending on the sensitivity of structure, some devices are built by RF MEMS group in Microelectronic Production Plant for MEMS (METU &amp / #8211 / MET) during the thesis study. Therefore this study is the continuation of the first national work on fabrication of RF MEMS devices.

In this thesis, novel designs for adaptive power amplifiers, capable of maintaining excellent performance at dissimilar signal parameters, are presented. These designs result in electronically reconfigurable, single-ended and Doherty power amplifiers (DPA) that efficiently sustain functionality at different driving signal levels, highly varying time domain characteristics and wide-spread frequency bands. The foregoing three contexts represent those dictated by the diverse standards of modern communication systems. Firstly, two prototypes for a harmonically-tuned reconfigurable matching network using discrete radio frequency (RF) microelectromechanical systems (MEMS) switches and semiconductor varactors will be introduced. Following that is an explanation of how the varactor-based matching network was used to develop a high performance reconfigurable Class F-1 power amplifier. Afterwards, a systematic design procedure for realizing an electronically reconfigurable DPA capable of operating at arbitrary centre frequencies, average power levels and back-off efficiency enhancement power ranges is presented. Complete sets of closed-form equations are outlined which were used to build tunable matching networks that compensate for the deviation of the Doherty distributed elements under the desired deployment scenarios. Off-the-shelf RF MEMS switches are used to realize the reconfigurability of the adaptive Doherty amplifiers. Finally, based on the derived closed-form equations, a tri-band, monolithically integrated DPA was realized using the Canadian Photonics Fabrication Centre (CPFC??) GaN500 monolithic microwave integrated circuit (MMIC) process. Successful integration of high power, high performance RF MEMS switches within the MMIC process paved the way for the realization of the frequency-agile, integrated version of the adaptive Doherty amplifier.

De nos jours, les antennes sont de plus en plus complexes en raison notamment de la nécessité de réaliser une reconfigurabilité en fréquence et/ou en diagramme. Les réseaux réflecteurs et les surfaces sélectives en fréquence sont des candidats particulièrement intéressants pour couvrir les besoins actuels. Cependant, en raison de leur grande taille et de la complexité géométrique croissante de leurs cellules élémentaires, l‘analyse électromagnétique complète de ces structures rayonnantes nécessite énormément de ressources informatiques (mémoire) et exige des temps de calcul prohibitifs, notamment lorsque des éléments de commande tels que des MEMS-RF sont intégrés au sein des cellules. Les techniques numériques classiques basées sur un maillage (spatial ou spectral) systématique ne parviennent pas à simuler de manière efficace de telles structures multi-échelles et nécessitent souvent des ressources informatiques difficiles d’accès pour le concepteur d'antennes. Une technique originale baptisée « Scale Changing Technique (SCT) » tente de résoudre ce problème en segmentant le réseau en de multiples domaines imbriqués les uns dans les autres et présentant divers niveaux d'échelle. Le multi-pôle par changement d’échelle, appelé « Scale Changing Network (SCN) », modélise le couplage électromagnétique entre deux niveaux d’échelle successifs. Ce multi-pôle peut être calculé en résolvant les équations de Maxwell à partir d’une Formulation par Equations Intégrales. La mise en cascade des multi-pôles par changement d’échelle permet alors le calcul de la matrice impédance (ou admittance) de surface du réseau complet. Cette matrice peut à son tour être utilisée pour simuler la diffusion électromagnétique d’une onde incidente par le réseau. Le calcul des différents multi-pôles par changement d’échelle peut être effectué séparément de sorte que le temps de simulation du réseau complet peut être considérablement réduit en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée, lors de la phase de conception, nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d’échelle et ne requiert pas une nouvelle simulation de toute la structure. Cette caractéristique fait de la SCT un outil de conception modulaire. Dans le cadre de cette thèse, la SCT a permis de tenir compte de la taille finie des réseaux et de modéliser efficacement les couplages électromagnétiques entre les cellules élémentaires. Des réseaux réflecteurs uniformes et non uniformes ont été simulés par la SCT et les performances numériques de la méthode ont été analysées. / Future antenna architectures especially for space applications are becoming more and more complex due to the need of reconfigurability. This reconfigurability is needed in terms of frequency, reliability, radiation pattern and power consumption. In this context, reflectarrays and frequency selective surfaces (FSSs) are particularly the hottest domains of RF design. The accurate analysis of electromagnetic (EM) scattering from such type of complex finite-sized reflectarray antenna structures is of great practical interest. However due to their large electrical size and complex cellular patterns specially when tuning elements such as RF-MEMS are also integrated within the array elements, conventional full-wave EM analysis of such multiscale structures either fail or require enormous amount of computational resources to resolve prohibitively large number of unknowns. Moreover the characterization of large structures would normally require a second step for optimization and fine-tuning of several design parameters, as the initial design procedure assumes several approximations. Therefore a full-wave analysis of the initial design of complete structure is necessary prior to fabrication to ensure that the performance conforms to the design requirements. A modular analysis technique which is capable of incorporating geometrical changes at individual cell-level without the need to rerun the entire simulation is extremely desirable at this stage. An indigenous technique called Scale Changing Technique (SCT) addresses this problem by partitioning the cellular reflectarray geometry in numerous nested domains and subdomains defined at different scale-levels in the array plane. Multi-modal networks, called Scale Changing Networks (SCNs), are then computed to model the electromagnetic interactions between any two successive partitions by method of moments (MoM) based integral equation approach. The cascade of these networks allows the computation of the equivalent surface impedance matrix of the complete array which in turn is utilized to compute far-field radiation patterns. Full-wave analysis of both passive and active (electronically tunable by RF-MEMS) reflectarrays has successfully been performed by the SCT while utilizing very small amount of computational resources as compared to conventional full wave methods. Moreover, to speed up the SCT modeling of the reflectarrays, equivalent electrical circuit models have been extracted and applied for individual design and optimization of the reflectarray phase shifter elements.

Dual band (K and Ka) electronically scanning reflectarray with RF MEMS switches is designed, implemented and measured. Unit cell of the reflect array is composed of conductor backed split-ring elements. In order to steer the beam, the phase of the incident circularly polarized wave is controlled by RF MEMS switches that modify the angular orientation of split-rings individually. Reflectarray is designed using unit cell approach with periodic boundary conditions. The antenna is fabricated by using surface micromachining process developed in METU MEMS Center. Radiation patterns of the antenna are measured and compared with the simulations. It has been shown that the reflectarray is capable of beam switching to 35&deg / in Ka band, 24&deg / in K band.

Les matériaux ferroélectriques suscitent beaucoup d’intérêt du fait de leurs propriétés physiques telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité ou encore leur permittivité élevée. Ainsi, on cherche à les intégrer dans les micro- et nano-systèmes dans lesquels on les retrouve généralement sous forme de couche mince dans une configuration de type capacité plane. En particulier, l’oxyde de plomb, titane et zirconium (PZT) est un matériau très attractif pour les applications RF capacitives du fait de sa grande permittivité. Son intégration sur des électrodes métalliques, i.e. les lignes coplanaires constituant le guide d’onde, implique de maîtriser sa croissance en film mince. L’application d’une tension dans un dispositif RF actif impose également de contrôler les propriétés électriques : nature des courants de fuite et comportement ferroélectrique du PZT. Dans ce contexte, les couches minces de PZT sont déposées par ablation laser (PLD) sur un empilement La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) déposé sur un substrat monocristallin de saphir. La couche d’accroche conductrice LSMO est nécessaire afin d’éviter la formation d’une phase pyrochlore paraélectrique. Le contrôle de l’orientation cristalline de la couche de LSMO permet de contrôler la texturation de la couche de PZT. Les courants de fuite au travers de l’empilement Pt/PZT/LSMO/Pt ont ensuite été étudiés dans l’intervalle de température 220-330K de façon à déterminer les mécanismes de conduction. Une transition a été mise en évidence entre, autour de la température ambiante, un mécanisme contrôlé par la diffusion des charges en volume et, à basse température, un mécanisme contrôlé par l’injection des charges aux interfaces électrode/PZT. Un mécanisme par sauts a été identifié au-dessus de 280K en cohérence avec la présence de défauts étendus et la structure colonnaire du PZT. Afin de contrôler ces courants de fuite, différentes stratégies ont été utilisées. La première consiste à insérer une couche d’oxyde isolante à l’interface supérieure Pt/PZT modifiant ainsi l’injection des charges et permettant de réduire les courants de fuite. La seconde stratégie consiste, quant à elle, à modifier la structure de la couche de PZT en volume en élaborant des composites diélectrique/PZT multicouches ou colonnaires. Ainsi, une couche d’oxyde isolante a été insérée au milieu de la couche de PZT et a permis de réduire les courants de fuite. Le contrôle de la nucléation du PZT a également permis par nanofabrication d’élaborer un composite colonnaire pérovskite PZT/pyrochlore. La densité de piliers de pyrochlore dans la phase ferroélectrique permet de moduler la densité de courant dans la structure. Le PZT et les hétérostructures permettant de réduire les courants de fuite ont ensuite été intégrés dans une structure RF capacitive avec des lignes coplanaires d’or. Les performances RF en termes d’isolation et de pertes par insertion ainsi que la compatibilité de ces différents matériaux ont été étudiées et ont montré que les solutions développées dans le cadre du contrôle des courants de fuite sont prometteuses pour être intégrées dans les dispositifs RF capacitifs. En outre, on a cherché à extraire la permittivité à haute fréquence du PZT lorsque celui-ci est inséré dans une structure capacitive. Cette étude a notamment permis de mettre en évidence les points techniques à modifier concernant la structure du dispositif afin de parvenir à exploiter les propriétés physiques du PZT à haute fréquence. / Ferroelectric materials are raising a lot of interest due to their physical properties such as piezoelectricity, ferroelectricity or high dielectric constant. Thus, they are generally integrated in micro- and nano-systems as thin films in a capacitive configuration. Especially, the lead zirconate titanate oxide (PZT) is an attractive material for capacitive RF applications due to its high dielectric constant. The growth of the PZT thin film has to be controlled on metallic electrodes for its integration on coplanar transmission lines. Moreover, electrical properties such as leakage current and ferroelectric behavior of PZT have to be monitored upon application of a dc voltage bias for RF device operation. In this context, PZT thin films were grown by the pulsed laser deposition technique (PLD) on a La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) electrode on a monocrystalline sapphire substrate. The LSMO buffer layer is mandatory to avoid the formation of the paraelectric pyrochlore phase. The control of the crystalline orientation of the LSMO layer allows for the control of the PZT layer texture. Leakage currents through the Pt/PZT/LSMO/Pt stack were then studied in the 220-330K temperature range to determine the conduction mechanisms. A transition is evidenced between a bulk-controlled mechanism near room temperature and an interface-controlled mechanism at low temperature. A hopping mechanism is identified above 280K in line with the presence of extended defects and the columnar structure of the PZT layer. Several strategies were tested to control leakage currents. The first one consists in inserting an insulating oxide layer at the top Pt/PZT interface. In this way, charge injection was modified and leakage currents were reduced. The second strategy consists in changing the PZT layer bulk structure by elaborating a layered or columnar dielectric/PZT composite. Thus, an insulating oxide layer was inserted in the middle of the PZT layer and permitted to reduce leakage currents. Moreover, the control of the PZT nucleation allowed for the elaboration of a columnar PZT/pyrochlore composite. The leakage currents in this composite can be tuned through the pyrochlore pillars density among the ferroelectric matrix. Then, PZT and the heterostructures for leakage current control were integrated in a capacitive RF structure with gold coplanar transmission lines. RF performances in terms of isolation and insertion loss of these materials were studied and gave good results. In particular the heterostructures developed to control the leakage currents are promising for their integration in capacitive RF devices. Besides, I tried to extract the permittivity of PZT at high frequency with the PZT layer in a capacitive configuration. This study highlighted the essential modifications of the capacitive structure that have to be made in order to be able to exploit PZT properties at high frequency.