A growing need for developing new multi-functional materials operating at microwave frequencies is demanding a better understanding of ferroelectric and ferrimagnetic materials and their combinations. Some of these materials exhibit tunable physical properties, giving an extra degree of freedom in the device design. New multifunctional ferroelectric and ferrimagnetic thin film structures are investigated in this dissertation research, in which dielectric and magnetic properties can separately be tuned over a certain frequency range. The materials of choice, Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) and BaFe12O19 (BaM), both well studied and used in many microwave applications, were prepared using rf magnetron sputtering and pulsed laser ablation. Thin-film bilayers, multilayers and composite thin films were grown on various substrates, and their underlying microstructure and crystallographic properties were analyzed and optimized. After identifying the most successful growth conditions,dielectric and magnetic properties were measured. Unusual features in magnetic hysteresis loops in both sputtered and laser ablated films grown under different conditions were observed. Microcircuits were fabricated using optical lithography and microwave properties and tunability were tested in the range 1-65 GHz.

Ce travail concerne l’étude et la réalisation de dispositifs hyperfréquences coplanaires de type composite main droite/gauche (CRLH). Dans la première partie du mémoire, l’état de l’art des structures CRLH et leur aspect théorique sont présentés. La deuxième partie concerne la modélisation circuit et la conception de la cellule CRLH de base. Un modèle circuit a été développé à partir des modèles existants. Un résonateur d’ordre zéro (ZOR en anglais) à couplage capacitif a été fabriqué et les résultats expérimentaux nous ont permis de valider le modèle théorique. Une réduction de 80% de la taille du résonateur a été observée par rapport au résonateur demi-longueur d’onde à la même fréquence du travail. Une ligne de transmission à deux bandes de propagation a été réalisée par la mise en cascade de cinq cellules CRLH de base. La troisième partie est vouée à l’utilisation des couches magnétiques dans les structures CRLH pour réaliser des dispositifs hyperfréquences accordables. L’agilité en fréquence du ZOR a été confirmée expérimentalement. Nous avons aussi proposé un modèle théorique simple de la cellule CRLH réalisée sur un substrat de YIG. Les résultats expérimentaux de la ligne CRLH à ferrite et pour différentes valeurs du champ magnétique appliqué sont présentés et comparés au modèle théorique et aux simulations 3D / This work deals with the study and the fabrication of microwave devices based on the Coplanar Composite Right/Left Handed (CPW CRLH) structures. In the first part, we introduce the CRLH theory. In the second part, circuit modelization and the design of the CPW CRLH unit cell are presented. A coplanar zeroth-order resonator has been numerically studied, realized and verified experimentally. The resonator we have proposed allows a reduction of 80% of its size compared to the conventional half-wave length resonator at 6GHz. Based on the unit cell, a CRLH TL with five elementary cells has been realized. The third part is devoted to the use of magnetic layers in CRLH structures to realise tunable microwave devices. The frequency agility of the ZOR was experimentally confirmed. We also developed a theoretical model of the CRLH unit cell with a YIG substrate. The experimental results of the CRLH line with ferrite and for different values of applied magnetic field are presented and compared with the theoretical model and 3D simulations

Les systèmes de télécommunications requièrent de plus en plus l’utilisation des composants passifs hyperfréquences. La commercialisation de ces composants nécessite la miniaturisation de leurs tailles, l’augmentation de leurs performances et la réduction de leurs coûts. Parmi ces composants passifs, nous citons le coupleur directionnel qui est un quadripôle destiné à répartir la puissance sur deux ports de sortie, le quatrième port reste isolé. Les travaux relatés dans ce manuscrit ont pour objectifs la conception et la réalisation d’un coupleur à accès coplanaires obtenu à partir d’un résonateur auquel nous avons appliqué des lignes de couplage. Un modèle équivalent approché a été mis en évidence par un logiciel de simulation circuit. Une étude paramétrique a été réalisée à l’aide d’un logiciel électromagnétique 3D pour fixer une règle de conception qui permet un dimensionnement convenable du composant pour un intervalle de fréquences prédéfinies. Un fonctionnement bi-bandes a été exploité pour chaque raccordement de la fréquence. Une deuxième structure de couplage a été déduite en reliant directement les lignes couplées sur le résonateur. Une étude paramétrique ainsi qu’une règle de conception ont mis en évidence un fonctionnement de coupleur mono-bande de cette structure à des fréquences prédéfinies. Une troisième structure qui fonctionne en coupleur a été exploitée en remplaçant le filtre résonateur par deux circuits en méandres. Ce nouveau coupleur à méandres présente des bandes passantes assez larges ainsi qu’un fonctionnement possible en bi-bandes. Ces coupleurs mis en œuvre peuvent assurer un couplage de l’ordre de 3 ; 6 ; 8 et 10 dB et d’un déphasage entre les deux ports de sortie de 180° pour les deux premières structures et de 90° pour le coupleur à méandres. Plusieurs séries de prototypes sont ensuite fabriquées à partir des structures optimisées en simulation. Les caractérisations hyperfréquences de ces composants montrent la performance des dispositifs réalisés / Telecommunications systems require more use of passive microwave components. The commercialization of these components requires the miniaturization of their size, increasing their performance and the reduction of their costs. Among these passive components we cited the directional coupler which is designated to spread the power between two outputs, the fourth port being isolated. The ambition of this work is to study and fabricate a coupler with coplanar access obtained from a resonator where we applied coupling lines. An equivalent approximate model was obtained using circuit simulation software. A parametric study was made using 3D electromagnetic software to fix a design rule that allows a suitable design for the component in a predefined frequency range. Dual-band operation has been exploited for each frequency. A second coupling structure was deduced by directly connecting the coupled lines to the resonator. A parametric study and a design rule have shown the operation of this structure as a single band coupler at predefined frequencies. A third structure which operates like a coupler has been exploited by replacing the resonator filter by two meandering circuits. This new meandering coupler presents a wide bandwidth and a possible operating in dual-band. These implemented couplers provided a coupling factor of 3, 6, 8 and 10 dB and a phase shift between the two output ports of 180° for the two first structures and a 90° phase shifter for the meandering coupler. Several sets of prototypes are then made. The microwave characterizations show the performance of the fabricated device

Les composants passifs hyperfréquences deviennent de plus en plus commercialisés et employés dans les systèmes de télécommunications. La croissance technologique et l’augmentation de la demande des nouvelles applications requièrent de meilleures performances et de moindres coûts. Dans les applications sans fil et notamment dans les modules « émission/réception », les circulateurs sont utilisés pour l’émission et la réception des signaux simultanément à l’aide d’une seule antenne. Les couches magnétiques traditionnellement déposées et intégrées exigent une cristallisation à haute température ainsi que l’application d’un champ magnétique externe pour garder l’orientation des moments magnétiques. Cette orientation est cependant obtenue par des aimants lourds et volumineux. Devant ces limitations technologiques ainsi que la demande de miniaturisation, l’emploi de l’hexaferrite de baryum sous sa forme particulaire devrait permettre le développement de circulateurs auto-polarisés et miniaturisés à matériaux magnétiques composites. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif d’étudier et de réaliser un circulateur hyperfréquence à nano particules magnétiques orientées dans la bande 40-60 GHz. L’état de l’art expose les différentes topologies de circulateurs dont la topologie coplanaire est choisie pour notre application. L’étude analytique est basée sur les travaux de Bosma permettant de modéliser le circulateur triplaque. Les principales dimensions géométriques obtenues sont ensuite transposées vers la structure coplanaire en 3D à l’aide de l’outil de simulation HFSS. Devant les limitations de cet outil, différentes structures ont été étudiées et simulées numériquement pour présenter au mieux le matériau composite. Plusieurs séries de prototypes sont ensuite fabriquées à partir des structures optimisées en simulation numérique. Le matériau magnétique composite déposé a des épaisseurs de 40 et 100 μm. Les caractérisations hyperfréquences montrent la performance des dispositifs réalisés. Des pistes de recherche sont proposées pour l’amélioration des performances de nos prototypes / Microwave passive components become increasingly commercialized and used in telecommunications systems. Technological growth and the increased demand for new applications require higher performance and lower costs. In wireless applications, especially in "transceivers", circulators are used for transmitting and receiving signals simultaneously using a single antenna. Magnetic layers traditionally deposited and integrated require a high crystallization temperature and the application of an external magnetic field to keep the orientation of magnetic moments. This orientation is however obtained by heavy and bulky magnets. Given these technological limitations and the need to miniaturize, the use of barium hexaferrite particles envisages the development of self-biased and miniaturized circulators having magnetic composite materials. The ambition of this work is to study and to fabricate a microwave circulator with magnetic nanoparticles oriented in the 40 - 60 GHz range. The state of the art describes various topologies coplanar circulators from which the coplanar topology is chosen for our application. The analytical study is based on Bosma’s work to model the stripline circulator. The main geometric dimensions obtained are then transposed to the coplanar structure using the 3D simulation tool HFSS. Faced with this tool’s limitations, different structures were studied and simulated numerically to shape the best the composite material. Several series of prototypes are then manufactured. The magnetic composite material was deposited in layers having thicknesses of 40 and 100 μm. The microwave characterizations show the performance of the fabricated device. Research tracks are proposed to improve the performance of our prototypes

Ce travail concerne l’étude de deux dispositifs coplanaires de type composite main droite/gauche (CRLH : composite right left handed). Il s’agit d’un résonateur d’ordre zéro (ZOR) et d’une ligne méta-matériaux (méta-ligne). Dans la première partie du mémoire, des généralités sur des méta-matériaux et des méta-lignes et quelques domaines d’applications sont présentés. Ensuite, des dispositifs agiles en fréquences de types composites CRLH sont décrites et en particuliers ceux à composites à bases de nanoparticules magnétiques réalisés dans ces travaux de thèse. L’agilité en fréquence recherchée a été obtenue avec moins de pertes dans les dispositifs. La deuxième partie concerne la caractérisation électromagnétique (EM) de sol-gel. Quelques méthodes de caractérisations EM sont présentées. Ensuite, celles qui ont été utilisées pour caractériser les composites solgel magnétiques. La troisième partie est vouée aux démarches technologiques et résultats expérimentaux sur les méthodes de caractérisation EM. Quelques procédés de dépôts ont été énumérés. Les propriétés EM complexes (ℰ* et μ*) de so-gel dopé ont été déterminées / This work concerns the study of two type coplanar devices composite right / left handed (CRLH). It is about a zero order resonator (ZOR) and a metamaterial line (meta-line). In the first part, brief generalities on metamaterials, meta-lines and some domain of application are presented. Then tunable devices in frequency CRLH composite types are described and particularly those made of magnetic nanoparticles (sol-gel) made in the this work. The desired frequency agility was achieved with less loss in the devices. The second part concerns the doped sol -gel electromagnetic characterization. Some methods for electromagnetic characterization are presented. Then, those which have been used to characterize the sol-gel are presented. The third part is devoted to technological approaches and experimental results on electromagnetic characterization methods. Some deposition processes have been listed. The electromagnetic complex properties (ℰ* et μ*)of magnetic so-gel were determined

Les circulateurs et les isolateurs à ferrite sont couramment utilisés dans l’électronique hyperfréquence en raison de leur forte résistivité électrique et de leur aimantation spontanée élevée. La conception et l’optimisation des dispositifs micro-ondes à ferrites nécessitent d’une part la connaissance de leurs propriétés dynamiques, permittivité complexe et tenseur de perméabilité, et d’autre part le contrôle de la propagation de l’onde électromagnétique (EM) qui conditionne leurs performances. Les logiciels commerciaux de simulation utilisent différents modèles théoriques pour décrire le tenseur de perméabilité en fonction de l’état d’aimantation. Cependant la plupart de ces simulateurs EM restent limités à des états particuliers d’aimantation en raison des hypothèses simplificatrices des modèles de perméabilité utilisés. Dans ce travail de thèse, nous présentons un outil prédictif pour l’étude des propriétés EM des ferrites quel que soit leur état d’aimantation et qui tient compte de l’inhomogénéité des champs internes de polarisation. Cette modélisation combine des techniques expérimentales de détermination des paramètres physiques des ferrites et un modèle théorique qui utilise ces paramètres pour décrire le comportement dynamique des ferrites quel que soit l’état d’aimantation. Dans la première partie de la thèse nous présentons une méthode large bande en ligne coaxiale pour la mesure du coefficient d’amortissement. Les paramètres S théoriques sont calculés à partir d’une analyse EM (problème direct) de la cellule de mesure. Pour le problème inverse, une optimisation numérique a été développée pour calculer le coefficient d’amortissement (α) par comparaison des paramètres S calculés avec ceux mesurés. Dans la seconde partie de la thèse, nous présentons un outil théorique de modélisation EM qui combine une analyse magnétostatique, un modèle du tenseur de perméabilité généralisé (GPT) et le simulateur Ansys HFSSTM. La majorité des paramètres d’entrée comme l’aimantation à saturation ou le champ d’anisotropie peuvent être mesurés à l’aide de techniques standards de caractérisation statique. Seul le paramètre dynamique, le coefficient d’amortissement, est déterminé à l’aide de la technique en ligne coaxiale proposée dans la première partie de la thèse. L’outil théorique développé est ensuite validé par la modélisation et la réalisation d’un circulateur micro-ruban à jonction Y. Grâce à la prise en compte de l’inhomogénéité des champs internes de polarisation, l’outil théorique proposé permet de mieux prédire le comportement dynamique des dispositifs à ferrites et cela pour tout état d’aimantation. / Ferrites are widely used in microwave electronics, particularly for circulators and insulators, because of their high electrical resistivity and high spontaneous magnetization. Design and optimization of microwave devices using ferrites requires realistic knowledge of its dynamic response, namely complex permittivity and permeability tensor and, on the other hand, control of wave propagation that condition their performance. Commercial simulation software use different theoretical models to describe the permeability tensor according to the state of magnetization. However, most of the electromagnetic (EM) simulators remain limited to certain states of magnetization, due to the simplified assumptions on which their permeability models are based upon.In this thesis work, we presented a predictive electromagnetic tool to study the EM properties of ferrites, whatever their magnetization state is, and takes into account the inhomogeneity of the internal polarization fields. This theoretical modeling approach combines experimental techniques to find the physical parameters of the ferrites, and a theoretical model which will use these parameters to describe the dynamic behavior of ferrites at any magnetization state.In the first part of the thesis, we presented a broadband coaxial line method for damping factor measurement. Theoretical S parameters are calculated using the EM analysis (direct problem) of the measurement cell. In the inverse problem, a numerical optimization procedure is developed to compute the damping factor (α) by matching theoretical S parameters with measured S parameters.During the second part of the thesis, we developed a theoretical EM modeling tool which combines a magneto-static solver, generalized permeability tensor model and commercial simulation software Ansys HFSSTM. Most of the input parameters like saturation magnetization, anisotropy field, etc. can be measured using standard characterization methods, except the damping factor used to represent the dynamic losses. Static input parameters of this theoretical tool are determined using standard material characterization methods.Dynamic input parameter, damping factor is calculated using the coaxial line technique proposed in the first part of this thesis. Theoretical EM tool is validated by modeling, and realizing a microstrip Y-junction circulator. By taking into account the inhomogeneity of the internal polarizing fields, proposed theoretical tool can predict the dynamic behavior of ferrite devices more accurately, at all magnetization states.

Cette thèse s’intègre dans le cadre d’un projet FUI « Plug InNano » dont l’objectif est de proposer des solutions de remplacement de l’or comme conducteur dans les domaines tels que la connectique hyperfréquence HF et l’automobile. Les nouveaux matériaux susceptibles de remplacer l’or sont des conducteurs composites. Une modélisation analytique du comportement du signal micro-ondes dans les matériaux conducteurs composites en fonction de leur microstructure a été réalisée notamment dans le cas d’une structure multicouche. Une caractérisation micro-ondes a été effectuée, par lamesure de facteurs de qualité de résonateurs coplanaires hyperfréquences (ligne demi longueur d’onde, anneau), réalisés au laboratoire, pour déterminer la conductivité effective des nouveaux conducteurs. En parallèle, des simulations 3D éléments finis ont été réalisées et des modèles analytiques ont été développés pour comparer les résultats théoriques et expérimentaux. Deux méthodes d’extraction de la valeur de la conductivité électrique telles que la méthode de l’abaque du facteur de qualité et la méthode de calcul inverse par les modèles analytiques des pertes. Une structure de fretting (cylindres croisés) innovante, adaptée aux hyperfréquences, a été mise en oeuvre pour la caractérisation des revêtementsconducteurs en situation vibratoire. Plusieurs matériaux nobles (Or, Ag) et non nobles (étain, bronze blanc et laiton) ont été mesurés et caractérisés. La variation de la résistance de contact hyperfréquence en fonction des cycles de fretting est mesurée en parallèle avec la résistance DC. Un critère d’endommagement d’un contact traversé par un signal HF est défini à 0,1 dB d’atténuation / This thesis is part of a project FUI ”Plug InNano”. Objective of the project is offering a new composite conductor, instead of Gold used as a coating conductor in microwave and automotive connectors. An analytical model of the microwave signal behavior has been achieved in composite conductive materials according to their microstructure, especially the case of a multilayer structure. A microwave characterization was performed by measuring the quality factors of microwave coplanarresonators (half-wavelength line and ring), made in the laboratory, to determine the effective electrical conductivity of this new conductor. In parallel, 3D finite element simulations were conducted, and analytical models for losses calculation have been developed to compare the theoretical and experimental results. Value of the electrical conductivity is extracted using the following methods: abacus of quality factors, and inverse calculation by losses analytical models. A new fretting structure (crossed cylinder), suitable for microwave, has been implemented for the characterization of conductor coatingsin fretting environment. Several materials were measured and characterized: noble as Gold and Silver, and non-noble as Tin, white Bronze and Brass. Variation of the microwave contact resistance, as a function of fretting cycles, is measured in the same time with the DC resistance. A damage criterion of a contact for RF signal is defined by 0.1 dB of attenuation