Développement d’antennes intégrées agiles à base de matériaux ferroélectriques

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Développement d’antennes intégrées agiles à base de matériaux ferroélectriques
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Xlim site de la Faculté des Sciences – Limoges + Xlim site d’Ester technopôle – Limoges
Laboratoire d’accueil : XLIM/OSA

Présentation de l’équipe de recherche
Le candidat sera intégré au sein des départements OSA (Ondes et Systèmes Associés) et MINACOM (Micro et Nanotechnologies pour composants Optoélectroniques et Microondes) du laboratoire Xlim.
La recherche au sein du département OSA se place au cœur des communications sans fil et des interactions ondes – systèmes. Au carrefour du monde universitaire et du monde industriel, les chercheurs du département OSA conçoivent des dispositifs par la simulation électromagnétique de pointe et élaborent des prototypes. Ils améliorent les techniques de mesure pour caractériser les systèmes et pour étudier les effets des ondes sur la santé. Ils étudient les couplages dans les structures et les transports, ils évaluent la complexité des canaux de propagation et ils conçoivent des systèmes de détection non destructif, par les ondes, d’objets ou de structures enterrés.
Les domaines d’expertise du département MINACOM concernent le développement ou l’utilisation de méthodes avancées de conception et la mise au point de nouvelles technologies et moyens de caractérisation pour élaborer des composants et circuits originaux et innovants.

Résumé de la thèse en français
L’évolution actuelle des systèmes de communication sans fil tend vers des solutions intégrées pour des raisons d’optimisation, de miniaturisation et d’amélioration des performances (débit, qualité de service). Afin de répondre aux besoins de mobilité croissants, des efforts de recherche doivent s’attaquer aux verrous de la conception de systèmes antennaires intégrés. Ces systèmes devront être miniatures et capables de s’adapter à leur contexte d’utilisation. L’intégration d’éléments actifs au sein d’un système antennaire répond favorablement à ces deux contraintes. L’état de l’art de ces antennes montre l’utilisation d’éléments actifs tels que les diodes varactor. Or, ces antennes se voient limitées en terme de puissance acceptée et leur utilisation ne peut se faire qu’en réception. A l’heure de nouvelles générations de transmetteurs faible consommation pour les réseaux de capteurs sans fil ou de la radio opportuniste, le dispositif visé devra interagir avec l’environnement extérieur. Les technologies telles que les diodes varactor ne peuvent donc pas être intégrées dans ces dispositifs de dernière génération.
C’est dans ce contexte que l’intégration de matériaux ferroélectriques représente la solution de rupture avec les solutions actuelles. Les propriétés d’agilité de ces matériaux rendront l’antenne accordable en fréquence et les technologies de dépôt de couches minces permettront une intégration 3D du système antennaire.

Résumé de la thèse en anglais
Compact antennas are limited by fundamental physical limits, in terms of bandwidth and radiation performances, which are disturbed by antennas’ surrounding and so totally dependent on their using context. Developing an antenna integrating tunable elements allows changing:
-The antenna operating frequency band: it is the ideal alternative to compensate for various housings and implanted environments. Moreover, the antenna covers each user channels of different standards using for example ISM (Industrial, Scientific and Medical) bands.
-The angle of the radiation boresight: that means an optimization of the link budget and thus an enhancement of the quality and the reliability of wireless links.
The reconfigurable antennas state-of-the-art presents varactor diodes. However, their characterization according to antenna designer criteria reveals a very low power handling capability. Thus, antennas integrating such components can be only used for reception devices. For future generation of low-powered wireless sensors or cognitive radio, devices have to be connected. Antennas using varactor diodes will no longer be integrated in new generation devices.
This is in the framework of these technical barriers that ferroelectric materials present a great alternative. Therefore, the aim of the thesis is to create integrated compact and low power consumption reconfigurable antennas exploiting the agility of ferroelectric materials.
Indeed, the main property of such a material is to change their dielectric permittivity depending on an external electric field through a non-linear dielectric effect. To reach both low power consumption and the best trade-off between miniaturization and efficiency, wireless communication devices have to reach a 3D integration (move toward on-chip reconfigurable antennas).
This thesis will be in line with the MAESTRO international NRA (National Research Agency) project. It involves 3 partners: the Xlim laboratory, the SPCTS laboratory (Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface) and the NIMP laboratory (The National Institute of Materials Physics, Bucharest, Romania).

Description complète du sujet de thèse
L’objectif de la thèse est de concevoir des antennes intégrées reconfigurables à faible consommation grâce aux propriétés d’agilité offertes par les matériaux ferroélectriques. En effet ceux-ci possèdent une permittivité diélectrique qui varie sous l’effet d’un champ électrique appliqué.
L’intégration 3D sera nécessaire dans les systèmes de communication du futur si l’on veut concevoir des dispositifs à la fois à faible consommation, miniaturisés et le plus efficaces possible.
Les performances des antennes compactes miniatures sont limitées par les lois de la physique en termes de bande passante et d’efficacité de rayonnement. De plus, celles-ci sont particulièrement sensibles à leur environnement et leur contexte d’utilisation qui peuvent altérer leurs performances, faire varier leur rayonnement ou leur fréquence de fonctionnement. Il est donc indispensable de concevoir des aériens agiles qui sauront s’adapter aux conditions d’utilisation en étant par exemple capable de compenser des perturbations telles qu’un shift en fréquence ou encore un diagramme de rayonnement altéré.
L’état de l’art des antennes reconfigurables propose des solutions à base de diodes varactors, de MEMs, de diodes PIN, de transistor FET ou encore de matériaux agiles tels que les ferroélectriques. Ces solutions permettent d’obtenir une variation de la bande d’adaptation ou encore une reconfiguration du diagramme de rayonnement. Les solutions à base de diodes PIN, qui ne possèdent que deux états ne permettent pas une agilité sur une large bande de fréquence. La consommation des transistors FET est trop élevée et les MEMs souffrent encore d’une rapidité de commutation ou d’une fiabilité limitées. Les varactors sont les solutions les plus utilisés dans les antennes miniatures agiles. Toutefois elles souffrent de pertes souvent élevées et ont une tenue en puissance très limitée qui autorise difficilement leur utilisation dans des dispositifs en émission. Ces 2 limitations sont très pénalisantes pour les futurs capteurs sans fil faible consommation ou encore pour des applications dans le domaine de la radio cognitive.
L’objectif de cette thèse est de lever les limitations des composants actuellement utilisés en proposant une solution de rupture représentée par l’utilisation de matériaux ferroélectriques. En effet, ceux-ci présentent le double intérêt de permettre la conception d’aériens agiles et de permettre, grâce aux techniques de dépôts de couches minces, une intégration 3D de l’antenne et de son dispositif d’accord.
La thèse proposée viendra s’inscrire dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) international MAESTRO. Il regroupe 3 partenaires: le laboratoire Xlim, le laboratoire SPCTS (Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface) et le laboratoire NIMP (The National Institute of Materials Physics, Bucharest, Romania).
Le candidat devra acquérir la culture scientifique relative à son sujet. Pour cela il aura à fournir, dans un premier temps, une étude bibliographique la plus exhaustive possible tant sur la partie antenne que sur la partie matériaux accordables. Il devra assimiler et utiliser les compétences des deux départements dans lesquels il sera intégré: les départements MINACOM (Micro et Nanotechnologies pour composants Optoélectroniques et Microondes) et OSA (Ondes et systèmes associés).

La transversalité de son sujet l’amènera à connaitre d’une part les technologies de dépôt et de caractérisation des films minces ferroélectriques et d’autre part il devra apprendre à maitriser les outils de simulation électromagnétiques utilisés dans l’équipe OSA. Les travaux s’appuieront sur un développement conjoint des propriétés d’agilité des matériaux ferroélectriques disponibles en films minces et des structures d’antennes associées. Le candidat développera de nouvelles méthodes de modélisation de couches minces au sein d’un système antennaire et concevra ainsi différentes topologies d’antennes reconfigurables. De plus, il aura à caractériser les couches ferroélectriques dans des bandes de fréquences allant du GHz à 60 GHz.

Le candidat sera amené à travailler de manière étroite avec les trois partenaires du projet et aura l’opportunité de présenter son travail lors de réunion de projet, de séminaires,…

Objectifs scientifiques de la thèse
L’objectif principal est de concevoir des antennes intégrées reconfigurables à faible consommation grâce aux propriétés d’agilité offertes par les matériaux ferroélectriques.

Compétences à l’issue de la thèse
Cette thèse, à caractère multidisciplinaire, demande des compétences dans les domaines des matériaux, des techniques de dépôts, de la caractérisation hyperfréquences, de la modélisation électromagnétique ou encore de la mesure d’antennes.

Mots clés (séparés par des virgules)
Antenne miniature, antenne agile, antenne reconfigurable, accordabilité, matériaux ferroélectriques, capacité MIM.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Directeur de thèse
Aurélian CRUNTEANU
Adresse mail du directeur de thèse : aurelian.crunteanu@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : +33587506741

Co-directeur de thèse
Laure HUITEMA
Adresse mail du co-directeur de thèse : laure.huitema@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : +33555426047
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON

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