Conclusion

Dans ce premier chapitre, nous avons présenté le concept des antennes reconfigurables, les différents types de reconfigurabilité et les techniques les plus étudiées pour obtenir l’accordabilité souhaitée. Ces antennes ont un comportement flexible et évolutif pour s’adapter à des environnements variables, pour exploiter le spectre fréquentiel plus efficacement et pour optimiser la consommation d’énergie et l’autonomie, ce qui les place comme des candidates potentielles pour les nouveaux systèmes de communication sans fil (5G, voitures autonomes, smart city, …).

Nous avons également rappelé quelques paramètres fondamentaux pour caractériser une antenne. En effet, l’utilisation d’une technique d’accordabilité dans un dispositif antennaire impose un compromis entre son adaptation, sa bande passante, son gain et son efficacité de rayonnement. De nombreux travaux de recherche exploitent différentes techniques d’accordabilité qui reposent sur l’utilisation de composants électroniques (diodes PIN, MEMS, diodes varactor, etc…) intégrés dans la structure de l’antenne ou de matériaux agiles (ferromagnétiques, ferroélectriques, etc…). Un aperçu des avantages et des inconvénients relatifs à ces types de dispositifs a été donné. Le choix de la technique pour modifier les propriétés d’une antenne est fait en fonction des besoins de l’application visée, de la fréquence de fonctionnement, de l’encombrement, de la consommation d’énergie, des performances souhaitées, etc... Quelques exemples d’antennes reconfigurables avec de bonnes performances dans le domaine des ondes millimétriques ont été présentés.

Le faible coût des composants semi-conducteurs, leur facilité d’intégration et leur fiabilité ont permis une large utilisation de ces dispositifs pour des applications commerciales. Cependant, dans le domaine millimétrique, ils sont sujets à des phénomènes de non linéarité qui se traduisent par la distorsion du signal à la sortie du commutateur et à une forte consommation d’énergie. Une alternative peut consister en l’utilisation de RF-MEMS, qui sont plus performants, avec de fortes linéarités et des FOM inférieures à 10 fs. Néanmoins, ils souffrent de temps de commutation assez élevés qui sont généralement de l’ordre de la microseconde ainsi que d’un processus de fabrication complexe (packaging), ce qui augmente le coût de réalisation des dispositifs.

Quelques matériaux agiles émergent comme des techniques de commutation plus innovantes et prometteuses pour atteindre les objectifs visés. C’est pourquoi, dans la seconde partie de ce chapitre nous avons rappelé les caractéristiques des Matériaux à Changement de Phase (PCM) leurs propriétés optiques et électriques, leurs processus de transformation et leurs différentes compositions. L’intégration et la fabrication facile de couches minces de PCM à températures ambiante ou inférieure à 200°C sont compatibles avec une intégration CMOS, sur une large variété de substrats. Des exemples d’intégration de PCM ont été montrés, ainsi que les méthodes et les régimes requis pour les transformations de phases, induites thermiquement et de manière réversible. Leur grand avantage est la bi-stabilité, c’est-à-dire la possibilité de garder leur état conducteur ou isolant sans qu’il soit nécessaire de maintenir une polarisation (effet mémoire non-volatile), conduisant à une faible consommation d’énergie globale, nettement avantageuse par rapport aux techniques de commutation classiques (diodes PIN, varactors…).

Il existe une grande variété de compositions de ces matériaux qui présentent des propriétés de changements de phase non-volatiles, pourtant il n’y en a que quelques-uns avec un contraste optique et électrique entre deux états (ON/OFF) suffisamment différents, et par conséquent bien adaptés pour des applications de commutation en hyperfréquences. Ainsi, le GeTe est généralement la composition de choix dans les PCM, car sa résistivité à l’état cristallin (conducteur) est plus faible et avec une différence de 5 à 6 ordres de grandeurs entre deux états sur une très large bande de fréquences (du DC aux fréquences THz). Ces commutations abruptes et très rapides (par activation électrique ou optique) sont de l’ordre des ns voire ps, pour la commutation optique. Ces matériaux répondent aussi aux exigences d’application à long terme car ils présentent une stabilité supérieure à dix ans pour chaque état dans lequel le matériau est placé.

En termes de performances RF et pour des applications dans des fonctions de commutation, l’intégration du GeTe est comparable aux technologies RF-MEMS et supérieure aux solutions à base de semi-conducteurs, avec une fco supérieure à 10 THz, une isolation au-dessus de 20 dB et des pertes d’insertion en-dessous de 0,8 dB dans le domaine des fréquences millimétrique. Ces propriétés sont une véritable rupture technologique dans le domaine des hyperfréquences, et ouvrent la voie à de nombreuses applications, y compris dans des dispositifs antennaires.

Ainsi, nos travaux de recherche s’orientent vers la reconfigurabilité des antennes intégrant des PCM, plus précisément le GeTe, en utilisant une activation optique de ce matériau. Effectivement, l’irradiation directe des films de PCM avec des impulsions laser courtes diminue le temps de commutation des dispositifs, simplifie le processus de fabrication et évite l’intégration de lignes de polarisation qui peuvent perturber le diagramme de rayonnement de l'antenne.

Néanmoins, dans le domaine des PCM, il reste beaucoup à faire pour l’amélioration de la fiabilité des dispositifs, de la qualité de dépôt des films et de la fabrication des dispositifs avec les performances requises. Le deuxième chapitre sera donc consacré à mes travaux visant l’élaboration et la caractérisation de couches minces de GeTe, suivi, dans le chapitre III par des exemples d’intégration de ces couches dans des systèmes d’antennes reconfigurables en fréquence et en polarisation.