Simulation électromagnétique (EM)

Introduction

Les sections précédentes ont permis de présenter les simulations thermiques des diffé-rentes structures modélisées en utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics pour étudier les températures atteintes par ces structures en fonction des courants de commande.

Dans cette section, des simulations électromagnétiques seront présentées dans le but de concevoir un commutateur RF à base de matériau à changement de phase (PCM) sur des lignes coplanaires (CPWG) via un logiciel de simulations électromagnétiques par la méthode des Mo-ments ADS Momentum. Pour maintenir une bonne adaptation (50 ohms), nous allons calculer les dimensions de ces lignes en utilisant l’outil LineCalc d’ADS.

Ensuite, nous avons fait varier les largeurs de l’élément résistif (TFR) et la zone active (distance entre les deux électrodes RF) de la structure pour évaluer l'impact de ces paramètres sur les performances électriques du commutateur dans les deux états (Ron et Coff) ainsi que les capacités parasites présentes entre l’élément résistif et les lignes de transmissions.

A l’issue de cette étude, nous allons simuler les différentes structures simulées sous COMSOL Multiphysics pour mettre en évidence leurs performances électriques dans les deux états de PCM. En fonction de ces résultats (thermiques et électromagnétiques), nous allons es-sayer de trouver un compromis entre tous les paramètres ci-dessus.

Modèle du commutateur étudié

Cette partie a pour principal objectif de présenter la structure d’un commutateur SPST à base de PCM à l’aide du logiciel ADS Momentum. Elle consiste en un dispositif planaire à quatre terminaux qui intègrent un système de chauffage indirect en configuration coplanaire CPW : deux électrodes RF et deux DC utilisés pour le chauffage indirect de la couche PCM.

La Figure II-14, présente l’empilement des différentes couches en coupe transversale correspondant au dispositif proposé. Ce composant sera réalisé sur un substrat de silicium (Si) qui possède une forte résistivité électrique, suivi d’un élément résistif chauffant en molybdène entouré par une couche isolante de nitrure de silicium (Si3N4) utilisée pour isoler électriquement le TFR du reste de circuit. Les deux parties de la ligne de transmission RF en or sont connectées par la couche de GeTe.

Figure II-14 : Coupe transversale de la structure du commutateur à base de PCM.

PCM (GeTe) TFR (Mo)

Couche isolant (Si3N4) Substrat (Si)

Diélectrique (Si3N4)

Ahmad HARIRI | Thèse de doctorat | Université de Limoges |2019 77

La Figure II-15 présente une ligne coplanaire qui sera utilisée pour modéliser les lignes de transmissions constituant la structure du commutateur. Dans la suite de cette partie, nous allons calculer les largeurs et la distance entre la ligne centrale et la masse pour assurer une bonne adaptation des ces lignes (50 ohms).

Figure II-15 : Structures d’une ligne coplanaire.

Calcul des dimensions des lignes copla-naires

Les lignes coplanaires (CPWG) sont constituées d’un conducteur central entouré par deux lignes de masses adjacentes qui sont situées sur la même face du substrat. La Figure

II-16.a présente la structure des lignes coplanaires avec les différentes dimensions :

• La largeur de la ligne centrale (W),

• La distance entre la ligne centrale et lignes de masse (G),

• L’épaisseur de la ligne centrale et ligne de masse (t),

• L’épaisseur du substrat utilisé (H).

Les lignes coplanaires (CPW) ont été inventées par Cheng P. Wen [4] en 1969. Ce type de ligne a été utilisé pour réaliser des circuits intégrés MIC et MMIC [5]–[8] en raison des plusieurs avantages [9]–[14] : la simplicité de son intégration parce que la ligne centrale et lignes de masse se trouvent dans le même plan, une souplesse de conception et de réalisation.

La Figure II-16.b montre la coupe transversale du dispositif proposé à base de PCM intégré dans des guides d'ondes coplanaires

Figure II-16 : Vue en coupe, (a) des lignes coplanaires avec les différents dimensions, (b) le commutateur RF à base des matériaux à changement de phase (PCM).

Les paramètres présentés dans le Tableau II-6, nous permet de calculer les dimensions de la ligne de transmission (G et W) à l’aide de Linecalc, nécessaire à l’obtention d’une impé-dance de 50 Ω.

Propriétés Physiques Valeurs

Constant Diélectrique (εr) 11.9

Résistivité Electrique de silicium 1.23e3 ohm*cm

Tangent de Perte (tanδ) 0.005 @ 1 GHz Conductivité de l’or (σ) 4.1e7 Siemens/m

Epaisseur Substrat (H) 500 µm

Epaisseur de l’or (t) 400 nm Tableau II-6 : Liste des données sur LineCalc.

La Figure II-17 présente la fenêtre du l’outil LineCalc utilisée pour déterminer les di-mensions des lignes coplanaires (G et W). Dans notre cas la topologie des lignes est le CPWG (Coplanar Wave Guide) et la fréquence de travail est 24 GHz. Il faut fixer un des deux para-mètres G ou W pour effectuer le calcul. Une fois que les parapara-mètres du Tableau II-6 sont insé-rés, le calcul est fait en cliquant sur le bouton « Synthesize ».

(a) Entrée de signal RF Sortie de signal RF Ligne CPW Substrat PCM (b) T H W G _G W Substrat H t

Ahmad HARIRI | Thèse de doctorat | Université de Limoges |2019 79

Figure II-17: Fenêtre du logiciel LineCalc.

La Figure II-18 présente la topologie du commutateur à base de PCM réalisé à l'aide du logiciel ADS-MOMENTUM. Dans cette structure, les paramètres optimisés principalement sont les largeurs et les distances entre les lignes, cette dernière est découpée en trois parties :

1. La première partie correspond aux accès RF (entrée et sortie), la largeur de la ligne (W) fixée à 100 µm, correspond à une distance (G) environ ~ 37 µm,

2. La deuxième partie se trouve entre les deux accès : dans ce cas, la largeur de la ligne centrale (W) utilisée de l’ordre de 50 µm et la distance (G) est ~ 25 µm,

3. La troisième zone relie le motif de GeTe aux accès RF. Dans cette partie la largeur de la ligne centrale est 15 µm et la largeur des accès DC du commutateur est de l’ordre de 75 µm.

Figure II-18 : Les largeus des différents parties de la structure du commutateur.

Etude et Simulations des structures de commutateur