Theoretical and Experimental Investigation of Thermo-Tunable MIS Coplanar Slow-Wave Structure Based on Vanadium Dioxide Phase Transition

Actuellement, les circuits de taille réduite sont devenus de plus en plus importants dans les systèmes de communication en plus du faible coût potentiel et une grande portabilité. Afin de réduire la taille des composants passifs qui prennent généralement beaucoup d'espace dans les circuits, les structures MIS multicouches qui se composent de métal, de semi-conducteurs et des couches isolantes peuvent être utilisés. Si la couche de semi-conducteurs dans les structures MIS est substituée par certains types de matériau intelligent dont la permittivité ou la conductivité peut être réglé par voie thermique, optique ou électrique, nous pouvons concevoir de nouveaux types de composants à micro-ondes variables, tels que la ligne de délai, les déphaseurs, ou les filtres accordables. Parmi tous les matériaux intelligents attrayants sont ceux qui montrent la transition de phase comme transition semiconducteur-métal (SMT). Dioxyde de vanadium (VO2) a reçu une attention particulière en raison de sa faible dimension, faible température de transition et une haute résistance de changement de rapport. Basées sur les techniques et les discussions ci-dessus, les structures thermo-accordables coplanaires à ondes lentes à base de transition de phase sont présentées dans cette thèse. Premièrement, un modèle de circuit équivalent unifié est proposé pour la structure coplanaire MIS à ondes lentes, y compris le MISCPW à couche mince, à couche mince de taille micrométrique et à couche épaisse de taille micrométrique. Le modèle proposé néglige certains phénomènes électromagnétiques sans importance basé sur la structure très simplifiée comme; ce modèle permet d'éviter la complexité de calcul ce qui concerne solutions à onde électromagnétique et de calculer le paramètre caractéristique de ces lignes de transmission avec une précision acceptable. En comparons avec les techniques de modélisation trouvée dans la littérature on remarque l'efficacité de la technique de modélisation que nous avons proposée.

Abstract

A thermo-tunable metal-insulator-semiconductor coplanar slow-wave structure (MIS-CSWS) based on vanadium dioxide (VO2) phase transition is presented. A closed-form quasi-TEM model is proposed to calculate the structural and material dependent characteristic parameters of the MIS-CSWS with quite acceptable accuracy. The broadband dielectric constant and conductivity of the deposited VO2 thin film versus temperature is experimentally extracted. Two different measurement techniques are used for the characterization of VO2 thin film at semiconductor phase and metal phase, respectively. The designed thermo-tunable MIS coplanar slow-wave structure shows a dramatic increase in slow-wave factor when the temperature increases over the transition temperature of the VO2 thin film. A continuous increase in Q factor is also observed when the temperature increases.