La microscopie hyperfréquence en champ proche permet de vaincre le critère de Rayleigh grâce à une sonde locale qui alimentée par un signal micro-onde génère des ondes évanescentes confinées à son extrémité. Les limites de résolution ne sont alors plus fixées par la longueur d’onde des signaux hyperfréquences exploités, mais principalement par la géométrie de la sonde. Dans ce type de caractérisation, associant généralement un analyseur de réseaux et une sonde champ proche, la limitation majeure réside dans la faible sensibilité de mesure induite par le contraste d’impédances entre l’analyseur et la sonde. En effet, la grande différence d’impédance entre l’analyseur (50Ω) et les sondes champ proche (quelques k Ω) se traduit par une désadaptation importante qui entrave une bonne qualité de mesure. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons donc d’apporter des solutions à cette problématique afin de profiter pleinement des potentialités des techniques de microscopie champ proche hyperfréquence. Dans cet objectif, une méthode interférométrique est alors proposée et formalisée. Nous montrons ainsi que l’exploitation conjointe de méthodes de mesures hyperfréquences, de procédés de microscopie champ proche et de techniques interférométriques doit permettre d’entrevoir des caractérisations à haut pouvoir de résolution spatiale sur une large gamme de fréquences. La démonstration que ces nouveaux outils offrent la possibilité de mesures hyperfréquences vectorielles de type point-à-point, de scanning 1D ou d’imagerie 2D sur des courses centimétriques pour des fréquences allant jusque 20 GHz avec des résolutions spatiales micrométriques est alors faite. En particulier, des applications autour de la caractérisation diélectrique locale sont proposées. Les résultats obtenus montrent que les techniques proposées se situent à l’état de l’art en termes de gamme de fréquence d’opération et de sensibilité de mesure / Near-field microwave microscopy overcomes the Rayleigh criterion thanks to a local probe whitch fed by a microwave signal generates evanescent waves confined at its end. The resolution limits are no longer determined by the wavelength of the microwave signals, but mainly by the probe geometry. In this kind of characterization technique based on the association of a network analyzer and a near-field probe, the main limitation is the poor measurement sensitivity related to the impedance contrast between the analyzer and the probe. Indeed, the large difference between the impedances of the analyzer (50Ω) and near field probes (a few kΩ) results in a significant mismatch hampering good measurements. In this PhD thesis, we provide solutions to tackle this problem in order to take full advantage of the potentialities of near-field microwave microscopy techniques. An interferometric method is then introduced and formalized. We show that the association of microwave measurements, near-field microscopy methods and interferometry techniques allow foreseeing microwave characterizations with high spatial resolution over a broad frequency range. We demonstrate that these new tools offer the possibility of microwave measurements of the type point-to-point, 1D scanning or 2D imaging on centimeter ranges up to 20 GHz with micrometric spatial resolutions. In particular, local dielectric characterization - related applications are proposed. The results obtained show that the proposed techniques are at the state of the art in terms of operating frequency range and measurement sensitivity.

La miniaturisation des composants telle qu’elle est décrite par la loi de Moore se heurte à de nouvelles problématiques liées notamment aux échelles visées, dans le domaine nanométrique. En effet, cette miniaturisation nécessite des investissements en recherche considérables indispensables à la mise en place de nouveaux procédés de fabrication en adéquation avec les dimensions mises en jeu. Associés à ces nouveaux besoins, il convient aussi de développer des moyens d’observation et de caractérisation des dispositifs réalisés à ces échelles. Le travail proposé dans ce mémoire concerne principalement le domaine de la caractérisation. En effet, les travaux menés sont destinés à apporter des solutions pour la caractérisation de nano-dispositifs aux fréquences microondes pour lesquelles il n’existe pas encore un outil permettant la mesure directe et précise. L’une des raisons réside dans le fait que les nano-objets possèdent en régime dynamique une impédance de référence élevée (supérieure au kilo-ohms) comparativement à l’appareillage de mesure usuel que représente l’analyseur de réseaux (50 ohms). Plusieurs dispositifs reposant sur une nouvelle architecture et offrant une impédance de référence élevée sont conçus, réalisés et validés. Les potentialités de cette nouvelle instrumentation sont illustrées au travers de la mesure de charges passives hautes impédances. / As described by Moore’s law, the miniaturization of devices is facing important issues related to nanometric domain. Indeed, this miniaturization involves considerable investments in scientific research which is essential in developing new manufacturing processes adapted to nanometric scale. Also, it is necessary to develop new instruments to observe and characterize at such a scale.The work proposed in this thesis mainly concerns the field of device characterization. Indeed, this work is carried out to provide solutions for the characterization of nano-devices at microwave frequencies at which nowadays no tool is available for the direct and accurate measurement. Actually, the issue lies in the fact that nano-devices present high reference impedances (higher than the kilo-ohms) compared to that of typical measurement instruments such as the network analyzer (50 ohms). Several devices using a new architecture and offering a high impedance of reference are conceived, realized and validated. The potentialities of this new instrumentation are illustrated through the measurement of high impedance passive loads.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l’amplification de puissance microonde linéaire et haut rendement en technologie GaN. Le premier chapitre décrit le contexte général de l’émission de signaux microondes de puissance pour les télécommunications sans fil, avec un focus particulier apporté sur l’amplificateur de puissance RF. Les différents critères de linéarité et d’efficacité énergétique sont introduits.Le second chapitre présente plus particulièrement la technologie GaN et le transistor de puissance comme brique de base pour l’amplification de puissance microonde. Une revue synthétique des différentes architectures relevées dans la littérature relative à l’amplification à haut rendement est faite.En troisième chapitre, le banc de mesure temporelle d’enveloppe développé et servant de support expérimental à cette étude est présenté. Les procédures d’étalonnage et de synchronisation sont décrites. En illustration, une nouvelle méthode de mesure du NPR large bande est présentée, et validée expérimentalement.Une solution d’amplification adaptative innovante est étudiée dans le quatrième chapitre, et constitue le cœur de ce mémoire. Celle-ci se base sur le contrôle dynamique de la polarisation de grille autour du point de pincement, au rythme de l’enveloppe de modulation. Un démonstrateur d’amplification 10W GaN en bande S (2.5GHz) est développé. Comparativement à la classe B fixe, une forte amélioration de la linéarité est obtenue, sans impact notable sur le rendement moyen de l’amplificateur RF. Finalement, une investigation de la technique proposée pour l’amélioration du rendement du modulateur dans l’architecture d’envelope tracking de drain est menée. / This work deals with linear and high efficiency microwave power amplification in GaN technology.The first chapter is dedicated to the general context of wireless telecommunication with a special emphasis on the RF power amplifier. The most representative figures of merit in terms of linearity and power efficiency are introduced.The second chapter deals more specifically with the GaN technology and GaN-based transistor for microwave power amplification. A description of the principal architectures found in the literature related to high efficiency and linear amplification is summarized.In the third chapter, the developed envelope time-domain test bench is presented. Time-synchronization and envelope calibration procedures are discussed. As an illustration, a new specific wideband NPR measurement is presented and experimentally validated.An innovative power amplifier architecture is presented in the fourth chapter. It is based on a specific dynamic gate biasing technique of the power amplifier biased close to the pinch-off point. A 10W GaN S-band demonstrator has been developed. Compared to fixed class-B conditions, a linearity improvement has been reported without any prohibitive efficiency degradation of the RF power amplifier. Finally, an investigation of the proposed technique for the efficiency improvement in the drain envelope tracking technique is proposed.

Les travaux de thèse sont axés sur le développement de nouvelles techniques de caractérisation basées sur la variation de la réponse d’un résonateur, réponse modifiée par les propriétés diélectriques ou métalliques d’un matériau sous test. La première méthode utilise la microscopie microonde en champ proche pour la caractérisation résonante et non destructive de matériaux diélectriques dans la bande ISM (2,45 GHz).Celle-ci permet de déterminer les propriétés électromagnétiques (permittivité relative, tangente de pertes) des échantillons diélectriques solides de faible volumepar rapport à la longueur d’onde de mesure, et cela sans aucun traitement préalable. La connaissance de ces paramètres est essentielle pour fournir des informations critiques nécessaires pour la conception, la modélisation et la fabrication de circuits microondes. Une deuxième approche vise l’étude et le développement d’un nouveau capteur à base de céramique, économique, sensible, et pouvant s’intégrer dans un système sans fil pour la détection et la caractérisation du degré de corrosion. Ces nouveaux capteurs fournissent des informations sur l'état de l'équipement opérationnel d’une structure cible afin d'assurer la sécurité de cette dernière et par conséquent celle de leurs utilisateurs. Pour ces deux axes d’études, des simulations sur des logiciels de calcul électromagnétique ont été effectuées puis validées par des mesures expérimentales. / This Ph. D thesis focuses on the development of new characterization techniques of dielectric and metallic materials in the ISM band (2.45 GHz). The first proposed method is based on non-destructive near field microave microscopy. This technique allows the determination of the electromagnetic properties (permittivity, loss tangent) of solid dielectric samples of small volume without prior treatment. The knowledge of these parameters is essential to provide critical information needed for accurately designing, modeling and manufacturing microwave circuits. A second study focuses on the development of a new, ceramic based, sensitive and economic sensor that can be integrated in a wireless system for the detection and characterization of the corrosion evolution. These new sensors provide information about the state of the operational equipment of the target structure in order to ensure the safety of these structures and therefore that of their users. In these two studies, simulations on electromagnetic calculation software have been performed and validated by experimental measurements.

Ces travaux portent sur le développement d'une technique de compression appliquée à la simplification des systèmes d'imagerie dans le domaine microonde. Cette approche repose sur le développement de composants passifs capables de compresser les ondes émises et reçues, autorisant ainsi une réduction du nombre de modules actifs nécessaires au fonctionnement de certaines architectures de radars. Ce principe est basé sur l'exploitation de la diversité modale présente dans les composants développés, le rendant compatible avec l'utilisation de très larges bandes passantes. Plusieurs preuves de concept sont réalisées au moyen de différents composants étudiés dans cet ouvrage, permettant d'adapter cette technique à de nombreuses spécifications d'architectures et de bandes passantes. / This work is focused on the development of a compressive technique applied to the simplification of microwave imaging systems. This principle is based on the study of passive devices able to compress transmitted and received waves, allowing for the reduction of the hardware complexity required by radar systems. This approach exploits the modal diversity in the developed components, making it compatible with ultra wide bandwidth. Several proofs of concept are presented using different passive devices, allowing this technique to be adapted to a large variety of architectures and bandwidths.

Cette thèse aborde la performance du protocole KNX-RF utilisé dans les applications domotiques en termes de robustesse Radio Fréquences dans un environnement multi-protocoles potentiellement sujet aux interférences. Dans ces travaux, le but est d’évaluer les problématiques d’interférences rencontrées par KNX-RF en utilisant des modèles de simulation qui permettraient d’augmenter à sa fiabilité radio. Ainsi, un premier modèle a été développé sur MATLAB/Simulink et a permis de connaître les performances et les limitations de ce protocole au niveau de la couche physique dans un scénario d’interférence se produisant à l’intérieur d’une box/gateway domotique multi-protocoles. Ces simulations ont été complétées par des essais expérimentaux sur le terrain qui ont permis de vérifier les résultats obtenus. Un deuxième modèle a été développé pour évaluer les mécanismes de la couche MAC, cette fois-ci, grâce au simulateur OMNet++/MiXiM. Ce modèle reprend tous les mécanismes d’accès au canal et d’agilité en fréquence spécifiés par la norme KNX. Un scénario de collisions de trames a été simulé et plusieurs propositions d’améliorations sont discutées dans ce manuscrit. Les modèles développés permettent d’analyser et de prédire en avance de phase le comportement de KNX-RF dans un environnement radio contraignant. / This thesis addresses the performance of the KNX-RF protocol used for home automation applications in terms of radiofrequency robustness in a multi-protocol environment that is potentially subject to interferences. In this work, the aim is to assess the interference problems encountered by KNX-RF using simulation models that would increase its RF reliability. Thus, a first model was developed on MATLAB / Simulink and allowed to investigate the performance and limitations of this protocol at its physical layer in an interference scenario occurring inside a multiprotocol home and building automation box/gateway. These simulations were followed by field experimental tests in an indoor environment (house) to verify the results. A second model was developed to evaluate the MAC layer mechanisms of KNX-RF through the discrete event simulator OMNeT ++/Mixim. This model includes all the mechanisms of channel access and frequency agility specified by KNX-RF standard. A frame collision scenario was simulated and several improvement proposals are discussed in this manuscript. The developed models can be used to analyze and predict in advance phase the behavior of KNX-RF in a radio-constrained environment.

Ce travail de thèse concerne la modélisation du canal de propagation dans les milieux industriels. Dans ce contexte, le canal de propagation a un comportement différent de celui classiquement rencontré en indoor. Cela est dû à l'aménagement des bâtiments qui sont plus grand et ouverts ainsi qu'à la présence de machines, d'objets mobiles et d'autres matériaux métalliques rencontrés dans ces environnements. Ainsi, les modèles de canaux indoor existants ne sont plus valides. L'utilisation de modèles déterministes comme alternative est possible mais limitée en raison du temps de calcul qui en découle.Pour répondre à cette problématique, nous proposons un modèle hybride de canal s'inspirant d'une méthode à tracer de rayons 3D et du modèle WINNER. L'originalité de ce modèle repose sur son caractère hybride consistant, en prétraitement, à partitionner l'environnement en zones de visibilité ou de non-visibilité «faible» et «forte» sur des critères déterministes liés à la propagation des ondes. Un modèle statistique, type WINNER, reprenant le concept de cluster est ensuite "joué" au sein de chacune des ces zones reproduisant ainsi fidèlement l'évolution des paramètres caractéristiques des clusters identifiés. Nous avons validé notre modèle en le comparant d'abord à un modèle déterministe et ensuite à la mesure. Sa robustesse ainsi que celle de WINNER sont testées en les simulant dans trois environnements différents et en les comparant au modèle déterministe à tracer de rayons. / This thesis focuses on the modeling of the propagation channel in industrial environments. In this context, the propagation channel has a different behavior than typically encountered in indoor. This is due to the construction of buildings that are larger and open and the presence of machines, moving objects and metal materials encountered in these environments. Thus, the existing indoor channel models are not valid. Using deterministic models as an alternative is possible, but limited by the computing time.To address this problem, we propose a hybrid channel model for communications in industrial environments inspired by a ray tracing method and Winner model. The originality of this model is its hybrid nature consisting, in preprocessing, in partitionning the environment in areas of visibility or non-visibility «weak» and «strong» based on deterministic criteria related to the wave propagation. A statistical model, as WINNER , using the concept of cluster is then played in each of these areas and faithfully reproducing the evolution of the characteristic parameters of the identified clusters. We have validated our model by comparing it firstly to a deterministic model and then to measurement. Its robustness as well that of WINNER are tested by simulating them in three different environments and by comparing them with the deterministic model.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l’étude et la fabrication de composants passifs hyperfréquence possédant un facteur de qualité important sur les bandes Q et V. Pour cela, nous nous sommes orientés vers la fabrication de composants volumiques à air. Des lignes coaxiales à section rectangulaire à air ainsi que des filtres à cavité métalliques à air ont été réalisés. Aussi, ces travaux consistent à définir une méthode de fabrication permettant d’obtenir les composants cités précédemment. Plusieurs techniques de micro-fabrication additives ont ainsi été établies afin de répondre à la problématique. / This work concerns the study and the fabrication of passive RF components with a high quality factor on Q/V bands. The components were fabricated with an air-filled 3D architecture. Air-filled rectangular micro-coaxial lines and air filled cavity filters were demonstrated. Also, micro-additive fabrication processes were demonstrated for the realization of the 3D air-filled components.