L'importante évolution des standards de communications sans fil impose aux systèmes de télécommunication une évolution rapide de leurs architectures. Cette évolution est imposée par de nouvelles normes dont certaines sont basées sur les concepts de transmission multi-porteuses et multi-modes avec une priorité à la compacité, l'intégration, la performance et la baisse de coût. Plusieurs solutions techniques sont envisagées pour s'adapter à cette évolution, et de nouvelles architectures de têtes d’émission-réception sont envisagées en faisant appel à des composants électroniques reconfigurables. Ces dispositifs reconfigurables seront répartis sur toute la chaine d’émission-réception, et peuvent prendre différentes formes tels que des filtres accordables en fréquences, des antennes accordables, adaptateurs d'impédance ou des déphaseurs. Les composants passifs accordables présentent un réel intérêt car ils permettent de fonctionner à plusieurs bandes de fréquences pour des applications ou des standards de communication différents tout en réduisant le coût, l'encombrement et la consommation d’énergie. Deux composants passifs d’une chaine de transmission, les filtres et des antennes reconfigurables font l’objet des travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse. Les performances des circuits et des dispositifs hyperfréquences reconfigurables sont directement liées aux propriétés des éléments d'accord utilisés pour assurer cette fonctionnalité. Dans ce but, différents éléments tels que les composants à base de semi conducteurs (varactor, diode PIN, transistor), de matériaux agiles (ferroélectriques, ferromagnétiques) sont utilisables. Le choix de ce dispositif d'accord dépend des performances et du type d’application envisagée, et les pertes, la linéarité, la vitesse de commutation, la tenue en puissance, la consommation, le coût, sont les principaux critères qui guident le choix. Au début des années 2000, d’autres solutions ont vu le jour avec le développement de la technologie RF-MEMS (Micro Electro-Mechanical System). Ceci a incité les concepteurs de circuits RF à étudier la possibilité d’exploiter les propriétés de cette technologie. Le développement de la technologie RF MEMS peut permettre de franchir un verrou technologique et d’atteindre de bonnes performances en termes de fréquence de coupure, de facteur de qualité, perte et de linéarité. Cette nouvelle technologie à contribué au développement de nouveaux circuits accordables adaptés aux besoins actuels. Développée depuis de nombreuses années au laboratoire XLIM, la technologie RF MEMS est utilisée par les travaux de cette thèse. / The rapid growth of the telecommunications industry has led to a significant increase in the number of allocated frequency bands and a growing need for terminals providing access to an increasing number of standards while offering maximum services. The miniaturization of these devices combined with the implementation of additional functions has become a real challenge for the industry. The use of tunable microwave functions (filters, antennas, amplifiers ...) appears as a solution to this issue. In this way, three main technologies are mainly used: variable capacitors, tunable materials and RF MEMS. Within the scope of this thesis work, our investigations focused on tunable microwave devices like filter and antenna. The first part of our study focused on the realization of tunable planar filters in MEMS RF and SOI Technology. We made two tunable bandpass filters. The first one is a center frequency tunable bandpass two using RF MEMS switchers and the second one using tunable capacitor in SOI technology. In a second part, we focused on the realization of tunable Planar Inverted F Antenna PIFA in MEMS RF.  Finally, we discussed follow-up to give to this work and outlooks.

Des propriétés électromagnétiques nouvelles peuvent être réalisées à l'aide d'une méta-surface à travers des structures artificielles. La permittivité et la perméabilité effectives d'une méta-surface peuvent être conçues de façon flexible et même accordées de sorte à présenter des réponses électromagnétiques pouvant être très différentes de celles de leurs homologues naturels, ce qui conduit à des propriétés améliorées voire parfois à un comportement extraordinaire. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et l'expérimentation de méta-surfaces micro-fluidiques pour le contrôle de propriétés des ondes électromagnétiques. Leur réalisation est basée sur des technologies relevant de la photolithographie et de la micro-fluidique, mises en œuvre sur des substrats souples d'épaisseur sub-longueur d'onde. Plus spécifiquement, nous avons exploité l'incorporation de divers matériaux dans un réseau de canaux micro-fluidiques, y compris des diélectriques liquides, un métal liquide et un métal solide pour manipuler davantage les réponses électromagnétiques des méta-surfaces correspondantes, telles que l'absorption, la transmission et la chiralité. La première partie de la thèse présente une méta-surface très absorbante sur une ultra-large bande spectrale et. Elle est constituée d'un réseau de résonateurs formés de gouttelettes d'eau noyées dans le matériau diélectrique souple, le PDMS; l’absorption mesurée est presque parfaite sur les bandes Ku, K et Ka. La seconde partie de la thèse porte sur un absorbeur agile et indépendant de l'angle dans la gamme Térahertz ; il s’agit d’une méta-surface à base de métal liquide, où un réseau de puits métalliques liquides dont la hauteur est contrôlée de façon continue, ce qui brise la limitation d'accordabilité dans le plan 2D. La troisième partie de la thèse porte sur une méta-surface chirale active. La méta-surface peut être commutée de achiral à chiral en déformant la structure en spirale initialement plane vers une géométrie 3D. Cette fonctionnalité peut manipuler la transmission hyperfréquence de symétrique à asymétrique sous incidence avant et arrière. En conclusion, l'optimisation de l'absorption, de la transmission et de la chiralité d’ondes électromagnétiques a été réalisée grâce à des méta-surfaces micro-fluidiques, qui semblent ainsi présenter un important potentiel applicatif dans divers domaines tels que la technologie furtive, l'imagerie et la communication optique / Novel and tailored electromagnetic properties can be realized using a metasurface through artificially designed structures. The effective permittivity and permeability of a metasurface can be flexibly designed and even tuned so as to exhibit electromagnetic responses that can be very different from those of their natural counterparts, leading to enhanced properties and sometimes to extra-ordinary behaviour. This thesis focuses on the design, fabrication and experimentation of meta-liquid-based metasurfaces for electromagnetic wave control and modulation. These metasurfaces are based on the use of both photolithography-based microfabrication and microfluidic technologies implemented onto thin and flexible substrates of sub-wavelength thickness. More specifically, the incorporation within a microfluidic channel network of various materials, including liquid dielectric material, liquid metal and solid metal have been exploited to further manipulate the electromagnetic responses of the related metasurfaces, such as the absorption, transmission and chirality. The first part of the thesis reports an ultra-broadband and wide-angle absorbing material by water-resonator-based metasurface. It consists of an array of water droplets embedded in the soft dielectric material, PDMS; it exhibited an almost perfect absorptivity over the Ku, K and Ka bands. The second part of the thesis focuses on a frequency-agile and wide-angle absorber in terahertz by liquid-metal-based metasurface, where a liquid-metal-pillar array can be continuously controlled in the vertical direction hence breaking the tuning limitation in the 2D plane. The third part of the thesis focuses on an active chiral metasurface. The metasurface can be switched from achiral to chiral by changing the spiral structure from planar pattern to 3D pattern. This functionality can manipulate the microwave transmission from symmetric to asymmetric under forward and backward incidence. In conclusion, tunability on the absorption, transmission and chirality have been realized through microfluidic metasurfaces, which appear having high potential applications in various areas such as stealth technology, imaging system, and optical communication, to name a few

Ce travail avait pour objectif d'aborder la problématique des dispositifs accordables en radiofréquence. Il a été mené au travers des conceptions et caractérisations de deux fonctions : un adaptateur d'impédance à 1 GHz et un filtre passe-bas contrôlé optiquement à 6 GHz.<br />L'adaptateur d'impédance accordable a été réalisé en technologie hybride : structure coplanaire et composants montés en surface. La topologie choisie est une structure en Π avec comme composant accordable un varactor en série avec une inductance. Les simulations et les mesures sont en très bon accord. L'adaptateur couvre largement l'abaque de Smith, les impédances variant entre 6 Ω et 1 kΩ en module, avec un accord en fréquence sur une bande relative de 50%.<br />La seconde étude a porté sur un filtre passe-bas à structure périodique. Après avoir étudié une variation périodique particulière de l'impédance caractéristique (en forme d'exponentielle de sinusoïde) grâce à la théorie des modes couplés, une étude des possibilités d'utilisation du contrôle optique dans cette structure a été menée et un prototype de filtre passe bas a été réalisé avec les moyens de la salle banche de l'IMEP-LAHC. L'accord en fréquence du filtre est fait par le contrôle optique de défauts dans le plan de masse. Ceci permet une variation théorique de la fréquence de coupure de 1 GHz.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de composites magnétoélectriques laminaires dans le but de réaliser des dispositifs innovants intégrés sur silicium tel que l'inductance RF variable. Grâce au couplage mécanique entre des couches adjacentes magnétostrictive ultra douce et piézoélectrique, il est possible d'obtenir un couplage magnétoélectrique indirect qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des matériaux multiferroïques naturels. Dans un premier temps, nous avons utilisé l'approche phénoménologique basée sur les énergies pour décrire le panorama des effets attendus dans des composites magnétoélectriques laminaires (multicouches). Ensuite, des composites magnétoélectriques macroscopiques à base de substrats piézoélectriques de type MFC et de couches minces de FeCoB ont été réalisés. L'étude du couplage magnétoélectrique en fonction de la composition de FeCoB a permis de déterminer les propriétés clés des matériaux, notamment le rapport λs/Ms, qui sont essentielles pour obtenir un effet magnétoélectrique élevé. Un coefficient magnétoélectrique record de 250 V∙cm‐1Oe‐1 a été obtenu. Par ailleurs, un microscope à effet Kerr a été spécialement développé pour pouvoir observer de manière quasi-instantanée la modification de la structure en domaines sous l'effet de la tension électrique dans ces composites. Pour la première fois, l'observation directe de la rotation de l'axe facile d'aimantation sous commande électrique a été réalisée. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à la conception, simulation, fabrication et caractérisation d'un dispositif MEMS hybride d'inductance variable intégrée. Ce dispositif exploite l'effet magnétoélectrique indirect entre un élément moteur en PZT (sol gel) et un élément inductif à base de FeCoB. Etant donné le caractère multiphysique hors norme de ce dispositif, un ensemble de tests électriques, mécaniques, optiques et magnétiques a été déployé tout au long de la fabrication. Les résultats concluent à une preuve de concept partiellement fonctionnelle en raison principalement d'une mauvaise gestion des contraintes internes liées à la fabrication. Les pistes d'amélioration aux niveaux du design, des matériaux et des procédés sont identifiées.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de composites magnétoélectriques laminaires dans le but de réaliser des dispositifs innovants intégrés sur silicium tel que l'inductance RF variable. Grâce au couplage mécanique entre des couches adjacentes magnétostrictive ultra douce et piézoélectrique, il est possible d'obtenir un couplage magnétoélectrique indirect qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des matériaux multiferroïques naturels. Dans un premier temps, nous avons utilisé l'approche phénoménologique basée sur les énergies pour décrire le panorama des effets attendus dans des composites magnétoélectriques laminaires (multicouches). Ensuite, des composites magnétoélectriques macroscopiques à base de substrats piézoélectriques de type MFC et de couches minces de FeCoB ont été réalisés. L'étude du couplage magnétoélectrique en fonction de la composition de FeCoB a permis de déterminer les propriétés clés des matériaux, notamment le rapport λs/Ms, qui sont essentielles pour obtenir un effet magnétoélectrique élevé. Un coefficient magnétoélectrique record de 250 V∙cm‐1Oe‐1 a été obtenu. Par ailleurs, un microscope à effet Kerr a été spécialement développé pour pouvoir observer de manière quasi-instantanée la modification de la structure en domaines sous l'effet de la tension électrique dans ces composites. Pour la première fois, l'observation directe de la rotation de l'axe facile d'aimantation sous commande électrique a été réalisée. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à la conception, simulation, fabrication et caractérisation d'un dispositif MEMS hybride d'inductance variable intégrée. Ce dispositif exploite l'effet magnétoélectrique indirect entre un élément moteur en PZT (sol gel) et un élément inductif à base de FeCoB. Etant donné le caractère multiphysique hors norme de ce dispositif, un ensemble de tests électriques, mécaniques, optiques et magnétiques a été déployé tout au long de la fabrication. Les résultats concluent à une preuve de concept partiellement fonctionnelle en raison principalement d'une mauvaise gestion des contraintes internes liées à la fabrication. Les pistes d'amélioration aux niveaux du design, des matériaux et des procédés sont identifiées. / This work is focused on the study of laminated magnetoelectric composites aiming at the realization of novel components integrated on silicon, such as variable inductors. Thanks to the mechanical coupling between two adjacent layers of ultra-soft magnetostrictive and piezoelectric materials it is possible to obtain an indirect magnetoelectric effect which is several orders of magnitude higher than in natural multiferroics. Firstly, we used an energy-based phenomenological approach to describe a range of expected effects in such laminated magnetoelectric composites. Thereupon, macroscopic magnetoelectric composites based on piezoelectric MFC substrates and magnetostrictive thin films of FeCoB were realized. The study of the magnetoelectric coupling vs. FeCoB composition leads to the identification of the key material parameters, such as λs/Ms, that are essential for high magnetoelectric effect. A record magnetoelectric coefficient of 250 V∙cm‐1Oe‐1 is obtained. In parallel, a specific Kerr effect microscope devoted to live observation of the magnetic domains change vs. applied electrical field was developed. For the first time, direct observation of the magnetic easy-axis rotation with voltage in such composites is reported. The second part of this work concerns the design, simulation, fabrication and characterization of a hybrid MEMS variable inductor. This device exploits the indirect magnetoelectric effect between a PZT sol gel driving element and a FeCoB-based inductive element. The unusual multi-physics nature of the device prompted us to deploy a set of electrical, mechanical, optical and magnetic tests throughout the manufacturing. The results conclude with partially functional proof of concept, mainly due to the lack of management of internal stress during the fabrication. Areas for improvement of design, materials and process are identified.

Ce travail de thèse porte sur la conception de dispositifs filtrants accordables, c'est-à-dire pouvant commuter leurs caractéristiques d'un standard à un autre afin de réduire l’encombrement des chaines émission/réception d’un dispositif multistandard. Les filtres les plus utilisés actuellement sont des filtres acoustiques. En effet, ces filtres sont difficilement intégrables dans une technologie silicium et ils restent parmi les dispositifs passifs les plus encombrants du front-end RF. De plus, ils ne permettent pas d’avoir de bonnes performances en pertes d’insertion, en sélectivité et en accordabilité fréquentielle. De ce fait, des solutions alternatives sont à l’origine de ces travaux de thèse. Nous avons considéré tout d’abord un filtre actif qui a la possibilité de régler sa fréquence de résonnance, d’une part à la fréquence de résonnance du système Wifi et d’autre part, à la fréquence de résonnance du système Zigbee. Ensuite, une autre solution a été proposée dans le dernier chapitre qui consiste à réaliser une structure active filtrante bi-bande intégrée. Cette solution a pour avantage de récolter simultanément les données des systèmes opérant dans les deux bandes de fréquences visés. Les résultats obtenus des circuits réalisés sont validés par des simulations et de mesures. / This thesis concerns the design of tunable filter devices that can switch theirs characteristics from one standard to another in order to reduce the congestion of emission/reception chain of multi-standard systems. The most commonly used filters are acoustic filters. Indeed, these filters are difficult to be integrated in silicon technology and they remain one of the most bulky passive devices of the RF front-end. In addition, they don’t achieve good performance in insertion loss, frequency selectivity and tunability. Therefore, alternative solutions are at the origin of this thesis. An active filter is considered with the possibility of adjusting the resonance frequency: the resonant frequency of the Wifi system and the resonance frequency of the Zigbee system. Moreover, another solution is proposed in the last chapter, which consists to achieve a dual band structure of integrated active filter. This solution has the advantage to simultaneously collect data provided from the operating systems located in the two specified frequencies bands. Simulations and measurements validate the results of the realized circuits.

L'augmentation exponentielle de la quantité d'information à transmettre afin d'assurer les télécommunications futures amène à rechercher de nouvelles voies pour faire face à ces nouveaux besoins. L'optique peut, pour suppléer aux systèmes électroniques essoufflés, répondre à ces défis naissant en autorisant le multiplexage en longueur d'onde (WDM). Celui ci permet non seulement d'accroître fortement le débit en ligne (ici une fibre optique), mais autorise l'existence de réseaux dont les fonctions sont assurées par voie optique. L'implantation de ces nouvelles architectures repose sur des composants clefs comme le filtre spectral accordable. Cette thèse a concerné l'étude théorique, la conception, la réalisation pratique et les perspectives d'application et d'amélioration d'un filtre accordable étroit intégré sur niobate de lithium et fonctionnant à une longueur d'onde proche de 1.55 μm. Nous avons tout d'abord comparé différents principes de filtre accordable intégré et avons retenu un dispositif fonctionnant entièrement par effet électrooptique qui présentait une vitesse de commutation élevée. Son fonctionnement est similaire à celui du filtre biréfringent de Šolc qui est constitué d'un convertisseur de polarisation sélectif en longueur d'onde placé entre polariseurs croisés. En approfondissant l'étude de la propagation de la lumière dans le filtre nous montrons que les irrégularités que présente la transmittance en intensité du dispositif sont dues à l'existence de variations anormales de la différence d'indice de phase dans le guide d'onde diffusé. Ces variations peuvent être reliées à des défauts dans le procédé de fabrication. Cette constatation nous amène à faire une étude théorique complète des effets de différents types de défauts dont on retrouve expérimentalement la trace sur le filtrage. Poussés par ces simulations, nous étudions en détail les différentes étapes du procédé technologique d'intégration sur niobate de lithium et en proposons des améliorations afin d'atteindre expérimentalement les caractéristiques théoriques du filtre. Finalement nous présentons des applications du filtre (laser à fibre accordable et modulable) et discutons de ses perspectives de développement (insensibilité à la polarisation).

De nouveaux besoins dans le domaine des télécommunications par satellite ont amené les industriels du secteur à se pencher sur l’optimisation des ressources en créant des systèmes reconfigurables, capables d’adapter leur fonctionnement fréquentiel en cours de mission. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement aux multiplexeurs et à la manière de les rendre agiles à travers les filtres qui les composent ainsi qu’une adaptation de leur architecture.Dans un premier temps, le présent manuscrit dresse l’état de l’art des dispositifs accordables réalisés par les équipes de recherche du monde entier, avant de proposer des solutions mettant en œuvre une topologie de multiplexage à coupleurs hybrides. Dans un second temps, des études sont présentées portant sur une pluralité de concepts de cavités ou d’éléments de couplage accordables. Certains de ces concepts sont ensuite sélectionnés et assemblés afin de former des fonctions de filtrage et de multiplexage accordables. La dernière partie présente ainsi deux multiplexeurs accordables, l’un permettant une reconfiguration en bande étroite, l’autre en bande large, le premier ayant donné lieu à une réalisation expérimentale. / New needs in the field of satellite telecommunications have led manufacturers in the sector to focus on optimizing resources by creating reconfigurable systems able to adapt their operating frequencyplan during the mission. This thesis focuses on multiplexers and how to make them agile through their architecture and the filters that compose them.This manuscript starts by realizing the state of the art oftunable filtering devices through analysis of contributions made by research teams around the world. Based on this state of art,solutions to the problematic are proposed using a hybrid coupler multiplexing topology. Then studies are presented on various tunable cavities or coupling elements concepts. Some of these concepts have been selected and assembled to form tunable filtering and multiplexing functions. The last part thus presents two tunable multiplexers, allowing narrowband or broadband reconfiguration. An experimental realization has also been conducted on the narrowband version.

L'objectif de ce travail fut de concevoir des filtres accordables dans le domaine RF/microondes. Après avoir dressé un état de l'art du filtrage accordable microonde et défini des facteurs de mérite permettant de comparer ces types de dispositifs, trois topologies de filtres ont ensuite été proposées. Ces filtres sont basés sur des structures périodiques planaires constituées de lignes de propagation et de capacités chargeant ces lignes. Pour les trois études présentées, des modélisations semi-réparties de ces structures ont été effectuées, modélisations analytiques prenant en considération un modèle réparti des lignes de propagation et un modèle localisé des capacités considérées. Des règles de conception simples ont alors été déduites. Des filtres fixes et accordables ont pu être conçus à partir de ces méthodes de conception puis réalisés en technologie coplanaire hybride. L'accord de la fréquence de fonctionnement et/ou de la bande passante de ces filtres est réalisé par l'intermédiaire de varactors chargeant les lignes de propagation, les varactors que nous avons utilisés étant du type jonctions semiconductrices polarisées en inverse présentant des facteurs de qualité acceptables aux fréquences de travail considérées pour nos prototypes (entre 0,5 et 9 GHz). Les mesures des prototypes réalisés ont ensuite permis de valider les études théoriques proposées.

Actuellement, un besoin croissant de techniques de détection et de quantification des gaz se manifeste, que ce soit pour la caractérisation de polluants atmosphériques, pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur ou encore pour des aspects de sécurité en milieu industriel. Pour répondre à cette problématique, nous avons développé et caractérisé une source optique compacte, nanoseconde, constituée d'une architecture innovante d'oscillateur paramétrique optique doublement résonant (Dropo). La compréhension du rôle de la phase relative des ondes en interaction a été primordiale pour maîtriser le contenu spectral émis par ce type de sources paramétriques. Au cours de ce travail nous avons abouti à la maîtrise de cette phase, et réalisé une nouvelle architecture, dite nested-cavity OPO (NesCOPO). Avec cette cavité originale, un contrôle achromatique de la phase relative est réalisé pour toute la bande de gain paramétrique, permettant de démontrer le façonnage de cette dernière. Nous avons ainsi mis en évidence deux modes de fonctionnement suivant que la bande de gain présente un lobe unique ou deux lobes séparés d'environ un térahertz. Dans la dernière configuration, une émission bifréquence de l'OPO a été démontrée. Dans la première configuration, une émission monofréquence a été obtenue de manière contrôlée. Cette nouvelle architecture d'OPO - NesCOPO - a ouvert la voie à de nouveaux types d'accord en fréquence, particulièrement intéressants pour des expériences de spectroscopie. En tirant parti de l'imbrication de deux cavités optiques, nous avons ainsi été en mesure de réaliser des balayages fréquentiels automatisés sur toute la bande de gain avec une résolution ajustable. Une autre technique de balayage, promettant des balayages sur plusieurs dizaines de cm-1, a conduit à une évolution de l'architecture du NesCOPO et a été brevetée. Afin de valider son potentiel pour des applications de spectroscopie, et tirant parti du seuil d'oscillation très bas (1 µJ), nous avons pu implanter le NesCOPO, pompé par microlaser, dans des instruments compacts de mesure de gaz locale (technique photoacoustique) et à distance.