Dans la première partie de cette thèse, nous tirons parti du concept de nano-antenne optique afind'apporter une solution innovante au problème d'interprétation de la microscopie champ procheoptique (SNOM). En effet, il est connu que certaines nano-antennes développent des réponsesoptiques dipolaires. Dans cette thèse nous démontrons comment l'utilisation d'une nano-ouverturepapillon (nano-antenne dipolaire), à l'extrémité d'une pointe SNOM, permet de détecter et collecteruniquement une seule composante du champ proche électrique. Ce résultat est démontré d'unpoint de vue théorique par l'utilisation de simulation FDTD (Finite Difference Time Domain) et d'unpoint de vue expérimental par la caractérisation, par cette pointe innovante, d'échantillonsdiélectriques (réseaux, cristaux photoniques) et métalliques (milieux désordonnés plasmoniques).Dans une deuxième partie, nous démontrons comment la sonde développée dans la premièrepartie, peut être utilisée comme détecteur du signal émis par un nano-émetteurs (NE) unique. Il estétudié dans cette partie l'effet de couplage entre ces deux objets. Dans un premier temps, après ladescription complète des grandeurs caractéristiques d'un NE, nous démontrons théoriquementl'effet de la pointe sur la réduction du temps de vie de l'état excité et l'augmentation de lafluorescence d'un NE, en régime saturé et non saturé. Puis dans un deuxième temps nousdémontrons expérimentalement comment cette sonde réduit le temps de vie de l'état excité deboites quantiques placées à son extrémité, en comparaison de pointes SNOM plus conventionnellestelle que la pointe diélectrique et la pointe à ouverture circulaire.

La technologie ULB apporte de nouveaux défis en terme de caractérisation d'antennes. Les méthodes de mesure de rendement d'antenne associées doivent être rapide et performantes. Un état de l'art des méthodes conventionnelles de détermination du rendement ainsi que des nouvelles techniques est proposé afin de dresser les innovations possibles. Une première méthode ("ULB Wheeler Cap") est tout d'abord décrite et analysée grâce à différentes études et expérimentations afin d'approfondir sa connaissance. Enfin, l'élaboration d'une nouvelle méthode de mesure dédiée à l'ULB est présentée. Grâce à l'utilisation combinée de la Chambre Réverbérante à Brassage de Modes et du Retournement Temporel en mode impulsionnel, la méthode TREM (Time Reversal Efficiency Measurement), réalisée dans le domaine temporel, offre une mesure rapide du rendement d'antenne donnant une information large bande immédiate. Parallèlement, il est nécessaire de disposer de structures filtrantes intégrées aux antennes ULB afin de s'adapter aux technologies existantes. Une structure de filtre planaire, passif et de taille réduite, utilisant des éléments résonants localisés, est développée, intégrée et mesurée pour servir la conception d'antenne multibande et filtrante.

Les antennes reflectarrays constituent une solution innovante pour des applications spatiales et radars étant donné leur capacité à combiner les atouts des antennes réseaux et des antennes à réflecteur. Un reflectarray est composé d'une source primaire placée devant un réseau de cellules contrôlant les propriétés du champ réfléchi. Cette unique source alimente le réseau et évite la mise en place d'un circuit de distribution complexe et dissipatif propre aux antennes réseaux. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation électromagnétique des reflectarrays à balayage électronique. Les outils actuels de simulation des reflectarrays à balayage électronique négligent ou approximent les couplages mutuels entre cellules pouvant conduire à des erreurs sur le diagramme de rayonnement. La simulation d'un reflectarray engendre, par ailleurs, des traitements complexes et des temps de calcul importants. L'enjeu de la simulation est donc de réduire les temps de calcul en conservant un haut degré de précision dans l'optique d'optimiser les performances en rayonnement et les délais de conception. Dans cette perspective, deux nouvelles méthodes ont été proposées : - La première méthode est consacrée à l'analyse fine du champ rayonné par l'antenne. Elle combine l'approche de la cellule environnée, développée par M.-A. Milon, et la technique de compression, généralement utilisée dans un contexte d'analyse de circuits. L'apport essentiel de la méthode réside dans l'extension de la technique de compression au traitement du champ rayonné pour l'analyse de cellules actives dans leur environnement réel. - La seconde méthode permet de calculer les réponses en phase d'une cellule du réseau en prenant en compte les effets des couplages mutuels issus des cellules environnantes. Ces réponses sont ensuite utilisées pour sélectionner la répartition optimale des états des cellules afin d'assurer un dépointage dans une direction. L'applicabilité de ces deux méthodes est démontrée par la simulation de différentes configurations de réseaux de cellules actives à base de diodes PIN. La bonne précision des résultats entre les méthodes proposées et des simulations de référence a montré qu'elles constituent une alternative intéressante aux approches classiques. L'exploitation des méthodes est réalisée pour l'étude d'un reflectarray à balayage électronique développé par Thales Systèmes Aéroportés et le CNES fonctionnant en bande X. Cette étude a montré que les deux méthodes répondent à des objectifs industriels et scientifiques en termes de précision dans l'estimation des performances et de temps de calcul accessibles.

Les tests de dispositifs de communication sans fil peuvent être réalisés en utilisant des simulations numériques ou des sondeurs de canaux. Bien que ne reflétant pas un environnement électromagnétique réaliste, une chambre réverbérante peut néanmoins émuler un canal de propagation comparable à un cas réel si l'on modifie convenablement ses propriétés. Les propriétés des signaux générés dans une chambre réverbérante sont fonction de différents paramètres. Au cours des trois années de thèse, nous avons analysé et mis en oeuvre plusieurs techniques pour mesurer et contrôler ces paramètres à l'intérieur d'une chambre réverbérante. D'abord, différents estimateurs du facteur K sont testés et leurs propriétés sont évaluées. Nous présentons les limites de fonctionnement utiles dans lesquelles différents estimateurspeuvent être utilisés. Ensuite, nous proposons deux nouveaux estimateurs qui utilisent comme données d'entrée seulement l'enveloppe du signal. Ils apportent en outre des améliorations sur la gamme des valeurs détectables du facteur K. Une des possibilités pour contrôler un canal de propagation à l'intérieur d'une chambre réverbérante est d'utiliser des matériaux absorbants. Nous présentons une méthode pour estimer la surface équivalente moyenne d'absorption en utilisant une seule antenne. Cette méthode exploite la mesure de la bande de cohérence du canal de propagation. Ensuite, nous étendons notre analyse à la prédiction de la surface équivalente moyenne d'absorption lorsqueles dimensions géométriques et les propriétés électromagnétiques des absorbants sont connues. On crée ensuite un modèle de canal de propagation en exploitant les régimes transitoire et permanent du signal. Avec ce modèle, selon les informations disponibles, on peut extraire le facteur K, la surface équivalente moyenne d'absorption et différents paramètres temporels (i.e., profil de l'étalement des retards). Nous poursuivons avec deux applications possibles des chambres réverbérantes. Tout d'abord, on évalue le gain d'une antenne à partir de mesures du coefficient de réflexion decette antenne. Nous étendons notre analyse à l'évaluation du diagramme de rayonnement de l'antenne et de son erreur d'estimation. Nous estimons aussi la désadaptation de l'antenne et son ouverture à 3 dB. La deuxième application porte sur l'évaluation du gain de diversité dans la chambre réverbérante. Nous isolons les influences des efficacités des antennes, des puissances des composantes brassées, et des facteurs K sur l'évaluation du gain de diversité.On obtient une relation simple de la corrélation de puissance en fonction de la corrélation complexe lorsque les facteurs K sur différents branches ne sont pas identiques. Nous montrons que lors d'un fort déséquilibre de facteur K il est impossible de conclure sur le gain de diversité à partir de la seule évaluation de la corrélation d'enveloppe ou de puissance. À l'aide de simulations statistiques on compare le gain de diversité mesuré avec les valeurs simulées.

La RFID est une technologie majeure qui connaît depuis plus d'une dizaine d'années un essor considérable en termes d'applications. Cependant son déploiement à grande échelle reste limité par des plusieurs verrous technique et technologique par lesquels la portée de lecture des tags et leur forte sensibilité à l'environnement de l'application. Le travail engagé dans cette thèse vise le développement des nouvelles antennes lecteurs pour systèmes RFID UHF champ proche. Ce type de système exploite la bande UHF de la RFID en zone de champ proche pour la traçabilité des cibles de taille miniature sur une zone proche du lecteur avec une portée limitée. Les tags se trouvant au delà de cette portée ne doivent pas être détectés par le lecteur. L'objectif dans ce travail est d'apporter des solutions au niveau des antennes lecteurs également celles du tag pour assurer une détection des tags sur une zone confinée de l'espace. Actuellement, moyennant l'utilisation d'un tag sous forme de boucle (1*1 cm²), il est possible de lire ce dernier en contact, c'est à dire dans la zone 0 – 10 cm. Il fallait donc pouvoir assurer une lecture fiable (de type couplage EM) pour une portée s'étendant d'une dizaine de centimètres. Les antennes lecteurs champ proche développés dans ce travail sont en mesure d'assurer une zone de lecture limitée (20 à 35 cm) qui s'étend sur une dizaine de centimètres de côté. / RFID is one of the most popular technologies in this decade. However, its deployment at a high scale is limited by several technical and technological limitations as the read range of tags and their sensitivity to the application's environment. In this thesis we focus on the development of new reader antennas for Near Field UHF RFID systems. This type of system uses the UHF RFID band in near field zone for the traceability of miniature size targets on an area near the reader with a limited zone. Tags being outside this zone should not be detected by the reader .One of the objective of this thesis is to provide solutions in terms of readers and tag antennas to ensure detection tags on a confined area of space. Actually, we can read loop RFID tag (1*1 cm²) in contact (read range 0-10 cm). So we have to be able to ensure a good reading of tag (EM coupling) in a range from few centimeters to meters. Near field reader antenna developed in this thesis work, has a limited range between 20 and 30 cm with a large reading zone.

Cette thèse porte sur l'étude d'antennes intégrées sur silicium aux fréquences millimétriques, dans le but d'aboutir à des modules d'émission-réception totalement intégrés et reportés par des technologies standards dans un objet communicant. Ce travail comprend deux axes majeurs: Le première axe traite de l'étude, la conception et la réalisation d'antennes intégrées dans un boitier standard QFN couplées à un circuit émetteur-récepteur Ultra Large Bande (ULB) à 60 GHz comprenant des antennes intégrées de type dipôle replié fabriquées en technologie CMOS SOI 65-nm sur silicium haute résistivité. Dans un premier temps, nous avons défini le modèle de simulation à partir duquel nous avons étudié les performances des antennes prenant en compte l'influence de l'environnement (boitier, capot, fil d'interconnexions et technologie de fabrication). Dans un second temps, nous avons réalisé une optimisation des performances en adaptation et en rayonnement en ajoutant au sein du boitier un substrat et des éléments rayonnants couplés aux antennes intégrées sur la puce. Ce dispositif permet de réaliser des communications très haut débit (jusqu'à 2.2 Gbps) avec une très faible consommation d'énergie. Nous montrons qu'il est possible d'atteindre une distance de communication de plusieurs mètres grâce à un réseau transmetteur réalisé en technologie imprimée.Le deuxième axe porte sur la conception et la réalisation d'antennes multifaisceaux en bande V pour applications à long portée; il propose d'associer un réseau transmetteur réalisé sur technologie imprimée à un réseau focal constitué d'un petit nombre d'antennes intégrées sur silicium afin d'obtenir un compromis intéressant entre le niveau de gain, le coût et les capacités de dépointage de faisceau. Plusieurs réseaux sont démontrés avec un faisceau en polarisation circulaire, un gain de 18.6 dBi et une capacité de dépointage de ±24°. / This PhD thesis investigates the integration of antennas on silicon substrates at millimetre-wave frequencies in order to obtain fully-integrated and packaged transceiver modules using standard technologies in wireless devices. This work is organized in two main parts:In the first part, we investigated the design and realization of integrated antennas in a standard QFN package coupled to a 60 GHz Ultra-Wide-Band (UWB) transceiver chip with two integrated folded-dipole antennas implemented in a 65-nm CMOS-SOI technology on high-resistivity silicon. We defined a simulation model from which we studied the performance of integrated antennas, taking into account the influence of the environment (package, lid, wirebonding and manufacturing technology). Then, we optimized the antenna performances in impedance matching and radiation gain using radiating elements printed on a substrate and coupled to the on-chip folded dipoles. This antenna led to the demonstration of high-data rate communications (up to 2.2 Gbps) with a very low power consumption. We showed that the communication distance can be extended up to several meters using a transmit array printed on a low-loss substrate.In the second part, we investigated the design and realization of multibeam antennas in V-band for long-range applications; it is based on a transmit-array realized in standard printed technologies associated with a focal source array, which consists of a small number of integrated antennas on silicon in order to achieve a good compromise between the radiation gain, the cost and the beam steering capabilities. Several arrays were demonstrated with a circularly-polarized beam, a gain of 18.6 dBi et a beam-steering capability of ±24°.

Lors de cette thèse, on a développé un banc automatisé de relevé du diagramme de rayonnement particulièrement pour des antennes millimétriques avec faible directivité. On propose trois méthodes d’alimentation. La première méthode développée a été de concevoir une nouvelle sonde ayant un accès micro-coaxial de plus de 5cm afin de réduire la zone de masquage au minimum. Associée à une configuration de type flip-chip inversée, cette méthode a permis d’avoir une réduction de la zone de masquage de 80° à 20°. La deuxième méthode a été de concevoir une liaison souple par film souple de Kapton. Cette méthode présente l’avantage de placer une plus grande partie des connexions métalliques sous un plan de masse, mais nécessite une connexion optimale à la puce. Les résultats obtenus présentent une zone de masquage pratiquement inexistante, et sont conformes à l’état de l’art. La troisième méthode SER est basée sur la mesure de l’antenne sans placer de sondes ou de connecteurs spéciaux, mais en utilisant un système à charges connues. La simulation nous montre qu'il nous manque une dynamique par ces trois charges. / In this thesis, we designed and built a new 3D test bench, particularly for low-directivity integrated antennas at millimeter-wave frequencies. We proposed three feeding techniques for the antenna under test (AUT): a probe-fed technique, a flexible-transmission-line-fed technique and a radar-cross-section (RCS) method. The probe-fed method was developed with a customized probe, which involves an elongated (50 mm) coaxial line between the probe tip and the probe body, wherein the probe body is reversed (relative to the conventional measurement configuration) so it lies below the plane of the AUT. This method reduces the range of angles that are masked from 80° (for a conventional probe setup) to 20°. The second method was developed using a flexible transmission line with a modified flip-chip connection to the AUT. This method completely eliminates the masked zone. The third method characterizes the radiation pattern using a radar cross-section (RCS) method. This method requires neither a probe system nor connectors. However the simulation results demonstrate that there is insufficient variation in the ratio of received power to incident power as the load on the AUT is varied in order to make precise measurement with conventional measurement equipment.

La réduction d’énergie apparaît comme un besoin crucial dans les télécommunications modernes, tant au niveau des terminaux que des réseaux. Dans les réseaux modernes, un terminal peut se connecter à Internet via d’autres terminaux ou infrastructures à proximité, appelés relais. Bien que les relais offrent une solution intéressante pour limiter la puissance de transmission des terminaux, il n’est pas simple de garantir une réduction de la consommation d’énergie globale. Il devient alors nécessaire de développer des outils pour évaluer et quantifier la consommation d’énergie. Un terminal moderne dispose de plusieurs interfaces de communications, ce qui lui permet d’utiliser plusieurs standards. Sachant qu’un standard dispose de différents modes de communications, un terminal est multi-mode lorsqu’il possède cette capacité à communiquer sur les différents standards et modes disponibles. Nous nous sommes alors intéressés à l’utilisation du multi-mode dans le cadre des relais. Nous nous positionnons dans un contexte de radio logicielle, où la couche physique d’un terminal est représentée par des blocs programmables, ce qui facilite l’implémentation du multi-mode. Afin d’estimer la consommation d’énergie d’une radio logicielle, nous avons calculé la complexité algorithmique pour les couches physiques du 802.11g (ou Wi-Fi), de l’UMTS et du 802.15.4 (ou Zigbee). Dans cette thèse, nous avons développé des outils nous permettant d’évaluer l’intérêt d’un relais multi-mode dans la réduction d’énergie. Nous avons proposé un modèle d’énergie réaliste pour le multi-mode, qui prend en compte la couche d’accès au medium des protocoles considérés. Dans un but de réalisme accru, nous avons implémenté le multi-mode au sein de WSNet, un simulateur réseau précis, grâce auquel nous avons déterminé les paramètres ayant un impact sur la consommation d’énergie. Puis, nous avons proposé et validé des stratégies permettant de minimiser l’influence de ces paramètres. / Energy reduction appears as a crucial need in modern telecommunications, be it for the terminals or the network. In modern networks, a terminal can connect to the Internet through other terminals or infrastructures in their proximity, called relays. Even though these relays appear as an interesting solution by limiting the terminals transmission power output, the reduction of energy consumption is not a simple task to ensure. Hence, it becomes necessary to develop adapted tools in order to evaluate and quantify the energy consumption. A modern terminal features several communication interfaces, which allows it to use different standards. With each standard featuring different communication modes, a multi-mode terminal has the capacity to communicate on these different modes and standard available. Hence, we have been studying how this multi-mode property can lead to energy reduction in combination with relaying. Our study is realized in the context of software defined radio, in which the physical layer is represented by programmable software blocks. Thus, software defined radio allows an eased implementation of multi-mode. In order to estimate the energy consumption of a software defined radio, we have evaluated the algorithmic complexity for the physical layers of the following standards : 802.11g (or Wi-Fi), UMTS and 802.15.4 (or Zigbee). In this thesis, we have developed the tools to evaluate the energy consumption of a multimode relay. Firstly, we have proposed a realistic energy model for multi-mode, which takes into account the media access control layer of the protocols studied. In order to increase realism, we have implemented multi-mode in WSNet, a precise network simulator, which we have used to determine the parameters impacting the energy consumption. Then, we have proposed and validated different strategies allowing us to minimize the influence of these parameters.

Cette thèse démontre la faisabilité de l'utilisation de la technologie Nitrure de Gallium (GaN) dans les systèmes RF / micro-ondes reconfigurables. Les principales caractéristiques de ce type de technologie des semi-conducteurs se résident dans ses capacités de supporter des puissances élevées avec un rendement aussi élevé. En outre, la technologie GaN est un candidat très prometteur pour la réalisation des applications haute puissance/haute fréquence. Le travail de cette thèse est divisé en deux parties principales. La première est consacrée au développement, à l’analyse et à la caractérisation en DC et en RF jusqu'à 20 GHz des circuits actifs réalisés à base de la technologie GaN, tels que les diodes varicap et les commutateurs. Les diodes varicap fabriquées ont été modélisées en petit et grand signal par des équations analytiques contenant des coefficients empiriques ainsi un modèle en circuit a été développé, tandis aux commutateurs, un modèle de circuit en petit signal a été proposé. Ces composants actifs ont été réalisés en utilisant les processus GaN HEMTs de fabrication offerts par le Conseil National de Recherches du Canada (CNRC). La deuxième partie aborde les aspects de l'intégration de ces dispositif actifs GaN et de la conception des circuits reconfigurables proposés, tels que déphaseur reconfigurable, -3dB 90° coupleur hybride reconfigurable, oscillateur accordable en fréquence, commutation de faisceau et accordabilité en fréquence d’un réseau d'antennes patch tout en utilisant ces diodes varicap et commutateur GaN développées au fil de cette thèse. A travers cette thèse, l'utilisation de la technologie GaN pour la conception des designs RF reconfigurables en fréquence pour les applications fonctionnant au-dessous de 10 GHz a été démontrée. / This thesis demonstrates the feasibility of using the Gallium Nitride (GaN) technology in reconfigurable RF/microwave systems. The main features of this type of semiconductor technology being its high power with high efficiency. In addition, GaN technology is a very promising candidate for realizing high power/high frequency applications. The thesis work is divided in two main parts. The first one is devoted to active GaN devices, such as varactor diodes and switches, development, analyze and characterization via DC and RF up to 20 GHz. The fabricated varactor were modeled by analytic equations containing empirical coefficients and also a physic circuit model was developed, while for the switches only a small signal physic circuit model was proposed. These GaN devices was manufactured by using the Canadian National Research Council (NRC) GaN HEMTs processes. The second part addresses the integration and design aspects of the reconfigurable proposed circuits, such as tunable phase shifter, reconfigurable 3-dB 90° hybrid coupler, tunable frequency oscillator, beam switching antenna array and matching reconfigurable patch antenna based on these developed GaN varactors and switches devices. The use of GaN on highly efficient reconfigurable designs for broadband RF/microwave applications operating below 10 GHz was demonstrated.

Cette thèse fait partie des efforts de recherche pour étudier l’intégration hétérogène sur le substrat souple des nœuds de communicants pour les réseaux de capteurs sans fil dans la bande à 60GHz. Le System in Package (SiP) devrait avoir une consommation d'énergie très faible et être faible coût pour répondre aux exigences des applications telles que la Surveillance de Santé de Structure (Structure Health Monitoring - SHM en anglais) dans le domaine aéronautique par exemple. Chaque nœud est composé des nano-capteurs, des transceivers et des antennes d’émission et de réception. Les nanotechnologies ont permis le développement de nano-capteurs ultra-sensibles à base de nanoparticules. Les transceivers deviennent de plus en plus miniaturisés et donc permettre la possibilité de les reporter sur le substrat flexible. Les antennes peuvent être intégrés sur le substrat flexible avec les nano-capteurs développés et émetteurs miniaturisés, ce qui est l'approche très innovante. Dans cette thèse, nous présenterons les procédés technologiques adaptés pour réaliser les différents circuits passifs (résonateurs, antennes, rectennas, etc…) sur le substrat souple en utilisant la photolithographie conventionnelle. La technique de la puce retournée a été choisie pour l’intégration des transceivers à 60 GHz, la formation des bosses d’interconnexion en or directement sur le substrat souple par les dépôts électrolytiques est présentée ici pour la première fois. La concordance entre les mesures expérimentales et les simulations numériques démontre la fiabilité et la reproductibilité des procédés choisis. De plus, pour une application à volume élevé comme les réseaux de capteurs sans fil, le coût de fabrication par nœud peut être considérablement réduit, et devient comparable avec l’impression jet d'encre qui est un procédé à faible coût. / This thesis is part of research effort to develop a 3D heterogeneous integration of wireless sensor node on flexible substrate for the unlicensed 60GHz band. The System in Package (SiP) should have a very low power consumption and very low cost to meet the requirements of applications like Wireless Sensor Networks (WSNs) for Structure Health Monitoring (SHM). Using a flexible substrate for wireless sensor node integration can offer the advantage of being localized in areas with access difficulty especially in non-planar area. Each node is composed of nano-sensors, transceivers and TX/RX antenna. Nanotechnologies made it possible the development of ultra-sensitive nano-sensors based on nanoparticles deposition. Transceivers become more and more miniaturized and hence enable the possibility of postpone them onto flexible substrate. The antennas can be integrated on the flexible substrate along with the developed nano-sensors and miniaturized transceivers, which is the very innovative approach. In this work, we propose customized photolithography processes to manufacture the passive element circuits (resonators, antennas, rectennas, etc…) on flexible substrate. The technique of flip-chip was used for the integration of 60 GHz transceivers, a novel technique to form Au interconnection bump directly onto the flexible substrate by using electrodeposition process is also presented here for the first time. The concordance between the simulations and the measurements is observed, which proves the reliability and reproducibility of such process technique. Furthermore, for a high-volume application like the node deployment of WSNs, wafer cost reductions can significantly lower the total cost per node and became comparable to a low-cost inkjet printing process.