Une antenne auto-complémentaire possède des caractéristiques radioélectriques très intéressantes en ce qui concerne l’élargissement de sa bande passante. Basée sur le principe de Babinet, l’auto-complémentarité permet en effet de maximiser la largeur de bande de par la complémentarité air-métal dans la structure de l’antenne. L’objectif de cette thèse est d’étudier quels pouvaient être les apports de l’auto-complémentarité dans le cas d’antennes à fortes contraintes d’intégration telles que celles utilisées pour les terminaux mobiles. Pour tester les limites de notre étude, nous avons choisi d’appliquer nos résultats à l’intégration d’antennes auto-complémentaires dans un objet communicant de type Smartphone multi-standards. Les antennes dites AC doivent par conséquent satisfaire de nombreux critères de performances tout en montrant leur capacité d’intégration. Celle-ci est rendue d’autant plus délicate, que la miniaturisation implique à son tour des phénomènes physiques limitant certaines performances, notamment en basse fréquence avec la nouvelle bande LTE. Dans une première étude, nous avons considéré différentes antennes et opté pour les antennes IFA-AC sur un plan de masse fini afin de couvrir initialement les bandes hautes DCS/PCS/UMTS et WLAN/LTE2600. Dans une seconde étude, nous avons amélioré leurs performances à l’aide d’éléments structurels nouveaux et interdépendants (éléments rayonnants de type double IFA), qui nous ont permis d’obtenir des résultats probants relatifs notamment à la couverture des bandes LTE800 et GSM. Enfin, nous avons complété notre projet en optimisant le lien radio par l’intégration de plusieurs éléments rayonnants AC sur un même PCB. / In this thesis we present the design and optimization of self-complementary antennas to be integrated into a Smartphone. A self-complementary antenna is known as a radio antenna with very interesting bandwidth characteristics. Self-complementarity is based on the Babinet’s principle which aims to maximize bandwidth by considering the complementarity of the air and metal in the construction of an antenna. To achieve an objective, the antennas must satisfy a number of criteria, both in terms of performance and also for the design methods and integration. Miniaturization is very sensitive and it is more difficult to implement an antenna because of the physical phenomena limiting performance, especially at low frequency with the new 4G band. In this study we considered initially the self-complementary-IFA on a finite ground plane size: 120x60mm² in order to cover the high frequencies: DCS/PCS/UMTS and WLAN/LTE2600. In the second part, we focused on the possibility of using some improvement techniques by adding structural element (capacitive elements and radiating elements). Various geometrical modifications applied to antenna structures have also been used to obtain results satisfying all criteria, including coverage of LTE800 bands and GSM bands. Several prototypes were used to compare the theoretical results and validate the concept of self-complementarity. We completed the project by developing a way to improve the radio link in natural environments. We have implemented several radiating self-complementary miniature multiband/broadband elements on the same PCB in order to implement the principles of diversity or MIMO.

Cette thèse vise principalement à décorer des phtalocyanines avec des groupes de reconnaissance supramoléculaires pour induire leur auto-assemblage pour la première fois avec ces chromophores robustes imitant les bactériochlorophylles chlorosomales naturelles. D’autre part, cette thèse est également dédiée à la méthodologie de synthèse des complexes à trois étages avec des lanthanides complexant des porphyrines et phtalocyanines encombrantes.La première partie présente quelques concepts de base et des exemples segéstifs dans la biomimétique et l’auto-assemblage moléculaire. Les auto-assemblages biomimétiques des bactériochlorophylle c, d, e ont été examinés suivie par la synthèse, la séparation des régioisomères des phtalocyanines et des cellules solaires construites avec des phtalocyanines. La deuxième partie présente des travaux originaux sur une série d'antennes pour la coolléction de la lumière, comme les acylphthalocyanines qui font d'auto-assemblage avec des groupes carbonyle comme motifs de reconnaissance, un atome de zinc central et diverses chaînes alkyle de solubilisation. Ces nouveaux composés pourraient s’auto-assembler de la même manière que les bactériochlorophylles naturelles. La troisième partie de cette thèse se concentre sur les propriétés électrochimiques et magnétiques de lanthanides-porphyrine-phtalocyanine complexes sandwich ‘’triple deckers’’ volumineux, synthétisés par une nouvelle méthode sous irradiation avec des micro-ondes. Le site initial de l'oxydation ou de réduction de ce type de molécules à trois étages a d'abord été attribué par la combinaison de la spectroélectrochimie de couche mince. / This thesis mainly aims to decorate phthalocyanines with supramolecular recognition groups for inducing their self-assembly for the first time with these robust chromophores mimicking the natural chlorosomal bacteriochlorophylls. Meanwhile, this thesis is also dedicated to the synthetic methodology of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes. The first part provides some basic concepts and some delicate examples in biomimetics and molecular self-assembly, then biomimetic bacteriochlorophyll c, d, e self-assembles were simply reviewed, followed by the introduction on the synthesis, regioisomer separation of phthalocyanines and phthalocyanine-sensitized solar cells. The second part presents a series of light-harvesting antennas, namely self-assembling acyphthalocyanines, with carbonyl groups as recognition motifs, a central zinc atom and various solubilizing alkyl chains, which could self-assemble in the same way as the natural bacteriochlorophylls. These assemblies were characterized by UV-Vis, Variable-temperature UV-Vis and 1H-NMR spectra. The third part of this thesis focuses on the electrochemical and magnetic properties of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes synthesized by microwave-mediated, therein, the initial site of oxidation/reduction on this type of triple-decker molecules was firstly assigned by combining the thin-layer spectroelectrochemistry and the assignments of the electronic absorption spectra. Furthermore, the different single-molecule magnet behaviors of the corresponding Tb and Dy triple-decker complexes were also studied.

Les principaux objectifs des opérateurs ferroviaires visent à accroître la sécurité, réduire les coûts d’exploitation et de maintenance et augmenter l’attractivité et les bénéfices du transport ferroviaire en offrant de nouveaux services aux passagers. Ceci ne pourra être atteint que grâce à la multiplication des échanges de données entre les différents acteurs du monde ferroviaire. L’interopérabilité, l’efficacité spectrale, l’optimisation de l’usage des ressources radio et l’amélioration de la fiabilité des communications sont des exigences fortes pour les applications de télécommunication ferroviaires. Les recherches dans le domaine de la radio cognitive ont vu le jour afin de répondre aux besoins de communication de l’armée ainsi qu’aux besoins dans les secteurs de la sécurité publique. Ces domaines partagent souvent les mêmes exigences que les chemins de fers. Ainsi, la radio cognitive a montré un potentiel prometteur pour répondre aux besoins listés précédemment. Une des principales fonctionnalités d’un dispositif de radio cognitive est de prendre conscience de son environnement radioélectrique et de détecter les bandes disponibles. Trois principaux éléments définissent l’environnement de la radio cognitive : l’utilisateur, les règles d’accès au spectre radio et les domaines radio. Cette thèse met en avant plusieurs contributions relatives à la reconnaissance de l’environnement radiofréquence et la détection de bandes libres. Plus spécifiquement, ces contributions portent sur la reconnaissance par la radio cognitive de l’occupation du spectre et de la modulation des signaux présents dans les bandes analysées. Ces fonctions ont été conçues pour le contexte ferroviaire, c’est-à-dire la grande vitesse et un environnement électromagnétique difficile en présence de bruit impulsif. / An essential goal of railway operators is to increase safety, reduce operation and maintenance costs, and increase attraction and profit by offering new services to passengers. These objectives will be reached thanks to a huge increase of data fluxes exchanges between railways stakeholders and infrastructures.Interoperability, spectral efficiency, optimization of radio resource usages, and improvement of communications reliability are of significant interest for railway applications. The Cognitive Radio (CR) research has been successfully applied to meet the communication needs of the military as well as the public-safety sectors, which share many of the same needs as railway. CRs have shown significant promise to answer all of the previously listed requirements. One of the main capabilities of a CR device is to sense and finally become aware of its environment. Three major domains define the environment of the CR, namely, the user, policy, and radio domains. This thesis highlights several contributions to radio environment awareness of a CR device. More specifically, these contributions lie in the spectrum awareness and waveform awareness functions of the CR. We designed these functions for the railways context, that is, a high speed vehicular context, besides difficult electromagnetic environments resulting a heavy-tailed impulsive noise.

Depuis une dizaine d'années, l'avènement des techniques multi-antennes (ou MIMO) pour les communications sans fil, mobiles ou fixes, a révolutionné les possibilités offertes pour de nombreux domaines d'application des télécommunications. La disposition de plusieurs antennes de part et d'autre du lien augmente considérablement la capacité des systèmes sans fil. Cependant, les al- gorithmes numériques à mettre en œuvre pour réaliser ces systèmes sont autrement complexes et constituent un challenge quant à la définition d'architectures matérielles performantes. L'objectif du travail présent repose précisément sur la définition optimale de solutions architecturales, dans un contexte CDMA, pour contrer cette problématique. Le premier aspect de ce travail porte sur une étude approfondie des algorithmes spatio- temporels et des méthodes de conception en vue d'une implantation matérielle efficace. De nom- breux schémas de détection sont proposés dans la littérature et sont applicables suivant trois critères qui sont : la qualité de service, le débit binaire et la complexité algorithmique. Cette dernière constitue une contrainte forte pour une mise en application à faible coût de terminaux mobiles intégrant ces applications. Aussi, il est nécessaire de disposer d'outils performants pour simuler, évaluer et affiner (prototypage rapide) ces nouveaux systèmes, candidats probables pour les télécommunications de quatrième génération. Le second aspect concerne la réalisation d'un transcepteur multi-antennes sans codage de ca- nal, intégrant la technologie d'accès multiple par répartition de codes dans le cas d'un canal large bande. Un système mono-antenne WCDMA, généralisable à un nombre quelconque d'antennes, a été intégré et simulé au sein de la plate-forme de prototypage rapide Lyrtech. L'architecture développée intègre les principaux modules du traitement en bande de base, à savoir le filtrage de Nyquist, la détection des multiples trajets suivie de l'étape de détection. Le prototype MIMO- WCDMA développé est caractérisé par sa flexibilité suivant le nombre de voies entrantes, le for- mat d'entrée des échantillons, les caractéristiques du canal sans fil et la technologie ciblée (ASIC, FPGA). Le troisième aspect se veut plus prospectif en détaillant de nouveaux mécanismes pour réduire le coût matériel des systèmes multi-antennes. Le principe d'allocation adaptative de la virgule fixe est présenté dans le but d'adapter le codage des données suivant les caractéristiques du canal sans fil et de minimiser en conséquence la complexité du circuit. D'autre part, le concept d'ar- chitectures adaptatives est proposé afin de minimiser l'énergie consommée au sein d'un système embarqué suivant le contexte d'application.

Dans le cadre de ce travail de recherche, nous nous somme intéressés à un système de télécommunication MIMO (Multiple Input Multiple Output) à multiplexage spatial utilisant des récepteurs Zero-IF et la technique de formation numérique de faisceaux (FF). Le domaine d'application de ces travaux de recherches peuvent être aussi bien les applications fixes (exp: WiFi, IEEE) que les applications mobiles (exp: LTE, 3GPP).<br /> La première partie de ce travail est consacrée à une étude comparative entre les différents types de démodulateurs cinq-port et triphasés. Cette étude a permis de mettre en évidence l'aspect tridimensionnel des démodulateurs cinq-port et triphasés, de gagner 20dB en termes de réjection des produits d'intermodulation des signaux adjacents et de trouver une nouvelle méthode de calibrage aveugle du récepteur.<br /> La seconde partie de la thèse se concentre sur le prototypage d'un système MIMO. Cette phase nous a permis d'exposer les difficultés de mise en place de ce genre de système et de souligner les nouvelles problématiques qui n'apparaissait pas auparavant dans les systèmes mono- transcepteur. Aussi, un algorithme de Formation de Faisceau a été développé dans cette partie. Ce FF numérique a permis non seulement d'accroître la capacité mais aussi la qualité de liaison en considérant le système MIMO comme N système SIMO en parallèle. Comparativement à la technique ZF(Zero Forcing), nous démontrons que le FF permet d'obtenir une meilleure qualité de signaux pour des faibles valeurs de rapport signal à bruit.

Un des problèmes majeurs et non encore résolu en microscopie optique champ proche est le choix de l'émetteur ou du capteur optimal. Parmi les techniques développées, l'utilisation de sondes métalliques a conduit aux résolutions les plus élevées. L'inconvénient de ces nano-sondes réalisées à partir de fil métallique, est leur opacité. Une solution hybride combinant un milieu transparent et une couche métallique, par exemple une fibre optique taillée en pointe et métallisée, présente l'intérêt à la fois du guidage de la lumière et de l'existence d'un certain confinement du champ lumineux. Toutefois ces nano-sondes, largement utilisées, présentent de nombreux inconvénients dont le principal est la faible quantité de lumière transmise ou captée. L'introduction du concept de pointe fonctionnalisée est envisagée dans ce travail afin de remédier à cette carence, en optimisant par segmentation adéquate de la couche métallique, le transfert électromagnétique de ou vers la pointe. Il s'agit ni plus ni moins de la transposition dans le domaine optique du principe de l'antenne segmentée. Ce travail constitue le début d'un vaste sujet de recherche portant sur la fonctionnalisation des sondes destinées à la microscopie champ proche. Nous avons réalisé dans cette étude le cas d'un anneau métallique nanométrique suivant deux approches, théorique et expérimentale, menées en parallèle. Pour l'approche théorique, nous nous sommes appuyés sur des simulations numériques à partir d'un code de calcul commercial basé sur des différences finies spatio-temporelles FDTD, et sur une approche analytique modale d'un cylindre métallique infini. Pour la partie expérimentale, nous avons mis en place des procédés de fabrication d'anneaux nanométriques assistée par lithographie électronique classique et nous proposons un procédé original qui combine la lithographie électronique et une attaque ionique argon, afin de surmonter les limites de résolution imposées par les performances de nos appareillages (MEB). Toutes ces techniques ont été réalisées au sein de la centrale de technologie MIMENTO de l'Institut FEMTO-ST.

La réalisation d'objets intelligents de la taille du millimètre capables d'être sensibles à leur environnement, de réaliser des calculs pour traiter les données et de communiquer de façon autonome constitue une opportunité unique pour repenser l'interaction entre l'homme et son milieu environnant. Les systèmes émergeants de « Smart Dust» sont réalisés en associant massivement en réseaux distribués des centaines d'objets miniatures intelligents intégrant un système d'alimentation autonome, un ou plusieurs capteurs (lumière, température, vibration, acoustique, pression, champ magnétique, ...), des circuits analogiques et numériques pour réaliser des traitements de données et un système pour recevoir et transmettre des données. Pour faciliter la conception des systèmes radiofréquence RF ou millimétriques, l'intégration des dispositifs de système sur une même puce reste la solution souhaitée. <br /> Dans ce contexte, la première partie de ce manuscrit propose un état de l'art des différents composants d'un émetteur récepteur RF opérant à des fréquences millimétriques et intégré sur différentes technologies, ainsi l'étude de la faisabilité de la technologie CMOS SOI en réalisant un bilan de liaison à 60 GHz. Une étude sur les actifs et passifs de la technologie CMOS SOI montre les avantages du SOI et aussi les phénomènes spécifiques qu'il faut prendre en compte dans la phase de conception. La deuxième partie est consacrée à l'étude des structures d'interconnexion de la technologie SOI, notamment les lignes et les rubans coplanaires. Ainsi nous présentons les méthodes utilisées pour déterminer la permittivité effective et l'impédance caractéristique de ces lignes et un modèle analytique de la permittivité effective de l'antenne. <br /> La troisième partie traite le cas d'une antenne canonique de type dipôle intégré sur SOI et fonctionnant dans la bande millimétrique. Cette étude est basée sur les différents paramètres de la technologie SOI comme la permittivité, la résistivité et l'épaisseur de silicium. Ensuite, une étude de problématique de rayonnement des antennes intégrées en technologie SOI est présentée. Finalement un modèle des îlots métalliques « dummies » de la technologie SOI, basé sur le modèle dynamique de Tretyakov, est proposé. <br /> La dernière partie est consacrée à la conception, la réalisation, le test et la mesure de antennes intégrées sur SOI et fonctionnant dans la bande de 60 GHz. Quatre types d'antennes sont présentés notamment une antenne dipôle interdigitée, une antenne IFA, une antenne double fente et finalement une antenne spirale. Les paramètres électriques des antennes dipôles, IFA, et fente sont mesurés et sont conformes aux paramètres simulés. En plus, Nous avons présenté un dispositif de test pour mesurer le digramme de gain de ses antennes. La procédure de caractérisation a permis la validation expérimentale de ce dispositif et la récupération des diagrammes de gain des antennes au niveau de substrat SOI. Dans une optique de démonstrateur intégré, une conception conjointe d'un amplificateur faible bruit intégrée sur SOI avec une antenne intégrée, les deux fonctionnant à 60 GHz, permettant de s'affranchir de la contrainte 50 Ohms est conduite.

La miniaturisation des circuits et la montée en fréquence constituent deux importants leitmotives des systèmes de communication modernes. En effet, avec l'augmentation permanente du nombre d'utilisateurs du spectre fréquentiel et la multiplication des services de télécommunications offerts, les bandes de fréquences radiofréquences sont saturées et des bandes de fréquences micro-ondes et millimétriques sont à présent allouées à des applications grand public. Ceci exige le développement de technologies innovantes assurant aux circuits intégrés micro-ondes et millimétriques d'excellentes performances en terme de pertes, de facteur de qualité, d'intégration avec un encombrement et coût réduits. Dans cette optique, la technologie silicium constitue le candidat idéal pour satisfaire à ces exigences grâce à sa maturité, son faible coût, sa grande capacité d'intégration et la possibilité de réaliser des circuits intégrés à base de technologies SiGe ou CMOS. Cependant, la forte tangente de pertes et la faible résistivité du silicium dégradent considérablement les performances des circuits passifs aux fréquences micro-ondes et millimétriques. Nos travaux ont donc consisté à développer de nouvelles filières technologiques à faibles pertes pour lever ce verrou technologique et permettre une intégration monolithique de composants passifs avec des circuits intégrés pour un coût très réduit. Le premier chapitre de ce mémoire est dédié à l'état de l'art des différentes solutions technologiques proposées pour contourner les mécanismes à l'origine des pertes dans les interconnexions coplanaires sur substrat silicium. Dans le second chapitre, nous présentons les différentes filières technologiques développées pour optimiser les performances des circuits passifs sur substrat silicium basse résistivité. La première consiste à utiliser une couche organique épaisse faibles pertes pour éloigner les circuits passifs du substrat silicium dispersif. La deuxième solution est basée sur la combi naison de micro-usinage de surface et de dépôt de couche épaisse de polymère toujours à faibles pertes. Enfin, la dernière approche consiste à suspendre nos circuits planaires sur une membrane en polymère afin de supprimer complètement le substrat silicium. Ces technologies ont permis une réduction d'au moins 75 % des pertes d'une ligne de transmission coplanaire 50 W, de même qu'une forte amélioration du facteur de qualité par rapport à une ligne coplanaire sur silicium massif. Le troisième chapitre est consacré à la mise en application de ces filières technologiques faibles pertes à un filtre coplanaire passe-bande centré à 60 GHz ainsi qu'à des antennes planaires fonctionnant dans la bande 24 GHz ISM. Enfin, le dernier chapitre est consacré au développement des briques technologiques nécessaires à l'intégration monolithique faible coût de composants passifs sur membrane polymère (tels que des antennes, inductances, filtres,&) avec les circuits actifs à hétérostructure en SiGe. La compatibilité des principales étapes nécessaires à une telle intégration avec les circuits monolithiques intégrés MMIC a également été étudiée. Une règle de dessin a notamment été définie pour localiser le micro-usinage du silicium sans dégrader les performances des circuits intégrés.

Ce travail se divise en deux parties : la première concerne l'étude des structures périodiques planaires associées aux antennes et la seconde, les structures périodiques conformes. Même si la première partie est un sujet étudié depuis plusieurs années, cette thèse apporte une analyse nouvelle (source placée à l'intérieur de la structure, méthode basée sur la théorie des réseaux...) et de nouveaux résultats (lieux de résonance et extrema, obtention de structures avec la dualité des bandes interdites et propagées, adaptation d'une antenne insérée dans une structure périodique planaire, ouverture angulaire en fonction de la fréquence...). Les structures périodiques conformes sont par contre nouvelles. Il est fait une étude systématique de ces structures. L'application principale de la thèse est un projet RNRT dont l'objectif est de réaliser des antennes pour station de base GSM-UMTS. Une antenne utilisant une structure périodique conforme et répondant au cahier des charges, a été conçue.

Ce mémoire présente mes activités en tant qu'enseignant-chercheur au sein du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de l'Université Montpellier 2, en vue de l'obtention de l'Habilitation à Diriger des Recherches. Les travaux de recherche exposés sont liés aux principales thématiques que j'ai pu développer dans l'équipe " Conception en Structures " du LMGC, essentiellement de 2004 à 2013.