Résumé: Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l’aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Les nouveaux défis à surmonter sont à la fois l’augmentation des distances de transmission associée à l’accroissement des quantités de données véhiculées ainsi que la miniaturisation, la réduction du coût de production, la moindre consommation énergétique et la fiabilité de la solution technologique employée pour la chaîne de transmission. Dans ce sens, l’exploitation de bandes de plus hautes fréquences et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l’étude reposent sur l’utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de fabrication et d’encombrement. L’élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l’amplification de puissance en bande Ka et W au vu de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisés et des premiers produits commerciaux (off-the-shelf) disponibles. L’exploitation de cette technologie à son plein potentiel s’appuie particulièrement sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le déploiement d’une méthodologie permettant la modélisation semi-physique de transistors fabriqués expérimentalement et démontrant des performances à l’état de l’art. Une partie conséquente de ce travail portera sur la caractérisation thermique du dispositif en fonctionnement ainsi que sur la modélisation d’éléments secondaires (éléments passifs) pour la conception d’un circuit amplificateur hyperfréquence. / Abstract: Amongst the emerging and developing technologies of the 21st century, wireless transmission is a fundamental aspect for mobile networks, aeronautics, spatial applications and global positioning systems. Concerning the associated technological solutions, the new challenges to overcome are both the performance increases in terms of data quantity as well as the associated device features in terms of size, production costs, energetic consumption and reliability. In that sense, the use of higher frequency bandwidths and increase of transmission channels are aimed by various current research works. Investigated technologies are based upon integrated systems to meet the criteria of devices costs and size. As the cornerstone of such devices, the transistor largely accounts for the final system performance in terms of working frequency, reliability and consumption. To respond to the challenges of today and tomorrow challenges, alternatives to the dominant current silicon process are clearly considered. To date, gallium nitride based technology is found to be the most promising for hyperfrequency power amplification for Ka and W bands given the associated physical and electrical characteristics, prototypes performance and first commercial “off-the-shelf” products. Exploitation of this technology to its full potential requires controlling and mastering the involved fabrication, characterization and modeling steps related to the transistor. This work aims at establishing a methodology enabling a semi-physical modeling of experimental transistors which exhibit state-of-the-art performance. A significant part of this work will also focus on thermal characterization of devices under test and on modeling of secondary elements (passive elements) suited for the design of hyperfrequency amplifiers.

Les progrès réalisés par les filières silicium durant la dernière décennie ont rendu leur utilisation possible pour les bandes de fréquences millimétriques dépassant les 100 GHz, autrefois réservées aux technologies III-V. En outre, les fortes densités d'intégration qui caractérisent les filières silicium permettent d'envisager des systèmes complexes sur une seule puce, ce qui n'était pas possible auparavant avec les technologies III-V. Dans cette thèse, la faisabilité d'une conversion en fréquence directe à partir d'un signal impulsionnel en bande W est évaluée au travers de l'exemple d'un radar automobile impulsionnel doté d'une capacité de communication inter-véhicules. Actuellement, le mélangeur passif représente le meilleur choix pour entrer dans la constitution d'un récepteur à conversion directe grâce à l'absence de bruit en 1/f de cette topologie. Ce mélangeur emploie des transistors NMOS dans les filières technologiques à base de silicium. Parmi ses avantages, il faut souligner sa grande linéarité doublée d'un faible facteur de bruit, qui est par ailleurs égal aux pertes de conversion du mélangeur. Bien que largement employé dans les applications de type " low-power " aux fréquences RF ne dépassant pas quelques GHz, les limites de fréquence de cette topologie ne sont pas clairement définies. Une première partie de ce travail a consisté à évaluer la faisabilité de cette topologie en bande W en se basant sur une filière technologique 0,13 um SiGe BiCMOS. L'effet de la géométrie du transistor NMOS sur les performances obtenues est largement discuté concernant les pertes de conversion et la linéarité. Ces résultats sont ensuite exploités pour concevoir un convertisseur de fréquence centré sur une fréquence de 79 GHz en incluant les amplificateurs permettant de contrôler le mélangeur de manière optimale sur ses trois accès RF, OL et FI. Pour extraire les principales caractéristiques de ce circuit que sont le gain de conversion, le point de compression et le facteur de bruit, un banc de mesure complet décrit en dernière partie a dû être développé. Les résultats expérimentaux obtenus font état d'un fonctionnement à l'état de l'art, avec un gain de conversion de 14,5 dB à la fréquence optimale centrée sur 76 GHz , un facteur de bruit en bande double de 6,3 dB et un point de compression en sortie de -10 dBm. Ces résultats, relativement proches des simulations, valident l'ensemble de la démarche employée.

Les radars millimétriques en bande W (75-110 GHz) sont en plein essor, grâce notamment aux progrès des circuits intégrés, permettant de réaliser des systèmes compacts à bas coût et haute résolution due à la courte longueur d’onde. Dans un premier temps, ces systèmes ont été utilisés à des fins de détection et de localisation, avec à terme, pour objectif l’identification. Ainsi, des systèmes d’imagerie radar ont été développés, notamment grâce à l’imagerie qualitative, basée par exemple sur l’imagerie radar par synthèse d’ouverture (SAR). Cependant, afin de reconstruire les propriétés électromagnétiques des objets pour une identification complète, il est nécessaire de développer des algorithmes de reconstruction quantitatifs. Le travail présenté dans ce manuscrit est de poser les bases d’un système d’imagerie qualitative et quantitative en gamme millimétrique pour la détection et l’identification des objets sur les pistes d’aéroport par tomographie, tenant compte de la polarisation de l’onde incidente. Au cours de cette thèse, un outil de simulation permettant de la résolution des problèmes direct et inverse, pour les deux types de polarisation à deux dimensions 2D-TE et 2D-TM, basé sur la méthode des moments (MoM) a été développé. La première étape a consisté en la validation du problème direct en effectuant des comparaisons numériques avec des solutions analytiques pour des cibles canoniques. Ensuite, des mesures expérimentales ont été effectuées et comparées aux résultats numériques. Enfin, les résultats des reconstructions obtenus ont permis de valider l’algorithme de reconstruction 2D développé pour l’imagerie quantitative. / Millimeter-wave radar systems in W-band (75-110 GHz) are booming, due to advances in integrated circuits, allowing the fabrication of low-cost and high-resolution compact systems, thanks to the short wavelength. First, these systems were used for detecting and localizing purposes, with the aim of identification. Thus, imaging radar systems have been developed, especially using qualitative imaging, based for example, on Synthetic Aperture Radar (SAR). Nevertheless, in order to reconstruct the electromagnetic properties of objects, for a complete identification, we must develop quantitative reconstruction algorithms. The work presented in this manuscript is to give the basis of a qualitative and quantitative millimeter wave imaging system for detecting and identifying foreign debris on airport runways using tomography, taking into account the polarization of the incident wave. In this thesis, a simulation tool for solving forward and inverse problems, for the two-dimensional polarization cases 2D-TM and 2D-TE, based on the method of moments (MoM) has been developed. The first step was to study the validation of the direct problem by comparing numerical results with analytical solutions for canonical targets. Then, experimental measurements have ben carried out and compared with numerical results. Finally, reconstruction results obtained have validated the reconstruction algorithm developed for quantitative imaging.