L'émergence depuis ces dernières années de nouvelles capacités technologiques permettant la mise en œuvre de dispositifs d'agression électromagnétique, imposent d'étudier la faisabilité de ces potentielles Armes à Energie Dirigée ÉlectroMagnétiques (AED EM). Parmi les différentes briques technologiques qui composent ces systèmes, l'aérien est l'élément déterminant de la formation du faisceau d'ondes rayonnées et nécessite donc d'être évalué. C'est dans ce contexte que le Centre de Gramat du Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives s'est associé à la Direction Générale de l'Armement afin de proposer cette thèse réalisée en collaboration avec l'Institut d'Électronique et de Télécommunications de Rennes. Le sujet propose l'étude complète de trois solutions antennaires susceptibles d'être intégrées sur un système de type AED EM. Chaque type d'antenne répond à une problématique qui lui est propre : Il s'agit en premier lieu de réaliser une antenne fonctionnant à fréquence fixe et possédant un gain maximisé ; Dans un second temps l'étude est menée afin de concevoir et réaliser une antenne à diagramme de rayonnement variable dans un plan et stable dans l'autre plan ; Enfin une antenne large bande fonctionnant sur une octave est développée dans le but de maintenir un diagramme de rayonnement possédant des ouvertures à mi-puissance constantes. Chacune de ces études est gouvernée par deux contraintes difficiles que sont d'une part le maintien d'une tenue en puissance élevée (niveau injecté de l'ordre du kilowatt pulsé) et d'autre part un encombrement réduit en vue d'une intégration sur porteur par exemple. Chaque antenne est élaborée à l'aide d'un logiciel de calcul électromagnétique puis réalisée afin d'être validée expérimentalement. / It is true that during the last past years, High Power Microwave (HPM) weapons threat has grown up. One way to prevent from this kind of system is to study every part of it. Among them, the antenna is the element that influences the most the electromagnetic waves behavior then it has to be evaluated. This is the reason why the Centre de Gramat du Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives has teamed up with the Direction Générale de l’Armement in order to propose this thesis in collaboration with the Institut d’Electronique et de Télécommunications de Rennes. The subject provides the full study of three antennas that can be integrated on an HPM weapon. Each type of antenna is developed to address a problem: The first antenna operates at a fixed frequency and is designed to provide a maximized gain; The second one is manufactured to have a variable radiation pattern in one plane and a stable radiation pattern in the other plane; Finally, a broadband antenna operating between 2 and 4 GHz is developed in order to maintain a stable radiation pattern. Each study is led by taking into consideration high input power (around 1 kW pulsed power) and also dimensional constraints in order to be integrated on a mobile device for instance. Each antenna is designed using electromagnetic software then validated by measurements.

La nanocommunication est un nouveau paradigme qui permet de communiquer à l'échelle nanométrique, via des mécanismes moléculaires, électromagnétiques, acoustiques, ou nano-mécaniques. Le cadre général de cette thèse concerne les réseaux de nanocapteurs sans fil et les nanoréseaux sur puce. Plus précisément, il s'agit des architectures d'interconnexion et des protocoles de communication dans la bande de fréquence des Térahertz. En effet, les architectures réseaux et les protocoles de communication existants doivent être repensés en tenant compte des mécanismes de communication à l'échelle nanométrique.En premier lieu, nous nous sommes focalisés sur la nécessité de développer des approches de diffusion efficaces dans le contexte des réseaux de nanocapteurs sans fil. Une approche de diffusion efficace, issue d'une adaptation d'un protocole de la famille des protocoles d'inondation probabilistes, est présenté et son efficacité et validée par simulations à l'aide de Nano-Sim et NS3.En second lieu, une étude approfondie de l'impact des portées de transmission sur les performances du mécanisme de diffusion basé sur les ondes électromagnétiques à l'échelle nanométrique a été effectuée. Les résultats des simulations montrent que l'adaptation des portées des nano-noeuds permet de contrôler le mécanisme d'inondation et de réduire les redondances des paquets tout en augmentant les débits. Une approche adaptative de sélection de portées de transmission contrôlée au niveau des nano-noeuds est proposée. En dernier lieu, nous nous sommes attaqués à un troisième défi en examinant ce nouveau paradigme de nanocommunication dans le contexte de la conception des nanoréseaux sur puce (Network on Chip, NoC). / Nanocommunication is a new paradigm that enables connectivity at the nanoscale through molecular, electromagnetic, acoustic, or nanomechanical mechanisms. The general context of this thesis concerns wireless nanosensor networks and nanonetworks on chips. More precisely, the thesis deals with interconnection architectures and communication protocols in the terahertz band. The existing network architectures and communication protocols should be revisited taking into account the communication mechanisms at the nanoscale.First, dissemination approaches in the context of wireless nanosensor networks are addressed. An efficient broadcasting approach is presented and the simulation performance results with Nano-Sim and NS3 show that the proposed scheme is superior to flooding, especially in the cases of excessive broadcasts.Second, we investigated the impact of transmission ranges on the performance of broadcast mechanisms based on electromagnetic waves at the nanoscale. Adaptive transmission range of electromagnetic-based communication approaches are proposed. Simulations are conducted with fixed and adaptive transmission ranges to show the efficiency of the proposed approaches in terms of throughput and latency according to the network density.The third part addresses the hypothesis of using EM-based nanonetwok as an on-chip interconnect for SoCs.

Ce travail de recherche présente une extension de la construction classique des modèles réduits (ROMs) obtenus par analyse modale, en dynamique numérique des structures linéaires. Cette extension est basée sur une stratégie de projection multi-niveau, pour l'analyse dynamique des structures complexes en présence d'incertitudes. De nos jours, il est admis qu'en dynamique des structures, la prévision sur une large bande de fréquence obtenue à l'aide d'un modèle éléments finis doit être améliorée en tenant compte des incertitudes de modèle induites par les erreurs de modélisation, dont le rôle croît avec la fréquence. Dans un tel contexte, l'approche probabiliste non-paramétrique des incertitudes est utilisée, laquelle requiert l'introduction d'un ROM. Par conséquent, ces deux aspects, évolution fréquentielle des niveaux d'incertitudes et réduction de modèle, nous conduisent à considérer le développement d'un ROM multi-niveau, pour lequel les niveaux d'incertitudes dans chaque partie de la bande de fréquence peuvent être adaptés. Dans cette thèse, on s'intéresse à l'analyse dynamique de structures complexes caractérisées par la présence de plusieurs niveaux structuraux, par exemple avec un squelette rigide qui supporte diverses sous-parties flexibles. Pour de telles structures, il est possible d'avoir, en plus des modes élastiques habituels dont les déplacements associés au squelette sont globaux, l'apparition de nombreux modes élastiques locaux, qui correspondent à des vibrations prédominantes des sous-parties flexibles. Pour ces structures complexes, la densité modale est susceptible d'augmenter fortement dès les basses fréquences (BF), conduisant, via la méthode d'analyse modale, à des ROMs de grande dimension (avec potentiellement des milliers de modes élastiques en BF). De plus, de tels ROMs peuvent manquer de robustesse vis-à-vis des incertitudes, en raison des nombreux déplacements locaux qui sont très sensibles aux incertitudes. Il convient de noter qu'au contraire des déplacements globaux de grande longueur d'onde caractérisant la bande BF, les déplacements locaux associés aux sous-parties flexibles de la structure, qui peuvent alors apparaître dès la bande BF, sont caractérisés par de courtes longueurs d'onde, similairement au comportement dans la bande hautes fréquences (HF). Par conséquent, pour les structures complexes considérées, les trois régimes vibratoires BF, MF et HF se recouvrent, et de nombreux modes élastiques locaux sont entremêlés avec les modes élastiques globaux habituels. Cela implique deux difficultés majeures, concernant la quantification des incertitudes d'une part et le coût numérique d'autre part. L'objectif de cette thèse est alors double. Premièrement, fournir un ROM stochastique multi-niveau qui est capable de rendre compte de la variabilité hétérogène introduite par le recouvrement des trois régimes vibratoires. Deuxièmement, fournir un ROM prédictif de dimension réduite par rapport à celui de l'analyse modale. Une méthode générale est présentée pour la construction d'un ROM multi-niveau, basée sur trois bases réduites (ROBs) dont les déplacements correspondent à l'un ou l'autre des régimes vibratoires BF, MF ou HF (associés à des déplacements de type BF, de type MF ou bien de type HF). Ces ROBs sont obtenues via une méthode de filtrage utilisant des fonctions de forme globales pour l'énergie cinétique (par opposition aux fonctions de forme locales des éléments finis). L'implémentation de l'approche probabiliste non-paramétrique dans le ROM multi-niveau permet d'obtenir un ROM stochastique multi-niveau avec lequel il est possible d'attribuer un niveau d'incertitude spécifique à chaque ROB. L'application présentée est relative à une automobile, pour laquelle le ROM stochastique multi-niveau est identifié par rapport à des mesures expérimentales. Le ROM proposé permet d'obtenir une dimension réduite ainsi qu'une prévision améliorée, en comparaison avec un ROM stochastique classique / This work deals with an extension of the classical construction of reduced-order models (ROMs) that are obtained through modal analysis in computational linear structural dynamics. It is based on a multilevel projection strategy and devoted to complex structures with uncertainties. Nowadays, it is well recognized that the predictions in structural dynamics over a broad frequency band by using a finite element model must be improved in taking into account the model uncertainties induced by the modeling errors, for which the role increases with the frequency. In such a framework, the nonparametric probabilistic approach of uncertainties is used, which requires the introduction of a ROM. Consequently, these two aspects, frequency-evolution of the uncertainties and reduced-order modeling, lead us to consider the development of a multilevel ROM in computational structural dynamics, which has the capability to adapt the level of uncertainties to each part of the frequency band. In this thesis, we are interested in the dynamical analysis of complex structures in a broad frequency band. By complex structure is intended a structure with complex geometry, constituted of heterogeneous materials and more specifically, characterized by the presence of several structural levels, for instance, a structure that is made up of a stiff main part embedding various flexible sub-parts. For such structures, it is possible having, in addition to the usual global-displacements elastic modes associated with the stiff skeleton, the apparition of numerous local elastic modes, which correspond to predominant vibrations of the flexible sub-parts. For such complex structures, the modal density may substantially increase as soon as low frequencies, leading to high-dimension ROMs with the modal analysis method (with potentially thousands of elastic modes in low frequencies). In addition, such ROMs may suffer from a lack of robustness with respect to uncertainty, because of the presence of the numerous local displacements, which are known to be very sensitive to uncertainties. It should be noted that in contrast to the usual long-wavelength global displacements of the low-frequency (LF) band, the local displacements associated with the structural sub-levels, which can then also appear in the LF band, are characterized by short wavelengths, similarly to high-frequency (HF) displacements. As a result, for the complex structures considered, there is an overlap of the three vibration regimes, LF, MF, and HF, and numerous local elastic modes are intertwined with the usual global elastic modes. This implies two major difficulties, pertaining to uncertainty quantification and to computational efficiency. The objective of this thesis is thus double. First, to provide a multilevel stochastic ROM that is able to take into account the heterogeneous variability introduced by the overlap of the three vibration regimes. Second, to provide a predictive ROM whose dimension is decreased with respect to the classical ROM of the modal analysis method. A general method is presented for the construction of a multilevel ROM, based on three orthogonal reduced-order bases (ROBs) whose displacements are either LF-, MF-, or HF-type displacements (associated with the overlapping LF, MF, and HF vibration regimes). The construction of these ROBs relies on a filtering strategy that is based on the introduction of global shape functions for the kinetic energy (in contrast to the local shape functions of the finite elements). Implementing the nonparametric probabilistic approach in the multilevel ROM allows each type of displacements to be affected by a particular level of uncertainties. The method is applied to a car, for which the multilevel stochastic ROM is identified with respect to experiments, solving a statistical inverse problem. The proposed ROM allows for obtaining a decreased dimension as well as an improved prediction with respect to a classical stochastic ROM

Avec la prolifération des appareils électroniques portables et mobiles communicants, il est recommandé de pouvoir échanger des données rapidement et commodément entre les appareils. Avec la pénurie de bande passante et la congestion dans le spectre des fréquences faibles, la technologie de communication à ondes millimétriques (Mm-wave) est considérée comme l'une des technologies clés du futur pour permettre des applications sans fil à débit élevé grâce à son large spectre abondant. Les nœuds de technologie CMOS avancés sont dotés de ft et fmax plus élevés qui permettent une utilisation peu coûteuse et généralisée de ce spectre. Cependant, de nombreux défis associés à la conception de circuits et de systèmes RF millimétriques en utilisant des technologies CMOS avancées ont été identifiés. L’amplificateur de puissance (PA) a été identifié comme étant le bloc le plus difficile à concevoir dans un émetteur-récepteur intégré RF millimétrique. Le concept au niveau du système de l’architecture basse puissance est d’abord étudié et des blocs clés tels que l’antenne 60 GHz et le modulateur OOK dans la technologie CMOS 130nm ont été présentés. Cette thèse explore également les défis de conception de l’amplificateur de puissance à ondes millimétriques dans la technolgie 28nm UTBB-FDSOI. Trois conceptions différentes d’amplificateur de puissance de 60 GHz ont été démontrées dans 28nm LVT FDSOI : 1) Un PA cascode à deux étages, 2) Un PA différentiel à deux étages à base de transformateur, 3) Un PA différentiel à deux étages à puissance combinée. Les performances simulées, y compris la prise en compte des parasites principaux de disposition ont été présentées. Les travaux futurs incluront l’intégration sur puce avec le PA. / With the proliferation of portable and mobile electronic devices, there is a strong need to exchange data quickly and conveniently between devices encouraging to overcome challenges in bandwidth shortages and congestion in the lower frequencies spectrum. Millimeter-wave (Mm-wave) technology is considered as one of the future key technologies to enable high data rates wireless applications due to its large abundant spectrum. Advanced CMOS technology nodes comes with high ft and fmax, enable low cost and widespread use of this spectrum. However, many associated challenges ranging from device, circuit and system perspectives for the implementation of a highly integrated mm-wave transceiver especially the power amplifier (PA) which identified to be the most challenging RF block to be designed. The system level concept of low power architecture is firstly studied and key blocks such as 60 GHz antenna and OOK modulateur in 130nm CMOS technology were presented. This thesis also explores the design challenges of mm-wave power amplifier in 28nm UTBB-FDSOI technology. Three different designs of 60 GHz power amplifier were demonstrated in 28nm LVT FDSOI : 1) A two-stage cascode PA, 2) A two-stage differential PA with low-km TMN, 3) A power combined two-stage differential PA with low-km TMN. The simulated performance including the consideration of key layout parasitics were presented. Future work will include for on-chip integration with the PA.

Cette thèse a permis de travailler sur l'efficacité d'un canal des systèmes massifs MIMO pour lesquels il faille déterminer le débit à l'Uplink des terminaux présents dans leurs cellules respectives. Comme hypothèse, la bande de fréquence en mode TDD est réutilisée dans chaque cellule. Tous les symboles sont propagés de manière asynchrone par les terminaux présents dans les cellules, n'empêchant pas de fait des interactions intra et inter symboles au niveau des stations de base. Ces signaux rencontrent beaucoup d'obstacles sur leur trajet qui entraînent des retards, des pertes de signaux (destructifs), des régénérations de signaux (constructifs) avec divers types de modulation (amplitude, fréquentielle, phase), etc. L’affaiblissement du trajet dans le canal est mis en exergue avec les différentes valeurs prises par le coefficient d'atténuation choisi lors des simulations. Face à cette situation, il a fallu rechercher le meilleur et robuste estimateur de canal à un temps de cohérence donné. La méthode MMSE (Minimum Mean Square Error) est retenue, comparée à d'autres. Pour la performance des systèmes massifs MIMO, nous nous sommes appesantis sur les méthodes de diversité des antennes (diversité d'ordre N), les méthodes de coding, les méthodes d'accès OFDMA et les méthodes d'égalisation pour montrer qu'effectivement le fait d'utiliser de nombreuses antennes au niveau des stations de base améliore et contribue aux gains recherchés en débits. Avec les systèmes massifs MIMO, nous avons montré que l'apport antennaire est bien reconnu dans la gestion des interférences. Un algorithme de calcul de débit à l'Uplink a été réalisé avec trois récepteurs conventionnels que sont le MRC (Maximum Ratio Combiner), le ZF (Zero-Forcing) et le MMSE (Minimum Mean Square Error). Les simulations ont permis de comparer les différentes approches. En faisant varier la puissance de contamination des symboles pilotes, nous observons la convergence des courbes ZF et MMSE. Si le nombre des cellules L augmentent, nous constatons que plus la puissance de contamination des symboles pilotes (pp) est élevée, plus la capacité diminue dans le canal. Après plusieurs itérations, notre algorithme converge vers une asymptote (régime stationnaire et linéaire) où les échantillons à la sortie des détecteurs s’approchent de la séquence de données émises. Le SINR obtenu avec les détecteurs conventionnels permet le calcul des débits respectifs dans le canal avec le théorème de SHANNON. / This thesis made it possible to work on the efficiency of a channel of massive MIMO systems for which it is necessary to determine the throughput at the Uplink of the terminals present in their respective cells. As an assumption, the frequency band in TDD mode is reused in each cell. All symbols are propagated asynchronously by the terminals present in the cells, not effectively preventing intra- and inter-symbol interactions at the base stations. These signals encounter many obstacles on their path that lead to delays, signal losses (destructive), signal regenerations (constructive) with various types of modulation (amplitude, frequency, phase), etc. The path loss in the channel is highlighted with the different values taken by the attenuation coefficient chosen during the simulations. Faced with this situation, it was necessary to look for the best and most robust channel estimator at a given consistency time. The MMSE (Minimum Mean Square Error) method is used, compared to others. For the performance of massive MIMO systems, we have focused on antenna diversity methods (N-order diversity), coding methods, OFDMA access methods and equalization methods to show that effectively using multiple antennas at base stations improves and contributes to the desired rate gains. With massive MIMO systems, we have shown that antennar contribution is well recognized in interference management. An algorithm for calculating the flow rate at the Uplink was developed using three conventional receivers: the MRC (Maximum Ratio Combiner), the ZF (Zero-Forcing) and the MMSE (Minimum Mean Square Error). The simulations made it possible to compare the different approaches. By varying the contamination power of the pilot symbols, we observe the convergence of the ZF and MMSE curves. If the number of L cells increases, we find that the higher the contamination power of the pilot symbols (pp), the lower the capacity in the channel. After several iterations, our algorithm converges to an asymptote (stationary and linear regime) where the samples at the detector output approach the transmitted data sequence. The SINR obtained with conventional detectors allows the calculation of the respective flows in the channel with the SHANNON theorem.