Les systèmes de télécommunications requièrent de plus en plus l’utilisation des composants passifs hyperfréquences. La commercialisation de ces composants nécessite la miniaturisation de leurs tailles, l’augmentation de leurs performances et la réduction de leurs coûts. Parmi ces composants passifs, nous citons le coupleur directionnel qui est un quadripôle destiné à répartir la puissance sur deux ports de sortie, le quatrième port reste isolé. Les travaux relatés dans ce manuscrit ont pour objectifs la conception et la réalisation d’un coupleur à accès coplanaires obtenu à partir d’un résonateur auquel nous avons appliqué des lignes de couplage. Un modèle équivalent approché a été mis en évidence par un logiciel de simulation circuit. Une étude paramétrique a été réalisée à l’aide d’un logiciel électromagnétique 3D pour fixer une règle de conception qui permet un dimensionnement convenable du composant pour un intervalle de fréquences prédéfinies. Un fonctionnement bi-bandes a été exploité pour chaque raccordement de la fréquence. Une deuxième structure de couplage a été déduite en reliant directement les lignes couplées sur le résonateur. Une étude paramétrique ainsi qu’une règle de conception ont mis en évidence un fonctionnement de coupleur mono-bande de cette structure à des fréquences prédéfinies. Une troisième structure qui fonctionne en coupleur a été exploitée en remplaçant le filtre résonateur par deux circuits en méandres. Ce nouveau coupleur à méandres présente des bandes passantes assez larges ainsi qu’un fonctionnement possible en bi-bandes. Ces coupleurs mis en œuvre peuvent assurer un couplage de l’ordre de 3 ; 6 ; 8 et 10 dB et d’un déphasage entre les deux ports de sortie de 180° pour les deux premières structures et de 90° pour le coupleur à méandres. Plusieurs séries de prototypes sont ensuite fabriquées à partir des structures optimisées en simulation. Les caractérisations hyperfréquences de ces composants montrent la performance des dispositifs réalisés / Telecommunications systems require more use of passive microwave components. The commercialization of these components requires the miniaturization of their size, increasing their performance and the reduction of their costs. Among these passive components we cited the directional coupler which is designated to spread the power between two outputs, the fourth port being isolated. The ambition of this work is to study and fabricate a coupler with coplanar access obtained from a resonator where we applied coupling lines. An equivalent approximate model was obtained using circuit simulation software. A parametric study was made using 3D electromagnetic software to fix a design rule that allows a suitable design for the component in a predefined frequency range. Dual-band operation has been exploited for each frequency. A second coupling structure was deduced by directly connecting the coupled lines to the resonator. A parametric study and a design rule have shown the operation of this structure as a single band coupler at predefined frequencies. A third structure which operates like a coupler has been exploited by replacing the resonator filter by two meandering circuits. This new meandering coupler presents a wide bandwidth and a possible operating in dual-band. These implemented couplers provided a coupling factor of 3, 6, 8 and 10 dB and a phase shift between the two output ports of 180° for the two first structures and a 90° phase shifter for the meandering coupler. Several sets of prototypes are then made. The microwave characterizations show the performance of the fabricated device

Cette thèse étudie l'intérêt des architectures SDR à échantillonnage direct pour des récepteurs Galileo dans le contexte particulier de l'Aviation Civile, caractérisé notamment par une exigence de robustesse à des interférences bien spécifiées, principalement les interférences causées par les signaux DME ou CW. Le concept de Software Defined Radio traduit la migration toujours plus grande, au sein des récepteurs, des procédés de démodulation d'une technologie analogique à du traitement numérique, donc de façon logicielle. La quasi généralisation de ce choix de conception dans les architectures nouvelles nous a conduit à le considérer comme acquis dans notre travail. La méthode d'échantillonnage direct, ou Direct Sampling, quant à elle consiste à numériser les signaux le plus près possible de l'antenne, typiquement derrière le LNA et les filtres RF associés. Cette technique s'affranchit donc de toute conversion en fréquence intermédiaire, utilisant autant que possible le principe de l'échantillonnage passe-bande afin de minimiser la fréquence d'échantillonnage et en conséquence les coûts calculatoires ultérieurs. De plus cette thèse s'est proposée de pousser jusqu'au bout la simplification analogique en renonçant également à l'utilisation de l'AGC analogique qui équipe les récepteurs de conception traditionnelle. Seuls des amplificateurs à gain fixe précéderont l'ADC. Ce mémoire rend compte des travaux menés pour déterminer si ces choix peuvent s'appliquer aux récepteurs Galileo multifréquences (signaux E5a et E1) destinés à l'Aviation Civile. La structure du document reflète la démarche qui a été la notre durant cette thèse et qui a consisté à partir de l'antenne pour, d'étape en étape, aboutir au signal numérique traité par la partie SDR. Après une introduction détaillant le problème posé et le contexte dans lequel il s'inscrit, le deuxième chapitre étudie les exigences de robustesse aux interférences auquel doit se soumettre un récepteur de navigation par satellites destiné à l'Aviation Civile. Il s'agit de la base qui conditionne toute la démarche à suivre. Le troisième chapitre est consacré au calcul des fréquences d'échantillonnage. Deux architectures d'échantillonnage sont proposées. La première met en oeuvre un échantillonnage cohérent des deux bandes E5a et E1 tandis que la seconde implémente un échantillonnage séparé. Dans les deux cas, la nécessité de filtres RF supplémentaires précédant l'échantillonnage est mise en évidence. L'atténuation minimale que doivent apporter ces filtres est spécifiée. Ces spécifications sont suffisamment dures pour qu'il ait été jugé indispensable d'effectuer une étude de faisabilité. C'est l'objet du chapitre quatre où une approche expérimentale à base d'un composant disponible sur étagère a été menée. La problématique de la gigue de l'horloge d'échantillonnage, incontournable ici eu égard à la haute fréquence des signaux à numériser, est étudiée dans le chapitre cinq. Des résultats de simulation sont présentés et un dimensionnement de la qualité de l'horloge d'échantillonnage est proposé. Dans le chapitre six, la quantification, second volet de la numérisation, est détaillée. Il s'agit très précisément du calcul du nombre minimum de bits de quantification que doit exhiber l'ADC pour représenter toute la dynamique, non seulement du signal utile mais aussi des interférences potentielles. Au vu des débits de données conséquents mis en évidence dans les chapitres trois et six, le chapitre sept évalue la possibilité de réduire la dynamique de codage du signal à l'aide de fonctions de compression. Le dernier chapitre est focalisé sur la séparation numérique des bandes E5a et E1 dans l'architecture à échantillonnage cohérent introduite au chapitre deux. Ici aussi l'atténuation minimale que doivent apporter les filtres requis est spécifiée. / This thesis studies the relevance of DS SDR architectures applied to Galileo receivers in the specific context of Civil Aviation, characterized in particular by strict requirements of robustness to interference, in particular, interference caused by DME or CW signals. The Software Defined Radio concept renders the major tendency, inside the receiver, to move the demodulation part from an analog technology to digital signal processing, that is software. The choice of this kind of design is nearly generalized in new receiver architectures so it was considered the case in this work. The Direct Sampling method consists in digitizing the signal as close as possible to the antenna, typically after the LNA and the associated RF bandpass filter. So this technique does not use any conversion to an intermediate frequency, using as much as possible the bandpass sampling principle in order to minimize the sampling frequency and consequently the downstream computational costs. What is more, this thesis aiming at the greatest simplification of the analog part of the receiver, the decision was made to suppress the analog AGC which equips the receivers of classical architecture. Only fixed gained amplifiers should precede the ADC. This document exposes the work done to determine if these choices can apply to a multifrequency (E5a and E1 signals) Galileo receiver intended for a Civil Aviation use. The structure of the document reflects the approach used during this thesis. It progresses step by step from the antenna down to the digital signal, to be processed then by the SDR part. After an introduction detailing the problem to study and its context, the second chapter investigates the Civil Aviation requirements of robustness to interference a satellite navigation receiver must comply with. It is the basis which completely conditions the design process. The third chapter is devoted to the determination of the sampling frequency. Two sampling architectures are proposed: the first implements coherent sampling of the two E5a and E1 bands while the second uses separate sampling. In both cases the necessity to use extra RF filters is shown. The minimum attenuation to be provided by these filters is also specified. These requirements are strong enough to justify a feasibility investigation. It is the subject of chapter four where an experimental study, based on a SAW filter chip available on the shelf, is related. The issue of the sampling clock jitter, of concern with the Direct Sampling technique because of the high frequency of the signal to digitize, is investigated in chapter five. Some simulation results are presented and a dimensioning of the quality of the sampling clock is proposed. In chapter six, quantization, a byproduct of digitization, is detailed. Precisely it is the calculation of the number of bits the ADC must have to digitally represent the whole dynamic of, not only the useful signal, but also of the potential interference. Considering the high binary throughput highlighted in chapters three and six, chapter seven evaluates the possibility to reduce the coding dynamic of the digital signal at the output of the ADC by means of compression functions. The last chapter is focused on the digital separation of the two E5a and E1 bands in the coherent sampling architecture presented in chapter two. Here also specifications of minimum attenuation are given. Lastly the conclusions synthesize the contributions of this thesis and proposes ideas for future work to enrich them and more generally the subject of DS-SDR Galileo receivers for Civil Aviation.

Dans les systèmes de communication et de détection sans fil, l'antenne est un élément indispensable pour transformer l'énergie électrique en ondes électromagnétiques rayonnée dans l'espace, et vice versa. Les antennes sont utilisées dans de nombreux dispositifs militaires et civils, tels que les radars (SAR, secteur automobile, détection de débris, etc.), les instruments biomédicaux, les systèmes de télécommunication (téléphones mobiles, stations de base) pour les communications point à multi-point ou point à point par exemple. Les antennes jouent aussi un rôle essentiel pour le développement de futurs réseaux connectés reliant plusieurs appareils à des utilisateurs en temps réel, par exemple pour l'Internet des objets (IoT). Les réseaux transmetteurs sont une solution attrayante pour de nombreuses applications telles que les communications par satellite (Satcom) ou les futurs réseaux 5G. L'architecture des antennes à réseau transmetteur les rend extrêmement compétitifs comparés aux réseaux phasés par exemple grâce à leur alimentation par onde d’espace et car ils ne souffrent pas du blocage induit par la source primaire, comme c’est le cas pour les réseaux réflecteurs ou les antennes à réflecteur. Grâce à leur fonctionnement en mode transmission, les réseaux transmetteurs peuvent être également facilement montés sur des plates-formes mobiles.Les applications Satcom en bande Ka constituent le secteur applicatif majeur de cette thèse. Cette bande fournit un débit de données élevé à la fois pour les liaisons descendantes et les liaisons montantes, en remplacement des systèmes actuels en bande Ku. Dans ce contexte, il convient aussi de prêter une attention particulière aux communications avec des plates-formes mobiles, par exemple les trains à grande vitesse, les avions, etc., ce qui nécessite de mettre au point des antennes à balayage de faisceau. De nombreuses propriétés avancées sont exploitées depuis ces dernières années pour accroître les débits et la flexibilité des systèmes de communication sans fil, par exemple la polarisation circulaire, la double polarisation, le fonctionnement multi-fréquence ou large bande, le dépointage électronique de faisceau. Pour réduire les coûts, des preuves de concept de réseaux transmetteurs non diélectriques sont également proposées. Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet ANR TRANSMIL (Reconfigurable TRANSmitarrays for beam steering and beam forming at MILlimetre wave). Les objectifs de cette thèse sont de proposer de nouvelles architectures de réseaux transmetteurs fonctionnant en bande Ka en liaison descendante (de 17,7 GHz à 21,2 GHz) et en liaison montante (de 27,5 GHz à 31 GHz). Différents prototypes ont été conçus et fabriqués afin de valider les concepts proposés en bande X et en bande Ka. Un bon accord entre les résultats numériques et mesurés a été obtenu systématiquement. En particulier, les réseaux transmetteurs à double polarisation que nous avons conçus en bande X présentent un gain de 25 dBi et une bande passante à 3 dB de 20% à 10 GHz. Ces propriétés sont indépendantes de la polarisation du champ rayonné, ce qui signifie que des faisceaux de polarisation linéaire orthogonale peuvent être rayonnés indépendamment dans des directions différentes. Un réseau transmetteur bi-bande fonctionnant en bande Ka a également été mis au point. Sa bande passante à 3 dB est de 10% autour des fréquences centrales (19,5 GHz et 29 GHz) et son efficacité de rayonnement atteint 60%. D’autres concepts ont également été étudiés (réseaux transmetteurs sans diélectrique, réseau transmetteur reconfigurable). / Transmitarray is an attractive solution for front-end devices in the next generation of communications (5G). The spatial-fed architecture of transmitarray antennas can compete with phase-arrays due to the absence of feeding network and with reflectarrays since they do not suffer from feed blockage. Thanks to their operation in transmission mode, transmitarrays can be easily mounted on platforms for outdoor environment applications. With mature printed-circuit board technology, there are unstoppable experiments in various frequency bands from cm-wave to mm-wave and up to terahertz in upcoming years for potential applications. Many advanced properties are exploited in transmitarrays in recent years to meet high demands of communications facilities, for example, circular-polarization, dual-/multi-polarization or frequencies through many techniques. Some experiments are consid-ered to validate eligibility of this antenna type in commercial services or military missions, namely electronically steering beam, broad bandwidth, etc. In terms of cost reduction and rigidity, non-dielectric prototypes are also proposed. The Ka-band Satcom applications are the main objective of this thesis through trans-mitarray solution. This band provides high data rate for both down-link and up-link in replacement of the current Ku-band systems with miniaturized module in next dec-ades. Hence, it is worth to pay attention to communications for moving platforms, for example, high-speed trains, planes, etc.