L'augmentation des puissances commutées en électronique de puissance passe par l'association de composants élémentaires en série et en parallèle. Cette association se retrouve à différentes échelles: au sein des modules du commerce ou au niveau de l'association de modules dans un convertisseur statique.<br />Les travaux dans ce domaine ne sont pas nouveaux, puisque de nombreux problèmes nuisant à l'association série ou parallèle ont été rencontrés dans le passé. Le but de cette thèse n'est pas de redécouvrir ces problèmes, ni leurs solutions, mais plutôt, par une étude systématique de la commutation, de mieux comprendre les phénomènes intervenant dans une association de composants à grille isolée. L'originalité de cette étude est qu'elle s'intéresse aux semiconducteurs dans leur environnement. Des règles ont ainsi pu être dégagées permettant une meilleure répartition des contraintes électriques entre les composants. Pour la mise en parallèle, le rôle du câblage a été mis en évidence, et pour la mise en série, un circuit d'équilibrage actif a été proposé, se basant sur les acteurs principaux de la commutation.

L'augmentation des puissances commutées en électronique de puissance passe par l'association de composants élémentaires en série et en parallèle. Cette association se retrouve à différentes échelles: au sein des modules du commerce ou au niveau de l'association de modules dans un convertisseur statique. Les travaux dans ce domaine ne sont pas nouveaux, puisque de nombreux problèmes nuisant à l'association série ou parallèle ont été rencontrés dans le passé. Le but de cette thèse n'est pas de redécouvrir ces problèmes, ni leurs solutions, mais plutôt, par une étude systématique de la' commutation, de mieux comprendre les phénomènes intervenant dans une association de composants à grille isolée. L'originalité de cette étude est qu'elle s'intéresse aux semiconducteurs dans leur environnement. Des règles ont ainsi pu être dégagées permettant une meilleure répartition des contraintes électriques entre les composants. Pour la mise en parallèle, le rôle du câblage a été mis en évidence, et pour la mise en série, un circuit d'équilibrage actif a été proposé, se basant sur les acteurs principaux de la commutation

The objectives of this work were to investigate, design and implement beam steering antenna arrays for mobile and wireless applications using the genetic algorithm (GA) and particle swarm optimisation (PSO) techniques as optimisation design tools. Several antenna designs were implemented and tested: initially, a printed dipole antenna integrated with a duplex RF switch used for mobile base station antenna beam steering was investigated. A coplanar waveguide (CPW) to coplanar strip (CPS) transition was adopted to feed the printed dipole. A novel RF switch circuit, used to control the RF signal fed to the dipole antenna and placed directly before it, was proposed. The measured performance of the RF switch was tested and the results confirmed its viability. Then two hybrid coupled PIN diode phase shifters, using Branchline and Rat-Race ring coupler structures, were designed and tested. The generation of four distinct phase shifts was implemented and studied. The variations of the scattering parameters were found to be realistic, with an acceptable ±2 phase shift tolerance. Next, antenna beam steering was achieved by implementing RF switches with ON or OFF mode functions to excite the radiating elements of the antenna array. The switching control process was implemented using a genetic algorithm (GA) method, subject to scalar and binary genes. Anti-phase feeding of radiating elements was also investigated. A ring antenna array with reflectors was modelled and analysed. An antenna of this type for mobile base stations was designed and simulation results are presented. Following this, a novel concept for simple beam steering using a uniform antenna array operated at 2.4 GHz was designed using GA. The antenna is fed by a single RF input source and the steering elements are reactively tuned by varactor diodes in series with small inductors. The beam-control procedure was derived through the use of a genetic algorithm based on adjusting the required reactance values to obtain the optimum solution as indicated by the cost function. The GA was also initially used as an optimisation tool to derive the antenna design from its specification. Finally, reactive loading and time modulated switching techniques are applied to steer the beam of a circular uniformly spaced antenna array having a source element at its centre. Genetic algorithm (GA) and particle swarm optimisation (PSO) processes calculate the optimal values of reactances loading the parasitic elements, for which the gain can be optimised in a desired direction. For time modulated switching, GA and PSO also determine the optimal on and off times of the parasitic elements for which the difference in currents induced optimises the gain and steering of the beam in a desired direction. These methods were demonstrated by investigating a vertically polarised antenna configuration. A prototype antenna was constructed and experimental results compared with the simulations. Results showed that near optimal solutions for gain optimisation, sidelobe level reduction and beam steering are achievable by utilising these methods. In addition, a simple switching process is employed to steer the beam of a horizontally polarised circular antenna array. A time modulated switching process is applied through Genetic Algorithm optimisation. Several model examples illustrate the radiation beams and the switching time process of each element in the array.

Cette thèse étudie l'ingénierie, à partir de boites quantiques uniques (BQ), de sources déterministes de paires de photons intriqués selon deux procédés: l'intrication en polarisation lors de la cascade radiative du bi-exciton, et l'intrication temporelle de deux photons indiscernables. Le degré d'intrication est calculé afin d'évaluer quantitativement l'impact de: la levée de dégénérescence de l'exciton (splitting), le renversement de spin, l'interaction de l'exciton avec son environnement. Dans les deux cas l'intrication peut être restaurée en accélérant la durée de vie radiative de l'exciton par effet Purcell. Pour cela, un moyen approprié est une cavité à cristal photonique gravée dans une membrane suspendue (CP2D) contenant la BQ, qui permet aussi une augmentation de l'efficacité de collection. Les requis technologiques d'alignement de la BQ avec la cavité sont aussi étudiés. Cependant les effets de cavité sont insuffisants pour corriger le splitting, qui peut être réduit avec un champ électrique variable vertical. Ceci a été vérifié expérimentalement en développant une technologie pour produire des diodes PIN compatibles avec les CP2D.

L'approche de modélisation distribuée des composants bipolaires de puissance mise en oeuvre de manière compacte par la résolution de l'équation de diffusion ambipolaire sous forme de décomposition en série de Fourier constitue un excellent compromis précision des résultats/temps de simulation. La mise en oeuvre du moteur de calcul sous forme de ligne RC à paramètres variables en langage de description VHDL-AMS (IEEE 1076-1999) est présentée. La description du mécanisme de transport de charges dans les zones larges et peu dopées des composants de puissance, complétée par des modèles plus classiques des autres zones utilisées (émetteurs, région de charge d'espace ou de drift, canal MOS, couche tampon, etc...) permet de bâtir les modèles complets de diode PIN et de transistor IGBT. Ces différents modèles/sous-modèles de composants forment une bibliothèque qui permet une réutilisation aisée dans d'autres contextes et par d'autres ingénieurs et ainsi une réduction du temps et du coût de conception des systèmes. Leur implantation en VHDL-AMS dans le logiciel Questa-ADMS permet de valider leur adaptation à la simulation des circuits de l'électronique de puissance et à leur prototypage virtuel. La température, intégrée à l'heure actuelle comme paramètre pourra à court terme être gérée en tant que quantité renvoyée par des modèles thermiques compacts. La méthodologie présentée associée aux caractéristiques du langage de description choisi permet d'envisager la création de modèles de nouveaux composants, issus de l'Intégration Fonctionnelle, par simple assemblage de différents sous-modèles. La possibilité de différents niveaux de description dans l'architecture de chaque sousmodèle autorise également une utilisation optimale à toutes les étapes du processus de conception des systèmes d'électronique de puissance.

Les études montrent généralement que la partie radio est l'une des plus grandes sources de consommation d'énergie dans un nœud de capteur. Cette source de consommation est directement liée au type d’antenne utilisé sur le module radio du nœud. Or, nombre de nœuds de capteurs sans fil sont généralement équipés d'antennes omnidirectionnelles provoquant ainsi un gaspillage de l'énergie dû à leur rayonnement. Face à un tel constat, ce mémoire présente des systèmes d'antennes directives et reconfigurables dédiés à ces nœuds capteurs en lieu et place des antennes omnidirectionnelles pour pallier à cette perte d’énergie. Il s’agit de petites antennes qui doivent respecter pleinement la gamme de fréquences nécessaire pour fonctionner correctement, mais aussi, dont le rayonnement peut être modifié en utilisant des composants actifs peu gourmands en énergie avec un contrôle actif qui doit également être simple. La première solution proposée est une solution antennaire directive inspirée d'une antenne imprimée Yagi/Uda dans la bande ISM-2,4 GHz. Elle offre, en simulation, un gain élevé avec une valeur de 7,3dB et un angle d’ouverture à -3dB de 57 ° dans le plan azimutal. La deuxième solution proposée est une antenne à plusieurs faisceaux (six) possibles dans le plan azimutal. Celle-ci se compose de six monopôles identiques, ayant chacun un port d’alimentation. De par la sélection du port alimenté, un diagramme directif de gain simulé de 4,6 dB et d’angle d’ouverture à -3dB de 55° est obtenu, permettant ainsi une couverture globale du plan azimutal. De plus, une carte électronique dotée d’un switch de type SP6T dédiée à cette antenne a été conçue pour contrôler ces six diagrammes de rayonnement de manière automatique. Afin de réduire le nombre d'éléments rayonnants tout en améliorant les performances radio électriques obtenues, une troisième solution a été proposée. Elle se compose d'un monopôle alimenté et d'un monopôle parasite chargé par une inductance de 9,6 nH. La nature et la valeur de la charge ont été obtenues en utilisant les équations d'Uzkov qui permettent de calculer les coefficients de pondérations dans le cas de deux antennes monopôles alimentées séparément afin de maximiser le gain et la directivité dans une direction privilégiée. Contrairement à l’usage de la carte électronique pour le contrôle de diagramme de rayonnement dans le cas de la structure antennaire à six monopôles, l’aspect reconfigurable en diagramme est obtenu dans ce cas en utilisant des éléments réflecteurs et directeurs activés par des diodes PIN. Elle procure en simulation un gain maximal de 5,2 dB en azimut pour un angle d’ouverture à -3dB de 52°, dans les directions 90° et 270° selon les diodes sélectionnées. Enfin, une application directe de cette structure est proposée pour couvrir plus de deux directions en azimut. Elle consiste en un ensemble de quatre monopôles dans lequel deux d’entre eux sont alimentés et les deux autres sont chargés par des inductances identiques. Il est capable de diriger son rayonnement dans le plan azimutal couvrant des directions sur 360 ° (0 °, 90 °, 180 ° et 270 °). Le gain total réalisé simulé est de 4 dB pour chaque diagramme de rayonnement dans le plan azimutal avec un angle d’ouverture à 3dB d’environ 60°. Des campagnes de mesures ont été effectuées pour chacune des antennes présentées dans ce mémoire. L’indicateur de la puissance du signal reçu (RSSI) a été la grandeur métrique utilisée pour quantifier les performances des antennes proposées. Suite à ces campagnes, nous avons pu remarquer que l’utilisation d’antennes directives seules, améliorant la portée de communication entre deux nœuds de capteurs s’avère insuffisante dans le cas d’un déploiement aléatoire de nœuds capteurs. / Studies have shown that the communication subsystem is one of the greatest sources of energy consumption in wireless sensor networks. This subsystem is directly bounded to the type of antenna used on the radio module. Several sensor nodes are equipped with omnidirectional antennas leading to a waste of energy due to the shape of their beam. Instead of using omnidirectional antennas, directive and reconfigurable antennas system dedicated to wireless sensor networks are presented in this work so as to alleviate the waste of energy. On one hand, such dedicated antennae should be small in size and particularly designed by taking into consideration the frequency bandwidth of the node. On the other hand, their radiation pattern should also be reconfigurable by using powerless active components with a simple active control. To reach these objectives, we have in a first time proposed a directive solution inspired of a Printed-Yagi antenna in the ISM band (2.4-2.485) GHz. It provides high gain with a value of 7.3dB and a half power beam width BW−3dB of 57° in the azimuth plane. Secondly, we have proposed a multiple directional antenna in the ISM band. This antenna consists of six identical monopole antennas arranged in the same structure, having each one feeding port. Due to the selection of each feeding port, the proposed antenna covers the whole azimuthal plane with a simulated beam of 4.6 dB along with a half power beam width BW−3dB of 55°. Moreover, an electronic card equipped with an SP6T switch dedicated to that antenna has been developed to control the radiation pattern of the six identical antennas automatically. Willing to reduce the number of radiating elements while enhancing the radio performance, a third antenna has been proposed. It consists of a fed monopole and a loaded parasitic one having an inductance component of 9.6nH. The nature and the value of this inductance are obtained using the Uzkov equations that calculate the current weighting coefficients in the case of two separately fed antennas to maximize the gain and the directivity in the desired direction. Contrary to the use of electronic card in the control of radiation pattern prior to the conception of the third antenna, the reconfigurable aspect is obtained by using reflectors and director’s elements activated by PIN diodes. It offers a maximum gain of 5.2 dB in simulation at 2.4GHz along with a half power beam width BW−3dB of 52°, in both the 270° and +90° azimuthal directions depending on the selection of the set of PIN diodes. Finally, a straight application of this structure has been proposed in order to cover more than two directions in the azimuth plane. It is an array of four monopole antennas in which two of them are fed and the two others are loaded. Such antenna is capable to steer its radiation pattern in the azimuth plane covering 360° directions (0°, 90°, 180° and 270°). The achieved simulated realized total gain is 4 dB for each radiation pattern in the azimuth plane along with a half power beam width of about 60°. Measurement campaign test has been carried out for each proposed antenna in this work. During these measurements, the received signal strength indicator (RSSI) has been the paramount value to estimate the antenna performance in connection with the sensor node. Following this measurement campaign, we have been able to notice that the use of only directive antennas is not sufficient in a random deployment of sensor nodes. Hence, the reconfigurable aspect of the beam pattern by use of powerless active components should be taken into consideration. Such kind of antennas provide an improvement of the RSSI, which is a key factor in the reduction of collisions drastically on one hand, and on the other hand related to a reduction of power consumption

Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste.

This doctoral thesis is focused on problems of modulators based on six-ports. It begins with description of current state of the art of six-ports used like modulators, their transfer functions and SIW technology. A design part of this thesis consists from experimental six-port based on substrate integrated waveguide (SIW) technology. There is presented step-by-step development of this six-port using this technology and also there is introduced micro-strip technology based six-port. Final design of six-ports and variable impedances were measured, the results are discussed and compared with expected ones in next chapters. Second part of this thesis deals with influences of internal parameters of six-ports to final signal transmission and derives theirs transfer functions for more than one reflection in structure. The computation results are compared with experimental measurements for fixed loads. With using of ideal loads sweeps, modulations with shaped input signals were calculated. For designed variables impedances, there was founded the optimal biasing points for demanded IQ diagram and discussed which from tested active circuit is suitable. In the last part there are shown results of experiment with these variable loads connected to both types of designed six-ports.

Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste. / In the context of more electrical transports, mechanical devices tend to be replaced by their smaller electrical counterparts. However the device itself must support harsher environment and electrical constraints (high voltage, high temperature) thus making existing silicon devices inappropriate. Since the first Schottky diode commercialization in 2001, Silicon Carbide (SiC) is the favorite candidate for the fabrication of devices able to sustain high voltage with a high integration level. Thanks to its wide band gap energy and its high critical field, 4H-SiC allows the design of high voltage Junction Field Effect Transistor (JFET) with its antiparallel diode. Studied structures depends of many parameters, that need to be optimized. Since the influence of the variation of each parameter could not be isolated, we tried to find mathematical methods to emphase optimal values leading to set an optimization criterion. Thus, two main kinds of JFET structure were finely analyzed. In one hand, the aim of the structure that can sustain a voltage as high as possible leads to a complex fabrication process. In the other hand, the care of a simplification and a stabilization of manufacturing process leads to the design of simpler device, but with a bit less sustain capabilities.