Une grande partie des travaux de cette thèse a été guidée par les réflexions mené au sein du groupe de travail " Antennes Réseaux Très Large Bande " du GDR Ondes. Il s'agit de concevoir des antennes réseaux planaires de faible épaisseur (sur plan de masse) très large bande passante. Pour ces travaux la bande de fréquence choisie est celle allouée par la Federal Communications Commission (3.1-10.6GHz). Une première phase de ce travail a consisté à définir le facteur de réseau dans les domaines fréquentiel et temporel. Puis la métrologie particulière pour déterminer les caractéristiques radioélectriques des antennes ULB a été décrite et mise en place grâce à l'installation de deux bancs de mesure : l'un dans le domaine temporel et l'autre dans le domaine fréquentiel. Une antenne planaire originale présentant un diagramme de rayonnement hémisphérique a été conçue. Il s'agit d'une fente rectangulaire dans un plan de masse alimentée par ligne microruban terminée par un stub carré centré dans la largeur de l'ouverture. Une cavité métallique remplie d'air dont les dimensions sont identiques à celles de l'ouverture est soudée du coté du plan de masse. Les performances de l'élément proposé (gain, réponse impulsionnelle, facteur de fidélité, etc...) ont pu alors être mesurées et comparées à celle d'autres éléments. Enfin ce travail a aboutit à la réalisation de deux antennes réseaux planaires à fort gain utilisables dans les systèmes de communication à haut débit et en régime impulsionnel.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la transmission d'énergie sans fil, appliquée à l'alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d'actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception,l'optimisation, la réalisation et la mesure de circuits Rectennas (Rectifying antennas)compacts, à faible coût et à haut rendement de conversion RF-DC.Un outil d'analyse globale, basé sur la méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD), a été développé et utilisé pour prédire avec précision la sortie DC des rectennas étudiées. Les résultats numériques obtenus se sont avérés plus précis et plus complets que ceux de simulations à base d'outils commerciaux. La diode Schottky a été rigoureusement modélisée, en tenant compte de ses éléments parasites et de son boîtier SOT23, et introduite dans le calcul itératif FDTD.Trois rectennas innovantes, en technologie micro-ruban, ont été développées,optimisées et caractérisées expérimentalement. Elles fonctionnent à 2.45 GHz et elles ne contiennent ni filtre d'entrée HF ni vias de retour à la masse. Des rendements supérieurs à 80% ont pu être mesurés avec une densité surfacique de puissance de l'ordre de 0.21 mW/cm²(E = 28 V/m). Une tension DC de 3.1 V a été mesurée aux bornes d'une charge optimale de1.05 k_, lorsque le niveau du champ électrique est égal à 34 V/m (0.31 mW/cm²).Des réseaux de rectennas connectées en série et en parallèle ont été développés. Les tensions et les puissances DC ont été doublées et quadruplées à l'aide de deux et de quatre éléments, respectivement.

La réduction des nuisances sonores induites par les aéronefs civils autour des grands aéroports est devenue un enjeu sociétal important. Pour réduire le bruit propulsif de soufflante, devenu prépondérant au cours des dernières années avec l'avènement de turboréacteurs à double flux, les constructeurs sont amenés à généraliser l'utilisation de matériaux absorbants acoustiques (également appelés « liners »). Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des outils CAA relativement à la prévision numérique de ces matériaux absorbants. Cette modélisation soulève plusieurs interrogations, liées à divers aspects tels que le type d'écoulement mis en jeu (inhomogénéités, couche limite, etc.), les niveaux acoustiques en présence (effets de non linéarité), les effets de diffraction induits par les ruptures d'impédance, etc. Cette étude consiste donc à valider et à améliorer la condition limite d'impédance, implémentée dans le solveur CAA sAbrinA.v0, développé par l'Onera. Des développements théoriques sont d'abord consacrés à la modélisation de l'impédance dans le domaine temporel, et conduisent à une discussion sur la généralisation de cette modélisation. Le travail consiste ensuite à simuler plusieurs cas tests canoniques de l'absorption du bruit par un revêtement acoustique, lesquels sont validés par confrontation avec d'autres résultats analytiques et/ou expérimentaux. Ce travail fournit de nouvelles connaissances sur la façon dont les matériaux absorbants acoustiques peuvent être modélisés et simulés de manière précise dans le cadre d'une approche CAA dans le domaine temporel. / The reduction of acoustic emission induced by civil aircraft around major airports has become an important societal issue. To reduce the fan noise, induced by the engines, which has become preponderant over the past years with the advent of turbofan engines, manufacturers are led to generalize the employment of acoustic absorbing materials (or acoustic “liners”). The present thesis is related to the numerical prediction of such absorbing materials, in the context of time-domain CAA (Computational AeroAcoustics) methods. Such modeling raises several key questions, which are related to various aspects such as the type of flow involved (boundary layers effects, etc.), the sound levels considered (non-linear phenomena), the diffraction effects induced by ruptures of impedance, etc. The present study then consists in validating and improving the time-domain impedance boundary condition implemented in Onera’s structured CAA solver (named sAbrinA.v0). Theoretical developments are first devoted to the modeling of impedance in the time-domain, and lead to a discussion on the generalization of this modeling. The work then consists in CAA-simulating several canonical tests of noise absorption by acoustic liners. Outputs are compared against experimental and/or analytical results, delivering new insight in the way noise absorption materials can be accurately modeled and simulated using time-domain CAA-approaches.

Le contrôle de la température d'un milieu thermique reste d'une grande importance en raison du coût économique qu'il peut engendrer. Ainsi, un moyen efficace de réduire les coûts de chauffage/refroidissement est de fournir un bon système de contrôle qui limite l'énergie nécessaire pour exécuter ces tâches. À cette fin, nous étudierons le contrôle d'une interface diffusive homogène finie utilisant le contrôleur CRONE de trois générations et contrôlons leurs comportements. La nouveauté de ce travail existe dans l'utilisation d'un contrôleur de commande fractionnaire (le contrôleur CRONE) appliqué à une unité d'ordre fractionnaire et l'utilisation d'un contrôleur complexe (la troisième génération) qui n'est pas si familier dans le domaine des contrôleurs. Les résultats montrent le comportement et la robustesse des contrôleurs CRONE de trois générations. / Controlling thermal medium’s temperature remains of a great importance, because of the economic cost that it may engender. Thus, one effective way to reduce heating/cooling cost is by providing a good control system that limits power needed to run these tasks. For this purpose, we will study the control of a finite homogeneous diffusive interface using the three generations CRONE controller and control their behaviors. The novelty of this work exists in the use of a fractional order controller (the CRONE controller) applied to a fractional order plant and the use of a complex controller (the third generation) which is not so familiar in the controllers domain. The results show the behavior and the robustness of the three generations CRONE controllers.

Le tube à onde progressive (TOP) est un dispositif où un faisceau d’électrons se déplaçant sur l’axe d’une hélice interagit avec les ondes électromagnétiques propagées par cette hélice. Il est le siège de nombreuses instabilités : des oscillations (génération d’ondes hyperfréquences parasites), mais aussi des instabilités du faisceau qui ont pour conséquence une dissipation parasite due à l'interception du faisceau par l'hélice. L’objectif de cette thèse est de développer une formulation hamiltonienne au problème permettant des modèles approchés plus compacts, plus précis et plus complets. Après l'avoir exposée, nous présentons un schéma numérique contenant notre modèle discret pour la simulation du TOP. Ce modèle discret a été mis au point pour tenir compte des conditions d'adaptation et de changements de géométrie. Le couplage avec les électrons met en jeu des champs de base simples, et le modèle tient compte de la charge d'espace. Différentes méthodes d'intégration numérique sont développées, dont nous comparons l'efficacité. Nous comparons ce modèle discret avec divers modèles d'amplification des ondes à froid, dont le modèle actuellement utilisé chez Thales pour la conception des tubes ({texttt{MVTRAD}}). Nous montrons aussi que les modèles d'amplification des ondes à froid à deux ou trois dimensions comme {texttt{MVTRAD}} ou {texttt{BWIS}} (prenant en compte les ondes inverses) ne respectent pas nécessairement l'équation de Maxwell-Faraday, contrairement au nôtre. Enfin, nous comparons notre modèle discret de circuit et le modèle d'amplification des ondes à froid dans le cas d'un faisceau linéaire. / A traveling-wave tube (TWT) is a device where an electron beam traveling along the axis of a helix interacts with the electromagnetic waves propagated by this helix. It is sensitive to many instabilities : oscillators (generating noise microwave), but also beam instabilities that generate a noise dissipation due to the interception of the beam by the helix. The aim of this thesis is to find a Hamiltonian formulation of the problem to allow more compact, more accurate and more complete approximate models. Having found one, we start to develop a numerical scheme containing our discrete model for the simulation of TOP. This discrete model has been developed to take into account the tapering sections, geometry changes and adaptations. The coupling with electrons involves simple functions of space, and the model takes space charge into account. Different methods of numerical integration are developed, of which we compare the efficiency. We compared the discrete model with various cold waves amplification models, especially with the model currently used at Thales for the design of their tubes ({texttt{MVTRAD}}). Moreover, we showed that two- or three-dimensional cold wave amplification models like {texttt{MVTRAD}} or {texttt{BWIS}} (which takes into account the backward waves) fail to respect the Maxwell-Faraday equation, contrary to ours. Finally we made a comparison between our circuit discrete model and the amplification model of cold waves in the case of a linear beam.

La gamme des ondes terahertz (THz) se situe à l'interface des domaines électronique et optique. Malgré un potentiel d'applications élevé, elle souffre d'un manque de dispositifs performants. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur l'étude fondamentale et la réalisation de nouvelles fonctionnalités associées à différentes sources THz, en utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel (TDS). Cet outil puissant permet de mesurer le profil temporel d'un champ électrique THz et est utilisé pour explorer l'émission THz de lasers à cascade quantique (LCQ) et de graphène.Dans une première partie, la réponse ultrarapide de LCQs est étudiée. Un contrôle de la phase du champ électrique de LCQs THz via la technique "d'injection seeding" est réalisé puis optimisé. Il nous permet de mesurer le profil temporel de l'émission laser. A l'appui de cette expérience et de simulations, une description quantitative de la dynamique du gain est faite. Ces informations sont critiques pour la production d'impulsions courtes. Une modulation rapide du gain de LCQ est ensuite réalisée et conduit à la génération d'impulsions courtes (durée ~ 15 ps) en régime de blocage de modes. Ces études permettent notamment d'envisager les LCQs comme sources puissantes pour la TDS. Dans une seconde partie, nous montrons que le graphène peut émettre un rayonnement THz sous excitation optique par un effet non linéaire d'ordre 2. Cette émission résulte d'un transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons du graphène ("photon drag"). Elle permet ainsi d'explorer des propriétés subtiles du graphène, telles que de très faibles différences de comportement entre les électrons et trous photogénérés. / The terahertz (THz) range is a region of the electromagnetic spectrum which lies at the limit between the electronic and optical domain. Currently, THz applications suffer from the lack of sources and detectors. In this context, this thesis focuses on the fundamental study and the development of new functionalities of different THz sources, usingTHz time-domain spectroscopy (TDS) as a base. This powerful tool enables to acquire the temporal profile of a THz electric field and is used to explore the THz emission properties of quantum cascade lasers (QCLs) and graphene.In the first part, the ultrafast response of QCLs is investigated. A phase control of the electric field of THz QCLs via injection seeding is realised and optimised. This enables the measurement of the amplitude and temporal profile of the laser emission. Throughthese experiments and simulations, a quantitative description of the gain dynamics can be accessed. This information is critical for modelocking. Finally, a fast modulation of the gain of QCLs is realized and leads to short pulses generation (15 ps) in a modelocked regime. These studies open the way for using QCLs as powerful sources in TDS.In the second part, THz radiation generation from graphene under optical excitation is demonstrated by a second order non-linear process. The THz emission results from themomentum transfer from the photons to the electrons of graphene (photon drag). As well as broadband THz generation, novel bandstructure properties of graphene can be explored such as the different dynamics between the photogenerated electrons and holes.

Cette thèse est consacrée à l'étude du problème de la diffraction d'une onde acoustique par un ensemble de petites hétérogénéités pénétrables ainsi qu'au développement de méthodes de simulation numérique dédiées à la résolution efficace de ce type de problèmes. La principale nouveauté de ces travaux provient du fait que nous traitons ce problème dans le domaine temporel.La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'analyse asymptotique du problème de diffraction, menée à bien grâce à la méthode des développements asymptotiques raccordés, le petit paramètre étant la taille caractéristique des défauts $varepsilon$. Ceci nous permet d'obtenir un développement du champ acoustique comme perturbation du problème sans défauts. Nous prouvons un résultat de consistance entre le champ exact et son développement asymptotique en $varepsilon$.Dans la seconde partie, en s'appuyant sur les résultats de l'analyse asymptotique, nous proposons deux modèles approchés pour le problème de diffraction. Ces deux modèles sont bien-posés et leur solution sont chacune des approximations précises du champ total. La principale caractéristique de ces modèles approchés est qu'ils s'appuient tous deux sur une équation d'onde dans le milieu ambiant (sans défauts), couplée à des termes sources auxiliaires permettant de rendre compte de la présence des défauts. Il est ainsi envisageable, pour traiter ces problèmes approchés, d'utiliser une méthode de discrétisation par éléments finis présentant des performances de temps de calcul similaires au cas de la propagation d'une onde dans l'espace libre, puisque l'opérateur des ondes sous-jacent s'appuie sur une géomètrie indépendante des petits défauts. Nous présentons un certain nombre de résultats numériques permettant de valider les deux modèles proposés ainsi qu'une analyse d'erreur numérique. / This work is dedicated to the study of the diffraction of acoustic waves by a set of small inclusions, as well as to the development of numerical methods for the simulation of such phenomenons. The main novelty of this work is that we deal with time-domain waves.The first part of this manuscript deals with the asymptotic analysis of the diffraction problem, which is carried out by matched asymptotics, the small parameter being the characteristic size of the defects $varepsilon$. This furnishes an asymptotic expansion of the acoustic field as a perturbation of the defect-free problem. We prove a consistency result between the total field and its $varepsilon$-asymptotic expansion.In the second part, using the results of the asymptotic analysis, we introduce two approximate models for the diffraction problem. These models are well-posed and their solution are precise approximations of the total acoustic field. One of the main features of these approximate models is that they both lie on a wave equation in the surrounding medium (without defects), coupled to auxiliary source terms which account for the presence of the inclusions. It is then possible to discretize these approximate models using a finite element method, leading to a numerical method which performs as fast as in the defect-free case, since the underlying wave operator is independent of the defects. We present several numerical results which validate both approximate models as well as some insights about numerical error analysis.

Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke. / Le présent projet de maîtrise a pour but d’étudier les interactions optiques des films de nanotubes de carbone (FNTCs) avec les ondes THz. Des expériences d’absorption térahertz faites par spectroscopie THz dans le domaine temporel ont été entreprises sur les films dont l’épaisseur varie. Les films d’épaisseurs allant de 14 à 145 nm, sont des couches minces de nanotubes de carbone (NTCs) empilés les uns sur les autres et sont déposés sur substrats (GaAs et silicium). Une caractérisation comparative des épaisseurs des films est entreprise dans un premier temps par AFM et par ellipsométrie spectroscopique. À cause de la rugosité de la surface et de porosité des films qui compliquent les interactions de la lumière avec les films, les épaisseurs déterminées par AFM sont gardées au détriment de celles d’ellipsométrie. La relation entre les épaisseurs mesurées par AFM en fonction des épaisseurs nominales s’est révélée linéaire. Les couleurs des FNTC sont aussi caractérisées en fonction de leurs épaisseurs. L’expérience d’absorption THz sur les films consiste à enregistrer la transmission d’une impulsion THz à large bande à travers les échantillons. Sur les spectres, on détecte aussi l’impulsion de réflexion, l’écho de réflexion de l’impulsion principale THz à l’intérieur du substrat séparé par un délai temporel. La diminution du pic de l’impulsion principale THz en fonction de l’épaisseur est non linéaire et atteint une saturation pour les films les plus épais. Ce résultat est en lien direct avec les mesures quatre pointes de conductivité dc des films où l’inverse de la résistivité de feuille sature à partir des mêmes épaisseurs de film. L’écho de réflexion de l’impulsion principale à l’intérieur du substrat perd de l’amplitude plus rapidement en fonction de l’épaisseur à cause de près de deux passages supplémentaires de l’impulsion dans le film au moment de la réflexion. Finalement, une disparition de l’impulsion de réflexion à une épaisseur particulière de film (100 nm pour le GaAs et 60 nm pour le Si) démontre les propriétés antiréfléchissantes des FNTCs. / In the present masters project, the goal is to study the optical interactions of carbon nanotube films (CNTFs) with terahertz (THz) waves. The THz absorption experiments made by time domain THz spectroscopy have been undertaken on thickness-variable films. CNTFs, which have their thicknesses range from 14 to 145 nm, are thin CNT layers that are piled one on another are deposited on a substrate (GaAs or silicon). First, a comparative characterization of film thicknesses is undertaken with AFM and with spectroscopic ellipsometry. Because of surface rugosity and film porosity which has the effect of complexifying the interaction of light with the films, AFM thicknesses are held for the rest of the analysis instead of those determined with ellipsometry. AFM measured thicknesses scale linearly with respect to nominal thicknesses that are proportional to the CNT density. CNTFs’ colors reveal to be correlated with their thicknesses. THz absorption experiments consist of taking the transmission spectrum of a broad band THz pulse through the samples. On the spectra, we also detect the reflection pulse, which is the echo of the main THz pulse inside the substrate separated by a time delay. The decrease of the main THz pulse with respect to the film thickness is non linear and reaches a saturation plateau for the thickest films. This finding is in direct relationship with four-point probe sheet conductivity measurements made on the films where a saturation is also observed from the same thicknesses. The reflection pulse loses amplitude more rapidly as the film thickness increases because of two additional wave passages in the film during reflection. Lastly, a quenching of the reflection pulse which is observed at a particular film thickness (100 nm for GaAs and 60 nm for silicon) demonstrates antireflection properties for the CNTFs.

Le présent travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation, en domaine temporel, de l'interaction entre un faisceau d'électrons et une onde hyperfréquence dans la structure à onde lente d'un TOP à hélice. Puisque le TOP est un instrument surdimensionné, les modèles non-stationnaires généraux utilisés dans les codes commerciaux nécessitent de trop grosses ressources de calcul pour pouvoir être utilisés en un temps raisonnable dans un but de conception. Il est donc nécessaire de faire appel à des modèles spécialisés. Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés au "modèle discret non-stationnaire d'excitation d'un guide d'onde Périodique" de S. Kuznetsov. En 2007, N. Ryskin et al. avaient prouvé que ce modèle pouvait convenablement s'appliquer aux TOP à cavités couplées dans le cadre d'une application à une dimension du modèle. Lors de cette thèse, nous avons démontré, via le développement d'un code à une dimension (HelL-1D), que le modèle discret s'applique convenablement aux TOP à hélice. L'implémentation de ce modèle, dans un code à deux dimensions (HelL-2D) a, elle aussi, été effectuée. Enfin, nous avons développé une méthode permettant de contrôler de manière quantitative, dans le modèle discret, les phénomènes de réflexions aux extrémités de la ligne à retard, qui peuvent jouer un rôle important dans la stabilité de l'instrument. / This Ph.D. work deals with the time domain modeling and simulation of the electron beam/wave interaction in the slow-wave structure of a helix traveling-wave tube. Since a TWT is a device of which the geometry is oversized then the commercial software based on non-stationary general models needs so much computational resources that it cannot be used for design activities. During this Ph.D., we focused on the so called Kuznetsov's "discrete model of excitation of a periodic waveguide" which is a specialized model of beam/wave interaction in TWT. By 2007, N. Ryskin et al., showed that this model could conveniently apply to TWT with coupled cavities structure in one dimension. During this thesis, we first demonstrated that the discrete model could also apply to helix TWT with a sufficient (1%) accuracy via the development of a one-dimensional software called HelL-1D. We also implemented the discrete model for helix TWT in two dimensions (HelL-2D code). Finally, we developed a method, which is an extension of the discrete model, and which permits to take into account quantitatively the reflection phenomena at the terminations of a slow-wave structure in this model. This last study was very important since the stability of TWT strongly depends on this parameter.

L'équation intégrale du champ électrique (EFIE) est très utilisée pour résoudre des problèmes de diffusion d'ondes électromagnétiques grâce à la méthode aux éléments de frontière (BEM). En domaine fréquentiel, les systèmes matriciels émergeant de la BEM souffrent, entre autres, de deux problèmes de mauvais conditionnement : l'augmentation du nombre d'inconnues et la diminution de la fréquence entrainent l'accroissement du nombre de conditionnement. En conséquence, les solveurs itératifs requièrent plus d'itérations pour converger vers la solution, voire ne convergent pas du tout. En domaine temporel, ces problèmes sont également présents, en plus de l'instabilité DC qui entraine une solution erronée en fin de simulation. La discrétisation en temps est obtenue grâce à une quadrature de convolution basée sur les méthodes de Runge-Kutta implicites.Dans cette thèse, diverses formulations d'équations intégrales utilisant notamment des conditions d'impédance aux frontières (IBC) sont étudiées et préconditionnées. Dans une première partie en domaine fréquentiel, l'IBC-EFIE est stabilisée pour les basses fréquences et les maillages denses grâce aux projecteurs quasi-Helmholtz et à un préconditionnement de type Calderón. Puis une nouvelle forme d'IBC est introduite, ce qui permet la construction d'un préconditionneur multiplicatif. Dans la seconde partie en domaine temporel, l'EFIE est d'abord régularisée pour le cas d'un conducteur électrique parfait (PEC), la rendant stable pour les pas de temps larges et immunisée à l'instabilité DC. Enfin, unerésolution efficace de l'IBC-EFIE est recherchée, avant de stabiliser l'équation pour les pas de temps larges et les maillages denses. / The Electric Field Integral Equation (EFIE) is widely used to solve wave scattering problems in electromagnetics using the Boundary Element Method (BEM). In frequency domain, the linear systems stemming from the BEM suffer, amongst others, from two ill-conditioning problems: the low frequency breakdown and the dense mesh breakdown. Consequently, the iterative solvers require more iterations to converge to the solution, or they do not converge at all in the worst cases. These breakdowns are also present in time domain, in addition to the DC instability which causes the solution to be completely wrong in the late time steps of the simulations. The time discretization is achieved using a convolution quadrature based on Implicit Runge-Kutta (IRK) methods, which yields a system that is solved by Marching-On-in-Time (MOT). In this thesis, several integral equations formulations, involving Impedance Boundary Conditions (IBC) for most of them, are derived and subsequently preconditioned. In a first part dedicated to the frequency domain, the IBC-EFIE is stabilized for the low frequency and dense meshes by leveraging the quasi-Helmholtz projectors and a Calderón-like preconditioning. Then, a new IBC is introduced to enable the development of a multiplicative preconditioner for the new IBC-EFIE. In the second part on time domain,the EFIE is regularized for the Perfect Electric Conductor (PEC) case, to make it stable in the large time step regime and immune to the DC instability. Finally, the solution of the time domain IBC-EFIE is investigated by developing an efficient solution scheme and by stabilizing the equation for large time steps and dense meshes.