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.

L'augmentation de la densité des transistors dans les circuits électroniques conduit à une augmentation de la consommation d'énergie induisant des phénomènes thermiques plus complexes à maitriser. Dans le cas de systèmes embarqués en environnement où la température ambiante varie dans des proportions importantes (automobile par exemple), ces phénomènes peuvent conduire à des problèmes de fiabilité. Parmi les mécanismes de défaillance observés, on peut citer les cycles thermiques (CT) qui induisent des déformations dans les couches métalliques de la puce pouvant conduire à des fissurations. L'objectif de la thèse est de proposer pour des architectures de type multiprocesseur sur puce une technique de réduction des CT subis par les processeurs, et ce en respectant les contraintes temps réel des applications. L'exemple du circuit MPC5517 de Freescale a été considéré. Dans un premier temps un modèle thermique de ce circuit a été élaboré à partir de mesures par une caméra thermique sur ce circuit décapsulé. Un environnement de simulation a été mis en oeuvre pour permettre d'effectuer simultanément des analyses thermiques et d'ordonnancement de tâches et mettre en évidence l'influence de la température sur la puissance dissipée. Une heuristique globale pour réduire à la fois les CT et la température maximale des processeurs a été étudiée. Elle tient compte des variations de la température ambiante et se base sur les techniques DVFS et DPM. Les résultats de simulation avec les algorithmes d'ordonnancement globaux RM, EDF et EDZL et avec différentes charges processeur (sur un circuit type MPC5517 et un UltraSparc T1) illustrent l'efficacité de la technique proposée.

Le calcul de la distribution du champ magnétique est basé sur la formulation en potentiel scalaire magnétique dans le contexte des éléments finis nodaux. Une amélioration de la formulation a été apportée en tenant compte de la perméabilité élevée des matériaux magnétiques et du problème de connexité. La formulation en potentiel scalaire a été généralisée par l'introduction du couplage entre équations de champ et de circuits électriques. Un calcul préliminaire d'un potentiel vecteur électrique autorise la prise en compte de tout type de bobines, filaire ou massive. La résolution simultanée des équations de champ et de circuits mise en oeuvre permet traiter les problèmes à courant ou tension imposés et comportant des circuits d'alimentation avec des composants électroniques. Ces travaux sont validés sur plusieurs applications industrielles. Au cours du déroulement de ces travaux, nous avons été amené à développer une méthode de gestion robuste pour des conditions aux limites complexes et un langage dédié de haut niveau pour automatiser la mise en oeuvre de notre démarche.

De nos jours, les systèmes de communication sans fil et d'imagerie sont devenus indispensables. Ces applications, tant civiles que militaires, doivent avoir une sûreté de fonctionnement éprouvée, et ce dans tous les domaines dont celui de la compatibilité électromagnétique. Pourtant les circuits électroniques complexes au cœur de ces systèmes voient leur seuil de susceptibilité électromagnétique diminuer. Cette diminution est causée premièrement par une augmentation de la fréquence de fonctionnement des circuits et deuxièmement par la réduction de leurs tensions d'alimentation. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour but de mettre en avant les effets d'agressions électromagnétiques sur un système électronique hyperfréquence complexe en suivant une méthode de test. Le principe consiste à étudier chaque circuit du système indépendamment les uns des autres. Ces différents circuits sont ensuite associés pour former une boucle à verrouillage de phase (PLL). La susceptibilité du système global est alors étudiée. Pour ces études de susceptibilité, nous utilisons un banc de caractérisation électromagnétique en zone de champ proche. Les sondes à base de câbles coaxiaux sont caractérisées. Nous avons d'abord étudié l'effet d'un signal d'agression hyperfréquence sur le comportement d'une diode Schottky. Nous avons mis en évidence sur le système diode - ligne, des phénomènes de résonance sur les pistes du circuit imprimé. L'ensemble de cette étude nous sert d'approche préliminaire pour l'analyse de la susceptibilité de la boucle à verrouillage de phase. En suivant la méthodologie décrite précédemment nous avons pu montrer plusieurs effets d'agressions électromagnétiques sur des circuits électroniques actifs du type oscillateur, amplificateur et comparateur de phase. L'élaboration d'une hiérarchie de ces effets a permis de déterminer la contribution de chacun de ces circuits sur la susceptibilité électromagnétique du système PLL.

Dans le cadre de cette thèse, on se proposait de développer de nouveaux mécanismes de radiolocalisation, permettant de positionner les nœuds de réseaux corporels sans-fil (WBAN) mobiles, en exploitant de manière opportuniste des liens radio coopératifs bas débit à l'échelle d'un même corps (i.e. coopération intra-WBAN), entre réseaux distincts (i.e. coopération inter-WBAN), et/ou vis-à-vis de l'infrastructure environnante. Ces nouvelles fonctions coopératives présentent un intérêt pour des applications telles que la navigation de groupe ou la capture de mouvement à large échelle. Ce sujet d'étude, par essence multidisciplinaire, a permis d'aborder des questions de recherche variées, humine-biomécanique et de ayant trait à la modélisation physique (e.g. modélisation spatio-temporelle des métriques de radiolocalisation en situation de mobilité, modélisation de la mobilité groupe...), au développement d'algorithmes adaptés aux observables disponibles (e.g. algorithmes de positionnement coopératifs et distribués, sélection et ordonnancement des liens/mesures entre les nœuds...), aux mécanismes d'accès et de mise en réseau (i.e. en support aux mesures coopératives et au positionnement itératif). Les bénéfices et les limites de certaines de ces fonctions ont été en partie éprouvés expérimentalement, au moyen de plateformes radio réelles. Les différents développements réalisés tenaient compte, autant que possible, des contraintes liées aux standards de communication WBAN émergeants (e.g. Impulse Radio - Ultra Wideband (IR-UWB) IEEE 802.15.6), par exemple en termes de bande fréquentielle ou de taux d'erreur.

La mesure de micro- et nano-force fait partie des mesures nécessaires à la caractérisation des interactionsou des propriétés mécaniques intervenant à l'échelle micrométrique. Dans cette optique,nous avons poursuivi un travail de conception initié au Laboratoire d'Automatique de Besançon en2002 pour développer un prototype avancé de capteur de micro- et nano-force par lévitation diamagnétique.Le transducteur force-déplacement de ce capteur est un microcapillaire rigide en verred'une dizaine de centimètres. Ce microcapillaire est en lévitation passive stable dans l'espace grâceà l'action conjuguée de forces magnétiques et diamagnétiques créant ainsi un ressort magnétiquevirtuel. La mesure d'une force externe appliquée à l'extrémité du capillaire est rendue possible grâceà la connaissance de la mesure du déplacement du capillaire et de la raideur du ressort magnétique.La plage de mesure de ce capteur varie entre ±40 μN avec une résolution de l'ordre du nanonewton.Les avancées présentées dans ce manuscrit ont porté sur la détermination des efforts diamagnétiquesengendrés par l'utilisation des plaques de graphite. Ce travail a permis une optimisation dudesign global du dispositif et son transfert à l'entreprise STIL SA. De plus un processus d'estimationpar déconvolution a été développé pour tenir compte du comportement dynamique du micro capillaireet des bruits de mesure du déplacement. Les domaines d'applications potentiels de ce dispositifconcernent notamment la caractérisation des interactions mécaniques quasi-statiques pouvant intervenirentre deux micro-objets et la détermination de propriétés mécaniques propres à un micro-objet.

Les progrès technologiques réalisés dans le domaine de l'intégration de fonctions sur des surfaces de plus en plus petites a permis le développement de l'informatique diffuse, c'est-à-dire, intégrée dans notre espace et mise en œuvre par des objets du quotidien ou des structures spécifiques. Nous nous intéressons dans ce travail à ces structures couramment appelées " capteurs sans fil " car leur fonction est de capter des informations dans leur environnement et de les transmettre ensuite. Ces structures autonomes sont constituées d'un capteur, d'une partie numérique pour le traitement des données et la gestion de la structure, d'un système de communication et d'une alimentation. Afin d'être discrète, cette structure doit être de petite taille. Dans ce but, il est nécessaire que toutes ses composantes soient intégrées ensemble. L'antenne de la partie communicante est aujourd'hui un frein à cette intégration car les fréquences utilisées font qu'elle a des dimensions très supérieures à celles du reste de la structure et, même intégrée, ses propriétés vont être perturbées par le packaging de la structure. Autre point, ces antennes sont souvent omnidirectionnelles, ce qui, en termes d'économies d'énergie, cruciales dans ce domaine, n'est pas une solution optimale. Dans ce contexte, la première partie de ce rapport présente les applications envisagées et envisageables pour les réseaux de capteurs sans fil. Un historique puis un état de l'art sont ensuite proposés pour identifier les différentes stratégies mises en œuvre dans la conception de plates-formes ainsi que les acteurs académiques et industriels. Une synthèse vient justifier l'orientation à prendre dans le cadre de ce travail et clôt cette partie. La deuxième partie traite de la façon d'appliquer des réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. L'idée étant d'utiliser les nœuds du réseau comme éléments du réseau d'antenne, créant ainsi un réseau où les éléments ne sont pas liés physiquement. Cette perspective est étudiée par le biais de deux scénarios caractéristiques des applications des capteurs sans fil. Dans chacun son application est testée et des solutions sont proposées et détaillées grâce à l'outil de calcul Matlab. Une partie finale discute des limitations pour utiliser les réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. La dernière partie aborde la conception d'antennes spécifiques aux capteurs sans fil pour des applications en extérieur. Un concept d'antenne-package est présenté et développé sur différentes architectures d'antennes qui ont, de ce fait, des formes en volume. Des structures cubiques et sphériques sont proposées, conçues et simulées. L'attention se porte sur leur diagramme de rayonnement, leur robustesse et leur faculté à pouvoir garder leurs propriétés même placées dans un environnement et avec des composants placés à l'intérieur. Deux structures, une cubique et une demi-boule, présentent des profils intéressants, la deuxième étant un réseau d'antennes à elle-seule. Agile, elle permet de balayer tout le demi-espace supérieur qui l'entoure avec une bonne efficacité. Enfin, une partie conclusive montre la contribution apportée et propose des perspectives de travail en lien avec les antennes et plus généralement avec la partie communicante et l'architecture des nœuds.

L'interaction entre l'antenne d'un téléphone mobile et son environnement proche (notamment la tête et la main de l'utilisateur) désadapte l'impédance de l'élément rayonnant, qui présente alors une impédance différente de celle de l'amplificateur de puissance. De plus, le contexte de la 4G introduit de nouvelles contraintes sur l'antenne pour garantir une bande de fonctionnement élargie et des débits accrus. Afin de résoudre les difficultés liées à l'interaction avec l'utilisateur, tout en considérant le contexte 4G, deux axes de recherches ont été étudiés dans ces travaux. La première solution évaluée consiste à insérer un réseau d'adaptation variable (ou tuner), entre l'élément rayonnant et le module front-end, afin de compenser la désadaptation de l'antenne et ainsi ramener une impédance proche de 50 Ohms à l'amplificateur de puissance. Des démonstrateurs ont été réalisés en utilisant la technologie CMOS SOI 130nm de STMicroelectronics. Les performances obtenues sont à l'état de l'art, mais le comportement bande étroite en phase du tuner a montré la nécessité de travailler sur son co-design avec l'antenne, afin de pouvoir démontrer l'intérêt du tuner. Le deuxième axe développé consiste à réaliser une antenne large bande, en conjuguant de manière intelligente les techniques de conception d'antennes et de circuits. Des démonstrateurs ont été fabriqués par procédé LDS-LPKF. Des prototypes de Smartphones ont été également proposés pour implémenter les antennes de manière réaliste afin de caractériser leur comportement en impédance et en rayonnement. Les mesures démontrent une bonne robustesse à l'effet de l'utilisateur (en termes d'adaptation), des efficacités du même ordre de grandeur que celles des téléphones commerciaux, tout en garantissant un fonctionnement dans les bandes de fréquences 4G et leur agrégation. L'aspect modulaire de la méthode et la possibilité d'avoir recours à l'intégration plastronique (composants intégrés sur plastique) des prototypes ouvrent de nombreuses perspectives, afin de traiter des applications diverses, dans les domaines du médical, des réseaux de capteurs ou de l'automobile.

Dans cette thèse, nous montrons dans des amas d'oxyde de chrome épitaxiés, la contrainte conduit à l'apparition d'une phase multiferroïques, ainsi qu'un effet magnéto-électrique géant tel que le coefficient ME est de plusieurs ordres de grandeur supérieur que le terme linéaire dans Cr2O3 massif. Cela illustre que des contraintes épitaxiales dans des amas manométriques de taille réduite, crée un nouveau matériau magnéto-électrique ouvrant la possibilité d'utiliser un champ électrique pour orienter l'aimantation du matériau. Le coefficient magnéto-électrique linéaire calculé (6.7ns.m-1) est de trois ordres de grandeur plus élevé que dans l'oxyde de chrome massif (4.17ps.m-1) . Nous avons alors exalter ce coefficient sur des amas d'oxyde de chrome fortement contraintes. Nous avons aussi déclarés une assemblée d'amas n'ont pas seulement super-paramagnétique mais aussi super-paraélectrique.Dans la deuxième partie de notre travail nous avons donc utilisé une méthode d'optique non-linéaire afin d'observer cette polarisation spontanée à la température ambiante.Les mesures du magnéto-transport à température ambiante ne permettent pas d'étudier la polarisation électrique dans le Cr2O3, puisque la magnétorésistance tunnel mesurée à RT est nulle. Nous avons donc cherché une autre méthode la génération de la seconde harmonique qui est une méthode d'optique non linéaire, qui peut donner des informations sur l'état de la polarisation électrique dans un matériau non centrosymétriques. Elle a été utilisée dans notre cas pour déterminer la polarisation d'amas d'oxyde de chrome Cr2O3 super-paraélectriques à température ambiante>

L'objectif de ce travail est la réalisation d'un filtre spectral à fort facteur de qualité (20000), indépendant de la polarisation et accordable en longueur d'onde. Un tel composant répondrait à de nombreux besoins, notamment en imagerie spectroscopique. Pour le réaliser, les réseaux résonnants semblent tout indiqués. En effet, la position du pic de résonance est naturellement accordable en fonction de l'angle d'incidence, et des facteurs de qualité de 10000 sont classiquement atteints. Cependant, en général, la réponse des réseaux résonnants dépend de la polarisation ce qui les limite à des applications où la polarisation est connue. Pour résoudre ce problème, nous adoptons une approche originale mise en œuvre dans une structure innovante comportant deux réseaux 1D croisés. Nous donnons alors un exemple de filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 100 nm à raison de 8.5 nm/°, avec un facteur de qualité de 13000. Pour un fonctionnement dans le proche infrarouge, nous proposons des matériaux et techniques de la microélectronique sur silicium et montrons qu'il est ainsi possible de fabriquer ces structures avec la précision requise.