Les composants passifs hyperfréquences deviennent de plus en plus commercialisés et employés dans les systèmes de télécommunications. La croissance technologique et l'augmentation de la demande des nouvelles applications requièrent de meilleures performances et de moindres coûts. Dans les applications sans fil et notamment dans les modules " émission/réception ", les circulateurs sont utilisés pour l'émission et la réception des signaux simultanément à l'aide d'une seule antenne. Les couches magnétiques traditionnellement déposées et intégrées exigent une cristallisation à haute température ainsi que l'application d'un champ magnétique externe pour garder l'orientation des moments magnétiques. Cette orientation est cependant obtenue par des aimants lourds et volumineux. Devant ces limitations technologiques ainsi que la demande de miniaturisation, l'emploi de l'hexaferrite de baryum sous sa forme particulaire devrait permettre le développement de circulateurs auto-polarisés et miniaturisés à matériaux magnétiques composites. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif d'étudier et de réaliser un circulateur hyperfréquence à nano particules magnétiques orientées dans la bande 40-60 GHz. L'état de l'art expose les différentes topologies de circulateurs dont la topologie coplanaire est choisie pour notre application. L'étude analytique est basée sur les travaux de Bosma permettant de modéliser le circulateur triplaque. Les principales dimensions géométriques obtenues sont ensuite transposées vers la structure coplanaire en 3D à l'aide de l'outil de simulation HFSS. Devant les limitations de cet outil, différentes structures ont été étudiées et simulées numériquement pour présenter au mieux le matériau composite. Plusieurs séries de prototypes sont ensuite fabriquées à partir des structures optimisées en simulation numérique. Le matériau magnétique composite déposé a des épaisseurs de 40 et 100 μm. Les caractérisations hyperfréquences montrent la performance des dispositifs réalisés. Des pistes de recherche sont proposées pour l'amélioration des performances de nos prototypes.

Dans le domaine de la guerre électronique, la maîtrise du spectre électromagnétique est primordiale. Les antennes doivent donc posséder une couverture fréquentielle extrêmement large. Leur bande de fréquences de fonctionnement peut dépasser la décade, i.e. un rapport 10 entre fréquences haute et basse. De plus, la fréquence basse peut être voisine de la centaine de MHz augmentant de ce fait l'encombrement de l'antenne dans le sens de l'épaisseur. L'intégration d'antenne bande basse sur porteur constitue donc un enjeu majeur. Les antennes classiques dédiées a la guerre électronique font habituellement appel a des antennes dites " indépendantes de la fréquence " chargées par une cavité absorbante. Les travaux présentes dans ce manuscrit ont pour but de supprimer les absorbants présents dans les antennes pour a la fois augmenter leur efficacité et réduire leur épaisseur. Nos recherches se sont orientés vers les matériaux dits " artificiels ", les conducteurs magnétiques artificiels (CMA) et des matériaux a bandes interdites électromagnétiques (BIE), permettant la réalisation pratique de réflecteur magnétique. Apres un état de l'art sur les méthodes analytiques, numériques et expérimentales, nous étudions le comportement de l'antenne spirale d'Archimède en espace libre puis en présence de réflecteurs théoriques: conducteur électrique parfait et conducteur magnétique parfait. Nous avons proposé et validé expérimentalement une méthodologie innovante pour la conception d'antenne large bande faible épaisseur. Enfin, nous avons présenté un réflecteur hybride exploitant les propriétés des conducteurs électriques et magnétiques afin d'étendre la bande de fréquences des antennes.

This thesis presents a robust method for estimating the relaxations of a metallic object from its electromagnetic induction (EMI) response. The EMI response of a metallic object can be accurately modeled by a sum of real decaying exponentials. However, it is difficult to obtain the model parameters from measurements when the number of exponentials in the sum is unknown or the terms are strongly correlated. Traditionally, the relaxation constants are estimated by nonlinear iterative search that often leads to unsatisfactory results. An effective EMI modeling technique is developed by first linearizing the problem through enumeration and then solving the linearized model using a sparsity-regularized minimization. This approach overcomes several long-standing challenges in EMI signal modeling, including finding the unknown model order as well as handling the ill-posed nature of the problem. The resulting algorithm does not require a good initial guess to converge to a satisfactory solution. This new modeling technique is extended to incorporate multiple measurements in a single parameter estimation step. More accurate estimates are obtained by exploiting an invariance property of the EMI response, which states that the relaxation frequencies do not change for different locations and orientations of a metallic object. Using tests on synthetic data and laboratory measurement of known targets, the proposed multiple-measurement method is shown to provide accurate and stable estimates of the model parameters. The ability to estimate the relaxation constants of targets enables more robust subsurface target discrimination using the relaxations. A simple relaxation-based subsurface target detection algorithm is developed to demonstrate the potential of the estimated relaxations.

Dans le cadre des communications numériques sans fil, la vitesse d'échange de données (débit) reste toujours une des caractéristiques qui limite la performance du système. Une diminution des temps d¿échange est donc nécessaire pour l'amélioration de la performance et l'introduction des nouvelles applications. Des applications comme " Wireless HD " rendent possible la transmission sans fil de vidéo non-compressée " à haute définition (débit = 4 Gbps) " Kiosk Downloading " permettrait l'échange de données à haut débit (1-2 Gbps) sur une courte portée (1 -2 mts). Pour atteindre ce débit, la bande autour de 60 GHz est donc visée pour profiter de ses 7 GHz de bande passante disponibles. Dans le cadre du projet PANAMA, un intérêt spécial est aussi donné à l'efficacité du système transmetteur (Amplificateur de Puissance et Antenne) et ce sera donc un autre axe de notre recherche : l'étude des stratégies pour l'amélioration du rendement énergétique global. On se concentrera surtout sur la connexion PA ' Antenne qui donnera lieu aux stratégies de co-intégration et de co-conception. Plusieurs problématiques doivent être confrontées : la co-simulation (actif et passif) ainsi que la mesure des antennes dans cette bande millimétrique. Cette haute fréquence introduit des limitations, notamment sur les performances de l'antenne. Ainsi le but de cette thèse est de proposer des solutions d'antennes qui remplissent les besoins de l'application (solutions basée sur le résonateur diélectrique). La solution complète des systèmes intégrés doit comprendre également des solutions encapsulées ( "packaged " ), sujet aussi abordé dans ce travail.

Les modèles numériques, de plus en plus utilisés en tant que prototypes virtuels, requièrent la connaissance de paramètres d'entrée comme les dimensions géométriques, les caractéristiques physiques des matériaux et les sollicitations externes. Les modèles numériques disponibles actuellement sont très proches de la physique qu'il représente et les écarts que l'on constate avec la réalité peuvent maintenant incomber en partie à une méconnaissance des paramètres d'entrée. L'approche probabiliste qui consiste à modéliser les quantités incertaines par des variables ou champs aléatoires est la solution qui a été retenue dans cette thèse pour prendre en compte les incertitudes d'origine géométrique. Pour résoudre le problème, la méthode de transformation, permettant de ramener un problème aux incertitudes portées par la géométrie à un problème aux incertitudes portées par les lois de comportement, a été choisie. Comme il existe une infinité de transformations possibles, différentes méthodes de détermination de la transformation ont été mises en œuvre et comparées. En particulier, un estimateur d'erreur a-priori a été proposé de manière à dégager des critères de choix. Il a été aussi montré que la méthode de transformation peut prendre en compte naturellement des discontinuités au niveau stochastique des grandeurs locales. Enfin, la méthode étudiée a été employée pour étudier l'influence des incertitudes géométriques d'un stator sur les performances d'une machine électrique. Cette étude s'appuie sur un ensemble de mesures faites sur un lot de stators.

Actuellement, la plupart des simulateurs électromagnétiques se basent sur une résolution des équations aux dérivées partielles ou leurs formes équivalentes. Ces simulateurs ont jusqu'à présent bénéficié d'une augmentation de la puissance informatique compensant les exigences de calcul nécessitées par la croissance de la complexité et de la dimension des objets à modéliser. Cependant la taille des problèmes cruciaux augmente beaucoup plus rapidement que la puissance informatique. Malgré les apports faits pour simplifier les calculs électromagnétiques, la difficulté à tenir compte de tels problèmes complexes nécessite un saut méthodologique important. La méthode dite " énactive ", proposée dans ces travaux, constitue une approche atypique pour la modélisation dynamique d'un environnement naturel et sa simulation en un système de réalité virtuelle. Issue de la modélisation des systèmes multi-agents, elle propose une méthode spécifique pour la modélisation de tels systèmes complexes où de nombreux phénomènes interagissent de nombreuses façons, à des échelles de temps et d'espace pouvant être très différentes. Nous cherchons à suivre l'évolution d'une onde électromagnétique et ses interactions éventuelles avec des objets d'un environnement in virtuo, i.e. à travers un laboratoire virtuel (virtuoscope). Dans ce contexte, cette thèse s'inscrit dans un cadre interdisciplinaire qui allie les outils et les techniques de la réalité virtuelle à la modélisation de phénomènes électromagnétiques. En outre, les phénomènes sont modélisés en tant qu'entités autonomes en interaction. Notre modèle doit donc reposer sur une définition rigoureuse des entités, à savoir les ondes et les milieux, et des interactions qui peuvent avoir lieu afin de reconstituer l'ensemble des phénomènes électromagnétiques " réels " au sein d'un environnement virtuel. Aussi, nous n'avons pas de moyens nous permettant de vérifier ni de valider autrement que par l'expérimentation notre modèle. En ce sens, nous faisons l'enjeu et le pari de parvenir à construire un tel système énactique électromagnétique. Pour cela, nous avons mis au point un ensemble de scénarios d'environnements électromagnétiques, suite au développement de deux modèles de propagation, l'un unidimensionnel et l'autre bidimensionnel. Les résultats seront comparés à des méthodes plus classiques appropriées voire à la théorie lorsque c'est possible.

La modélisation numérique est devenue un outil indispensable qui permet la prise en compte de structures de plus en plus complexes. De nombreuses méthodes numériques ont été développées puis évoluées pour être adaptées au problème à résoudre. Parmi ces méthodes, la TLM (Transmission Line Matrix) est très connue par son efficacité dans la modélisation des structures en hyperfréquence. Nous nous sommes intéressés dans ce travail à la méthode FD-TLM, l'approche fréquentielle de la TLM. La formulation adoptée est dérivée de la TLM dans le domaine temporel moyennant une transformée de Fourier. Cette étude a englobé plusieurs aspects de la méthode en commençant par la présentation des principaux noeuds utilisés dans le maillage avant de passer à l'étude et l'analyse de l'erreur de vitesse dans la FD-TLM. Par la suite, une grande partie de ce travail a été consacrée à l'étude des parois absorbantes particulièrement les PML (Perfecly Matched Layers) et les opérateurs d'onde unidirectionnels qui ont présenté d'excellentes performances d'absorption. Finalement, dans le but d'une étude d'optimisation, la FD-TLM a été combinée à la méthode de segmentation permettant de subdiviser la structure en plusieurs sous-domaines qui peuvent être isolés et maillés séparément.

Lors de cette thèse, on a développé un banc automatisé de relevé du diagramme de rayonnement particulièrement pour des antennes millimétriques avec faible directivité. On propose trois méthodes d'alimentation. La première méthode développée a été de concevoir une nouvelle sonde ayant un accès micro-coaxial de plus de 5cm afin de réduire la zone de masquage au minimum. Associée à une configuration de type flip-chip inversée, cette méthode a permis d'avoir une réduction de la zone de masquage de 80° à 20°. La deuxième méthode a été de concevoir une liaison souple par film souple de Kapton. Cette méthode présente l'avantage de placer une plus grande partie des connexions métalliques sous un plan de masse, mais nécessite une connexion optimale à la puce. Les résultats obtenus présentent une zone de masquage pratiquement inexistante, et sont conformes à l'état de l'art. La troisième méthode SER est basée sur la mesure de l'antenne sans placer de sondes ou de connecteurs spéciaux, mais en utilisant un système à charges connues. La simulation nous montre qu'il nous manque une dynamique par ces trois charges.

This thesis concerns the introduction and development in our laboratory of a multilayer ceramic technology, called LTCC, for RF and microwave packaging. LTCC stands for Low Temperature Co-fired Ceramics. As can be understood from its name, the low temperature means that the LTCC circuit is fired below 1000 °C that allows the use of high conductivity materials such as gold and silver. The thesis work starts after the bibliographic study of RF packaging technology, with the choice of LTCC substrate and conductor materials necessary to implement LTCC technology in our laboratory. Then, the LTCC manufacturing process is put in place and validated in order to produce operational LTCC circuits. This process includes the cut of LTCC layers, via hole and cavity creation, via fill for vertical interconnecting, screen printing for horizontal patterns, stacking, lamination and finally the firing to obtain a 3D circuit. Most encountered technological problems are resolved and the fabrication steps are validated. LTCC DESIGN RULES that contain all dimensional values required for future RF packaging designers at the laboratory is elaborated. Next, after the successful establishment of LTCC technology, it is qualified up to 40 GHz using simple RF structures such as transmission lines and planar resonators. Then, a multilayer LTCC package for an MMIC oscillator functioning in the frequency band between 10.6 and 12.6 GHz is proposed, fabricated and finally measured.

Bien que souvent présentés comme des configurations atypiques, la classe des milieux diffusifs représente une grande partie des milieux dans lesquels se propagent des ondes aussi bien électromagnétiques qu'acoustiques. Les grandes cavités étant capables de bien approcher ces mêmes caractéristiques, elles sont largement utilisées dans un contexte métrologique, afin d'émuler un grand nombre de configurations pratiques et d'évaluer certaines propriétés de dispositifs électroniques, acoustiques et optiques. Nous nous intéressons à la modélisation statistique de la propagation d'ondes dans les grandes cavités. La pratique courante de modéliser les champs dans une cavité comme diffus est d'abord analysée, afin de montrer comment cette hypothèse n'est pas réaliste en basse fréquence, et les conséquences qui en découlent. L'importance du recouvrement modal et sa nature aléatoire sont discutées, montrant comment l'hypothèse diffusive ne peut pas être décrite comme une propriété certaine. Dans un deuxième temps nous étudions les applications du retournement temporel aux grandes cavités, ce qui nous amène à l'introduction d'une technique généralisée capable de reproduire des fronts d'ondes cohérents dans un environnement diffusif, typiquement regardé comme uniquement capable de supporter une propagation aléatoire.