Nous étudions ici le comportement non-linéaire d’un photoconducteur utilisé pour l’échantillonnage hyperfréquence. L’absorption optique dans ces photoconducteurs est optimisée grâce à l’utilisation d’une cavité résonante. Nous avons tout d’abord procédé à un travail de caractérisation de photoconducteurs avec différentes propriétés géométriques (diamètre, épaisseur de cavité) et matériau, (temps de vie des porteurs) pour en extraire l’influence de ces paramètres sur les performances en échantillonnage. Nous avons ensuite développé un modèle optoélectronique basé sur la caractéristique courant-tension et le modèle empirique de dérive des porteurs de charge de Canali avec une approche quasi-statique. Ce modèle nous a permis d’isoler certaines caractéristiques du photoconducteur susceptibles d’être la source des harmoniques. Une nouvelle structure de photoconducteur a été développée dans l’objectif de pallier à ces imperfections. Les résultats expérimentaux montrent une symétrisation de la caractéristique courant-tension et une réduction de plus de 20 dB des harmoniques d’ordre paire qui y est associée. Une réduction notable de la capacité est également réalisée ce qui augmente la fréquence de coupure du composant. / This thesis aims to study the nonlinear behavior of a photoconductor used as a microwave sampler. These photoconductors optimize the optical absorption thanks to a Fabry-Pérot resonant cavity. We first carried out a characterization work of photoconductors with different geometrical properties (diameter, cavity thickness) and material (carriers lifetime) to extract the influence of these parameters on the sampling performance. We then developed an optoelectronic model based on the current-voltage characteristic and the empirical Canali’s charge carriers drift model with a quasi-static approach. This model allowed us to isolate some characteristics of the photoconductor that could be the source of the harmonics. A new photoconductor structure has been developed in order to overcome these imperfections. The results of measurements show a symmetry of the current-voltage characteristic which results in a reduction of 20 dB of the even-order harmonics. A significant reduction in the capacity is also achieved which increases the cut-off frequency of these devices.

L'évolution des technologies numériques a permis l'introduction d'objets connectés dans le quotidien d'une grande partie de la population mondiale. Face à une demande de données sans-fil toujours croissante, des techniques nouvelles doivent être employées pour offrir un débit plus élevé à des appareils moins volumineux et accessibles à un prix raisonnable. Les antennes constituent l'organe central de toutes les télécommunications et elles jouent un rôle majeur dans l'évolution vers des systèmes plus performants. En effet, l'augmentation du débit de données passe par une augmentation du gain et de la bande de fonctionnement, et plus une antenne est directive plus son intégration est complexe. La tendance actuelle est à l'évolution vers les bandes de fréquences millimétriques, ce qui permet une réduction du volume de l'antenne et l'utilisation de bandes de fréquences plus larges, néanmoins la fabrication est un vrai défi technologique. Les travaux de recherches effectués au cours de cette thèse portent sur la conception d'antennes pour une application de lien backhaul : une liaison en bande E (71-86GHz) entre deux antennes fixes utilisée dans un réseau cellulaire ; cependant les concepts et technologies sont facilement transposables à d'autres applications telles que les radars ou les communications satellitaires. Les systèmes étudiés combinent un réseau unidimensionnel de longues fentes rayonnantes (CTS) alimentées en parallèles avec un formateur de faisceau quasi-optique (système pillbox). Les fentes rayonnantes consistent en guides à plans parallèles (GPP) tronqués. Elles sont alimentées en parallèle par un réseau de division de puissance exclusivement basé sur des GPP. Le système pillbox est constitué de deux GPP connectés par un coupleur et un réflecteur parabolique intégré, l'illumination de ce dernier par une source focale génère une onde plane. L'omniprésence de GPP au sein de l'antenne garantit une large bande de fonctionnement, et l'architecture employée permet une meilleure intégration que les antennes quasi-optiques. Ces antennes offrent donc un compromis entre un gain élevé, une large bande de fonctionnement et un profile réduit qui ne peut pas être atteint avec les autres structures présentes dans la littérature. Malheureusement ces antennes comportent également des désavantages. D'un point de vue technologique, leur fabrication est complexe et coûteuse. C'est pourquoi dans ces travaux de thèse un intérêt particulier est porté sur l'utilisation de techniques nouvelles permettant la fabrication de prototypes menant à des résultats expérimentaux. Du point de vue des performances en rayonnement, les antennes CTS/pillbox actuelles ne permettent pas de reconfigurer le rayonnement dans le plan E et le niveau de recouvrement dans le plan H est trop faible pour pouvoir être facilement exploité. Dans cette thèse, des solutions innovantes sont proposées afin de remédier à ce manque de versatilité. Enfin jusqu'à présent, le niveau des lobes secondaires dans le plan E de l'ensemble des antennes CTS alimentées en parallèle est d'environ -13,5dB. Une structure nouvelle est introduite afin de permettre une réduction de ces lobes secondaires à un niveau très faible. / The evolution of numerical technologies allowed the daily use of connected object for a large part of the world’s population. To fulfill the ever-growing demand for wireless communication, new technologies have to be developed in order to obtain higher data-rate with smaller and cheaper devices. The antenna plays a major role in communication systems and their performances are to be improved to obtain more efficient telecommunications. Indeed the rise of data-rate involves an improvement of the antenna gain and bandwidth, but the integration of directive antennas is always challenging. The actual trend is the shift to higher frequency bands, in the millimeter-wave range, this allows a size reduction together with the use of broader bandwidth; however the fabrication becomes a real challenge. The research work realized in this thesis concern the design, fabrication and experimental characterization of antennas for backhaul links: the E-band (71-86GHz) communication between two fixed antennas used in cellular network; nonetheless the solutions developed can easily be applied to other applications such as radar or satellite communications.The studied systems combine a one-dimensional array of long radiating slots (CTS) fed in parallel with a quasi-optical beam forming network (pillbox system). The radiating slots are made of truncated parallel plate waveguides (PPW) and are fed in parallel by a power-divider network realized in PPW technology. The pillbox system consists of two stacked PPWs connected by a multi-slot coupler and an integrated parabolic reflector, the latter converts the cylindrical wave emitted by a focal feed into a planar wave. The omnipresence of PPWs throughout the antenna system insures a broad band of operation, and the architecture shows a lower profile than quasi-optical antennas. This antenna presents an unequaled tradeoff between a high gain, a wide bandwidth and a low-profile. Unfortunately they also have drawbacks. From a technological point of view, their fabrication is complicated and expensive. This is why in this thesis a particular attention is given to the use of new techniques allowing the fabrication of prototypes leading to experimental validation of the results. From the radiation performance point of view, CTS/pillbox antennas do not show any reconfigurability solution in the E-plane and the overlap level obtained in H-plane with already existing antennas is too low to be usable. In this thesis, innovative solutions are investigated to find solution to this lake of versatility. Finally the sidelobe level (SLL) in E-plane of the totality of parallel-fed CTS antennas described in the open-literature is about -13.5dB. A new architecture introduced in this thesis allows a reduction of this SLL down to a negligible level.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et le développement de sources électroniques à base de nanotubes de carbone modulées par voie optique appelées photocatodes. L'objectif de ces dernières est de les utiliser dans les tubes à ondes progressives, en remplacement des sources thermoïoniques actuelles, qui émettent un faisceau d'électrons continu. Ce nouveau type de dispositif permettrait de développer une nouvelle génération d'amplificateurs hyperfréquence large bande, plus compacts, plus légers et ayant un fort rendement pour les satellites de communication. Ces sources modulées reposent sur l'association de nanotubes de carbone avec des photodiodes P-i-Ns. Les photodiodes agissent comme des sources de courant tandis que les nanotubes jouent le rôle d'émetteurs d'électrons. Une modulation optique des photodiodes induit ainsi une émission modulée du faisceau d'électrons. Des études théoriques, couplées à des simulations, ont abouti à la compréhension détaillée du fonctionnement des photocathodes et à la connaissance de leurs performances. Par ailleurs, des résultats traitent de la fréquence de coupure qui limite le dispositif mais apportent néanmoins des perspectives d'améliorations. La fabrication des photocathodes a été menée à terme grâce à la mise au point de trois nouveaux procédés technologiques : une passivation des photodiodes InP-InGaAs-InP par une bi-couche de Slice/Nitrure de Silicium empêchant toute gravure ionique du substrat pendant la croissance des nanotubes. une technique de croissance de nanotubes de carbone à basse température (550 °C-600 °C) limitant la diffusion des dopants dans les matériaux semiconducteurs de type III-V. un recuit LASER des nanotubes de carbone améliorant leur qualité cristalline et diminuant leur résistivité. Enfin, les caractérisations du courant en fonction de la tension et les mesures fréquentielles des échantillons ont confirmé les résultats annoncés par la théorie. Une modulation du faisceau électronique contrôlée par voie optique a pu être mesurée jusqu'à 1.1 GHz, même si la fréquence de coupure actuelle se limite à 400 MHz. La réalisation des photocatodes a ainsi pu être démontrée. De surcroît, les résultats prometteurs aux vues des perspectives d'évolutions, permettent d'envisager une intégration proche des photocathodes dans un tube à ondes progressives.

Dans la fabrication d’un produit, la maîtrise des propriétés physiques des matériaux utilisés est indispensable. Il est donc nécessaire de déterminer leurs propriétés comportementales. On exploite en général des propriétés physiques intermédiaires telles que les propriétés électromagnétiques. Nous avons mis au point une technique de caractérisation sans contact de matériaux non transparents en transposant les concepts de base de l’ellipsométrie optique en hyperfréquence. La caractérisation se fait par résolution d’un problème inverse par deux méthodes numériques : une méthode d’optimisation classique utilisant l’algorithme itératif de Levenberg Marquardt et une méthode de régression par l’uti1isation de réseaux de neurones du type perceptron multicouches. Avec la première méthode, on détermine deux paramètres du matériau sous test à savoir l’indice de réfraction et l’indice d’extinction. Avec la deuxième, on détermine les deux indices ainsi que l’épaisseur de 1’échantillon. Pour la validation, nous avons monté un banc expérimental en espace libre à 30 GHz en transmission et en incidence oblique avec lequel nous avons effectué des mesures sur des échantillons de téflon et d’époxy de différentes épaisseurs (1 à 30 mm). Nous avons obtenu une caractérisation satisfaisante de l’indice et de l’épaisseur. Nous avons ensuite fait des mesures de trois types de papier dont la caractérisation de l’indice était satisfaisante sans toutefois les discriminer. Ces travaux ont montré la possibilité de caractériser des matériaux épais et non transparents par une technique ellipsométrique / The control of the physical properties of materials used to manufacture a product is essential. Therefore, it is necessary to determine their behavioral properties. Generally, we get them through intermediate physical properties such as electromagnetic properties. We have developed a technique for contactless characterization of non-transparent materials by applying the basic concepts of optical ellipsometry in the microwave domain. The characterization is done by solving an inverse problem through two different numerical methods: a classical optimization method using the iterative algorithm of Levenberg Marquardt and a regression method by using neural networks particularly the multilayer perceptron. With the first method, we can determine two parameters which are the refractive index and the extinction index of the sample under test. With the second method, we can determine the indices and the thickness of the sample. As a validation, we set up a 30 GHz - experimental free space bench configurated for oblique transmission incidence measurement that we have used to carry out measurements on PTFE and epoxy samples having different thicknesses (1 to 30 mm). We obtained a satisfactory characterization of the index and thickness. Then, we have carried out measurements on three types of paper. The index was satisfactorily characterized but they could not be distinguished. These studies have shown that it is possible to characterize thick and non-transparent materials using ellipsometric technics

Les propriétés électriques des matériaux sont des données indispensables dans les phases de conception de circuits micro-ondes. Ainsi, de nombreuses méthodes ont été mises au point en s’appuyant sur des mesures de paramètres «S», pour les systèmes de transmission-réflexion, ou de fréquences de résonance, pour les méthodes résonantes. Chacune d’entre elles présente des caractéristiques adaptées à un type de géométrie d’échantillon, à une bande de fréquence d’analyse, à une précision des résultats souhaitée... Dans tous les cas, les dimensions de l’échantillon doivent être au moins de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde et donc, les caractérisations deviennent impossibles aux basses fréquences pour des échantillons de petites tailles. Un autre inconvénient de ces méthodes est qu’il est obligatoire de connaître parfaitement l’épaisseur de l’échantillon pour déterminer avec précision les caractéristiques électriques du matériau. L’objectif de ce travail de thèse a donc consisté à mettre au point une nouvelle méthode de caractérisation en s’appuyant sur une cavité de géométrie particulière. Celle-ci permet des mesures basses fréquences pour des dimensions très inférieures à la longueur d’onde. Avec un système de couplage original, nous avons pu également obtenir une réponse en transmission particulière, caractérisée par une fréquence de résonance et une fréquence d’antirésonance. Par rapport aux méthodes classiques qui ne travaillent que sur la fréquence de résonance, cette double information permet de déterminer à la fois la permittivité du milieu mais également l’épaisseur de l’échantillon. / The electrical properties of the materials are essential data in the design phases of microwave circuits. Thus, many methods have been developed based on "S" parameter measurements, for transmission-reflection systems, or resonance frequencies, for resonant methods. Each of them has characteristics adapted to a type of the samplegeometry, to the frequency band of analysis, to a desired precision of the results... In all the cases, the dimensions of the sample must be at least of the order of the wavelength and therefore the characterizations become impossible at low frequencies for samples of small sizes. Another disadvantage of these methods is that it is mandatory to know perfectly the thickness of the sample to accurately determine the electrical characteristics of the material. The objective of this thesis work was therefore to develop a new method of characterization based on a cavity of particular geometry. This allows low frequency measurements for dimensions much smaller than the wavelength. With an original coupling system, we have also been able to obtain a particular transmission response, characterized by a resonance frequency and an antiresonance frequency. Compared to conventional methods that only work on the resonant frequency, this double information makes it possible to determine both the permittivity of the medium but also the thickness of the sample.

Par leur fréquence d'horloge pouvant atteindre plusieurs dizaines de GHz et leur très faible dissipation, les circuits numériques supraconducteurs, fondés sur la logique à quantum de flux (RSFQ: Rapid Single-Flux Quantum), sont envisagés pour diverses applications spécifiques du fait de leurs performances exceptionnelles, très au delà de celles des filières électroniques classiques. Ces circuits RSFQ traitent l'information numérique sous forme d'impulsions de tension picoseconde avec une aire quantifiée de 2,07mV.ps, correspondant à un quantum de flux h/2e. L'électronique numérique supraconductrice ouvre ainsi la voie de l'électronique ultra-rapide en associant une large bande passante à une très faible dissipation.<br /><br />L'objectif de ce travail est d'étudier les interfaces optoélectroniques permettant de détecter et échantillonner les impulsions quantifiées résultant de la commutation des jonctions Josephson shuntées qui composent les circuits RSFQ. Nous avons développé une approche théorique et expérimentale de la sensibilité des photocommutateurs destinés à la détection d'impulsions RSFQ. Nous avons utilisé des photocommutateurs MSM (Métal-Semiconducteur-Métal) rapides de structure planaire à base d'Arséniure de Gallium épitaxié à basse température (AsGa-BT). Les caractéristiques physiques du matériau semi-conducteur telles que la résistance d'obscurité, la mobilité des porteurs libres et la durée de vie sont les paramètres clé pour obtenir des impulsions ultracourtes. La bonne résolution temporelle est donc assurée par les propriétés physiques du matériau. Un modèle basé sur un circuit hyperfréquence équivalent, a permis de prédire le comportement hyperfréquence du photocommutateur, éclairé ou non éclairé, lors du passage d'une impulsion RSFQ. De plus, ce modèle permet d'étudier l'influence des paramètres géométriques du photocommutateur sur la sensibilité de ce dernier. Nous avons déduit que le photocommutateur à gap à base d'AsGa-BT est bien adapté pour la détection des signaux subpicosecondes de faible amplitude.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la possibilité d'utiliser des membranes chargées de nanofils métalliques magnétiques comme matériau non-réciproque dans des circulateurs hyperfréquence. Ces dispositifs utilisent très largement des ferrites polarisés par des aimants permanents, ce qui les rend coûteux et encombrants. Le remplacement de ces ferrites par des membranes de polymère irradié, chargées de nanofils métalliques magnétiques orientés, a déjà donné naissance à un dispositif présentant un effet non-réciproque sans polarisation externe, mais avec des pertes d'insertion de plus de 10 dB. La réduction des pertes d'insertion des dispositifs à membranes chargées de nanofils est recherchée. Dans le cadre de cette thèse, les propriétés du matériau utiles à la conception, à la simulation et à la réalisation de dispositifs non-réciproques sont étudiées. La contribution des différents facteurs de dissipation aux pertes d'insertion est évaluée, ce qui permet d'identifier les facteurs clés et de proposer des solutions réduisant les pertes conducteurs, les pertes magnétiques, et les pertes diélectriques par rapport au dispositif pré-existant. La pertinence de ces solutions est évaluée par les simulations et mesures de dispositifs. Enfin, de nouvelles technologies à explorer sont proposées pour la fabrication du diélectrique à nanofils magnétiques, elles permettraient d'appliquer conjointement les diverses solutions de réduction de pertes présentées dans cette thèse.

Au sein du département RFS (Radio Frequency Solutions) de Thales Systèmes Aéroportés sont conçus des modules d'émission-réception utilisés dans des applications radar et guerre électronique. Les fonctions hyperfréquences élémentaires (amplification, atténuation, mélange,...), réalisées en technologie MMIC, sont mises en boîtier et interconnectées. Ceci constitue l'architecture du module et doit assurer une protection (vis-à-vis de l'atmosphère et de la CEM) ainsi qu'une souplesse de montage mécanique et au final une réduction des coûts de fabrication. L'architecture des modules devient ainsi la clé de voûte de systèmes complexes tels que les antennes à balayage électronique développée au sein de ce département. <br /><br />Les outils de simulation doivent évoluer dans le but de prévenir les effets parasites, dus aux boîtiers et interconnexions, susceptibles d'apparaître. Les logiciels de simulation EM sont recommandés de par les géométries complexes des architectures des modules. Malheureusement, les simulateurs EM sont limités par leur incapacité à traiter simultanément les boîtiers et circuits actifs qu'ils protègent. C'est pour cette raison qu'un outil de simulation EM global adapté à ce type de simulation et aux besoins industriels a été proposé, validé et exploité au cours de cette thèse. <br /><br />La méthode choisie est une implémentation de l'approche de compression, qui associe deux logiciels commerciaux de façon séquentielle. Ceci est permis par une procédure de calibrage numérique des ports internes qui fait l'interface entre les environnements de simulation EM et circuit. Cette approche modulable est rapide car elle ne requiert qu'une seule simulation EM pour de nombreuses simulations. La modification des circuits actifs ou des études de dispersion sont aisément envisageables. Cette approche est basée sur l'hypothèse de localisation. Une validation approfondie de cette hypothèse permet de conclure à la nécessité d'indépendance intrinsèque des éléments localisés vis-à-vis de l'environnement pour un bon fonctionnement de l'approche de compression. Cette hypothèse est confirmée grâce à l'application de l'approche de compression à des niveaux d'échelle différents (à l'échelle du boîtier ou du MMIC). <br /><br />L'approche de compression proposée a été validée sur des structures complexes de boîtiers intégrant des amplificateurs MMIC, en régime linéaire ainsi que non-linéaire. L'influence des transitions, éléments d'interconnexion et du couplage EM, est parfaitement prise en compte par cet outil de simulation. Des règles de conception sur les dimensions des boîtiers (hauteur, largeur, positionnement des puces, ...), des transitions et interconnexions sont déduites des simulations.

Une étude systématique du phénomène de relaxation diélectrique dans les gammes de fréquence 1 MHZ-1GHZ et de température de 250-500 K, a été effectuée sur des céramiques de titanate de baryum substituées. Il existe, quelle que soit la composition, un minimum de la fréquence de relaxation et un maximum de la dispersion diélectrique à chaque température de transition de phases. La relaxation est de type dipolaire ; elle est liée au déplacement des ions, en site octaédrique disposés suivant des chaînes (ou volume) de corrélation.

Des céramiques ferrites à couches d'ârret de type spinelle et hautement densifiées ont été élaborées. Si les propriétés diélectriques varient fortement selon les conditions d' élaboration, les propriétés magnétiques sont au contraire peu altérées. Des relaxations diélectrique et d'impedance ont été mises en évidence, elles ont été modélisées; leurs caractéristiques ont été déterminées en fonction de la composition des grains et des paramètres de préparation des échantillons.