La recherche de nouveaux matériaux absorbant les ondes électromagnétiques dans le domaine des hyperfréquences est devenue un enjeu majeur avec le développement croissant des moyens de communication et, corrélativement, le besoin de se prémunir efficacement contre la « pollution » électromagnétique (protection des équipements et des personnes). Dans ce manuscrit, nous nous intéressons à un matériau composite anisotrope constitué d'une matrice polymère chargée en particules ferromagnétiques aplaties appelées pétales. Ce type de composite suscite actuellement un intérêt grandissant dans la communauté grâce aux nombreux avantages qu'il présente (ajustement de la bande d'absorption en fonction de la nature et du rapport de forme des charges, faible épaisseur du revêtement). Le champ de cette étude s'est voulu relativement large afin d'avoir une vue d'ensemble des problématiques liées à ces composites à base de pétales et cela à plusieurs échelles. Dans un premier temps, une étude originale a été menée sur le pétale seul. Après des travaux préliminaires portant sur l'élaboration des pétales et leurs propriétés morphologiques, des caractérisations magnétiques statiques et dynamiques ont été réalisées sur un pétale unique. Le spectre de perméabilité obtenu met en évidence trois résonances. Une étude complémentaire menée sur des objets de mêmes dimensions élaborés par PVD et structurés par FIB a permis, par analogie, d'attribuer ces trois résonances respectivement aux domaines, aux parois et au vortex joignant les parois. Dans un second temps, une étude approfondie a été menée sur le composite complet. L'adaptation de la technique de perméamétrie par perturbation de spire a rendu possible la caractérisation fine et complète de matériaux composites épais avec ou sans champ magnétique statique appliqué et pour différentes directions de pompage. Celle-ci a permis de confirmer l'origine des différentes résonances malgré le désordre structurel caractéristique des milieux composites. Pour finir, une étude à vocation plus applicative a été réalisée établissant le lien fort entre la microstructure (porosité, orientation et taille des particules) et les propriétés électromagnétiques du composite. Le potentiel industriel, tant d'un point de vue de l'élaboration que des performances, a pu être démontré. / Research on new microwave absorbing materials has become a major issue with the growing development of wireless communications and, accordingly, the need to shield effectively from the electromagnetic "pollution" (protection of equipment and persons).In this manuscript, we focus on an anisotropic composite consisting of aligned ferromagnetic flakes embedded in a nonmagnetic matrix. There is currently a growing interest for this kind of composite in the community due to the many benefits it provides (adjustment of the absorption band as a function of both nature and flakes aspect ratio, thin composite coating). The scope of this study was deliberately relatively large in order to get an overview of issues related to these flakes composites at several scales. At first, an original study was conducted on a single flake. After preliminary work on the development of flakes and their morphological properties, static and dynamic magnetic characterizations were performed on a single flake. The permeability spectrum obtained shows three resonances. A complementary study on objects of the same size, produced by PVD and structured by FIB has, by analogy, attributed these three resonances to respectively, domains, domains wall and an embedded vortex (vortex linked with several domains walls).In a second step, the evolution of the shorted microstrip permeametry technique made possible the detailed and complete characterization of thick composites with or without a static magnetic field applied in different directions and for various pumping directions. This confirmed the origin of the different resonances despite the characteristic structural disorder of composite media.Finally, an applicative study was conducted establishing the strong link between the microstructure (porosity, particle size and orientation) and the electromagnetic properties of the composite. Taking into consideration both elaboration and performance point of views, the industrial potential of this composite has been demonstrated.

La technologie CMOS SOI (« Silicon On Insulator ») a déjà montré son intérêt pour les circuits numériques par rapport à la technologie CMOS sur substrat massif (« bulk »). Avec l'entrée des technologies CMOS dans l'ère des dimensions nanométriques, les transistors atteignent des fréquences de coupures élevées, ouvrant la voie aux applications hyperfréquences et de ce fait à l'intégration sur la même puce des circuits numériques, analogiques et hyperfréquences. Cependant, la piètre qualité des éléments passifs reste le principal verrou des technologies CMOS pour y parvenir.<br />Les travaux effectués lors de cette thèse portaient sur l'étude des aptitudes de la technologie CMOS SOI 130 nm de ST-Microelectronics pour des applications hyperfréquences au-delà de 20 GHz. Ils consistaient plus précisément à concevoir des circuits de démonstration pouvant entrer dans la composition d'une chaîne d'émission/réception. Trois amplificateurs distribués en bande K ont d'abord été conçus et mesurés. Malgré des pertes élevées dans les lignes de transmission limitant ainsi la bande passante et le gain, les performances mesurées montrent l'intérêt de cette technologie pour les hyperfréquences. Ensuite, une nouvelle série de démonstrateurs – amplificateurs distribués, amplificateurs faible bruit et mélangeurs actifs – a été conçue en employant des lignes à plus faibles pertes que celles utilisées précédemment. Les résultats de simulation montrent que le produit gain-bande des amplificateurs distribués a doublé en conservant la même architecture. Les simulations des amplificateurs faible bruit et des mélangeurs actifs montrent des performances à l'état de l'art en CMOS.

Ce travail concerne l’étude et la réalisation de dispositifs hyperfréquences coplanaires de type composite main droite/gauche (CRLH). Dans la première partie du mémoire, l’état de l’art des structures CRLH et leur aspect théorique sont présentés. La deuxième partie concerne la modélisation circuit et la conception de la cellule CRLH de base. Un modèle circuit a été développé à partir des modèles existants. Un résonateur d’ordre zéro (ZOR en anglais) à couplage capacitif a été fabriqué et les résultats expérimentaux nous ont permis de valider le modèle théorique. Une réduction de 80% de la taille du résonateur a été observée par rapport au résonateur demi-longueur d’onde à la même fréquence du travail. Une ligne de transmission à deux bandes de propagation a été réalisée par la mise en cascade de cinq cellules CRLH de base. La troisième partie est vouée à l’utilisation des couches magnétiques dans les structures CRLH pour réaliser des dispositifs hyperfréquences accordables. L’agilité en fréquence du ZOR a été confirmée expérimentalement. Nous avons aussi proposé un modèle théorique simple de la cellule CRLH réalisée sur un substrat de YIG. Les résultats expérimentaux de la ligne CRLH à ferrite et pour différentes valeurs du champ magnétique appliqué sont présentés et comparés au modèle théorique et aux simulations 3D / This work deals with the study and the fabrication of microwave devices based on the Coplanar Composite Right/Left Handed (CPW CRLH) structures. In the first part, we introduce the CRLH theory. In the second part, circuit modelization and the design of the CPW CRLH unit cell are presented. A coplanar zeroth-order resonator has been numerically studied, realized and verified experimentally. The resonator we have proposed allows a reduction of 80% of its size compared to the conventional half-wave length resonator at 6GHz. Based on the unit cell, a CRLH TL with five elementary cells has been realized. The third part is devoted to the use of magnetic layers in CRLH structures to realise tunable microwave devices. The frequency agility of the ZOR was experimentally confirmed. We also developed a theoretical model of the CRLH unit cell with a YIG substrate. The experimental results of the CRLH line with ferrite and for different values of applied magnetic field are presented and compared with the theoretical model and 3D simulations

Dès lors que des éléments rayonnants sont placés à proximité les uns des autres, comme c'est le cas au sein des antennes réseaux à balayage électronique, des interactions électromagnétiques parasites se créent entre eux. Ces couplages se manifestent par une perturbation des répartitions de courants des sources du réseau. Leur impact dépend fortement de l'angle de dépointage du réseau mais est généralement néfaste, car ils modifient les caractéristiques du rayonnement des sources. Les différents objectifs de compacité et les spécifications de performances radioélectriques visés pour les radars aéroportées peuvent conduire à des structures qui supportent et favorisent ces phénomènes de couplages parasites, sous la forme d’ondes d’espace et de surface. Ces derniers peuvent aller jusqu'à entrainer l'impossibilité pour l'antenne de rayonner dans certaines directions et à certaines fréquences d’utilisation : on parle de directions aveugles. Ce phénomène limite de manière considérable le volume de dépointage opérationnel d'un système radar. La maîtrise du couplage entre les éléments rayonnants est donc l'une des problématiques essentielles du développement et du dimensionnement d'une antenne réseau. La recherche qui traite de ce sujet n'en est plus à ses débuts (les premiers radars à balayage électronique sont exploités depuis les années 50) mais reste toujours en attente de solutions innovantes permettant de mieux comprendre et maîtriser ces phénomènes. Dans cette thèse, plusieurs méthodes permettant de minimiser les effets du couplage dans les réseaux à balayage électroniques ont été investiguées. Les travaux s'orientent notamment autour du défi de réduire les conséquences des directions aveugles sans modifier la maille initiale du réseau d'antenne (contrainte iso-maille). / When radiating elements are located close to one another, as it is the case in electronically phased array antennas, parasitic electromagnetic interferences occur between them. The impact of these coupling mechanisms depends to a large extent on the scanning angle of the array, but is usually harmful, since it alters the radiating properties and the active input impedance of the sources. The compactness objectives and radioelectric performances required for airborne radars can lead to structures that support and foster these parasitic couplings, in the form of surface or space waves. In some cases, mutual coupling can even result in the impossibility for the array to radiate in certain directions and at certain frequencies. This phenomenon, referred to as scan blindness, significantly reduces the operating scan volume of a radar system. In that respect, the control of coupling mechanisms between radiating elements is a major issue when developing an array antenna and although the research that deals with this subject is no longer in its infancy, it is always pending for new and innovating solutions to master these phenomena. In this thesis, different solutions enabling to minimize the effect of couplings in phased arrays are investigated. The presented research revolves around the challenge of limiting scan blindness consequences without modifying the initial mesh of the array antenna.

Cette thèse porte sur l'élaboration de fonctions hyperfréquences accordables à base de couches minces ferroélectriques KTa1-xNbxO3 (KTN) développées à l'Unité Sciences Chimiques de Rennes 1.<br />Notre travail a débuté par la mise au point d'une méthode de caractérisation adaptée à des couches d'épaisseur très faible dans des conditions de mesure proches de celles de nos futurs dispositifs. L'analyse de couches minces KTN déposées sur des substrats différents a mis en évidence une forte influence du substrat sur les propriétés diélectriques hautes fréquences de KTN.<br />Par la suite, nous avons réalisé plusieurs séries de démonstrateurs (capacités interdigitées et résonateurs stub) afin de tester le potentiel des couches minces KTN pour l'accordabilité en hautes fréquences. De nombreux substrats et compositions KTN ont été étudiés afin d'identifier le couple présentant les performances les plus intéressantes. Les couches minces de KTa0,5Nb0,5O3 déposées sur saphir se sont avérées les plus prometteuses et ont été privilégiées pour la suite de nos travaux.<br />Puis, de nouveaux systèmes de mesure ont été mis en place pour permettre l'application de tensions de commande importantes. Plusieurs types de circuits ont alors été réalisés puis mesurés dont des capacités variables en transmission et en réflexion, des résonateurs de type coupe-bande et passe-bande, des déphaseurs et des filtres. Globalement, les performances obtenues démontrent le très fort potentiel des dispositifs utilisant des couches minces KTN en terme d'agilité. Par contre, les pertes d'insertion observées sont pour l'instant trop élevées. Les pistes actuellement explorées pour l'amélioration des performances de ces dispositifs, tant sur le plan de la réalisation des couches que de la conception des circuits, sont très prometteuses et laissent présager, à moyen terme, une intégration possible de ces dispositifs au sein de front-end multistandards.

L'introduction des technologies MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems") dans les modules hyperfréquences répond au besoin croissant en systèmes de communications intégrables, reconfigurables et présentant d'excellentes performances électriques jusqu'aux fréquences millimétriques. Le développement de nouvelles architectures intelligentes jusque là inaccessibles aux technologies traditionnelles est également envisageable grâce à ces composants. Cela dit, la conception multi-physique de ces circuits alliant des aspects électrostatiques, mécaniques et électromagnétiques reste difficile à mettre en Suvre et complique leur optimisation. De plus, peu de recherches se sont focalisées sur la tenue en puissance de ces composants, pourtant primordiale pour envisager leur intégration dans des chaînes d'émission radio fréquences. Nos travaux de thèse ont porté sur la conception et la caractérisation de micro-interrupteurs MEMS de puissance et de circuits hyperfréquences les intégrant et opérant en bande X (10GHz). Le premier chapitre présente une méthodologie multi-physique de conception de commutateurs MEMS RF électrostatiques à contact capacitif réalisés au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes. Cette méthodologie, associée à une topologie optimale de micro-commutateurs, a permis un prototypage efficace de commutateurs MEMS et a été validée expérimentalement grâce à des structures montrant d'excellentes performances hyperfréquences. Le second chapitre s'intéresse à l'optimisation en puissance de commutateurs MEMS RF. Nous avons développé une méthodologie de prédiction de la puissance maximale de fonctionnement pour ces composants. Cette méthodologie a été ensuite utilisée pour loptimisation en puissance du commutateur développé dans le chapitre 1. Un dimensionnement ainsi que lensemble des résultats de simulations sont présentés et validés expérimentalement. Enfin le dernier chapitre présente la mise en application des méthodologies décrites aux deux premi ers chapitres pour la conception d'un circuit de commutation de puissance large bande 6-18 GHz basé sur des topologies série et parallèle d'interrupteurs MEMS. Les structures ont ainsi été optimisées, fabriquées et mesurées. Elles présentent dexcellentes performances RF sur une large gamme de fréquence.

NIL

Ce mémoire porte sur la modélisation et la simulation non-stationnaires de l'interaction entre le faisceau d'électrons et l'onde électromagnétique dans les tubes à onde progressives (TOP) à hélice. Le TOP étant un instrument sur-dimensionné, les modèles non-stationnaires généraux sur lesquels se basent la plupart des logiciels commerciaux nécessitent de trop grosses ressources de calcul pour pouvoir être utilisés en un temps raisonnable pour des activités de conception industrielle. Il est donc nécessaire de faire appel à des modèles dits 'spécialisés'. Cette thèse porte sur le modèle discret non-stationnaire d'excitation d'un guide d'onde périodique de S. Kuznetsov. Avant nos travaux, il avait été démontré (N. Ryskin et al., 2007) que ce modèle pouvait s'appliquer aux TOP à cavités couplées dans le cadre d'un modèle à une dimension. Néanmoins, il n'existait alors aucune étude venant confirmer ou infirmer son application aux TOP à hélice. 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'utilisation 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 quantitativement les réflexions d'onde aux extrémités de la ligne à retard dans le modèle discret. Cette dernière étude constitue une avancée importante vers la simulation pratique des TOP en utilisant le modèle discret.

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.

Ces travaux de thèse avaient pour but de proposer et d'étudier des hétérostructures multicouches originales, associant un matériau ferroélectrique et un diélectrique à faibles pertes, en vue de les intégrer dans des dispositifs hyperfréquences. Ces dispositifs électroniques nécessitent des matériaux avec une agilité élevée en tension accompagnée de pertes diélectriques faibles. L'étude s'est focalisée sur le matériau ferroélectrique KTa1-xNbxO3 (KTN) qui a récemment montré de fortes potentialités dans des dispositifs agiles et le matériau diélectrique relaxeur Bi1,5-xZn0,9-yNb1,5O7-d (BZN). Ces deux matériaux ont tout d'abord été étudiés séparément (caractérisations structurales, microstructurales et physiques). Les propriétés diélectriques ont été mesurées à basses fréquences (100 kHz) et à hautes fréquences (1 à 67 GHz) sur des films de KTN non-dopés et dopés par MgO. Une étude poussée du matériau BZN a montré une forte dépendance des propriétés optiques et diélectriques avec la microstructure des films. Finalement, l'association des deux matériaux, proposée pour la première fois, a été développée par deux méthodes de dépôt (PLD et CSD). Les mesures diélectriques des multicouches BZN/KTN/substrat ont montré une forte réduction des pertes diélectriques de 76% à basses fréquences et de 21% à hautes fréquences. Ces multicouches présentent une accordabilité d'environ 3% sous 22 kV/cm, supérieure à ce qui a pu être mesuré sur des couches minces ou multicouches à base d'autres matériaux ferroélectriques à champ électrique équivalent.