Dans ce mémoire sont résumés mes travaux de recherche dans le domaine de la caractérisation large bande de fréquence. Après une présentation des techniques large bande, deux applications sont décrites : le cas du radar pour l'étude de la SER de cibles aériennes en vue de leur identification, et le cas des systèmes de radiocommunications, l'étude et la modélisation du canal de propagation. Ce mémoire se décompose donc en deux parties principales.<br />La première est consacrée au développement de systèmes radars HF – VHF à large bande de fréquence et à diversité de polarisation pour la classification et l'identification de cibles aériennes. Deux approches sont étudiées, une multifréquence et l'autre à balayage de fréquence. Dans un premier temps, les systèmes utilisant ces techniques, ainsi que leurs performances, sont décrits. Des exemples de mesures de SER d'avions non coopératifs sont présentés.<br />Les méthodes d'identification de cibles reposent généralement sur la comparaison de mesures à une base de données. Dans un second temps, les méthodes numériques utilisées pour la simulation de SER sont décrites et analysées. Dans un troisième temps, les méthodes d'identification développées sont présentées, discutées et illustrées par des résultats d'identification sur des cibles réelles.<br />Dans la deuxième partie sont regroupés mes travaux sur la caractérisation large bande de fréquence et la modélisation du canal de propagation. Les différents chapitres de cette partie s'organisent en fonction de la fréquence. On trouve tout d'abord la bande HF dans laquelle un modèle de prévisions de propagation a été développé afin d'évaluer le comportement large bande du canal. Différentes applications, telles que la réactualisation et la localisation à station unique, illustrent cette partie. Dans la bande UHF, des travaux ont été menés sur la caractérisation du canal de propagation radio-mobile et le développement de nouveaux outils de sondage.<br />Des campagnes de mesures ont été menées à l'aide d'un sondeur à corrélation glissante SIMO (Single Input – Multiple Output) en milieu urbain. La technique de mesure par balayage de fréquence a aussi été étudiée par le développement d'un nouveau sondeur, l'objectif étant de réaliser un équipement MIMO (Multiple Input – Multiple Output) permettant la mesure simultanée de tous les canaux de propagation.<br />Dans la bande EHF, le canal étudié concerne les applications des radars dans le domaine de l'automobile. Des mesures ont été réalisées et un modèle de propagation en est déduit. La caractérisation du canal s'est appuyée sur un analyseur de réseau vectoriel. La méthodologie est explicitée et des comparaisons entre les simulations et les mesures sont présentées.<br />La dernière partie conclut en effectuant un bilan provisoire de mes activités et en présentant les perspectives de mon travail sur la caractérisation à large bande de fréquence dans le domaine du radar et du sondage de canal. Enfin, une liste des mes publications, des différents encadrements, des contrats de recherche sur lesquels j'ai travaillé, de mes activités pédagogiques et administratives et des fonctions électives et autres responsabilités, est donnée.

Le réflectomètre six-portes est un dispositif de mesure en hyperfréquences qui permet de déterminer le facteur de réflexion d'un dispositif sous test (qui est directement lié avec son impédance d'entrée) ou alternativement de trouver le rapport en module et phase entre deux différents signaux. Ce type de mesure est utilisé très souvent dans le domaine des hyperfréquences, d'un coté dans les laboratoires pour caractériser des composants et de l'autre coté dans des applications comme les radars de sécurité pour les automobiles, les démodulateurs numériques ou le contrôle d'antennes adaptatives. <br /><P><br />L'un des avantages du réflectomètre six-portes par rapport aux autres systèmes qui mesurent les mêmes quantités est sa structure très simple : il s'agit essentiellement d'un circuit linéaire avec six accès dont quatre sont connectés à des détecteurs de puissance. Il est donc beaucoup plus facile à réaliser et moins coûteux que les autres types de système qui nécessitent généralement des composants plus sophistiqués comme par exemple des mélangeurs de bonne qualité. <br /><P><br />Après un calibrage du réflectomètre six-portes, il est possible de calculer le facteur de réflexion du dispositif sous test ou le rapport en module et phase entre deux signaux différents ainsi que des informations sur la précision de ces valeurs à partir des puissances mesurées par les quatre détecteurs. On peut donc dire que le calcul numérique à l'aide d'un ordinateur remplace le besoin de disposer d'un circuit de mesure très sophistiqué qui permet d'obtenir les résultats d'une manière plus directe. <br /><P><br />Malgré cet avantage considérable que présente la simplicité du circuit, les réflectomètres six-portes sont à ce jour surtout utilisés dans des laboratoires de métrologie en raison de la bonne précision des mesures qu'ils permettent de réaliser ; par contre, leur emploi dans des produits commercialisés est très faible et concerne principalement des applications très spécialisés. Il existe plusieurs raisons pour ce fait, entre autres la bande de fréquences assez réduite dans laquelle fonctionnent la plupart des réflectomètres six-portes, l'encombrement de certaines de ces structures qui contiennent souvent plusieurs coupleurs directifs, et aussi des problèmes qui peuvent apparaître dans la procédure de calibrage du système dans certaines situations. <br /><P><br />Dans cette thèse, nous présentons donc plusieurs développements pour résoudre ces problèmes afin de rendre possible une utilisation des réflectomètres six-portes à plus grande échelle dans des produits industriels. Il s'agit d'abord d'un algorithme de calibrage très robuste qui élimine les difficultés que pouvaient présenter dans certaines situations les algorithmes utilisés auparavant. Puis, nous avons développé un réflectomètre six-portes en technologie hybride à bas coût avec une surface de 20 cm² incluant les détecteurs de puissance, qui fonctionne sur une très large bande de fréquences, de 1.5 MHz à 2200 MHz. Finalement, nous présentons un réflectomètre six-portes que nous avons réalisé en technologie intégrée monolithique MMIC. Le circuit occupe une surface de 2.2 mm² incluant les détecteurs et fonctionne entre 1.3 GHz et 3.0 GHz. Ses meilleures caractéristiques se trouvent autour de la fréquence de 1.8 GHz, la fréquence de la nouvelle gamme de radiomobiles DCS 1800. <br /><P><br />Tous ces développements devraient beaucoup faciliter l'utilisation des réflectomètres six-portes dans des applications industrielles destinées à un grand public comme des radars de sécurité pour les automobiles ou des démodulateurs numériques pour les radiomobiles. Nous espérons que les résultats de notre travail aideront à convaincre un plus grand nombre de fabricants des avantages de ce dispositif encore relativement nouveau.

La polarimétrie consiste à étudier les transformations de polarisation d'une onde électromagnétique engendrées par un système physique. La réponse optique de ce système étant très sensible à l'état de polarisation de la lumière incidente ainsi qu'à sa longueur d'onde, une classe évoluée de polarimètres capables de mesurer la réponse polarimétrique d'un échantillon sur une large bande spectrale a vu le jour permettant ainsi d'accroître de façon conséquente le nombre d'informations le concernant. Nous avons mis au point un tel polarimètre capable de fonctionner avec une source impulsionnelle. Un grand soin a été porté à la réduction des erreurs systématiques grâce à l'utilisation d'un modèle original pour décrire les lames de phase utilisées. Cet étalonnage a débouché sur la réalisation d'un banc de caractérisation de lames de phase compensées. Une étude statistique nous a ensuite permis de minimiser et quantifier le résiduel d'erreurs inhérentes à une mesure. Mots clés : Polarisation, Polarimètre large bande, Formalisme de Stokes Mueller, Étalonnage, Erreurs systématiques et statistiques.

Cette thèse a fait partie du projet MIMOC (Méthodes d'Intégration et de Miniaturisation d'Objets Communicants) qui a été mené à terme en partenariat avec le laboratoire IM2NP de Marseille, la société InsightSiP à Sophia Antipolis et Orange Labs La Turbie. Le projet cible les systèmes de transmission par impulsions occupant une très large bande de fréquences (signaux Ultra Large Bande : ULB). Au sein de ce projet, les travaux de cette thèse ont été concentrés sur le développement, la miniaturisation et l'intégration des antennes dans des systèmes de communications ULB conformes aux normes Américaines (FCC :3.1-10.6 GHz) et Européennes (ECC : 6-8.5 GHz). Le développement d'une antenne consiste à en maîtriser les différents paramètres en analysant leurs influences sur l'adaptation et le rayonnement de celle-ci. Une étude préliminaire a permis de créer une base de données qui a été utilisée par la suite dans les différentes phases du projet afin de réadapter l'élément en fonction de l'évolution de son environnement. Un élément rayonnant imprimé constitué de plusieurs étages rectangulaires, alimenté par la ligne ground coplanaire (GCPW), adapté dans la bande de fréquence FCC, a servi de base d'étude. Cette antenne a été étudiée dans deux configurations correspondant à deux types d'applications : un format carte de crédit et un format clé USB, principalement distinguées par leur encombrement lié à la largeur des plans de masse. L'étude a débuté avec une structure à plan de masse large et a été suivie, dans une deuxième phase, par des travaux de miniaturisation. La miniaturisation consiste à réduire la largeur des plans de masse en modifiant la géométrie de la structure afin de conserver ses performances radioélectriques. Plusieurs techniques ont été étudiées, notamment la réduction de l'encombrement par repliements 2D et 3D. La technique la plus efficace fut celle basée sur l'insertion de découpes au niveau des plans de masse latéraux ainsi qu'au niveau des plans de masse inférieurs. Une bonne maîtrise des dimensions de ces encoches a permis d'obtenir une structure réduite d'un facteur 5 avec une bonne adaptation sur toute la bande de fréquences. Ces structures ont ensuite été réalisées et les prototypes ont été caractérisés. La caractérisation s'est déroulée lors de plusieurs campagnes de mesures au LEAT et à Orange Labs à La Turbie. Un banc de test a été entièrement développé et des mesures dans les domaines temporel et fréquentiel ont permis d'extraire les performances des antennes : gain, diagramme de rayonnement, réponse impulsionnelle, facteur de fidélité, etc. La capacité d'une transmission à travers ces prototypes a été vérifiée en environnement réel. Des débits allant jusqu'à 500Mbits/s ont été atteint. La troisième phase des travaux a consisté à modéliser une puce génératrice d'impulsions ULB et l'intégrer en l'assemblant avec l'antenne dans un système. Cette étude a été réalisée dans la bande ULB européenne ECC. Un nouvel élément imprimé et miniaturisé adapté dans cette bande de fréquences a du être conçu. La puce a totalement été modélisé et paramétrée de façon à ce qu'elle soit prise en compte lors de la conception du système. Le projet MIMOC a été achevé avec succès. Le bon partenariat avec tous les membres s'est avéré très constructif et a permis de réaliser le codesign de la partie "antenne" et de la partie "microélectronique". Suite à ces travaux, un autre projet qui consiste à développer des systèmes communicants en contact avec le corps humain (RUBY) vient de démarrer.

De par son approche nouvelle, la radio impulsionnelle ultra large bande (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses en termes de débit, de robustesse et de faible consommation. Du fait de sa largeur de bande (supérieure à 500 MHz), elle offre également la possibilité de faire de la géolocalisation avec une précision submétrique. Ce travail de thèse a débuté alors que les premières publications sur l'UWB présentaient des résultats de simulation extraordinaires. Afin de mieux cerner son réel potentiel dans le domaine des communications bas débit auquel l'UWB-IR semble particulièrement adaptée, cette étude a été orientée vers la réalisation matérielle d'une chaîne de communication, sous-tendue par la contrainte de forte réduction de complexité. Cette étude commence par la spécification d'une couche physique adaptée à la technologie et au domaine d'application envisagé, qui repose sur un schéma de transmission très simple. La plate-forme d'émission réalisée est basée sur une architecture très simple et des composants discrets de bas de gamme. Elle démontre ainsi la possibilité d'embarquer une telle structure dans un objet communicant autonome de faible coût. La chaîne de réception suit une approche originale basée sur un détecteur d'enveloppe et un comparateur à seuil variable, ce qui permet de relâcher certaines contraintes bloquantes comme celles liées à l'acquisition de synchronisation. Un ensemble d'algorithmes de réception à faible complexité permet d'exploiter au mieux cette structure de détection en levant différents verrous technologiques. Par ce travail, une réflexion globale sur un système UWB-IR bas débit a été menée et a abouti à la réalisation d'un lien radio physique qui démontre la viabilité technique de cette technologie en rupture. De plus, les résultats obtenus ont été la base d'une proposition complète portée en normalisation.

La technique ultra large bande (UWB) par impulsions consiste à émettre des impulsions de courte durée et de faible énergie offrant ainsi la possibilité de transmettre de l'information à de hauts débits et à faible coût. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux systèmes ultra large bande à accès multiple par répartition de codes de saut temporel (TH-UWB) dans un contexte asynchrone et dans un environnement de propagation à trajets multiples. Un récepteur rake a été mis en place. Nous avons calculé de manière analytique la variance de l'interférence multi-utilisateur (MUI) en sortie de ce récepteur. Ceci nous a permis d'identifier les paires dites optimales qui minimisent cette variance. Nous avons constaté qu'utiliser ces paires permet d'améliorer significativement le taux d'erreur binaire du système. Une démarche similaire a été appliquée aux systèmes DS-UWB et DS-CDMA, en effet ces systèmes s'expriment analytiquement de manière identique au système TH-UWB. Ainsi nous avons pu caractériser les paires optimales. Nous avons ensuite comparé les performances de ces différents systèmes lorsque la variance de la MUI est minimale. La variance de l'interférence entre symboles et entre trames (ISI / IFI) a été calculée analytiquement. Ceci nous a permis de dimensionner le récepteur rake et le temps de garde intelligemment. Nous avons également observé, en absence d'ISI / IFI et de bruit, un seuil sur la probabilité d'erreur. En modifiant légèrement le récepteur, nous avons éliminé ce seuil. Enfin nous avons établi les bornes de Cramer-Rao relatives à l'estimation des paramètres du canal (amplitudes et retards) en supposant que les trajets pouvaient se chevaucher.

Nombre d'applications nécessitent un lien de communication sans fil présentant une faible consommation électrique, sans requérir de débits élevés. La technologie basée sur la transmission de signaux impulsionnels UWB dispose de bonnes propriétés intrinsèques permettant non seulement d'envisager la mise en œuvre de solutions peu complexes au niveau de l'émetteur-récepteur, mais aussi d'exploiter à des fins de radiolocalisation la résolution temporelle inhérente à la largeur de bande disponible. Cette technologie a d'ailleurs été plébiscitée au sein du groupe IEEE 802.15.4a qui a été chargé de définir une couche physique alternative pour les WPAN bas débit. C'est dans ce contexte de recherche technologique et de normalisation que s'inscrivent ces travaux de thèse, avec pour objectif la définition d'une architecture de récepteur consommant peu, et compatible avec la norme en cours d'élaboration. En premier lieu, nous caractérisons les signaux UWB et développons un modèle d'impulsion prenant en compte les principaux paramètres de la couche physique intervenant dans la puissance rayonnée (largeur de bande, densité spectrale, fréquence de répétition des impulsions, etc.). Nous étudions ensuite l'influence du canal de propagation et modélisons de manière statistique plusieurs grandeurs nécessaires à l'établissement d'un bilan de liaison réaliste (distribution des amplitudes reçues, répartition de l'énergie, etc.). À la lumière de ces études, nous explorons et comparons différentes architectures de réception (performance, complexité, robustesse aux trajets multiples, etc). Enfin, la solution retenue, comprenant également un algorithme de synchronisation, est présentée en détails.

L'interférence est un phénomène présent dans de nombreux systèmes de communication et est souvent un sérieux frein à leur développement. Une gestion intelligente de ce phénomène est alors nécessaire, afin de limiter son impact négatif. Dans cette thèse, nous avons abordé trois sujets liés à sa présence. Dans la première partie, de façon à augmenter le débit de transmission dans les systèmes à ultra large bande basés sur des impulsions brèves, nous proposons d'attribuer plusieurs codes à saut temporel au même utilisateur. Ceci génère un nouveau type d'interférence associée aux codes supplémentaires alloués à l'utilisateur d'intérêt. Le bénéfice de ce type de stratégie n'étant pas immédiat, nous étudions l'impact de notre proposition sur les performances du système. Dans la deuxième partie, nous traitons le problème de l'optimisation de la probabilité de coupure dans un système multi-antennaire, soumis à un canal de Rice à évanouissement lent. Nous proposons d'optimiser cette probabilité dans le contexte à N antennes de transmission et une antenne de réception, lorsque le rapport signal-à-bruit est grand, et de l'améliorer dans le contexte à plusieurs antennes de transmission et plusieurs antennes de réception. Dans la dernière partie, nous étudions le problème de l'allocation de puissance dans un canal à interférence gaussien. En nous basant sur une nouvelle expression approchée de la capacité de ce canal et moyennant une modulation OFDM, nous proposons de développer un nouvel algorithme d'allocation de puissance qui améliore la région de débits atteignables, en comparaison avec une allocation uniforme et des schémas classiques de gestion dynamique du spectre.

Les nitrures d'éléments III et les alliages à base de ZnO, semi-conducteurs à large bande interdite étudiés au CRHEA, cristallisent dans la structure hexagonale wurtzite. Cette structure a la particularité d'être une structure polaire et les polarisations internes ont donc une forte influence sur les propriétés des hétérostructures à base de ces matériaux. Pour minimiser les effets de ces polarisations internes, un intense effort de recherche est mené sur l'étude d'hétérostructures fabriquées selon des orientations non- et semi-polaires. Cette étude est dédiée aux propriétés structurales de telles hétérostructures avec comme outil principal d'investigation la microscopie électronique en transmission. Les relations épitaxiales entre les films wurtzites et les substrats de saphir orientés R et M ont été déterminées. L'influence de ces relations épitaxiales sur les microstructures a été également mise ne évidence. Dans un second temps, les défauts structuraux présents ont été caractérisés en détail. Les densités de ces défauts sont très grandes et incompatibles avec l'utilisation de telles hétérostructures que ce soit pour la détermination fine des propriétés intrinsèques que pour leur utilisation dans des dispositifs optoélectroniques. Les procédés de croissance mis en place pour diminuer les densités de défauts seront présentés ainsi que les mécanismes permettant ces améliorations de la qualité cristalline.

Le premier chapitre de ce mémoire intitulé "Amplificateurs faible bruit accordés pour systèmes intégrés CMOS" s'intéresse aux méthodes de conception permettant l'intégration complète de l'amplificateur faible bruit d'une (LNA) depuis la gamme des radiofréquences jusqu'à la gamme des fréquences millimétriques. Ces travaux ont été menés dans le cadre de la Thèse de Mathieu Egels et dans le cadre d'une convention de recherche avec la société ST-Microélectronics financée par le Conseil Général des Bouches du Rhône. Le deuxième chapitre est intitulé "Amplificateurs bas niveau large bande pour systèmes intégrés CMOS". Ce chapitre présente les solutions que nous avons développées au laboratoire qui permettent de contrôler la bande passante des amplificateurs faible bruit pour systèmes intégrés destinés aux applications utilisant les normes UWB ainsi que des études plus prospectives sur l'amplification distribuée CMOS pour des applications à très grandes bandes passantes. Dans la dernière partie de ce chapitre nous décrivons nos travaux concernant la mise en boîtier des circuits et systèmes intégrés haute fréquence et large bande. Ces différents travaux ont été réalisés d'une part dans le cadre des Thèses de Mathieu Egels, et de Marc Battista, dans le cadre d'une convention de recherche avec la société ST-Microélectronics financée par le Conseil Général des Bouches du Rhône, et d'autre part dans le cadre de la thèse de Romen Cubillo avec le soutien de la plateforme conception du Centre Intégré de Microélectronique de la région PACA (CIMPACA). Le troisième chapitre "Convertisseurs RF/DC pour la téléalimentation haute fréquence en RFID" décrit nos activités de recherche concernant les circuits et architectures pour la télé-alimentation des circuits intégrés au moyen d'une onde électromagnétique. Les applications ciblées concernent essentiellement les étiquettes électroniques sans contact dans le domaine des fréquences UHF pour lesquelles nous avons développé des circuits et des architectures pour les technologies CMOS standard. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de la Thèse de Emmanuel Bergeret dans le cadre d'une convention de recherche avec la société ST-Microélectronics soutenue par le Conseil Général des Bouches du Rhône. Dans ce mémoire nous nous attacherons à décrire l'état de l'art des différents thèmes de recherche abordés et à situer nos travaux vis-à-vis de cet état de l'art. Le détail de nos travaux de recherche étant disponible dans les différents articles et thèses référencés, nous donnerons dans ce mémoire uniquement les grandes lignes de nos études et les principaux résultats obtenus.