De nos jours, la croissance du trafic d’informations entraine un développement technologique spectaculaire dans le domaine des télécommunications, qu'il s'agisse de réseau cellulaire, télévision, satellite, WIFI ou autres applications. Cette révolution a engendré d'énormes besoins et suscite une évolution technologique prodigieuse dans le domaine de la conception des antennes. Ces dernières se doivent de répondre aux différentes exigences, telles que la diminution de l’encombrement et des interférences électromagnétiques, la robustesse à l’environnement proche, l'augmentation du gain, l'élargissement de la bande passante, l’intelligence, etc. Les travaux menés dans cette thèse s’orientent surtout vers la conception de nouvelles topologies d’antennes simples, à faible encombrement, intelligentes, insensibles à l’environnement, large et ultra large bande… Notre intérêt s’est porté sur les antennes à résonateurs diélectriques (ARD). Dans le domaine de l’internet des objets, nous avons conçu et réalisé une antenne filtre, à base d’une jonction fente-résonateur diélectrique de forme rectangulaire en vue d’une intégration dans les dispositifs dédiés à ces applications. Pour des applications liées à la télémétrie, et plus précisément les compteurs intelligents, nous avons conçu et réalisé une antenne à base d’un résonateur diélectrique de forme cylindrique. Ces antennes intégrées dans des dispositifs où les sources de perturbations sont très présentes, ont montré une grande robustesse et une insensibilité à leur proche environnement. Par ailleurs, nous avons proposé deux nouvelles topologies d’antennes larges et ultra larges bandes. La première est un anneau cylindrique, constitué de quatre quartiers avec deux permittivités différentes. Un gap d’air a été introduit séparant le résonateur en deux. Cette structure innovante, confère à notre antenne une large bande et des caractéristiques de rayonnement stables. Cette antenne a servi comme élément de base pour proposer une antenne réseau agile en diagramme de rayonnement. La seconde, est dans la continuité de la première structure pour laquelle nous avons adopté une nouvelle technique d’alimentation ainsi qu’une diminution des dimensions du plan de masse. L’antenne obtenue propose alors des caractéristiques adaptées à des applications ultra large bande. / Nowadays, the constant increase of information traffic leads to a spectacular technological development in the field of telecommunications, whether it is cellular network, television, satellite, WIFI or other applications. This revolution is creating new needs and is inspiring a phenomenal technological evolution in the field of antenna design. Modern antennas in fact must meet increasingly harder requirements in terms of compactness, electromagnetic interference reduction, robustness to environment, increased gain, broadband bandwidth, intelligence, etc. The work carried out in this thesis mainly focuses on the design of new simple antenna topologies of small size, intelligent, insensitive to environment, broad and ultra-wide band. In particular, our interest focused on antennas based on Dielectric Resonators (DRs). In the field of the Internet of Things (IoT), we designed and realized a high-Q filter antenna based on a slot loaded rectangular dielectric resonator suitable for integration in compact IoT devices. We also designed and characterized an antenna based on a cylindrical shaped dielectric resonator (CDR). This antenna, which has been proposed to be integrated in smart meter devices, where interference sources are very present, has shown a great robustness to the surrounding environment. In addition, we proposed two new broadband and ultra-wideband antenna topologies. The first one is based on a cylindrical ring resonator, divided in four quarters characterized by two different permittivities. An air gap was inserted separating the resonator in two parts. This innovative structure gives our antenna a wide band behavior and stability in terms of radiation pattern. This structure has been used in an array configuration to achieve a reconfigurable radiation pattern. Starting from this work, the second antenna achieves an ultra-wideband behavior by adopting a new feeding technique as well as a reduced ground plane.

La radiogoniométrie joue un rôle crucial dans diverses applications, aussi bien civiles que militaires, liées soit à la radionavigation ou à la radiolocalisation. La plupart des antennes de goniométrie opèrent sur une large bande de fréquences, mais seule une minorité d’entre elles permettent l'estimation de la direction d’arrivée d’un champ électromagnétique incident sur une couverture angulaire 3-D (c.-à-d., l’estimation à la fois des angles d’azimut et d’élévation). Une approche originale permettant d’obtenir une couverture angulaire 3-D consiste à mesurer les six composantes d’un champ électromagnétique incident à l’aide d’une antenne dite vectorielle. L'objectif de cette thèse est de concevoir une antenne vectorielle passive, compacte et large bande afin de couvrir un maximum d'applications. Deux antennes vectorielles ont été conçues, fabriquées et caractérisées expérimentalement. \`A la différence d'une topologie conventionnelle, elles permettent de mesurer les composantes d'un champ électromagnétique incident grâce à la reconfigurabilité en diagramme de rayonnement d'un arrangement original d'antennes Vivaldi. Le premier prototype est monté sur un support métallique fini et permet l'estimation de la direction d'arrivée de champs électromagnétiques polarisés verticalement sur une bande passante de 1.69:1 tandis que le second peut être utilisé quelle que soit la polarisation des champs électromagnétiques incidents sur une bande passante de 8:1. De plus, les performances de goniométrie de ces antennes vectorielles ont été améliorées du point de vue de la précision, de la sensibilité, de la robustesse face aux ambiguïtés angulaires et aux erreurs de dépolarisation en synthétisant de nouveaux diagrammes de rayonnement dans le processus d'estimation. Une méthode basée sur la borne de Cramer-Rao a été élaborée afin de sélectionner efficacement et rapidement les diagrammes de rayonnement supplémentaires. / Direction finding plays a crucial role in various civilian and military applications, related to either radionavigation or radiolocation. Most of the direction finding antennas operate over a wide frequency band, but only a minority of them enable the direction of arrival estimation of an incoming electromagnetic field over a 3-D angular coverage (i.e., estimation of both azimuth and elevation angles). An original approach to obtain a 3-D angular coverage consists in measuring the six components of the incident electromagnetic field through a so-called vector antenna. The aim of this Ph.D. is to design a passive, compact and wideband vector antenna in order to cover a maximum of applications. Two vector antennas have been designed, manufactured and experimentally characterized. Unlike conventional topology, they enable the measurement of the components of an incoming electromagnetic field thanks to the radiation pattern reconfigurability of an original arrangement of Vivaldi antennas. The first prototype is mounted over a finite metallic support and enables the direction of arrival estimation of vertically-polarized electromagnetic fields over a 1.69:1 bandwidth while the second one can be used regardless of the polarization of the incoming electromagnetic fields over a 8:1 bandwidth. Moreover, the direction finding performances of these vector antennas have been improved in terms of estimation accuracy, sensitivity, robustness to angular ambiguity and polarization mismatch by synthesizing new radiation patterns in the estimation process. A method based on the Cramer-Rao lower bound has been proposed to select efficiently and rapidly the additional radiation patterns

Le problème de l'adaptation d'impédance en ingénierie des hyper fréquences et en électronique en général consiste à minimiser la réflexion de la puissance qui doit être transmise, par un générateur, à une charge donnée dans une bande de fréquence. Les exigences d'adaptation et de filtrage dans les systèmes de communication classiques sont généralement satisfaites en utilisant un circuit d'adaptation suivi d'un filtre. Nous proposons ici de concevoir des filtres d'adaptation qui intègrent à la fois les exigences d'adaptation et de filtrage dans un seul appareil et augmentent ainsi l'efficacité globale et la compacité du système. Dans ce travail, le problème d'adaptation est formulé en introduisant un problème d'optimisation convexe dans le cadre établi par la théorie de d'adaptation de Fano et Youla. De ce contexte, au moyen de techniques modernes de programmation semi-définies non linéaires, un problème convexe, et donc avec une optimalité garantie, est obtenu. Enfin, pour démontrer les avantages fournis par la théorie développée au-delà de la synthèse de filtres avec des charges complexes variables en fréquence, nous examinons deux applications pratiques récurrentes dans la conception de ce type de dispositifs. Ces applications correspondent, d'une part, à l'adaptation d'un réseau d'antennes dans le but de maximiser l'efficacité du rayonnement, et, d'autre part, à la synthèse de multiplexeurs où chacun des filtres de canal est adapté au reste du dispositif, notamment les filtres correspondant aux autres canaux. / The problem of impedance matching in electronics and particularly in RF engineering consists on minimising the reflection of the power that is to be transmitted, by a generator, to a given load within a frequency band. The matching and filtering requirements in classical communication systems are usually satisfied by using a matching circuit followed by a filter. We propose here to design matching filters that integrate both, matching and filtering requirements, in a single device and thereby increase the overall efficiency and compactness of the system. In this work, the matching problem is formulated by introducing convex optimisation on the framework established by the matching theory of Fano and Youla. As a result, by means of modern non-linear semi-definite programming techniques, a convex problem, and therefore with guaranteed optimality, is achieved. Finally, to demonstrate the advantages provided by the developed theory beyond the synthesis of filters with frequency varying loads, we consider two practical applications which are recurrent in the design of communication devices. These applications are, on the one hand, the matching of an array of antennas with the objective of maximizing the radiation efficiency, and on the other hand the synthesis of multiplexers where each of the channel filters is matched to the rest of the device, including the filters corresponding to the other channels.

Les systèmes de communications sans fils actuels imposent des contraintes très sévères en termes de la capacité du canal, la qualité de transmission tout en gardant les niveaux d'interférences et multi-trajets assez faibles. De telles contraintes ont rendu les antennes multifaisceaux un élément essentiel dans ces systèmes. Parmi les techniques permettant de réaliser une antenne multifaisceaux (sans avoir recours aux systèmes à balayages électroniques), un réseau d'antennes élémentaires est associé à un réseau d'alimentation (une matrice) à formation de faisceau (Beam Forming Network-BFN). Parmi les différents types de ces matrices, la matrice de Butler a reçu une attention particulière. Ceci est dû au fait qu'elle est théoriquement sans pertes et qu'elle emploie un nombre minimum de composants (coupleurs et déphaseurs) afin de générer l'ensemble de faisceaux orthogonaux demandé (avec l'hypothèse que le nombre de faisceau est une puissance de 2). Néanmoins, la matrice de Butler a un problème de conception majeur. Ce problème réside dans la structure de la matrice qui renferme des croisements ce qui a été adressé par différents travaux de recherches dans la littérature. Les Guide Intégré au Substrat (GIS) offrent des caractéristiques intéressants pour la conception des composants microondes et millimétriques faciles à intégrer sur un même support avec d'autres composants planaires. Les composants à base de GIS combinent les avantages des guides d'ondes rectangulaires, comme leur grand facteur de qualité Q, leur faibles pertes tout en étant compatible avec les technologies à faibles coûts comme le PCB et le LTCC. Vus ses caractéristiques attrayants, la technologie GIS devient un bon candidat pour la réalisation des matrices multifaisceaux faciles à intégrer avec d'autres systèmes en technologies planaires ou à base de guide GIS. Dans cette thèse, de nouveaux composants passifs sont développés en exploitant la technologie GIS en multicouches en vue de la réalisation d'une matrice de Butler 4x4 compacte et large bande. Les composants recherchés sont donc des coupleurs et des déphaseurs ayant des performances large bande en termes des amplitudes des coefficients de transmissions et les phases associés tout en gardant de faibles niveaux de pertes et de bonnes isolations. Différents techniques pour l'implémentation de déphaseurs large bande en technologie GIS sont présentés. Une nouvelle structure à base d'une propagation composite : main gauche main droite (Composite Right/Left- Handed, CRLH) dans un guide d'onde est proposée. La structure consiste d'un guide d'onde monocouche ayant des fenêtres inductives et des fentes transversales à réactances capacitives pour synthétiser l'inductance parallèle et la capacité série main gauche, respectivement. La structure est adaptée pour les réalisations de déphaseurs compacts en technologie GIS. Bien que les pertes d'insertions restent dans le même ordre de grandeur de celles des structures CRLH à base d'éléments non-localisés, ces niveaux de pertes restent relativement grands par rapport aux applications nécessitant plusieurs déphaseurs. Les déphaseurs à bases de GIS ayant des longueurs égales et des largeurs variables sont ensuite abordés. Ce type de déphaseur est effectivement très adapté à la technologie GIS qui permet des réalisations de parcours avec différentes formes (parcours droits, courbés, coudés, ..) tout en assurant des différences de phase large bande. Afin de satisfaire de faibles pertes d'insertions pour une large dynamique de phase, la longueur de ces déphaseurs est en compromis avec les variations progressives des différentes largeurs associées aux valeurs de déphasages requises. Une transition large bande, double couche et à faible perte est ainsi proposée. La transition est analysée à partir de son circuit électrique équivalent afin d'étudier les performances en termes de l'amplitude et la phase du coefficient de transmission par rapport aux différents paramètres structurels de la transition. Cette transition est ensuite exploitée pour développer un déphaseur à trois couches, large bande, en GIS. La structure consiste effectivement d'un guide d'onde replié à plusieurs reprises sur luimême selon la longueur dans une topologie trois couches à faibles pertes. De nouveaux coupleurs double couche en GIS sont également proposés. Pour les applications BFNs, une structure originale d'un coupleur large bande est développée. La structure consiste de deux guides d'onde parallèles qui partagent leur grand mur ayant une paire de fentes inclinées et décalées par rapport au centre de la structure. Une étude paramétrique détaillée est faite pour étudier l'impact des différents paramètres des fentes sur l'amplitude et la phase du coefficient de transmission. Le coupleur proposé a l'avantage d'assurer une large dynamique de couplage ayant des performances larges bandes en termes des amplitudes et les phases des coefficients de transmission avec de faibles pertes et de bonnes isolations entre le port d'entré et celui isolé. D'autre part, contrairement à d'autres travaux antérieurs et récents qui souffraient d'une corrélation directe entre la phase en transmission et le niveau de couplage, la structure proposée permet de contrôler le niveau de couplage en maintenant presque les mêmes valeurs de phase en transmission pour différents niveaux de couplage. Ceci le rend un bon candidat pour les BFNs déployant différents coupleurs telle la matrice de Nolen. Une deuxième structure originale d’un coupleur bibande est également proposée. La structure consiste de deux coupleurs concentriques en guide nervuré intégré au substrat avec un motif innovant de démultiplexage à base de GIS. Ce coupleur a été développé conjointement avec M. Tarek Djerafi de l’Ecole Polytechnique de Montréal dans un cadre de collaboration avec le Prof. Ke Wu. Finalement, pour l'implémentation de la matrice de Butler, la topologie double couche est explorée à deux niveaux. Le premier consiste à optimiser les caractéristiques électriques de la matrice, tandis que le second concerne l'optimisation de la surface occupée afin de rendre la matrice la plus compacte possible sans dégrader ses performances électriques. D'une part, la structure double couche présente une solution intrinsèque au problème de croisement permettant ainsi une plus grande flexibilité pour la compensation de phase sur une large bande de fréquence. Ceci est réalisé par une conception adéquate de la surface géométrique sur chaque couche de substrat et optimiser les différentes sections de GIS avec les différents parcours adoptés. La deuxième étape consiste effectivement à optimiser la surface sur chaque couche en profitant de la technologie GIS. Ceci consiste à réaliser des murs latéraux communs entre différents chemin électrique de la matrice en vue d'une compacité optimale. Les deux prototypes de matrices de Butler 4x4 sont optimisés, fabriqués et mesurés. Les résultats de mesures sont en bon accord avec ceux de la simulation. Des niveaux d'isolations mieux que - 15 dB avec des niveaux de réflexions inférieurs à -12 dB sont validés expérimentalement sur plus de 24% de bande autour de 12.5 GHz. Les coefficients de transmission montrent de faibles dispersions d'environ 1 dB avec une moyenne de -6.8 dB, et 10° par rapport aux valeurs théoriques, respectivement, sur toute la bande de fréquence. / Multibeam antennas have become a key element in nowadays wireless communication systems where increased channel capacity, improved transmission quality with minimum interference and multipath phenomena are severe design constraints. These antennas are classified in two main categories namely adaptive smart antennas and switched-beam antennas. Switched-beam antennas consist of an elementary antenna array connected to a Multiple Beam Forming Network (M-BFN). Among the different M-BFNs, the Butler matrix has received particular attention as it is theoretically lossless and employs the minimum number of components to generate a given set of orthogonal beams (provided that the number of beams is a power of 2). However, the Butler matrix has a main design problem which is the presence of path crossings that has been previously addressed in different research works. Substrate Integrated Waveguide (SIW) features interesting characteristics for the design of microwave and millimetre-wave integrated circuits. SIW based components combine the advantages of the rectangular waveguide, such as the high Q factor (low insertion loss) and high power capability while being compatible with low-cost PCB and LTCC technologies. Owing to its attractive features, the use of SIW technology appears as a good candidate for the implementation of BFNs. The resulting structure is therefore suitable for both waveguide-like and planar structures. In this thesis, different novel passive components (couplers and phase shifters) have been developed exploring the multi-layer SIW technology towards the implementation of a two-layer compact 4×4 Butler matrix offering wideband performances for both transmission magnitudes and phases with good isolation and input reflection characteristics. Different techniques for the implementation of wideband fixed phase shifters in SIW technology are presented. First, a novel waveguide-based CRLH structure is proposed. The structure is based on a single-layer waveguide with shunt inductive windows (irises) and series transverse capacitive slots, suitable for SIW implementations for compact phase shifters. The structure suffers relatively large insertion loss which remains however within the typical range of non-lumped elements based CRLH implementations. Second, the well-known equal length, unequal width SIW phase shifters is discussed. These phase shifters are very adapted for SIW implementations as they fully exploit the flexibility of the SIW technology in different path shapes while offering wideband phase characteristics. To satisfy good return loss characteristics with this type of phase shifters, the length has to be compromised with respect to the progressive width variations associated with the required phase shift values. A twolayer, wideband low-loss SIW transition is then proposed. The transition is analyzed using its equivalent circuit model bringing a deeper understanding of its transmission characteristics for both amplitude and phase providing therefore the basic guidelines for electromagnetic optimization. Based on its equivalent circuit model, the transition can be optimized within the well equal-length SIW phase shifters in order to compensate its additional phase shift within the frequency band of interest. This twolayer wideband phase shifter scheme has been adopted in the final developed matrix architecture.This transition is then exploited to develop a three-layer, multiply-folded waveguide structure as a good candidate for compensated-length, variable width, low-loss, compact wideband phase shifters in SIW technology. Novel two-layer SIW couplers are also addressed. For BFNs applications, an original structure for a two-layer 90° broadband coupler is developed. The proposed coupler consists of two parallel waveguides coupled together by means of two parallel inclined-offset resonant slots in their common broad wall. A complete parametric study of the coupler is carried out including the effect of the slot length, inclination angle and offset on both the coupling level and the transmission phase. The first advantage of the proposed coupler is providing a wide coupling dynamic range by varying the slot parameters allowing the design of wideband SIW Butler matrix in two-layer topology. In addition, previously published SIW couplers suffer from direct correlation between the transmission phase and the coupling level, while the coupler, hereby proposed, allows controlling the transmission phase without significantly affecting the coupling level, making it a good candidate for BFNs employing different couplers, such as, the Nolen matrix. A novel dual-band hybrid ring coupler is also developed in multi-layer Ridged SIW (RSIW) technology. This coupler has been jointly developed with Tarek Djerafi in a collaboration scenario with Prof. Ke Wu from the Ecole Polytechnique de Montréal. The coupler has an original structure based on two concentric rings in RSIW topology with the outer ring periodically loaded with radial, stub-loaded transverse slots. A design procedure is presented based on the Transverse Resonance Method (TRM) of the ridged waveguide together with the simple design rules of the hybrid ring coupler. A C/K dual band coupler with bandwidths of 8.5% and 14.6% centered at 7.2 GHz and 20.5 GHz, respectively, is presented. The coupler provides independent dual band operation with low-dispersive wideband operation. Finally, for the Butler matrix design, the two-layer SIW implementation is explored through a two-fold enhancement approach for both the matrix electrical and physical characteristics. On the one hand, the two-layer topology allows an inherent solution for the crossing problem allowing therefore more flexibility for phase compensation over a wide frequency band. This is achieved by proper geometrical optimization of the surface on each layer and exploiting the SIW technology in the realization of variable width waveguides sections with the corresponding SIW bends. On the other hand, the two-layer SIW technology is exploited for an optimized space saving design by implementing common SIW lateral walls for the matrix adjacent components seeking maximum size reduction. The two corresponding 4×4 Butler matrix prototypes are optimized, fabricated and measured. Measured results are in good agreement with the simulated ones. Isolation characteristics better than -15 dB with input reflection levels lower than -12 dB are experimentally validated over 24% frequency bandwidth centered at 12.5 GHz. Measured transmission magnitudes and phases exhibit good dispersive characteristics of 1dB, around an average value of -6.8 dB, and 10° with respect to the theoretical phase values, respectively, over the entire frequency band.

Les systèmes radio impulsionnelle Ultra large bande (IR-ULB), de part la nature de leurs signaux et de leurs architectures, montrent des caractéristiques intéressantes pour concurrencer les technologies existantes (Zigbee, Bluetooth et RFID) pour certaines applications nécessitant un faible coût et une faible consommation de puissance. Dans ce contexte cette thèse évalue les potentialités des systèmes IR-ULB pour la réalisation d’objets communicants miniatures.En utilisant une technologie "System In Package" (SiP), des objets communicants ULB prototype intégrant une ou plusieurs puces CMOS et une antenne ULB directement réalisée sur le boîtier sont présentés dans la thèse. Les transitions entre le circuit imprimé et les puces sont réalisées avec des fils d'interconnexion ("wirebonding"). Les points d'étude de la thèse se focalisent particulièrement sur la mise en boîtier d'une puce ULB et sur la conception sur silicium de la tête radio fréquence d'un système ULB. La réalisation d'une interconnexion faible cout par "wirebonding" entre un circuit intégré ULB et son support est problématique aux fréquences utilisées en ULB (3-10 GHz) en raison des éléments parasites importants limitant sa bande passante. Pour obtenir une transition ne dégradant pas les signaux ULB, plusieurs méthodologies d’interfaçage sont proposées permettant de réaliser sans augmentation notable de cout une transition large bande entre le circuit intégré et le circuit imprimé du boîtier. L'intégration en technologie CMOS standard des éléments principaux constituant la tête radio fréquence d'un système ULB impulsionnel (LNA, détecteur d'impulsions et générateurs d'impulsions) est étudiée. L'intérêt d'un co-design entre le silicium et le circuit imprimé lors de la conception de ces éléments est mis en avant. L'intégration ainsi que la miniaturisation du système final dans une technologie SIP sont également présentées. / Due to the nature of their signals and their architectures, Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) systems show interesting features to compete with existing technologies (Zigbee, Bluetooth and RFID UHF) for low cost and low power applications. In this context, this thesis evaluates the potential of UWB systems for the realization of miniature communication devices.The thesis presents UWB communicating devices realized with a System in Package (SiP) technology. Devices incorporate one or several CMOS chips and an antenna directly printed on the board (PCB). Transitions between the PCB and the chips are made with standard wire bonds. The thesis especially focuses on packaging of UWB dice and on the design of UWB front end radio frequency.Due to important parasitic elements limiting its bandwidth, wire bonds transition is problematic for UWB applications (3-10 GHz). This thesis proposes several methodologies to interface integrated circuit and PCB to obtain a broadband transition without increasing cost production. The integration in standard CMOS technology of main components comprising the UWB radio frequency front end (LNA, pulse detector and pulse generator) is studied. The interest of a co-design between silicon and PCB to design these elements is pointed up. Integration and miniaturization of the final system in a SIP technology are also presented.

Les circuits de récupération d'horloge et de données sont nécessaires au bon fonctionnement de plusieurs systèmes de communication sans fil. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse concernent le développement de ces circuits avec d'une part la réalisation, en technologie HCMOS9 0,13 μm de STMICROELECTRONICS, de circuits CDR analogiques à 1 et 54 Mbit/s, et d'autre part, la mise en œuvre de fonctions CDR numériques programmables à bas débit. Un circuit CDR fonctionnant à plus bas débit (1 Mbit/s) a été conçu dans le cadre de la gestion d'énergie d'un récepteur ULB impulsionnel non cohérent. Ces deux structures ont été réalisées à l'aide de PLL analogiques du 3ème ordre. Un comparateur de phase adapté aux impulsions issues du détecteur d'énergie a été proposé dans cette étude. Les circuits ont ensuite été dimensionnés dans le but d'obtenir de très bonnes performances en termes de jitter et de consommation. En particulier, les performances mesurées (sous pointes) du circuit CDR à 1 Mbit/s permettent d'envisager une gestion d'énergie efficace (réduction de plus de 97% de la consommation du récepteur). Dans le cadre d'une chaîne de télémesure avion vers sol, deux circuits CDR numériques ont également été réalisés durant cette thèse. Une PLL numérique du second degré a été implémentée en vue de fournir des données et une horloge synchrone de celles-ci afin de piloter une chaîne SOQPSK entièrement numérique. Un circuit ELGS a également mis au point pour fonctionner au sein d'un récepteur PCM/FM. / Clock and data recovery circuits are required in many wireless communication systems. This thesis is about development of such circuits with: firstly, the realization, in HCMOS9 0.13 μm of STMICROELECTRONICS technology, of 1 and 54 Mb/s analog CDR circuits, and secondly, the implementation of programmable digital circuits at low rates. In the aim of an impulse UWB transceiver dealing with video transmission, a CDR circuit at 54 Mb/s rate has been realized to provide clock signal synchronously with narrow pulses (their duration is about a few nanoseconds) from the energy detector. Another CDR circuit has been built at 1 Mb/s rate in a non-coherent IR- UWB receiver power management context. Both circuits have been implemented as 3rd order analog PLL. In this work, a phase comparator suitable for “RZ low duty cycle” data from the energy detector has been proposed. Circuits have been sized to obtain very good performances in terms of jitter and power consumption. Particularly, measured performances of the 1 Mb/s CDR circuit allow to plan an efficient power management (a decrease of more than 97% of the receiver total power consumption). In the context of a telemetry system from aircraft to ground, two digital CDR circuits have also been implemented. A second order digital PLL has been adopted in order to provide synchronous clock and data to an SOQPSK digital transmitter. Also, a digital ELGS circuit has been proposed to work in a PCM/FM receiver. For both CDR structures, the input signal rate is programmable and varies globally from 1 to 30 Mb/s.

Le convertisseur analogique-numérique (ADC), fait fonction d’interface entre les domaines de représentation analogique et numérique des systèmes mixtes de traitement du signal.Il est un élément central en cela que ses performances circonscrivent celles des traitements numériques qui lui succèdent et a fortiori celles de son dispositif hôte. C’est notamment le casdes récepteurs radioélectriques numériques à large bande instantanée. De fait, ces systèmes voient leurs performances de dynamiques instantanées monotonale (DTDR) et bitonale (STDR)– i.e. leur capacité à traiter simultanément des composantes de faible puissance en présence d’une ou plusieurs autres composantes de plus forte puissance – limitées par la linéarité de leur ADC.Ce dernier caractère est quantifié par les performances de dynamique sans raies parasites (SFDR)et distorsion d’intermodulation (IMD) d’un ADC.Les critères de DTDR et de STDR sont essentiels pour les récepteurs radios numériques de guerre électronique conçus pour le traitement des signaux de radiocommunications. En effet, ces dispositifs sont employés à l’établissement de la situation tactique de l’environnement électromagnétique à des fins de support de manoeuvres militaires. La fidélité de la représentation numérique du signal analogique reçu est donc critique. Ainsi, cette thèse vise à étudier la linéarisation des ADC, i.e. l’augmentation des SFDR et IMD, en vue de l’amélioration des dynamiques instantanées de ces récepteurs.Dans ce manuscrit, nous traitons cette problématique selon deux axes différents. Le premier consiste à corriger les distorsions introduites par un ADC au moyen de tables de correspondances(LUT) pré-remplies. À cette fin, nous proposons un algorithme de remplissage de LUT procédant d’une méthode de la littérature par la réduction de moitié du nombre de coefficients à déterminer pour estimer la non-linéarité intégrale (INL) d’un ADC. Sur la base de cette nouvelle méthode,nous développons une approche de correction des non-linéarités dynamiques introduites par un ADC reposant sur une paire de LUT statiques et présentons un exemple d’algorithme permettant de l’opérer. Le second axe du manuscrit repose sur la modélisation comportementale de l’ADC par les séries de Volterra à temps discrets et leurs dérivés. En premier lieu, nous considérons les trois problématiques fondamentales de cette approche de linéarisation : la modélisation ;l’identification de modèle ; et l’inversion de modèle. Puis, nous définissons trois solutions de linéarisation d’ADC aveugles. Enfin, nous analysons l’implémentation sur circuits à réseaux logiques programmables (FPGA) de l’un de ces algorithmes afin d’évaluer la pertinence d’uneopération en temps-réel des échantillons de sortie d’un ADC échantillonnant à une fréquence d’environ 400 MHz. / The analog-to-digital converter (ADC) is a central component of mixed signal systems as the interface between the analog and digital representation spaces. Its performance bounds that of the device it is integrated in. Indeed, ADC linearity is essential for maintaining in the digital space the reliability of its input signal and then that of the information it carries.Wideband digital radio receivers are particularly sensitive to ADC non-linearities. Single-tone and dual-tone dynamic range (respectively STDR and DTDR) of such systems – i.e. the abilityto process simultaneously signal components with high power ratio – are limited by the spurious free dynamic range (SFDR) and intermodulation distortion (IMD) of their internal ADC.DTDR et de STDR are key metrics for electronic warfare wideband digital radio receivers developed for radiocommunication signal processing. As a matter of fact, these equipments are employed for analyzing the tactical situation of the radiofrequency spectrum in order to support military maneuvers. Hence, signal integrity is critical. This thesis deals with the ADC linearization issue in this context. Thus, it aims to study techniques for increasing ADC SFDRand IMD for the purpose of improving dynamic ranges of electronic warfare wideband digitalr eceivers.In this dissertation, the problematic of ADC linearization is approached in two different ways.On the one hand, we consider distortion compensation using pre-filled look-up tables (LUT). Wepropose an algorithm for filling LUTs that stems from an existing method by halving the numberof coefficients required for the integral non-linearity (INL) estimation. Then, based on this new method, we develop an approach for correcting ADC dynamic non-linearities using a couple ofstatic LUTs and we present an example of algorithm for operating this method. On the other hand,we study linearization solutions that rely on behavioural modelling of ADCs using discrete-time Volterra series and its derivatives. First, we address the three fundamental issues of this approach:modelling ; model identification ; and model inversion. Then, we propose three blind linearization algorithms. Finally, we consider the implementation on field programmable gate array (FPGA) of one of them for the purpose of evaluating the relevance of real-time linearization of an ADC sampling at about 400 MHz.

Dans ce travail de thèse, nous proposons d'utiliser la technologie ULB pour établir un nouveau système de communication haut débit Radio Impulsionnelle (IR-ULB), basé sur un nouveau schéma de modulation nommé M-OAM (M-Orthogonal Amplitude Modulation) et les formes d'ondes orthogonales MGF (Modified Gegenbaeur Function). Ce système est dédié aux applications sans fil à courte portée, notamment les communications multimédia et le transport intelligent (ITS). Les modulations M-OAM proposées, sont évaluées sous le canal AWGN et les canaux ULB à trajets multiples à savoir IEEE.802.15.3a et IEEE.802.15.4a. Les résultats de simulation montrent que la performance du système proposé, en terme de taux d'erreur binaire (BER), est du même ordre que celle des modulations ULB traditionnelles. En outre, les modulations M-OAM offrent un très haut débit de données avec une faible complexité d'implémentation. En effet, la conception d'un tel système doit certes fournir un très haut débit mais aussi servir un grand nombre d'utilisateurs simultanément avec une bonne qualité de service. Dans cette optique, une nouvelle technique d'accès multiple DS-MGF-OAM est proposée. Ce système multi-utilisateur fait usage de la technique DS-ULB et l'orthogonalité des impulsions MGF pour permettre une communication efficace avec un nombre maximal d'utilisateurs. Néanmoins, l'effet de trajets multiples réduit la qualité de la transmission. Ainsi, la contribution de deux architectures de réception dans l'amélioration des performances est étudiée, à savoir le récepteur RAKE et l'égaliseur MMSE (Minimum Mean Square Error). Cette étude montre que le système de communication M-OAM offre de bonnes performances en terme de qualité de services (QoS). Après l'étape de simulation, les résultats expérimentaux des systèmes proposés dans les environnements réelles sont analysés et discutés. Dans la dernière partie de ce document, nous avons réalisé un prototype de traitement en temps réel sur une plateforme FPGA, offrant des temps de calcul à 3GHz grâce à des algorithmes parallélisables sur des architectures re-configurables. / In this thesis, we propose to use the UWB technology to establish a new communications system Impulse Radio (IR-UWB), based on a new modulation scheme called M-OAM (Orthogonal M-Amplitude Modulation) and orthogonal waveforms MGF (Modified Gegenbauer Function). This system is dedicated to the short-range wireless applications, especially multimedia communications and intelligent transportation (ITS). The proposed modulations M-OAM, are evaluated under the AWGN channel and UWB multipath channel namely IEEE.802.15.3a and IEEE.802.15.4a. Simulation results show that the performance of the proposed system in terms of bit error rate (BER) is the same as that of traditional UWB modulations. In addition, M-OAM modulations offer the highest data rate with low complexity of implementation. Indeed, the design of a such system should certainly provide a very high speed but also serve a large number of concurrent users with good quality of service. In this context, a new multiple access technique DS-MGF-OAM is proposed. This multi-user system makes use of the DS-UWB technology and orthogonal pulses MGF to enable effective communication with a maximum number of users. However, the multi-path effect reduces the quality of the transmission. Thus, the contribution of two receiver architectures in performance improvement is studied, namely the RAKE receiver and MMSE (Minimum Mean Square Error) equalizer. This study shows that the M-OAM communication system offers good performance in terms of quality of service (QoS). Following the simulation step, the experimental results of the proposed systems in real environments are analyzed and discussed. In the last part of this document, we performed a real-time protoptype on an FPGA platform, offering calculation time of 3GHz through parallelizable algorithms on reconfigurable architectures.

Dans ce travail de thèse, nous présentons nos travaux qui portent sur l’identification des cibles en général par un radar Ultra-Large Bande (ULB) et en particulier l’identification des cibles dont la surface équivalente radar est faible telles que les piétons et les cyclistes. Ce travail se décompose en deux parties principales, la détection et la reconnaissance. Dans la première approche du processus de détection, nous avons proposé et étudié un détecteur de radar ULB robuste qui fonctionne avec des données radar 1-D (A-scan) à une dimension. Il exploite la combinaison des statistiques d’ordres supérieurs et du détecteur de seuil automatique connu sous le nom de CA-CFAR pour Cell-Averaging Constant False Alarm Rate. Cette combinaison est effectuée en appliquant d’abord le HOS sur le signal reçu afin de supprimer une grande partie du bruit. Puis, après avoir éliminé le bruit du signal radar reçu, nous implémentons le détecteur de seuil automatique CA-CFAR. Ainsi, cette combinaison permet de disposer d’un détecteur de radar ULB à seuil automatique robuste. Afin d’améliorer le taux de détection et aller plus loin dans le traitement, nous avons évalué l’approche des données radar 2-D (B-Scan) à deux dimensions. Dans un premier temps, nous avons proposé une nouvelle méthode de suppression du bruit, qui fonctionne sur des données B-Scan. Il s’agit d’une combinaison de WSD et de HOS. Pour évaluer les performances de cette méthode, nous avons fait une étude comparative avec d’autres techniques de suppression du bruit telles que l’analyse en composantes principales, la décomposition en valeurs singulières, la WSD, et la HOS. Les rapports signal à bruit -SNR- des résultats finaux montrent que les performances de la combinaison WSD et HOS sont meilleures que celles des autres méthodes rencontrées dans la littérature. A la phase de reconnaissance, nous avons exploité les données des deux approches à 1-D et à 2-D obtenues à partir du procédé de détection. Dans la première approche à 1-D, les techniques SVM et le DBN sont utilisées et évaluées pour identifier la cible en se basant sur la signature radar. Les résultats obtenus montrent que la technique SVM donne de bonnes performances pour le système proposé où le taux de reconnaissance global moyen atteint 96,24%, soit respectivement 96,23%, 95,25% et 97,23% pour le cycliste, le piéton et la voiture. Dans la seconde approche à 1-D, les performances de différents types d’architectures DBN composées de différentes couches ont été évaluées et comparées. Nous avons constaté que l’architecture du réseau DBN avec quatre couches cachées est meilleure et la précision totale moyenne peut atteindre 97,80%. Ce résultat montre que les performances obtenues avec le DBN sont meilleures que celles obtenues avec le SVM (96,24%) pour ce système de reconnaissance de cible utilisant un radar ULB. Dans l’approche bidimensionnelle, le réseau de neurones convolutifs a été utilisé et évalué. Nous avons proposé trois architectures de CNN. La première est le modèle modifié d’Alexnet, la seconde est une architecture avec les couches de convolution arborescentes et une couche entièrement connectée, et la troisième est une architecture avec les cinq couches de convolution et deux couches entièrement connectées. Après comparaison et évaluation des performances de ces trois architectures proposées nous avons constaté que la troisième architecture offre de bonnes performances par rapport aux autres propositions avec une précision totale moyenne qui peut atteindre 99,59%. Enfin, nous avons effectué une étude comparative des performances obtenues avec le CNN, DBN et SVM. Les résultats montrent que CNN a les meilleures performances en termes de précision par rapport à DBN et SVM. Cela signifie que l’utilisation de CNN dans les données radar bidimensionnels permet de classer correctement les cibles radar ULB notamment pour les cibles à faible SER et SNR telles que les cyclistes ou les piétons. / In this thesis work, we focused on the study and development of a system identification using UWB-Ultra-Wide-Band short range radar to detect the objects and particularly the vulnerable road users (VRUs) that have low RCS-Radar Cross Section- such as cyclist and pedestrian. This work is composed of two stages i.e. detection and recognition. In the first approach of detection stage, we have proposed and studied a robust UWB radar detector that works on one dimension 1-D radar data ( A-scan). It relies on a combination of Higher Order Statistics (HOS) and the well-known CA-CFAR (Cell-Averaging Constant False Alarm Rate) detector. This combination is performed by firstly applying the HOS to the received radar signal in order to suppress the noise. After eliminating the noise of the received radar signal, we apply the CA-CFAR detector. By doing this combination, we finally have an UWB radar detector which is robust against the noise and works with the adaptive threshold. In order to enhance the detection performance, we have evaluated the approach of using two dimensions 2-D (B-Scan) radar data. In this 2-D radar approach, we proposed a new method of noise suppression, which works on this B-Scan data. The proposed method is a combination of WSD (Wavelet Shrinkage Denoising) and HOS. To evaluate the performance of this method, we performed a comparative study with the other noise removal methods in literature including Principal Component Analysis (PCA), Singular Value Decomposition (SVD), WSD and HOS. The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the final result has been computed to compare the effectiveness of individual noise removal techniques. It is observed that a combination of WSD and HOS has better capability to remove the noise compared to that of the other applied techniques in the literature; especially it is found that it allows to distinguish efficiency the pedestrian and cyclist over the noise and clutters whereas other techniques are not showing significant result. In the recognition phase, we have exploited the data from the two approaches 1-D and 2-D, obtained from the detection method. In the first 1-D approach, Support Vector Machines (SVM) and Deep Belief Networks (DBN) have been used and evaluated to identify the target based on the radar signature. The results show that the SVM gives good performances for the proposed system where the total recognition accuracy rate could achieve up to 96,24%. In the second approach of this 1-D radar data, the performance of several DBN architectures compose of different layers have been evaluated and compared. We realised that the DBN architecture with four hidden layers performs better than those of with two or three hidden layers. The results show also that this architecture achieves up to 97.80% of accuracy. This result also proves that the performance of DBN is better than that of SVM (96.24%) in the case of UWB radar target recognition system using 1-D radar signature. In the 2-D approach, the Convolutional Neural Network (CNN) has been exploited and evaluated. In this work, we have proposed and investigated three CNN architectures. The first architecture is the modified of Alexnet model, the second is an architecture with three convolutional layers and one fully connected layer, and the third is an architecture with five convolutional layers and two fully connected layers. The performance of these proposed architectures have been evaluated and compared. We found that the third architecture has a good performance where it achieves up to 99.59% of accuracy. Finally, we compared the performances obtained using CNN, DBN and SVM. The results show that CNN gives a better result in terms of accuracy compared to that of DBN and SVM. It allows to classify correctly the UWB radar targets like cyclist and pedestrian.

Les travaux portent sur les multiplexeurs optiques fonctionnant à mi-IR pour la source à large bande dans l'application de détection de gaz. Deux configurations ont été étudiées: réseau de guides d'onde (AWG) et réseau concave planaire (PCG). Premièrement, le principe du fonctionnement a été compris afin de développer une solution analytique pour le champ de sortie en utilisant une approximation gaussienne du champ et de l'optique de Fourier. Ensuite, un outil de simulation semi-analytique de la réponse spectrale pour les deux configurations de multiplexeur a été développé dans MATLAB. La distribution normale des erreurs de phase a été introduite dans le modèle semi-analytique AWG, ce qui nous a permis d'étudier la corrélation entre l'écart-type des erreurs de phase et le niveau de diaphonie de la réponse spectrale AWG. AWG à 5,65 μm a été fabriqué à partir de la technologie SiGe / Si à l'aide de l'outil MATLAB pour le calcul des paramètres de conception et de l'outil P.Labeye pour le calcul de la géométrie AWG. Les dispositifs avec des paramètres légèrement variables ont été caractérisés: AWG1 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 9 μm; AWG2 avec guides d'ondes de 4,6 μm et MMI de 11 μm; AWG3 avec guides d'ondes de 4,8 μm et MMI de 9 μm. Des mesures des dispositifs sur la puce 36 (centre de la plaquette) et sur la puce 32 (côté de la plaquette) ont été effectuées et analysées. Les mesures de température de AWG2 et AWG3 (puce 32 et puce 36) aux points cinq points de température ont montré une dépendance linéaire du déplacement spectral avec la température qui a une bonne corrélation avec les prédictions de simulation. / The work focuses on optical multiplexers operating in mid-IR for broadband source in gas sensing application. Two configurations were studies – arrayed waveguide grating (AWG) and planar concave grating (PCG). First, principle of operation was understood in order to develop analytical solution for output field using Gaussian approximation of the field and Fourier Optics. Then, semi-analytical simulation tool of the spectral response for both multiplexer configurations was developed in MATLAB. Normal distribution of phase errors was introduced to semi-analytical AWG model, which allowed us to study the correlation between standard deviation of phase errors and the level of crosstalk of AWG spectral response. AWG at 5.65 µm was fabricated based on SiGe/Si technology using the MATLAB tool for design parameters calculation and P.Labeye’s tool for AWG geometry calculation. Devices with slightly varying parameters were characterized: AWG1 with 4.6 µm waveguides and 9µm MMI; AWG2 with 4.6 µm waveguides and 11µm MMI; AWG3 with 4.8 µm waveguides and 9µm MMI. Measurements of devices on chip 36 (center of the wafer) and chip 32 (side of the wafer) were performed and analyzed. Temperature measurements of AWG2 and AWG3 (chip 32 and chip 36) at points five temperature points showed linear dependence of spectral shift with the temperature which has a good correlation with simulation predictions.