Ce travail de thèse concerne les structures artificielles à base de métamatériaux permettant la réalisation d’absorbants parfaits. Après une brève introduction des métamatériaux, de leur fonctionnement en tant qu’absorbants et de l’état de l’art, quatre types de structures fonctionnant en bandes centimétrique ou millimétrique ont été conçus puis fabriqués à savoir (i) des réseaux de cubes BaSrTiO3 (BST) basés sur les résonances de Mie, (ii) des réseaux désordonnés composés d’anneaux métalliques mettant en jeu des effets de résonance semblables aux systèmes plasmoniques (iii) des absorbants à quatre résonateurs élémentaires sur substrat flexible et (iv) des réseaux multicouches métal-diélectrique de forme pyramidale. Pour l’ensemble, des simulations numériques, corroborées par l’expérience en guide d’onde ou en espace libre, montrent l’existence d’un moment magnétique. Celui-ci est induit par une boucle des courants de déplacement et de conduction. Pour les structures périodiques, les conditions de grande largeur de bande d’absorption ont été établies sur la base du piégeage et de la dissipation de l’énergie incidente. Pour les réseaux désordonnés, il est montré le rôle capital des couplages entre résonateurs. Des structures périodiques à base de ferroélectrique de dimensions sous longueur d’onde ont été assemblées avec succès tandis que des absorbants flexibles ont été réalisés par technique d’impression jet d’encre montrant l’amélioration d’un facteur quatre de la bande d’absorption. Des améliorations comparables ont été obtenues à l’aide de réseaux d’anneaux, dont les positions dans le plan sont désordonnées, résultant de la distribution des fréquences de résonance par effet de couplage fort entre les résonateurs. / In this thesis broadband Metamaterial Perfect Absorbers (MPAs) have been investigated. Following a brief introduction of metamaterials, operating mechanisms and state of the art of MPA, four absorber types operating either at centimeter or millimeter wavelengths have been designed and fabricated namely :(i) Mie-resonance based BaSrTiO3 (BST) arrays operating at microwaves, (ii) plasmonic-type disordered ring-shaped MPA, (iii) four patches millimeter wave flexible absorbers (iv) Pyramidal metal/dielectric stacked resonator arrays. For all the structures, it was demonstrated, through numerical simulations, assessed by characterization in a waveguide configuration or in free space, that unit absorbance relies on magnetic resonances induced by a current loop combining displacement and conduction currents. For periodic arrays, the condition for a broad band operation was established via the optimization of dissipation and trapping of electromagnetic energy in the resonators. For disordered metamaterials, it was shown the major role played by the magnetic dipole-dipole interaction. From the technological side, Ferroelectrics cube arrays with subwavelength dimensions were assembled onto a metal plate while flexible multi-resonators periodic arrays were successfully fabricated by ink-jet printing showing a fourfold enhancement of the absorbance bandwidth thanks to the overlapping of resonance frequencies. Comparable improvement in the bandwidth was also pointed out with randomly position metal ring arrays due to the distribution of resonance frequencies that result from tight in-plane resonator coupling.

L’absorption des ondes électromagnétiques est un objectif suscitant beaucoup d’intérêt de nos jours notamment pour les applications en furtivité dans le domaine militaire, mais également dans le domaine civil pour limiter l’exposition aux signaux de communication sans fil et pour préserver l’intégrité des informations échangées. La conception d’absorbants pour le domaine des basses fréquences reste un challenge dans la mesure où l’épaisseur des objets est proportionnelle à la longueur d’onde, ce qui peut se traduire par des masses et des encombrements importants. Cette caractéristique est un facteur limitant, notamment pour la protection des équipements embarqués. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse est de concevoir des absorbants électromagnétiques à la fois large bande et le moins épais possible pour des faibles fréquences (typiquement entre 1 et 10 GHz). Dans un premier temps, nous avons cherché à comprendre le rôle des paramètres constitutifs des matériaux (permittivité et perméabilité complexe) dans l’absorption de l’onde. Nous avons ensuite décrit les efficacités d’absorption au sein d’une structure résonante par le biais du facteur de qualité. Sur ces bases de conception, nous avons proposé plusieurs types de structures absorbantes. La première repose sur la structuration d’un matériau composite ferromagnétique par ajout de motif métallique ou par détourage. Les motifs fractals (courbes de Moore) ont permis d’obtenir des largeurs de bandes relatives de l’ordre de 130 %, à 90 % d’absorption en puissance, autour de la fréquence de 7 GHz, avec une épaisseur faible devant la plus grande longueur d’onde absorbée. Les autres absorbants étudiés dans cette thèse présentent une structuration MIM (métal/ isolant/ métal) avec des résonateurs répartis aléatoirement. La distribution aléatoire du premier absorbant, dimensionné pour des fréquences voisines de 10 GHz, suit la loi de probabilité de Poisson où les résonateurs peuvent se superposer. Nous avons utilisé des outils mathématiques permettant de décrire la topologie de la distribution afin de relier la géométrie de l’absorbant à l’absorption de l’onde électromagnétique. Deux autres structures aléatoires, dimensionnées pour les longueurs d’ondes millimétriques, répartissent les résonateurs avec une condition de non contact. Nous montrons qu’une augmentation du nombre de résonateurs permet d’obtenir une absorption supérieure à 90 % avec un élargissement de bande. Enfin, nous avons mené une étude de prospective en vue d’étudier la réponse d’une métasurface aléatoire aux ondes électromagnétiques et acoustiques dans le domaine infrarouge. / Absorption of electromagnetic power arouses a lot of interest not solely for stealth applications in military domain, but also in civil life to reduce the exposure to wireless communication signals and to preserve the totality of exchanged information. Absorbers designing for low frequency domain remains a challenge since the object’s thickness has to be proportional to the working wavelength, which leads to significant mass and size. This characteristic is a limiting factor, especially for the on-board equipment protection. That is why the main objective of this thesis is to design a low-profile electromagnetic absorber specified for broadband operation at low frequency (typically between 1 and 10 GHz). First, we tried to deeply understand the role of materials’ constitutive parameters (complex permittivity and permeability) in the power absorption. Next we described the absorption efficiency by a resonant structure in terms of quality factor, thus introducing a balance condition. From this design rules, we proposed several types of absorbing structures. The first one is based on a ferromagnetic composite material structuration either by addition of metallic pattern or by etching technique. Fractals patterns (Moore’s curve) enabled to obtain a relative frequency bandwidth in the range of 130 %, for 90 % power absorption, around a frequency of 7 GHz, for a thickness which is a fraction absorbed wavelength. The other absorbers studied during this thesis display a MIM (metal/ isolator/ metal) structuration with randomly distributed resonators. The random distribution of the first absorber, sized for operating frequencies around 10 GHz, obeys the probability law of Poisson in which overlapping between resonators is allowed. We used some mathematical tools to describe the random distribution’s topology in order to link the absorber’s geometry to the electromagnetic power absorption characteristics. Two other random structures, dimensioned for millimeter wavelengths, distribute the resonators with a no contact condition. We showed that by increasing of density of the resonators, one can obtain an absorbance higher than 90 % with a bandwidth enhancement. Finally, we carried out a prospective study in order regarding a random metasurface which can behaves as a common platform for electromagnetic and acoustic waves in the infrared domain.

La radiogoniométrie consiste à mesurer l’angle d’incidence de signaux électromagnétiques. Elle a pour applications principales le contrôle du spectre et la guerre électronique. Dans le domaine des réseaux d’antennes pour la radiogoniométrie, de nouvelles problématiques sont apparues alors que les algorithmes de traitement d’antenne se perfectionnent. Ces dernières concernent la largeur de bande, la compacité et la diversité de polarisation. De précédents travaux ont initié la démarche de conception de telles antennes et réseaux pour la radiogoniométrie. L’objectif de ce travail de recherche a consiste en premier lieu a proposer une antenne de dimensions réduites opérant dans les bandes V/UHF et présentant une diversité de polarisation. Par la suite, il s’est agi de concevoir un réseau fonctionnel de radiogoniométrie intégrant l’antenne développe. Une antenne planaire de dimensions 150mm x 150mm (λ/4 x λ/4) a alors été conçue et réalisée entre 500 MHz et 3000 MHz. Sa mise en réseau permet des performances angulaires de l’ordre de 2° et moins sur la même bande pour des dimensions de 260mm (diamètre) x 150mm (hauteur) soit λ/2,3 x λ/4. Par la même occasion, un absorbant de faible épaisseur (25mm soit λ/24) a été développé et mesuré. Il permet une augmentation du rapport avant/arrière d’au moins 10dB de l’antenne développe sur sa bande de fonctionnement. / Radio direction finding (DF) allows for the measurement of the direction of arrival of incoming electromagnetic signals. Its main applications include spectrum monitoring and electronic warfare. DF antennas and arrays are subject to new problematics (bandwidth, compactness and polarization diversity) while DF algorithms have kept on improving. Previous works have initiated the design of such antennas and arrays. This work aims at designing an antenna with reduced dimensions for the VHF and UHF frequency bands and with a polarization diversity. This antenna shall then be integrated in a functional DF array. For this purpose, a planar antenna has been designed and measured in the 500-3000 MHz frequency band. Its final dimensions are 150mm x 150mm (λ/4 x λ/4). This antenna has then been integrated in the final DF array whose accuracy on the same frequency band is of the order of 2° for a final size of 260mm (diameter) x 150mm (height), that is λ/2,3 x λ/4. This study has also allowed for the design of a low-profile absorber (with a height of 25mm, that is λ/24 at its lowest frequency of operation). An increase of 10dB in the front to back ratio of the proposed antenna has been enabled by this absorber on its whole frequency band.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2006. / Notes bibliogr. Glossaire. Résumé en français et en anglais.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2006. / SIMO = Single input multiple output. Bibliogr. p. 167-187. Résumé en français et en anglais.

Le travail réalisé au cours de cette thèse, suite à l’initiative de Turbomeca, est une contribution à l’étude du bruit à large bande à l’échappement d’un turbomoteur d’hélicoptère, portant plus précisément sur la gamme de fréquences qui s’étend sur la gamme de fréquences qui s’étend de 100 à 5000 Hz. Contrairement au bruit à l’échappement des turboréacteurs d’avion sur lesquels le bruit de jet prédomine, ici ce dernier est négligeable en raison de la faible vitesse d’échappement des gaz. L’analyse des données disponibles à Turbomeca et une étude bibliographique approfondie ont permis de préciser la signature fréquentielle du bruit à large bande à l’échappement avec notamment trois contributions distinctes :- Le bruit de combustion direct généré au niveau de la chambre par la flamme (100-400 Hz)- Le bruit de la combustion indirect généré par la turbine haute-pression (500-800 Hz)- Le bruit de combustion indirect généré par la turbine libre (1-3 Hz)Le bruit de combustion indirect est issu de la déformation des perturbations tourbillonnaires et entropiques issues de la combustion lors de leur passage dans les turbines. Ce travail de thèse porte plus précisément sur ce mécanisme. Notamment, des essais sur une turbine industrielle ont été réalisés afin de mettre sa présence en évidence. En parallèle, un modèle analytique de type « disque d’action » (c’est-à-dire dans lequel la turbine est assimilée à une surface de discontinuité) a été développé. Ceci est justifié par le fait que les longueurs d’ondes (acoustique et aérodynamique) sont grandes devant les dimensions des aubes, notamment la corde axiale. On néglige ainsi la géométrie fine des aubes. Seule est prise en compte leur influence sur l’écoulement qui se traduit uniquement par l’accélération et/ou la déviation de ce dernier, et le changement des propriétés thermodynamiques correspondant. La difficulté de la modélisation réside dans l’écriture des relations de saut entre les grandeurs de l’écoulement en amont et en aval de la grille d’aubes. / This thesis work, carried out at the initiative of Turbomeca, focuses on the study of the turboshaft broadband exhaust noise. It aimed more specifically at the frequency range between 100 and 5000 Hz. Unlike turbojet exhaust noise, on which jet noise is the main contribution, jet noise is the main contribution, jet noise is negligible in our case due to low speed of gas ejection. Turbomeca database analysis and extensive literature review helped to clarify the broadband exhaust noise signature, including three distinct contributions :- Direct combustion noise generated by the flame (100-400 Hz)- Indirect combustion noise generated by the high pressure turbine (500-800 Hz)- Indirect combustion noise generated the power turbine (1-3kHz)The indirect combustion noise generation mechanism is the deformation of vorticity and entropy combustion perturbations in turbine stages. This work aimed specifically at the understanding and modelling of this mechanism. In particular, tests were performed on an industrial turbine in order to demonstrate its presence. In parallel, we developed an “action disc” analytical model (in which the turbine is considered as a discontinuity surface). Indeed, acoustic and aerodynamic wavelengths are large compared to the blades dimensions and the axial cord, so the fine geometry of blades is negligible. The blade influence of the flow leads exclusively to flow acceleration or deviation, along with its thermodynamic property changes. The main difficulty of this modelling is the writing of jump relations between upstream and downstream flow parameters.

Depuis plusieurs années, le domaine des télécommunications et des nouvelles technologies connaît un véritable essor. On assiste aujourd'hui à un engouement sans précédent du grand public pour les applications de communication multimédia (données, voix, photos, vidéos) et la demande est de plus en plus forte pour un transfert à haut débit entre des équipements communicants mobiles et à encombrement réduit. De plus, que le mode d'utilisation soit nomade ou sédentaire, les technologies radio sans fils (Bluetooth, WiFi, GPRS, UMTS, WiMax) connaissent un grand succès. Pour répondre à ces besoins croissants de communication sans fils à haut débit, les futures générations d'équipements vont faire appel à des antennes de plus en plus performantes. Celles-ci devront fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences ou sur une large bande. Mais elles devront aussi, pour des raisons pratiques et esthétiques, être intégrées aux systèmes radio, ce qui requiert la mise au point de structures compactes, discrètes et n'ayant pas de problèmes de compatibilité électromagnétique avec les circuits électroniques environnants. Pour répondre à ces différents objectifs, nous avons axé notre recherche sur les antennes tridimensionnelles qui offrent un grand nombre de degrés de liberté. Mais ces structures sont souvent complexes car elles comportent de nombreux paramètres. Afin de mieux les appréhender, nous proposons dans cette thèse d'élaborer une démarche de conception de ces antennes. Ainsi, nous commençons par l'étude systématique d'une antenne canonique constituée d'un dipôle placé à proximité d'une cavité métallique rectangulaire. L'effet des différents paramètres est analysé afin de mettre en évidence l'importance relative de chacun d'entre eux et de proposer ainsi une démarche de conception pour optimiser la bande passante et le rayonnement de l'antenne. Dans un deuxième temps, nous présentons la conception d'une antenne tridimensionnelle compacte, large bande et directive, l'antenne "sonde en F et triangle", qui offre l'avantage de présenter un diagramme de rayonnement stable en fréquence. Puis, fort de l'expérience acquise sur l'antenne dipôle, nous procédons de nouveau à une étude de l'influence sur l'impédance des différents paramètres de cette antenne complexe. Celle-ci permet d'élaborer une méthodologie de conception simple, rapide, efficace et générale. Nous pouvons ainsi optimiser l'antenne "sonde en F et triangle" et atteindre une bande passante en adaptation comprise entre 3.1 et 6.1 GHz. Le diagramme de rayonnement de cette antenne est stable sur la bande passante et le gain moyen de cette antenne est de 6 dB. Une caractérisation dans le domaine temporel est ensuite proposée afin de connaître le comportement de l'antenne dans une communication UWB. Enfin, l'antenne "sonde en F et triangle" est mise en cavité afin d'étudier ses propriétés lors de l'intégration dans un système radio. Des analogies et différences entre cette antenne complexe et le système {dipôle et cavité} sont également mises en évidence.

No description available.

Le convertisseur analogique-numérique fondé sur le principe de modulation SD est capable de fournir une très haute résolution. Bien qu'il nécessite un suréchantillonnage, il est peu sensible aux imperfections des composants. Le modulateur SD classique est donc très populaire pour les applications de bande étroite demandant une très haute résolution. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'extension des applications du modulateur SD vers une bande passante plus large. Nous avons tout d'abord étudié l'architecture parallèle basant sur la modulation SD et proposé une nouvelle architecture basant sur la modulation SD passe-haut et l'entrelacement temporel permettant de réduire de façon significative le problème caractéristique du parallélisme, à savoir la disparité entre les canaux. Nous avons ensuite étudié le modulateur SD passe-haut et proposé une implémentation en technique des capacités commutées. Ce nouveau modulateur, contrairement au modulateur classique, est complètement immune au bruit de basse fréquence et peut être utilisé non seulement dans une architecture parallèle, mais aussi de façon autonome. Nous avons aussi modélisé la plupart de non-idéalités du modulateur en VHDL-AMS pour finalement arriver à une méthodologie de conception descendante qui permet de dériver les spécifications de tous les blocs du circuit à partir de performance visée pour le système complet. L'implémentation d'un modulateur SD passe-haut d'ordre 2 et un convertisseur SD passe-haut en combinant avec l'entrelacement temporel a été réalisée en technologie CMOS 0,35 mm. Enfin, notre travail nous a permis de démontrer non seulement l'avantage du modulateur SD passe-haut, mais aussi un perspective prometteur du modulateur SD parallèle pour les applications de très large bande.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2005. / Bibliogr. p. 125-129. Résumé en français et en anglais.