Cette thèse a pour but d’étudier le principe d’un multiplexeur de sortie accordable pour la charge utile d’un satellite de télécommunication. La première étape consiste à analyser les principales topologies de multiplexeur de sortie utilisables et les comparer pour en retirer le meilleur candidat pour cette application. Par la suite, diverses études ont été menées sur des composants passifs imprimés en 3D plastique et métallisés de diverses manières, en cherchant à comprendre comment améliorer au mieux les résultats de ces prototypes. La dernière partie de ce manuscrit détaille la conception d’un multiplexeur à deux canaux pouvant être utilisé sur trois états différents en large bande à 19 GHz. Ces états sont créés par des bandes passantes relatives variant de 1,6 à 4,8 % et une réalisation de deux maquettes sert de preuves de concept et de performance (une en plastique métallisé et la seconde en aluminium usiné). / This thesis is about study of tunable output multiplexer principle for telecommunication satellite payload. The first step is analysis of the main topologies of output multiplexers and to compare them to conclude with the best candidate. Then, several studies were conducted on 3D plastic printed passive components with specific metallizations, searching how to improve results in term of losses and precision. Last part detailed two channels multiplexer design which can be used on three different states of relative bandwidth from 1.6 to 4.8 % at 19 GHz, and realization of two concept proof prototypes (one in metallized 3D printed plastic and another one in machined aluminum).

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur le développement d'une nouvelle architecture de transmission spécifiquement dédiée aux réseaux de capteurs sans fils et adaptée aux caractéristiques particulières de ceux-ci. L'approche, basée sur les techniques de radio impulsionnelle pour la transmission à large bande, est développée selon deux aspects de recherche principaux: fonctionnel et matériel. L'aspect fonctionnel vise à définir les caractéristiques du signal transmis ainsi que les algorithmes de traitement (modulation et démodulation) associés. Plus largement, il s'agit de définir l'architecture fonctionnelle de la chaîne de transmission, selon deux modes différents d'exploitation: mono-utilisateur et multi-utilisateurs. L'approche proposée pour transmettre des signaux impulsionnels, est basé sur l'emploi de la transformée discrète en paquets d'ondelettes (DWPT) au niveau du récepteur et de la transformée inverse au niveau de l'émetteur (IDWPT). La nature orthogonale des ondelettes permet de réaliser, sans nécessiter une couche MAC complexe, des communications multi-utilisateurs, simultanées ou non, sur un canal large bande, grâce à la forte discrimination entre les impulsions transmises. Le deuxième aspect porte sur le développement des architectures matérielles permettant l'implantation des algorithmes de traitement développés dans la partie fonctionnelle. La recherche de performances élevées (ratio élevé entre vitesse de traitement et coût matériel) et flexibilité (configurabilité, extensibilité), est particulièrement important dans les fonctionnalités liées aux transformées discrètes en paquets d'ondelettes qui constituent le cœur critique de la chaîne de transmission. Des techniques de parallélisation massive et générique sont développées et mises en œuvre, permettant d'atteindre les niveaux de performances et de flexibilité requis. La validation a été réalisée à l'aide respectivement de modélisations et imulations sous Simulink/Matlab (de MathWorks) pour les aspects fonctionnels et de modélisations VHDL (au niveau RTL [Register Transfer Level]) et d'implantations sur FPGA pour les aspects matériels / The thesis work presented in this manuscript focuses on the development of a new transmission architecture specifically dedicated to wireless sensor networks and adapted to the particular characteristics of the later. The approach, based on impulse radio techniques for wideband transmission, is developed according to two main research aspects: functional and hardware. The functional aspect aims at defining the characteristics of the transmitted signal as well as the associated processing algorithms (modulation and demodulation). More broadly, it comes to define the functional architecture of the transmission chain, according to two different operating modes: mono- and multi-user. The proposed approach for transmitting pulse signals is based on the use of the discrete wavelet packet transform (DWPT) at the receiver and the inverse transform (IDWPT) at the transmitter. The orthogonal nature of the wavelets makes it possible, without needing a complex MAC layer, to make multi-user communications, either simultaneous or not, over a wideband channel, thanks to the strong discrimination between the transmitted pulses. The second aspect relates to the development of hardware architectures allowing the implementation of the processing algorithms developed in the functional part. The search for high performance (high ratio between processing speed and hardware cost) and flexibility (configurability, extensibility) is particularly important in the functionality related to the discrete wavelet packet transform which constitutes the critical core of the transmission chain. Massive and generic parallelization techniques are developed and implemented to achieve the required levels of performance and flexibility. Validation was carried out using respectively Simulink/Matlab (MathWorks) modeling and simulation for the functional aspects, and VHDL modeling (at the Register Transfer Level -- RTL) and FPGA implementations for the hardware aspects

Ce travail porte sur la conception de réseaux large bande à double polarisation basées sur des antennes spirales d'Archimède. Ces antennes sont connues pour avoir une bande passante très large. Mais, dans un réseau, la bande passante est diminuée du fait de l'apparition de lobes de réseaux. Pour que le réseau fonctionne à double polarisation, il est nécessaire d'utiliser des éléments de polarisations opposées, ce qui accroit encore la distance entre les éléments possédant la même polarisation. Ceci fait ainsi apparaître les lobes de réseaux à des fréquences inférieures par rapport au cas à mono polarisation. Dans ce travail, une méthode analytique a été développée pour estimer la bande passante des réseaux d'antennes spirales. Cette méthode a montré que la bande passante maximale d'un réseau à distribution spatiale uniforme est d'environ une octave pour le cas à mono polarisation et inexistant pour le cas à double polarisation. Pendant la validation de la méthode d'estimation quelques résonances ont été observées. Des explications de ce phénomène sont présentées, ainsi que des possibles solutions. Pour élargir la bande passante du réseau, nous montrons qu'il est possible d'utiliser en même temps les deux tendances actuelles de conception de réseaux d'antennes large bande. En utilisant deux techniques issues de ces deux tendances, nous avons pu réaliser un réseau présentant une bande passante de 6:1. Des perspectives sont aussi présentées. / This work focuses on the design of wideband dual polarized arrays using spiral antennas. These antennas are known for having wideband properties. But, due to the presence of the grating lobes, the bandwidth is decreased when using an array instead of a single antenna. In order to obtain a dual polarized array, it is needed to use elements of opposite polarization, which creates great distances between same polarization elements, meaning an earlier presence of the grating lobes. In this work, an analytic method was developed to estimate the bandwidth of the spiral arrays. This method showed that the maximum bandwidth of uniform spiral arrays is about an octave, for the mono-polarized case, and nonexistent for the dual polarized case. Working on the validation of the method, some resonances were observed. Explanations are presented, as well as possible solutions. Trying to expand the bandwidth of the array, it was found that it is possible and suitable to use at the same time the two current design paradigms for wideband arrays. Using this idea, a 6:1 bandwidth concentric rings array using connected spirals was achieved. Perspectives are also presented.

La technologie ultra large bande impulsionnelle améliore la précision des systèmes de localisation en intérieur, en limitant les perturbations potentielles liées aux multi-trajets. Une nouvelle norme, destinée aux situations d’urgence, relève le niveau d’émission de puissance de 20 dB, afin de faciliter la localisation au travers d’obstacles épais et l’intervention des secours. Cette thèse s’est attelée à la conception d’un amplificateur conforme à cette norme. Après un état de l’art des amplificateurs de puissance ultra large bande existants, plusieurs circuits sont conçus : une cellule de puissance pour atteindre les niveaux de puissance requis en sortie, et une cellule pré amplificatrice qui fournit un apport de gain. Enfin, un système d’amplification de puissance à polarisation contrôlée exploitant la nature impulsionnelle du signal est proposé. La limitation de l’activation de l’amplificateur à la seule manifestation d’une impulsion permet de réduire drastiquement l’impact énergétique du PA sur un système de localisation. / The use of impulse radio (IR) ultra-wideband (UWB) technology for indoor localization systems both improves signal accuracy and reduces disturbances from multipath. A new standard for emergency situations requires the design of a higher output power UWB power amplifier (PA) as the usual maximum output power has been raised by 20 dB in order to allow the signal to pass through thick obstacles, thus helping rescue operations. First, a UWB PA state of the art is presented, and the design of both a power cell and a driver cell are detailed, to achieve the required output power level and additional gain, respectively. Finally, a bias controlled amplification system is described, taking advantage of the IR profile of the UWB signal. The PA is activated only for pulse occurrences, reducing drastically its power consumption.

La production de champs électromagnétiques intenses semble être, aujourd'hui, une application majeure des systèmes générateurs de fortes puissances électriques pulsées. La simplicité de mise en œuvre d'une solution « tout électrique » permet des adaptations expérimentales et une maintenance aisée, ce qui en fait un choix technologique privilégié. Dans ce contexte, nous avons développés, avec l'appui de THALES, deux sources impulsionnelles subnanosecondes récurrentes fondées sur l'utilisation de générateurs haute tension à fronts raides de type Marx, et des diviseurs capacitifs adaptés à la mesure de ces transitoires rapides en haute tension. Chacune de ces sources pulsées compactes est pilotée par un chargeur autonome et est associée à une antenne d'émission ultra large bande pour former un dispositif d'émission d'ondes de forte puissance. En collaboration avec le laboratoire XLIM, une antenne à ondes progressives existante a été modifiée pour supporter les fortes puissances mises en jeu. Les deux dispositifs d'émission complets ainsi constitués ont été caractérisés. Les facteurs de mérite (produit de l'amplitude du champ rayonné par la distance à laquelle il est mesuré) atteints sont de 223kV pour le premier dispositif et 436kV pour le second.

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

Depuis les premiers travaux publiés en 2004, le graphène est obtenu par trois principales techniques, l'exfoliation, le dépôt chimique en phase vapeur et la graphitisation du carbure de silicium. Seules les deux dernières sont adaptées aux technologies standards de la microélectronique. Une autre méthode est étudiée dans ce travail, consistant à faire croître le graphène par épitaxie par jets moléculaires. Le SiC a été utilisé comme substrat du fait du faible désaccord de maille avec le graphène et de sa compatibilité avec les processus technologiques. La croissance de graphène a été obtenue avec succès sur les deux faces du SiC, à partir d'une source de carbone solide. La gamme de température utilisable est restreinte du fait de l'amorphisation ou de la graphitisation. La structure du graphène dépend fortement de la face du SiC considérée, de façon analogue à ce qui est obtenu par graphitisation (plan d'interface riche en C et empilement graphite sur la face Si, absence de couche d'interface et plans tournés et découplés électroniquement sur la face C). Les bandes de valence ont été mesurées en spectroscopie de photoélectrons résolue angulairement, et présentent la dépendance linéaire caractéristique du graphène aux points de Dirac. Cependant, la présence de défauts dans le matériau induit une forte réduction de la mobilité électronique. Cette dernière a été améliorée en réalisant la croissance épitaxiale sous un flux de Si externe, à plus haute température.

L'idée que nous avons développé dans ce travail est de faire usage d'une commande électrique unique pour modifier à la fois les propriétés diélectrique et magnétique de nanomatériaux contenus dans le dispositif hyperfréquence. Pour cela, nous cherchons à exploiter le concept de propriété produit, dont un exemple est donné par l'effet magnétoélectrique (ME). Si l'on considère un mélange de deux phases condensées en contact, la première étant magnétostrictive et la seconde piézoélectrique, alors l'application d'un champ magnétique externe sur la phase magnétostrictive génère un champ de contrainte mécanique locale activant la piézoélectricité et ainsi fait apparaître un gradient de potentiel. En d'autres termes, la magnétoélectricité conduit à une variation de la permittivité par l'application d'un champ magnétique externe, et par commutativité, à une dépendance de la perméabilité magnétique sous l'action d'un gradient de potentiel. Les nanostructures granulaires présentent de nombreux avantages par rapport aux céramiques, aux couches minces et aux matériaux monophasés. La faible conductivité, l'absence d'interdiffusion et de réactions chimiques parasites dues au frittage, l'absence de substrat, la conservation de l'échelle nanométrique, la facilité et le faible coût du protocole d'élaboration de ces NCs en font des matériaux de choix pour la réalisation d'un effet ME en vue de proposer des dispositifs hyperfréquences originaux. Le fait saillant de ce travail a été de mettre en évidence un couplage magnétoélectrique (ME) dans des nanocomposites (NCs) granulaires biphasiques dans le domaine micro-onde à température ambiante. L'usage de la résonance ferromagnétique (RFM-LMB) sur une large gamme de fréquences (6-28 GHz) et de spectroscopie micro-onde (100 MHz-6 GHz) combiné à une étude du transport électronique et à l'utilisation de plusieurs sondes morphologiques nous a permis de corréler les propriétés dynamiques de l'aimantation, les paramètres électromagnétiques des matériaux, et les informations microstructurales au coefficient ME.

Cette thèse s'est déroulée dans les laboratoires de FTR&D des sites de Belfort et d'Issy les Moulineaux, dans le cadre de l'école doctorale de l'ENST. Les travaux ont porté sur des aspects bande étroite et bande large du canal de propagation radiomobile dans le contexte particulier de la macrodiversité. Ils se sont répartis entre des expérimentations et des études plus théoriques visant justement à préparer ces expérimentations ou à en exploiter les résultats. Lors des phases de communications les plus critiques d'une transmission radiomobile, par exemple lorsque le mobile se trouve en bordure de cellule , on a tout intérêt à relier le mobile simultanément à plusieurs stations. Cela s'appelle la macrodiversité. Cette technique est inhérente au fonctionnement des systèmes radiomobiles de nouvelle génération. On parle ainsi de plus de 40% de mobiles en situation de macrodiversité dans le système CDMA. La mise en œuvre de l'algorithme de handover qui gère la macrodiversité, et les performances même de la macrodiversité, peuvent dépendre de l'affaiblissements moyens sur les différentes voies, voire des affaiblissements rapides ou des profils de réponses impulsionnelles instantanées. D'où l'importance de bien savoir caractériser les phénomènes de propagation dans ce contexte, ce qui constitua l'objectif prioritaire de cette thèse, même si certains résultats ont pu aussi être utilisés à d'autres fins. Nous avons d'abord entrepris des études bande étroite, qui se sont articulées autour de simulations et de mesures. Elles nous ont aidé à élaborer un modèle informatique très complet des masques, intégrant à la fois leurs propriétés d'inter et d'autocorrélation. Ce modèle a ensuite été porté sur différents environnements de calcul. Il permet de restituer avec plus de réalisme les masques lors de simulations systèmes. Nous avons complété ces études par des études large bande, qui nous ont amené à proposer des améliorations sur le sondeur et à définir de nouveaux protocoles de mesure. Nous avons ainsi breveté une méthode de mesure large bande en macrodiversité, méthode dont on pourrait s'inspirer pour effectuer, de façon plus générale, de l'identification de canal. Nous avons également mené une réflexion sur les séquences utilisées dans les sondeurs à compression d'impulsion et sur les moyens de les optimiser.

Ce rapport de thèse présente des nouvelles méthodes d'émission et de réception basées sur les transmissions ULB pour les canaux à antennes multiples. Pour les systèmes ULB il devient excessivement difficile de récupérer l'information de phase et les codes espace-temps existants ne peuvent pas être appliqués. Pour résoudre ce problème, nous proposons la construction de nouvelles familles de codes espace-temps pour les systèmes ULB impulsionnels. Dans un premier temps, les outils mathématiques basés sur les algèbres cycliques de division ont été adaptés pour la construction d'un schéma de codage totalement réel. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une autre famille de codes basée sur l'introduction du codage conjoint symbole-impulsion. Finalement, nous proposons des nouvelles constructions spécifiques aux modulations de positions ou aux modulations conjointes de position et d'amplitude. Ces constructions permettent d'obtenir une famille de code présentant les meilleures performances parmi tous les schémas de codage espace-temps ULB existant dans la littérature. Dans certains cas, cette famille de codes totalement réels satisfait toutes les contraintes de construction des codes parfaits. Enfin, nous nous sommes intéressés à des constructions de codes distribués pour les systèmes ULB coopératifs. Nous présentons des nouvelles techniques de coopération pour les stratégies type "amplify-and-forward" et "decode-and-forward". Nous présentons une analyse analytique, semi-analytique et numérique des solutions proposées sur des canaux ULB sélectifs en fréquence. Nous présentons aussi des schémas pratiques de transmission, réception et décodage des systèmes multi-antennes ULB.