Depuis 2002, différentes bandes de fréquences de plusieurs GHz dites « Ultra-Large Bande » (ULB), généralement comprises entre 3,1GHz et 10,6GHz, ont été libérées de par le monde pour la transmission d’informations sans fil. La largeur de ces bandes est telle qu’il devient envisageable d’utiliser des impulsions comme support de l’information en lieu et place d’une porteuse modulée comme cela est le cas habituellement. En effet, le spectre d’une impulsion étant inversement proportionnel à sa durée, une large plage de fréquences est requise pour la transmission d’informations via des impulsions. Cependant, il devient possible d’accroitre les débits en rapprochant les impulsions émises lorsque ceci est nécessaire, tout en offrant la possibilité d’éteindre les circuits et donc réduire la consommation lorsque deux impulsions sont suffisamment éloignées dans le temps.Le travail de recherche de cette thèse est dans ce contexte de proposer une structure d’émetteur impulsionnel reconfigurable disposant d’un contrôle suffisamment fin pour s’adapter aux différents canaux des standards IEEE 802.15.4 et 802.15.6 et ce, en n’utilisant que des circuits numériques pour les besoins des applications faibles coût. Pour cela, une étude théorique sur la mise en forme des impulsions requises est faite. Puis, il est question de la conception des différentes fonctions nécessaires à la mise en œuvre d’un émetteur impulsionnel reconfigurable, telles qu’un oscillateur contrôlé en tension pour la bande 3,1GHz-10,6GHz à démarrage rapide et que le circuit de mise en forme des oscillations associé. / Since 2002, various frequency bands of several GHz called "Ultra-WideBand" (UWB), generally between 3,1GHz and 10,6GHz, were liberalized in the world for wireless data transmission. The width of these bands is that it becomes possible to use pulses instead of a modulated carrier to transmit data. Indeed, as the spectrum of a pulse is inversely proportional to its duration, a wide range of frequencies is required for the transmission of information via pulses. However, it becomes possible to increase the rates by moving closer the emitted pulses when this is necessary, while providing the ability to switch off the circuits and thus reduce power consumption when two pulses are sufficiently far in time.To standardize the use of UWB frequency bands, standards such as IEEE 802.15.4 and 802.15.6 standards have emerged and have chosen to cut these frequency bands in channels of 500MHz and more. The aim of this thesis is also to propose a reconfigurable pulse transmitter structure with a fine enough control to address the different channels of IEEE 802.15.4 and 802.15.6 standard and, using only digital circuits to target low cost applications. For this, a theoretical study on the shaping of pulses required is made. Then it comes to the design of the various functions necessary for the implementation of a reconfigurable pulse transmitter, such as the implementation of a voltage controlled oscillator for 3,1GHz band-10,6GHz with quick start ability and the required oscillations shaping circuit.

Ce manuscrit est consacré à l'étude du bruit de phase dans les oscillateurs optoélectroniques (OEO) à ligne à retard à fibre optique. Cette classe particulière d'oscillateurs dans la gamme micro-onde a été développée (1994) récemment, et étudiée par différents groupes de recherche dans le monde, du fait de son important potentiel en termes de très faible bruit de phase à court terme (applications radar, spatial, et télécom haut débit). Sur la base d'un modèle théorique s'appuyant sur une description temporelle, nous avons étudié la dynamique de l'oscillateur, et ses propriétés de bruit de phase. L'équation différentielle stochastique, non linéaire, et à retard, est directement dérivée de la description des différents éléments de la chaîne d'oscillation : la non linéarité prédominante d'un modulateur électro-optique de Mach-Zehnder, le temps de retard induit par plusieurs kilomètres de fibre, la dynamique résonante du filtre micro-onde à 10 GHz sélecteur des modes à retard, et les différentes sources de bruit additif et multiplicatif (laser, photodiode, amplificateur RF). La linéarisation de ce modèle autour du point de fonctionnement a permis d'obtenir une expression théorique du bruit de phase et d'amplitude de l'OEO. Ces résultats sont confrontés à une exploration expérimentale des caractéristiques de bruit, à la fois des composants utilisés, et du système complet de l'OEO en régime d'oscillation monomode. Des techniques de mesure de bruit ultra-sensibles, utilisant des architectures optoélectroniques d'un banc de mesure, ainsi que des principes de mesure par corrélation, sont décrites. Une très bonne correspondance entre théorie et expérience est ainsi obtenue. Le travail a abouti à l'identification quantitative des principales sources de bruit limitant les performances de l'OEO. Par l'utilisation de composants optimaux, un niveau de bruit de phase de l'ordre de –?143 dBrad2/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10 GHz, a été atteint. La discussion des sources de bruit résiduelles a également permis de proposer des améliorations pour les architectures futures d'OEO.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse consistent principalement en la conception de fonctions intégrées radiofréquences BiCMOS SiGe exploitant des résonateurs à ondes acoustiques de volume FBAR. Contrairement aux techniques actuelles rencontrées dans l'industrie qui consistent à réaliser des filtres et des résonateurs discrets et à les associer par la suite avec les circuits actifs des émetteurs-récepteurs au niveau du boîtier, nos résonateurs sont directement réalisés sur le substrat silicium des circuits actifs RF par une technique appelée intégration " above-IC ". Avec cette méthode d'intégration, les parasites et la modélisation associés aux microsoudures (Wire Bonding) sont éliminés. Elle permet aussi de se passer des circuits d'interface et d'adaptation nécessaires dans le cas de filtres RF discrets. Ceci permet de réduire considérablement la consommation et le volume des systèmes. Des amplificateurs faible bruit filtrants et des oscillateurs visant le standard WLAN IEEE 802.11a ont ainsi été implantés en utilisant cette technique d'intégration "above IC". Les circuits obtenus sont très compacts, et leurs performances, notamment celles des oscillateurs, sont à l'état de l'art. Par ailleurs, des amplificateurs faible bruit et des VCO LC SiGe intégrés pour application WLAN 5GHz sont également présentés et leurs techniques d'optimisation sont données.

Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm3) con-trôlé en température. Les équipements de télémétrie, poursuite et contrôle tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 litres). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 litre) sont envisagés sur les pico et nano satellites. Une réduction drastique du volume et de la consommation est donc nécessaire, à performances égales. Elle nécessite une remise en question de l'ensemble des éléments composant l'équipement dont le micro-oscillateur, tant au niveau volume qu'au niveau consommation d’énergie. Les études préliminaires ont servi à définir le résonateur adapté pour satisfaire les spécifications de stabilité demandées. La simulation thermique d'un modèle d’oscillateur OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) a permis d'obtenir une bonne compréhension des transferts de chaleur dans le dispositif. La réduction des pertes thermiques et l'augmentation de la stabilité thermique du résonateur étaient les principaux défis. La dilatation thermique du résonateur entraine des contraintes mécaniques au niveau de ses fixations et décale la fréquence de résonance. Un MEMS en silicium a été conçu pour supporter le résonateur à l’aide de simulations thermomécaniques. Ce support est compatible avec les contraintes de faible con-sommation et de sensibilité thermique tout en gardant une bonne résistance aux chocs. En ce qui concerne l’électronique, une puce ASIC utilisée depuis plusieurs années a été caractérisée pour établir un modèle numérique. Cette étude a dévoilé les facteurs limitants des performances de l’ensemble et permis d’envisager des solutions correctives. En intégrant dans la démarche les coûts de fabrication, l’utilisation d’un ASIC a été écartée (au moins provisoirement) au profit d’une solution exploitant des composants électroniques du commerce. Enfin, un démonstrateur de module physique miniature a été monté et caractérisé. Les résultats de mesures montrent que la consommation du démonstrateur reste inférieure à la spécification demandée (50 mW à une température extérieure de 25°C et à 100 mW pour -40°C). L’importance de la participation du rayonnement dans les échanges thermiques a aussi été validée expérimentalement. / This thesis presents the work on designing a miniature temperature controlled crystal oscillator (required volume is 1 cm3). TTC (Telemetry, Tracking and Control) equipment which is used in microsatellites (as Myriades) has a very important volume (8 liters). 8 times lower volume equipment (1 liter) is planned for pico and nano satellites. Therefore, a significant reduction of volume and consumption for equal performance is necessary. Redesign is required for all components of equipment items including micro-oscillator, as in volume as at the level of energy consumption. Preliminary studies have served to define the resonator adapted to satisfy the request stability specifications. Thermal simulation of an OCXO oscillator model (Oven Con-trolled Xtal Oscillator) has permitted to achieve a good understanding of heat transfer into the device. Reducing heat loss and increases the thermal stability of resonator were major challenges. Thermal expansion of the resonator causes mechanical stresses in its mountings and shifts the resonance frequency. A silicon MEMS has designed for supporting the resonator by using thermo-mechanical simulations. This support is compatible with the constraints of low consumption and heat sensitivity retaining good impact resistance. As regards electronics, an ASIC chip which is used during many years has characterized with the purpose to obtain the digital model. This study has revealed the limiting factors of the oscillator performance. Also it has allowed to provide remedial solutions. The ASIC using was rejected in favor of the solution operating with commercial electronic components (at least temporarily). Finally, a miniature demonstrator of physical module was assembled and characterized. The measuring results show that demonstrator consumption remains below the required specification (50 mW at outside temperature 25°C and 100 mW at -40 ° C). The importance of the participation of radiation within the thermal exchanges has also validated experimentally.

Elisa est un oscillateur saphir cryogénique (CSO) dont la vocation est d'équiper la nouvelle station sol de l'ESA. Les performances requises sont une stabilité de fréquence σy (τ) ≤ 3 × 10−15 pour τ ∈ [1 − 1000 s] et un bruit de phase Sφ (1 Hz) = −93 dB.rad2 /Hz pour une autonomie de 2 ans. Cette référence de fréquence doit également possèder des sorties aux fréquences de 10 GHz, 100 MHz et 5 MHz pilotées par le CSO. Elisa intègre dans une boucle d'entretien un résonateur saphir (Al2 O3 ) excité sur des modes de galeries (WG) et refroidi à 4,2 K dans un cryogénérateur. A cette température, le facteur de qualité à vide peut atteindre 1 × 109 . Le mode opérationnel W GH15,0,0 a été choisi par rapport à notre savoir-faire et à la littérature. Sa fréquence de résonance a été fixée à 10GHz - D où D est un “intervalle de confiance” égal à 10 MHz. La fréquence de 10 GHz est suffisament éloignée des fréquences de transition des ions paramagnétiques présents dans le cristal de saphir et l'écart de fréquence D permet de faire face aux tolérances d'usinage. D peut être compensé par l'intermédiaire d'un “Direct Digital Synthesizer” intégré dans le chaîne de synthèse pour atteindre 10 GHz. Les dimensions du cylindre de saphir ont été calculées par la méthode des éléments finis. Après avoir validé les caractéristiques du résonateur, différentes méthodes de couplage ont été expérimentées dans le but d'atteindre une sélection modale performante. Tous les éléments nécessaire à la construction d'Elisa sont analysés en détails. Une méthode originale de mesure de bruit d'amplitude de détecteurs quadratiques, l'étude d'électroniques faibles bruits, le principe d'une chaîne de synthèse sur base d'un DDS et la description de deux technologies cryogéniques sont présentées. Pour ces dernières, nous avons focalisé notre étude sur un modèle de cryogénérateur à faible vibration mécanique. Les performances démontrées par Elisa satisfont le cahier des charges de l'ESA. Une stabilité de fréquence inférieure à 3 × 10−15 a été mesurée pour τ ∈ [1 − 1000 s]. Elle atteint 1, 4 × 10−15 à τ = 20 s. La mesure de bruit de phase montre Sφ (1 Hz) = −98 dB.rad2 /Hz. La chaîne de synthèse permet le tranfert des performances du CSO aux fréquences de 10 GHz et 100 MHz. La stabilité journalière de 4, 5 × 10−15 place Elisa à l'état-de-l'art.

Les systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) sont des dispositifs de tailles nanométriques composés de structure mécaniques mobiles et de circuits électroniques. Ils intègrent des fonctions électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique. Leurs but est de détecter une certaine quantité physique et de le convertir dans un signal électrique mesurable. Les structures mécaniques mobiles des NEMS sont principalement constituées par des nano-poutres en silicium, des nano-leviers, des nanotubes de carbone et des nano-fils. Un changement dans l'environnement entraîne un changement dans leurs propriétés mécaniques et électriques (amplitude de mouvement, la fréquence de résonance, facteur de qualité etc.). Cette variation est convertie par des transducteurs appropriés dans un signal électrique. Ces dispositifs permettent la collecte d'informations environnementales comme le changement de température, de pression, de masse et de force. Des capteurs plus performants sont réalisés grâce à leurs ultra-petites masses, hautes fréquences de résonance (10Mhz-1Ghz), grands facteurs de qualité et une faible consommation. Les NEMS permettent une large gamme d'applications potentielles. Ils sont envisagés pour être utilisé dans des applications de détection de force ou de masses ultra-petites, par exemple dans des capteurs chimiques ou biologiques. Malgré, les grands avantages offerts par les NEMS, il n'existe pas encore une technique bien établie pour détecter efficacement le signal électrique généré par le déplacement mécanique de ces nanostructures. Le défi technologique le plus important dans le fonctionnement de ces systèmes est la détection efficace du déplacement nanométrique à des fréquences élevées. L'efficacité de la transduction détermine les performances des dispositifs et fixe leurs limites. L'objectif de cette thèse est orienté sur la résolution de ce problème majeur. La recherche est spécialement conduite sur le développement d'une technique de détection à base de nano-fils pour la transduction du déplacement nano-mécanique dans un signal électrique. Les travaux présentés dans cette thèse ont été organisée autour de trois axes principaux: La première partie vise à évaluer et comparer théoriquement les différents systèmes d'actionnement et de détection de NEMS à base de nano-fils afin de choisir celle qui présente le plus grand gain de transduction et le rapport signal/fond (SBR). Cette approche est cruciale, car ces résultats vont décider la poursuite de nos recherches et les techniques à mettre en œuvre. Ce travail est la base de départ avant de passer au développement. La deuxième partie est dédiée à la fabrication de dispositifs NEMS et à la mise en œuvre d'un système d'actionnement et de détection du mouvement mécanique à des fréquences jusqu'à 100 MHz. Cette étape nous permet de continuer avec l'évaluation expérimentale de l'efficacité de transduction. La troisième partie est centrée sur la caractérisation expérimentale de l'efficacité de transduction. Les paramètres centraux qui vont être explorées sont : le gain de transduction, le rapport signal à fond, le rapport signal sur bruit (SNR), la fréquence de résonance des dispositifs, le facteur de qualité, le déplacement et la résolution ultime de masse. Ces résultats expérimentaux sont d'une grande importance car ils sont utilisés pour confirmer les attentes et valider les analyses théoriques. Enfin, ces résultats sont comparés avec ceux donnés par l'état d'art, afin de mettre en évidence le progrès et la contribution dans ce domaine.

Ces travaux de thèse portent principalement sur la génération de signal d'horloge haute fréquence. Dans un premier temps, la faisabilité d'un oscillateur à base de BAW y est démontrée par la conception d'un circuit en technologie CMOS 65 nm. Les deux principales innovations sont les performances en terme de stabilité (bruit de phase de -128dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) et en précision (implémentation d'une banque de capacités ayant un pas de 0.4ppm) de l'oscillateur. Sa consommation est optimisée (0.9mW). Il est suivi d'un diviseur faible bruit (-140dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) délivrant un signal à 500MHz. Dans un second temps, les imperfections des résonateurs BAW sont analysées. Une procédure de calibration comprenant une calibration initiale et une calibration en boucle ouverte est alors proposée. Cette dernière repose sur l'identification et l'utilisation d'un modèle comportemental du dispositif, régulièrement mis à jour grâce à un filtre de Kalman. Une précision de 0.4 ppm est atteinte / This thesis deals with the gigahertz range reference frequency generation. In a first part, this document presents the design of a 500 MHz oscillator in a 65 nm CMOS process using a 2 GHz Bulk Acoustic Wave resonator. A digital frequency control is implemented using a switched capacitor bank in parallel to the resonator. The tuning range is up to 500 kHz with a minimum step of 200 Hz. The oscillator core uses a differential topology and is designed for low phase noise (-128 dBc/Hz at 100 kHz offset) at low power consumption (0.9 mW). It is followed by a low noise divider which provides a 500 MHz output with a phase noise of -139 dBc/Hz at 100 kHz offset from the carrier. In a second part, we consider a method for the calibration of a BAW based frequency reference. In fact, the frequency variations of a BAW oscillator against process, supply, temperature and aging effects make difficult its use as a frequency reference. We propose here a method based on Kalman filtering to identify with high precision a behavioral model of this BAW reference, thus enabling its use in an open loop frequency tuning. A precision of 0.4 ppm is achieved

Le travail en bande de base permet de s’affranchir du bruit de multiplication de fréquenced’un signal. Cependant, la conception d’un oscillateur fonctionnant à haute fréquence nécessited’avoir un composant sélectif en fréquence, fonctionnant à haute fréquence et avec un facteurde qualité élevée. L’approche proposée dans cette thèse consiste à évaluer un composant à ondeélastique de volume à harmoniques élevées, le HBAR, pour la réalisation d’un oscillateur compactet stable, travaillant en bande de base à 2,45 GHz, à des fins d’utilisation de source defréquence pour un système RADAR. Les oscillateurs réalisés présentent un bruit de phase de-100 dBc/Hz pour un écart à la porteuse de 1 kHz, avec une perspective d’amélioration d’une dizainede dBc/Hz de cette valeur d’après la simulation. L’étude porte également sur l’analyse del’influence du bruit de phase de l’oscillateur local sur la résolution d’une mesure RADAR dontl’effet est démontré expérimentalement en utilisant une ligne à retard à onde élastique de surface(SAW) comme cible RADAR coopérative. Le travail effectué sur cette cible coopérative apermis d’aboutir à un prototype d’électronique embarqué pour l’interrogation de lignes à retardà ondes élastiques utilisées en tant que capteurs passifs interrogeables à distance. L’architecturede l’interrogateur combine une méthode RADAR impulsionnelle à un système d’échantillonnageen temps équivalent permettant de réduire l’importance de la puissance de calcul dansle traitement de la réponse. Les inconvénients de l’échantillonnage en temps équivalent sontminimisés par une interrogation judicieuse pour acquérir seulement les points nécessaires à lamesure. Les mesures effectuées sur un capteur de température commercial présentent une résolutionde 0,2°C avec une bande passante de 35 kHz. Pour les applications nécessitant une bandepassante plus élevée (allant jusqu’à 200 kHz), un second prototype n’ayant pas de restrictionsur les ressources de calcul mises en oeuvre est également présenté dans cette thèse, combinantla même méthode impulsionnelle avec un échantillonnage en temps réel. / Eliminating the step of frequency multiplication, by working in baseband, reduces the phasenoise of an oscillator. However, the design of a high frequency oscillator requires a frequencyselective component, which operates at high frequency and with a high quality factor. The approachproposed in this thesis is to evaluate a High-overtone Bulk Acoustic-wave Resonator,the HBAR, for the realization of a compact and stable oscillator at 2.45 GHz for a RADAR system.The designed oscillator exhibits a phase noise of −100 dBc/Hz at 1 kHz from the carrier,with an expected improvement of a dozen dBc/Hz according to the simulation. The study alsofocuses on the analysis of the local oscillator phase noise impact on the resolution of a RADARmeasurement and an experimental demonstration is done using a delay line surface acousticwave (SAW) as cooperative RADAR target. The work on this cooperative target has lead to aprototype of an embedded electronics for interrogating surface acoustic wave delay lines usedas passive sensors remotely interrogated through a wireless link. The architecture combines thepulsed RADAR signal generation method with an equivalent time sampling system in orderto reduce the computing power needed to process the response. The disadvantages of equivalenttime sampling are minimized by a smart interrogation strategy to acquire only mandatorysamples. Measurements on a commercial temperature sensor have a resolution of 0.2°C witha 35 kHz bandwidth. For applications in need of higher bandwidth (up to 200 kHz), a secondprototype with no restriction on computing resources is also presented in this thesis, combiningthe same impulse RADAR method with real-time sampling.

Les oscillateurs sont présents dans tous les systèmes de communications que nous utilisons. Ils nous permettent de faire la synchronisation entre l’émetteur et le récepteur d’un message. La qualité de cette synchronisation dépend de la stabilité de l’oscillateur. Afin de caractériser cette stabilité dans le domaine fréquentiel, le bruit de phase est utilisé comme paramètre de référence. Un oscillateur qui délivre un signal avec une faible valeur de bruit de phase est un oscillateur de grande pureté spectrale. Les oscillateurs électroniques ont une bonne performance à basse fréquence. En mesure de la demande des systèmes de très haut débit, les oscillateurs électroniques ne sont pas capables de produire signaux qu’avec l’utilisation de multiplicateurs de fréquence qui ajoutent plusieurs éléments à la chaine de communication. Les systèmes hybrides permettent de prendre d’avantage la bonne performance de composants optiques en haute fréquence afin de les intégrer dans les systèmes électroniques et surmonter de cette façon-là les limitations fréquentielles des systèmes électroniques. Ce travail vise l’utilisation de la technique de verrouillage optique par injection du faisceau d’un laser maître vers la cavité d’un VCSEL sous modulation directe dans la boucle d’oscillation. La technique du verrouillage optique du VCSEL permets d’élargir la bande passante de modulation directe du VCSEL et réduire son bruit d’intensité (Relative Intensity Noise - RIN). La réduction du RIN a comme effet secondaire la réduction de la contribution du bruit additif dans l’oscillateur et, en conséquence, la réduction du bruit de phase de l’oscillateur. / Oscillators are present in all telecommunication systems. They synchronize the emitter and receiver of a message. The quality of the synchronization depends on the oscillator stability. To characterize the frequency domain oscillator stability, the phase noise of the carrier is used as figure of merit. An oscillator delivering a low phase noise carrier is a high spectral purity oscillator. Electronic oscillators are high performing at low frequencies. As communications systems require high data rate transmission, the electronic oscillators uses frequency multipliers that degrades the spectral purity of the carrier. The hybrid systems take advantage of the good performance of optical components at high frequency with the goal to be integrated in the electronic systems to overcome frequency limitation issues. This work use the optical injection locking technique by injecting the laser beam of a master laser inside the cavity of a VCSEL under direct modulation. The optical injection locking technique enlarges the direct modulation bandwidth of the VCSEL and reduces the Relative Intensity noise of the laser (RIN). The RIN reduction has as side effect the reduction of the additive noise inside the oscillator and, in consequence, reducing the oscillator phase noise.

Le sujet de thèse porte sur des micro/nanorésonateurs ainsi que leurs électroniques de lecture. Les composants mécaniques sont utilisés pour mesurer des masses inférieures à l'attogramme (10-18 g) ou de très faibles concentrations de gaz. Ces composants peuvent ensuite être mis en réseau afin de réaliser des spectromètres de masse ou des détecteurs de gaz. Afin d'atteindre les résolutions nécessaires, il a été choisi d'utiliser une détection harmonique de résonance détectant les variations de la fréquence de résonance d'une nanostructure mécanique. Les dimensions du résonateur sont réduites afin d'augmenter sensibilité en masse, cependant le niveau du signal électrique en sortie du composant est également réduit. Ce faible signal nécessite donc de concevoir de nouvelles transductions électromécaniques ainsi que des architectures électroniques qui minimisent le bruit, les couplages parasites et qui peuvent être mise en réseau. / The PhD project focuses on micro or nanomechanical resonators and their surrounding electronics environment. Mechanical components are employed to sense masses in the attogram range (10−18 g) or extremely low gas concentrations. The components can then be implemented in arrays in order to construct cutting-edge mass spectrometers or gas chromatographs. To reach the necessary resolutions, a harmonic detection of resonance technique is employed that measures the shift of the resonant frequency of a tiny mechanical structure due to an added mass or a gas adsorption. The need of shrinking the resonator's dimensions to enhance the sensitivity also reduces the signal delivered by the component. The resonator low output signal requires employing new electromechanical resonator topologies and electronic architectures that minimize the noise, the parasitic couplings and that can be implemented in arrays.