No / This paper presents a circuit model which is used to calibrate the performance of nonlinear RF energy conversion inside a high quality factor resonant cavity with a known nonlinear loading device. The nonlinear radiofrequency energy conversion can be detected by exciting the fundamental operating frequency and observing the second harmonic resonant frequency within a doubly resonant cavity. By implementing the proposed mathematical model, the required input power can be estimated to maximise the chance of detecting the weak second harmonic signal prior to carry out the measurement.

Energy security, global warming, and climate change have been a major source of global discussions and development. Likewise, the rising cost of electricity for consumers and exponential demand for energy are major factors driving the incremental growth and integration of sustainable forms of energy generation into power the system cycle. Distributed generation resources are majorly integrated into the electricity distribution system at the medium voltage (MV) and low voltage (LV) level of the utility grid system. Unexpected power outages on an electricity distribution network can lead to an islanding situation, in which a distributed generation system continues to supply power to the electricity grid. It is highly recommended by operational standards that, under such conditions, a distributed generation system is disconnected from the grid within a short period to prevent damage to power equipment and ensure personnel safety. The decoupling process requires an islanding detection method (IDM). Such detection methods are implemented in grid-tied power electronic converters (PEC) to detect and prevent islanding conditions.  The thesis investigates and describes an active islanding detection method, the active frequency drift with positive feedback. It also covers the parameter design and the analysis of the non–detection zone. The effectiveness of the method was verified through MATLAB/SIMULINK simulation

The demand for high-performance Radio Frequency (RF) passive devices has been steadily increasing due to the growing complexity and sophistication of wireless communication systems. The Quality factor (Q-factor) is a key parameter for describing the signal losses and the energy efficiency of resonators. Previous studies have been done on the spin coating technique of intermediate coating, which presented some limitations in terms of 3D resonators. In this master thesis, we investigate the development of a intermediate layer using dip coating to enhance the Q-factor, i.e., the performance of RF passive devices. The dip coating method is applied to add a nano ceramic coating to the 3D structure as the intermediate layer between the resonator ceramic substrate and the conductive silver coating. After the fabrication process, the samples are observed under Scanning Electron Microscope (SEM) and Atomic Force Microscope (AFM) and tested with Vector Network Analysis (VNA). Analysis and calculations are mainly conducted with the software Matlab and Gwyddion. The proposed technique improves the smoothness of the samples by 78.95%, and the Q-factor is tested to have a 20.87% enhancement using VNA. The results demonstrate that the intermediate layer with the dip coating technique significantly improves the performance of RF passive devices by reducing the roughness of the resonator surface. These findings open up new opportunities for the design and development of high-performance RF passive devices in various applications, including wireless communication systems, radar systems, and satellite communication. Further studies can be carried out to reduce defects during fabrication and to stabilize the performance of the silver coating. / Efterfrågan på högpresterande passiva RF-enheter har stadigt ökat på grund av den växande komplexiteten och sofistikeringen hos trådlösa kommunikationssystem. Q-faktorn är en viktig parameter för att beskriva signalförluster och energieffektivitet hos resonatorer. Tidigare studier har gjorts på spin coating-tekniken för intermediära beläggningar, vilket presenterade vissa begränsningar för 3D-resonatorer. I denna masteruppsats undersöker vi utvecklingen av ett intermediärt lager med hjälp av doppbeläggning för att förbättra Q-faktorn, det vill säga prestandan hos passiva RF-enheter. Doppbeläggningstekniken tillämpas för att lägga till en nanokeramisk beläggning på 3D-strukturen som intermediärt lager mellan resonatorns keramiska substrat och den ledande silverbeläggningen. Efter tillverkningsprocessen observeras proverna med SEM och AFM och testas med VNA. Analys och beräkningar utförs främst med programvaran Matlab och Gwyddion. Den föreslagna tekniken förbättrar provernas släthet med 78.95%, och Q-faktorn testas och visar en förbättring med 20.87% med hjälp av VNA. Resultaten visar att det intermediära lagret med doppbeläggningstekniken signifikant förbättrar prestandan hos passiva RF-enheter genom att minska ojämnheten på resonatorns yta. Dessa resultat öppnar upp nya möjligheter för design och utveckling av högpresterande passiva RF-enheter inom olika tillämpningsområden, inklusive trådlösa kommunikationssystem, radarssystem och satellitkommunikation. Ytterligare studier kan genomföras för att minska defekter under tillverkningen och stabilisera prestandan hos silverbeläggningen.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche des moyens de réduction du bruit. Le but est d’analyser et de créer par une méthode passive, le confinement d’énergie acoustique dans les irrégularités géométriques via le phénomène de localisation pour ensuite la dissiper. En prélude à l'atténuation du bruit par les géométries irrégulières, les mécanismes de la dissipation acoustique sont rappelés et illustrés par quelques exemples de réseaux de résonateurs quart-d'onde. Le phénomène de localisation est ensuite étudié par une analyse modale. Le caractère localisé d'un mode est quantifié par son volume d'existence relatif (VER) qui donne, en fraction du volume total du domaine, le volume effectif concerné par l'énergie du mode. Il ressort de cette étude que seules les cavités irrégulières ayant des irrégularités en forme de sous-cavités couplées à une cavité principale sont « localisantes ». La fréquence d'un mode localisé est liée aux dimensions de la zone irrégulière de localisation. Le lien entre les irrégularités géométriques et la dissipation acoustique est ensuite analysé au moyen des indicateurs tels que le facteur de qualité, le coefficient d'absorption ou le taux d'amortissement de l'énergie. Cette étude montre que les cavités irrégulières amortissement mieux une onde acoustique comparativement aux cavités à géométrie régulière. Toutefois, la dissipation de l'énergie acoustique des cavités irrégulières n'est pas uniquement liée à la localisation. Elle dépend également d'autres paramètres (porosité, résistivité, etc.). Lorsque les irrégularités des parois rigides ne permettent pas de réaliser une dissipation suffisante, elles peuvent être réalisées dans les matériaux poroélastiques à performance acoustique moyenne pour augmenter leur capacité dissipative. Enfin, des études expérimentales menées ont permis de valider l'existence du phénomène de localisation et de confirmer la tendance plus dissipative des géométries irrégulières par rapport aux géométries régulières. De même, des mesures du coefficient d'absorption d'un échantillon de forme préfractale d'un béton de chanvre (matériau ayant une performance acoustique moyenne) montrent une augmentation de la dissipation de plus de 40% induite par la forme irrégulière. La contribution majeure de cette thèse est d’avoir répondu à un défi technologique important consistant à effectuer une mise en évidence expérimentale du phénomène de localisation jusque-là difficile à réaliser avec des microphones. Pour y parvenir, un outil optique peu conventionnel dans la métrologie acoustique est adopté; il s'agit de la réfracto-vibrométrie qui consiste à utiliser, sous certaines conditions, le vibromètre laser pour mesurer un champ acoustique (pression acoustique). Bien que contraignante, cette technique présente l'avantage d'être non intrusive et donc moins encombrante même pour de petites cavités comparativement aux microphones. / In this thesis, the acoustical behavior of irregular cavities leading to localization phenomenon is investigated for noise reduction applications. The aim of this work is to study and create by means of passive method, an accumulation of acoustical energy and dissipate it. Before addressing geometrical irregularities effects on the sound field, viscothermal dissipation mechanisms of sound are recalled and illustrated through few networks of quarter-wave resonators. In a second part, a study of the localization phenomenon is carried out by a modal analysis approach. The localization is quantified by the relative existence volume (VER), an indicator which gives a measure of the volume of the region in which a mode is localized as a fraction of the total cavity volume. The localization analysis is conducted using both regular and irregular cavities. It has been shown that only cavities with irregular geometry, such that sub-cavities are formed, can localize some acoustical modes. Moreover, the frequency of a localized mode is related to the dimensions of the localization region. Following the investigation of the localization phenomenon, the relation between cavities geometry and sound energy dissipation has been studied by the estimation of damping indicators, such as the quality factor, the sound absorption coefficient or the energy damping rate. According to this study, irregular cavities have higher capability to damp sound waves compared to regular cavities. However, for the case of irregular cavities only, the induced dissipation is not proportional to the localization. Nevertheless, when irregularities of rigid walls are not able to achieve sufficient dissipation, this can be obtained with slightly absorptive porous materials of irregular geometry. In fact, the dissipative properties of some porous materials can be optimized by giving them irregular interface. Finally, an experimental set-up has been designed to validate the localization phenomenon and to confirm the damping tendency of irregular geometries in comparison to regular ones. Moreover, measurements of the sound absorption coefficient of a hemp concrete reveal that the sample of irregular geometry achieves sound dissipation more than 40% higher than the one achieved by a regular plane sample. Finally, this thesis has addressed a technological challenge consisting of experimentally validating the localization phenomenon which is so far very difficult to obtain by the use of conventional pressure microphones. In the framework of this thesis, an optical non-conventional sound pressure measurement technique has been used. The used technique is the laser refracto-vibrometry which consists of using a laser vibrometer in some specific conditions to measure the acoustical field (sound pressure). This technique is difficult to conduct but it has the advantage of being contactless, thus less cumbersome for even very small cavities as compared to pressure microphones.

This dissertation reports very novel solutions for the trimming and compensation of various parameters of silicon micromechanical resonators and resonator-arrays. Post-fabrication trimming of resonance frequency to a target value is facilitated by diffusing in a deposited thin metal layer into a Joule-heated silicon resonator. Up to ~400 kHz of trimming-up and trimming-down in a 100 MHz Silicon Bulk Acoustic Resonators (SiBARs) are demonstrated via gold and aluminum diffusion respectively. The dependence of the trimming range on the duration of Joule heating and value of current passed are presented and the possibility of extending the trimming range up to ~4 MHz is demonstrated. Passive temperature compensation techniques are developed to drastically reduce the temperature coefficient of frequency (TCF) of silicon resonators. The dependence of TCF on the charge carriers in silicon are extensively studied and exploited for the very first time to achieve temperature compensation. A charge surplus via degenerate doping using boron and aluminum is shown to reduce a starting TCF of -30 ppm/°C to -1.5 ppm/°C while a charge depletion effected by creating multiple pn-junctions reduces the TCF to -3 ppm/°C. Further, shear acoustic waves in silicon microresonators have also been identified to effect a TCF reduction and have been excited in a concave SiBAR (or CBAR) to exhibit a TCF that is 15 ppm/°C lesser than that of a conventional rectangular SiBAR. The study on quality factor (Q) sensitivity to the various crystallographic axis of transduction in silicon resonators show that the non-repeatability of Q across various fabrication batches are due to the minor angular misalignment of ≤ 0.5° during the photolithography processes. Preferred axes of transduction for minimal misalignment sensitivity are identified and novel low-loss resonator-array type performances are also reported from a single resonator while transduced along certain specific crystallographic axes. Details are presented on an unprecedented new technique to create and fill charge traps on the silicon resonator which allows the operation of the capacitive SiBARs without the application of any polarization voltages (Vp) for the first time, making them very attractive candidates for ultra-low-power oscillator and sensor applications. Finally, a fabrication process that integrates both the capacitive and piezoelectric actuation/sensing schemes in microresonators is developed and is shown to compensate for the parasitics in capacitive silicon resonators while maintaining their high-Q.

Cette thèse s’intègre dans le cadre d’un projet FUI « Plug InNano » dont l’objectif est de proposer des solutions de remplacement de l’or comme conducteur dans les domaines tels que la connectique hyperfréquence HF et l’automobile. Les nouveaux matériaux susceptibles de remplacer l’or sont des conducteurs composites. Une modélisation analytique du comportement du signal micro-ondes dans les matériaux conducteurs composites en fonction de leur microstructure a été réalisée notamment dans le cas d’une structure multicouche. Une caractérisation micro-ondes a été effectuée, par lamesure de facteurs de qualité de résonateurs coplanaires hyperfréquences (ligne demi longueur d’onde, anneau), réalisés au laboratoire, pour déterminer la conductivité effective des nouveaux conducteurs. En parallèle, des simulations 3D éléments finis ont été réalisées et des modèles analytiques ont été développés pour comparer les résultats théoriques et expérimentaux. Deux méthodes d’extraction de la valeur de la conductivité électrique telles que la méthode de l’abaque du facteur de qualité et la méthode de calcul inverse par les modèles analytiques des pertes. Une structure de fretting (cylindres croisés) innovante, adaptée aux hyperfréquences, a été mise en oeuvre pour la caractérisation des revêtementsconducteurs en situation vibratoire. Plusieurs matériaux nobles (Or, Ag) et non nobles (étain, bronze blanc et laiton) ont été mesurés et caractérisés. La variation de la résistance de contact hyperfréquence en fonction des cycles de fretting est mesurée en parallèle avec la résistance DC. Un critère d’endommagement d’un contact traversé par un signal HF est défini à 0,1 dB d’atténuation / This thesis is part of a project FUI ”Plug InNano”. Objective of the project is offering a new composite conductor, instead of Gold used as a coating conductor in microwave and automotive connectors. An analytical model of the microwave signal behavior has been achieved in composite conductive materials according to their microstructure, especially the case of a multilayer structure. A microwave characterization was performed by measuring the quality factors of microwave coplanarresonators (half-wavelength line and ring), made in the laboratory, to determine the effective electrical conductivity of this new conductor. In parallel, 3D finite element simulations were conducted, and analytical models for losses calculation have been developed to compare the theoretical and experimental results. Value of the electrical conductivity is extracted using the following methods: abacus of quality factors, and inverse calculation by losses analytical models. A new fretting structure (crossed cylinder), suitable for microwave, has been implemented for the characterization of conductor coatingsin fretting environment. Several materials were measured and characterized: noble as Gold and Silver, and non-noble as Tin, white Bronze and Brass. Variation of the microwave contact resistance, as a function of fretting cycles, is measured in the same time with the DC resistance. A damage criterion of a contact for RF signal is defined by 0.1 dB of attenuation

Dans cette thèse, les propriétés d'une nanoparticule unique ont été réglée en modifiant son environnement.Plus spécifiquement, dans la première partie de ce travail, la résonance des plasmons de surface des nanobipyramides d'or individuelles a été étudié expérimentalement dans un milieu sous pression contrôlable et son évolution encadré par modélisations théoriques.Afin d'accéder à l'optique d'une nanoparticule unique tout en générant un environnement sous haute-pression, la combinaison de la spectroscopie par modulation spatial avec la cellule en enclume de diamant a été atteint.Dans la seconde partie de la thèse, les vibrations acoustiques des nanodisques d'or individuels sur a substrat en saphir ont été caractérisé expérimentalement via spectroscopie pump&probe. Une attention particulière a été accordée à leur amortissement en fonction du rapport d'aspect des disques en soulignant la présence des amplifications en factor de qualité.Modélisations numériques ont fourni un aperçu des amplifications observées, montrant que l'hybridations entre modes se produit pour rapport d'aspect spécifiques, potentiellement en atténuant les pertes en énergie acoustique à travers l'interface disque/substrat / In this thesis, the properties of a single nanoparticle have been tuned altering its environment. Specifically, in the first part of this work, the surface plasmon resonance of individual gold nanobipyramids has been experimentally studied under a pressure adjustable surrounding and its evolution physically framed thorough theoretical modeling.In order to access to the single nanoparticle optics while generating a hydrostatic high-pressure environment, a challenging combination of the spatial modulation spectroscopy technique with the diamond anvil cell method has been achieved.In the second part of the thesis, the acoustic vibrations of individual gold nanodisks on sapphire substrate has been experimentally characterized via pump&probe spectroscopy. Particular attention has been paid to their damping as a function of the disks aspect-ratio enlightening the presence of quality-factors enhancements.Numeric modeling has provided a physical insight for the observed amplifications, showing that modes hybridizations occur at specific aspect-ratios, potentially reducing the acoustic energy loss towards the interface disk/substrate

Une estimation précise de la magnitude est primordiale pour établir des catalogues de sismicité fiables. L’objectif de cette thèse est de développer une méthode d’estimation de la magnitude de moment à partir de la coda des ondes crustales applicable sur les sismogrammes numériques et analogiques. Afin d’étudier les propriétés de la coda en France, nous avons réalisé une analyse fréquentielle et régionale des enveloppes de coda. Nous avons pu estimer le moment sismique M0 et la magnitude de moment Mw pour des sismogrammes numériques, mais pas pour des enregistrements sur papier pour lesquels le filtrage n’est pas possible. Nous avons donc observé les propriétés de la coda dans le domaine temporel. Nous avons déterminé un modèle empirique afin de représenter les enveloppes de coda du signal brut et obtenir une magnitude de coda Mcoda. A partir de la relation linéaire Mcoda/Mw, nous avons déterminé la magnitude de moment directement sur les enregistrements analogiques en France. / Accurate magnitude determination is necessary to establish reliable seismicity catalogs in order to assess seismic hazard. The main goal of this PhD is to develop a method for estimating moment magnitude Mw from coda waves applicable to new digital seismograms as well as to old paper records in France. In order to analyze coda waves properties in France, a study of the regional and frequency properties of coda-wave envelopes has been performed. From this spectral analysis of coda waves, we can estimate seismic moment M0 and moment magnitude Mw from digital seismograms but not from paper records for which no frequency filtering is possible. Therefore, in a second step, we have analyzed the coda-waves properties directly in the time domain. We develop an empirical model which fits the coda envelopes of the raw signal and permits to obtain a coda magnitude Mcoda. From the Mcoda/Mw relationship, we determined the moment magnitude directly from the old paper records in France.

L’objectif principal de ce travail est d’améliorer notre compréhension de la rhéologie terrestre et du mouvement de Chandler qui en dépend. Nous calculons le facteur gravimétrique complexe à la période de Chandler par une analyse conjointe de séries temporelles gravimétriques et du mouvement du pôle. Nous montrons l’importance et les limites des corrections gravimétriques dans les analyses locales et l’intérêt d’une combinaison des données de différentes stations. Suivant une approche plus théorique, nous menons une étude analytique puis numérique afin de déterminer les solutions du problème des petites déformations d’une Terre homogène anélastique en rotation. L’influence de l’anélasticité sur la période et le facteur de qualité de Chandler est étudiée, et nous montrons que ce dernier est plus sensible que la période aux paramètres rhéologiques, notamment à la viscosité de Kelvin. Enfin, nous étudions, en domaine de Laplace, l’influence de la fréquence de forçage par une surcharge. / The main goal of this work is to improve our understanding of the Earth’s rheology and of the Chandler wobble which depends on it. We compute the complex gravimetric factor at the Chandler frequency by a joint analysis of gravimetric and polar motion time series. We show the importance and the limits of gravimetric corrections for local analyses and the effectiveness of the combination of data from different stations. Using a more theoretical approach, we carry out an analytical and numerical study to determine the solutions of the small deformations of an anelastic homogeneous rotating Earth model. The influence of anelasticity on the Chandler wobble period and quality factoris studied and we show that the latter is more sensitive than the period to the rheological parameters, especially to the Kelvin’s viscosity. Finally, we study in Laplace domain the influence of the forcing frequency for the loading problem.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) appliquée au domaine vétérinaire exploite des systèmes à bas champ magnétostatique qui ont de nombreux avantages, notamment leur faible coût d'achat et d'entretien. Mais sur ces machines, les capteurs radiofréquence (RF) sont initialement dédiées à l'homme et ne permettent pas une qualité d'image optimale. Dans le cadre de cette thèse, des méthodes simples d'optimisation de capteurs à 0,2 T ont été développées, puis exploitées pour des applications de recherche et préclinique. Le travail d'optimisation a été partagé en deux axes. Dans un premier temps, un modèle analytique a été développé sous MATLAB pour l'estimation du rapport signal sur bruit intrinsèque à un capteur paramétré par ses dimensions et les propriétés de l'objet imagé. La validation du modèle a été obtenue par la comparaison entre mesures et simulations du facteur de qualité. Cette méthode d'optimisation a été appliquée pour deux études spécifiques qui ont fait l'objet d'une publication. Dans un second temps, un travail sur le découplage actif a été mené. En effet, sur l'IRM 0,2 T à notre disposition, le découplage passif est la méthode retenue par le constructeur. Mais pour certaines applications des artefacts d'imagerie sont inévitables et le facteur de qualité réduit. Des moyens de découplage actif ont donc été développés. Les performances des capteurs ainsi équipés se sont avérées meilleures qu'en découplage passif. Ce système de découplage associé à un dispositif de connexion par couplage inductif du signal de résonance magnétique a été également démontré à 3 T comme une preuve de concept d'un dispositif de connexion universelle. Ce dispositif a fait l'objet d'un article récemment soumis pour publication / Magnetic resonance imaging {MRl) in veterinary practice employs low magnetostatic field devices which have numerous advantages such as their low maintenance and initial cost. Yet, the radiofrequency {RF) coils commercially provided with these devices are dedicated to human morphology, therefore reducing image quality. ln this work, simple optimization methods for 0.2 T RF coils were developed for an implementation in research and preclinical studies. Optimization protocol was subdivided into two main steps. First, an analytical model was developed using MATLAB in order to estimate the intrinsic signal to noise ratio variations with coil and imaged sample characteristics. Validation of the model was assessed thanks to quality factor comparison between simulated and measured values. The use of the analytical model for two specific studies was described in a recently accepted publication. Second, active decoupling was investigated. lndeed, passive decoupling is the decoupling method implemented on the 0.2 T MR device at our disposal. However, this technique can lack of efficiency in some experiments, inducing imaging artifacts and reduced quality factor. Active decoupling method was therefore implemented. The electronic performances of the coils equipped this way were better than in passive decoupling. This active decoupling device combined with an inductive coupling connecting system was tested at 3 T to demonstrate the technical feasibility of a new universal connecting device, for which an article was recently submitted