Circumstellar disks are critical structures in the star and planet formation processes, as they provide a conduit to channel material onto the central object and supply a reservoir of dust and gas to form planets. This thesis focuses on the far-infrared, and sub-millimeter observations of circumstellar disks at two key evolutionary phases; pri- mordial proto-planetary disks, and evolved debris disks – remnants of a system that has undergone a degree of planet formation. Four individual studies of circumstellar disks are presented in this thesis. The results of a 97% complete census of far-infrared emission measured with the Herschel Space Observatory, targeting stars of spectral types M4 and later, in the Taurus molecular cloud are presented. This census is the first large-scale survey sensitive to emission across the stellar and sub-stellar boundary. Results from an initial test grid of model spectral energy distributions, generated with the radiative transfer code MCFOST, show that 73% of the observed Class II population are constrained by canonical disks that are viewed from face-on to edge-on inclinations. Sub-millimeter observations with the Caltech Sub-millimeter Observatory are presented for an association of young T-Tauri stars in the Aquila star-forming region. The results of disk frequency and disk mass of this complete census are investigated in this extremely low stellar density environment. A sub-millimeter investigation for two populations of candidate debris disk; warm and cold excess disks is presented. None of the candidate disks were detected in the sub-millimeter despite upper-limits below that expected, based on blackbody model fits to excesses at shorter wavelengths. Several scenarios are investigated in order to identify the null detection rate, such as stellar multiplicity and background-source contamination. Finally, a partially resolved sub-millimeter map of the debris disk around the HR 8799 multiple planetary system is presented. The planet formation history of the system is investigated through the witnessed morphology of the emission.

This dissertation focuses on the development of next generation wireless communications at millimeter-wave and sub-terahertz frequencies. As wireless providers experience a bandwidth shortage and cellular subscribers demand faster data rates and more reliable service, a push towards unused carriers fre- quencies such as 28 GHz, 60 GHz, and 180 GHz will alleviate network conges- tion while simultaneously providing massive bandwidths to consumers. This dissertation summarizes research in understanding millimeter-wave wireless propagation, the design and fabrication of millimeter-wave and sub-terahertz on-chip antenna arrays on an integrated circuit semiconductor process, and the accurate measurement of on-chip antenna radiation patterns in a wafer probe station environment. / text

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Les domaines millimétrique et submillimétrique sont des domaines qui permettent de caractériser la physico-chimie des atmosphères <br />planétaires par l'observation des molécules qui les composent. Le télescope spatial Herschel et l'interféromètre ALMA, qui <br />entreront prochainement en service, permettront d'améliorer considérablement notre connaissance des atmosphères planétaires.<br /><br />L'un des principaux objectifs de cette thèse est de développer un modèle d'analyse des observations millimétriques et submillimètriques qui seront effectuées avec Herschel et ALMA. C'est en ce sens que nous détaillons un modèle qui tient compte de la géométrie sphérique des corps observés et des spécificités instrumentales propres aux télescopes utilisés. <br /><br />Dans un premier temps, ce qui a permis notamment de valider notre modèle de transfert radiatif, nous avons étudié l'origine des <br />composés oxygénés dans les atmosphères des planètes géantes. Nous présentons l'analyse d'observations de Saturne et d'Uranus, effectuées avec les télescopes de l'IRAM et du JCMT, pour contraindre les sources de monoxyde de carbone dans ces atmosphères. Nous améliorons ainsi les limites supérieures précédemment publiées et réalisons la première observation du monoxyde de carbone dans l'atmosphère de Saturne dans <br />le domaine submillimètrique. Cette observation prouve l'existence d'une source externe pour ce composé. Nous analysons également des observations récentes de Jupiter, effectuées par le télescope spatial Odin, pour contraindre l'origine externe de l'eau dans la stratosphère de cette planète. Les observations confirment que la chute de la comète Shoemaker-Levy~9 est vraisemblablement la source principale d'eau. <br /><br />Dans un second temps, nous avons appliqué notre modèle à l'étude de la structure thermique et la dynamique de l'atmosphère de Mars, à partir d'observations du monoxyde de carbone. Ces observations sont comparées aux prédictions d'un modèle de circulation générale, ce qui permet de vérifier la validité de ses prédictions et de fournir de nouvelles contraintes observationnelles pour ce type de modélisations.<br /><br />Enfin, nous avons appliqué notre modèle à l'étude des planètes géantes avec le télescope spatial Herschel, dans le cadre du programme-clé de temps garanti du télescope spatial Herschel "Water and related chemistry in the Solar System''. Nous avons également identifié les améliorations à apporter à notre modèle pour analyser des observations ALMA.

Depuis le milieu des années 1990, la taille des échantillons de galaxies situées à très grande distance (“redshift”) de nous, au tout début de la vie de l'univers a augmenté grace à la sensibilité croissante des télescopes optiques / infrarouge proche. Cependant, les propriétés des poussières continues dans ces galaxies sont mal connues en raison de l'absence d'observations profondes en infrarouge lointain et en sous-mm. Cette thèse explore les propriétés multi-longueur d'onde d'une population de galaxies observées ~ 2Gyr après le Big Bang. Notre échantillon comprend 22000 galaxies, et il a été sélectionné à partir de la discontinuité de Lyman. Nous utilisons une technique statistique, appelée analyse d'empilement, qui combine le signal provenant d'un grand nombre de sources individuellement non détectées dans le but d’ameliorer les limites de détection par rapport aux observations actuelles, à ces longueurs d'onde. Elle nous permet d'obtenir une distribution spectrale d’énergie complete de l’ultraviolet lointain à l’infrarouge lointain, et d'étudier la formation des étoiles et l'atténuation par la poussière sur ces galaxies. / Since the mid-1990s, the sample of galaxies in the early universe has been growing thanks to the increasing sensitivities in the Optical/NIR telescopes. However, their dust properties are poorly known due to the lack of deep far-infrared or sub-mm observations. This thesis explores the multi-wavelength properties of a population of galaxies observed ~2Gyr after the Big Bang. Our sample includes 22000 galaxies, and it has been selected by the classical U-dropout or Lyman Break technique. We use a statistical technique, called stacking analysis, that combines the signal from a large number of sources to lower the detection limits on the current long wavelengths observations. It allows us to obtain data over the full FUV-to-FIR spectral domain, and study the star formation and dust attenuation of these galaxies.

Avec la multiplication des transmissions sans fil et l'augmentation de la taille des données à transférer, il est devenu primordial d’augmenter le débit et donc de monter en fréquence. C'est pour cela que la bande des 60 GHz (57-66 GHz) a été allouée mondialement. A cause de la forte atténuation et de la coupure éventuelle du lien émission/réception du fait de la présence humaine, les antennes à 60 GHz doivent être très souvent reconfigurables. C’est dans cette optique que Canon Research Center France et l’IETR se sont associés pour mener à bien ce travail de thèse. Un nouveau procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice a été développé. Le fait de presser un échantillon de matériau composite contenant de l’air permet d’augmenter sa masse volumique et donc sa constante diélectrique. Cette dernière est donc contrôlable par simple pression à une température optimisée. Grâce à ce procédé, divers antennes et composants à gradient d’indice ont été réalisés. L’étude s’est principalement focalisée sur la lentille de Luneburg, qui présente une loi d’indice radiale et qui possède une infinité de points focaux autour de la lentille. Cette lentille a été réalisée avec une variation d’indice progressive et est alimentée tout d’abord par un guide d’onde ouvert. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception de sources intégrées afin de pouvoir les positionner côte à côte et permettre d’obtenir le dépointage du faisceau. Pour ce faire, l’utilisation de guides diélectriques intégrés rayonnant (RSIW) a été étudiée. Deux sources passives sont conçues avec respectivement une transition ligne/fente/guide et une transition avec plongeur dans le guide rayonnant. Par la suite, une troisième source a été conçue utilisant un substrat unique avec une transition ligne coplanaire/plongeur/guide afin de simplifier la technologie de réalisation. Enfin, deux prototypes actifs ont été conçus afin de faire une communication complète à 60 GHz. Des puces réceptrices intégrées de chez Hittite ont été utilisées afin d’alimenter les sources rayonnantes qui illuminent la lentille de Luneburg. L’objectif in fine était d’obtenir trois faisceaux dirigés dans des directions distinctes. Enfin, une première contribution à l’étude d’antennes en bande submillimétrique est effectuée avec la réalisation d’un cornet, d’une antenne à polarisation circulaire et d’une antenne de focalisation en champ proche. / With the increase of wireless communications and the required bite rate of data, it needs to increase the working frequency up to the millimeter wave range. For that purpose, the 60 GHz bandwidth (57-66GHz) has been unlicensed all over the world. Because of the loss and possible non-line-of-sight communication, the antennas should have beam scanning properties. Therefore, the Canon Research Center France and the IETR have run a study (PhD) to fulfill this project. A new technological process has been developed in order to manufacture inhomogeneous materials. By pressing a composite foam material sample, it will expel the air from the sample and so, increase its density and its relative permittivity. Using this process, several antennas and components have been manufactured. A particular focus has been done on the Luneburg lens antenna. This one has a radial index law and has infinity of focal points around the lens. This lens has been manufactured with a smooth gradient index law and first fed by an open-ended waveguide to validate the technological process. Secondly, integrated sources have been studied in order to place them side by side and to allow scanning the main beam direction. Thus, the use of Radiating Substrate Integrated Waveguide (RSIW) appears to be the solution. Two passives sources have been realized. The first one is a RSIW fed by a coupling slot from a microstrip line and the second one is a RSIW fed by a coaxial probe from a first thin SIW. A thirdly RSIW has been studied fed by a coplanar line and a coaxial probe and to simplify the manufacturing. Finally, two active antennas prototypes have been realized to perform a complete communication at 60 GHz. Complete integrated chips from the Hittite company have been used to feed the RSIW which illuminate the Luneburg lens. The objective was to implement a beam scanning antennas with three distinct beam directions. Lastly, a preliminary contribution to the sub-millimeter antennas has been performed with the manufacturing of a horn, a circular polarization antenna and a near-field focusing antenna.

Les domaines millimétrique et submillimétrique sont des domaines qui permettent de caractériser la physico-chimie des atmosphères planétaires par l'observation des molécules qui les composent. Le télescope spatial Herschel et l'interféromètre ALMA, qui entreront prochainement en service, permettront d'améliorer considérablement notre connaissance des atmosphères planétaires. L'un des principaux objectifs de cette thèse est de développer un modèle d'analyse des observations millimétriques et submillimétriques qui seront effectuées avec Herschel et ALMA. C'est en ce sens que nous détaillons un modèle qui tient compte de la géométrie sphérique des corps observés et des spécificités instrumentales propres aux télescopes utilisés. Dans un premier temps, ce qui a permis notamment de valider notre modèle de transfert radiatif, nous avons étudié l'origine des composés oxygénés dans les atmosphères des planètes géantes. Nous présentons l'analyse d'observations de Saturne et d'Uranus, effectuées avec les télescopes de l'IRAM et du JCMT, pour contraindre les sources de monoxyde de carbone dans ces atmosphères. Nous améliorons ainsi les limites supérieures précédemment publiées et réalisons la première observation du monoxyde de carbone dans l'atmosphère de Saturne dans le domaine submillimétrique. Cette observation prouve l'existence d'une source externe pour ce composé. Nous analysons également des observations récentes de Jupiter, effectuées par le télescope spatial Odin, pour contraindre l'origine externe de l'eau dans la stratosphère de cette planète. Les observations confirment que la chute de la comète Shoemaker-Levy~9 est vraisemblablement la source principale d'eau. Dans un second temps, nous avons appliqué notre modèle à l'étude de la structure thermique et la dynamique de l'atmosphère de Mars, à partir d'observations du monoxyde de carbone. Ces observations sont comparées aux prédictions d'un modèle de circulation générale, ce qui permet de vérifier la validité de ses prédictions et de fournir de nouvelles contraintes observationnelles pour ce type de modélisations. Enfin, nous avons appliqué notre modèle à l'étude des planètes géantes avec le télescope spatial Herschel, dans le cadre du programme-clé de temps garanti du télescope spatial Herschel ``Water and related chemistry in the Solar System''. Nous avons également identifié les améliorations à apporter à notre modèle pour analyser des observations ALMA. / The planetary atmospheres can be characterized by observations carried out in the millimeter and submillimeter wavelength ranges. In a near future, the Herschel Space Observatory as well as the ALMA interferometer will increase our knowledge of the planet atmospheres. One of the main goals of this thesis work consists in developping an analysis tool for millimeter and submillimeter observations, which will be carried out with Herschel and ALMA. The model we have developped takes into account the spherical geometry of the planets and the properties of the telescopes. First, we have studied the origin of oxygen compounds in the atmospheres of the giant planets. We have validated our radiative transfer model from this study. We present the analysis of observations of carbon monoxide in the atmospheres of Saturn and Uranus, which have been carried out with the IRAM and JCMT telescopes, in order to constrain the origin of this compound. We improve existing upper limits and prove the existence of an external source of carbon monoxide in the atmosphere of Saturn from the first observation of this compound at submillimeter wavelengths. We also analyse recent observations from the Odin space telescope of water vapor in the stratosphere of Jupiter to constrain its external source. We confirm that the observed water is probably mostly due to the collision of comet Shoemaker-Levy~9 with the planet. Then, we have used our model in order to study the thermal structure as well as the dynamics of the atmosphere of Mars from carbon monoxide observations. These observations are compared to predictions of a general circulation model to check the consistency of the predictions. They also provide new observational constraints to general circulation models. Finally, we have used our model to study the atmospheres of the giant planets in the frame of the Herschel garanteed time key-program ``Water and related chemistry in the Solar System''. We have also determined the upgrades to implement in our model to analyse ALMA observational data.