Les travaux présentés dans cette thèse concernent l’étude et la fabrication de composants passifs hyperfréquence possédant un facteur de qualité important sur les bandes Q et V. Pour cela, nous nous sommes orientés vers la fabrication de composants volumiques à air. Des lignes coaxiales à section rectangulaire à air ainsi que des filtres à cavité métalliques à air ont été réalisés. Aussi, ces travaux consistent à définir une méthode de fabrication permettant d’obtenir les composants cités précédemment. Plusieurs techniques de micro-fabrication additives ont ainsi été établies afin de répondre à la problématique. / This work concerns the study and the fabrication of passive RF components with a high quality factor on Q/V bands. The components were fabricated with an air-filled 3D architecture. Air-filled rectangular micro-coaxial lines and air filled cavity filters were demonstrated. Also, micro-additive fabrication processes were demonstrated for the realization of the 3D air-filled components.

This thesis presents research towards enabling micromachined millimeter and submillimeter wave focal plane arrays (FPAs). The FPAs operate under the following principle: a switch network consisting of microelectromechanical (MEMS) switches, integrated with micromachined waveguides, is used to feed an array of antenna elements, located in the focal plane of a high-gain quasi-optical system. Hence, it is possible to switch between a set of narrow beams in different directions. Such beam steering systems are needed for future millimeter and submillimeter wave imaging and communication systems. The contributions to future MEMS-switchable FPAs presented here are organized in three papers, as described below. Paper I presents a criterion on the spacing between adjacent FPA elements which results in -3 dB overlap between the switched beams, for the special case when an extended hemispherical dielectric lens is used as the optical system. A key step towards this criterion is a closed-form relation between the scan angle and the FPA element's position, which results in an expression for the effective focal length of extended hemispherical lenses. A comparison with full-wave simulations demonstrates an excellent agreement with the presented theoretical results. Finally, it is shown that the maximum feasible FPA spacing when using an extended hemispherical lens is about 0.7 wavelengths. Paper II presents a numerical study of silicon-micromachined planar extended hemispherical lenses, with up to three matching regions used to reduce internal reflections. The effective permittivity of the matching regions is tailor-made by etching periodic holes in the silicon wafer. The optimal thickness and permittivity of the matching regions were determined using TRF optimization, in order to yield the maximum wide-band aperture efficiency and small side-lobes. We introduce a new matching region geometry, referred to as shifted-type matching regions, and it is demonstrated that using three shifted-type matching regions results in twice as large aperture efficiency as compared to using three conventional concentric-type matching regions. Paper III presents a submillimeter-wave single-pole single-throw (SPST) 500-750 GHz MEMS waveguide switch, based on a MEMS-reconfigurable surface inserted between two waveguide flanges. A detailed design parameter study is carried out to select the best combination of the number of horizontal bars and vertical columns of the MEMS-reconfigurable surface, for achieving a low insertion loss in the transmissive state and a high isolation in the blocking state. A method is presented to model the non-ideal electrical contacts between the vertical cantilevers of the MEMS surface, with an excellent agreement between the simulated and measured isolation. It is shown that the isolation can be improved by replacing an ohmic contact by a new, capacitive contact. The measured isolation of the switch prototype is better than 19 dB and the measured insertion loss is between 2.5 and 3 dB. / Denna avhandling presenterar forskning som syftar till att möjliggöra fokalplans-gruppantenner (FPAs) för våglängder i millimeter och submillimeterområdet. Principen för en sådan FPAs funktion är följande: ett nätverk bestående av mikroelektromekaniska (MEMS) switchar, används för att välja mellan de olika antenn-elementen i en gruppantenn, som placerats i fokalplanet av ett optiskt system. Därmed blir det möjligt att välja från en uppsättning av smala lober i olika riktningar. Sådana lob-styrningssystem behövs för framtida radar- och kommunikationssystem i millimeter och submillimeterområdet. Resultaten är uppdelade i tre vetenskapliga artiklar, som beskrivs nedan. I den första artikeln (Paper I) presenteras ett villkor för avståndet mellan närliggande FPA-element som resulterar i -3 dB överlappning mellan de switchade loberna, för specialfallet då en förlängd hemisfärisk lins används som optiskt system. Det viktigaste steget mot att hitta detta villkor är att bestämma en analytisk relation mellan avsökningsvinkeln och FPA-elementens position. Detta resulterar i ett uttryck för den effektiva fokallängden för denna typ av lins. En utmärkt överensstämelse har funnits mellan dessa relationer och simuleringar. Slutligen visas det att de största möjliga FPA-avstånden för en förlängd hemisfärisk lins är ungefär 0.7 våglängder, vilket uppnås för linser med låg permittivitet. I den andra artikeln (Paper II) presenteras en numerisk studie av plana förlängda hemisfäriska linser, som kan produceras från en kiselskiva. Linserna har upp till tre matchningsregioner, som används för att reducera interna reflektioner. Den effektiva permittiviteten av de matchande regionerna skräddarsys genom etsning av periodiska hål i kiselskivan. Den optimala tjockleken och permittiviteten av de matchande regionerna har bestämts med hjälp av TRF-optimering, för att ge maximal bredbandig direktivitet och minimala sidlober. En ny geometri introduceras för matchningsregionerna, som vi kallar matchningsregioner av skiftad typ. Vi visar att användning av tre matchningsregioner av skiftad typ resulterar i en dubbelt så hög apertur-effektivitet, jämfört med att använda tre konventionella matchningsregioner av koncentrisk typ. I den tredje artikeln (Paper III) presenteras en MEMS-switch för rektangulära vågledare, för frekvensområdet 500-750 GHz. Baserat på en designparameterstudie har den bästa kombinationen av antalet horisontella rader och vertikala kolumner hos den MEMS-konfigurerbara ytan valts ut, för att uppnå låga förluster i det öppna tillståndet och hög isolation i det blockerande tillståndet. I artikeln presenteras en metod för att modellera icke-perfekta elektriska kontakter mellan de fixerade och de rörliga delarna i MEMS-ytan. Denna metod uppvisar en utmärkt överensstämmelse mellan den simulerade och den uppmätta isolationen. Vi visara att isolationen kan förbättras med hjälp av en ny typ av kapacitiv kontakt. Den uppmätta isolationen hos den presenterade switch-prototypen är högre än 19 dB, och den uppmätta förlusten är mellan 2.5 och 3 dB. / <p>QC 20161206</p>

Alors que les galaxies évoluent, leur milieu interstellaire (MIS) s’enrichit continuellement en métaux, et cet enrichissement influence la formation d’étoiles. Les galaxies naines de faible métallicité de l’Univers Local sont les candidates idéales pour étudier l’influence de cet enrichissement en métaux sur les propriétés du MIS des galaxies et nous donne un aperçu des processus d’enrichissement et de formation stellaire dans des conditions proches de celles trouvées dans les systèmes pauvres en métaux de l’Univers primordial. Des études précédentes ont montré que le MIS des galaxies naines pose un certain nombre d’énigmes en terme d’abondance des grains, de composition de la poussière et même des processus d’émission en infrarouge lointain (FIR). Cependant, ces études étaient limitées à la poussière chaude émettant à des longueurs d’onde plus courtes que 200 micromètres et étaient effectuées sur un petit nombre de galaxies. Grâce à une sensibilité et une résolution améliorées dans les domaines FIR et submillimétriques (submm), Herschel nous donne une vue nouvelle sur les propriétés de la poussière froide dans les galaxies et nous permet d’étudier les galaxies les plus pauvres en métaux de manière systématique. Dans ce travail, je mène une étude des propriétés des poussières dans les galaxies naines et compare avec des environnements plus riches en métaux, pour aborder la question de l’impact de la métallicité sur les propriétés de la poussière. La nouveauté de ce travail réside dans le fait que les galaxies naines sont étudiées de manière systématique, nous permettant d’accéder aux, et de quantifier les propriétés générales représentatives de ces systèmes. Cette étude est conduite sur toute la gamme de longueurs d’onde infrarouge (IR)-submm, avec les nouvelles observations en FIR/submm d’Herschel, ainsi que des données Spitzer, WISE, IRAS, et 2MASS. Nous complétons ces données avec des mesures en domaine submm de télescopes au sol comme APEX ou le JCMT, pour étudier la présence et les caractéristiques de l’excès submm dans mon échantillon de galaxies. Je collecte aussi les données HI et CO pour accéder aux propriétés du gaz dans ces galaxies et étudier l’évolution du rapport en masse gaz-sur-poussière (G/D) avec la métallicité. Notre étude révèle des propriétés de poussière différentes dans les environnements de faible métallicité que celles observées dans des systèmes plus riches en métaux (par exemple, une poussière globalement plus chaude). Une émission en excès par rapport aux modèles utilisés, apparait souvent aux alentours de 500 micromètres, menant à d’importantes incertitudes sur les propriétés de la poussière, notamment sur la masse de poussière. Les excès les moins importants peuvent cependant être expliqués en utilisant une autre composition pour la poussière, avec des grains plus émissifs. Traceur idéal de l’état d’évolution chimique d’une galaxie, le G/D est en fait bien plus grand que ce que l’on pourrait attendre si l’on considère un modèle simple d’évolution chimique. Interprétée avec des modèles d’évolution chimique plus complexes, incorporant des processus de croissance des grains et/ou une formation d’étoiles épisodique, la relation entre le G/D et la métallicité, ainsi que sa dispersion, peuvent être expliquées par la grande variété d’environnements que nous considérons dans notre étude. / As galaxies evolve, their Interstellar Medium (ISM) becomes continually enriched with metals, and this metal enrichment influences the subsequent star formation. Low metallicity dwarf galaxies of the local Universe are ideal candidates to study the influence of metal enrichment on the ISM properties of galaxies and gives us insight into the enrichment process and star formation under ISM conditions that may provide clues to conditions in early universe metal-poor systems. Previous studies have shown that the ISM of dwarf galaxies poses a number of interesting puzzles in terms of the abundance of dust grains, the dust composition and even the FIR emission processes. However these studies were limited to the warmer dust emitting at wavelengths shorter than 200 microns and were done only on a small number of dwarf galaxies. Thanks to its increased sensitivity and resolution in FIR and submillimeter (submm) wavelengths, Herschel gives us a new view on the cold dust properties in galaxies and enables us to study the lowest metallicity galaxies in a systematic way. In this work, I carry out a study of the dust properties in dwarf galaxies and compare with more metal rich environments, in order to address the question of the impact of metallicity on the dust properties. The novelty of this work lays in the fact that dwarf galaxies are studied here in a systematic way, enabling us to derive and quantify the general properties that are representative of these systems. This study is conducted over the full IR-to-submm range, using new FIR/submm Herschel observations, Spitzer, WISE, IRAS and 2MASS data. We complete this set of data with longer submm measurements from ground-based facilities such as APEX and JCMT to study the presence and characteristics of the submm excess in my sample of galaxies. I also collect Hi and CO data to access the gas properties of the galaxies and study the evolution of the G/D with metallicity. Our study reveal different dust properties in low-metallicity environments than that observed in more metal-richs systems (e.g., an overall warmer dust component). An excess submm emission is often apparent near and/or beyond 500 microns rendering large uncertainties in the dust properties, even for something as fundamental as dust masses. Some of the smallest excesses can be explained by using another dust composition with more emissive grains. Ideal tracer of the chemical evolutionary stage of a galaxy, the gas-to-dust mass ratios (G/D) is found to be much higher than what is expected by simple chemical evolution models. Interpreted with more sophisticated chemical evolution models, including dust growth in the ISM and/or episodic star formation, the relation of the G/D with metallicity and its scatter can be explained by the wide variety of environments we are considering.

Je rapporte dans ce manuscrit une étude théorique et expérimentale d’une source compacte, fiable et bas coût d’ondes électromagnétiques continues et cohérentes de 30 Hz de largeur de raie, accordables de 1 GHz à 500 GHz par pas de 1 GHz. Ces ondes sont générées par un photo-mélange de deux diodes lasers DFB (Distributed Feedback) très accordables autour de 1550 nm, stabilisées avec des polarisations orthogonales sur une même cavité Fabry-Perot optique fibrée. J’ai conçue des électroniques de correction très rapides pour chaque laser permettant d’avoir une bande passante d’asservissement de 7 MHz limitée par la longueur de la boucle. Je démontre des suppressions de bruit de phase jusqu’à -60 dBc/ Hz à 1 kHz et de -90 dBc/Hz à 100 kHz d’écart d’une porteuse électrique à 92 GHz. Je mesure aussi une dérive de fréquence de ~170 kHz d’un battement à 10 GHz à long terme sur 7,5 heures de verrouillage continu. Je montre une conception optimisée d’une boucle d’asservissement intégrée de quelques dizaines de cm de longueur qui réduit le bruit de phase de 18 dB à 1 MHz d’écart à la porteuse optique et des couplages phase-amplitude réduits dans la cavité d’un facteur 50 par rapport à ceux estimés expérimentalement. L’ajout d’un troisième laser DFB stabilisé en phase sur un oscillateur local permettrait d’avoir une source continûment accordable sur 1 THz. La source d’ondes continues permettrait également de générer à partir de fibres hautement non linéaires et dispersives des impulsions pico- ou femtosecondes à un taux de répétition fixe en remplacement les lasers DFB par des lasers plus stables. Je calcule par simulation une gigue temporelle de 7,2 fs sur un temps d’intégration de 1 ms à 40 GHz de taux de répétition. / I report in this manuscript a theoretical and experimental study of a compact, reliable and low cost source of 30 Hz linewidth, continuous and coherent electromagnetic waves tunable from 1 GHz to 500 GHz in steps of 1 GHz. These waves are generated by photomixing two distributed feedback (DFB) laser diodes at 1550 nm which are frequency stabilized with orthogonal polarizations on the same optical fibered Fabry-Perot cavity. I have designed very fast electronic control filters for each laser allowing a 7 MHz servo bandwidth limited by the loop length. I demonstrate phase noise suppressions down to -60 dBc/Hz at 1 kHz and -90 dBc/Hz at 100 kHz offset frequencies from a 92 GHz electrical carrier. I also measure a ~170 kHz frequency drift of the beat note at 10 GHz on the long term over a continuous 7.5 hour locking period. I show an optimized design of an integrated servo loop of few tens of cm length which reduces the phase noise by 18 dB at 1 MHz optical carrier offset frequency and the phase-amplitude couplings in the cavity by a factor of 50 compared to the experimental one. The addition of a third DFB laser phase stabilized on a local oscillator allows the possibility to have continuously tunable source over 1 THz. The continuous wave source also makes it possible to generate fixed repetition rate pico- or femtosecond pulses from highly non-linear and dispersive fibers, replacing the DFB lasers by further stable lasers. I have calculated by simulation 7.2 fs temporal jitter at 40 GHz repetition rate over a 1 ms integration time.