Le but de la thèse est de réaliser des filtres accordable en technologie planaire multi-niveaux proposé par l'entreprise allemande IHP. Les filtres sont réalisés aux ondes millimétriques,principalement autour de 60 GHz et 140 GHz. Nous étudions l'accordabilité en fréquence mais aussi l'accordabilité en bande passante ne utilisant un concept nouveau établie au cours de cette thèse. Les premiers résultats concernant les filtres accordables en fréquence ont permit la rédaction de plusieurs articles. Maintenant, nous venons de recevoir les mesures prouvant notre nouveau concept permettant l'accord en fréquence et en bande passante des filtres planaires à base de résonateurs en anneau

L’essor des systèmes de télécommunication nécessite l’utilisation de technologies innovantes pour concevoir des dispositifs toujours plus performants. Les technologies à base de métamatériaux et de films ferroélectriques paraissent les plus prometteuses. Ce mémoire est divisé en deux parties et décrit la conception, la fabrication et la caractérisation de structures hyperfréquences aux propriétés originales.Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dont la structuration est petite devant la longueur d’onde, permettant d’accéder à des propriétés électromagnétiques souvent inexistantes dans la nature. La rétropropagation d’une onde, qui se traduit par des vitesses de phase et de groupe de signes opposés, est probablement la caractéristique la plus importante.Après un état de l’art des métamatériaux, la première partie traite de la conception d’un métamatériau gaucher en technologie fin-line à basede motifs résonants telle que des anneaux fendus. La largeur de la bande passante est améliorée en utilisant des motifs de type Omega. Dans ces structures, nous avons pu démontrer expérimentalement l’existence de bandes de transmission gauchères, conformément aux prédictions théoriques. La deuxième partie explore la possibilité d’introduire l'accordabilité des métamatériaux à l'aide de films minces ferroélectriques. Une caractérisation large bande de la dispersion fréquentielle de la fonction diélectrique de films minces de BaSrTiO3 (50/50) est réalisée jusqu’à 100 GHz. Enfin, nous montrons numériquement et expérimentalement que l'intégration de ces films permet la réalisation de lignes de transmission composites droitière et gauchère accordables. / The development of telecommunication systems requires the use of innovative technologies to design ever more efficient devices. Ferroelectric films and metamaterials-based technologies appear most promising. This thesis is divided into two parts and describes the design, fabrication and characterization of microwave structures with original properties. Metamaterials are artificial materials whose structure is small compared to the wavelength, giving access to the electromagnetic properties often no existing in nature. The backward propagation of a wave, which results in phase and group velocities with opposite sign, is probably the most important feature. After a state of the art of metamaterials, the first part deals with the design of a left-handed metamaterial in fin-line technology loaded by resonant patterns such as split rings. The width of the passband is improved by using Omega-like patterns. In these structures, we have demonstrated experimentally the existence of left-handed transmission bands, according to theoretical predictions. The second part explores the possibility of introducing tunability of metamaterials using ferroelectric thin films. A characterization of broadband frequency dispersion of the dielectric function of thin films BaSrTiO3 (50/50) was achieved up to 100 GHz. Finally, we show numerically and experimentally that the integration of these films allows the realization of tunable right-handed and left-handed composite transmission lines.

Les cristaux phononiques permettent d’obtenir des propriétés inhabituelles de propagation des ondes élastiques et en particulier l’apparition de bandes de fréquences interdites où l’onde est évanescente. Malgré le grand nombre d’applications potentielles, ces structures souffrent d’un manque d’adaptabilité qui limite leurs fonctionnalités. Ce travail de thèse s’intéresse à l’intégration de matériaux piézoélectriques dans les cristaux phononiques afin d’accorder électriquement les bandes interdites après fabrication. La première géométrie proposée consiste en une alternance de couches élastiques et de couches piézoélectriques qui sont individuellement connectées à une capacité électrique. Les courbes de dispersion analytiques et numériques ainsi que les expériences montrent clairement l’accordabilité des bandes interdites par réglage de la valeur de la capacité électrique. Le contrôle est cependant partiel car seule l’une des deux bornes est affectée. Les cristaux phononiques exclusivement piézoélectriques connectés à deux capacités électriques offrent, quant à eux, la possibilité de contrôler indépendamment les deux bornes des bandes interdites. Les modèles analytiques développés ont été validés numériquement et expérimentalement. Lorsque les couches piézoélectriques sont identiques, on constate que cette géométrie présente des bandes interdites uniquement grâce à la condition électrique périodique, qui se traduit par une discontinuité périodique du déplacement électrique. Elles sont appelées « bandes interdites de charge électrique » et font l’objet d’un brevet Thales/CNRS. / Phononic crystals allow obtaining unusual propagation properties of elastic waves and especially can exhibit absolute band gaps where waves are evanescent. Despite numerous potential applications, these structures suffer from a lack of adaptability which limits their functionalities. This PhD thesis deals with the integration of piezoelectric materials in phononic crystals in order to electrically tune band gaps after manufacture. The first proposed geometry consists of alternating layers of elastic and piezoelectric materials which are individually connected to an electrical capacitance. Analytical and numerical dispersion curves as well as experiments clearly show band gaps tuning by setting the value of the electrical capacitance. The control is however partial because only one of the two boundaries is affected. Exclusively piezoelectric phononic crystals allow the independent control of the two band gaps boundaries using two electrical capacitances. Analytical models have been verified numerically and experimentally. When piezoelectric layers are identical, one can note that this geometry presents band gaps due to periodic electrical condition, which is consequently a periodic discontinuity of the electric displacement. They are called “electric charge band gaps” and are subject to a Thales/CNRS patent.

Les cristaux phononiques sont des matériaux structurés périodiquement permettant le contrôle de la propagation d'ondes élastiques. Leurs propriétés sont définies dès leur conception et leur fabrication. L'objet de cette thèse est de conférer de l'agilité à ces structures. Dans ce cadre, deux types de cristaux phononiques piézoélectriques pilotés par des conditions électriques sont présentés. Ces deux cristaux phononiques réalisent la fonction de filtre coupe-bande accordable en fréquence en vue d'applications en tant que composant pour les télécommunications. Le caractère périodique de ces cristaux phononiques est uniquement dû à la périodicité des électrodes déposées à la surface du substrat. La première géométrie permet de générer des ondes de Lamb à une fréquence de l'ordre du mégahertz. Un modèle analytique est développé et met en évidence une Bande Interdite électrique due à la discontinuité du champ électrique le long du réseau, et dépendante des conditions électriques choisies. Les résultats analytiques sont comparés avec succès à ceux de calculs par éléments finis. Des mesures vibratoires ont permis d'identifier les modes excités dans le dispositif expérimental. Les mesures du potentiel électrique en transmission ont mis en évidence la Bande Interdite générée par le cristal phononique. La seconde géométrie permet de générer des ondes de surface à une fréquence de l'ordre de la centaine de mégahertz. Des calculs par éléments finis montrent de nouveau une Bande Interdite électrique due à l'alternance du champ électrique et dépendante des conditions électriques, pouvant donner lieu à des composants Radio Fréquence accordables. / Phononic crystals are materials with a periodic structure used to modify the propagation of acoustic waves. Their properties are fixed during the fabrication. The purpose of this PhD thesis is to give tunability to these structures. In this context, two types of piezoelectric phononic crystals driven by electrical conditions are studied. These two phononic crystals perform a tunable stop-band filter function for applications as a component for telecommunications. The periodic property of these phononic crystals is only due to the periodicity of the electrodes covering the surface of the substrate. The first geometry generates Lamb waves at a frequency around one megahertz. An analytical model is developed and exhibits an Electrical Bragg Band gap due to the discontinuity of the electric field along the crystal, that depends on the electrical boundary conditions. The analytical results are compared with success to finite element results. With the help of the displacement measurements, we have identified the excited modes in the experimental device. The measurements of the electrical potential in transmission have revealed the Electrical Bragg Band gap generated by the phononic crystal. The second geometry generates surface acoustic waves at a frequency around one hundred megahertz. Once again, finite element calculations exhibit an Electrical Bragg Band gap due to the discontinuity of the electric field that depends on the electrical boundary conditions. Then, the device can be used to create tunable Radio Frequency components.

Cette thèse rapporte le développement d’un nouveau montage expérimental pour la spectroscopie Térahertz basé sur une source de rayonnement réalisant la différence de fréquences, sur un substrat AsGa, de deux lasers émettant vers 820 nm pour générer du rayonnement infrarouge lointain. Ce montage s’inscrit dans le courant d’intérêt récent pour les possibilités du rayonnement Térahertz vues dans un premier chapitre. Le second chapitre s’intéresse à la génération de rayonnement par différence de fréquences sur un élément semi-conducteur et à son utilisation pour la spectroscopie. L’obtention d’une large accordabilité du rayonnement généré de cette manière s’appuie sur un système de modulateurs acoustooptiques en double passage. Le troisième chapitre s’attache à la stabilisation des sources infrarouges par une méthode Pound-Drever-Hall utilisant une cavité de haute finesse pour obtenir un rayonnement Térahertz généré de grande pureté spectrale. Enfin, le spectromètre mis en place a été caractérisé par des mesures du spectre du chlorure de méthyle et utilisé dans une étude exploratoire du paramètre d’élargissement collisionnel de raies de l’eau par N2, O2 et l’air. / This thesis reports on the construction of a new experimental set up for Terahertz spectroscopy based on the generation of the frequency difference of two near infrared laser diodes at 820nm on a GaAs substrate device. The first chapter describes the renewal of the interest for T-rays. The second chapter treats the FIR generation by frequency difference on the GaAs semiconductor device and its uses for spectroscopy. The broad tunability of this Far Infrared radiation obtained by double-pass acousto-optic modulators setup is also seen. The third chapter discusses about stabilisation of infrared sources by the Pound-Drever-Hall method using a high finesse cavity to generate a high spectral purity of the FIR emission. Finally, the spectrometer is characterised by measurements of the rotationnal spectrum of methyl-chloride and used in a primary study of the broadening parameter of water lines by N2, O2 and air.

Le but de la thèse est de réaliser des filtres accordable en technologie planaire multi-niveaux proposé par l'entreprise allemande IHP. Les filtres sont réalisés aux ondes millimétriques,principalement autour de 60 GHz et 140 GHz. Nous étudions l'accordabilité en fréquence mais aussi l'accordabilité en bande passante ne utilisant un concept nouveau établie au cours de cette thèse. Les premiers résultats concernant les filtres accordables en fréquence ont permit la rédaction de plusieurs articles. Maintenant, nous venons de recevoir les mesures prouvant notre nouveau concept permettant l'accord en fréquence et en bande passante des filtres planaires à base de résonateurs en anneau / The thesis aim is to realize tunable filters using the BiCMOS planar technologie provided by thegerman company IHP. We are working on millimeterwaves, mainly 60 GHz and 140 GHz. Westudy the frequency tunability but also the bandwidth tunability using a new concept provided bythe study carried during this thesis. The first study about frequency tunability aimed to severalconference articles. Now, we just have the measurements proving the new concept of frequencycontrol while maintening a bandwidth control of planar ring filters

Nous avons développé un oscillateur paramétrique optique simplement résonant (SRO) basé sur un cristal non linéaire de niobate de lithium dopé 5%-MgO et périodiquement polarisé (ppMgCLN). Il est pompé à 1064 nm par une diode laser en cavité étendue balayable continûment de 1050 à 1070 nm injectant un ampli cateur Yb-fi bré de puissance 10 W. Il génère une onde idler comprise entre 3 et 4 m et une onde signal entre 1450 et 1650 nm. Son seuil varie entre 2 et 3 W. La puissance idler maximale obtenue est de 1.8 W à 3 m pour une puissance de pompe de 9 W. Le balayage en fréquence continu de l'onde idler s'eff ectue en balayant la longueur d'onde pompe. Du fait des propriétés de dispersion du matériau ppMgCLN pompé à une longueur d'onde proche de 1064 nm, le désaccord de phase ne varie pas signi- cativement durant le balayage en fréquence de la pompe permettant une excursion en fréquence sans saut de mode de l'onde idler importante. Sans asservissement, un balayage continu de l'onde idler sur 175 GHz a été obtenu, limité principalement par les uctuations acoustiques basses fréquences de longueur de la cavité SRO induisant un ou plusieurs sauts de mode durant le balayage. Pour réduire ces fluctuations et augmenter la plage de balayage sans saut de mode, la cavité SRO est asservie sur le pic de transmission d'une cavité Fabry-Perot de grande fi nesse. Nous avons alors pu démontrer un balayage mono-fréquence sans saut de mode de l'onde idler sur 500 GHz. Cette large accordabilité continue pourrait être utilisée pour la spectroscopie haute résolution multi-espèces dans le moyen infrarouge. Par ailleurs, nous avons revisité la théorie ondes planes du SRO en utilisant une méthode perturbative très puissante qui tient compte de la déplétion de la pompe. Nous avons pu ainsi déterminer les relations d'entrée-sortie du SRO sous la forme de relations explicites très simples, montrant que les puissances de sortie sont proportionnelles à la racine cubique de la puissance pompe.

Nous avons développé un oscillateur paramétrique optique simplement résonant (SRO) basé sur un cristal non linéaire de niobate de lithium dopé 5%-MgO et périodiquement polarisé (ppMgCLN). Il est pompé à 1064 nm par une diode laser en cavité étendue balayable continûment de 1050 à 1070 nm injectant un amplificateur Yb-fibré de puissance 10 W. Il génère une onde idler comprise entre 3 et 4 µm et une onde signal entre 1450 et 1650 nm. La cavité SRO est asservie sur le pic de transmission d'une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons alors pu démontrer un balayage mono-fréquence sans saut de mode de l'onde idler sur 500 GHz. Cette large accordabilité continue pourrait être utilisée pour la spectroscopie haute résolution multi-espèces dans le moyen infrarouge. Par ailleurs, nous avons revisité la théorie ondes planes du SRO, dont les solutions analytiques ont été données pour la première fois en 1969 par Kreuzer sous la forme d'une équation transcendante, en utilisant une méthode perturbative très puissante qui tient compte de la déplétion de la pompe. Nous avons pu ainsi déterminer les relations d'entrée-sortie du SRO sous la forme de relations explicites très simples, montrant que les puissances de sortie sont proportionnelles à la racine cubique de la puissance pompe.

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).

Compte tenu de la multiplication des standards dans le domaine des télécommunications,l’accordabilité au sein des systèmes est devenue une priorité en termes d’intégration et de coût.Un seul circuit accordable doit ainsi permettre d’adresser plusieurs normes. Dans la gamme deshyperfréquences, en technologie planaire, la fonction accordable (filtre ou antenne) estactuellement un dispositif passif distribué sur lequel sont reportés un ou plusieurs élémentsd’accords. Il est ainsi possible de faire varier au moins une des caractéristiques du dispositif(fréquence centrale et/ou bande passante pour les filtres et fréquence de résonance, diagrammede rayonnement ou mode de polarisation pour les antennes). Le circuit passif étant distribué, pourassurer la propagation de l’onde, un matériau diélectrique faible pertes est généralement utilisé.Cependant, l’ajout d’éléments d’accord engendre des pertes et des perturbations liées au report ducomposant (éléments parasites au niveau de l’interconnexion et des discontinuités composantd’accord-dispositif passif, et de la mise en boitier du composant reporté). Enfin, cette manière deréaliser des fonctions accordables rend peu flexible la conception (dimensions et localisation ducomposant d’accord) et la fabrication (perçage et métallisation pour les vias).Dans ce contexte, nous proposons de co-concevoir des fonctions hyperfréquences accordablessur un substrat semi-conducteur sur lequel il est à la fois possible de réaliser le composantd’accord et le dispositif passif distribué. Cette co-conception du circuit passif et de son élémentd’accord permet d’éliminer toutes les contraintes liées au report de composant, au perçage de viamétallique et apporte une grande flexibilité au niveau du dimensionnement de la zone dopée. Eneffet, elles peuvent être soit localisées soit distribuées. Toutefois, ce concept nécessite que lesupport semi-conducteur soit à la fois compatible à la propagation de l’onde et à la réalisation del’élément d’accord. Ces travaux de thèse ont permis de lever ce verrou en proposant descompromis permettant la réalisation de composants accordables validés par des démonstrateurssur technologie silicium.Au cours de ces travaux, une ligne de transmission micro-ruban et un composant d’accord de typeswitch ont été co-conçus. De très bonnes performances, validées par la mesure, ont été obtenues.De plus, une démarche de co-simulation a été proposée pour prendre en compte les effets semiconducteursdans la simulation électromagnétique.Le concept ayant été validé, il a été ensuite appliqué à des dispositifs accordables relativementsimples afin de montrer le potentiel de cette démarche (en termes de performances et de flexibilitéde conception), tels que des filtres accordables, des guides d’ondes de type SIW (SubstrateIntegrated Waveguide) reconfigurables ou encore des antennes accordables en fréquence. Cestravaux font également apparaître de nombreuses perspectives pour la réalisation de nouvellestopologies de filtres accordables (filtres SIW, interdigités…), d’antennes accordables (enfréquence, en diagramme de rayonnement…) ou de déphaseurs. Enfin, un potentiel a été identifiépour de nouvelles topologies de fonctions accordables en continu à base de jonction de typediodes varactors (composants à capacités variables). / Given the proliferation of standards in telecommunication systems, tunability is becoming a priorityboth in terms of integration and cost. A single tunable circuit needs to be able to work according toseveral different standards. Nowadays, a tunable function (filter or antenna) in planar technology isa passive distributed device to which some active tuning elements are soldered. At least onecharacteristic of the device can therefore be varied (the central frequency and/or the bandwidth inthe case of a filter; or the resonant frequency, radiating pattern or polarization mode in the case ofan antenna). Because passive devices are distributed in order to propagate the electromagneticwave, they are often designed on a dielectric substrate to minimize losses. However, the additionof tuning elements causes some additional losses and disturbances (some parasitic effects canarise due to the packaging or the interconnection and discontinuities between active and passiveparts). Finally, these tunable functions reduce the flexibility of the design (due to the size andlocalization of the active tuning elements) and manufacturing (due to drilling and via metallization).In this context, we propose to co-design tunable microwave functions on a semiconductorsubstrate on which it is possible to build both the tunable element and the passive distributedcomponent. This co-design between the passive and active parts removes the constraints relatedto the tuning elements and drilling of via holes. The concept offers a greater flexibility with regard tothe size of doped areas, allowing them to be either localized or distributed. However, this approachrequires the substrate to be compatible with the propagation of the electromagnetic field and withthe design of the tunable element. The work of this thesis makes it possible to overcome suchobstacles by proposing some tradeoffs allowing the design and the manufacture of tunablemicrowave components in silicon technology, which have been validated by demonstrator circuits.During this work, a microstrip transmission line and a switch were co-designed. Goodperformances were obtained both in simulations and measurements. Moreover, a co-simulationapproach is proposed to take into account the semiconductor effects in electromagneticsimulations.Once validated, this concept was applied to other relatively simple tunable devices to show thepotential of this approach (in terms of performances and design flexibility). Applications includedtunable filters, reconfigurable waveguides (such as SIW: Substrate Integrated Waveguides) andfrequency-tunable antennas. This study showed promising results for the design of new tunablefilter topologies (SIW filters, coupled-line filters), tunable antennas (in resonant frequency orradiation pattern) and phase shifters. Finally, the approach shows potential for continuous tunablefunctions based on varactor diodes (with capacitance variation).