Microwave signal processing in the optical domain is investigated in this thesis. Two signal processors including an all-optical fractional Hilbert transformer and an all-optical microwave differentiator are investigated and experimentally demonstrated. Specifically, the photonic-assisted fractional Hilbert transformer with tunable fractional order is implemented based on a temporal pulse shaping system incorporating a phase modulator. By applying a step function to the phase modulator to introduce a phase jump, a real-time fractional Hilbert transformer with a tunable fractional order is achieved. The microwave bandpass differentiator is implemented based on a finite impulse response (FIR) photonic microwave delay-line filter with nonuniformly-spaced taps. A microwave bandpass differentiator based on a six-tap nonuniformly-spaced photonic microwave delay-line filter with all- positive coefficients is designed, simulated, and experimentally demonstrated. The reconfigurability of the microwave bandpass differentiator is experimentally investigated. The employment of the differentiator to perform differentiation of a bandpass microwave signal is also experimentally demonstrated.

This work is focused on proposal of receiver with Integrated Antenna Tuner operating at 28 MHz. The design was primarily focused on simplicity and low power consumption. The receiver is adapted for SSB modulation. This work was realized for the transmission of audio signals. SSB modulation is far more efficient in terms of the radio spectrum used. First part of this thesis describes about the Antenna Tuner and block diagram of a receiver. Next parts are focused on proposal of individual blocks of the receiver, especially its most important parts. Finally, the overall evaluations of the design characteristics of SSB receivers with Integrated Antenna Tuner are discussed.

This master’s thesis deals with issues of the detection of K-complexes in EEG sleep signals. Record from an electroencephalograph is important for non-invasive diagnosis and research of brain activity. The scanned signal is used to examine sleep phases, disturbances, states of consciousness and the effects of various substances. This work follows the automatic detection of K-complexes, because the manual labeling of graphoelements is complicated. Two approaches were used –Stockwell transform and bandpass filtration followed by TKEO operator application. All algorithms were created in the MATLAB R2014a.

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Sigma-delta modulators (SDM) have come up as an attractive candidatefor analog-to-digital conversion in single chip front ends thanks to the continuousimproving performance. The major disadvantage is the limited bandwidthdue to the need of oversampling. Therefore, extending these convertersto broadband applications requires lowering the oversampling ratio (OSR) inorder. The aim of this thesis is the investigation on the topology and structureof sigma-delta modulators suitable for wideband applications, e.g. wireline orwireless communication system applications having a digital baseband aboutone to ten MHz.It has recently become very popular to feedforward the input signal inwideband sigma-delta modulators, so that the integrators only process quantizationerrors. The advantage being that the actual signal is not distorted byopamp and integrator nonlinearities. An improved feedforward 2-2 cascadedstructure is presented based on unity-gain signal transfer function (STF). Theimproved signal-to-noise-ratio (SNR) is obtained by optimizing zero placementof the noise transfer function (NTF) and adopting multi-bit quantizer.The proposed structure has low distortion across the entire input range.In high order single loop continuous-time (CT) sigma-delta modulator, excessloop delay may cause instability. Previous techniques in compensation ofinternal quantizer and feedback DAC delay are studied especially for the feedforwardstructure. Two alternative low power feedforward continuous-timesigma-delta modulators with excess loop delay compensation are proposed.Simulation based CT modulator synthesis from discrete time topologies isadopted to obtain the loop filter coefficients. Design examples are given toillustrate the proposed structure and synthesis methodology.Continuous time quadrature bandpass sigma-delta modulators (QBSDM)efficiently realize asymmetric noise-shaping due to its complex filtering embeddedin the loops. The effect of different feedback waveforms inside themodulator on the NTF of quadrature sigma-delta modulators is presented.An observation is made that a complex NTF can be realized by implementingthe loop as a cascade of complex integrators with a SCR feedback digital-toanalogconverter (DAC), which is desirable for its lower sensitivity to loopmismatch. The QBSDM design for different bandpass center frequencies relativeto the sampling frequency is illustrated.The last part of the thesis is devoted to the design of a wideband reconfigurablesigma-delta pipelined modulator, which consists of a 2-1-1 cascadedmodulator and a pipelined analog-to-digital convertor (ADC) as a multi-bitquantizer in the last stage. It is scalable for different bandwidth/resolutionapplication. The detail design is presented from system to circuit level. Theprototype chip is fabricated in TSMC 0.25um process and measured on thetest bench. The measurement results show that a SNR over 60dB is obtainedwith a sampling frequency of 70 MHz and an OSR of ten.

Yes / New multi-standard wide band filters with compact sizes are designed for wireless communication devices. The proposed structures realize dual-wideband and quad-wideband characteristics by using a new skew-symmetrical coupled pair of asymmetric stepped impedance resonators, combined with other structures. The first and second dual-wideband filters realize fractional bandwidths (FBW) of 43.2%/31.9% at the central frequencies (CF) of 1.875/1.63 GHz, and second bandwidths of 580 MHz/1.75 GHz at CF of 5.52/4.46 GHz, respectively. The proposed quad-band filter realizes its first/second/third/fourth pass bands at CF 2.13/5.25/7.685/9.31 GHz with FBW of 46.0%/11.4%/4.6%and 5.4%, respectively. The wide pass bands are attributed to the mutual coupling of the modified ASIR resonators and their bandwidths are controllable by tuning relative parameters while the wide stop band performance is optimized by the novel interdigital cross coupled line structure and parallel uncoupled microstrip line structure. Moreover, the quad band is generated by introducing the novel defected rectangle structure. These multi-standard filters are simulated, fabricated and measured, and measured results agree well with both simulated results and theory predictions. The good in-band and out-of-band performances, the miniaturized sizes and simple structures of the proposed filters make them very promising for applications in future multi-standard wireless communication. / Horizon 2020 Framework Programme(European Union), Grant/Award Number:H2020-MSCA-ITN-2016 SECRET-722 424

Dans cette thèse, une étude approfondie sur des matériaux et des solutions pratiques est réalisée afin de répondre aux difficultés rencontrées dans la propagation des ondes à des fréquences térahertz (THz). Deux matériaux ont été identifiés comme étant prometteur: le graphène et le silicium à haute résistivité (HR-Si). Une première solution, basée sur des guides d’ondes à plaques parallèles (parallel plate waveguide-PPWG) avec des conditions de fermetures conducteur parfait (perfect electric conductor-PEC) -- graphène et graphène -- graphène a été analysée dans un premier temps. En considérant l'excitation du graphène par un champ électrique seulement, puis par un champ électromagnétique statique, les équations de Maxwell ont été résolues sous ces deux conditions et les constantes de propagations des différents modes ont été extraites. La démonstration de l'existence d'un mode propagatif hybride à l'intérieur du guide est faite dès que le graphène est excité par un champ magnétique. De plus, il est montré que l'intensité de chaque type de modes, transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM), peut être ajustée suivant les champs d'excitation du graphène. Bien que le guide à plaques parallèles utilisant du graphène permette d'avoir des propriétés agiles, soit le contrôle des modes selon l'excitation du graphène, il n'en reste pas moins vrai que la faible conductivité intrinsèque au graphène conduit à un problème d'atténuation importante de l'onde. De plus, la difficulté d'obtenir des couches de graphène de taille adéquate entrave le développement de composants et de circuits fonctionnels, utilisables et à un coût raisonnable. La thèse porte ensuite sur l’étude du silicium haute résistivité pour guider des ondes aux fréquences térahertz. Tout d’abord, un guide composé d'une couche de HR-Si, de section rectangulaire dont la largeur est très grande par rapport à la hauteur, est caractérisé en utilisant un système de spectroscopie dans le domaine du temps, système permettant d'obtenir un large spectre de fréquences dans le domaine THz. Par cette caractérisation, les faibles pertes et la faible dispersion du HR-Si est démontrée. Cependant, il est aussi démontré que la géométrie du guide n'est pas optimale, conduisant à des pertes par dispersion de l'onde à l'intérieur du guide au fur et à mesure de sa propagation. Aussi, pour éviter cette dispersion, un confinement de l'onde est proposé en réduisant la largeur de la couche HR-Si pour la rendre de l'ordre de la hauteur (confinement en x et y, propagation en z) conduisant ainsi à la réalisation d'un guide d’ondes diélectrique en ruban (dielectric ribbon waveguide-DRW). Une analyse approfondie de la propagation d'une telle structure a conduit à concevoir un guide à faibles pertes d'une part, mais également à propagation monomode sur une large bande de fréquence. Une méthode de fabrication simple a été développée pour réaliser ce type de guide et un banc de mesure spécifique a été mis en place pour caractériser ce nouveau guide. Les mesures réalisées utilisent un analyseur de réseaux vectoriel (un PNA-X d'Agilent) auquel est branché deux têtes de mesure de la compagnie Virginia Diode Inc's (VDI) pour obtenir les bandes de fréquences désirées. Les sorties sont alors en guide rectangulaire standard, soit WR-8, soit WR-5 selon la plage de fréquence visée. Les résultats des mesures se comparent très bien avec les simulations réalisées avec un logiciel utilisant la méthode des éléments finis en trois dimensions (HFSS de la compagnie ANSYS) permettant d'obtenir les paramètres de la matrice de diffraction (S) mesurée par l'analyseur de réseau vectoriel. Finalement, dans le chapitre 6, un filtre passe-bande est développé comme preuve de concept pour l'utilisation du guide DRW utilisant le matériau HR-Si. Outre les faibles pertes et la propagation monomode d'un tel guide DRW, il est aussi montré dans cette thèse la facilité du processus de fabrication, le faible coût de ce procédé ainsi que la possibilité d'intégration avec d'autres composants passifs et actifs. Avec toutes ces caractéristiques très intéressantes sur différents plans, le guide DRW en HR-Si apparaît comme une solution très compétitive pour devenir un standard dans la bande de fréquence des THz.

Ces travaux de thèse concernent la mise au point d’une méthodologie de conception de filtres passe-bandes à couplages dispersifs permettant d’optimiser la sélectivité de ces filtres en générant et en contrôlant la position de zéros de transmission supplémentaires. Un état de l’art sur les différentes approches proposées dans la littérature pour la synthèse de filtres hyperfréquences à couplage dispersif est d’abord proposé. Cette analyse est illustrée par plusieurs exemples concrets, et une structure en particulier, comportant un couplage par plot capacitif, constitue le point de départ des travaux. De nouveaux éléments de couplage dispersifs ont été ensuite proposés, capables de générer aussi bien des couplages positifs que négatifs, permettant ainsi de positionner les zéros de transmission dans la bande stoppée supérieure ou inférieure. Ces éléments ont alors été intégrés dans des structures de filtrage plus complexes pour réaliser par exemple des structures en ligne possédant plusieurs zéros de transmission hors bande ou des filtres multibandes à la sélectivité renforcée. Plusieurs des dispositifs conçus ont été fabriqués et mesurés. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les simulations validant ainsi l’approche proposée. / This thesis report deals with the development of a methodology for the design of bandpass filters including dispersive coupling to optimize the selectivity of these filters by generating and controlling the position of additional transmission zeros. A state of the art on the different approaches proposed in the literature for the synthesis of microwave filters with dispersive coupling is first proposed. This analysis is illustrated by several concrete examples, and a structure in particular, comprising a coupling capacitive post, is the starting point of the work. New dispersive coupling elements were then proposed, capable of generating both positive and negative couplings, thus enabling the transmission zeros to be positioned in the upper or lower stopped band. These elements have then been integrated in more complex filtering structures to achieve, for example, on-line structures having several out-of-band transmission zeros or multiband filters with enhanced selectivity. Many of the devices designed have been manufactured and measured. The experimental results are in good agreement with the simulations validating the proposed approach.

Graduation date: 1996

This dissertation contains two significant investigations. One is the development of the broadband microwave bandpass filters with high out-of-band performance. The other is the development of low-loss hybrids. These researches are parts of the National Aeronautic and Space Administrator (NASA)s mission to explore the universe. The former is focused on the techniques used in microstrip line bandpass filter design that help achieving both low in-band insertion loss and high out-of-band attenuation level. Moreover, these filters achieve very broadband out-of-band attenuation bandwidth. These techniques are related to the improvement of stepped impedance resonators, coupling between resonators and effective methods to allocate transmission zeros to suppress filters out-of-band spurious responses. The later is focused on the techniques used in planar magic-T designs such that the developed magic-T obtains high isolation between port E (difference port) and port H (sum port). Moreover, it obtains low-loss and broadband characteristics. These techniques are related to the development of the low-loss broadband microstrip-toslotline (MS-to-SL transition and the magic-T with a highly symmetric structure. The theoretical analysis and experimental measurements have been performed. The experimental results of both the filter and magic-T researches show significant improvement over their prior state-of-the-art designs by number of magnitude. The designs also reduce fabrication complexity.