L'Ultra Large Bande est une technique de transmission radio qui consiste à utiliser des signaux dont le spectre s'étale sur une large bande de fréquences, typiquement de l'ordre de 500 MHz à plusieurs GHz. Elle fut d'abord utilisée pour des applications radars puis transposée aux applications de télécommunications, suscitant ainsi un intérêt grandissant au sein de la communauté académique et industrielle. Les principales caractéristiques de cette technologie lui confèrent le statut d'un candidat prometteur pour les systèmes de communications radio haut-débit à courte portée. Cette thèse poursuit un objectif double. Le premier consiste à améliorer l'analyse de performances des antennes ULB et à en proposer de nouvelles structures soit pour la mesure de canal, soit pour les communications. Dans cet objectif, des descripteurs temporels particulièrement pertinents pour le mode impulsionnel sont introduits et appliqués aux antennes réalisées. Le deuxième objectif de cette thèse est de caractériser les réseaux ULB corporels. Dans ce contexte, la question de l'interaction antenne ULB/corps s'est naturellement posée. De nombreuses simulations et mesures sur des personnes volontaires ont permis d'étudier cette question. Une campagne extensive de mesures du canal ULB sur le corps a été ensuite réalisée, ce qui a permis de proposer un modèle statistique capable de reproduire les effets de ce canal de manière réaliste, en configuration statique.

Le marché des radiocommunications de proximité évolue entre autres vers des applications soit à très basse consommation, soit à très haut débit. Bénéficiant d'une largeur de bande instantanée au moins cent fois plus grande que celle des systèmes large bande actuels, la technologie ultra large bande (ULB) se positionne naturellement sur ces deux créneaux. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension et la performance des antennes ULB fonctionnant sur plusieurs gigahertz tout en répondant aux contraintes spécifiques des applications grand public. Dans un premier temps, la réduction de l'encombrement et du coût des antennes est le point de mire du travail de conception. Cependant ces réductions vont en général de pair avec une dégradation des performances qu'il faut pouvoir quantifier. Pour caractériser la performance de l'antenne sur une telle bande, les outils usuels (gain, phase) dans le domaine fréquentiel sont peu adaptés. Particulièrement pertinent pour le mode impulsionnel, des descripteurs temporels sont donc introduits. Entre autres, la distorsion de la forme d'onde rayonnée par l'antenne est étudiée. Elle permet d'analyser et de quantifier l'influence sur la qualité de la liaison, d'un comportement d'antenne variant en fonction de la fréquence. Dans un second temps, la distorsion qu'apporte l'antenne est mise en regard de celle apportée par les autres éléments de la chaîne de communication. Des campagnes de mesures du canal de propagation et de l'impact de l'intégration sur un terminal multimédia ont été réalisées.

L'essor récent des communications Ultra Large Bande a nécessité des antennes spécialement adaptées à cette technologie. Cette thèse explicite les besoins en éléments rayonnants caractérisés ainsi que les contraintes spécifiques liées à la conception d'antennes pour ces systèmes. Un état de l'art des antennes large bande valide le choix d'une base d'étude. L'optimisation d'une antenne papillon précède la présentation d'une nouvelle structure imprimée. Cette géométrie d'antenne alimentée par guide d'onde coplanaire lui confère une adaptation d'impédance à 50 Ω, un rayonnement omnidirectionnel, ainsi qu'un encombrement et un coût limités. L'insertion d'une ouverture triangulaire ainsi que de fentes capacitives au sein du triangle rayonnant améliore l'adaptation, élargit la bande passante et réduit l'encombrement. Un second travail a consisté à obtenir un rayonnement moins directif en adoptant des formes de plans de masse latéraux appropriés. Les résultats simulés ont été validés par quatre réalisations. L'effet combiné des améliorations permet à l'antenne finale de présenter une réduction de taille de 70 %. Enfin, une antenne imprimée elliptique alimentée par CPW est étudiée et réalisée. Des mesures temporelles ont été nécessaires afin de caractériser les antennes. Le mode opératoire et les traitements appliqués sont décrits et validés. Les fonctions de transfert des antennes en émission et réception sont séparées. Leur caractérisation dans différentes directions de propagation permet de présenter les déformations subies par une impulsion référence lors de son rayonnement par les antennes. Leur dispersion a ainsi pu être comparée selon la direction et l'antenne utilisée.

La technologie ULB apporte de nouveaux défis en terme de caractérisation d'antennes. Les méthodes de mesure de rendement d'antenne associées doivent être rapide et performantes. Un état de l'art des méthodes conventionnelles de détermination du rendement ainsi que des nouvelles techniques est proposé afin de dresser les innovations possibles. Une première méthode ("ULB Wheeler Cap") est tout d'abord décrite et analysée grâce à différentes études et expérimentations afin d'approfondir sa connaissance. Enfin, l'élaboration d'une nouvelle méthode de mesure dédiée à l'ULB est présentée. Grâce à l'utilisation combinée de la Chambre Réverbérante à Brassage de Modes et du Retournement Temporel en mode impulsionnel, la méthode TREM (Time Reversal Efficiency Measurement), réalisée dans le domaine temporel, offre une mesure rapide du rendement d'antenne donnant une information large bande immédiate. Parallèlement, il est nécessaire de disposer de structures filtrantes intégrées aux antennes ULB afin de s'adapter aux technologies existantes. Une structure de filtre planaire, passif et de taille réduite, utilisant des éléments résonants localisés, est développée, intégrée et mesurée pour servir la conception d'antenne multibande et filtrante.

Les systèmes radar nécessitent d’être de plus en plus performants et doivent émettre des impulsions les plus identiques possibles. Un critère permet de quantifier la bonne régularité des impulsions radar au cours du temps : la stabilité pulse à pulse. L’amplificateur de puissance est un élément essentiel du système radar. Dans ce sens, ce travail présente une analyse du critère de stabilité pulse à pulse dans le cas d’un amplificateur HEMT GaN. Les formules mathématiques permettant d’extraire la valeur de la stabilité pulse à pulse des mesures temporelles d’enveloppe sont présentées. La conception et la réalisation d’un amplificateur de puissance RF connectorisé 50 Ω sont décrites. Divers cas de rafales radar ont été étudiés au travers des mesures temporelles d’enveloppe pour en quantifier l’impact sur les valeurs de stabilité pulse à pulse. Un banc de mesure hétérodyne de la stabilité pulse à pulse a été spécialement développé pendant ces travaux de thèse. Finalement, ces résultats de stabilité pulse à pulse ont été utilisés pour optimiser le modèle électrique non linéaire du transistor HEMT GaN afin de prendre en compte lors des simulations temporelles d’enveloppe les effets de la thermique et des pièges. / Radar-oriented applications require stringent performances. Among them, emitting pulse train with uniform envelope characteristics in term of amplitude and phase. The criterion to quantify the self-consistency of radar signals over the pulse train is the pulse to pulse stability. The power amplifier is the most critical element in the RF radar chain because it has a strong impact on the overall pulse to pulse stability performances. In this context, this work is focused on the study of the impact of a HEMT GaN power amplifier on the pulse to pulse stability. Mathematical approach is presented to derive the pulse to pulse stability from time domain envelope measurements. Design and implementation of a 50Ω matched RF power amplifier are presented. Different radar bursts scenario are investigated and their impact on the pulse to pulse stability are quantified through extensive time domain envelope measurements. For that purpose, a dedicated experimental heterodyne time domain envelope test bench has been developed. These pulse to pulse stability measurements are finally used to optimize and fully validate a nonlinear electrical model of a HEMT GaN, allowing to quantify the relative impact of thermal and trapping effects during circuit envelope simulation in radar-oriented applications.

L’essor et l’évolution des systèmes de télécommunication sont liés inéluctablement à la montée en fréquence et à l’augmentation des bandes passantes des futurs systèmes d’une part, et à une place sans cesse croissante prise par l’électronique numérique dans les chaînes d’émission/réception d’autre part. Concernant ce deuxième aspect, la génération de puissance RF avant émission est encore à ce jour implémentée de façon analogique, mais la gestion énergétique des amplificateurs de puissance RF est de plus en plus assistée numériquement. L’apparition du ‘numérique’ dans le domaine de la puissance RF se traduit par la mise en œuvre de systèmes électroniques fonctionnant en commutation : modulateurs de polarisation pour l’envelope tracking, convertisseurs numérique-analogique de puissance (Power-DAC) ou amplificateurs en commutation à fort rendement (classe S ou D). C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse : deux dispositifs de commutation originaux à base de transistors GaN HEMT sont présentés, analysés et réalisés en technologie MMIC. Ces cellules de commutation élémentaires permettent, jusqu’à des fréquences de quelques centaines de MHz, de commuter des tensions jusqu’à 50V, avec des puissances de l’ordre de 100W, ceci avec un rendement énergétique supérieur à 80%. Ces cellules de commutation sont ensuite utilisées dans diverses applications : deux types de modulateurs de polarisation destinés à l’envelope tracking ainsi que deux architectures d’amplificateurs classe D (demi-pont et pont en H) sont étudiés et les résultats expérimentaux permettent de valider ces différentes topologies. / Telecommunication systems development is linked to working frequency and bandwidths increasement of future systems on one hand, and the growing place taken by digital electronics in the transmission chains on the other hand. Concerning the second point, the RF power generation in emitters is still implemented in an analog way, but the energy management of the RF power amplifiers is more and more assisted by numeric devices. The appearance of the 'digital technology' in the field of RF power is characterized by the implementation of high speed switching electronic systems like bias modulators for envelope tracking, power digital to analog converters (Power-DAC) or switching mode RF amplifiers (Classe S or D). This thesis work fits in this context, it describes two original switching devices based on GaN HEMT transistors. These elementary switching cells are realized in MMIC technology, they allow switching frequencies up to few hundreds MHz, with voltages reaching 50V, powers about 100W and energy efficiency greater than 80%. These switching cells are then used in various applications: two kinds of bias modulators for envelope tracking system as well as two architectures of class D amplifiers (half-bridge and full-bridge) are analyzed and validated by experimental results.

La capacité d’un émetteur radar à assurer la bonne détection des cibles mouvantes sans générer de fausses alertes dépend principalement de sa stabilité pulse à pulse qui est affectée par de nombreux facteurs tels que les effets mécaniques, thermiques et électriques. Cependant, la stabilité pulse à pulse d’un émetteur radar à impulsions est liée à celle de ses amplificateurs de puissance, et plus particulièrement à la technologie des dispositifs actifs. Dans ce sens, ce travail présente une analyse de ce critère radar au plus près du composant (au niveau d’un transistor HEMT GaN) dans le cas d’une rafale radar d’impulsions irrégulières. Un nouveau banc de mesure temporelle d’enveloppe 4-canaux à base de THA a été développé pour les besoins de mesure de stabilité pulse à pulse. Ce système de mesure permet aussi d’extraire la réponse temporelle de courant basse fréquence à des rafales irrégulières d’impulsions RF. Bien que cette configuration ait été initialement développée pour caractériser la spécification critique de la stabilité pulse à pulse pour les applications radar, elle a montré un énorme potentiel pour la modélisation des pièges lors des simulations temporelles d’enveloppe, en complément des différentes techniques de caractérisation des pièges (I-V impulsionnelle, dispersion basse-fréquence de l’admittance de sortie Y22). / The capability of a radar transmitter to ensure clutter rejection depends mainly on its pulse-to-pulse stability, which is affected by many factors such as mechanical, thermal, and electrical effects. However, the P2P stability of a pulsed radar transmitter is linked to that of its power amplifiers, and more specifically on the active device technology. In this context, thiswork presents the analysis of this radar criterion at device level (GaNHEMTtransistor) in the case of a radar burst of RF pulses. A new on-wafer time-domain envelope measurement setup based on a 4-channel THA receiver has been developed to characterize pulse-to-pulse stability and the low-frequency drain current. While this setup was originally developed to characterize the critical specification of pulse-to-pulse stability for radar applications, it demonstrated a great potential for trap modeling in addition to the different characterization techniques of traps (pulsed I-V, low-frequency dispersion of Y22).

Cette thèse a pour objectif d’étudier l’influence de la recharge rapide sur le vieillissement des batteries lithium, et son impact sur les performances des véhicules électriques dans le cadre d’une utilisation postale. La première partie est consacrée à la modélisation de batteries lithium par un modèle à circuit électriques équivalent, dont les paramètres sont identifiables par des tests de caractérisation linéaires. La deuxième partie est dédiée à l’étude du vieillissement, et abouti sur un estimateur de vieillissement par l’exploitation des données des tests de vieillissement accélérés. Ensuite, l’utilisation postale est étudiée, et un profil de courant représentatif de la sollicitation réelle de la batterie est proposé. Ce dernier a permis de valider le modèle de la batterie dans le domaine de l’utilisation postale. Ensuite un modèle de véhicules électriques est présenté, il intègre le modèle de batterie, tout en le faisant vieillir en utilisant l’estimateur de vieillissement. Enfin, les différentes stratégies de recharges possibles sont énumérées et comparées. Pour conclure sur leurs influences sur le vieillissement des batteries, et donc les performances de véhicules. / This thesis aims to study the influence of fast charging on the aging of lithium batteries, and its impact on the performances of electric vehicles as part of a postal use. The first part is devoted to the modeling of lithium batteries with an equivalent electric circuit model, whose parameters could be identified using linear characterization tests. The second part is dedicated to the study of aging, and results in an aging estimator using data collected from accelerated aging tests programs. Then the postal usage is studied, and a power profile representative of the actual load on the battery is provided. The latter was used to validate the model of the battery in the field of postal use. Then the postal use is studied, and a current profile representative of the real behavior of the battery is provided. This profile was used to validate the model of the battery in the postal use domain. Then a model of electric vehicles is presented, it integrates the battery model, which can simulates the aging state of the battery using the ageing estimator. Finally, the various possible strategies of recharge are listed and compared, which leads to conclusions about their influences on aging of batteries, and the vehicles performance.

Ce travail de cette thèse propose une conception et une réalisation d’un banc intégré de caractérisation temporelle des dispositifs RF non-linéaires conçu avec des récepteurs de type THA. Ce banc est une version miniaturisée, moins onéreuse et à performances comparables d’un banc similaire « éclaté » et développé au sein d’XLIM. Le banc intégré développé dans ce travail est entièrement étalonné. Il est versatile vis-à-vis des techniques de sous échantillonnage mis en œuvre pour mesurer des signaux RF sur des temps d’acquisition très différents (<50 µs ou < quelques ms). La technique CIS est utilisée pour l’acquisition périodiques de signaux RF périodiques de durée courtes. La technique DQD est utilisée pour l’acquisition périodiques ou apériodique de signaux RF périodiques ou apériodiques. Cet outil a été utilisé pour extraire, à partir des formes d’ondes temporelles mesurées à leurs accès, plusieurs paramètres caractéristiques (AM/AM- AM/PM, EVM) d’amplificateurs GaN de gamme 10 à 50 W soumis à des excitations simples ou à des signaux modulés. Ce manuscrit décrit aussi la mise en œuvre le développement, parallèlement au travail précédent, d’une plateforme de laboratoire de travaux pratiques à distance pour le projet européen TEMPUS EOLES. / This work proposes the design and the realization of a 4-channel integrated and calibrated time-domain characterization system for the characterization of non-linear microwave devices. This integrated measurement system uses THA based receivers. This is a miniaturized, less expensive and comparable version of a similar laboratory available tool developed within XLIM. The integrated instrument developed in this work is fully calibrated. It is versatile with respect to sub-sampling techniques used to measure RF signals over very different acquisition times (<50 µs or < few ms). The CIS technique is used for the periodic acquisition of periodic short duration RF signals. The DQD technique is used for the periodic or aperiodic acquisition of periodic or aperiodic RF signals. This tool was used to extract, from the measured time-domain waveforms at their ports, several characteristic parameters (AM/AM-AM/PM, EVM) of GaN amplifiers operating in the 10 to 50 W range and excited with simple or modulated signals. This manuscript also describes the implementation, and the development, performed along with the previous work, of a laboratory platform for remote practical works in the context of the European project TEMPUS EOLES.