Avec le nombre croissant de services accessibles par l'utilisateur sur un terminal mobile, les caractéristiques multi-standards et la reconfigurabilité des chaînes radio-fréquences amènent des contraintes de conception de plus en plus importantes sur les composants RF, en particulier sur les filtres. La solution que nous proposons dans ce travail consiste à répartir la fonction de filtrage sur l'ensemble de l'émetteur RF. Ainsi, tout en gardant sa fonctionnalité première, chaque composant (filtre, duplexeur, amplificateur, antenne...) apporte une fonction de filtrage supplémentaire et/ou complémentaire qui permet, une fois intégré dans l'ensemble de la chaîne, de répondre aux gabarits imposés par les différents standards. Ce mémoire présente une première étude sur ce sujet. Il met en évidence la faisabilité du concept de filtrage réparti, avec la présentation de quelques architectures multi-fonctions : amplificateur-filtrant, diviseur de puissance filtrant, antenne filtrante...

L'objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d'une topologiede ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d'encombrement et de facteur de qualitéaux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanarWaveguide) utilise le phénomène d'ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligned'un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposantégalement de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfoissupérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l'étude du champ électromagnétique dans la structure, unmodèle électrique a été développé. C'est le premier modèle dans la littérature prenant en compteles pertes dans ce type de guide d'onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec deslignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu'à 110GHz. Lacompacité et les faibles pertes d'insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et dediviseurs de puissance permettent de réussir l'intégration de circuits passifs compacts entechnologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques.

L'objectif de cette thèse a été premièrement de réaliser des dispositifs passifs intégrés à base de lignes à onde lentes nommées S-CPW (pour " Slow-wave CoPlanar Waveguide ") aux fréquences millimétriques. Plusieurs technologies CMOS ou BiCMOS ont été utilisées: CMOS 65 nm et 28 nm ainsi que BiCMOS 55 nm. Deux baluns, le premier basé sur une topologie de rat-race et le second basé sur un diviseur de puissance de Wilkinson modifié, ainsi qu'un inverseur de phase, ont été réalisés et mesurés dans la technologie CMOS 65 nm. Les résultats expérimentaux obtenus se situent à l'état de l'art en termes de performances électriques. Un coupler hybride et un diviseur de puissance avec des sorties en phase sans isolation ont été conçus en technologie CMOS 28 nm. Les simulations montrent de très bonnes performances pour des dispositifs compacts. Les circuits sont en cours de fabrication et pourront très bientôt être caractérisés. Ensuite, une nouvelle topologie de diviseurs de puissance, avec sorties en phase et isolé a été développée, offrant une grande flexibilité et compacité en comparaison des diviseurs de puissance traditionnels. Cette topologie est parfaitement adaptée pour les technologies silicium. Comme preuve de concept, deux diviseurs de puissance avec des caractéristiques différentes ont été réalisés en technologie PCB microruban à la fréquence de 2.45 GHz. Un composent a été conçu à 60 GHz en technologie BiCMOS 55 nm utilisant des lignes S CPW. Les simulations prouvent que le dispositif est faibles pertes, adapté et isolé. Les circuits sont également en cours de fabrication. Enfin, deux topologies de " reflection type phase shifter " ont été développées, la première dans la bande RF et la seconde aux fréquences millimétrique. Pour la bande RF, le déphasage atteint plus de 360° avec une figure de mérite très élevée en comparaison avec l'état de l'art. En ce qui concerne le déphaseur dans la bande millimétrique, la simulation montre un déphasage de 341° avec également une figure de mérite élevée.

L’objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d’une topologiede ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d’encombrement et de facteur de qualitéaux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanarWaveguide) utilise le phénomène d’ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligned’un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposantégalement de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfoissupérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l’étude du champ électromagnétique dans la structure, unmodèle électrique a été développé. C’est le premier modèle dans la littérature prenant en compteles pertes dans ce type de guide d’onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec deslignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu’à 110GHz. Lacompacité et les faibles pertes d’insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et dediviseurs de puissance permettent de réussir l’intégration de circuits passifs compacts entechnologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques. / This work focuses on high-performance S-CPW (Shielded CoPlanar Waveguide) transmissionlines in classical CMOS integrated technologies for the millimeter-wave frequency band.Thanks to an important slow-wave phenomenon, the physical length of S-CPW decreases by afactor from 1.3 to 3.2 compared with classical transmission lines. Presenting also lowattenuation loss, the developed transmission lines show very high quality factor (higher than 40at 60 GHz). The precise study of the electromagnetism field leads to an electrical model forS-CPWs. This is the first model that takes the losses in this topology into account. Then, somebasic passive circuits designed with S-CPWs and characterized up to 110 GHz are presented invarious CMOS technologies. The low insertion losses and relative low surfaces of a powerdivider and a passband filter show the great interest of S-CPW to integrate compact passivecircuits in classical CMOS technologies at millimeter-wave frequencies.

L’objectif de cette thèse a été premièrement de réaliser des dispositifs passifs intégrés à base de lignes à onde lentes nommées S-CPW (pour « Slow-wave CoPlanar Waveguide ») aux fréquences millimétriques. Plusieurs technologies CMOS ou BiCMOS ont été utilisées: CMOS 65 nm et 28 nm ainsi que BiCMOS 55 nm. Deux baluns, le premier basé sur une topologie de rat-race et le second basé sur un diviseur de puissance de Wilkinson modifié, ainsi qu’un inverseur de phase, ont été réalisés et mesurés dans la technologie CMOS 65 nm. Les résultats expérimentaux obtenus se situent à l’état de l’art en termes de performances électriques. Un coupler hybride et un diviseur de puissance avec des sorties en phase sans isolation ont été conçus en technologie CMOS 28 nm. Les simulations montrent de très bonnes performances pour des dispositifs compacts. Les circuits sont en cours de fabrication et pourront très bientôt être caractérisés. Ensuite, une nouvelle topologie de diviseurs de puissance, avec sorties en phase et isolé a été développée, offrant une grande flexibilité et compacité en comparaison des diviseurs de puissance traditionnels. Cette topologie est parfaitement adaptée pour les technologies silicium. Comme preuve de concept, deux diviseurs de puissance avec des caractéristiques différentes ont été réalisés en technologie PCB microruban à la fréquence de 2.45 GHz. Un composent a été conçu à 60 GHz en technologie BiCMOS 55 nm utilisant des lignes S CPW. Les simulations prouvent que le dispositif est faibles pertes, adapté et isolé. Les circuits sont également en cours de fabrication. Enfin, deux topologies de « reflection type phase shifter » ont été développées, la première dans la bande RF et la seconde aux fréquences millimétrique. Pour la bande RF, le déphasage atteint plus de 360° avec une figure de mérite très élevée en comparaison avec l’état de l’art. En ce qui concerne le déphaseur dans la bande millimétrique, la simulation montre un déphasage de 341° avec également une figure de mérite élevée. / The first purpose of this work was the use of slow-wave coplanar waveguides (S CPW) to achieve various passive components with the aim to show their great potential and interest at millimetre-waves. Several CMOS or BiCMOS technologies were used: CMOS 65 nm and 28 nm, and BiCMOS 55 nm. Two baluns, one based on a rat-race topology and the other based on a modified Wilkinson power divider, and a phase inverter, were achieved and measured in a 65 nm CMOS technology. State-of-the-art results were achieved. A branch-line coupler and an in phase power divider without isolation were designed in a 28 nm CMOS technology. Really good performances are expected for these compact devices being yet under fabrication. Then, a new topology of in phase and isolated power divider was developed, leading to more flexibility and compactness, well suited to millimetre-wave frequencies. Two power dividers with different characteristics were realized in a PCB technology at 2.45 GHz by using microstrip lines, as a proof-of-concept. After that, a power divider was designed at the working frequency of 60 GHz in the 55 nm BiCMOS technology with S CPWs. The simulation results showed a low loss, full-matched and isolated component, which is also under fabrication and will be characterized as soon as possible. Finally, two new topologies of reflection type phase shifters were presented, one for the RF band and one for the millimetre-wave one. For the one in RF band, the phase shift can reach more than 360° with a great figure-of-merit as compared to the state-of-the-art. Concerning the phase shifter in the millimetre-wave band, the simulation results show a phase shift of 341° with also a high figure-of-merit.

Cette thèse apporte une contribution à l'évaluation des potentialités de filières SiGe de type BiCMOS pour les futures applications de télécommunications en bande millimétrique. Dans ce cadre, les topologies équilibrées ou différentielles sont très attrayantes, en raison de leur bonne immunité aux perturbations électriques et électromagnétiques. La montée en fréquence des applications hyperfréquences sur silicium s'accompagne de nouvelles difficultés. Les pertes introduites par les éléments passifs augmentent et les performances des structures différentielles classiques chutent très rapidement. Il est alors nécessaire d'exploiter d'autres techniques et de rechercher des topologies innovantes permettant la réalisation de fonctions équilibrées performantes. Une première partie est consacrée à l'évaluation des potentialités des différentes technologies d'interconnexions (microruban, guides coplanaires et lignes à rubans coplanaires) exploitables pour la conception de circuits monolithiques sur silicium. Dans un second temps, une bibliothèque d'inductances optimisées pour une utilisation en bande K et Ka est constituée. Les mécanismes physiques à l'origine des pertes dans ce type d'élément sont détaillés afin de dégager les solutions permettant d'améliorer leurs performances. Une deuxième partie traite de l'optimisation des performances des circuits différentiels pour les futures applications dans la gamme 20-40 GHz. Dans un premier temps, nous détaillons les caractéristiques hautes fréquences du transistor qui pénalisent le fonctionnement d'une structure différentielle classique. Des topologies de structures différentielles originales permettant de résoudre ce problème sont ensuite proposées. Ces structures sont appliquées à la conception d'un diviseur de puissance actif 180° original, optimisé pour une fréquence centrale de fonctionnement de 20 GHz. Enfin, un convertisseur de fréquences 20 GHz vers 1 GHz a été conçu et réalisé. Celui-ci intègre, outre le mélangeur, le s trois coupleurs actifs 180° nécessaires à la génération / recombinaison des signaux différentiels utiles au mélangeur. La caractérisation de ce convertisseur de fréquences démontre la pertinence des configurations choisies pour les interconnexions ainsi que le grand intérêt des structures différentielles originales mises en Suvre.

Ces travaux de thèse se situent dans le domaine du multiplexage hyperfréquence pour les systèmes de télécommunication de Guerre Électronique. Ils s'inscrivent dans le cadre d'une étude portant sur la miniaturisation des solutions actuelles de multiplexage visant à réduire l'encombrement et donc le coût de fabrication de ce type de dispositifs Radar. L'objectif est donc de proposer une alternative aux technologies et architectures classiques de multiplexeurs qui, bien que performantes, pâtissent d'un encombrement et d'un poids prohibitifs pour les systèmes aéroportés du futur. Le multiplexage en fréquence permet un découpage d'un spectre électromagnétique en un certain nombre de bandes de fréquence (canaux) dont le nombre, la largeur et l'espacement dépendent de l'application visée. L'objectif de ces travaux est donc d'étudier la faisabilité d'un multiplexeur en technologie planaire, découpant la bande 2-18GHz en 16 canaux contigus. L'enjeu de cette étude concerne autant l'architecture globale du composant que le choix de la topologie des différents filtres qui le composent, afin de respecter un cahier des charges très contraignant en termes de performances électriques ou d'encombrement. La connexion et la cohabitation des différents filtres au sein du multiplexeur est également un paramètre critique de l'étude, et nécessite une attention particulière. Nous proposons ici un découpage en fréquence singulier impliquant l'utilisation d'une architecture originale de multiplexeur utilisant divers composants passifs tels qu'un diviseur de puissance de type Wilkinson, des duplexeurs ou encore plusieurs quadriplexeurs (banques de quatre filtres). Ces travaux ont donc été divisés en sous-blocs dont nous prouvons, pour chacun d'eux, la faisabilité en technologie planaire. Les duplexeurs utilisent une topologie originale dite " flèche " dont nous développons la synthèse et les quadriplexeurs HF sont basés sur la topologie DBR développée au laboratoire. Les quadripexeurs BF sont, quant à eux, basés sur différentes topologies large bande (interdigitée, à stubs CO ou CC). La validité de l'architecture globale proposée est également avérée. Au cours de cette thèse, divers outils d'aide à la conception des circuits hyperfréquences complexes ont été développés afin de simplifier au maximum le flot de conception classique et donc de diminuer les temps de réglage. Plusieurs réalisations et de nombreuses simulations électromagnétiques viennent étayer les résultats et confirmer l'acuité des outils utilisés.

Actuellement, les fantassins de l'armée française sont équipés d'un système de radiocommunication quand ils sont en intervention sur le terrain. L'antenne utilisée pour émettre et recevoir les signaux radiofréquences (RF) est du type monopole appelée antenne fouet placée parallèlement au corps du fantassin au niveau de la clavicule gauche. Cependant, l'antenne fouet perturbe le champ de vision des fantassins surtout lorsqu'ils tournent leur tête vers la gauche. De plus, la position de l'antenne fouet gêne les fantassins gauchers lorsqu'ils sont en position de tir. Enfin, l'antenne fouet rajoute un poids supplémentaire. Il est évident alors que l'intégration de l'antenne dans les gilets militaires permet de mieux répondre aux besoins des fantassins notamment en termes d'ergonomie. Cependant une telle intégration doit aussi répondre aux besoins d'efficacité de rayonnement, de couverture spatiale et de protection du corps vis-à-vis du rayonnement de l'antenne. De plus les contraintes liées à la technologie de réalisation doivent être prises en compte. La thèse est focalisée sur la conception et la caractérisation d'antennes intégrées aux gilets militaires. Le travail de recherche s'est fait dans le cadre du projet collaboratif GIANTE, soutenu par le dispositif DGA-RAPID, associant les partenaires complémentaires : SAFRAN Sagem, le laboratoire LCIS et ARDEJE. Le travail inclue tous les développements relevant de la conception électromagnétique avec la prise en compte du corps humain et le suivi de la réalisation par impression numérique assurée par ARDEJE qui possède la technologique jet d'encre. Il concerne également la caractérisation RF (adaptation, bande passante, diagramme de rayonnement) des antennes avec un banc expérimental adapté et l'évaluation des performances globales des antennes en environnements fonctionnels (milieu dégagé, milieu urbain, forêt). / Nowadays, the infantrymen of French army are equipped with a radio communication system when they are in field action. The antenna used to transmit and receive Radiofrequency (RF) signals is a monopole antenna called as whip antenna. It is placed parallel to the infantryman's body at the left clavicle. However, the whip antenna disrupts the field of view of infantrymen particularly when they turn their head to the left. Moreover, the position of the whip antenna bothers the left-handed infantrymen when they are in fire position. Finally, the whip antenna adds an additional weight to the infantrymen. Thus, it is obvious that the integration of the antenna into the military jackets allows to better meet the needs of infantrymen particularly in terms of ergonomy. However such an integration must also meet the needs in terms of radiation efficiency, spatial coverage and protection of the body against the antenna radiation. Moreover, the constraints of realization technology must be taken into account. The thesis is focused on the design and characterization of integrated antennas into military jackets. The research work is performed within the collaborative project GIANTE, supported by the DGA-RAPID frameproject, associating complementary partners: SAFRAN Sagem, laboratory LCIS, and ARDEJE. The work includes all the electromagnetic studies required by the environmental constraints by taking account the human body. It also includes the follow-up of the realizations made by ARDEJE that masters inkjet printing technologies. The RF characterization (impedance matching, bandwidth, radiation pattern) of antennas with a suitable bench test and the evaluation of global performances of antennas in functional environments (environment free from obstructions, urban areas, forest) are also part of the thesis work.

Actuellement, les fantassins de l'armée française sont équipés d'un système de radiocommunication quand ils sont en intervention sur le terrain. L'antenne utilisée pour émettre et recevoir les signaux radiofréquences (RF) est du type monopole appelée antenne fouet placée parallèlement au corps du fantassin au niveau de la clavicule gauche. Cependant, l'antenne fouet perturbe le champ de vision des fantassins surtout lorsqu'ils tournent leur tête vers la gauche. De plus, la position de l'antenne fouet gêne les fantassins gauchers lorsqu'ils sont en position de tir. Enfin, l'antenne fouet rajoute un poids supplémentaire. Il est évident alors que l'intégration de l'antenne dans les gilets militaires permet de mieux répondre aux besoins des fantassins notamment en termes d'ergonomie. Cependant une telle intégration doit aussi répondre aux besoins d'efficacité de rayonnement, de couverture spatiale et de protection du corps vis-à-vis du rayonnement de l'antenne. De plus les contraintes liées à la technologie de réalisation doivent être prises en compte. La thèse est focalisée sur la conception et la caractérisation d'antennes intégrées aux gilets militaires. Le travail de recherche s'est fait dans le cadre du projet collaboratif GIANTE, soutenu par le dispositif DGA-RAPID, associant les partenaires complémentaires : SAFRAN Sagem, le laboratoire LCIS et ARDEJE. Le travail inclue tous les développements relevant de la conception électromagnétique avec la prise en compte du corps humain et le suivi de la réalisation par impression numérique assurée par ARDEJE qui possède la technologique jet d'encre. Il concerne également la caractérisation RF (adaptation, bande passante, diagramme de rayonnement) des antennes avec un banc expérimental adapté et l'évaluation des performances globales des antennes en environnements fonctionnels (milieu dégagé, milieu urbain, forêt). / Nowadays, the infantrymen of French army are equipped with a radio communication system when they are in field action. The antenna used to transmit and receive Radiofrequency (RF) signals is a monopole antenna called as whip antenna. It is placed parallel to the infantryman's body at the left clavicle. However, the whip antenna disrupts the field of view of infantrymen particularly when they turn their head to the left. Moreover, the position of the whip antenna bothers the left-handed infantrymen when they are in fire position. Finally, the whip antenna adds an additional weight to the infantrymen. Thus, it is obvious that the integration of the antenna into the military jackets allows to better meet the needs of infantrymen particularly in terms of ergonomy. However such an integration must also meet the needs in terms of radiation efficiency, spatial coverage and protection of the body against the antenna radiation. Moreover, the constraints of realization technology must be taken into account. The thesis is focused on the design and characterization of integrated antennas into military jackets. The research work is performed within the collaborative project GIANTE, supported by the DGA-RAPID frameproject, associating complementary partners: SAFRAN Sagem, laboratory LCIS, and ARDEJE. The work includes all the electromagnetic studies required by the environmental constraints by taking account the human body. It also includes the follow-up of the realizations made by ARDEJE that masters inkjet printing technologies. The RF characterization (impedance matching, bandwidth, radiation pattern) of antennas with a suitable bench test and the evaluation of global performances of antennas in functional environments (environment free from obstructions, urban areas, forest) are also part of the thesis work.