L'importante évolution des standards de communications sans fil impose aux systèmes de télécommunication une évolution rapide de leurs architectures. Cette évolution est imposée par de nouvelles normes dont certaines sont basées sur les concepts de transmission multi-porteuses et multi-modes avec une priorité à la compacité, l'intégration, la performance et la baisse de coût. Plusieurs solutions techniques sont envisagées pour s'adapter à cette évolution, et de nouvelles architectures de têtes d’émission-réception sont envisagées en faisant appel à des composants électroniques reconfigurables. Ces dispositifs reconfigurables seront répartis sur toute la chaine d’émission-réception, et peuvent prendre différentes formes tels que des filtres accordables en fréquences, des antennes accordables, adaptateurs d'impédance ou des déphaseurs. Les composants passifs accordables présentent un réel intérêt car ils permettent de fonctionner à plusieurs bandes de fréquences pour des applications ou des standards de communication différents tout en réduisant le coût, l'encombrement et la consommation d’énergie. Deux composants passifs d’une chaine de transmission, les filtres et des antennes reconfigurables font l’objet des travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse. Les performances des circuits et des dispositifs hyperfréquences reconfigurables sont directement liées aux propriétés des éléments d'accord utilisés pour assurer cette fonctionnalité. Dans ce but, différents éléments tels que les composants à base de semi conducteurs (varactor, diode PIN, transistor), de matériaux agiles (ferroélectriques, ferromagnétiques) sont utilisables. Le choix de ce dispositif d'accord dépend des performances et du type d’application envisagée, et les pertes, la linéarité, la vitesse de commutation, la tenue en puissance, la consommation, le coût, sont les principaux critères qui guident le choix. Au début des années 2000, d’autres solutions ont vu le jour avec le développement de la technologie RF-MEMS (Micro Electro-Mechanical System). Ceci a incité les concepteurs de circuits RF à étudier la possibilité d’exploiter les propriétés de cette technologie. Le développement de la technologie RF MEMS peut permettre de franchir un verrou technologique et d’atteindre de bonnes performances en termes de fréquence de coupure, de facteur de qualité, perte et de linéarité. Cette nouvelle technologie à contribué au développement de nouveaux circuits accordables adaptés aux besoins actuels. Développée depuis de nombreuses années au laboratoire XLIM, la technologie RF MEMS est utilisée par les travaux de cette thèse. / The rapid growth of the telecommunications industry has led to a significant increase in the number of allocated frequency bands and a growing need for terminals providing access to an increasing number of standards while offering maximum services. The miniaturization of these devices combined with the implementation of additional functions has become a real challenge for the industry. The use of tunable microwave functions (filters, antennas, amplifiers ...) appears as a solution to this issue. In this way, three main technologies are mainly used: variable capacitors, tunable materials and RF MEMS. Within the scope of this thesis work, our investigations focused on tunable microwave devices like filter and antenna. The first part of our study focused on the realization of tunable planar filters in MEMS RF and SOI Technology. We made two tunable bandpass filters. The first one is a center frequency tunable bandpass two using RF MEMS switchers and the second one using tunable capacitor in SOI technology. In a second part, we focused on the realization of tunable Planar Inverted F Antenna PIFA in MEMS RF.  Finally, we discussed follow-up to give to this work and outlooks.

L'objectif de ce travail fut de concevoir des filtres accordables dans le domaine RF/microondes. Après avoir dressé un état de l'art du filtrage accordable microonde et défini des facteurs de mérite permettant de comparer ces types de dispositifs, trois topologies de filtres ont ensuite été proposées. Ces filtres sont basés sur des structures périodiques planaires constituées de lignes de propagation et de capacités chargeant ces lignes. Pour les trois études présentées, des modélisations semi-réparties de ces structures ont été effectuées, modélisations analytiques prenant en considération un modèle réparti des lignes de propagation et un modèle localisé des capacités considérées. Des règles de conception simples ont alors été déduites. Des filtres fixes et accordables ont pu être conçus à partir de ces méthodes de conception puis réalisés en technologie coplanaire hybride. L'accord de la fréquence de fonctionnement et/ou de la bande passante de ces filtres est réalisé par l'intermédiaire de varactors chargeant les lignes de propagation, les varactors que nous avons utilisés étant du type jonctions semiconductrices polarisées en inverse présentant des facteurs de qualité acceptables aux fréquences de travail considérées pour nos prototypes (entre 0,5 et 9 GHz). Les mesures des prototypes réalisés ont ensuite permis de valider les études théoriques proposées.

A l'heure où la demande en quantité d'informations et le nombre d'utilisateurs explosent, toujours avec des limitations en allocation en fréquence et bande passante, les systèmes de télécommunication tendent à optimiser la gestion de leur capacité en s'orientant vers des systèmes reconfigurables. Dans le cas des filtres d'OMUX, apporter de l'accordabilité en conservant d'excellentes performances électriques, thermiques et mécaniques soulève de nombreuses difficultés.Nous avons dans un premier temps démontré la faisabilité sur un filtre à saut de canal à bande passante constante par le biais d'une cavité métallique chargée par un perturbateur en alumine en mouvement de rotation. Ensuite, nous avons proposé des solutions pour avoir un contrôle de la fréquence et de la bande passante en se basant sur la translation de matériaux diélectriques. Les facteurs de qualité mis en jeu sont de l'ordre de la dizaine de milliers. Enfin nous avons tiré profit de l'évolution des technologies d'impression plastique 3D pour valider différents concepts de filtres accordables. / At a time when the amount of information and the number of users go through the roof in telecommunication market, the telecommunication systems tend to improve the management of their capacity by moving toward reconfigurable RF devices. However frequency and bandwidth allocated are still restricted. Regarding tunable OMUX filters, the actuation systems generally degrade the overall performances of the device and raise questions in terms of mechanic and thermic.We first demonstrated the feasability of a two state filter with constant narrowband, using a dielectric material (alumina) in rotation inside a metallic housing. Then, we suggested solutions to control both frequency and bandwidth with the translation of a ceramics. We deal with quality factor in the range of ten of thousands for these applications. Eventually, we validated some principle for tunable filters thanks to the efficiency of 3D plastic printer.

L'imagerie hyperspectrale, qui consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales, permet de détecter des cibles là où l'imagerie couleur classique ne permettrait pas de conclure. Les imageurs hyperspectraux à acquisition séquentielle sont inadaptés aux applications de détection en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser un imageur multispectral snapshot, capable d'acquérir simultanément un nombre réduit de bandes spectrales sur un unique détecteur matriciel. Le capteur offrant un nombre de pixels limité, il est nécessaire de réaliser un compromis en choisissant soigneusement le nombre et les profils spectraux des filtres de l'imageur afin d'optimiser la performance de détection. Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de sélection de bandes qui peut être utilisée dans la conception d'imageurs multispectraux basés sur une matrice de filtres fixes ou accordables. Nous montrons, à partir d'images hyperspectrales issues de différentes campagnes de mesure, que la sélection des bandes spectrales à acquérir peut conduire à des imageurs multispectraux capables de détecter des cibles ou des anomalies avec une efficacité de détection proche de celle obtenue avec une résolution hyperspectrale. Nous développons conjointement un démonstrateur constitué d'une matrice de 4 filtres de Fabry-Perot accordables électroniquement en vue de son implantation sur un imageur multispectral snapshot agile. Ces filtres sont développés en technologie MOEMS (microsystèmes opto-électro-mécaniques) en partenariat avec l'Institut d'Electronique Fondamentale. Nous présentons le dimensionnement optique du dispositif ainsi qu'une étude de tolérancement qui a permis de valider sa faisabilité.

Un filtre a réseau résonnant est une structure simple composée d'un empilement de quelques couches de matériau diélectrique sur lequel est gravé un réseau sub-longueur d'onde. Leur atout principal est la finesse spectrale accessible: en pratique, des facteurs de qualité supérieurs 'a 7000 ont déjà été obtenus. Les domaines d'applications concernés sont les télécommunications optique, la spectroscopie, les lasers, la détection...Nous souhaitons développer le potentiel des filtres à réseau résonnants en étudiant la possibilité d'accorder leur longueur d'onde de centrage par effet electro-optique. Nous avons choisi deux matériaux electro-optiques, le Niobate de Lithium et le Titanate de Baryum, en raison de leurs fortes propriétés électro-optiques. Nous avons développé un outil numérique basé sur la Méthode Modale de Fourier incluant des matériaux anisotropes. Ceci est indispensable pour analyser les effets liés à la polarisation de l'onde incidente. Nous avons compare différentes configurations, permettant une accordabilité forte (jusqu'à 90nm) ou faible, indépendante ou non de la polarisation. Pour chaque cas, une interprétation physique des 105 effets observés est donnée. Enfin, nous concluons par des considérations pratiques concernant la fabricabilité des structures et l'influence des pertes par absorption.

L'augmentation exponentielle de la quantité d'information à transmettre afin d'assurer les télécommunications futures amène à rechercher de nouvelles voies pour faire face à ces nouveaux besoins. L'optique peut, pour suppléer aux systèmes électroniques essoufflés, répondre à ces défis naissant en autorisant le multiplexage en longueur d'onde (WDM). Celui ci permet non seulement d'accroître fortement le débit en ligne (ici une fibre optique), mais autorise l'existence de réseaux dont les fonctions sont assurées par voie optique. L'implantation de ces nouvelles architectures repose sur des composants clefs comme le filtre spectral accordable. Cette thèse a concerné l'étude théorique, la conception, la réalisation pratique et les perspectives d'application et d'amélioration d'un filtre accordable étroit intégré sur niobate de lithium et fonctionnant à une longueur d'onde proche de 1.55 μm. Nous avons tout d'abord comparé différents principes de filtre accordable intégré et avons retenu un dispositif fonctionnant entièrement par effet électrooptique qui présentait une vitesse de commutation élevée. Son fonctionnement est similaire à celui du filtre biréfringent de Šolc qui est constitué d'un convertisseur de polarisation sélectif en longueur d'onde placé entre polariseurs croisés. En approfondissant l'étude de la propagation de la lumière dans le filtre nous montrons que les irrégularités que présente la transmittance en intensité du dispositif sont dues à l'existence de variations anormales de la différence d'indice de phase dans le guide d'onde diffusé. Ces variations peuvent être reliées à des défauts dans le procédé de fabrication. Cette constatation nous amène à faire une étude théorique complète des effets de différents types de défauts dont on retrouve expérimentalement la trace sur le filtrage. Poussés par ces simulations, nous étudions en détail les différentes étapes du procédé technologique d'intégration sur niobate de lithium et en proposons des améliorations afin d'atteindre expérimentalement les caractéristiques théoriques du filtre. Finalement nous présentons des applications du filtre (laser à fibre accordable et modulable) et discutons de ses perspectives de développement (insensibilité à la polarisation).

L’imagerie hyperspectrale, qui consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales, permet de détecter des cibles là où l'imagerie couleur classique ne permettrait pas de conclure. Les imageurs hyperspectraux à acquisition séquentielle sont inadaptés aux applications de détection en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser un imageur multispectral snapshot, capable d’acquérir simultanément un nombre réduit de bandes spectrales sur un unique détecteur matriciel. Le capteur offrant un nombre de pixels limité, il est nécessaire de réaliser un compromis en choisissant soigneusement le nombre et les profils spectraux des filtres de l'imageur afin d’optimiser la performance de détection. Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de sélection de bandes qui peut être utilisée dans la conception d’imageurs multispectraux basés sur une matrice de filtres fixes ou accordables. Nous montrons, à partir d'images hyperspectrales issues de différentes campagnes de mesure, que la sélection des bandes spectrales à acquérir peut conduire à des imageurs multispectraux capables de détecter des cibles ou des anomalies avec une efficacité de détection proche de celle obtenue avec une résolution hyperspectrale. Nous développons conjointement un démonstrateur constitué d'une matrice de 4 filtres de Fabry-Perot accordables électroniquement en vue de son implantation sur un imageur multispectral snapshot agile. Ces filtres sont développés en technologie MOEMS (microsystèmes opto-électro-mécaniques) en partenariat avec l'Institut d'Electronique Fondamentale. Nous présentons le dimensionnement optique du dispositif ainsi qu'une étude de tolérancement qui a permis de valider sa faisabilité. / Hyperspectral imaging, which consists in acquiring the image of a scene in a large number of spectral bands, can be used to detect targets that are not visible using conventional color imaging. Hyperspectral imagers based on sequential acquisition are unsuitable for real-time detection applications. In this thesis, we propose to use a snapshot multispectral imager able to acquire simultaneously a small number of spectral bands on a single image sensor. As the sensor offers a limited number of pixels, it is necessary to achieve a trade-off by carefully choosing the number and the spectral profiles of the imager’s filters in order to optimize the detection performance. For this purpose, we developed a band selection method that can be used to design multispectral imagers based on arrays of fixed or tunable filters. We use real hyperspectral images to show that the selection of spectral bands can lead to multispectral imagers able to compete against hyperspectral imagers for target detection and anomaly detection applications while allowing snapshot acquisition and real-time detection. We jointly develop an adaptive snapshot multispectral imager based on an array of 4 electronically tunable Fabry-Perot filters. The filters are developed in MOEMS technology (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) in partnership with the Institut d'Electronique Fondamentale. We present the optical design of the device and a study of tolerancing which has validated its feasibility.

Le but de ce travail était de développer des filtres passe-bande RF dans la technologie de PCB, avec trois objectifs principaux. Le premier objectif était de développer des formules de synthèse tosimplify la procédure de conception du filtre. Le deuxième était de parvenir à un rejet wideout bande sans modifier les caractéristiques de la bande de filtrage. Le troisième objectif est de contrôler la fréquence centrale du filtre en utilisant diode varicap. / The purpose of this work was to develop RF bandpass filters in PCB technology,with three main objectives. The first objective was to develop synthesis formulas tosimplify the design procedure of the filter. The second was to achieve wideout-of-band rejection without modifying the in-band filtering characteristics. Thethird objective was to control the center frequency of the filter by using varactordiode.The bandpass filter topology treated in this thesis is based on Stub-LoadedResonators (SLR). The main features of this filter topology were treated. Equivalentcircuits based on J-inverters and susceptance parameters were derived. Based onthese equivalent circuits, synthesis formulas were developed. Simulations werepresented to validate the synthesis theory. For a proof-of-concept, third orderstripline bandpass filters were designed and fabricated based on this synthesis.Analysis technique using odd- and even- mode was achieved on the SLR. Thusresonance odd- and even-mode conditions were derived. These conditions aim toeasily control the first spurious frequency. Moreover, to go further in improving theout-of-band rejection a new technique, called “U corner structure”, was developedand design rules were derived. Based on these design rules an extended out-of-bandrejection was achieved without any modification in the passband and by maintainingthe compactness of the filter. A first spurious frequency was localized at up to ninetimes the working frequency in the case of the Parallel-coupled Stub-Loadedresonator (PC-SLR) filter. Also, by applying this technique into the classicalparallel-coupled filter the first and second spurious frequencies were rejected. Toaddress the issue of tunable filters, the SLRs were correctly loaded by variablecapacitors (varactor diode). The center frequency of the PC-SLR filter was easilycontrolled by maintaining a large out-of-band rejection.

De nouveaux besoins dans le domaine des télécommunications par satellite ont amené les industriels du secteur à se pencher sur l’optimisation des ressources en créant des systèmes reconfigurables, capables d’adapter leur fonctionnement fréquentiel en cours de mission. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement aux multiplexeurs et à la manière de les rendre agiles à travers les filtres qui les composent ainsi qu’une adaptation de leur architecture.Dans un premier temps, le présent manuscrit dresse l’état de l’art des dispositifs accordables réalisés par les équipes de recherche du monde entier, avant de proposer des solutions mettant en œuvre une topologie de multiplexage à coupleurs hybrides. Dans un second temps, des études sont présentées portant sur une pluralité de concepts de cavités ou d’éléments de couplage accordables. Certains de ces concepts sont ensuite sélectionnés et assemblés afin de former des fonctions de filtrage et de multiplexage accordables. La dernière partie présente ainsi deux multiplexeurs accordables, l’un permettant une reconfiguration en bande étroite, l’autre en bande large, le premier ayant donné lieu à une réalisation expérimentale. / New needs in the field of satellite telecommunications have led manufacturers in the sector to focus on optimizing resources by creating reconfigurable systems able to adapt their operating frequencyplan during the mission. This thesis focuses on multiplexers and how to make them agile through their architecture and the filters that compose them.This manuscript starts by realizing the state of the art oftunable filtering devices through analysis of contributions made by research teams around the world. Based on this state of art,solutions to the problematic are proposed using a hybrid coupler multiplexing topology. Then studies are presented on various tunable cavities or coupling elements concepts. Some of these concepts have been selected and assembled to form tunable filtering and multiplexing functions. The last part thus presents two tunable multiplexers, allowing narrowband or broadband reconfiguration. An experimental realization has also been conducted on the narrowband version.