L’objectif de cette thèse est d’explorer de nouvelles technologies permettant de faciliter l’intégration des isolateurs dans les chaînes radiofréquences de satellites. Ces composants sont utilisés pour contrôler l’adaptation des amplificateurs dans les sections d’entrée et de sortie des équipements RF bas niveaux. Nous proposons deux voies de réalisation de ces isolateurs. Une première voie basée sur l’utilisation de matériaux ferricomposites est étudiée pour concevoir des composants en bande Ku. Une deuxième voie, basée sur l’utilisation d’hexaferrites de strontium et de baryum préorientés, a été étudiée pour concevoir des composants auto-polarisés (sans aimants) en bandes Q et Ka. / The goal of this PhD thesis is to explore new technologies that make possible to improve the integration of isolators in radiofrequency chain of satellites. These components are especially used to control matching of amplifiers.We propose two ways of producing these isolators. At first, ferricomposite materials are studied to design low-cost isolators at Kuband.Then, we studied pre-oriented strontium or barium hexaferrites to design self-biased components (without magnets) for Q and Ka band frequencies.

Les campagnes de recherche - comprenant la conception de nouveaux matériaux, la prospection, la réalisation de composites et leur caractérisation - sont longues. Pour l'ingénieur ou le chercheur, relier la microstructure et les propriétés physiques macroscopiques des matériaux le plus en amont, permet de réduire la durée et le coût de ces études. Nous nous intéressons aux propriétés diélectriques d'un composite particulier, formé d'une matrice époxy contenant des inclusions d'agrégats de noir de carbone. Nous détaillons le processus global, de la réalisation du composite à sa modélisation. Des échantillons de composite sont réalisés en faisant varier des paramètres de préparation. Des mesures diélectriques, électriques et d'autres mesures physiques situent le niveau des propriétés macroscopiques des échantillons. L'observation du composite par microscopie électronique à transmission à plusieurs grandissement permet d'appréhender sa morphologie. Les micrographies sont traitées par analyse d'images pour caractériser la géométrie du composite en quelques grandeurs. Les lois statistiques de changement d'échelle permettent, à partir de données sur la microstructure, d'obtenir un encadrement de la permittivité de composites. Les lois statistiques de changement d'échelle sont une méthode de modélisation récente, elles permettent en particulier :

Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain».<br /> Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

En utilisant la technique pompe-sonde résolue en temps, nous avons étudié la dynamique de l'aimantation dans des couches minces magnétiques avec une résolution temporelle de 20ps. La pompe est constituée par les champs magnétiques de hautes fréquences induits par des impulsions de tension appliquées sur une ligne coplanaire. Comme sonde, nous avons utilisé l'effet Kerr magnéto-optique et l'effet magnéto-résistif. Nous présentons la préparation des échantillons en utilisant le dépôt de couches minces par pulvérisation cathodique, la lithographie UV, ainsi que différentes techniques de gravure. Les résultats sur la dynamique de l'aimantation correspondent au régime des petites perturbations (de type Résonance Ferromagnétique) et à celui des grandes perturbations (ex. le renversement de l'aimantation). Nous avons mis en évidence le renversement par précession dans des vannes de spin de taille micronique et dans des couches minces continues.

Aux fréquences micro-ondes, les ferrites sont caractérisés par une perméabilité tensorielle, représentative de leur anisotropie induite sous champ magnétique. Cette propriété spécifique est à l'origine du comportement non réciproque de dispositifs comme les circulateurs et les isolateurs. Les limitations des milieux ferrites (aimantation à saturation réduite, fortes températures de frittage lors de leur élaboration) conduisent cependant les laboratoires à étudier des matériaux s'y substituant. Pour pouvoir réaliser des fonctions hyperfréquences non réciproques optimisées à partir de tels matériaux, la mesure préalable de leur tenseur de perméabilité est requise sur une large bande de fréquences. L'originalité du travail présenté dans ce mémoire est double : - dans un premier temps, une technique de mesure non itérative des éléments (µ, k) du tenseur de perméabilité des milieux magnétiques, dans un état quelconque d'aimantation, a été développée. Elle est utilisable du continu jusqu'environ 6 à 7 GHz, selon le type de matériau testé. Outre la détermination analytique de (µ, k) en fonction des paramètres S de la cellule de mesure en ligne de transmission élaborée, son principal intérêt est de permettre d'étudier le matériau dans des conditions voisines de celles fixées par l'application en technologie planaire ultérieure (mesure « in-situ »), - à partir de cette technique de caractérisation expérimentale, les propriétés d'anisotropie induite de matériaux composites nanostructurés aimantés ont ensuite été démontrées puis ajustées pour mettre en œuvre un isolateur hyperfréquence à résonance. Les performances de ce dernier sont au moins comparables à celles des isolateurs à ferrites, pour une quantité de matière magnétique moindre.

Ce travail concerne la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux ferroélectriques de structure de type bronze quadratique de tungstène (TTB) à base de plomb et de tantale. A l'aide de calculs théoriques, une corrélation entre température de Curie et liaison chimique a été mise en évidence. Les céramiques étudiées présentent en outre d'autres caractéristiques telles qu'un comportement de type relaxeur ferroélectrique et/ou une relaxation hyperfréquence et/ou une conductivité ionique. D'importants moyens expérimentaux (mesures diélectriques en large gamme de fréquence, mesures par spectroscopie d'impédance, diffraction des rayons X, affinements structuraux, spectroscopie Raman) et théoriques (calculs basés sur la méthode de Hückel Etendue et calculs combinatoires) nous ont permis d'établir des relations étroites entre structure et propriétés physiques. L'ensemble des résultats décrits dans cette thèse constitue une contribution à l'étude des matériaux ferroélectriques de structure de type TTB. Ils ont montré la grande variété des paramètres sur lesquels il est possible d'agir afin d'optimiser les compositions en vue d'une application spécifique.

Les techniques permettant de maitriser la vitesse de la lumière, au-delà de l'intérêt scientifique qu'elles suscitent, peuvent être appliquées au domaine radar. Elles permettent, ainsi, de remplacer avantageusement les retards optiques, jusqu'alors réalisés par des modifications géométriques du chemin optique. L'objectif de la thèse est d'étudier la lumière lente et rapide créée par oscillations cohérentes de population dans les amplificateurs à semi-conducteurs.Nous avons évalué théoriquement et expérimentalement les performances d'une ligne à retards accordables, en termes d'amplitude des retards et déphasages accordables, et de bandes passantes. Nous avons aussi étudié l'impact des oscillations cohérentes de population sur les facteurs de mérite de la liaison opto-électronique. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu nous a amenés à proposer des solutions pour contourner les limites identifiées du composant. Nous avons montré qu'il était possible d'utiliser les lignes à retards accordables au delà de l'inverse du temps de vie des porteurs (500 MHz) en utilisant la montée en fréquence des oscillations cohérentes de population par modulation croisée de gain. Nous avons ainsi obtenu des retards accordables de 389 ps à 16 GHz, sur une bande passante instantanée de 360 MHz. Enfin nous avons proposé une architecture permettant d'obtenir des déphasages accordables proches de 180 degrés à haute fréquence, en substituant l'effet du couplage gain-indice, révélé par l'utilisation d'un filtre optique, par l'excitation paramétrique des oscillations cohérentes de population. Nous avons utilisé ce principe, qui permet par exemple d'atteindre un déphasage accordable de 162 degrés à 2,2 GHz, pour concevoir un oscillateur optoélectronique fonctionnant à 2,2 GHz. La fréquence de ce dernier est rapidement accordable sur 6 MHz à l'aide du courant d'injection de l'amplificateur à semi-conducteur.

Afin d'étudier la faisabilité de la technologie ADS (" Accelerator Driven System ") pour la transmutation des déchets hautement radiotoxiques le projet MYRRHA (" Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications ") a pour objectif la construction d'un démonstrateur de réacteur hybride (50 à 100 MWth). Pour cela le réacteur sous-critique nécessite un accélérateur de forte puissance délivrant un faisceau continu de protons (600 MeV, 4mA), avec une exigence de fiabilité très élevée. La solution de référence retenue pour cette machine est un accélérateur linéaire supraconducteur. Ce mémoire de thèse décrit le travail de recherche - entrepris depuis octobre 2008 à l'IPN d'Orsay - portant sur la conception et la mise au point d'un module supraconducteur et des systèmes de régulation associés à sa cavité accélératrice, pour la partie haute énergie de l'accélérateur. Dans un premier temps, le design et l'optimisation de cavités accélératrices 5-cellules (β=0,65), fonctionnant à la fréquence de 704,4 MHz, sont présentés. Ensuite, la partie expérimentale se concentre sur l'étude de fiabilité du " cryomodule " prototype accueillant une cavité elliptique 5-cellules (β=0,47). Au cours de cette étude on s'est notamment attaché à mesurer et à caractériser le comportement dynamique du système d'accord. Les problématiques de maintient du " plat de champ " dans les cavités multi-cellules " bas béta " ont aussi été mises en évidence. Enfin, une analyse sur la tolérance aux pannes de l'accélérateur linéaire a été menée. Dans ce but, une modélisation de la cavité, de sa boucle de régulation RF (radiofréquence) et de la boucle de contrôle de son système d'accord, a été développée afin d'étudier les comportements transitoires de cet ensemble. Cette étude a permis de chiffrer les besoins en puissance RF et les performances requises du système d'accord et de démontrer la faisabilité d'un réglage rapides des cavités supraconductrices afin de minimiser le nombre d'arrêts faisceau dans le linac de MYRRHA.

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes lasers de puissance, faible bruit à 1.5 µm sur InP pour des applications d'optique hyperfréquence, notamment pour des liaisons optiques analogiques de grande dynamique pour les systèmes radar. La première partie du travail a consisté à modéliser et concevoir des structures laser DFB ayant de faibles pertes internes. Ces structures, appelées lasers à semelle, incorporent une couche épaisse de matériaux entre la zone active et le substrat pour agrandir et délocaliser le mode propre optique des zones dopées p. La complexité de la conception résidait dans le bon compromis à trouver entre les performances statiques et dynamiques. Nous avons réalisé des diodes-lasers DFB avec une puissance > 150 mW, un rendement de 0.4 W/A, un niveau de bruit de 160 dB/Hz et une bande passante de modulation à 3 dB de 7.5 GHz. Les composants ont ensuite été caractérisés puis évalués dans des liaisons analogiques. Nous avons démontré des performances de gain de liaison, de dynamique et de point de compression à l'état de l'art mondial. En bande L (1-2 GHz) par exemple, nous avons montré des liaisons avec 0.5 dB de gain, un point de compression de 21 dBm et une dynamique (SFDR) de 122 dB.Hz2/3.En utilisant la même méthodologie de conception, la dernière partie du travail de thèse a été consacrée à la réalisation et à la caractérisation de lasers de puissance à verrouillage de modes pour la génération de train d'impulsions ultra-courts et la génération de peignes de fréquences. Ces structures présentent de très faibles largeurs de raie RF (550 Hz) et de très fortes puissances optiques (> 18 W en puissance crête).

Ces dernières années ont vu le fort développement des communications spatiales et avec lui le changement des contraintes de conception de ces systèmes. En effet, la multiplicité des applications hyperfréquences ainsi que leur ouverture au domaine grand public ont entraîné l'augmentation des densités d'intégration et des performances des systèmes, mais aussi la nécessité de prendre en considération leur fiabilité et les coûts de production. Ainsi, nos travaux portent sur l'étude et l'intégration de convertisseur de fréquence micro-ondes répondant à ces impératifs. Dans un premier temps, nous abordons les définitions relatives aux mélangeurs ainsi que les principales caractéristiques nécessaires à leurs évaluations. Nous présentons ensuite les différentes topologies de mélangeurs existantes en citant, pour chacune, ses avantages et ses inconvénients. La seconde partie de nos travaux de recherche est dédiée à la définition d'une cellule originale de mélange. Une méthode analytique de conception, basée sur le formalisme des matrices de conversion, nous a permis d'une part de définir des règles génériques de conception de mélangeur et d'autres part d'optimiser notre cellule de mélange suivant des critères fixés. Enfin, une partie importante de ces investigations est dédiée à l'étude de la stabilité non-linéaire des mélangeurs, point sensible de la topologie retenue. La dernière partie de ce mémoire est consacré à l'intégration monolithique et à la caractérisation du mélangeur performant envisagé pour deux technologies concurrentes : l'une basée sur des transistors à effet de champ à haute mobilité électronique sur Arséniure de Gallium et l'autre fondée sur des transistors bipolaires à hétérojonction Silicium/Silicium-Germanium. Pour cette dernière technologie, un effort a été porté sur la conception de circuits passifs fonctionnant aux fréquences millimétriques. La caractérisation des circuits a démontré le bien fondé des études présentées précédemment ainsi que l'aptitude de la technologie Silicium-Germanium pour l'intégration monolithique de systèmes aux fréquences millimétriques.