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.

Les systèmes modernes de télécommunication touchent un public de plus en plus large, ce qui induit inexorablement une utilisation intensive de la gamme hyperfréquence. Pour éviter la saturation des services disponibles, les spécifications concernant les systèmes sont de plus en plus exigeantes. Ces contraintes drastiques sont reportées sur les différents éléments et en particulier sur les filtres. C'est dans ce contexte que nous présentons une nouvelle technologie de réalisation de filtres, l'objectif étant d'améliorer les performances électriques des filtres sans renoncer à la facilité de réalisation des circuits. Ainsi, dans le premier chapitre, nous introduisons les deux techniques historiques de fabrication de filtres, les technologies planaire et volumique. Puis une association de ces deux technologies appelée Substrate Integrated Waveguide (SIW) est présentée. Elle consiste à créer des cavités enterrées à l'intérieur d'un substrat planaire. Dans le deuxième chapitre, nous proposons des améliorations concernant cette technique SIW, celles-ci concernent non seulement les topologies des résonateurs mais aussi les possibilités de couplages entre les résonateurs. Enfin, dans le troisième chapitre, nous présentons une nouvelle topologie de filtre basée sur une recombinaison entre éléments planaires et cavités intégrées. La synthèse de ce résonateur est aussi décrite dans cette partie. Les avantages de cette nouvelle topologie sont une conception aisée ainsi que des bonnes performances électriques.

La mise sur le marché de Micro Systèmes Electro Mécaniques Radio-Fréquences (MEMS RF) est freinée par leurs manques de maturités au niveau du flot de conception, de la mise en boîtier (packaging) et de la fiabilité. Dans ce contexte, nous mettons en évidence, une solution d'assemblage par report d'un capot avec un scellement en polymère adaptée aux micro-commutateurs RF. Afin de répondre aux enjeux de conception, nous avons identifié des besoins en terme de modélisation éléments finis (EF) multi-physique, permettant de générer des macro-modèles comportementaux. Ainsi, nous discutons des possibilités offertes par deux logiciels EF réellement multi-physique : ANSYS et COMSOL. Finalement, nous proposons une solution (boîtier micro-usiné en Foturan et scellement en polymère BCB) compatible avec les spécifications du cahier des charges. La fabrication et la caractérisation électrique d'un démonstrateur ont permis de valider cette technique simple de packaging quasi-hermétique.

Au travers d'une sélection d'articles, ce document propose de suivre le parcours de l'auteur dans le vaste et riche domaine du chaos ondulatoire. L'accent est en particulier mis sur les activités expérimentales dont il a été l'initiateur, et qu'il anime actuellement. Le lecteur parcourra ainsi plusieurs ordres de grandeur de longueurs d'onde : de quelques centaines de nanomètres à la dizaine de centimètres, et croisera des objets aussi simple, en apparence, qu'une boîte en cuivre, ou de plus haute technologie, comme une fibre optique amplificatrice à double cœur ! Il verra des comportements universels à l'œuvre, mais aussi des attitudes violemment atypiques, comme font montre les \emph{scars} et les \emph{modes localisés}. Et, si l'objectif du document est atteint, il sortira de sa lecture convaincu que les travaux menés par l'auteur concourent efficacement à un seul et même objectif : comprendre les mécanismes de propagation des ondes dans les milieux complexes.

Le nombre d'appareils électroniques et de systèmes de communication sans fil a considérablement augmenté au cours des 20 dernières années. Les boîtiers de blindage utilisés pour protéger les appareils électroniques contre les radiations externes, mais aussi pour limiter leurs émissions sont généralement conçus en alliages d'aluminium. Mais la nécessité de réduire le poids des aéronefs incite l'industrie aéronautique à l'utilisation de matériaux composites.La modélisation de boîtiers de blindage composés de matériaux homogènes est possible par l'utilisation d'outils numériques tels que la méthode des éléments finis. Mais la discrétisation de boîtiers constitués de matériaux composites impliquerait un nombre d'éléments trop important rendant impossible toute modélisation numérique. Le recours à l'homogénéisation semi-analytique est une possibilité pour s'affranchir de cette restriction. Les milieux homogènes équivalents obtenus avec ces méthodes peuvent être insérés dans des outils numériques pour simuler le comportement électromagnétique de boîtiers de blindage complexes. Les modèles d'homogénéisation existants, tel que le modèle de Maxwell-Garnett, sont toutefois limités a des applications quasi-statiques.La définition des propriétés effectives de matériaux composites illuminés par des ondes électromagnétiques est l'objectif principal de ce travail. Il en résulte deux méthodes d'homogénéisation dynamiques. La première introduit un effet de taille entre les fibres et la longueur d'onde. Elle permet ainsi d'étendre une méthode basée sur des problèmes d'inclusion aux micro-ondes. Mais elle reste limitée par l'apparition de l'effet de peau dans les renforts conducteurs. La seconde est basée sur la définition des pertes par effet Joule dans les fibres, permettant ainsi d'étendre la première méthode après l'apparition de l'effet de peau. Cette dernière est enfin utilisée pour modéliser le comportement électromagnétique d'un boîtier de blindage réaliste.

L'objectif principal de cette thèse est de comprendre le fonctionnement d'un écosystème semi-aride, en développant des méthodologies permettant de combiner des mesures satellites optique et micro-onde et un modèle semi-empirique pour estimer l'évapotranspiration et sa dynamique saisonnière dans une région semi-aride (plaine de Kairouan). L'estimation de cette dernière nécessite une bonne description de la dynamique du couvert végétal et un suivi du stock d'eau dans le sol. Pour se faire, une analyse de la dynamique de la végétation est faite sur la base de la série temporelle SPOT VEGETATION de 1998 à 2010. Pour appréhender le comportement de la végétation face à des fréquentes périodes de sècheresse, une analyse fractale est developpée pour étudier la persistance du couvert végétal. Un nouvel indice statistique VAI " Vegetation Anomaly Index " décrivant l'état du stress hydrique de la végétation a été proposé. Cet indice quantitatif permet de décrire à l'échelle mensuelle l'état de la végétation. Plusieurs approches de validation sont mises en œuvre pour montrer la performance de cet indice. En termes de suivi du stock d'eau dans le sol, l'analyse est basée sur des produits d'humidité (IPF Université de Vienne) des diffusiomètres spatiaux ERS et ASCAT/METOP. Ces produits ont été validés sur notre site d'étude via deux approches différentes. Un indice de sécheresse a été proposé à partir de la longue série de produits d'humidité qui couvre vingt années (de 1991 à 2010). L'indice proposé MAI " Moisture Anomaly Index " est basé sur une analyse des anomalies des variabilités temporelles des stocks d'eau dans le sol, estimées par les satellites ERS et ASCAT/METOP. Une analyse comparative avec d'autres indices de sécheresse, particulièrement le SPI " Standardized Precipitation Index " est faite pour mettre en évidence la performance de cet indice. Ces informations tirées à partir des deux séries temporelles optiques et micro-ondes sont ensuite intégrées dans un modèle simple et opérationnel, le modèle FAO-56 (approche double coefficient culturale) pour la cartographie de l'évapotranspiration réelle journalière. Une validation de cette approche est proposée en confrontant les résultats avec des sorties d'un modèle SVAT : ISBA-A-gs.

La caract??risation du couvert nival en for??t bor??ale est un ??l??ment important pour la compr??hension des r??gimes climatiques et hydrologiques. Depuis plusieurs ann??es, l???utilisation des micro-ondes passives est ??tudi??e pour l???estimation de l?????quivalent en eau de la neige (SWE : Snow Water Equivalent) ?? partir de capteurs satellitaires. Les algorithmes empiriques traditionnels ??tant limit??s en for??t bor??ale, le couplage d???un mod??le de transfert radiatif (MTR) micro-onde passive (qui prend en compte les contributions du sol, de la neige, de la v??g??tation et de l???atmosph??re) avec un mod??le de neige pour l???inversion du SWE semble une avenue prometteuse. La th??se vise donc ?? coupler un MTR avec le sch??ma de surface du mod??le climatique canadien (CLASS) dans une perspective d???application op??rationnelle pour les estimations de SWE ?? partir de donn??es satellitaires micro-onde ?? 10.7, 19 et 37 GHz. Dans ce contexte, certains aspects centraux du MTR, dont l???effet de la taille des grains ainsi que la contribution de la v??g??tation sont d??velopp??s et quantifi??s. Le premier aspect ??tudi?? dans la th??se concerne l???adaptation du mod??le d?????mission micro-onde passive DMRT-ML (Dense media radiative transfer theory ??? multi layer) pour l???int??gration d???une nouvelle m??trique repr??sentant la taille des grains (surface sp??cifique des grains de neige: SSA). L?????tude bas??e sur des mesures radiom??triques et de neige in situ, montre la pertinence de l???utilisation de la SSA dans DMRT-ML et permet d???analyser le sens physique de l???adaptation n??cessaire pour amener le mod??le ?? simuler les temp??ratures de brillance (T[indice inf??rieur B) de la neige avec une erreur quadratique moyenne minimale de l???ordre de 13 K. Dans un contexte du couplage entre le mod??le de neige de CLASS et DMRT-ML, un mod??le d?????volution de la SSA est ensuite impl??ment?? dans CLASS. Les SSA simul??es par le module d??velopp?? sont valid??es avec des donn??es in situ bas??es sur la r??flectance de la neige dans l???infrarouge ?? courte longueur d???onde pour diff??rents types d???environnement. Au niveau de la contribution de la v??g??tation, le mod??le ??-?? a ??t?? ??tudi?? ?? partir de diff??rentes bases de donn??es (satellite, avion et au sol) en for??t bor??ale dense. L?????tude montre l???importance de la consid??ration de la diffusion (??) pour l???estimation de l?????mission de la v??g??tation, param??tre auparavant g??n??ralement n??glig?? aux hautes fr??quences. Ensuite, des relations entre les transmissivit??s et certains param??tres structuraux de la for??t, dont l???indice de surface foliaire (LAI), ont ??t?? ??tablies pour des for??ts bor??ales en ??t??. Des valeurs d???alb??do de diffusion (??) ainsi que les param??tres d??finissant la r??flectivit?? du sol (QH) en for??t bor??ale ont aussi ??t?? invers??es. Finalement, les simulations de T [indice inf??rieur] B issues du couplage du MTR (DMRT-ML, mod??le ??-??, et mod??le atmosph??rique) avec CLASS (dont les SSA simul??es) ont ??t?? compar??es avec les donn??es AMSR-E sur une s??rie temporelle continue de sept ans. Les premi??res comparaisons montrent une diff??rence entre les param??tres de v??g??tation (??-??) d?????t?? et d???hiver, ainsi qu???une importante contribution des cro??tes de glace dans la neige au signal. Les simulations du mod??le ajust?? montrent une bonne correspondance avec les observations d???AMSR-E (de l???ordre de 3 ?? 7 K selon la fr??quence et la polarisation). Des tests de sensibilit?? montrent par contre une faible sensibilit?? du MTR/CLASS au SWE pour des for??ts denses et des couverts nivaux ??pais. Le MTR-CLASS d??velopp?? pourrait permettre l???assimilation de temp??ratures de brillance satellitaires en for??t bor??ale dans des syst??mes op??rationnels pour l???am??lioration de param??tres de surface, dont la neige, dans les mod??les m??t??orologiques et climatiques.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse proposent de tirer profit des nouvelles technologies disponibles pour répondre aux besoins de la montée en fréquence et de la miniaturisation des systèmes de communication tout en améliorant le niveau des performances. Les études se sont axées vers la conception d'une structure à mélangeur de réjection de fréquence image permettant de relâcher les contraintes sur les structures critiques de filtrage amont. L'intégration des parties actives et passives de ce système, a ainsi été menée avec comme objectifs de tirer au maximum partie des potentialités de chaque technologie, de proposer des solutions techniques pour palier aux inconvénients de chaque technologie, et d'optimiser l'architecture globale en partitionnant le système suivant les contraintes technologiques et/ou techniques. La première partie des travaux a ainsi porté sur le développement en bande K d'une nouvelle topologie de mélangeur à base de transistors à hétérojonction Si-SiGe à linéarité améliorée. Se basant sur une compréhension des phénomènes intrinsèques du circuit, des topologies modifiées ont de plus été proposés afin de repousser l'ensemble des performances atteignables sur cette technologie. La seconde partie des travaux concerne la conception de coupleurs passifs, toujours en bande K, avec pour objectif la miniaturisation maximale de ces fonctions. Une méthodologie de conception a, dans ce cadre, été développée et validée par une intégration sur une technologie spécifiquement développée au LAAS-CNRS et compatible avec une future intégration avec les circuits actifs. Nous avons ainsi obtenu des performances optimales (à l'état de l'art) avec un gain d'intégration d'un facteur 2. Enfin, en amont et en aval de ces travaux, une étude sur l'architecture globale du système de mélangeur à réjection de fréquence image a été conduite, et sans cesse raffinée, afin de partitionner les contraintes de performances entre les différents blocs et de vérifier l'obte ntion des performances.

Cette thèse présente tout d'abord le travail effectué sur la modélisation non-linéaire et en bruit d'amplificateurs micro-ondes appliquée à la conception d'oscillateurs à très haute pureté spectrale. Les composants actifs faisant l'objet d'une caractérisation en bruit en régime nonlin éaire et d'une optimisation en bruit de phase, sont des transistors SiGe. Le but de ce travail est principalement de comprendre comment modéliser le bruit dans ces transistors en fonctionnement non-linéaire afin de calculer de fa¸con précise le niveau de bruit de phase des amplificateurs utilisés dans une boucle d'oscillation. Cette modélisation fine nous permet de concevoir un amplificateur en bande X présentant une performance en bruit de phase très intéressante pour une application d'oscillateur. De plus, la topologie utilisée pour cet amplificateur est des plus simples car n'utilisant que deux transistors en cascade. Nous obtenons ainsi un très bon compromis gain/bruit de phase. Un autre problème concerne l'application de ces mêmes techniques de caractérisation et de modélisation aux résonateurs FBAR et SMR. Ces résonateurs sont utilisés depuis peu pour la réalisation de sources hyperfréquences intégrées de grande qualité. Ils apportent cependant leur propre contribution de bruit au système, et doivent faire l'objet d'une approche de modélisation non-linéaire et en bruit. Ce manuscrit de thèse présente tout d'abord les différentes techniques de mesure de bruit des composants actifs, qu'il s'agisse de transistors ou encore de résonateurs intégrés. Il décrit ensuite des techniques de modélisation de composants en régime non-linéaire, incluant les sources de bruit. La conception et l'optimisation d'un amplificateur à faible bruit de phase est ensuite détaillée. Cet amplificateur en technologie hybride présente une excellente performance en bruit de phase pour une consommation réduite. Enfin, les techniques de mesures et de modélisation précédemment décrites sont appliquées aux résonat eurs SMR et FBAR afin d'extraire leur contributions en bruit, ainsi qu'un modèle non-linéaire et en bruit de ces composants. Ce travail démontre ainsi la faisabilité d'une modélisation fine du bruit en régime nonlin éaire. Celle-ci peut être très utile pour concevoir et optimiser des circuits destinés à être intégrés dans des sources stables ou ultrastables, que ce soit pour des applications tempsfr équence pour lesquelles une très haute pureté spectrale est nécessaire, ou pour des applications MMIC où la pureté spectrale et le fort niveau d'intégration doivent être obtenu simultanément.

Les commutateurs capacitifs MEMS (MicroElectroMechanical System) RF présentent un intérêt maintenant bien connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, automobiles, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs (fortes pertes, isolation limitée, bruit ...). Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus comme la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. De ce fait, ils ralentissent l'industrialisation de tels composants. De fortes connaissances dans les domaines multi-physiques (micro-onde, mécanique, thermique, procédé) sont essentielles afin d'améliorer les commutateurs MEMS RF capacitifs. Des efforts ont déjà été réalisés au niveau de la topologie, de la fiabilité des diélectriques et du procédé technologique. Ce dernier n'est pas encore assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de meilleures performances et reproductibilité. Le sujet principal de ce travail de thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et également de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La première partie montre le procédé classique de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques (fluorure de strontium et nitrure de silicium dopé par des nanotubes de carbone) ont été testés dans le but d'accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le second chapitre. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance ou par un environnement hostile. Grâce à une caméra infrarouge (IR), l'échauffement dû à la puissance a été déterminé. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Finalement, toutes ces optimisations et ces études ont été appliquées à un circuit de puissance : un tuner d'impédance, qui est composé de six commutateurs. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constitue le troisième et dernier chapitre.