Les demandes du marché sont toujours plus exigeantes dans le domaine de la micro- électronique. Les besoins en termes de fréquence de fonctionnement (> 10GHz) des dispositifs ainsi qu'en termes de puissance délivrée (> 1W/mm) sont en constante augmentation. De ce fait, on commence à atteindre les limites du matériau silicium. Ceci présente une grande opportunité pour les matériaux III-V, en particulier ceux à base de nitrure de gallium (GaN) qui offrent un très grand gap (3.4 eV) et une très bonne mobilité grâce au 2DEG (1500-2000 cm[indice supérieur 2]/V.s) [Touati, 2007]. Bien que ce soient les composants actifs (transistors) qui définissent les performances d'un circuit, les composants passifs doivent être correctement étudiés afin de ne pas nuire au reste du circuit. Le matériau de base étant fixé : le GaN, il est ici question de développer le procédé de fabrication des dits composants passifs. L'objectif est donc ici de déterminer et d'adapter les procédés de fabrication permettant d'obtenir des composants passifs fonctionnant à hautes fréquences (30-300GHz) dans l'optique de réaliser des circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). La durée d'une seule maîtrise ne permettant pas d'étudier une technologie de fabrication dans son ensemble, nous nous focaliserons sur une série restreinte d'étapes de fabrication. Les dites étapes seront la fabrication et la caractérisation de résistances à base de NiCr (Nickel-Chrome), l'étude de la gravure de diélectriques (SiO2, Si3N4) ainsi que la réalisation et la caractérisation de capacités et d'inductances. Pour ce qui est des résultats attendus, la littérature montre qu'on est déjà capables de fabriquer des composants passifs fonctionnant au moins jusqu'à 40GHz. On peut noter par exemple, des capacités MIM (Métal Isolant Métal) allant de 0,5 à 10 pF, des inductances spirales allant de 0,25 à 12 nH, des résistances de plusieurs centaines d'Ohms ou encore des lignes de transmissions de différentes longueurs (quelques micromètres jusqu'à quelques millimètres) [Martin, 2007; Richard, 2009].

La gestion des sources renouvelables est probablement l'un des enjeux majeurs du 21ème siècle. La part croissante de ces ressources intermittentes et fluctuantes telles que les énergies solaires, éoliennes et marines connectées au réseau électrique requiert des systèmes de stockage efficaces pour sécuriser et réguler l'approvisionnement électrique. L'objectif principal de cette thèse est donc la création de batteries aqueuses écologiques et durables à base de matériaux organiques à faible coût. En particulier, ce projet avait pour but d’identifier des stratégies pour synthétiser, comprendre et modifier des matériaux redox idoines pour en optimiser les réactions électrochimiques et chimiques. De plus, cette technologie a nécessité une mise en oeuvre particulière de ces matériaux mettant en jeu des électrodes millimétriques jamais réalisées à ce jour. Une nouvelle famille de molécules redox de type p/n a été identifiée. Leur comportement électrochimique, rationalisés par de nombreuses caractérisations physiques, a mis en évidence l’échange simultané de cations et d’anions ce qui n’a jamais été montré dans le domaine des batteries. En outre ce matériau permet une cyclabilité remarquable notamment dans l’eau de mer. La synthèse et le comportement électrochimique de différents dérivés du TEMPO en tant que matériaux actifs d'électrode positive ont également été évalués. Sur la base de ces découvertes des résultats très encourageants ont été obtenus avec les batteries aqueuses organiques complètes composées d'électrodes millimétriques. / The management of renewable sources is probably one of the major issues of the 21st century. The increasing share of these intermittent and fluctuating sources such as solar, wind and marine energies connected to the electrical grid pushes towards the need for efficient storage systems to secure and regulate the supply of electricity. The main target of this thesis is therefore the creation of a low cost and sustainable full-organic aqueous cell. In particular, this project consisted in identifying strategies for synthesizing, understanding and modifying various organic redox materials to optimize their electrochemical and chemical behavior. In addition, the economic viability of this (new) technology required a particular implementation of organic materials according to industrially scalable processes, in millimeter thick electrodes ever made to date. As a result, a new p-/n-type redox active molecule and its electrochemical behavior in aqueous electrolyte has been presented. Further improvements have been achieved by modifying the previous compound into an oligomeric p-/n-type assembly which shows remarkable performance as cutting-edge negative electrode active material. This is the first redox material in the field of batteries able to exchange both anions and cations simultaneously. Extended cycling has been obtained in various electrolytes, including ocean water. The synthesis and the electrochemical behavior of different TEMPO derivatives as possible positive electrode active materials have been also evaluated. Finally, very encouraging results have been obtained by assembling full organic aqueous batteries composed of millimeter thick electrodes.

Le travail présenté dans ce mémoire de HDR porte sur le développement d'antennes millimétriques en bande W. Ces dernières succientent un regain d'intérêt suite à l'émergence des applications civiles en gamme millimétrique, notemment dans le domaine des radar. Concevoir de telles antennes, de type reflectarray, implique non seulement le développement d'outils de simulation/modélisation spécifiques mais aussi la mise en place de dispositifs de mesures adaptés. Le manuscrit s'articule autour de axes de recherche: - le premier chapitre présente les principaux résultats obtenus dans le cadre des antennes millimétriques pour radar embarqués, - le second chapitre décrit les études relatives aux réseaux réflecteurs et lentilles diélectriques, - le troisième chapitre est consacré à la métrologie des antennes avec la mise en place du système de mesure en bande millimétrique et l'étude d'une base compacte, - le quatrième et dernier chapitre est la synthèse des travaux menés entre 1996 et 2001 sur les structures planaires pour l'insertion de fonctions actives.

Les travaux présentés dans la thèse portent sur la conception et la réalisation d'oscillateurs à commande numérique en technologie CMOS 65nm. Les applications visées sont les systèmes de communication sans-fil WLAN 802.11a/b/g (2,5 et 5GHz) et WPAN 802.15.3c (60GHz). Afin de répondre aux spécifications fixées par ces standards, nous proposons d'utiliser la topologie d'oscillateur distribué. Cette dernière est particulièrement bien adaptée aux hautes fréquences. Deux réalisations sont présentées : une première à 10GHz permet de valider l'oscillateur distribué à commande en tension; une seconde à 53GHz introduit la commande numérique sur une topologie d'oscillateur distribué. / The work presented in the thesis concerns the design and the realization of digitally controlled oscillators in CMOS 65nm technology. The applications concerned are the wireless communication systems WLAN 802.11a/b/g (2,5 and 5GHz) and WPAN 802.15.3c (60GHz). In order to answer the specifications fixed by these standards, we propose to use the topology of distributed oscillator. The latter is particularly well adapted to the high frequencies. Two achievements are presented: a first one at 10GHz makes it possible to validate the distributed voltqge controlled oscillator; a second one at 53GHz introduces the digital control on a topology of distributed oscillator.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'optique micro-onde. Nous avons mis en oeuvre différentes solutions opto-électroniques dans le but de réaliser un synthétiseur hyperfréquence monolithiquement intégré, faiblement bruité et largement accordable jusqu'au domaine millimétrique. Le synthétiseur est basé sur l'intégration sur InP de deux lasers DFB, d'un coupleur optique et d'une photodiode rapide. En outre, un modulateur électro-optique est également implémenté sur la puce afin de transmettre un signal de données sur la porteuse générée. Les performances obtenues en terme de gamme d'accord et de transmission de données sans fil se sont révélées conformes aux objectifs. Ainsi, une gamme d'accord de 0 à 110 GHz et un débit de transmission de donnée sans fil à courte distance de 1 Gbit/s ont pu être démontrés, établissant notre système à l'état de l'art mondial pour ce type de composant totalement intégré. Les performances en terme de bruit de phase se sont en revanche révélées décevantes. Pour remédier à ce problème nuisant à la montée en débit supérieurs, nous avons investigué deux solutions de stabilisation de la fréquence porteuse. La première, basée sur un asservissement électronique (OPLL) de la puce, s'est pour le moment révélé infructueuse, mais a permis d'étudier plus avant les problématiques qui lui sont liées. La seconde solution, basée sur un système inédit de rétroinjection optique mutuelle et une stabilisation sur un oscillateur électronique externe a quant à elle répondu à nos souhaits. En effet, la stabilisation de la fréquence porteuse par cette technique a permis de démontré des largeurs de raies inférieure à 30 Hz et un bruit de phase réduit à -90 dBc/Hz à 10 kHz d'une porteuse accordée à 90 GHz. A la suite de ces travaux sur une première génération de composants, une deuxième génération a été développée afin d'améliorer les performances intrinsèques de la puce en remédiant aux limitations observées jusqu'alors. Ainsi, une nouvelle configuration de cavité a été conçue intégrant notamment des lasers plus longs ainsi que des miroirs haute réflectivité. Par ailleurs, une optimisation de la structure de la photodiode a été réalisée afin d'améliorer encore sa bande passante. Une telle source permet d’envisager la génération et la modulation de signaux microonde faible bruit de phase et largement accordables sur des composants monolithiquement intégrés répondant aux exigences de compacité, de reproductibilité et de performances haut débit requises par les industries des télécommunications, de la défense ou encore du domaine spatial. / This thesis deals with the microwave photonics context. We have implemented various opto- electronic solutions in order to realize a monolithically integrated microwave synthesizer which has a low noise and a wide tunability until millimeter-wave frequencies. The synthesizer is based on the integration of two InP DFB lasers, an optical coupler and a fast photodiode. In addition, an electro-optic modulator is also implemented on the chip in order to transmit data on the generated carrier. The performances obtained in terms of tunability and wireless data transmission proved consistent with the objectives. Thus, a tuning range of 0-110 GHz and a short distance wireless data transmission rate of 1 Gbit /s have been demonstrated, establishing our system to the state of the art for this type of fully integrated component. Phase noise and linewidth performances have however been disappointing. To solve this problem affecting the data rate we have investigated two ways of stabilizing the carrier frequency. The first, based on an electronic feedback loop (OPLL) has yet proved unsuccessful but allowed us to further explore the related issues. However, the second solution, based on a new system of optical cross injection and stabilization to an external electronic oscillator has filled our wishes. Indeed, the stabilization of the carrier frequency by this technique has demonstrated linewidth less than 30 Hz and a reduced phase noise to -90 dBc / Hz at 10 kHz for a given carrier at 90 GHz. Next to the first generation components, a second generation was developed to improve the intrinsic performances of the chip by remedying the limitations previously observed. Thus, a new cavity configuration was designed including longer lasers and high reflectivity integrated mirrors made by materials deep etching. Moreover, optimization of the photodiode structure was carried out to further improve the bandwidth. Such a source allows to consider the generation and modulation of low phase noise and widely tunable microwave signals on monolithically integrated components matching the compactness, reproducibility and high speed performances required by the telecom, defense and space industries.

Les communications numériques à haut débit exigent toujours plus de fiabilité et de performance et ce dans un environnement souvent hostile. Le développement de technologies toujours de plus en plus performantes pour les communications sans fil est donc de mise et nos intérêts sont particulièrement orientés vers la transmission par voie hertzienne de l'information à haut débit. Il existe plusieurs solutions qui peuvent être envisagées pour parer aux multiples problèmes rencontrés au niveau du lien radio, particulièrement la propagation par trajets multiples, l'interférence entre usagers et autres. L'antenne intelligente ou adaptative s'avère d'une utilité évidente lorsque vient le temps de faire une discrimination spatiale des signaux reçus. L'antenne intelligente est essentiellement une antenne réseau qui, par le biais d'une boucle de rétroaction, asservit son diagramme de rayonnement en temps réel et ce en optimisant un ou des critères tels que le rapport signal à bruit, le rapport signal à interférence, etc. Plusieurs facteurs affectent la performance de cette antenne adaptative et plus particulièrement l'espacement des antennes formant le réseau, la technique de traitement de signal utilisée, la corrélation des données ainsi que les interférences toujours présentes dans un environnement à large bande. La bande EHF (Extremely High Frequency) est particulièrement convoitée pour ce type d'application et réfère dans ce cas-ci aux fréquences au-dessus de 30 GHz. Pour cette partie du spectre électromagnétique où les caractéristiques de propagation sont particulièrement difficiles, des largeurs de bande considérables sont toutefois disponibles. Les travaux dont il est question ici font partie intégrante d'un projet qui consiste en la conception et la réalisation d'une antenne intelligente à bande de fréquences étendue fonctionnant en ondes millimétriques. Celle-ci sera très certainement un élément fondamental d'un système de communications robuste aux perturbations, interférences et autres. Ainsi, le système dans son ensemble pourra assurer un service de qualité à de multiples usagers tout en maintenant un rapport coût vs rendement optimal. L'ensemble des développements et technologies de pointe est considéré lors de la conception afin de développer un produit pouvant servir à des applications telles que les réseaux locaux sans fil, la distribution vidéo et les radars. Notre projet a consisté à concevoir et à mettre au point la partie radiofréquence de l'antenne comprenant les éléments rayonnants formant le réseau ainsi que le répartiteur de faisceaux. Une revue de la littérature scientifique nous a permis de constater que très peu de réalisations de ce genre à l'aide de lignes microruban en ondes millimétriques existent à ce jour. Une méthode de modélisation analytique de la matrice de Butler est d'abord proposée et une étude de sensibilité de cette matrice a été menée afin de mieux comprendre l'effet des imperfections des coupleurs hybrides formant le réseau sur la performance finale de l'antenne. Plusieurs composants microruban (coupleurs hybrides, coupleurs 0 dB, éléments rayonnants et autres) ont aussi été réalisés et testés individuellement pour parvenir à la réalisation du répartiteur de faisceaux ainsi que l'antenne à faisceaux multiples. Le répartiteur de faisceaux est une matrice de Butler et c'est sous ses formes 4 x 4 et 8 x 8 qu'elle a été réalisée et testée. En terminant, un survol des technologies alternatives est fait en vue d'améliorer les prototypes obtenus. / There is a growing need for broadband wireless communications and the requirements in terms of reliability as well as performance are high. These Systems have to deal with a hostile propagation environment and this context makes the development of the latest technologies of wireless communications on the highest priorities of the designers. Multipath propagation, inter-user interference, and imperfections of the communication equipment are among the most severe perturbations encountered throughout the signal path. A smart antenna is certainly a key component of such a system and its ability to adapt its spatial response is definitively a good solution, which can be used to mitigate ail these impairments. The smart antenna (also known as intelligent or adaptive array) is an antenna array which, by way of a feedback loop, adapts its radiation pattern in real time in order to optimize a criteria such as the signal to noise ratio, the signal to interference ratio or the minimum mean squared error of the received signal. The performance of this antenna is affected by the correlation between the signals at the antenna elements, the algorithm used for the adaptation, and the unavoidable interference usually present in such a broadband environment. The EHF (Extremely High Frequency) band is under the current scope of possible frequencies that may be used for the 4th generation of wireless communication Systems. The EHF band frequencies exceed 30 GHz and this means wavelengths in the order of a few millimeters. Large frequency bandwidths are available for this band at the expense of a significantly more difficult propagation. An ambitious project which consists in the design and realization of a wideband millimeter-wave smart antenna is currently underway and the work presented here is a part of it. This antenna will definitely be a fondamental element of a communication system achieving a good performance even though the wireless link is affected by ail kinds of channel induced perturbations. The achieved system will be able to provide an improved link quality to its multiple users by using the latest technological enhancements. Possible applications of this concept include wireless local area networks and video distribution. The RF section of this smart antenna comprising the antenna elements used to make the array, the array itself as well as the beamforming network has been designed and physically realized. As concluded after an intensive literature survey, realizations of this kind at millimeter waves are scarce and a lot a work has to be done to build components for this application. An analytical modeling method applicable to the Butler matrix as well as other beamforming networks has been derived and described. This tool was then used to conduct a sensitivity analysis of the Butler matrix and see how the performance of its constituting components is modifying the properties of the generated beams. Many microstrip components such as hybrid couplers, 0 dB couplers, and antennas operating at 36 GHz were designed and realized. Finally, two variations of the 4x 4 Butler matrix and one 8x 8 Butler matrix were designed and realized. An overview of possible alternatives which should be considered in order to improve the performance of the obtained networks is also made.

Ce travail porte sur la conception d'un amplificateur de puissance à 79 GHz et la co-intégration de l'amplificateur de puissance et l'antenne en technologie silicium SiGe. L'objectif de la thèse est de développer un module radiofréquence à l'émission pour des applications radar à 79 GHz. Ce module sera composé d'un amplificateur de puissance, d'une antenne et du circuit d'adaptation PA/Antenne. L'inter-étage entre le PA et l'antenne est une source supplémentaire d'atténuation du signal, d'autant plus rédhibitoire en technologie intégrée pour des fréquences aussi élevées. En réalisant une conception commune, ou codesign, de l'antenne et de l'amplificateur de puissance (PA), nous pouvons, à terme, nous affranchir du traditionnel inter-étage d'adaptation d'impédance entre ces deux blocs. Plus précisément, il convient de dimensionner l'antenne afin qu'elle présente a la sortie du PA l'impédance optimale que requiert son rendement en puissance maximum.

Les étoiles telles que notre soleil se forment par l'effondrement gravitationnel de fragments de nuages moléculaires. Pendant les premiers instants de sa formation (ce qu'on appelle la Classe 0), l'étoile est profondément enfouie dans une enveloppe de gaz et de poussières et est seulement visible aux longueurs d'onde infrarouge et millimétrique. Au fur et à mesure de son évolution, l'étoile disperse progressivement cette enveloppe. Un disque résiduel reste autour de l'étoile nouvellement née, qui pourra lui-même donner naissance à un système planétaire. Dans cette thèse, j'étudie la structure physico-chimique des proto-étoiles de faible masse. Cette étude est basée sur des observations du satellite ISO des raies de l'eau, ainsi que des observations avec les télescopes JCMT et IRAM du formaldéhyde. Dans un premier temps, j'étudie l'émission des raies de l'eau proto-étoile NGC1333-IRAS4 observés par ISO-LWS. A l'aide d'un modèle détaillé de l'émission de la proto-étoile, je détermine la structure en densité et température de l'enveloppe, ce qui permet de contraindre la masse centrale et le taux d'accrétion. Je détermine également l'abondance de l'eau dans l'enveloppe, et montre que cette abondance est dix fois plus importante dans la partie interne de l'enveloppe que dans la partie externe. Dans cette région, le manteau des grains s'évapore en injectant de grandes quantité d'eau en phase gazeuse. Dans un second temps, je développe un modèle d'émission d'une autre molécule abondante dans le manteau des grains, le formaldéhyde, et je montre que des transitions de cette molécule peuvent également être utilisées pour déterminer les conditions physico-chimiques dans l'enveloppe. Enfin, je présente un relevé de l'émission du formaldéhyde de dix proto-étoiles de classe 0, obtenu avec l'IRAM et le JCMT. En comparant les prédictions de ce modèle et les observations, je montre que dans toutes les proto-étoiles observées, à l'exception d'une seule, le formaldéhyde est également évaporé du manteau des grains, et est entre deux et trois ordres de grandeur plus abondant que dans la partie externe de l'enveloppe. Ceci montre que toutes les proto-étoiles de faible masse observées possèdent un coeur chaud, où la chimie est probablement très influencée, sinon dominée par l'évaporation du manteau des grains.

Les systèmes de communication sans fil en fréquences millimétriques ont gagné considérablement en importance au cours des dernières années. Des applications comme les réseaux WLAN et WPAN à 60 GHz, le radar automobile autour de 80 GHz ou l'imagerie à 94 GHz sont apparues, demandant un effort conséquent pour la conception des circuits intégrés émetteurs et récepteurs sur silicium. Dans ce contexte, les transformateurs intégrés sont particulièrement intéressants. Ils peuvent réaliser des fonctions comme l'adaptation d'impédance, la conversion du mode asymétrique au différentiel et la combinaison de puissance. La conception et la modélisation de ce type de transformateur font le sujet de cette thèse. Une étude détaillée des topologies de transformateurs est présentée, concernant le dessin des inductances, leur position relative, leurs dimensions géométriques, le blindage du substrat et l'obtention de rapports importants de transformation. Leur modélisation par des simulations électromagnétiques et par un circuit électrique à éléments discrets est également discutée. Le modèle présente une topologie 2-π et une série d'équations analytiques dépendant de ses caractéristiques technologiques et géométriques pour évaluer tous ses composants. Un très bon accord entre les simulations et les mesures est observé pour des transformateurs en technologies CMOS 65 nm et BiCMOS 130 nm jusqu'à 110 GHz. Finalement, les transformateurs sont appliqués à la conception d'un mélangeur BiCMOS à 77 GHz et un amplificateur de puissance CMOS à 60 GHz.

Sont résumées dans cette Hdr, les travaux de recherche auquels a contribué O. Lafond entre 1997 et 2008. Les thématiques abordées concernent : -Les technologies multicouches et les antennes imprimées en millimétriques -les circuits millimétriques actifs -les lentilles à gradient d'indice et leurs sources associées - les antennes reconfigurables en millimétrique