Cette thèse a apporté une contribution au défi de la caractérisation des canaux radios en bandes millimétriques ainsi que la validation d'un outil de simulation déterministe à travers un grand nombre de campagnes de mesures réalisées dans divers scénarios représentatives. Des questions de recherche liées à la caractérisation des canaux radio en bandes millimétriques et sa prédiction à travers un outil de simulation déterministe ont été abordées. Fournir des résultats précis et reproductibles est nécessaire dans le développement d'un système de communication. Ce défi peut être relevé en réalisant des campagnes de mesures qui capturent la réalité du canal de propagation constituant le point de départ. Dans cette thèse, les principales motivations scientifiques derrière ces campagnes de mesures étaient d'étudier la variabilité dans le temps et l'effet de l'environnement sur le canal de propagation dans les bandes millimétriques. Les bandes de fréquences adressées dans cette thèse sont identifiées comme étant importantes par l'UIT en vue d'un futur déploiement de la 5G à savoir 15, 28, 32 et 83 GHz. Les environnements considérés sont une conférence room, bureau, bibliothèque et micro-cellulaire. Les campagnes de mesures ont été menées en utilisant un sondage de canal fréquentiel avec l'utilisation d'un analyseur de réseau. L'exploitation des résultats de mesures ont permis d'apporter des éléments de réponses concernant le canal de propagation dans ces bandes de fréquences. D'autre part, les données de mesures ont été utilisés pour évaluer les performances et contribuer à la calibration d’un simulateur de canal radio à tracé de rayons (RT) reposant sur une approche déterministe. Le simulateur de canal déterministe utilisé dans cette thèse incorpore les mécanismes de propagation tels que le LOS, la réflexion et la diffraction. Le RT a permis de prédire le canal de propagation dans les bandes millimétriques avec une concordance acceptable avec les données de mesures. Ces résultats démontrent que le canal de propagation en bandes millimétriques a pour avantage d'être prédit avec de simple outil déterministe. / This thesis has contributed to the challenge of the radio channel characterizations in millimeter wave bands as well as the validation of a deterministic simulation tool through a large number of measurement campaigns carried out in various representative scenarios. Research questions related to the characterization of radio channels in millimetric bands and its prediction through a deterministic simulation tool were discussed. Providing accurate and repeatable results is necessary for the development of a communication system. This challenge can be meet by conducting measurement campaigns that capture the reality of the propagation channel and therefore constituting the starting point. In this thesis, the main scientific motivations behind these measurement campaigns were to study the time variability and the effect of the scattering environment of the propagation channel in the millimetric bands. The frequency bands addressed in this thesis are identified as important by the ITU for a future deployment of 5G, namely 15, 28, 32 and 83 GHz. The environments considered are a conference room, office, library and microcellular. The measurement campaigns were conducted using a frequency channel sounding technique with the use of a vector network analyzer. The exploitation of the measurement data provided some answers about the radio chennel propagation in these frequency bands. On the other hand, the measurements data were used to evaluate the performance and to contribute to the calibration of the ray-tracing tool (RT) based on a deterministic approach. The RT used in this thesis incorporates propagation mechanisms such as LOS, reflection and diffraction. The RT predicted the propagation channel in the millimeter bands with an acceptable level of agreement with respect to the measurement data. These results demonstrate that the propagation channel in millimetric bands has the advantage of being predicted with a simple deterministic tool.

Les télécommunications sans fil connaissent un intérêt toujours soutenu depuis plus d'une décennie car elles permettent une simplification des infrastructures par rapport aux télécommunications filaires, une mobilité accrue des terminaux, et finalement un usage plus souple pour l'utilisateur.<br /><br />Le défi actuel de ce champ des télécommunications est d'assurer une augmentation des débits de transmission. Pour cela plusieurs techniques sont envisagées, parmi lesquelles la montée en fréquence vers le spectre des ondes millimétriques. Cette approche est à la base de cette thèse qui présente les résultats de la caractérisation et de la modélisation statistique du canal de propagation intra-bâtiment à 60 GHz. Ces travaux sont basés sur plusieurs campagnes de mesure menées principalement en milieu résidentiel.<br /><br />Les principaux résultats soulignent l'importance du problème d'obstruction provoqué par l'activité humaine, ainsi que la difficulté de la propagation entre les pièces d'un bâtiment. Enfin, ces mesures révèlent que la mise en œuvre d'une diversité angulaire au sein du réseau devrait permettre de contrer ces deux difficultés. Par ailleurs, sont proposés des modèles de la propagation spatio-temporel et variant dans le temps, basés sur les propriétés statistiques des différentes caractéristiques du canal.

La bande de fréquences au voisinage de 60GHz (bande 57-64GHz) est en développement rapide pour les systèmes de communication sans fil à courte portée. Cependant, les rayonnements autour de 60GHz sont absents du spectre naturel et les organismes vivants n'y ont encore jamais été exposés dans les conditions environnementales. <br />Ce travail de thèse porte sur l'analyse des effets potentiels des rayonnements millimétriques de faible puissance au niveau cellulaire. Les études sont axées sur deux directions de recherche. Premièrement, nous avons considéré l'influence des ondes millimétriques à 60GHz sur la structure et les propriétés biophysiques des modèles artificiels des membranes biologiques. Deuxièmement, nous avons étudié l'influence du rayonnement millimétrique autour de 60GHz sur les modifications de l'expression génétique des protéines chaperones dans les cellules gliales du cerveau humain.

Pour faire face à la saturation du spectre électromagnétique en matière de communications sans fil, les groupes industriels dominant le marché développent de nouveaux appareils de télécommunications sans fil, qui offriront un débit très élevé combiné à une meilleure confidentialité. Ces systèmes fonctionneront dans des bandes de fréquences autour de 60 GHz, naturellement absentes du spectre électromagnétique environnemental, ce qui suscite des interrogations légitimes quant à leur innocuité. Ce travail de thèse porte sur l'analyse des effets potentiels des rayonnements millimétriques sur la physiologie de la cellule. Nous avons tout d'abord étudié les effets des ondes millimétriques par le biais d'études in vitro, en utilisant différents modèles de cultures de cellules humaines, exposés à différents temps et à différentes fréquences, notamment celles correspondantes à des résonances de groupement moléculaires, comprises entre 57 et 64 GHz. Nous avons étudié l'impact potentiel de ces ondes sur un organite cellulaire, le réticulum endoplasmique, connu pour être sensible à son environnement et impliqué dans de nombreuses pathologies. Nous avons ensuite étudié les effets de la variation de puissance sur des processus physiologiques concernant le réticulum endoplasmique mais aussi sur la synthèse de protéines spécifiques liées à la réponse inflammatoire. Enfin, par la technique de puces à ADN, nous avons réalisé une approche transcriptomique à haut débit, portant sur l'ensemble du génome, afin de déterminer l'existence de gènes cibles sensibles à des expositions aux ondes millimétriques. Plusieurs gènes candidats ont été sélectionnés et serviront de biomarqueurs.

Lors de cette thèse, on a développé un banc automatisé de relevé du diagramme de rayonnement particulièrement pour des antennes millimétriques avec faible directivité. On propose trois méthodes d'alimentation. La première méthode développée a été de concevoir une nouvelle sonde ayant un accès micro-coaxial de plus de 5cm afin de réduire la zone de masquage au minimum. Associée à une configuration de type flip-chip inversée, cette méthode a permis d'avoir une réduction de la zone de masquage de 80° à 20°. La deuxième méthode a été de concevoir une liaison souple par film souple de Kapton. Cette méthode présente l'avantage de placer une plus grande partie des connexions métalliques sous un plan de masse, mais nécessite une connexion optimale à la puce. Les résultats obtenus présentent une zone de masquage pratiquement inexistante, et sont conformes à l'état de l'art. La troisième méthode SER est basée sur la mesure de l'antenne sans placer de sondes ou de connecteurs spéciaux, mais en utilisant un système à charges connues. La simulation nous montre qu'il nous manque une dynamique par ces trois charges.

Cette thèse, effectuée au Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications, a pour objectif la conception d'un système de détection en bande millimétrique dans le cadre de deux projets. Le projet INFRADAR en collaboration avec des partenaires industriels (ATE et Opéra Ergonomie) vise à développer un système d'aide au pilotage d'hélicoptère par la réalisation d'un système anticollision capable de détecter des obstacles comme les lignes à hautes tensions ou les pylônes électriques à longue portée. Le projet Sakura en collaboration avec un institut étranger (Electronic Navigation Research Institute, ENRI, of Tokyo) se focalise sur la détection d'objets et de débris sur piste d'aéroport. Le premier chapitre est un état de l'art des radars et antennes millimétriques. L'antenne retenue pour notre application est un réseau réflecteur(reflectarray). Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de cellules élémentaires originales qui permettent la conversion de polarisation et la stabilité en fréquence. Le chapitre trois décrit les 3 réseaux réflecteurs développés avec pour objectif l'obtention d'une polarisation circulaire, d'un réseau réflecteur multi-lobes, d'un réseau réflecteur bas bruit. Le chapitre quatre illustre les différentes campagnes de mesures réalisées à Tokyo et Sendaï lors du Projet Sakura. Les résultats sont confrontés à un modèle théorique afin de comprendre les limites du système. Enfin nous discutons dans le chapitre cinq des mesures réalisées à Aix en Provence et Sophia Antipolis dans le cadre du Projet INFRADAR. Le projet commençant à peine, les premiers résultats présentés permettent d'entrevoir le potentiel de notre système pour l'aide au pilotage.

Les rayons cosmiques (RC) ont un rôle fondamental sur la dynamique et l'évolution chimique des nuages moléculaires interstellaires, qui sont le lieu de formation stellaire et planétaire. Les RC sont probablement accélérés dans les enveloppes en expansion des rémanents de supernova (SNR), ainsi les nuages moléculaires situés à proximité peuvent être soumis à d'intenses flux de RC. Les protons relativistes ont principalement deux effets sur les nuages moléculaires : 1) en rencontrant le milieu dense, les protons de haute énergie (>280 MeV) induisent via la désintégration des pions l'émission de photons gamma. à cause de ce processus, les associations SNR-nuages moléculaires sont des sources intenses d'émission GeV et/ou TeV présentant des spectres similaires à celui des protons incidents. 2) à plus basse énergie, les RC pénètrent le nuage et ionisent le gaz, induisant la formation d'espèces moléculaires caractéristiques appelées traceurs de l'ionisation. L'étude de ces traceurs permet de déduire des informations sur les RC de basse énergie inaccessibles aux autres méthodes d'observation. J'ai étudié l'ionisation des nuages moléculaires par les RC près de trois SNR : W28, W51C et W44. Il existe des preuves observationnelles d'interaction avec le nuage voisin pour chaque SNR (présence de gaz choqué, masers OH, émission gamma). Mon travail repose sur la comparaison d'observations millimétriques des traceurs de l'ionisation à des modèles de chimie appliqués à ces nuages denses. Dans chaque région, nous avons déterminé un taux d'ionisation supérieur à la valeur standard, confortant l'hypothèse d'une origine des RC dans l'enveloppe du SNR voisin. L'existence d'un gradient d'ionisation en s'éloignant de l'onde de choc du SNR apporte des contraintes précieuses sur les propriétés de propagation des RC de basse énergie. La méthode utilisée repose sur l'observation des ions moléculaires HCO+ et DCO+, qui montre des limitations importantes à haute ionisation. C'est pourquoi j'ai également cherché à identifier des traceurs alternatifs de l'ionisation, par un effort croisé de modélisation et d'observation. En particulier, dans la région W44, les observations de N2H+ ont permis de mieux contraindre les conditions physiques, les abondances volatiles dans le nuage et l'état d'ionisation du gaz. Ce projet de recherche a amené une meilleure compréhension de la chimie induite par les RC dans les nuages moléculaires. Il a également ouvert de nouvelles perspectives de recherche interdisciplinaire vers la compréhension des RC, des observations millimétriques aux observations gamma. / Cosmic rays (CR) are of tremendous importance in the dynamical and chemical evolution of interstellar molecular clouds, where stars and planets form. CRs are likely accelerated in the shells of supernova remnants (SNR), thus molecular clouds nearby can be irradiated by intense fluxes of CRs. CR protons have two major effects on dense molecular clouds: 1) when they encounter the dense medium, high-energy protons (>280 MeV) create pions that decay into gamma-rays. This process makes SNR-molecular cloud associations intense GeV and/or TeV sources whose spectra mimic the CR spectrum. 2) at lower energies, CRs penetrate the cloud and ionise the gas, leading to the formation of molecular species characteristic of the presence of CRs, called tracers of the ionisation. Studying these tracers gives information on low-energy CRs that are unaccessible to any other observations. I studied the CR ionisation of molecular clouds next to three SNRs: W28, W51C and W44. These SNRs are known to be interacting with the nearby clouds, from the presence of shocked gas, OH masers and pion-decay induced gamma-ray emission. My work includes millimeter observations and chemical modeling of tracers of the ionisation in these dense molecular clouds. In these three regions, we determined an enhanced CR ionisation rate, supporting the hypothesis of an origin of the CRs in the SNR nearby. The evolution of the CR ionisation rate with the distance to the SNR brings valuable constraints on the propagation properties of low-energy CRs. The method used relies on observations of the molecular ions HCO+ and DCO+, which shows crucial limitations at high ionisation. Therefore, I investigated, both through modeling and observations, the chemical abundances of several other species to try and identity alternative tracers of the ionisation. In particular, in the W44 region, observations of N2H+ bring additional constraints on the physical conditions, volatile abundances in the cloud, and the ionisation state. This research brought valuable insight into the CR induced chemistry in the interstellar medium. It also brought new perspectives of interdisciplinary research towards the understanding of CRs, from millimeter to gamma-ray observations.

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 co-design, 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. / This work focuses on the design of a power amplifier (PA) at 79 GHz and the co-integration of the PA and the antenna on SiGe technology. The objective of this thesis is to develop a RF front-end block for radar applications at 79 GHz. This block is compound of a power amplifier, antenna and PA/Antenna inter-stage matching. The inter-stage between the PA and the antenna adds supplementary losses in the global performances, especially prohibitive in integrated technology for high frequencies. The co-design of the antenna and the PA allows to suppress the traditional inter-stage impedance matching between these two blocks. More specifically, it is suitable to design the antenna with the appropriate output impedance of the PA which gives optimal performances for maximum power and efficiency.

Les futures applications sans fil anticipent une explosion de la pléthore de cas d'utilisation et de services, qui ne peut être soutenue par des améliorations incrémentielles des schémas de communication existants. Pour cela, deux axes de recherche sont particulièrement intéressants: la densification du réseau à l'aide de petites cellules et la communication par ondes millimétriques (ondes millimétriques). Dans cette thèse, nous modélisons et évaluons des réseaux cellulaires constitués de petites cellules à ondes millimétriques utilisant la technique d'accès multi-radio (RAT) déployées au-dessus de la macro-architecture existante. Premièrement, nous modélisons mathématiquement un déploiement homogène de petites cellules multi-RAT et caractérisons les performances de l'utilisateur et du réseau en termes de probabilité de couverture signal sur brouillage plus rapport de bruit (SINR), de débit descendant et de probabilité de surcharge de cellule. Ensuite, nous étudions l'association des utilisateurs à différents niveaux et la sélection optimale de différents RAT, de manière à optimiser ces mesures de performance. En règle générale, les modèles de réseau cellulaire qui supposent des déploiements homogènes de petites cellules ne tiennent pas compte des nuances des caractéristiques de blocage urbain. Pour résoudre ce problème, nous modélisons les emplacements de petites cellules le long des routes d'une ville, puis nous prenons en compte les blocages de signaux dus à la construction d'immeubles ou au déplacement de véhicules sur les routes. Sur ce réseau, nous supposons que l’opérateur prend en charge trois types de services v.i.z., les communications ultra-fiables à faible temps de latence (URLLC), les communications massives de type machine (mMTC) et le haut débit mobile amélioré (eMBB) avec des besoins différents. En conséquence, nous étudions la sélection optimale de RAT pour ces services avec divers blocages de véhicules. Enfin, sur la base du modèle de déploiement sur route de petites cellules à ondes millimétriques, nous étudions un réseau conçu pour prendre en charge simultanément des services de positionnement et de données. Nous caractérisons la précision du positionnement en fonction des limites de la localisation, puis étudions des stratégies optimales de partitionnement des ressources et de sélection de la largeur de faisceau afin de répondre à diverses exigences de positionnement et de débit de données. / Future wireless applications anticipate an explosion in the plethora of use-cases and services, which cannot be sustained by incremental improvements on the existing communication schemes. For this, two research directions are particularly attractive: network densification using small cells and millimeter wave (mm-wave) wave communications. In this thesis, we model and evaluate cellular networks consisting of multi-radio access technique (RAT) mm-wave small cells deployed on top of the legacy macro-architecture. First, we mathematically model a homogeneous deployment of multi-RAT small cells and characterize the user and network performance in terms of signal to interference plus noise ratio (SINR) coverage probability, downlink throughput, and the cell overloading probability. Then, we study users association to different tiers and optimal selection of different RATs, so as to optimize these performance metrics. Generally, cellular network models that assume homogeneous deployments of small cells fail to take into account the nuances of urban blockage characteristics. To address this, we model the small cell locations along the roads of a city, and subsequently, we take into consideration the signal blockages due to buildings or moving vehicles on the roads. In this network, we assume that the operator supports three types of services v.i.z., ultra-reliable low-latency communications (URLLC), massive machine-type communications (mMTC), and enhanced mobile broadband (eMBB) with different requirements. Consequently, we study the optimal RAT selection for these services with varying vehicular blockages. Finally, based on the on-road deployment model of mm-wave small cells, we study a network designed to support positioning and data services simultaneously. We characterize the positioning accuracy based on the localization bounds and then study optimal resource partitioning and beamwidth selection strategies to address varied positioning and data-rate requirements.

Les environnements intelligents et l’homme connecté semble être la prochaine évolution des télécommunications sans fil. En effet, le développement des nouvelles bandes de fréquence millimétriques permettront de créer des communications haut débit et de nouveaux types d’environnements, les Wireless Body Environment Networks, où les utilisateurs auront la possibilité d’interagir avec l’environnement. Pour développer ces environnements, il est nécessaire d’étudier les mécanismes de propagation et les canaux de communication sans fil autour du corps humain. Cette thèse analyse les canaux de propagation pour les réseaux corporels à 60 GHz et plus particulièrement trois scenarios: (i) la propagation entre une station de base externe et un noeud placé à proximité du corps (off-body) ; (ii) la propagation entre deux noeuds portés sur le corps (on-body) ; (iii) la communication entre une station de base externe et un noeud tenu porté par la main de l’utilisateur (near-body). Un modèle de canal numérique est proposé et implémenté pour modéliser la propagation off-body en environnement intérieur. Le modèle est basé sur le standard IEEE 802.11ad et une solution de la diffraction d’une onde plane incidente sur un modèle cylindrique du corps humain. Le modèle est développé pour deux polarisations orthogonales et les performances d’une communication WiGig sont étudiées via le bit error rate. La propagation on-body est étudiée pour deux différentes configurations: avec et sans ligne de vue directe. Ces scenarios mènent à des solutions analytiques différentes: l’équation de Norton et l’onde rampante. Ces solutions sont obtenues en utilisant des modèles de corps simplifiés et ont été validées expérimentalement. De plus, une méthode permettant d’améliorer le bilan de liaison entre deux dispositifs portés sur le corps en utilisant des plaques métalliques réduisant les pertes de propagation. Cette technique a été illustrée théoriquement en utilisant les équations de Millington. Une campagne de mesure a été effectuée sur un modèle de corps plat ayant les propriétés électriques de la peau humaine. Il a été montré que cette méthode permet d’augmenter le bilan de liaison de 20 dB. La région near-body s’étendant de 5 à 30 cm du corps humain est étudiée. Il s’agit de la région correspondant à la portée de main. Un algorithme numérique est proposé pour modéliser la présence d’un utilisateur dans un environnement intérieur. Un modèle statistique a aussi été proposé. Il a été montré que la distribution spatiale du champ suit une Two-Wave Diffuse Power distribution. / The smart environments and the connected human seems to be the future of wireless communications. The development of new frequency bands in the millimeter range will allow us to create high data rate communications which will led to the Wireless Body Environment Networks. In this kind of scenarios, it is expected that the user and the environment will interact. In order to develop such new applications, it is necessary to first study the propagation mechanisms and then, the communication channel underlying body centric environments. This thesis treats of channel models for 60 GHz Body Area Networks and more particularly of three kinds of scenarios: (i) the communication between an external base station and a worn node (off-body); (ii) the communication between two worn nodes (on-body); the communication between an external base station and a hand-held device (near-body). An indoor off-body channel model is numerically proposed and implemented. The model is based on the IEEE 802.11ad indoor standard channel at 60 GHz and a fast computation solution of the scattering of a plane wave by a circular cylinder. The model is developed for two orthogonal polarizations and the communications performances are studied. The on-body propagation is studied for two different configurations: line-of-sight and non-line-of-sight communications on the body. These scenarios led to different solutions for the channel knowing as, respectively, Norton’s equations and creeping formulations. These solutions are obtained using simplified geometries which has been experimentally validated. Further, in order to improve the propagation on the human body, a technique using metallic plates has been proposed. This technique has been theoretically studied using Milligton’s equations and experimentally assessed on a flat phantom with the properties of the human skin. The proposed method allows to save up to 20 dB. Finally, the near-body communication scenario has been introduced and studied. The near-body region is extended from 5 to 30 cm away of the user body which corresponds to the arm’s reach and models a handheld device. A numerical algorithm has been proposed to model indoor near-body environments. Also, a special has been given to statistical body shadowing. It has been shown that the fading follows a Two-Wave Diffuse Power distribution.