La demande toujours croissante de connectivité et de débit de données requiert une rupture dans la conception des futurs réseaux de communication et systèmes radio. Plusieurs applications émergentes en bande millimétrique, notamment les réseaux mobiles de cinquième génération (5G) et les communications satellites, exigent des antennes large bande qui assurent une grande couverture angulaire, tout en étant à la fois compactes, facilement intégrables et à bas coût.Cette thèse propose des systèmes antennaires multifaisceaux large bande et à très grande couverture angulaire, appelés «Continuous Transverse Stub Antenna» (CTS), pour réaliser un bon compromis de l’ensemble de ces objectifs. L’architecture de l’antenne comprend un réseau de fentes longues excitées par un réseau d’alimentation en chandelier, basé sur des guides d’onde à plans parallèles. Cette structure est excitée par un formateur de faisceaux quasi-optique co-intégré. La première partie du manuscrit présent des nouveaux modèles numériques qui facilitent la conception de chaque sous-système de l’antenne et permettent l’analyse des performances globales, soit en termes d’adaptation, soit en termes de diagrammes de rayonnement. Ces outils sont exploités pour la conception d’antenne et pour étudier les limites en balayage. La thèse se poursuit en présentant de nouvelles solutions technologiques et de nouveaux design pour intégrer les antennes CTS dans des modules multicouches planaires et à faible profil. La conception et la caractérisation de deux antennes intégrées en technologie LTCC pour des points d’accès 5G à 60 GHz sont discutées. L’une des deux est à faisceau fixe, l’autre est à balayage électronique, avec une couverture de ±40°, de faibles lobes secondaires et un niveau élevé de recoupement des faisceaux. Enfin, nous proposons l’association de radomes polarisants planaires à faible profil aux antennes CTS, pour réaliser des systèmes rayonnants en polarisation circulaire. Une méthodologie systématique pour la conception de polarisateurs à très large bande est présentée, ainsi qu’un design couvrant entièrement la bande Ka pour des applications satellites. / The ever-growing demand for fast and seamless connectivity shows the need of new wireless standards and technologies. Novel broadband, wide-angle scanning antennas achieving an optimal trade-off among size, gain, efficiency and costs are crucial to the development of emerging applications at millimeter waves, such as fifth-generation (5G) mobile networks and satellite communications. In this thesis, multibeam parallel-fed continuous transverse stub (CTS) array antennas are proposed as possible candidates for future mm-wave communications and are developed to tackle these requirements. The antenna architecture comprises an array of long slots, a corporate feed network based on parallel plate waveguides (PPWs) and an integrated quasi-optical beamformer. First, novel numerical models for the analysis of each subsystem and of the overall antenna, are presented, which enable an efficient and modular design of CTS antennas. These tools are exploited to derive design guidelines and assess the scanning performance. Then, novel design and technological solutions for the integration of CTS antennas in flat, low-profile multilayer modules are discussed. The design and characterization of two prototypes in LTCC technology, for 60-GHz mobile access points are presented: a fixed beam array and a switched-beam antenna with a field of view of ±40°, low SLLs and high beam overlap. Finally, planar linear-to-circular polarization converters are proposed to realize circularly polarized CTS antenna systems. A procedure to achieve an ultra-wideband, low-loss polarization conversion is outlined and a design for Ka-band satellite application is presented.

L'évolution des Réseaux Locaux Domestiques (RLD) est influencée par l'augmentation irréfrénée du nombre de terminaux connectés dans nos domiciles et par le déploiement de réseaux d'accès optiques haut débit qui délivrent désormais des services dépassant le Gigabit/s. Pour continuer à échanger efficacement les données, les RLD doivent évoluer vers le multi-Gigabit/s, et plus particulièrement la très appréciée connectivité sans fil. Les systèmes radio actuels ont des capacités limitées, néanmoins de nouveaux standards dont le débit excède 7Gbit/s voient le jour. Mais comme ces derniers exploitent la bande millimétrique, entre 57 et 66 GHz, leur couverture radio est limitée à la taille d'une pièce. En effet, à de telles fréquences, les pertes en espace libre sont très élevées et les ondes ne traversent pas les murs. Cette thèse propose de résoudre cette limitation au moyen de solutions Radio sur Fibre (RoF pour Radio over Fiber). Cette technique consiste à capturer les signaux radio émis dans une première pièce, puis à les convertir en signaux optiques pour les transmettre par fibre optique jusqu'à une seconde pièce où ils seront réémis. Plusieurs transducteurs RoF seront donc installés dans le domicile et interconnectés entre eux au moyen d'une infrastructure optique adaptée, créant ainsi des systèmes se comportant à la fois comme répéteurs and comme système de distribution. Pour le marché du RLD, de telles solutions sont compétitives que si elles sont bas coût. Par conséquent, ce travail se focalise sur la modulation directe avec détection directe (IM-DD) en Fréquence Intermédiaire (FI). En d'autres termes, le signal radio à 60GHz est translaté à une plus faible fréquence, autour de 5GHz, pour moduler directement un laser, puis il est restitué à 60GHz après la détection directe. Concernant la fibre optique, la multimode silice (MMF) est privilégiée puisqu'elle permet l'utilisation de composants optoélectroniques bas coût et largement disponible. Cette thèse propose différentes architectures RoF, de la point-à-point reliant deux pièces à la multipoint-à-multipoint agissant comme un bus logique. Après une caractérisation analogique des composants optoélectroniques, du lien RoF et du câble domestique, ces architectures sont construites et caractérisées étape par étape sur la base d'une modulation OFDM conforme aux standards radio 60GHz. Des transmissions temps réel entre terminaux commerciaux sont également réalisées afin de valider ces architectures. Pour finir, des infrastructures RoF avancées sont proposées. Premièrement, les systèmes RoF peuvent être améliorés si l'accès à leur couche optique est contrôlé par la couche MAC radio. Cette approche est donc étudiée, démontrant ainsi sa faisabilité. Deuxièmement, les systèmes optiques, perçus par les utilisateurs comme des produits premium, doivent supporter aussi bien les services de base du RLD que ceux qui vont émerger dans les années à venir. Ainsi, des infrastructures multiservice and multiformat innovantes transportant sur un unique câble optique des données IP, la télévision hertzienne et satellite, les signaux radio 60GHz et d'autres formats spécifiques tels que l'HDMI sont proposées puis testées / The evolution of the Home Area Network (HAN) is lead by the proliferation of connected devices inside the home and the deployment of high broadband access network which now allows the delivery of services that can exceed 1Gbit/s. To ensure efficient in-house exchanges, the HAN has to move rapidly toward multi-Gigabit/s connections, in particular the wireless connectivity generally preferred by the customers. Current wireless systems have limited capacities, but new radio standards delivering data-rates up to 7Gbit/s are emerging. Nevertheless, as they address the unlicensed millimeter-wave band, from 57 to 66 GHz, their radio coverage is limited to a single room. Indeed, at such frequencies, the free-space losses are high and the waves do not cross the walls. This thesis proposes to solve this problem by means of the Radio over Fiber (RoF) technology. This consists in capturing the 60GHz radio signals emitted in one room, converting them into optical signals for transmission through optical fibers, and reemitting them in another room. Thus, several RoF transducers will be installed in the home and interconnected by a suitable optical infrastructure to create systems acting at the same time as repeaters and as distribution systems. From the viewpoint of the HAN market, such systems will be competitive only if they are low cost. As a consequence, this work focuses on direct modulation with direct detection (IM-DD) at Intermediate Frequency (IF). In other words, the 60GHz signal is down-converted at a lower frequency around 5GHz before the laser modulation and up-converted to 60GHz after the photodetection. Concerning the optical fiber, silica multimode fiber (MMF) is privileged as it allows the use of low cost and largely available optoelectronic devices working at 850nm.The thesis proposes different RoF architectures, from point-to-point interconnecting two rooms to multipoint-to-multipoint acting as logical buses. After an analog characterization of the optoelectronic components, the RoF link and the domestic cable, these architectures are designed, built and characterized step by step using OFDM modulation according to existing wireless 60GHz standards. Real-time transmissions between commercial devices have also been performed to validate these architectures. Moreover, advanced RoF infrastructures are proposed. First, the RoF systems can be easily improved if the access to their optical media is managed by the radio MAC layer. This approach is therefore studied showing its feasibility. Secondly, an optical system, seen by users as a premium product, has to support the legacy home services commonly used as well as the new ones that could emerge in the future. Thus, innovative multiservice and multiformat infrastructures conveying on a unique optical cable wired IP data, broadcast terrestrial or satellite television, the 60GHz wireless connectivity, and specific formats as HDMI signals are proposed and tested

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale / The aim of this thesis work was to design, build and optimize a large volume multisamples DNP (Dynamic Nuclear Polarization) polarizer dedicated to Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging applications. The experimental system is made up of a high magnetic field magnet (3,35T) in which takes place a cryogenic system with a pumped bath of liquid helium (4He) allowing temperatures lower than 1,2K. A set of inserts is used for the different steps of DNP : irradiation of the sample by a microwave field (f=94GHz and P=50mW), polarization measurement by Nuclear Magnetic Resonance. . . With this system, up to three samples of 1mL volume can be polarized to a rate of few percents. The system has a long autonomy of four hours, so it can be used for polarizing molecules with a long time constant of polarization. Finally, the possibility to get quasisimultaneously, after dissolution, several samples with a high rate of polarization opens the way of new applications in biomedical imaging

La focalisation du champ électromagnétique dans les zones de champ proche et lointain est un sujet de forte actualité pour l'imagerie médicale et la radiométrie des microondes jusqu'aux ondes millimétriques. Dans ce cadre, la théorie des ondes de fuite est un formalisme élégant qui permet de décrire d'une même façon les problèmes radiatifs en champ proche et en champ lointain des microondes aux fréquences optiques. Dans cette thèse, on utilise la polyvalence de la théorie des ondes de fuite pour développer des systèmes rayonnants complexes afin de contrôler les caractéristiques radiatives en champ lointain aux fréquences submillimétriques et pour focaliser la radiation électromagnétique en champ proche aux fréquences millimétriques. Ainsi, l'utilisation de matériaux uniques comme le graphène et les cristaux liquides ont été considérés pour la conception des antennes à ondes de fuite, en obtenant des résultats très intéressants en termes de reconfigurabilité, d'efficience et de directivité. Dans ce contexte, une analyse théorique originale a fourni de nouvelles formules pour l'évaluation des caractéristiques radiatives (c.à.d. la largeur de faisceau, le niveau des lobes secondaires, etc.) des antennes à ondes de fuite. En effet, la largeur du faisceau de ces antennes est, jusqu'à présent, estimée au moyen des formules proposées pour la première fois dans les années '60 par Prof. Arthur A. OLINER. Ces formules ne tiennent en compte ni de la longueur de l'antenne (sauf pour des cas très particuliers), ni du rayonnement longitudinal, elles ne permettent donc pas une évaluation rigoureuse.En complément à la reconfigurabilité en champ lointain, les ondes de fuite offrent aussi la possibilité de focaliser la radiation en champ proche. Dans ce cas, on voit que les ondes de fuite peuvent être utilisées d'une façon efficace pour générer des faisceaux non diffractifs de Bessel à travers des systèmes rayonnants à bande étroite aux ondes millimétriques. De plus, le caractère non diffractif des faisceaux de Bessel peut aussi être utilisé pour générer des impulsions très localisées (comme les solitons en optiques) à travers la superposition continue des faisceaux de Bessel sur une large bande de fréquence. Dans ce cadre, une nouvelle formulation a été développée afin de comprendre les limitations physiques et technologiques concernant la génération des impulsions non diffractives et non dispersives, c.à.d. les X-waves. Les résultats ont montré qu'un type de systèmes rayonnants à large bande, notamment les antennes RLSA (en anglais « Radial Line Slot Array »), semblent très favorables pour la génération des X-waves. / In recent years, microwave, millimeter-wave, and THz applications such as medical and security imaging, wireless power transfer, and near-field focusing, just to mention but a few, have gained much attention in the area of ICT due to their potentially high social impact. On one hand, the need of highly-directive THz sensors with tunable radiating features in the far-field region has recently boosted the research activity in the design of flexible, low-cost and low-profile devices. On the other hand, it is of paramount importance to focus energy in the near-field region, and thus the generation of limited-diffraction waves in the microwave and millimeter-wave regime is a topic of recent increasing interest. In this context, leaky-wave theory is an elegant and extremely useful formalism which allows for describing in a common fashion guiding and radiating phenomena in both the near field and the far field, spanning frequencies from microwaves to optics passing through THz. In this PhD thesis we aim to exploit the intrinsic versatility of the leakywave approach to design advanced radiating systems for controlling the far-field radiating features at THz frequencies and for focusing electromagnetic radiation in the near field at millimeter waves. Specifically, the use of relatively new materials such as graphene and liquid crystals has been considered for the design of leaky-wave based radiators, achieving very promising results in terms of reconfigurability, efficiency, and radiating capabilities. In this context, an original theoretical analysis has provided new general formulas for the evaluation of the radiating features (e.g., half-power beamwidth, sidelobe level, etc.) of leaky-wave antennas. Indeed, the current formulations are based on several simplifying hypotheses which do not allow for an accurate evaluation of the beamwidth in different situations. In addition to the intriguing reconfigurable capabilities offered by leaky waves in far-field applications, interesting focusing capabilities can be obtained in the near field. In particular, it is shown that leaky waves can profitably be used to generate limited-diffraction Bessel beams by means of narrow-band radiators in the microwave range. Also, the use of higherorder leaky-wave modes allows for achieving almost the same performance in the millimeter-wave range, where previous designs were subjected to severe fabrication issues. Even more interestingly, the limited-diffractive character of Bessel beams can also be used to generate limited-diffraction pulses as superpositions of monochromatic Bessel beams over a considerable fractional bandwidth. In this context, a novel theoretical framework has been developed to understand the practical limitations to efficiently generate limited-diffraction, limited-dispersion pulses, such as X-waves, in the microwave/millimeter-wave range. As a result of this investigation, a class of wideband radiators has been thoroughly analyzed, showing promising capabilities for the generation of both zeroth-order and higher-order Xwaves. The latter may pave the way for the first localized transmission of orbital angular momentum in the microwave range.

Les réseaux mobiles de la cinquième génération (5G) sont conçus pour introduire de nouveaux services nécessitant des débits de données extrêmement hauts et une faible latence. 5G sera un changement de paradigme qui comprend des réseaux hétérogènes densifiés, des réseaux d'accès radio virtualisés, des fréquences porteuses à ondes millimétrées et des densités de périphériques très élevées. Cependant, contrairement aux générations précédentes, 5G sera un réseau holistique, intégrant n'importe quelle nouvelle technologie radio avec les technologies LTE et WiFi existant. Dans ce contexte, on se concentre sur de nouvelles stratégies d'allocation de ressources capables de bénéficier du multihoming dans le cas d'accès double au réseau. On modélise ces algorithmes au niveau du flux et analyse leurs performances en termes de débit, de stabilité du système et d'équité entre différentes catégories d'utilisateurs. On se concentre tout d'abord sur le multihoming dans les réseaux hétérogènes LTE/WiFi. On considère les allocations centrées sur le réseau où un planificateur central effectue des allocations d'équité proportionnelle (PF) locale et globale pour différentes classes d'utilisateurs, utilisateurs individuels (single-homed) et multi-domiciliés (multihomed). Par rapport à un modèle de référence sans multihoming, on montre que les deux stratégies améliorent la performance et la stabilité du système, au détriment d'une plus grande complexité pour la stratégie PF globale. On étudie également les stratégies d'allocation centrées sur l'utilisateur, dans lesquelles les utilisateurs multihomed décident la partition de la demande d'un fichier en utilisant soit la maximisation du débit crête, soit la stratégie assistée par réseau. On montre que cette dernière stratégie maximise le débit moyen dans l'ensemble du réseau. On montre également que les stratégies centrées sur le réseau permettent d'obtenir des débits de données plus élevés que ceux centrés sur l'utilisateur. Ensuite, on se concentre sur les réseaux d'accès radio virtuels (V-RAN) et en particulier sur l'allocation de multi-ressources. On étudie la faisabilité de la virtualisation sans diminuer ni la performance des utilisateurs, ni la stabilité du système. On considère un réseau hétérogène 5G composé de cellules LTE et mm-wave afin d'étudier comment les réseaux hauts fréquence peuvent augmenter la capacité du système. On montre que la virtualisation du réseau est réalisable sans perte de performance lors de l'utilisation de la stratégie « dominant resource fairness » (DRF). On propose une stratégie d'allocation en deux phases (TPA) qui montre un indice d'équité plus élevé que DRF et une stabilité du système plus élevée que PF. On montre également des gains importants apportés par l'adoption des fréquences mm-wave au lieu de WiFi. Finalement, on considère l'efficacité énergétique et compare les stratégies DRF et TPA avec une stratégie éconergétique basée sur l'algorithme de Dinklebach. Les résultats montrent que la stratégie éconergétique dépasse légèrement DRF et TPA à charge faible ou moyenne en termes de débit moyen plus élevé avec une consommation d'énergie comparable, alors qu'elle les surpasse à une charge élevée en termes de consommation d'énergie moins élevée. Dans ce cas de charge élevée, DRF surpasse TPA et la stratégie éconergétique en termes de débit moyen. En ce qui concerne l'indice d'équité de Jain, TPA réalise l'indice d'équité le plus élevé parmi d'autres stratégies / Fifth generation mobile networks (5G) are being designed to introduce new services that require extreme broadband data rates and utlra-reliable latency. 5G will be a paradigm shift that includes heterogeneous networks with densification, virtualized radio access networks, mm-wave carrier frequencies, and very high device densities. However, unlike the previous generations, it will be a holistic network, tying any new 5G air interface and spectrum with the currently existing LTE and WiFi. In this context, we focus on new resource allocation strategies that are able to take advantage of multihoming in dual access settings. We model such algorithms at the flow level and analyze their performance in terms of flow throughput, system stability and fairness between different classes of users. We first focus on multihoming in LTE/WiFi heterogeneous networks. We consider network centric allocations where a central scheduler performs local and global proportional fairness (PF) allocations for different classes of users, single-homed and multihomed users. By comparison with a reference model without multihoming, we show that both strategies improve system performance and stability, at the expense of more complexity for the global PF. We also investigate user centric allocation strategies where multihomed users decide the split of a file using either peak rate maximization or network assisted strategy. We show that the latter strategy maximizes the average throughput in the whole network. We also show that network centric strategies achieve higher data rates than the user centric ones. Then, we focus on Virtual Radio Access Networks (V-RAN) and particularly on multi-resource allocation therein. We investigate the feasibility of virtualization without decreasing neither users performance, nor system's stability. We consider a 5G heterogeneous network composed of LTE and mm-wave cells in order to study how high frequency networks can increase system's capacity. We show that network virtualization is feasible without performance loss when using the dominant resource fairness strategy (DRF). We propose a two-phase allocation (TPA) strategy which achieves a higher fairness index than DRF and a higher system stability than PF. We also show significant gains brought by mm-wave instead of WiFi. Eventually, we consider energy efficiency and compare DRF and TPA strategies with a Dinklebach based energy efficient strategy. Our results show that the energy efficient strategy slightly outperforms DRF and TPA at low to medium load in terms of higher average throughput with comparable power consumption, while it outperforms them at high load in terms of power consumption. In this case of high load, DRF outperforms TPA and the energy efficient strategy in terms of average throughput. As for Jain's fairness index, TPA achieves the highest one