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

Ce mémoire traite de l'élaboration et de la validation d'une nouvelle filière technologique pour circuits micro-ondes. Le chapitre I montre les avantages des structures de type coplanaire et la possibilité de minimiser les pertes et la dispersion fréquentielle en remplaçant le substrat par une membrane. Le chapitre II expose le développement d'une membrane composite en oxyde et en nitrure de silicium. Nous montrons que des membranes de 5 mm x 10 mm et de 1,4 µm d'épaisseur sont faisables par un procédé de micro-usinage chimique du silicium et qu'elles résistent à des pressions différentielles de 0,5 bar. Le chapitre III présente deux techniques de confection de circuits : la photolithographie pour les épaisseurs de métal inférieures à 1 µm, le dépôt électrolytique localisé pour les épaisseurs supérieures. La précision dimensionnelle est de l'ordre de 1 µm dans les deux cas. Les chapitres V et VI concernent la conception de démonstrateurs à ligne de transmission et leur caractérisation. Le dimensionnement est réalisé par analyse quasi statique et par simulations électromagnétiques 2,5D. Les résultats montrent des pertes inférieures à 0,1 dB/mm jusqu'à 65 GHz et l'absence de dispersion. Dans les bandes de fréquences L à X, l'optimisation de l'épaisseur de métal a permis d'obtenir des pertes encore plus faibles. Enfin nous avons expérimenté un procédé spécifique permettant de diminuer les pertes diélectriques dans les accès sur substrat épais. Le chapitre VI est dédié au développement d'une technologie de micro-blindage en silicium qui assure une protection électromagnétique et mécanique des circuits. Les capacités de cette technologie sont illustrées par la réalisation d'un filtre passe-bande centré à 30 GHz. Il est montré que le micro-blindage n'augmente pas les pertes d'insertion (1 dB). Les filières permettent la fabrication simultanée de circuits différent s, avec un rendement voisin de 100%. Le fonctionnement des démonstrateurs a été vérifié de -65°C à +125°C.

Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante...) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L'enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l'influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l'objet d'une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d'identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz).

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 cryog&nique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures infèrieures 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-simultanèment, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

L’amélioration de la sécurité routière ainsi que le développement des systèmes de transports intelligents sont des enjeux d’avenir dans le secteur automobile avec un essor considérable du véhicule semi autonome et autonome. Les systèmes de sécurité active qui équipent de plus en plus les véhicules commercialisés utilisent des capteurs radar (longue et courte portée) fonctionnant dans les bandes 24 GHz ou 77 GHz. L’étude et la mise au point de tels capteurs peuvent être facilitées via l’utilisation d’une plate-forme de simulation générique permettant de simuler un système radar couplé à son environnement selon des scénarios types prédéfinis. Il est alors nécessaire de disposer d’une représentation fiable et réaliste de l’environnement et des objets présents.Cette thèse aborde la caractérisation et la modélisation du canal de propagation et plus largement de l’environnement radioélectrique en ondes millimétriques pour des applications radar, en termes de phénomènes de propagation (trajets multiples, réflexion, diffraction …) et de cibles électriquement larges. Une combinaison de méthodes asymptotiques a été mise en œuvre afin de permettre l'analyse de problèmes électriquement larges en bande W, tout en réduisant les exigences en temps de calcul et en capacité de mémoire. La précision du simulateur a été évaluée à l’aide d’une campagne de mesures de SER de cibles canoniques et complexes de petite taille (inférieure 6cm) dans une chambre anéchoïque. Le banc de mesure mis en œuvre a permis également de valider une procédure expérimentale de détermination de la signature radar. En effet, la procédure expérimentale a été généralisée à la mesure de la signature radar d’objets de taille réelle, dans un milieu « indoor ». Les mesures effectuées ont montré une bonne adéquation avec les résultats présentés dans la littérature. En outre, ces données expérimentales permettent d’extraire une description de la cible par des points brillants qui modélisent les phénomènes de diffusion et de réflexion spéculaire. La réponse à haute fréquence d’une cible peut être approchée par la somme de réponses de ses points brillants. On propose ainsi de simplifier les signatures mesurées pour maximiser l'efficacité de calcul. Comparé aux modèles géométriques détaillés d’une cible complexe, le modèle de points brillants conduit à une meilleure efficacité des simulations de propagation basées sur des rayons dans des scénarios routiers. Le modèle tient également compte de l’anisotropie des diffuseurs (dans le plan azimutal) en modélisant leurs amplitudes par des gaussiennes. / Improving road safety as well as the development of intelligent transport systems are issues of the future in the automotive sector with a considerable rise of the semi-autonomous and autonomous vehicle. The active safety systems that increasingly equip commercial vehicles use radar sensors (long and short range) operating in the 24 GHz or 77GHz bands. The study and development of such sensors can be facilitated through the use of a generic simulation platform to simulate a radar system coupled to its environment according to predefined standard scenarios. It is then necessary to have a reliable and realistic representation of the environment as well as targets. This thesis deals with the characterization and modelling of the propagation channel for radar applications, in terms of propagation phenomena (multipath, reflection, diffraction …) and electrically large targets. A combination of asymptotic methods was developed for the analysis of electrically large problems in W band, while reducing the requirements in CPU time and memory. The accuracy of the simulator was evaluated with radar cross section measurement of canonical and complex small targets (not exceeding 6 cm) in an anechoic chamber. The developed bench measurement also made it possible to validate an experimental procedure for determining the radar signature. Indeed, the experimental characterization was generalized to characterize various automotive related targets in an “indoor” environment. Measurement results matched well with the results presented in the literature. Moreover, the experimental data allows the extraction of a simple target description in terms of scattering points which model the diffusion and specular reflection phenomena. The high frequency response of a target can be approached by the sum of the responses of its scattering centres. It is thus proposed to simplify the measured signatures in order to increase the computation efficiency. Compared to detailed geometrical representation of a complex target, scattering centre model leads to better efficiency of ray-based propagation simulations of road scenarios. The model also takes into account the scattering centre anisotropy (in the azimuth plan) by modelling their amplitudes by Gaussian ones.

Depuis 10 ans, les détecteurs à inductance cinétique (Kinetic Inductance Detector KID) ont connu un essor considérable dans le domaine de la radioastronomie millimétrique pour atteindre des limites de sensibilités de l'ordre du bruit de photon. Le détecteur à inductance cinétique est un résonateur, équivalent à un circuit RLC dont la fréquence de résonance est f_0, lithographié dans un métal supraconducteur. Des photons incidents, possédant une énergie plus grande que le gap supraconducteur, sont absorbés dans le matériau et modifient son impédance de surface résultant en un décalage Df_0 de la fréquence de résonance du résonateur. Plusieurs centaines de résonateurs, de fréquence de résonance distincte, sont organisés en matrice. Nous étudions la réalisation de matrices de détecteurs en aluminium contenant jusqu'à 1932 pixels sur des substrats de diamètre 100 mm sur lesquels les propriétés physiques du matériau supraconducteur sont très homogènes. Différentes approches permettant l'optimisation électrique et optique de ces matrices sont proposées. Ces optimisations ont permis de sélectionner des matrices de détecteurs répondant aux caractéristiques requises par l'IRAM et qui sont à présent installées dans l'instrument NIKA-2 (New Instrument of KID Array) au télescope de 30 m sur le Pico Veleta en Espagne. Nous analysons également la déposition par pulvérisation réactive de films fin de nitrure de titane et nous présentons une méthode rapide et non destructive de caractérisation de la teneur en azote dans ces films par ellipsométrie. Nous décrivons des détails sur l'amélioration du bâti de déposition pour produire des films de TiN plus homogènes en teneur d'azote. Des matrices de détecteurs en nitrure de titane sont fabriquées et caractérisées à partir de ces films. Les performances de cette première matrice sont prometteuses et nous encouragent à poursuivre leur développement. / For 10 years, kinetic inductance detectors are developed for millimeter radioastronomy and they now reach photon-noise sensitivities. A kinetic inductance detector (KID) is a resonator, equivalent to an RLC circuit whose resonant frequency is f_0, structured in a superconducting metal. Incoming photons, with energy greater than the superconducting gap, are absorbed in the metal and change its surface impedance leading to a shift Df_0 of the resonant frequency of the resonator. KID arrays are made with hundred of resonators with different resonant frequencies. We study the fabrication of aluminum-KID arrays of 1932 pixels on 4 inch substrate with homogeneous superconducting properties over this area. Various ways to electrically and optically optimize these arrays are proposed. These optimization allow us to choose arrays that have the required performances. These arrays are now installed in the NIKA-2 (New Instrument of KID Array) instrument in IRAM's 30 m telescope located on the Pico Veleta in Spain. We also analyze reactive sputtered titanium nitride thin films and we present a rapid and non-destructive measurement to characterize the nitrogen content in these films. We describe upgrades of the deposition chamber that allow more uniform thin films to be deposited. TiN KID arrays are fabricated and characterized from these optimized thin films. The performances of these TiN prototype arrays are surprisingly good and encourage future work.

Du fait de nombreuses avancées technologiques et scientifiques, l'ensemble du réseau de télécommunications a évolué vers une complexité croissante intégrant désormais des débits très importants. Grâce aux larges bandes passantes offertes par les bandes de fréquences millimétriques, les prochaines générations visent à permettre l'augmentation du nombre de services multimédias et de partage de contenus en haute définition. Cette évolution pose la problématique de concevoir des systèmes sans-fils capables de fonctionner en haute fréquence avec des rendements et coûts acceptables, ainsi qu'un encombrement minimum. Ce travail se situe dans le cadre du développement de circuits passifs, de types filtres, coupleurs et guides d'ondes qui répondent à ces défis. Nous avons développé une technique de miniaturisation pour des dispositifs en technologie imprimée, dans un premier temps dédiée aux fréquences inférieures à 20 GHz. Celle-ci repose sur la notion d'onde lente, définie comme la capacité d’une structure à ralentir la propagation des ondes la traversant. Une analyse théorique ainsi que des méthodes de conception ont été développées, puis validées par des mesures. Dans un second temps, nous avons proposé deux technologies distinctes permettant l'intégration de guides d'ondes performants en bande millimétrique en collaboration avec deux laboratoires partenaires. Une étude théorique, la conception de motifs de test et les résultats de mesure sont présentés. Ces travaux constituent une base pour la réalisation ultérieure en bande millimétrique de topologies miniaturisées grâce aux ondes lentes. / The last decades have seen the evolution of communication networks towardgreater complexity and efficiency, being now able to carry significant data rates. This evolution is the result of both scientific and technological breakthroughs. Thanks to the wide bandwidths available at millimeter-wave frequencies, the future generations will be able to supply for the the increasing demand in multimedia services, especially high-definition videos. The design of wireless systems which operate at high frequencies with acceptable efficiency, costs, and minimum size thus constitute a decisive challenge. In this context, this work focuses on the development of passive circuits such as filters, couplers and waveguides which address these issues. We developed a miniaturization technique for printed circuits technology, which in a first step is dedicated to frequencies below 20 GHz. This technique is based on a slow-wave concept, defined as the property of any structure which impose lower velocities to the electromagnetic waves. A theoretical analysis, as well as design methods were established and confirmed by measurements. Secondly, we proposed two distinct technological solutions for the integration of efficient waveguides at millimeter-wave frequencies. This work was achieved in collaboration with two other laboratories. A theoretical study, design of test features and measurementswere performed. These results intend to constitute a basis for the future realization of miniaturized slow-wave circuits at millimeter-wave frequency bands.

Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante…) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L’enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l’influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l’objet d’une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d’identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz). / Nitride based materials are present in everyday life for optoelectronic applications (light emitting diodes, lasers). GaN remarkable properties (like large energy band gap, high breakdown electric field, high polarization field, high electronic saturation velocity…) make it a promising candidate for low frequency power electronic applications, but also for high frequency like microwaves range for example. The aim of this work is to increase the transistors working frequency by keeping a high power. To do this, high electron mobility transistor heterostructures are developed, and cap and barrier thicknesses have to be reduced, although it is detrimental for a high power. A first study deals with the influence of cap and barrier thicknesses as well as the type of barrier (AlGaN, AlN and InAlN), in order to isolate heterostructures offering the best compromise in terms of power and frequency. Moreover, the means implemented to increase the working frequency lead to electron channel confinement degradation. In order limit this effect, a back-barrier is added underneath the channel. It will be the subject of the second study. Finally, a transistor surface passivation study will be led. The combination of those three parts will allow identifying the optimum structure to deliver the highest power at high frequency (here at 40 GHz).

Avec la prolifération des appareils électroniques portables et mobiles communicants, il est recommandé de pouvoir échanger des données rapidement et commodément entre les appareils. Avec la pénurie de bande passante et la congestion dans le spectre des fréquences faibles, la technologie de communication à ondes millimétriques (Mm-wave) est considérée comme l'une des technologies clés du futur pour permettre des applications sans fil à débit élevé grâce à son large spectre abondant. Les nœuds de technologie CMOS avancés sont dotés de ft et fmax plus élevés qui permettent une utilisation peu coûteuse et généralisée de ce spectre. Cependant, de nombreux défis associés à la conception de circuits et de systèmes RF millimétriques en utilisant des technologies CMOS avancées ont été identifiés. L’amplificateur de puissance (PA) a été identifié comme étant le bloc le plus difficile à concevoir dans un émetteur-récepteur intégré RF millimétrique. Le concept au niveau du système de l’architecture basse puissance est d’abord étudié et des blocs clés tels que l’antenne 60 GHz et le modulateur OOK dans la technologie CMOS 130nm ont été présentés. Cette thèse explore également les défis de conception de l’amplificateur de puissance à ondes millimétriques dans la technolgie 28nm UTBB-FDSOI. Trois conceptions différentes d’amplificateur de puissance de 60 GHz ont été démontrées dans 28nm LVT FDSOI : 1) Un PA cascode à deux étages, 2) Un PA différentiel à deux étages à base de transformateur, 3) Un PA différentiel à deux étages à puissance combinée. Les performances simulées, y compris la prise en compte des parasites principaux de disposition ont été présentées. Les travaux futurs incluront l’intégration sur puce avec le PA. / With the proliferation of portable and mobile electronic devices, there is a strong need to exchange data quickly and conveniently between devices encouraging to overcome challenges in bandwidth shortages and congestion in the lower frequencies spectrum. Millimeter-wave (Mm-wave) technology is considered as one of the future key technologies to enable high data rates wireless applications due to its large abundant spectrum. Advanced CMOS technology nodes comes with high ft and fmax, enable low cost and widespread use of this spectrum. However, many associated challenges ranging from device, circuit and system perspectives for the implementation of a highly integrated mm-wave transceiver especially the power amplifier (PA) which identified to be the most challenging RF block to be designed. The system level concept of low power architecture is firstly studied and key blocks such as 60 GHz antenna and OOK modulateur in 130nm CMOS technology were presented. This thesis also explores the design challenges of mm-wave power amplifier in 28nm UTBB-FDSOI technology. Three different designs of 60 GHz power amplifier were demonstrated in 28nm LVT FDSOI : 1) A two-stage cascode PA, 2) A two-stage differential PA with low-km TMN, 3) A power combined two-stage differential PA with low-km TMN. The simulated performance including the consideration of key layout parasitics were presented. Future work will include for on-chip integration with the PA.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l’étude des systèmes d’imagerie active en bande millimétrique et plus spécifiquement sur les parties antennaires et le traitement de signal. Ces travaux ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre Canon Research Center France et l’ETR. Une première étude a porté sur les antennes focalisantes et plus spécifiquement sur la lentille de Fresnel avec un procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice qui a permis d’améliorer l’efficacité (59%) et la largeur bande de fréquence (75-110 GHz). Cette antenne a été utilisée sur un système rotatif pour imager une scène réelle extérieure. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception d’une configuration Multiple-Input Multiple-Output ou MIMO (entrées multiples, sorties multiples) grâce notamment à l’utilisation d’un dispositif compressif passif 4×1 permettant de réduire, par compression, le nombre de chaînes RF. Ces chaînes sont décompressées par post-traitement. Le dispositif, placé à l’émission, a été associé avec un scanner qui permet de synthétiser un réseau d’antennes à la réception. Cette configuration a permis de générer virtuellement un réseau de plus grande taille, permettant d’améliorer la résolution azimutale du système tout en limitant le nombre de chaînes RF. Cette configuration est utilisée pour imager une scène en chambre anéchoique afin de valider le concept. Pour améliorer encore plus la résolution du système avec un nombre limité de chaînes RF, l’étude d’algorithmes de haute-résolution, ou méthodes d’estimation spectrales, sont utilisés dans des configurations à large bande de fréquences pour imager des cibles en champs proche. L’association de la configuration MIMO, du dispositif compressif passif et des méthodes d’estimation spectrales permet d’améliorer la résolution du système tout en limitant le nombre de chaînes RF nécessaire. / The broad topic of the presented Ph.D. thesis consists in the contribution to the study of Radar imaging systems at millimeter-wave and more specifically to the antennas and signal processing. These works have been carried out during a partnership between Canon Research Center France and IETR. A first study on focusing antennas, particularly on Fresnel lens antennas, thanks to a technological process to manufacture inhomogeneous materials, has allowed to improve the efficiency and the frequency bandwidth. The antenna has been mounted on a rotary system to image a real outdoor scene. Then, the study has been focused on the realization of a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) configuration notably using a 4 × 1 passive compressive device allowing to reduce, by compression, the number of radiofrequency (RF) chains. The chains are decompressed by post-processing. The device, used at the transmitting part, is associated with a scanner that synthetizes a receiving array of antennas. This configuration allows to generate a large virtual array, to improve the azimutal resolution of the system while maintaining acceptable the number of RF chains. This configuration has been used to image a scene in an anechoid chamber to validate the concept. To further improve the spatial resolution of the system for a given number of RF chains, the study of high resolution algorithms, or spectral estimation methods, are used to image scenes in near field and wide-band configurations. The combination of MIMO configurations, the passive compressive device and the spectral estimation methods have allowed to drastically improve the spatial resolution of the radar imaging system while limiting the number of RF chains.