Dans ce travail intitulé « Conception de modulateurs Sigma-Delta d'ordre élevé pour convertisseurs analogique-numérique en parallèle », les travaux ont été menés dans le contexte de la radio logicielle. La voie proposée pour la réalisation du convertisseur analogique-numérique, élément clé et bloquant de la radio logicielle, est une structure composée de plusieurs modulateurs sigma-delta passe-bande à temps continu mis en parallèle. Après avoir énuméré les différentes spécifications auxquelles le modulateur doit satisfaire, une nouvelle méthodologie de design à été proposé. Un état de l'art des différentes technologies de réalisation des filtres du modulateur a été réalisé, aboutissant à l'utilisation de résonateurs à filtres à ondes d'onde de Lamb. Les caractéristiques de ce résonateur ont été présentées ainsi qu'un circuit de commande permettant la compensation des inconvénients. Après avoir défini une novelle topologie et le résonateur, une méthode pour optimiser les performances de chaque modulateur en fonction des imperfections de l'électronique utilisée pour l'implémentation en fonction de la fréquence centrale de chacun d'entre eux a été proposé. Un travail d'analyse permettant de mettre en évidence l'influence de chacun des défauts électroniques importants sur les performances globales du modulateur, que ce soit en termes de résolution ou de stabilité, a été développé. Le comportement de la fonction de transfert de signal (STF) du système optimisé ne correspond pas à un filtre sélecteur de bande. Une modification originale de la topologie du modulateur permettant l'amélioration de la réponse en fréquence de la STF sans modifier la fonction de transfert du bruit (NTF) a été proposée. Enfin, la réalisation d'un modulateur sigma-delta à temps continu du deuxième ordre au niveau layout a été effectuée. La réduction de l'ordre est justifiée par le fait que l'intégration d'un filtre à onde de Lamb n'est pas encore un processus bien maitrisé et que son utilisation dans un sixième ordre pourrait aboutir à un circuit inexploitable en termes d'analyse.

Dans cette thèse, une étude approfondie sur des matériaux et des solutions pratiques est réalisée afin de répondre aux difficultés rencontrées dans la propagation des ondes à des fréquences térahertz (THz). Deux matériaux ont été identifiés comme étant prometteur: le graphène et le silicium à haute résistivité (HR-Si). Une première solution, basée sur des guides d’ondes à plaques parallèles (parallel plate waveguide-PPWG) avec des conditions de fermetures conducteur parfait (perfect electric conductor-PEC) -- graphène et graphène -- graphène a été analysée dans un premier temps. En considérant l'excitation du graphène par un champ électrique seulement, puis par un champ électromagnétique statique, les équations de Maxwell ont été résolues sous ces deux conditions et les constantes de propagations des différents modes ont été extraites. La démonstration de l'existence d'un mode propagatif hybride à l'intérieur du guide est faite dès que le graphène est excité par un champ magnétique. De plus, il est montré que l'intensité de chaque type de modes, transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM), peut être ajustée suivant les champs d'excitation du graphène. Bien que le guide à plaques parallèles utilisant du graphène permette d'avoir des propriétés agiles, soit le contrôle des modes selon l'excitation du graphène, il n'en reste pas moins vrai que la faible conductivité intrinsèque au graphène conduit à un problème d'atténuation importante de l'onde. De plus, la difficulté d'obtenir des couches de graphène de taille adéquate entrave le développement de composants et de circuits fonctionnels, utilisables et à un coût raisonnable. La thèse porte ensuite sur l’étude du silicium haute résistivité pour guider des ondes aux fréquences térahertz. Tout d’abord, un guide composé d'une couche de HR-Si, de section rectangulaire dont la largeur est très grande par rapport à la hauteur, est caractérisé en utilisant un système de spectroscopie dans le domaine du temps, système permettant d'obtenir un large spectre de fréquences dans le domaine THz. Par cette caractérisation, les faibles pertes et la faible dispersion du HR-Si est démontrée. Cependant, il est aussi démontré que la géométrie du guide n'est pas optimale, conduisant à des pertes par dispersion de l'onde à l'intérieur du guide au fur et à mesure de sa propagation. Aussi, pour éviter cette dispersion, un confinement de l'onde est proposé en réduisant la largeur de la couche HR-Si pour la rendre de l'ordre de la hauteur (confinement en x et y, propagation en z) conduisant ainsi à la réalisation d'un guide d’ondes diélectrique en ruban (dielectric ribbon waveguide-DRW). Une analyse approfondie de la propagation d'une telle structure a conduit à concevoir un guide à faibles pertes d'une part, mais également à propagation monomode sur une large bande de fréquence. Une méthode de fabrication simple a été développée pour réaliser ce type de guide et un banc de mesure spécifique a été mis en place pour caractériser ce nouveau guide. Les mesures réalisées utilisent un analyseur de réseaux vectoriel (un PNA-X d'Agilent) auquel est branché deux têtes de mesure de la compagnie Virginia Diode Inc's (VDI) pour obtenir les bandes de fréquences désirées. Les sorties sont alors en guide rectangulaire standard, soit WR-8, soit WR-5 selon la plage de fréquence visée. Les résultats des mesures se comparent très bien avec les simulations réalisées avec un logiciel utilisant la méthode des éléments finis en trois dimensions (HFSS de la compagnie ANSYS) permettant d'obtenir les paramètres de la matrice de diffraction (S) mesurée par l'analyseur de réseau vectoriel. Finalement, dans le chapitre 6, un filtre passe-bande est développé comme preuve de concept pour l'utilisation du guide DRW utilisant le matériau HR-Si. Outre les faibles pertes et la propagation monomode d'un tel guide DRW, il est aussi montré dans cette thèse la facilité du processus de fabrication, le faible coût de ce procédé ainsi que la possibilité d'intégration avec d'autres composants passifs et actifs. Avec toutes ces caractéristiques très intéressantes sur différents plans, le guide DRW en HR-Si apparaît comme une solution très compétitive pour devenir un standard dans la bande de fréquence des THz.

Ces travaux de thèse concernent la mise au point d’une méthodologie de conception de filtres passe-bandes à couplages dispersifs permettant d’optimiser la sélectivité de ces filtres en générant et en contrôlant la position de zéros de transmission supplémentaires. Un état de l’art sur les différentes approches proposées dans la littérature pour la synthèse de filtres hyperfréquences à couplage dispersif est d’abord proposé. Cette analyse est illustrée par plusieurs exemples concrets, et une structure en particulier, comportant un couplage par plot capacitif, constitue le point de départ des travaux. De nouveaux éléments de couplage dispersifs ont été ensuite proposés, capables de générer aussi bien des couplages positifs que négatifs, permettant ainsi de positionner les zéros de transmission dans la bande stoppée supérieure ou inférieure. Ces éléments ont alors été intégrés dans des structures de filtrage plus complexes pour réaliser par exemple des structures en ligne possédant plusieurs zéros de transmission hors bande ou des filtres multibandes à la sélectivité renforcée. Plusieurs des dispositifs conçus ont été fabriqués et mesurés. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les simulations validant ainsi l’approche proposée. / This thesis report deals with the development of a methodology for the design of bandpass filters including dispersive coupling to optimize the selectivity of these filters by generating and controlling the position of additional transmission zeros. A state of the art on the different approaches proposed in the literature for the synthesis of microwave filters with dispersive coupling is first proposed. This analysis is illustrated by several concrete examples, and a structure in particular, comprising a coupling capacitive post, is the starting point of the work. New dispersive coupling elements were then proposed, capable of generating both positive and negative couplings, thus enabling the transmission zeros to be positioned in the upper or lower stopped band. These elements have then been integrated in more complex filtering structures to achieve, for example, on-line structures having several out-of-band transmission zeros or multiband filters with enhanced selectivity. Many of the devices designed have been manufactured and measured. The experimental results are in good agreement with the simulations validating the proposed approach.

L'explosion des besoins et des attentes des équipements de radio communication, à l'exemple de la téléphonie mobile, a entraîné un accroissement exponentiel de la complexité des circuits électriques qui les composent, surtout les fonctions à base de composants passifs (filtre, coupleurs, ...). La technologie planaire reste une technologie attrayante pour la réalisation de filtres, en terme de coût, de volume, ainsi que des possibilités d'intégration. Dans ce contexte, le développement de circuits planaires (lignes de propagation, filtre, ...) performants et peu encombrants est à l'heure actuelle un domaine d'activité d'un intérêt fondamental. Dans un premier temps nous présentons un panorama des différentes solutions technologiques pour la réalisation de circuits hyperfréquences et nous détaillons les techniques proposées pour réduire la taille des composants passifs hyperfréquences constituant les éléments de base des circuits hyperfréquences. Nous proposons ensuite une méthode de synthèse d'une ligne de propagation miniaturisée à l'aide de l'ajout périodique d'une capacité localisée (ligne à onde lente). Des abaques de synthèse été développés et permettent au concepteur de choisir les différents paramètres de ces lignes pour obtenir le meilleur compromis miniaturisation - performances. La troisième partie est consacrée à un nouveau type de ligne de propagation pour lesquelles la charge capacitive est cette fois répartie sur l'ensemble de la longueur de la ligne de propagation. Ceci est rendu possible grâce à la présence de doigts métalliques flottants sous la ligne est ensuite proposé. Cette topologie de ligne intégrée garantit à la fois une miniaturisation et de meilleures performances électriques. Enfin, nous démontrons l'intérêt d'utiliser ces lignes à « ondes lentes » pour réaliser des filtres passe bande miniatures (plus particulièrement de filtres passe bande basés sur des résonateurs DBR) depuis la mise en équation jusqu'à leurs mesures.

La modélisation numérique des équations de Maxwell n'étant pas facilement utilisable pour la conception de tous les circuits hyperfréquences, il apparaît important de développer en parallèle des méthodes d'analyse et de synthèse de dispositifs micro-ondes fondées sur la théorie des circuits. Pour conserver ce type d'approche, une minimisation des différents problèmes parasites doit être respectée. En effet, l'un des problèmes inhérents aux réseaux à lignes de transmission est la modélisation des discontinuités entre les différentes largeurs de ligne. Ce problème devient important dans la conception de filtres planaires. Nous définissons une structure initiale exempte de tels sauts d'impédance, ce qui permet de conserver, par rapport à des structures classiques, une configuration optimale à des fréquences supérieures. La 1ère partie théorique décrit la méthode originale construite à partir d'outils mathématiques simples et “ portables ”, pour l'analyse de lignes de transmission à variation continue d'impédance. Dans la 2ème partie, consacrée à la réalisation de filtres passe-bas et coupe bande, les avantages de la méthode sont mis en avant. Le réseau à variation continue d'impédance présente, de part sa structure même, un nombre supérieur de degrés de liberté par rapport aux réseaux classiques. Ce principe est mis en application pour générer des filtres passe-bas à bandes atténuées élargies. La souplesse et la précision de la méthode en font un outil intéressant pour la réalisation de filtres passe-bande à partir de lignes couplées en technologie microruban. Dans la dernière partie, l'approche est d'abord utilisée pour compenser la dégradation de la réponse du filtre, due à la configuration microruban. Les degrés de liberté de la méthode utilisée étape par étape permettent ensuite la conception de filtres passe-bande complexes avec de larges bandes de réjection.

Ce mémoire est consacré à la fois à l'exploitation d'une technologie multicouche et au développement de méthodes de synthèse et de concepts dédiés au filtrage hyperfréquence. <br /><br />Le premier objectif de notre travail vise à montrer les capacités et les avantages d'une technologie multicouche pour la réalisation de structures passives destinées à des applications spatiales. Les potentialités recherchées, et chères à l'industrie spatiale sont la réduction de taille à outrance. Ce point critique constitue encore aujourd'hui un enjeu majeur au niveau des fonctions passives. Nous montrons, au travers de structures de propagation spécifiques 2,5D et 3D, de quelles manières leur utilisation permet d'apporter des solutions attractives, notamment en termes d'accès à des gammes d'impédances caractéristiques et de couplages élargies. Celles-ci permettent de lever un grand nombre de verrous technologiques. Des topologies particulières du type « DBR » (Dual Behavior Resonator) et « open-loop » ont été examinées en s'appuyant sur les spécifications de référence d'un filtre d'un récepteur en bande C.<br /><br />Le second objectif concerne l'exploitation des couplages de proximité apparaissant dans les topologies de filtres plaqués à base de stubs, et plus particulièrement DBR, dans le dessein de concevoir des structures de filtrage plus performantes. Dans ce cadre, nous proposons une démarche de synthèse s'appuyant sur une matrice nodale.<br /><br />Enfin, nous faisons converger ces deux objectifs en exploitant conjointement des topologies DBR et l'outil de synthèse matriciel en contexte multicouche. Le développement de topologies multiniveaux permet d'apporter de nouveaux degrés de liberté dans la conception pour répondre aux besoins accrus de miniaturisation et de performance des dispositifs.

Les développements récents des systèmes hyperfréquences conduisent à des contraintes drastiques sur la taille et le coût des composants, et en particulier sur les Filtres Passe-Bande (BPF). L’objectif de cette thèse était d’apporter des solutions innovantes pour du filtrage large-bande compact en basses fréquences. Nous avons proposé deux solutions topologiques de compacité.La première solution est axée sur l’amélioration de la compacité des résonateurs grâce au résonateur multi-sections. Cette topologie a été théorisée et modélisée afin de l’optimiser. La compacité apportée par le résonateur multi-sections a été démontrée à travers la réalisation de filtres interdigité. La deuxième solution est une nouvelle topologie du filtre combline appelée filtre combline à couplage électrique (ECC). Nous avons également montré que ces solutions topologiques sont compatibles avec d’autres solutions technologiques de compacité (multicouche…).Ces solutions permettent de résoudre les problèmes d’encombrement et d’intégration des filtres actuels tout en gardant des performances électriques équivalentes. / Recent developments in microwave systems lead to drastic constraints on the size and cost of components, and in particularly on Passband Filters (BPF). The aim of this thesis was to provide innovative solutions for low band compact broadband filtering. We proposed two topological solutions of compactness.The first solution focuses on improving the compactness of the resonator thanks to the multisections resonator. This topology has been theorized and modeled to optimize it. The compactness provided by the multi-sections resonator has been shown by the realization of interdigital filters. The second solution is a new topology of the combline filter, electrical coupling combline filter (ECC).We have also shown that these topological solutions are compatible with other technological solutions of compactness (multilayer ...).These solutions solve the size and integration problems of current filters with equivalentelectrical performance.

Aujourd'hui, il y a une augmentation du nombre de normes étant intégré dans des appareils mobiles. Les problèmes principaux sont la durée de vie de la batterie et la taille de l'appareil. L'idée d'un Radio-Logiciel est de pousser le processus de numérisation aussi près que possible de l'antenne. Dans cette thèse, nous présentons la première mise en œuvre d'un récepteur radio-logiciel complet basé sur Sigma-Delta RF passe-bande, y compris un LNA à gain variable (VGLNA), un ADC Sigma-Delta RF sous-échantillonné, un mélangeur bas-conversion RF numérique et un filtre de décimation polyphasé multi-étage multi-taux. Le VGLNA élargit la gamme dynamique du récepteur multi-standard pour atteindre les exigences des trois normes sans fil ciblées. Aussi une architecture mixte, en utilisant à la fois Source-Coupled Logic (SCL) et des circuits CMOS, il est proposé d'optimiser la consommation des circuits RF numériques. Par ailleurs, nous proposons une architecture de filtre en peigne à plusieurs étages avec décomposition polyphase à réduire la consommation d'énergie. Le récepteur est mesuré pour trois normes différentes dans la bande de 2.4 GHz, la bande ISM. Les résultats des mesures montrent que le récepteur atteint 79 dB, 73 dB et 63 dB de plage dynamique pour les normes Bluetooth, ZigBee et WiFi respectivement. Le récepteur complet, mis en œuvre dans le procédé CMOS 130 nm, a une fréquence centrale accordable de 300 MHz et consomme 63 mW sous 1.2 V. Comparé à d'autres récepteurs, le circuit proposé consomme 30% moins d'énergie, la plage dynamique est de 21 dB supérieur, IIP3 est de 6 dB supérieur et le facteur de mérite est de 24 dB supérieur. / Nowadays there is an increase in the number of standards being integrated in mobile devices. The main issues are battery life and the size of the device. The idea of a Software Defined Radio is to push the digitization process as close as possible to the antenna. Having most of the circuit in the digital domain allows it to be reconfigurable thus requiring less area and power consumption. In this thesis, we present the first implementation of a complete SDR receiver based on RF bandpass Sigma-Delta including a Variable-Gain LNA (VGLNA), an RF subsampled Sigma-Delta ADC, an RF digital down-conversion mixer and a polyphase multi-stage multi-rate decimation filter. VGLNA enlarges the dynamic range of the multi-standard receiver to achieve the requirements of the three targeted wireless standards. Also a mixed architecture, using both Source-Coupled Logic (SCL) and CMOS circuits, is proposed to optimize the power consumption of the RF digital circuits. Moreover, we propose a multi-stage comb filter architecture with polyphase decomposition to reduce the power consumption. The receiver is measured for three different standards in the 2.4 GHz ISM-band. Measurement results show that the receiver achieves 79 dB, 73 dB and 63 dB of dynamic range for the Bluetooth, ZigBee and WiFi standards respectively. The complete receiver, implemented in 130 nm CMOS process, has a 300 MHz tunable central frequency and consumes 63 mW under 1.2 V supply. Compared to other SDR receivers, the proposed circuit consumes 30% less power, the DR is 21 dB higher, IIP3 is 6 dB higher and the overall Figure of Merit is 24 dB higher.

La technologie planaire constitue une technologie attrayante pour la réalisation de filtres, en terme de coût, de volume, ainsi que des possibilités d'intégration. Dans ce contexte, le développement de filtres planaires sélectifs et peu encombrants est à l'heure actuelle un domaine d'activité d'un intérêt fondamental. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans cet axe de recherche. Après un état de l'art sur les différentes familles de filtres planaires, une nouvelle topologie de filtre passe-bas compact, constituée d'une ligne de propagation périodiquement chargée par des capacités CMS, est développée. Une méthode rigoureuse de conception est développée et des démonstrateurs hybrides en technologie CPW à 1 GHz sont réalisés. Les mesures, en très bon accord avec les simulations, valident des propriétés intéressantes en terme de réjection, d'adaptation et de remontées parasites. La montée en fréquence est également explorée par la réalisation d'un filtre passe-bas en bande X. Les résultats montrent la nécessité d'une caractérisation fine des capacités. Ensuite, une méthode de caractérisation des capacités est mise en oeuvre. Il s'avère que l'insertion des capacités dans des filtres passe-bas à structure périodique constitue un moyen précis et fiable de modélisation. Une topologie de filtre passe-bande à Ultra Large Bande, basée sur une imbrication d'un filtre passe-haut à stubs dans un filtre passe-bas à lignes capacitivement chargées, est mise en place. Les mesures des prototypes en technologie micro-ruban, en bon accord avec les simulations, montrent des propriétés intéressantes de sélectivité, de miniaturisation et de rejet de lobes secondaires.

Le rayonnement du Fond Diffus Cosmologique est une source riche et propre d’informations cosmologiques. L’étude du CMB au cours des dernières décennies a conduit à la mise en place d’un modèle standard pour la cosmologie et a permis de mesurer précisément ses principaux paramètres. Il a également transformé le domaine, en le basant davantage sur les données observationnelles et les approches numériques et statistiques.A l’heure actuelle, l’inflation est le principal paradigme décrivant les premiers moments de notre Univers. Elle prédit la génération de fluctuations de la densité de matière primordiale et des ondes gravitationnelles. Le signal de polarisation du CMB porte la signature de ces ondes gravitationnelles sous la forme de modes-B primordiaux. Une future génération de missions spatiale d’observation de la polarisation du CMB est bien adaptée à l’observation de cette signature de l’inflation.Cette thèse se concentre sur l’optimisation d’une future mission spatiale CMB qui observera le signal en modes-B pour atteindre une sensibilité de r = 0,001. Plus précisément, j’étudie la stratégie d’observation et l’impact des effets systématiques sur la qualité de la mesure de polarisation / The Cosmic Microwave Background radiation is a rich and clean source of Cosmological information. Study of the CMB over the past few decades has led to the establishment of a “Standard Model” for Cosmology and constrained many of its principal parameters. It hasalso transformed the field into a highly data-driven domain.Currently, Inflation is the leading paradigm describing the earliest moments of our Universe. It predicts the generation of primordial matter density fluctuations and gravitational waves. The CMB polarisation carries the signature of these gravitational waves in the form of primordial “B-modes”. A future generation of CMB polarisation space mission is well suited to observe this signature of Inflation.This thesis focuses on optimising a future CMB space mission that will observe the B-modesignal for reaching a sensitivity of r = 0.001. Specifically, I study the optimisation of the scanning strategy and the impact of systematics on the quality of polarisation measurement