Ce travail est consacré à la théorie et aux simulations numériques des nouveaux textiles qui peuvent communiqués sans-fil et composé des antennes fibre multimatériaux. La recherche est conduite par une tentative à changer le concept de "wearables" de grands dispositifs montés sur le corps à des dispositifs cachés confortables intégrés dans vos vêtements. Les textiles RF peuvent être prévus dans divers secteur des soins de santé, pour la surveillance des enfants et des personnes âgées, dans les domaines de télémédecine, de sécurité et de la recherche et sauvetage. Les antennes RF textiles, précédemment développées dans notre groupe, sont constituées de fibre multimatériaux en incorporant une couche conductrice d'argent dans un capillaire silice de 100 µm de diamètre à l'aide de la technique de déposition de phase liquide. La structure de ces antennes portables est flexible, se conforme au corps et non invasif. Dans ce travail, la performance de deux antennes de fibre, l'antenne dipôle et boucle, sont examinés à la bande de fréquence ISM par des simulations numériques à l'aide de logiciel ANSYS HFSS dans l'espace libre et sur le corps. À cette fin, le modèle de corps humain à plusieurs couches spécifiques a été développé en s'inspirant des valeurs proposées par le FCC "Federal Communications Commission" pour assigner les propriétés diélectriques de chaque tissu et pour satisfaire toutes les mesures de sécurité. Les résultats stimulés comprennent le déplacement de fréquence de résonance, les diagrammes de rayonnement affectés, le champ de rayonnement au-dessus du corps, l'efficacité et les mesures de SAR. En outre, la séparation de corps de l'antenne et les effets météorologiques sont également examinés. Les résultats présentés sont ensuite analysés en ce qui concerne les avantages et les inconvénients des deux designs, particulièrement dans le scénario sur le corps, tel qu'une attention spéciale est accordée à la robustesse et l'immunité contre la proximité du corps humain. / This work is devoted to the theory and numerical simulations of novel wireless-communicating textiles featuring multi-material RF fiber antennas embedded into textiles. The research is driven by an attempt to change the concept of wearables from large devices mounted on the body to a hidden and comfortable wearables integrated into your clothes. RF textiles antennas are expected to find multiple applications in various sectors of healthcare, child and elderly monitoring - telemedicine and home-nursing, security, search and rescue. RF textiles antennas, previously developed in our group, are made from multi-material fiber by incorporating a conductive layer of silver within a silica capillary of 100μm diameter using liquid phase deposition technique. The structure of these wearable antennas is flexible, conform to the body, and non-invasive. In this work the performance of two fiber antennas, namely dipole and loop, is investigated at ISM-band through numerical simulations using ANSYS HFSS both in free space and on-body scenario. For this purpose, the specific multi-layer human body model was developed using the “Federal Communication Commission” guidelines to assign the dielectric properties of each tissue and to satisfy all safety regulations. Simulated results include the shifting of resonance frequency, affected radiation patterns, radiation field above the body, efficiency and SAR measurements. In addition, antenna-body-separation distance and weather effects are also investigated. Presented results are then analyzed in terms of pros and cons of the two fiber antenna designs, especially in on-body scenario, as special attention is given to the robustness and immunity against the vicinity of human body.

L'activité de recherche scientifique effectuée dans le cadre de mon doctorat de sciences s'est déroulée dans le secteur de la conception de circuits intégrés radiofréquences pour des systèmes ultra-wideband (UWB) et aux ondes millimétriques, et s'est articulée comme suit: (i) circuits intégrés radiofréquences pour émetteur-récepteurbasse puissance pour réseaux locaux wireless; (ii) radar UWB complètement intégré pour la surveillance cardio-pulmonaire en technologie 90nm CMOS; (iii) amplificateurs faible bruit (LNA) à 60 GHz en technologie standard 65nm CMOS. / The research activity carried out during this PhD consists on the design of radio- frequency integrated circuits, for ultra-wideband (UWB) and millimeter-wave sys- tems, and covers the following topics: (i) radio-frequency integrated circuits for low-power transceivers for wireless local networks; (ii) fully integrated UWB radar for cardio-pulmonary monitoring in 90nm CMOS technology; (iii) 60-GHz low noise amplifer (LNA) in 65nm CMOS technology.

En IRM haute résolution du petit animal, un rapport signal sur bruit (RSB) convenable demande habituellement l'utilisation d'un champ magnétique statique beaucoup plus élevé, (jusqu'à 20 T) que pour les applications cliniques quotidiennes (1,5 et 3 T). Une alternative est offerte avec le développement récent d’antennes miniatures en matériau supraconducteur à haute température critique (HTS). Cependant de nombreux problèmes liés à ce type d'antennes subsistent et limitent leur diffusion à grande échelle. Le présent manuscrit présente le développement théorique et expérimental d'une antenne de surface HTS de très petite dimension destinée à l’imagerie du cerveau de souris in vivo à 4,7 T.La première partie traite de la modélisation électromagnétique 3D, à l’aide d’un logiciel commercial (CST-Microwave Studio), de structures monolithiques auto-résonantes adaptées à l'obtention de facteurs de qualité extrêmement élevés (105). Le modèle numérique permet, par rapport à un modèle analytique approché, une meilleure prise en compte de la complexité géométrique de l’antenne et de son environnement cryogénique proche, dont les effets sur les caractéristiques radiofréquences de l’antenne sont considérables.Une deuxième partie présente l'étude des effets du champ statique (de 0 à 4,7 T) et de la température (de 65 à 83 K) sur les caractéristiques électriques d’une antenne HTS, dans le domaine de fréquences de l'IRM pour lequel les propriétés des supraconducteurs ont été peu étudiées jusqu'ici. L'étude montre que les effets délétères du champ sur la sensibilité de l’antenne sont partiellement compensés par une diminution modérée de sa température de fonctionnement. Cette diminution est accessible avec un dispositif original de contrôle de température qui évite de faire appel à un système cryogénique complexe limitant le domaine d’application des antennes HTS.La troisième partie présente les résultats obtenus en imagerie à 4,7 T avec une antenne de surface en matériau HTS dont la taille (diamètre de 6 mm) a été optimisée pour obtenir les meilleures performances en RSB, en vue d'une intégration dans un réseau de 4 antennes. Un RSB 4,5 fois supérieur à celui obtenu avec une antenne en cuivre de même géométrie a été démontré sur fantôme. Ce travail aboutit à la réalisation de la première image de cerveau de souris in-vivo à une valeur de champ supérieure à 3 T avec une antenne HTS. La mise en réseau d'antennes de ce type devrait permettre de couvrir le cerveau de souris complet en imagerie très haute résolution à 4,7 T, avec un RSB comparable à celui qui est accessible aujourd'hui à la limite supérieure de champ magnétique. / High resolution magnetic resonance imaging (MRI) of small animals requires generally higher static magnetic field (up to 20 T) than those used for clinical applications (1,5 and 3 T) in order to reach a satisfactory signal to noise ratio (SNR). An alternative can be the use of miniature surface coils made of high temperature superconducting (HTS) material. However, several issues remain with such coils and limit their use at a large scale. In this work we present the theoretical and experimental development of a miniature HTS surface coil dedicated to mouse brain imaging at 4.7 T.The first chapter presents 3D electromagnetic simulations to design monolithic self-resonant structures with very high quality factors (≈105) using a commercial software (CST-Microwave Studio). In contrast to an analytical model, a numerical model allows to handle the complex geometry of the coil and its cryogenic environment, which may influence notably the radiofrequency characteristics of the coil.The second chapter presents a study of the coupled effects of the static magnetic field B0 (from 0 to 4,7 T) and temperature (from 66 to 80 K) on the electrical properties of a HTS coil in the frequency range involved in MRI, for which HTS properties have been poorly studied. This study shows that deleterious effects of B0 on coil sensitivity can be partially compensated by a moderate decrease of its working temperature. An original cryogenic system was designed to enable temperature regulation avoiding the use of more complex systems that limit the use of HTS coils for MRI experiments.The third chapter presents MRI results obtained at 4.7 T using a small HTS surface coil. The 6 mm coil has been optimized for best SNR performances and in order to be integrated in a 4-element coil array in a future refinement. A 4.5 fold SNR enhancement as compared to the one achieved using a copper coil with the same geometry was demonstrated. This work provides the first in-vivo imaging of a mouse brain using a HTS coil at a B0 value higher than 3 T. Arrays made of such coils will allow to perform very high resolution imaging of the complete mouse brain at 4.7 T with SNR values that are comparable to those achieved at the highest B0 fields accessible today.

Ce mémoire de thèse s'intéresse aux problèmes posés par l'intégration dans les technologies silicium des synthétiseurs de fréquence dans la gamme 1-5 GHz. Il est montré que l'intégration des architectures classiques n'est pas envisageable car la consommation excessive et le bruit de phase obtenus sont incompatibles avec les spécifications des applications radiofréquences modernes. Dans ce mémoire, un oscillateur original capable de se verrouiller sur l'harmonique d'un signal d'entrée basse fréquence appelé Oscillateur Synchrone (OS) est présenté. Une étude théorique permettant de prévoir la plage de synchronisation de l'OS est proposée rendant ainsi possible une conception optimisée. D'autre part elle confirme les propriétés attendues des OS, en particulier la recopie du bruit de phase du signal de synchronisation, au facteur de multiplication près. Deux prototypes d'OS, intégrés dans une technologie BiCMOS 0,8 μm, sont décrits. Le premier oscille aux alentours de 2,4 GHz et est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 400 MHz.. Sa plage de synchronisation de 12 MHz . Le deuxième prototype est une version optimisée, à partir de la théorie développée, oscillant aux alentours de 2 GHz. Il est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 330 MHz. Sa plage de synchronisation est de 112 MHz environ permettant de couvrir la plage de réception ou d'émission de l'application UMTS2000. Ces deux prototypes confirment les avantages de l'OS dans une architecture de synthétiseur à boucle double par le report des contraintes de bruit de phase sur la boucle basse fréquence et par sa consommation bien moins élevée qu'une boucle à verrouillage de phase fonctionnant à la même fréquence. Un dernier prototype implanté dans la technologie CMOS 0,25 μm de STMicroelectronics est ensuite décrit. Cet OS oscille à 5,2 GHz et présente une plage de synchronisation de 160 MHz lorsqu'un signal à 900 MHz est appliqué sur son entrée (6ème sous harmonique).

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur la caractérisation et l'analyse des mécanismes de défaillances qui apparaissent dans une nouvelle famille de composants microondes : les MEMS-RF (Systèmes Micro-Electro-Mécanique RadioFréquence). Si ces composants ont rapidement suscité beaucoup d'espoirs pour résoudre un grand nombre de verrous concernant les nouvelles architectures de communication, il est apparu que la fiabilité de ces composants a énormément ralenti leur développement industriel. De plus, ces micro-commutateurs résultent d'un couplage multi-physique qui a ajouté une forte complexité et une difficulté de compréhension de leur fonctionnement et donc leur fiabilité. Actuellement, de nombreux et intenses efforts sont réalisés par la communauté scientifique (universitaire et industrielle), car ce sujet reste ouvert à de nombreuses questions et problèmes non résolues. Ce document se propose d'apporter une contribution sur ce sujet à la fois sur le plan expérimental, théorique et technologique.

L'objectif de ce travail est d'aborder la conception de réseaux d'adaptation d'impédance accordable (RAA) dans deux contextes bien distincts en radiofréquences : le RAA en faible signal et le RAA en fort signal.Concernant les aspects faible signal, des critères de performance de RAA ont été établis et étudiés. Une nouvelle expression générale de l'efficacité d'un RAA a été développée. Elle permet de prédire le rendement d'un RAA à partir des facteurs de qualité des composants dont on dispose dans une technologie donnée et du rapport de transformation à réaliser. Des abaques de couverture d'impédances en fonction des pertes d'insertion ont été calculés. Ils mettent en évidence les régions de couverture où le RAA apporte une amélioration à la performance du système, pour diverses topologies de RAA.Un démonstrateur sur PCB a été réalisé. Il est constitué de deux RAA, qui assurent l'adaptation simultanée d'un amplificateur de puissance sur une large plage d'impédances, comprises dans un cercle de l'abaque de Smith d'équation VSWR < 5 :1. La zone de couverture a été mesurée et présentée en fonction des pertes d'insertion, qui mettent en évidence les régions où les RAA contribuent à l'amélioration de la performance de l'amplificateur et celles où les pertes d'insertion du RAA n'arrivent pas à compenser le gain du à la réduction des coefficients de réflexion.Dans une seconde partie, la conception de RAA en fort signal a été traitée. L'objectif a été de présenter à la sortie d'un amplificateur de puissance les impédances qui optimisent son efficacité pour chaque puissance de travail. Un démonstrateur en technologie CMOS SOI 130 nm a été conçu et simulé. Il consiste en un amplificateur de puissance pour le standard WCDMA, fonctionnant à 900 MHz, et un RA accordable par des varactors MOS, capable de générer les impédances optimales correspondant à des puissances de sortie comprises entre 20 et 30 dBm. Les résultats ont mis en évidence le bénéfice apporté par l'insertion d'un RA accordable par rapport à un RA fixe.

Dans ce travail, nous avons étudié un système complet d'antennes distribuées par voie optique pour déport de signaux radio suivant le principe de la radio sur fibre. La caractérisation du lien optique servant de base au système radio sur fibre, d'un point de vue composant et système via la transmission de standards radio a d'abord été effectuée. Nous avons montré par une nouvelle technique de caractérisation que l'élément non linéaire de notre chaîne de transmission pouvait se comporter de manière plus linéaire qu'attendue et faiblement impacter les standards radio transmis. Les standards choisis sont à enveloppe constante (GSM) et à enveloppe non constante (WLAN) pour mieux mettre en évidence les non-linéarités de la chaîne de transmission. Il est ainsi montré que les signaux à enveloppe non constante sont les signaux limitants et qu'en leur adjoignant un signal à enveloppe constante à faible puissance, la qualité de leur transmission n'est pas impactée. A partir de ces résultats expérimentaux, un algorithme de calcul de couvertures radio a été développé et appliqué à plusieurs scénarios de couverture intra-bâtiment. Notre étude montre que dans tous les cas, c'est la liaison montante, de l'utilisateur à la station centrale, qui est limitante puisque bien plus impactée par le bruit ajouté par la chaîne de transmission optique. Par suite, nous avons proposé une architecture de déploiement réseau originale de type bus pour laquelle nous montrons que malgré un coût de déploiement faible, il est possible d'atteindre des performances suffisantes pour assurer des couvertures au sein d'un réseau domestique. Enfin, ces résultats de simulation sur architecture bus sont confirmés par la réalisation d'un banc de test de type industriel permettant de confirmer par la mesure les résultats obtenus précédemment. Nous réalisons aussi un circuit radio passif permettant la séparation et recombination de plusieurs signaux (GSM et WLAN étudiés précédemment) de sorte que tous les éléments prouvant la réalisation et les mesures sur le système complet d'antennes distribuées sont à disposition et fonctionnels.

Le récent essor des systèmes de communication sans fil implique le développement de circuits RF performants, à fort taux d’intégration, bas coût, et adaptés à la production de masse. L’intégration monolithique de systèmes RF sur silicium permet de répondre en partie à ces critères. Cependant, le silicium est responsable de pertes dans le substrat dégradant les performances des composants passifs. Pour adresser cette limite, des caissons isolants de silicium poreux peuvent être réalisés au sein du silicium (substrat mixte). Les objectifs de cette thèse sont de montrer la faisabilité de l’intégration monolithique sur substrat mixte et d’étudier son impact sur les performances de circuits RF. Ce manuscrit décrit l’élaboration des substrats mixtes et donne une comparaison des performances de composants passifs intégrés sur silicium poreux et sur substrats standards. Enfin, l’intégration monolithique de circuits RF est menée sur substrat mixte 6’’. La caractérisation de ces démonstrateurs montre une amélioration des performances par rapport au silicium. De plus, la compatibilité du substrat mixte avec un procédé industriel de microélectronique est validée. / The rapid growth of wireless systems involves the development of highly efficient, large-scale, low-cost and radio frequency (RF) systems. Monolithic integration of RF circuits on silicon can enhance the appeal of this technology further. However, in order to fully realize the next generation of system-on-chip on silicon, the losses which results in to degradation in the performances of passive components need to be addressed. This work investigates locally insulating porous silicon regions on silicon substrates, targeting highly efficient passive components. This thesis begins with a detailed description of porous silicon/silicon hybrid substrate fabrication using a novel mask. The influence of the hybrid substrate on fabricated passive device performances was studied and the results were compared to similar devices on conventional silicon substrates. Finally, monolithic integration of passive and active devices was demonstrated on 6” hybrid substrates, with performance improvements when compared with standard silicon. This work has also shown that hybrid substrates can be fully integrated into industrial scale microelectronic processes.

Dans ce travail, nous avons étudié un système complet d'antennes distribuées par voie optique pour déport de signaux radio suivant le principe de la radio sur fibre. La caractérisation du lien optique servant de base au système radio sur fibre, d'un point de vue composant et système via la transmission de standards radio a d'abord été effectuée. Nous avons montré par une nouvelle technique de caractérisation que l'élément non linéaire de notre chaîne de transmission pouvait se comporter de manière plus linéaire qu'attendue et faiblement impacter les standards radio transmis. Les standards choisis sont à enveloppe constante (GSM) et à enveloppe non constante (WLAN) pour mieux mettre en évidence les non-linéarités de la chaîne de transmission. Il est ainsi montré que les signaux à enveloppe non constante sont les signaux limitants et qu'en leur adjoignant un signal à enveloppe constante à faible puissance, la qualité de leur transmission n'est pas impactée. A partir de ces résultats expérimentaux, un algorithme de calcul de couvertures radio a été développé et appliqué à plusieurs scénarios de couverture intra-bâtiment. Notre étude montre que dans tous les cas, c'est la liaison montante, de l'utilisateur à la station centrale, qui est limitante puisque bien plus impactée par le bruit ajouté par la chaîne de transmission optique. Par suite, nous avons proposé une architecture de déploiement réseau originale de type bus pour laquelle nous montrons que malgré un coût de déploiement faible, il est possible d'atteindre des performances suffisantes pour assurer des couvertures au sein d'un réseau domestique. Enfin, ces résultats de simulation sur architecture bus sont confirmés par la réalisation d'un banc de test de type industriel permettant de confirmer par la mesure les résultats obtenus précédemment. Nous réalisons aussi un circuit radio passif permettant la séparation et recombination de plusieurs signaux (GSM et WLAN étudiés précédemment) de sorte que tous les éléments prouvant la réalisation et les mesures sur le système complet d'antennes distribuées sont à disposition et fonctionnels. / In this manuscript, we study a complete distributed antenna system through optical ways, to extend radio signals coverage, thanks to the radio over fiber principle. The optical link characterization is done first as the system basic building block. The characterization is done both through component and system analysis, thanks to different radio standards transmission. We develop a new characterization technique that allows us to confirm that the most non-linear element of the optical link behaves much more linearly than expected so that it has a low effect on transmission quality. Chosen standards are both constant and non-constant envelop to highlight the link non-linearities. This shows that non-constant envelop signals are the limiting signals for our system. This also allows to demonstrate that adding a low power constant envelop signal to a non-constant envelop one does not impact its transmission performance. From these experimental results, we develop an in-building coverage distance calculation algorithm for our system. Those simulations confirm that the uplink, from the user to the central station, is the most limiting section of our system because of the noise quantity added by the optical link. To follow this, we propose a new low-cost bus network in-building topology for our system that proves to be performing as wanted for personal homes. Finally, these bus topology simulation results are confirmed with the production of an industrial type test bench. We also produce a passive radio front-end that permits the separation and recombination of several radio signals (GSM and WLAN as previously studied) so that all the elements proving the production and the results of the complete distributed antenna system through optical ways are available and functional.

Cette thèse porte sur les architectures d’émission pour des terminaux mobiles multi-radio fonctionnant dans la bande de fréquences, 800 MHz - 6 GHz. Avec l’évolution constante des systèmes de communication, les terminaux doivent fonctionner dans plusieurs bandes de fréquences et modes, correspondant à une grande diversité de normes. Le concept d’une architecture multi-radio unique est une évolution de celui de l’émetteur-récepteur multistandard, caractérisé par une mise en parallèle des circuits pour chaque standard. Il permet alors d’optimiser coût et consommation. L’objet de l’étude est de concevoir des architectures d’émission flexibles, à la fois en fréquence et en format de modulation, capables de générer les formes d’ondes de tous les standards en respectant pour chacun le niveau de puissance en sortie et assurant un bon rendement. Ce type d’architectures pourrait, dans l’avenir, être utilisé pour des applications de radio cognitive. L’amplificateur de puissance est l’élément critique dans les émetteurs. Le principe de fonctionnement des amplificateurs impose un compromis entre la linéarité et le rendement en puissance. L’utilisation des amplificateurs en classes commutées permet d’améliorer les performances en rendement mais nécessite de revoir complètement les architectures classiques d’émission. Dans ce contexte, plusieurs architectures qui transforment les signaux avant l’amplificateur et qui peuvent être utilisées pour la multi-radio ont été considérées. Trois, en particulier, ont été analysées et comparées ; à savoir : l’architecture polaire avec codeur d’enveloppe sigma-delta, l’architecture polaire avec codeur d’enveloppe par largeur d’impulsion et l’architecture cartésienne sigma-delta. La validation a été faite sur les signaux les plus critiques en matière de dynamique de puissance et de bande passante, que sont les signaux LTE et WiMAX mobile. En sortie de l’amplificateur, le filtrage d’émission joue un rôle décisif et plusieurs technologies de filtrage sont envisageables. Dans ce cadre, on s’est plus particulièrement intéressé à la technologie BAW (Bulk Acoustic Wave) et un banc de filtres multi-radio a été synthétisé. Cette thèse a donc permis de chiffrer les performances clés d’un émetteur multi-radio à haut rendement en analysant du traitement en bande de base jusqu’au filtrage d’antenne / This research deals with wireless multi-radio transmitter architectures operating in the frequency band of 800 MHz – 6GHz. As a consequence of the constant evolution in the communication systems, the mobile transmitters must be able to operate at different frequency bands and modes according to existing standards specifications. The concept of a unique multi-radio architecture is an evolution of the multi-standard transceiver characterized by a parallelization of circuits for each standard. Multi-radio concept optimizes surface and power consumption. This study concentrates on flexible multi-radio architectures. This kind of architectures could be used in the future for cognitive radio applications. The power amplifier (PA) is the key element in transmitter architectures. Its operating principle establishes a trade-off between power efficiency and linearity. The utilization of a switched mode amplifier allows improving efficiency performances but implies a review of the classical transmitter architectures. Within this context, some architectures transforming the input signal of the PA and that are candidates for multi-radio applications are considered. In particular, three architectures have been analyzed and compared: the polar architecture with sigma-delta envelope modulator, the polar architecture with pulse width modulator and the cartesian sigma delta architecture. Validation is accomplished with the most critical signals in terms of power dynamics and frequency bandwidth; these are the LTE and mobile WiMAX. At the amplifier output, the band-pass filter plays a key role and many filtering technologies could be envisaged. In particular, we are interested in the BAW technology (Bulk Acoustic Wave) and a filter bank has been synthesized. This research has quantified the key performances of a high efficiency multi-radio transmitter by analyzing the system from baseband signal treatment to RF filtering before the antenna