Дисертації з теми "Antennes optiques à réseau de phase"

Pour générer une fonction de synthèse de retards temporels nécessaire aux antennes réseaux large-bandes à balayage électronique, une solution envisagée consiste à associer des matrices de commutation optique avec des fibres de longueurs différentes. Le but de notre étude est la réalisation de matrices de commutation sur InP. Notre travail a été soutenu par la Délégation Générale pour l'Armement en collaboration avec THALES Systèmes Aéroportés. Parmi trois types de commutateurs déjà proposés (TIR, Cascade, DOS), une première étude comparative nous a permis de sélectionner le DOS présentant une consommation inférieure à celle du TIR et une moins forte sensibilité à la technologie que le Cascade. Une étude plus approfondie nous a démontré de bonnes performances en termes de diaphotie, de temps de commutation et de bruit de phase. Enfin, une nouvelle technique opto-microonde basée sur le mélange hétérodyne nous a permis de déterminer les variations d'indice induites par l'injection de porteurs. La réduction des pertes a été notre deuxième objectif: adaptateurs de mode pour améliorer le couplage optique entre guides et fibres, introduction d'une couche tampon non dopée pour réduire les pertes de propagation, suppression de l'InGaAs au profit de l'InGaAsP pour réduire les pertes élevées d'absorption par les électrodes. . . La faisabilité des contacts ohmiques sur quaternaire a été validée. Enfin, nous avons réalisé un certain nombre d'essais pour mener à bien une technologie complète et complexe (7 étapes). Divers composants ont été réalisés: des commutateurs 1x 2 et 1x 4, des matrices 2 x 2 et 4 x 4. Les meilleurs dispositifs ont démontré des diaphoties de 30 dB pour des consommations de l'ordre de 80 mA.

La technologie photonique sur silicium s'appuie sur les procédés matures de fabrication de l'industrie du semi-conducteur pour produire des composants opto-électroniques à échelle industrielle. Les métamatériaux à base de réseaux sub-longueur d'onde permettent de contrôler le confinement du mode et la dispersion, et ont ainsi été implémentés pour démontrer des performances de pointe de composants photoniques intégrés. Les effets de diffraction et de réflexions sont supprimés dans les matériaux sub-longueur d'onde. Leurs dimensions sont petites et sont environ de 100 nm. Jusqu'à présent, la majorité des composants sub-longueur d'onde ont été fabriqués par lithographie électronique. Or, cette technique n'est pas compatible avec une production à large échelle. Aujourd'hui, la lithographie à immersion se déploie dans les fonderies photoniques sur silicium. Elle permet de définir des dimensions aussi petites que 70 nm, avec un modèle de correction d'effets optiques de proximité. Le but principal de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'utilisation de la lithographie à immersion avec la correction d'effets optiques de proximité pour la fabrication de composants photoniques sub-longueur d'onde de pointe. Ces composants ont été développés sur des plaques de 300 mm de diamètre au CEA-Leti. Trois composants ont été étudiés, chacun avec une spécificité technologique : i) un diviseur de puissance avec une seule étape de gravure complète, ii) un réseau de couplage puce-fibre alternant des gravures partielles et complètes, et iii) une matrice d'antennes optiques, couvrant une large surface, avec une étape de gravure partielle. Le diviseur de puissance est constitué d'un coupleur par interférométrie multi-mode (MMI) avec des réseaux sub longueur d'onde pour contrôler la dispersion des modes optiques et ainsi pour obtenirune très large bande passante spectrale, qui a été mesurée expérimentalement à 350 nm, et qui en bon accord avec les simulations. La bande passante d'un MMI conventionnel sans structures sub longueur d'onde n'est que de 100 nm environ. Le réseau de couplage puce-fibre s'appuie sur une géométrie en forme de « L », avec des structures sub-longueur d'onde gravés partiellement et complètement, pour augmenter l'efficacité de couplage. Celle-ci a été mesurée à -1.70 dB (68 %) à une longueur d'onde de 1550 nm et représente la meilleure performance pour une telle structure complexe, utilisant une technologie autre que la lithographie électronique. Néanmoins, la valeur mesurée est inférieure à la valeur simulée de 0.80 dB (83 %). Une des raisons principales de cette performance limitée est la sensibilité de cette structure aux erreurs d'alignement entre les deux étapes de gravure pendant la fabrication. L'antenne optique est constituée de structures sub longueur d'onde partiellement gravées pour obtenir une grande surface d'émission de 48 µm×48 µm, réduisant ainsi la divergence du faisceau. Cette antenne a été implémentée comme antenne unitaire dans une matrice 4×4 à réseau phasé avec un pas de 90 µm×90 µm. A une longueur d'onde de 1550 nm, le faisceau émis par l'antenne unitaire a une divergence à mi-hauteur mesurée de 1.40° et celui émis par la matrice d'antennes a une divergence à mi hauteur de 0.25°. Ces valeurs sont en accord avec les valeurs simulées. Ces résultats servent comme preuve de concept de l'implémentation d'une telle antenne dans une matrice à réseau phasé. En résumé, les résultats de cette thèse illustrent le grand potentiel de la lithographie à immersion avec la correction d'effets optiques de proximité pour la fabrication de composants photoniques sub- longueur d'onde, ouvrant ainsi la voie pour la commercialisation de ces derniers
Silicon photonics technology leverages the mature fabrication processes of the semi-conductor industry for the large volume production of opto-electronic devices. Subwavelength grating (SWG) metamaterials enable advanced engineering of mode confinement and dispersion, that have been used to demonstrate state-of-the-art performance of integrated photonic devices. SWGs generally require minimum feature sizes as small as a 100 nm to suppress reflection and diffraction effects. Hitherto, most reported SWG-based devices have been fabricated using electron-beam lithography. However, this technique is not compatible with large volume fabrication, hampering the commercial adoption of SWG-based photonic devices. Currently, immersion lithography is being deployed in silicon photonic foundries, enabling the patterning of features of 70 nm, when used in conjunction with optical proximity correction (OPC) models. The main goal of this PhD is to study the feasibility of immersion lithography and OPC for the realization of high-performance SWG devices. The SWG devices developed here have been fabricated using the OPC models and 300 mm SOI wafer technology at CEA-Leti. Three devices have been considered as case studies, each with a specific technological challenge: i) a power splitter requiring a single full etch step, ii) a fiber-chip grating coupler interleaving full and shallow etch steps, and iii) an optical antenna array covering a large surface area with a shallow etch step. The power splitter is implemented using a SWG-engineered multi-mode interferometer (MMI) coupler. The SWG is used to control the dispersion of the optical modes to achieve an ultrawide operating spectral bandwidth. This device experimentally showed state-of-the-art bandwidth of 350 nm, in good agreement with simulations. Note that the bandwidth of a conventional MMI without SWG is around 100 nm. The fiber-chip coupler relies on an L-shaped geometry with SWG in full and shallow etch steps to maximize the field radiated towards the fiber. The measured coupling efficiency, of - 1.70 dB (68 %) at a wavelength of 1550 nm, is the highest value reported for an L-shaped coupler fabricated without electron-beam lithography. Still, this value differs from the calculated efficiency of 0.80 dB (83 %), and compares to experimental values achieved with fiber-chip grating couplers without SWG (~ -1.50 dB). One of the main reasons for the limited experimental performance is the strong sensitivity of the structure to errors in the alignment between the full and shallow etch steps. The optical antenna uses shallowly etched SWG teeth to minimize the grating strength, allowing the implementation of a large area emission aperture, of 48 × 48 µm, which is required to minimize the beam divergence. A two-dimensional (2D) optical phased array (OPA) with an antenna pitch of 90 µm × 90 µm, comprising 16 antennas was designed and fabricated. The SWG-based unitary antenna has a measured full width at half maximum divergence of 1.40° at a wavelength of 1550 nm, while the beam emitted from the phased array has a divergence of 0.25°, both in very good agreement with expected values. These results serve as a good proof-of-concept demonstration of this novel antenna architecture. In summary, the results shown in this PhD illustrate the great potential of immersion lithography and OPC for harnessing SWG-engineering, paving the way for their commercial adoption. Devices with full or shallow etch steps exhibited excellent performance close to that predicted by simulations. The fiber-chip grating couplers deviated from expected results, probably due to the tight fabrication tolerances associated with the combination of full and shallow etch steps

Les radars HFSWR sont des radars transhorizon travaillant dans la bande 3-30MHz. La propagation de leur onde de surface le long de la courbure terrestre permet la détection ou l’observation de phénomènes au delà de 200 km. La détection de cibles et la propagation des ondes HF sur la mer nécessitent un réseau de réception côtier de grande dimension, rendant son déploiement difficile. La solution présentée dans ce manuscrit consiste à placer le réseau sur des bouées en mer. Cependant, sa déformation due aux mouvements de la mer génère des perturbations qui se traduisent notamment par une dégradation du diagramme de rayonnement. Les travaux de cette thèse s’inscrivant dans un contexte de réductions de ces problèmes, leur objectif majeur consiste à élaborer des méthodes rapides pour les compenser. Pour finir, une antenne flottante a été construite et mesurée pour quantifier les perturbations générées sur le signal reçu
HFSWR are over-the-horizon radars working in the HF band 3-30 MHz. The propagation of the surface wave with the Earth curvature allows the detection or the observation of phenomena belong 200 km. The target detection and the wave propagation on the sea require a large receiving array near the sea, making it difficult to deploy. The solution investigated is to put the array on buoys on the sea. However, its deformation due to the sea surface movements generates disturbances in the radiation pattern. In order to reduce these disturbances, the main goal of the thesis is to find fast method to compensate for them. Finally, a floating antenna has been built and measured, to quantify the disturbances generated by sea surface movements in the received signal

Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation de systèmes antennaires reconfigurables optiquement dans le domaine des ondes millimétriques avec l’intégration de matériaux à changement de phase (PCM). Le principe d’agilité repose sur les changements de résistivité des PCM qui ont la propriété de passer d’un état isolant (amorphe) à un état conducteur (cristallin) de manière réversible, répétitive et non-volatile (bistable) par l’application de stimuli externes de nature thermique, électrique ou optique. L’activation optique des PCM, en plus d’assurer des vitesses de commutation élevées, permet de s’affranchir des lignes de polarisation (commandes électriques) qui augmentent la complexité des dispositifs et introduisent des rayonnements parasites qui deviennent contraignants au sein d’une antenne. Nous avons conçu et étudié plusieurs antennes reconfigurables en fréquence et en polarisation opérant autour de 30 GHz intégrant le GeTe comme élément agile. Ainsi, nous proposons des solutions alternatives aux technologies de commutation classiques pour des fonctions de reconfigurabilité
This thesis address the design and realization of optically reconfigurable antenna systems in the millimeter wave domain integrating phase change materials (PCM). The principle of agility is based on the changes in resistivity of PCM, which have the property of changing from an insulating (amorphous) to a conductive (crystalline) state in a reversible, repetitive and non-volatile (bistable) manner by the application of a thermal, electrical or optical external stimuli. We have designed and studied several frequency and polarization reconfigurable antennas operating around 30 GHz integrating GeTe as an agile element. Thus, we propose alternative solutions to conventional switching technologies for reconfigurability functions

L’objectif de cette thèse est de concevoir un réseau réflecteur à dépointage électronique à 20 GHz pour des applications de communication avec des drones (Unmanned Aerial System). Le principe de fonctionnement des réseaux réflecteurs est similaire à celui d’une antenne parabolique. La principale différence concerne la forme du réflecteur. En effet les panneaux des réseaux réflecteurs sont plans contrairement à la parabole. Le panneau réflecteur se compose de cellules élémentaires qui sont utilisées pour contrôler la phase réfléchie de l’onde d’incidente. Le contrôle de la phase au niveau de la cellule élémentaire nous permet de focaliser le diagramme de rayonnement dans la direction souhaitée. Dans cette thèse, la solution retenue est l’utilisation de diodes PIN. Cette dernière a fait l’objet de nombreuses études que ce soit au niveau laboratoire mais également industriel et possède des atouts intéressant en terme de performance et de coût. L'étude montre que d'avoir un niveau de correction élevée ne garantit pas la meilleure performance parce qu'il faut aussi considérer les pertes dans l'élément actif lui-même (dans notre cas, il s’agit des pertes dans les diodes PIN). Dans l’avenir, il serait nécessaire de modifier la position de la diode afin de rendre la fabrication plus aisée. Dans ce cas il faudra retravailler sur les lignes de polarisation et aussi les géométries du stub et des vias. Il sera peut-être nécessaire de déplacer la diode à l'extérieur du substrat en face l'arrière de la cellule par exemple. Quand les réseaux réflecteurs seront fabriqués, ils pourront être directement testés avec le contrôleur de diode fabriqué
The objective of this project is to design and fabricate a reconfigurable reflectarray with beam scanning capability at 20 GHz for unmanned aerial system (UAS) communication link. Reflectarray is a type of antenna that shares similar functionality to parabolic reflector antenna. The main difference is the physical and geometry appearance of the antenna where reflectarray has flat reflecting panel instead of parabolic reflector. The reflecting panel consists of elementary cell, which is used to control the reflected phase of the incident wave. By controlling the reflected phase on each elementary cell, the radiation pattern of the antenna can be focused to any desired direction. PIN diode technology is chosen as the preferred solution in the context of this project because it is already proven working in the industry and research fields. In house reflectarray simulator has been developed from the simulation, having high correction order will not necessarily improve the performance because the loss inside in active element must also be considered. In the short-term period, the modification on the elementary cell diode polarization line will enable the reflectarray to be fabricated and measured because the current design cannot be fabricated by the manufacturer contrary to their first statement due to position of the diode in the middle of substrates. The modification requires the p-i-n diode to be moved at the backside of the elementary cell and some geometry adjustments are needed for the phase delay line and the via. Once the reflectarray is fabricated, it can be tested directly with the diode controller that is already validated and shown to be working well

Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous présentons une nouvelle méthodologie de modélisation qui consiste à déterminer un modèle comportemental équivalent d'une antenne. Cette méthode se base sur la connaissance du champ proche sur une sphère de mesure, pour définir une constellation de dipôles infinitésimaux qui reproduisent avec précision le rayonnement de l'antenne aussi bien en champ proche qu'en champ lointain. Ces dipôles sont placés sur la sphère minimum qui entoure l'antenne ou éventuellement sur la surface même de la structure à modeliser. Le principe de cette méthode de modélisation consiste à réécrire l'expansion modale du champ rayonné par l'antenne en termes de dipôles infinitésimaux. Cette réécriture est établie par l'intermédiaire d'une matrice de passage qui exprime les relations linéaires entre les coefficients de transmission de chaque dipôle. L'information a priori de l'antenne peu-être utilisée pour définir la répartition spatiale des dipôles équivalents et les propriétés de translation et de rotation de chaque dipôle que comporte le modèle. Une fois l'excitation de chaque dipôle est connue, le modèle équivalent peu-être exploité pour simuler le comportement à l'antenne dans divers environnements. Cette méthode de modélisation a été validé avec des données issues de la simulation de plusieurs antennes afin d'illustrer la fiabilité et la précision de la méthode
In our studies we present a new and accurate method to derive an antenna equivalent behavioral model. This method is based on pherical near-field data (measured or computed) to ascertain an equivalent set of infinitesimal dipoles which reproduce the same antenna radiation field, both in the near field and in the far field regions. These are paced over the minimum sphere surrounding the antenna or eventually placed over the main antenna radiating sources. A spherical wave expansion of the near field data is written in terms of infinitesimal dipoles using a transition matrix. This matrix expresses the linear relations between the transmission coefficients of the antenna and the transmission matrix of each dipole. The antenna a priori information can be used to set the spatial distribution of the equivalent dipoles. The translational and rotational addition theorems are used to derive the transmission coefficieints of the dipoles. Once the excitation of each dipole is known, the equivalent model can emulate the antenna behaviour in various environments. Computations with EM simulation data of various antennas illustrate the reliability and the accuracy of the method

Nous avons fait une etude theorique de certaines proprietes du reseau kondo dans sa phase paramagnetique, utilisant un modele incorporant des correlations antiferromagnetiques a courte portee. Nous nous sommes limites au cas de la bande de conduction a moitie pleine et avons utilise une methode de champ moyen. Les resultats obtenus sont les suivants : _ on montre qu'il est possible d'obtenir des solutions metalliques pour une bande de conduction a moitie pleine en modifiant la structure de bande, ceci nous amene a definir une temperature de transition isolant-metal qui est comparee aux temperatures kondo et de coherence. _ nous recherchons ensuite des phases magnetiquement ordonnees par deux methodes : introduction d'un moment magnetique sur chaque site comme parametre de champ moyen et etude de la susceptibilite statique en rpa. Nous obtenons ainsi des phases purement kondo ou purement magnetiques, mais nous n'avons pas trouve de phase mixte kondo-magnetique. _ les fluctuations des parametres kondo et magnetique sont ensuite traitees dans le cadre de l'approximation rpa. Ceci permet de calculer leur contribution a la chaleur specifique. Un comportement de fermion lourd est mis en evidence pour certaines valeurs des constantes de couplage. Au voisinage de la transition isolant-metal, un comportement de non liquide de fermi est obtenu.

Récemment, beaucoup d'efforts ont été investis afin de développer des sources laser à plusieurs longueurs d'onde accordables indépendamment. Ces lasers sont utiles aux systèmes exploitant le multiplexage en longueur d'onde pour les communications ou l'interrogation de capteurs. Ainsi, ce travail porte sur l'analyse d'un filtre optique composé de sauts de phase distribués sur un réseau de Bragg à pas variable (DPS-CFBG) pouvant être intégré dans des lasers à fibre en anneau. L'avantage de ce filtre provient du fait que les sauts de phase génèrent des pics de résonance aisément accordables ce qui permet d'ajuster les longueurs d'onde émises. Ce mémoire présente aussi des résultats expérimentaux reliés à deux applications différentes de ce type de sources. La première étape dans la modélisation du DPS-CFBG fut de mesurer avec précision le profil de température introduit dans le réseau par un fil chauffant. Par la suite, en plus de l'approche usuelle d'analyse de réseau de Bragg (méthode matricielle pour la solution des équations des modes couplés), nous avons étudié cette structure à l'aide d'approches analytiques, ce qui a permis de mettre en évidence la présence de cavités résonantes Fabry-Perot. Grâce à cette analyse, la notion de saut de phase, généralement introduite de façon intuitive dans la littérature, devient un paramètre parfaitement défini. D en va de même pour le concept de réflectivité des miroirs de cette cavité. Avec ces deux paramètres, nous sommes en mesure d'obtenir une fonction analytique approchée du spectre qui donne davantage d'informations sur la réponse spectrale du filtre en fonction des paramètres du réseau et du profil thermique. Ce mémoire démontre également l'utilisation de ce filtre pour la génération d'un signal électrique à haute fréquence. Pour ce faire, deux harmoniques d'un signal laser modulé en phase ont été sélectionnées à l'aide du DPS-CFBG. Ces deux lignes laser corrélées ont généré, par battement sur un photo-détecteur, un signal de fréquence accordable de 35 à 50 GHz. La limite en fréquence de ce générateur d'onde millimétrique accordable provient de la bande passante du photo-détecteur et la performance en bruit de phase est très proche de la limite théorique d'un multiplicateur de fréquence électronique. Nous discutons aussi de l'utilisation d'un DPS-CFBG dans une cavité laser en anneau avec un amplificateur en semi-conducteur afin de générer un signal laser multi-longueur d'onde reconfigurable avec un espacement spectral aussi faible que 25 GHz.

Cette thèse, menée en partenariat avec le CNES et la DGA s’inscrit dans un contexte international très actif sur les réseaux réflecteurs ou reflectarrays. Un reflectarray est constitué d’une source primaire placée au-dessus d’un réseau de cellules contrôlant les propriétés du champ réfléchi. Une reconfiguration du diagramme de rayonnement peut être réalisée de manière électronique en introduisant des éléments actifs dans chacune des cellules. Dans ce contexte, le travail réalisé a consisté à étudier une nouvelle topologie de cellule permettant de réfléchir indépendamment deux ondes incidentes, en polarisations circulaires gauche et droite, en bande X. Cette cellule, basée sur la superposition d’une cellule sélective en polarisation et d’une cellule simple polarisation, est conçue de façon à être compatible avec une reconfiguration électronique à l’aide de commutateurs. Après un important travail de simulation électromagnétique, une première validation expérimentale, menée à l’échelle de la cellule unitaire, a mis en évidence de très bonnes performances dans les deux polarisations (pertes inférieures à 1dB, déphasage atteignant 2 bits de résolution). A cette occasion, un banc de caractérisation spécifique a été développé. Une étude de faisabilité de la cellule reconfigurable a également été menée afin d’identifier les technologies de commutateur les plus pertinentes et de quantifier les perturbations apportées par la circuiterie de commande. Finalement, un démonstrateur de réseau à états figés a été réalisé et mesuré. Constitué de 97 cellules, il a permis de démontrer les potentialités de la structure développée, pour une application spatiale réaliste : dépointage jusqu’à 26°, bande passante de 800 MHz en bande X, réjection de polarisation croisée>20dB correspondant à une pureté de polarisation circulaire satisfaisante (TE<2dB). Il s’agit de la première antenne à réseau réflecteur qui permette de gérer indépendamment et simultanément les deux orientations de la polarisation circulaire à la même fréquence tout en offrant des capacités de reconfigurabilité
This thesis done in partnership with the French Space Agency (CNES) and the French Defense Agency (DGA) is placed in a very active international context on reflectarrays antennas. A reflectarray consists of a primary source located above microstrip elements on a grounded substrate. The microstrip elements are designed to reradiate the incident wave. A reconfiguration of the radiation pattern can be electronically achieved by introducing switches in each element. In this context, for space applications in X-band, the objective of this thesis is to propose a dual-circular polarization (CP) unit-cell able to separate at the same frequency, the two incident circular polarizations. This unit-cell, made of two layers with reconfigurable capabilities, is based on a circular polarization selective surface (CPSS) and on a single polarization cell. After intensive electromagnetic simulations, the unit-cell in dual-circular polarization with reconfigurable capabilities has been experimentally validated using a specific waveguide measurement. In fact, the unitcell reflects independently and simultaneously the two incidents circular polarizations for a phase resolution around 2 bits in LHCP and in RHCP. A feasibility study of the reconfigurable cell was also carried out to identify the most relevant technologies. Then, a reflectarray in X-band has been designed, fabricated and measured. Made up of 97 cells, it has demonstrated the potentialities of the structure for a realistic space application: scan angle up to 26 °, bandwidth of 800MHz in X-band, cross-polarization rejection>20dB and good polarization purity (AR<2dB). This is the first time that a dual circular polarization reflectarray with reconfigurable capabilities has been validated with the unique capability to reflect independently and simultaneously the two incident circular polarization at the same frequency

Le travail présenté dans ce mémoire traite de l’étude comportementale, de la conception et de la validation d’une nouvelle architecture, basée sur le couplage d’O.C.T différentiels, appliquée à la commande électronique de l’orientation du diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes linéaire. Après avoir optimisé la structure de l’O.C.T différentiel, qui constitue le corps du circuit de commande, selon une méthode graphique qui visualise les différentes contraintes imposées par le système afin de minimiser son bruit de phase et sa consommation, l’O.C.T à sorties différentielles a été réalisé en technologie NXP BiCMOS SiGe 0,25 μm puis mesuré en boîtier. Etant donné que la direction de rayonnement d’une antenne réseau dépend de la valeur du déphasage imposé entre les signaux envoyés sur deux antennes adjacentes, les équations théoriques modélisant deux O.C.T couplés et permettant d’extraire les amplitudes et le déphasage entre les différents signaux ont été décrites. La dernière étape a alors consisté en la réalisation de deux réseaux constitués respectivement de deux et de quatre O.C.T couplés au moyen d’une résistance puis d’un transistor MOS fonctionnant en zone ohmique. L’approche de couplage proposée a été validée en se basant sur les résultats de mesures effectués. De plus, l’impact de l’utilisation de structures différentielles sur la plage de déphasage obtenue et donc sur le dépointage réalisé a également été présenté ce qui nous a permis de conclure sur l’efficacité du circuit de commande proposé
The work presented in this thesis deals with the study, design, and validation of a new architecture based on the coupling of differential voltage controlled oscillators (VCO) applied to the beamsteering of a linear antenna array. After optimizing the differential VCO structure, with a graphical optimization approach while satisfying design constraints imposed, in order to minimize the phase noise and power consumption, the differential VCO was realized in NXP BiCMOS SiGe 0.25 µm process and then measured. Since the radiation direction of an antenna array depends on the phase difference imposed between the two signals on adjacent antennas, the theoretical equations modeling two coupled VCOs, and allowing the extraction of the amplitude and phase difference between the outputs signals have been presented. The last step was the realization of two arrays consisting respectively of two and four VCOs coupled through a resistor and a MOS transistor operating in the triode region. The proposed coupling approach is validated based on the obtained measurement results. Furthermore, the impact of the use of differential structures on the phase shift range obtained and thus on the beam-scanning range achieved was also presented allowing to conclude on the efficiency of the proposed architecture

Pour des applications liées à la métrologie temps-fréquence comme pour les mesures de physique fondamentale, l'utilisation d'oscillateurs bas bruit et de haute stabilité est essentielle. La mise en oeuvre et le coût d'exploitation de tels oscillateurs sont tels qu'ils restent inaccessibles pour la plupart des utilisateurs. Actuellement, les comparaisons d'horloges à distance sont effectuées soit par GPS, soit par satellite de télécommunications. Les comparaisons sont limitées en stabilité relative à quelques 10-15 sur la journée, donc insuffisantes pour les performances ultimes des étalons atomiques micro-ondes et a fortiori pour les horloges optiques. Profitant de la redondance du réseau fibré de télécommunication métropolitain, nous avons développé un dispositif de dissémination de références de fréquence par fibres optiques. Ce dispositif est complété par un système actif électronique permettant la compensation du bruit de phase ajoutées lors du transfert sur fibre (vibrations mécaniques, fluctuations thermiques. . . ). Ainsi, nous avons démontré la possibilité de transférer un signal de référence à 1 GHz, par modulation d'amplitude d'une porteuse optique à 1,55 microns, avec des instabilités relatives de fréquence de 2 à 3x10-15 pour une seconde de temps d'intégration et quelques 10-18 sur la journée, sur 86 km (quelques 10-14 sur environ 200 km). Il est alors possible de comparer des fontaines atomiques de performances égales à celle du SYRTE sur quelques centaines de kilomètres. Une méthode "tout optique" a pour but de transférer directement une référence optique sur des distances de 1000 km pour la comparaison d'horloges optiques et constituer un réseau européen.

Nous avons mis au point une nouvelle technique experimentale d'etude de la relaxation magnetique dans les semi-conducteurs magnetiques dilues. C'est une methode optique du type experience pompe-sonde utilisant des impulsions laser pour perturber et sonder, avec un retard variable, les modifications des proprietes optiques (dans notre cas il s'agit de luminescence, de reflectivite et de photoreflectance transitoires) induites par l'impulsion pompe. La resolution temporelle est limitee uniquement par le temps de montee des impulsions laser utilisees (dans notre cas 10 a 20 ns). Cette technique permet d'etudier l'influence eventuelle des porteurs photocrees sur la relaxation. Nous avons montre que cette technique permet de suivre l'evolution temporelle de temperature de spin du systeme paramagnetique a champ non nul et pour la premiere fois a champ magnetique nul. Nous avons montre que le couplage entre les porteurs photocrees et le systeme magnetique se fait via le reseau. En photoreflectance, nous avons montre dans le cas des cd#1#-#xmn#xte massifs qu'il existe des nouveaux mecanismes de modulation d'origine magnetique (modulations de shift paramagnetique et de splitting zeeman). Ces mecanismes dependent d'un champ magnetique exterieur et donnent lieu a une inversion de la phase du signal de la photoreflectance quand on augmente le champ magnetique pour la transition fondamentale en o#+. Nous avons mis en evidence dans des couches minces de cd#1#-#xmn#xte un nouveau mecanisme de modulation responsable du signal de photoreflectance du aux effets d'interferences. Il s'agit de la modulation de l'epaisseur optique de la couche mince. Ceci doit permettre d'etudier la contribution magnetique a l'energie du gap et a montre l'existence d'une modulation de la force d'oscillateur des transitions optiques. Nous avons interprete cette modulation comme etant due a une renormalisation de la masse effective de porteurs induite par les fluctuations magnetiques. L'etude de la dependance spectrale de la photoreflectance transitoire en fonction de la densite d'excitation permet de retrouver une variation en temperature de la resistance de kapitza de l'interface helium-semiconducteur. Elle est compatible avec celle obtenue de la luminescence en continu. Ceci en accord avec le modele du desaccord acoustique.

Ce travail porte sur l'étude, la caractérisation et activation optique de couches minces de matériaux à changement de phase (PCM) pour leur intégration dans des dispositifs reconfigurables haute fréquence, notamment des systèmes antennaires. Le principe de reconfiguration est obtenu en exploitant le contraste élevé de résistivité des PCMs entre son état amorphe (forte résistivité) et son état cristallin (faible résistivité). Ce changement d'état est non volatil et réversible et est obtenu par une courte impulsion laser. Les propriétés électromagnétiques du PCM ont également été caractérisées dans la bande des fréquences d'ondes millimétriques (environ 30 GHz) et utilisées pour la conception et la simulation précise d'un réseau d'antennes multi-reconfigurables (en état de polarisation et en fréquence de fonctionnement) fonctionnant à des fréquences autour de 30 GHz
This work focuses on the study, characterization and optical activation of thin films of phase change materials (PCM) for their integration in high-frequency reconfigurable devices, in particular antenna systems. The principle of reconfiguration is achieved by exploiting the high contrast in resistivity of PCMs between its amorphous state (high resistivity) and crystalline state (low resistivity). This change of state is non-volatile and reversible and is achieved by a short laser pulse. The electromagnetic properties of PCMs were also characterized in the millimeter-wave band frequency (around 30 GHz) and used for the design and accurate simulation of a multi-reconfigurable (in polarization state and operational frequency) array of antennas working at frequencies around 30 GHz

Le projet Iseult-Inumac mené au sein d'un consortium franco-allemand vise à développer les techniques associées à l'imagerie par résonance magnétique à ultra haut champ, notamment à travers la construction d'un imageur à 11,7 teslas. La résolution accrue du nouvel imageur devrait apporter une meilleure compréhension du système nerveux et de ses dysfonctionnements pour aboutir à un dépistage plus précoce des pathologies telles que la maladie d'Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux ou les tumeurs.La principale difficulté technique du projet, en dehors de la construction de l'aimant statique, réside dans la capacité d'émettre une onde électromagnétique d'amplitude uniforme dans tout le cerveau du patient : problème de l'inhomogénéité de B1 (ou radiofréquence). Une solution proposée consiste à utiliser une antenne réseau à transmission parallèle et des séquences d'excitation IRM spécifiques dites de compensation.Cette thèse se concentre sur la conception des antennes réseaux à transmission parallèle pour l'IRM à 7 et 11,7 T. Un prototype à 8 canaux indépendants utilisant une technologie innovante de résonateurs linéaires est présentée pour l'IRM 7 T. Il a été conçu par la simulation numérique. Un protocole de validation a été développé pour la caractérisation et l'analyse des performances des antennes réseaux. Le succès de cette validation a permis de développer par la simulation une nouvelle antenne à 12 canaux et une stratégie de pilotage innovante permettant de n'utiliser que 8 chaînes de pilotage au lieu de 12. Enfin, la même méthodologie a été appliquée pour concevoir et prédire les performances d'une antenne réseau à 11,7 T.

Les observations astronomiques nous permettent d’étudier l’univers et de comprendre les phénomènes qui le gouvernent. La matière visible dans l’univers émet des ondes à des fréquences très diverses, réparties sur tout le spectre électromagnétique (domaines radio, submillimétrique, infrarouge, visible, ultraviolet, X et gamma). Ces ondes nous renseignent sur certaines caractéristiques physico-chimiques des éléments observés (nature, température, mouvement, etc.). Des télescopes couvrant différentes plages de fréquences sont nécessaires pour observer l’ensemble du spectre électromagnétique. Les radio-télescopes, sensibles aux ondes (sub)millimétriques, sont principalement dédiés à l’observation de la matière froide présente dans le milieu interstellaire. Le milieu interstellaire est le berceau des étoiles et son étude est essentielle pour comprendre les différentes étapes de la vie des étoiles. La fréquence maximale d’observation des radio-télescopes est en augmentation depuis la fabrication des premiers radio-télescopes dans les années 1930. Récemment, des radio-télescopes capables de détecter des signaux dans l’infrarouge lointain, au delà de 1 THz, ont été développés. Ces avancées technologiques ont été motivées, entre autres, par la présence, dans le milieu interstellaire, de molécules et d’ions uniquement observables à des fréquences supérieures à 1 THz. Pour observer des raies avec une haute résolution spectrale, les radio-télescopes sont équipés de récepteurs hétérodynes. Ce type de récepteur permet d’abaisser la fréquence de la raie spectrale observée tout en conservant ses caractéristiques (une raie observée à 1 THz peut, par exemple, être décalée à une fréquence de 1 GHz). Cette technique permet d’observer des raies avec une très haute résolution spectrale et c’est pourquoi les récepteurs hétérodynes sont largement utilisés pour les observations de raies spectrales aux fréquences GHz et THz. Dans les récepteurs hétérodynes, un oscillateur local (OL) émet un signal monochromatique à une fréquence très proche de celle du signal observé. Les deux signaux sont superposés à l’aide d’un diplexeur et transmis à un mélangeur. Ce dernier réalise le battement des deux signaux et génère un signal identique au signal observé mais à une fréquence plus faible. Durant ma thèse, j’ai travaillé sur la construction, la caractérisation et l’amélioration d’un récepteur hétérodyne à 2.6 THz. Cette fréquence d’observation (2.6 THz) est l’une des plus hautes atteintes par les récepteurs hétérodynes THz existant actuellement, ce qui constitue un défi technologique très important. Dans le but de caractériser et d’améliorer ce récepteur, je me suis concentré sur trois aspects essentiels
(Sub)Millimeter-telescopes are often used to observe the interstellar medium in the universe and they enable us to study the stellar life cycle. To detect and study some important molecules and ions, we need receivers able to observe at frequencies above 1 THz. Receivers working at such high frequencies are quite new and the 2.6 THz heterodyne receiver I built and characterized during my PhD represents the state-of-the-art of THz heterodyne receivers. I especially focused on three important aspects of this receiver: its stability, the superimposition of the local oscillator signal (LO) and the observed signal by a diplexer, and the splitting of the LO signal by a phase grating. The stability was calculated with the Allan variance and I found that the two elements limiting the stability of our receiver were the 1.4 THz local oscillator and the mixer bias supply. The Martin-Puplett interferometer (MPI) diplexer I designed, built and tested is able to transmit 76 % of the LO power at 2.6 THz and we estimate a transmittance around 79 % for the observed signal. This MPI is operational and ready for the next generation of heterodyne receivers. Splitting the LO signal is essential to build heterodyne receivers with several pixels, which allows us to get spectra of the universe at many positions in the sky simultaneously. I have developed a new kind of grating, called Global gratings, and I made two prototypes of these Global phase gratings able to split the LO beam into four beams. These two phase grating prototypes, a transmissive and a reflective one, were optimized for 610 GHz and showed, respectively, an efficiency of 62 ± 2 % and 76 ± 2 %. These excellent results validate the design and fabrication processes of this new kind of grating. In conclusion, the work accomplished during this PhD constitutes an important step toward the realization of a very stable and highly sensitive 2.6 THz multi-pixel heterodyne receiver using a MPI diplexer

Les communications basées sur le principe du beamforming imposent de concevoirdes systèmes complexes utilisant un grand nombre de frontaux radiofréquences (RF). Pour le bon fonctionnement du système, chaque élément doit pouvoir être dans sa zone optimale de travail, ce qui doit être aussi le cas pour l’amplificateur de puissance (PA) dont la linéarité et la puissance dépendent de l’adaptation de sortie. L’impédance de charge de l’amplificateur, qui correspond à un des éléments rayonnants du réseau d’antennes, peut subir des variations en fonction de son environnement (TOS) et détériorer les performances globales du système. Au final, le signal distribué sur chaque antenne pour former le faisceau global doit être contrôlé et maîtrisé en phase et en amplitude pour garantir une bonne communication.Les travaux de thèse se situent dans ce contexte et portent sur la recherche denouvelles topologies, ainsi que l’élaboration de blocs élémentaires, pour créer une nouvelle architecture d’amplificateur de puissance robuste à son environnement. L'un des principaux défis est le contrôle de la phase du PA et le maintien de ses performances RF en fonction des variations du processus de fabrication (PVT). Un autre défi consiste à réaliser un PA à haute efficacité, tout en maintenant une très bonne linéarité, ce qui constitue une rupture vis-à-vis du traditionnel compromis à trouver entre le haut rendement et la grande linéarité. Dans de telles conditions, le contrôle de phase du PA constitue un avantage majeur.Une première étape de ses travaux a consisté à proposer une approche globale de laconception du PA dans son environnement et ainsi quantifier l’impact des variations de l’impédance de charge du PA sur ses performances RF (gain, déphasage) en présence d’un réseau d’antennes. Une fois les points sensibles identifiés, plusieurs architectures de PA ont été envisagées pour adresser le ou les problèmes.Une première solution avec un PA autonome a permis d’améliorer la protection vis-àvis des variations de TOS d’antenne. Plusieurs topologies de PA dérivées de cette solution ont ensuite permis d’adresser les nouvelles problématiques de contrôle de la phase et de l’ajustement de la fréquence de fonctionnement. Ces architectures de PA intégrant les nouveaux concepts développés au cours de la thèse ont été implémentées dans les technologies 130nm SiGe et 65nm CMOS-SOI de STMicroelectronics. Les résultats de mesure ont permis de valider l’architecture du PA autonome avec l’ajustement de la fréquence de fonctionnement et la détection de phase et de tension.Cette approche de conception ne se limite pas aux communications 5G et peut êtrefacilement étendue à d'autres fréquences et pour d’autres applications telles que les télécommunications par satellites (SATCOM). Elle n’est pas dépendante du choix de la technologie silicium et peut être utilisée pour d’autres circuits RF tels que les amplificateurs faible bruit
Communications based on beamforming concept require the design of complexsystems using a large number of radio frequency (RF) front-end modules. For theefficient performance of the system, each element must be able to be in its optimalworking zone, which must also be the case for the power amplifier (PA) whose linearity and power depend on the output matching. The amplifier's load impedance, which corresponds to one of the radiating elements of the antenna array, can vary according to its environment (VSWR) and deteriorate the overall performance of the system. In the end, the signal distributed on each antenna to form the global beam must be controlled in phase and amplitude to guarantee the quality of the communication.In this context, the thesis works are related to the new topologies’ research, asthe development of elementary blocks, to create a new power amplifier architecturewhich will be robust to its environment variations. One of the main challenges iscontrolling the phase of the PA and maintaining its RF performances according to themanufacturing process (PVT) variations. Another challenge is to achieve high efficiency PA, while maintaining very good linearity, which is a break with the traditional high efficiency/good linearity trade. In such conditions, the phase control of the PA is a major advantage.A first step in his work consists in proposing a global approach to the PA designin its environment and thus quantifying the impact of the phased-array antennaimpedance variations on the power amplifier RF performances (gain, phase shift). Once the sensitive points have been identified, several PA architectures have been considered to address the problem (s).A first solution with a stand-alone PA improves the robustness against the VSWRantenna variations. Several PA topologies derived from this solution then do it possibleto address the new problems of phase control and fine-tuning of the operatingfrequency. These PA architectures integrating the new concepts developed during thisthesis were implemented in 130nm SiGe and 65nm CMOS-SOI technologies fromSTMicroelectronics. The measurement results validate the architecture of the selfcontained PA with the operating frequency fine-tuning and the phase/voltage detection.This design approach is not limited to 5G communications and can be easilyextended to other frequencies and for other applications such as satellitecommunications (SATCOM). It is not dependent on the silicon technology choice and can be used for other RF circuits such as low noise amplifiers

Les réseaux réflecteurs imprimés connaissent un fort développement depuis la fin des années 80. Ce type d'antenne offre la possibilité de former des diagrammes de rayonnement complexes avec une relative simplicité, un faible coût de réalisation, de faibles pertes et un volume réduit. Cependant, il souffre encore de quelques défauts : - La non régularité de la géométrie de la cellule sur la surface du réseau, dans le cas d'une antenne passive, peut engendrer des dégradations sur le diagramme de rayonnement, surtout à la transition entre deux géométries extrêmes, lorsqu'un nouveau cycle de phase commence. - Le nombre relativement élevé de composants utilisés pour contrôler la phase de l'onde réfléchie, dans le cas d'une antenne reconfigurable, augmente le coût de fabrication de l'antenne et complexifie le circuit de commande des éléments reconfigurables. - La limitation en bande passante, qui a longtemps cantonné ce type d'antenne à des applications bande étroite, est principalement liée au comportement de la cellule unitaire constitutive du réseau. Dans cette thèse, nous nous intéressons donc à la conception de nouvelles topologies de cellules déphaseuses, passives et surtout reconfigurables, qui permettent, tout en conservant une relative simplicité de réalisation, d'offrir une large bande passante. De plus, le contrôle de la phase, dans le cas des cellules reconfigurables, doit être réalisé avec un nombre réduit de composants afin de respecter la contrainte de faible coût de fabrication.

Le mélange de deux faisceaux laser sur un photo-détecteur permet de générer un signal radiofréquence jusqu'au THz. Par corrélation des deux sources optiques, le signal obtenu peut acquérir la pureté spectrale requise pour les réseaux de communications radio sur fibre. Notre travail porte sur la méthode de corrélation par accrochage optique sur un peigne de fréquences. L'injection optique permet de transférer le bruit de phase d'un laser maître, pris comme référence, à un laser esclave. En utilisant deux harmoniques d'un laser modulé en fréquence comme sources distinctes d'injection, les bruits de phase des deux lasers esclaves sont corrélés et la différence de fréquences est multiple de la fréquence primaire. Nous avons réalisé une étude théorique générale de l'injection dans les lasers semi-conducteur à cavité complexe, en particulier les lasers DFB, en mettant notamment en évidence l'asymétrie géométrique du bruit. Nous avons relié théoriquement le degré de corrélation entre les deux lasers aux paramètres d'injection et au bruit de phase. L'expression a été confirmée par des mesures sur le contraste de franges d'interférences et le spectre du photo-courant hétérodyne. Ces battements temporels ont été mis en regard avec l'optique de Fourier et le speckle. Nous avons étudié la pureté spectrale du battement et établi les limites fondamentales de cette technique en fonction de la qualité de l'oscillateur primaire, des propriétés spectrales des lasers, des paramètres d'injection et de transport sur fibre. Les mesures de bruit de phase sur le signal généré expérimentalement, pour différentes conditions d'injection, sont en très bon accord avec les expressions analytiques.

Cette thèse est une contribution à l'amélioration des observations pour les radiotélescopes à réseaux phasés en présence d'interférences. L'originalité de cette thèse repose sur l'utilisation de la séparation spatiale entre les sources cosmiques et les brouilleurs issus des télécommunications en se basant sur la cyclostationnarité de ces derniers. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet européen SKADS pour l'amélioration des techniques de suppression d'interférences en radioastronomie pour les futurs instruments d'observations.Nous avons proposé trois techniques de traitement d'interférences : la détection,l'estimation et la soustraction, et le filtrage spatial. Les performances des techniques proposées ont été évaluées à travers des simulations sur des données synthétiqueset/ou réelles, et comparées aux techniques existantes.

Ce travail de thèse, réalisé au Lab−STICC, dans le cadre du projet ANR MUFRED, porte sur l’étude, la conception et le développement de dispositifs hyperfréquences reconfigurables à base de dioxyde de vanadium (matériau à transition isolant-métal). Ce projet, multidisciplinaire – allant du dépôt et l’étude du matériau à la conception et la caractérisation de dispositifs RF en passant par une commande optique – vise à démontrer les performances du VO2 en tant qu’élément d’accord pour une commutation rapide (une dizaine de nanosecondes) à ultra-rapide (une centaine de picosecondes, selon la littérature). Pour ce faire, ce travail débute par une caractérisation du dioxyde de vanadium en tant qu’élément de commutation avant de l’intégrer dans des dispositifs reconfigurables.Ainsi, les premiers commutateurs SPST, SP2T et SP4T à base de VO2 sont conçus pour un contrôle de la transition isolant-métal par commande électrique et optique. Ces commutateurs sont par la suite utilisés dans la conception de déphaseurs reconfigurables 1-bit (déphasage relatif de 0° et − 45°) et 2-bits (déphasage relatif de 0°, − 90°, − 180°, − 270°) de type « True Time Delay » à lignes commutées.La suite du travail porte sur le démonstrateur ciblé par le projet MUFRED, i.e. un réseau d’antennes phasé reconfigurable à base de commutateurs de VO2. Les performances de chacun des blocs RF intervenant dans sa conception sont décrites, présentées et analysées.Les premiers démonstrateurs réalisés ont permis d’envisager des perspectives d’amélioration à court et long terme
This thesis, conducted at Lab−STICC as part of the ANR MUFRED project, focuses on the study, the design and the development of reconfigurable microwave devices based on vanadium dioxide (a metal-insulator transition material). This multidisciplinary project – from material deposition and study to the design and characterization of RF devices by way of optical control – aims to demonstrate the VO2 performances as a tuning element for fast (about ten nanoseconds) to ultra-fast (about hundred picoseconds) switching.With this aim in mind, this work begins with a characterization of vanadium dioxide as a tuning element before integrating it into reconfigurable RF devices.Thus, the first VO2 based switches, SPST, SP2T and SP4T are designed for control of the metal-insulator transition with an electrical or optical command. These switches are subsequently used in the design of reconfigurable 1-bit (relative phase shift of 0° and − 45°) and 2-bits (relative phase shift of 0°, − 90°, − 180° and − 270°) switched lines True Time Delay phase shifters.Then this study focuses on the proof-of-concept targeted by the MUFRED project, i.e. a reconfigurable phased array antennas based on VO2 switches. The performances of each RF blocks involved in its design are described, presented and analyzed.The first demonstrators carried out make it possible to foresee prospects for improvement in the short and long term

De plus en plus utilisée en routine clinique, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est très fréquemment associée à d'autres modalités d'imagerie médicale dans le cadre d'études multicentriques. Elle est également utilisée à des fins de quantification et sa technologie se complexifie, notamment avec l'utilisation croissante d'antennes en réseau phasé. Ces raisons contribuent à amplifier le besoin d'assurance qualité car il importe de surveiller les performances des appareils cliniques afin de se prémunir d'erreurs de diagnostic que leurs dérives peuvent entrainer. Des travaux, très tôt engagés sur le contrôle qualité (CQ) en IRM, ont posé les bases pour la conception d'objets-test et des mesures physiques nécessaires au suivi. Ces travaux ont aussi permis de dégager deux approches pour les procédures de CQ en IRM, à savoir des approches mono-objet et multi-objet. Les travaux menés poursuivent le premier objectif de développer une méthodologie de suivi périodique des appareils d'IRM qui soit pratique, peu chronophage, statistiquement robuste et compatible avec différents appareils. L'approche mono-objet issue des travaux de l'American College of Radiology a été choisie pour élaborer la procédure. Les travaux ont porté sur les principaux aspects du processus de réalisation des tests. La procédure hebdomadaire résultante, d'une durée de réalisation inférieure à 10 min, a été testée avec succès sur 6 sites disposant d'appareils de différentes gammes. Le deuxième objectif porte sur le contrôle spécifique des antennes en réseau phasé. Ceux-ci sont essentiellement caractérisés par deux paramètres qui ont été identifiés comme déterminants pour la reconstruction et la qualité des images. Il s'agit des profils de sensibilité des antennes et des corrélations en termes de bruit d'acquisition. Deux métriques ont été élaborées pour surveiller ces deux paramètres. Une technique alternative a également été développée pour calculer les covariances de bruit. Enfin, cette thèse propose quelques pistes pour mettre les outils de CQ au service d'applications cliniques ciblées. Les travaux engagés en ce sens ouvrent des perspectives intéressantes pour l'utilisation de techniques de CQ dans le cadre d'applications cliniques ciblées
Magnetic Resonance Imaging (MRI) is increasingly being used in clinical routine and is frequently associated with different imaging modalities in multisite studies. Besides, MRI is becoming more complex with a growing use of phased-array coils. Hence there is a rising eagerness for quality assurance and quality control (QC). Indeed, monitoring MR systems is required in order to prevent from diagnostic errors which may be induced by drifts in the instrumentation. The ever first studies about MRI QC issue established the basis for designing test-objects and metrics which are required for monitoring the scanners. These works also resulted in two approaches for performing the testings : the first one is multi-object oriented and the second one is single-object oriented. The research conducted for this thesis are motivated by two objectives : the first one holds about designing a methodology for performing periodic monitoring of MR scanners. The procedure is required to be practical, shortly-timed, statistically robust, and system-independent. It was designed following the single-object approach promoted by the American College of Radiology. In order to fit the procedure with its specifications, all of its aspects were assessed. The resulting 10-minute weekly QC procedure was successfully tested on several MR facilities. The second goal of these works is about specifically assessing the performance of phased-array coils. Using these coils, two parameters were considered as being essential for image quality considerations, namely the sensitivity profiles and the noise covariance matrix. For monitoring these parameters, two metrics were designed in a way that they could be integrated within the weekly QC procedure. Besides, an alternative method was proposed for computing noise covariance matrices. As a matter of prospects, these doctoral works sought clinical applications which may take advantage of the techniques and methodology elaborated for QC purposes. There are interesting insights about using QC techniques in support of targeted clinical MR applications

Embarqué sous le radôme du missile, les autodirecteurs existants utilisent une rotation mécanique du plan d’antenne pour balayer le faisceau en direction d’une cible. Les recherches actuelles examinent le remplacement des composantes mécaniques de rotation de l’antenne par un nouveau réseau d’antennes 3D conformes à balayage électronique. Les antennes 3D conformes pourraient offrir des avantages significatifs, tels qu’un balayage plus rapide et une meilleure couverture angulaire mais qui pourraient aussi offrir de nouveaux challenges résultant d’un diagramme de rayonnement plus complexes en 3D qu’en 2D. Le nouvel autodirecteur s’affranchit du système mécanique de rotation ce qui libère de l’espace pour le design d’une nouvelle antenne 3D conforme. Pour tirer le meilleur parti de cet espace, différentes formes de réseaux sont étudiées, ainsi l’impact de la position, de l’orientation et de la conformation des éléments est établi sur les performances de l’antenne, en termes de directivité, ellipticité et de polarisation. Pour faciliter cette étude de réseaux 3D conformes, un programme Matlab a été développé, il permet de générer rapidement le diagramme de rayonnement en polarisation d’un réseau donné dans toutes les directions. L’une des tâches de l’autodirecteur consiste à estimer la position d’une cible donnée afin de corriger la trajectoire du missile. Ainsi, l’impact de la forme du réseau sur l’erreur entre la direction d’arrivée mesurée de l’écho de la cible et sa vraie valeur est analysé. La borne inférieure de Cramer-Rao est utilisée pour calculer l’erreur minimum théorique. Ce modèle suppose que chaque élément est alimenté séparément et permet ainsi d’évaluer le potentiel des réseaux 3D conformes actifs.Finalement, l’estimateur du monopulse en phase est étudié pour des réseaux 3D conformes dont les quadrants n’auraient pas les mêmes caractéristiques. Un nouvel estimateur, plus adapté à des quadrants non identiques, est aussi proposé
Embedded below the radome of a missile, existing RF-seekers use a mechanical rotating antenna to steer the radiating beam in the direction of a target. Latest research is looking at replacing the mechanical antenna components of the RF-seeker with a novel 3D conformal antenna array that can steer the beam electronically. 3D antennas may offer significant advantages, such as faster beam steering and better coverage but, at the same time, introduce new challenges resulting from a much more complex radiation pattern than that of 2D antennas. Thanks to the mechanical system removal, the new RF-seeker has a wider available space for the design of a new 3D conformal antenna. To take best benefits of this space, different array shapes are studied, hence the impact of the position, orientation and conformation of the elements is assessed on the antenna performance in terms of directivity, ellipticity and polarisation. To facilitate this study of 3D conformal arrays, a Matlab program has been developed to compute the polarisation pattern of a given array in all directions. One of the task of the RF-seeker consists in estimating the position of a given target to correct the missile trajectory accordingly. Thus, the impact of the array shape on the error between the measured direction of arrival of the target echo and its true value is addressed. The Cramer-Rao lower bound is used to evaluate the theoretical minimum error. The model assumes that each element receives independently and allows therefore to analyse the potential of active 3D conformal arrays. Finally, the phase monopulse estimator is studied for 3Dconformal arrays whose quadrants do not have the same characteristics. A new estimator more adapted to non-identical quadrants is also proposed

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil d’investigation majeur donnant accès de manière non invasive à des nombreuses informations quantitatives et fonctionnelles. La qualité des images obtenues (rapport-signal-sur-bruit, RSB) est cependant limitée dans certaines applications nécessitant des résolutions spatiales et/ou temporelles poussées. Afin d’améliorer la sensibilité de détection des équipements d’IRM, diverses orientations peuvent être suivies telles qu’augmenter l’intensité du champ magnétique des imageurs, améliorer les performances des systèmes de détection radiofréquence (RF), ou encore développer des séquences d’acquisition et des techniques de reconstruction d’images plus efficaces. La thématique globale dans laquelle s’inscrit cette thèse concerne le développement des systèmes de détection RF à haute sensibilité pour l’IRM à haut champ chez l’homme. En particulier, des antennes auto-résonantes basées sur le principe des lignes de transmission sont utilisées parce qu’elles peuvent être réalisée sur substrat souple. Cette adaptabilité géométrique du résonateur permet d’ajuster précisément sa forme aux spécificités morphologiques de la zone anatomique observée, et ainsi d’augmenter le RSB. La première visée technologique de ce projet concerne le développement, de la conception jusqu’à la mise en œuvre dans un appareil 7 T corps entier, d’un système de détection RF flexible à haute sensibilité, utilisant des antennes miniatures associées en réseau. L’utilisation d’un réseau d’antennes miniatures permet d’obtenir des images sur un champ de vue élargi tout en conservant la haute sensibilité inhérente à chaque antenne miniature. De plus, la technologie de l’imagerie parallèle devient accessible, ce qui permet d’accélérer l’acquisition des images. De surcroît, un nouveau schéma de résonateur de ligne transmission avec un degré de liberté supplémentaire est introduit, ce qui permet de réaliser de grands résonateurs multi-tours pour l’IRM à haut champ. Cette thèse décrit le développement, la mise en œuvre et l’évaluation des nouveaux systèmes de détection RF au moyen de simulations analytiques et numériques, et des études expérimentales
Magnetic resonance imaging (MRI), among other imaging techniques, has become a major backbone of modern medical diagnostics. MRI enables the non-invasive combined, identification of anatomical structures, functional and chemical properties, especially in soft tissues. Nonetheless, applications requiring very high spatial and/or temporal resolution are often limited by the available signal-to-noise ratio (SNR) in MR experiments. Since first clinical applications, image quality in MRI has been constantly improved by applying one or several of the following strategies: increasing the static magnetic field strength, improvement of the radiofrequency (RF) detection system, development of specialized acquisition sequences and optimization of image reconstruction techniques. This work is concerned with the development of highly sensitive RF detection systems for biomedical ultra-high field MRI. In particular, auto-resonant RF coils based on transmission line technology are investigated. These resonators may be fabricated on flexible substrate which enables form-fitting of the RF detector to the target anatomy, leading to a significant SNR gain. The main objective of this work is the development of a flexible RF coil array for high-resolution MRI on a human whole-body 7 T MR scanner. With coil arrays, the intrinsically high SNR of small surface coils may be exploited for an extended field of view. Further, parallel imaging techniques are accessible with RF array technology, allowing acceleration of the image acquisition. Secondly, in this PhD project a novel design for transmission line resonators is developed, that brings an additional degree of freedom in geometric design and enables the fabrication of large multi-turn resonators for high field MR applications. This thesis describes the development, successful implementation and evaluation of novel, mechanically flexible RF devices by analytical and 3D electromagnetic simulations, in bench measurements and in MRI experiments

Ce travail de thèse entre dans le cadre de projets nationaux et internationaux de radioastronomie d'une manière générale et en particulier dans celui de SKA (Square Kilometre Array). La conception de circuits intégrés d’applications spécifiques devient de plus en plus importante dans ce domaine. La première étape de ce travail consiste à une étude bibliographique sur les inductances actives intégrées et leurs principales applications dédiées à la radioastronomie. Cette étude a permis de faire un état de l'art. Cet état de l'art a fait ressortir que l'intégration de certaines fonctions s'avère particulièrement difficile voire impossible dès lors que l'utilisation d'une inductance est nécessaire. Ceci est essentiellement dû à la taille importante des inductances. Parmi ces fonctions, nous avons le filtrage, certains types de transceivers, le temps de retard, etc. Or ces fonctions sont très importantes dans une architecture de radiofréquence propre aux réseaux d'antennes phasées. Ce travail de thèse est donc consacré à l'étude et la conception de ces différentes fonctions à l'aide des inductances actives basées sur des topologies à gyrateurs en technologie SiGeC 0,25 μm afin de palier aux problèmes d'intégration. Une des finalités de cette thèse est aussi de montrer que la consommation de ce procédé d'intégration n’est pas si excessive pour ces applications, par rapport à l’utilisation d’inductances localisées intégrées occupant une surface importante sur le substrat. Ce dernier point sera un résultat très important pour les projets où la très haute intégration à bas coût est nécessaire, point clé de réussite des réseaux phasés denses du projet international SKA
This thesis work is part of national and international projects of radio-astronomy in general and in particular that of the SKA (Square Kilometre Array). The design of integrated circuits for specific applications is becoming increasingly important in this field. The first step in this work is a bibliography study on integrated active reactors and their main applications dedicated to radio astronomy. This study allowed making a state of the art. This state of the art has highlighted that the integration of some functions is made especially difficult by the need to use an inductor. This is mainly due to the large size of passive inductors. These functions include the filtering function, some transceivers types, the time delay, etc. But, they are very important in radio-frequency architecture owing to phased array antennas. This thesis propose the study and design of these different functions using active inductors based on gyrators topologies in SiGeC 0.25 μm technology in order to overcome the integration problems. One of the aims of this thesis is to show that the consumption of this integration process is not so excessive for these applications, compared to the use of integrated located inductors occupying a large area on the substrate. This last point is a very important result for projects where high integration at low cost is necessary, key point of the success of dense phased array in the SKA international project

Actuellement, nous atteignons les limites de la quatrième génération de télécommunications mobiles (4G), notamment en termes de débit disponible et de nombre d’utilisateurs maximal. Une nouvelle génération (5G) est en cours de développement pour répondre à ces besoins. Elle adressera différent cas d’usages : l’internet des objets, les communications à ultra-haut débit ainsi que des applications plus critiques telles que les véhicules autonomes ou la chirurgie à distance. Les exigences étant bien supérieures aux capacités actuelles du réseau, des solutions de rupture ont été proposées.Dans ce travail, nous avons proposé une nouvelle méthode de dimensionnement des systèmes 5G adressant les communications à très haut débit en bande Ka. Différentes architectures permettant de répondre aux spécifications définies ont été étudiées. Nous avons ensuite mis au point une méthode pour comparer leurs performances par rapport à leur consommation énergétique afin de choisir le système le plus adapté. Enfin, nous avons choisi et caractérisé une technologie CMOS avancée afin de réaliser certaines parties de ces systèmes. Nous avons conçu des commutateurs RF et des amplificateurs faible bruit intégrés, adressant les fréquences millimétriques
The limitations of the current mobile telecommunication generation (4G) are actually reached. Indeed, the available data rate and the maximum number of users are no longer sufficient. A new generation (5G) is being developed to cope with these needs. It will target different use cases: internet of things, ultra-high data rate communications, and some critical applications such as autonomous vehicles or remote surgery. The needs are much higher than the existing network capabilities. So, innovative solutions have been proposed.In this thesis work, a new sizing methodology has been developed for 5G systems. It is applied to the Ka-band high data rate communication use case. Several architectures which meet the defined specifications have been studied. A methodology has been implemented to compare their performances depending to their power consumption. Thus, the best suitable architecture for the targeted use case is chosen. Finally, an advanced CMOS technology has been chosen and characterized in order to realize parts of the 5G system. RF switches and low noise amplifier operating in the Ka-band have been designed

Le travail présenté dans ce mémoire traite de l'étude d'oscillateurs et d'Oscillateurs Contrôlés en Tension (OCT) différentiels couplés appliqués à la commande d'un réseau d’antennes linéaire. Après avoir rappelé les concepts d'antennes réseaux et d'oscillateurs, une synthèse de la théorie élaborée par R. York et donnant les équations dynamiques modélisant deux oscillateurs de Van der Pol couplés par un circuit résonnant a été présentée. Après avoir montré la limitation de cette approche concernant la prédiction de l'amplitude des oscillateurs, une nouvelle formulation des équations non linéaires décrivant les états de synchronisation a été proposée. Néanmoins, compte tenu du caractère trigonométrique et fortement non linéaire de ces équations, une nouvelle écriture facilitant la résolution numérique a été proposée. Ceci a permis l'élaboration d'un outil de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) fournissant une cartographie de la zone de synchronisation de deux oscillateurs de Van der Pol couplés. Celle-ci permet de déterminer rapidement les fréquences d'oscillation libres nécessaires à l'obtention du déphasage souhaité. Pour ce faire, une procédure de modélisation de deux oscillateurs et OCTs différentiels couplés, par deux oscillateurs de Van der Pol couplés par une résistance a été élaborée. Les résultats fournis par l'outil de CAO proposé ont ensuite été comparés avec les résultats de simulations de deux oscillateurs et OCTs différentiels couplés obtenus avec le logiciel ADS d'Agilent. Une très bonne concordance des résultats a alors été obtenue montrant ainsi l'utilité et la précision de l'outil présenté
The work presented in this thesis deals with the study of coupled differential oscillators and Voltage Controlled Oscillators (VCO) used to control antenna arrays. After reminding the concept of antenna arrays and oscillators, an overview of R. York's theory giving the dynamics for two Van der Pol oscillators coupled through a resonant network was presented. Then, showing the limitation of this approach regarding the prediction of the oscillators' amplitudes, a new formulation of the nonlinear equations describing the oscillators' locked states was proposed. Nevertheless, due to the trigonometric and strongly non-linear aspect of these equations, mathematical manipulations were applied in order to obtain a new system easier to solve numerically. This has allowed to the elaboration of a Computer Aided Design (CAD) tool, which provides a cartography giving the frequency locking region of two coupled differential Van der Pol oscillators. This cartography can help the designer to rapidly find the free-running frequencies of the two outermost differential oscillators or VCOs of the array required to achieve the desired phase shift. To do so, a modeling procedure of two coupled differential oscillators and VCOs as two coupled differential Van der Pol oscillators, with a resistive coupling network was performed. Then, in order to validate the results provided by our CAD tool, we compared them to the simulation results of two coupled differential oscillators and VCOs obtained with Agilent’s ADS software. Good agreements between the simulations of the circuits, the models and the theoretical results from our CAD tool were found