Dissertations / Theses on the topic 'Détection millimétrique'

Avec le contexte actuel des défis sécuritaires, la détection de petits objets devient un enjeu majeur pour lutter contre les actes malveillants. Mais les évolutions des technologies en bandes millimétriques et le potentiel de ces bandes, notamment autour de 60 GHz peuvent faciliter la conception de systèmes de plus en plus performants, permettant de répondre à ces enjeux. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte pour proposer un système de détection ultra-large bande (ULB) millimétrique pour des applications de courte portée. Après un état de l'art détaillé des fondamentaux de la détection, nous présentons une validation de l'estimation de la surface équivalente radar (SER) par simulation avec le logiciel HFSS et par mesures en chambre anéchoïque. Ces deux études nous ont permis d'identifier les éléments essentiels à l'analyse système et les paramètres critiques de la détection d'objets canoniques cylindres et plaques. Une fois l'analyse système cernée, nous avons proposé une approche de détection multi-bande basée sur le radar monostatique pour améliorer la couverture de détection des systèmes, mais aussi et surtout pour pallier la limitation de la détection des objets en fonction de leur orientation par rapport à l'axe de viser de l'antenne. Nous avons également proposé une architecture (émetteur-récepteur) simple pouvant être associée au principe de détection. Le dimensionnement du système nous a permis d'identifier les amplificateurs faible bruit (LNAs) comme éléments critiques du récepteur et ainsi d'établir leurs spécifications pour atteindre les performances visées. Une comparaison des technologies SG13S de IHP et D007IH de OMMIC est menée dans la dernière partie de ce travail. Le choix de la technologie est justifié et la conception des LNAs sous ADS Keysight est détaillée. Une simulation de l'ensemble du système basée sur les performances des LNAs conçus et sur les simulations de SER est présentée pour illustrer la mise en œuvre de la détection. Enfin, les performances de la détection sont évaluées pour des cibles cylindriques et les apports du système proposé sont illustrés en comparaison avec une détection classique mono-bande
With the current context of security challenges, small objects detection is becoming a major issue in the fight against malicious acts. However, developments in millimeter-band technologies and the potential of these bands, particularly around 60 GHz, can facilitate the design of increasingly efficient systems to meet these challenges. This thesis is part of this context to propose an ultra-wideband (UWB) millimeter-wave detection system for short-range applications.After a detailed state-of-the-art of the fundamentals of detection, we present a validation of the radar cross-section (RCS) estimation by simulations with HFSS software and by measurements in anechoic chamber. These two studies allowed us to identify the essential elements for system analysis and the critical parameters for the detection of canonical objects such as cylinders and plates.Once the system analysis was identified, we proposed a multi-band detection approach based on monostatic radar to improve the detection coverage of the systems, but also and especially to overcome the limitation of objects detection according to their orientation in relation to the antenna boresight. We also proposed a simple architecture (transceiver) that could be associated with the detection principle. The system design allowed us to identify low noise amplifiers (LNAs) as critical elements of the receiver and thus establish their specifications to achieve the targeted performances.A comparison of IHP's SG13S and OMMIC's D007IH technologies is conducted in the last part of this work. The choice of technology is justified and the design of LNAs under ADS Keysight is detailed. A simulation of the entire system based on the performance of the designed LNAs and RCS simulations is presented to illustrate the implementation of detection. Finally, detection performances are evaluated for cylindrical targets and the contributions of the proposed system are illustrated in comparison with conventional single-band detection

Les systèmes millimétriques ont connu un regain d’intérêt durant les dix dernières années, pour des applications grand public visant à améliorer le confort et la sécurité des usagers tels que les radars automobiles à 77 GHz. De tels radars sont équipés d’antennes qui doivent posséder à la fois un faisceau étroit afin d’obtenir une bonne résolution latérale, et une bande passante relativement élevée pour augmenter la résolution en portée du radar. Actuellement celle-ci est de 200 à 250 m bien que de récents projets aient conduits à détecter des cibles bien plus lointaines grâce à l’augmentation de la puissance incidente et du gain des antennes. Les récents progrès des circuits et composants permettent à présent d’envisager de nouvelles applications. La thèse proposée porte sur l’étude d’un système permettant de détecter toutes sortes d’objets au sol. Une application envisagée est la détection de débris présents sur les pistes des aéroports. L’exemple le plus frappant qui démontre l’utilité d’un tel système, est l’accident survenu au Concorde il y a plusieurs années causé par un débris métallique présent sur la piste de décollage. Un radar d’imagerie fonctionnant dans la gamme millimétrique devrait être capable de détecter de petits objets en métal, en béton, en pierre ou même en plastique. En s’appuyant sur les fréquences allouées par les autorités compétentes, les recherches précédentes et la disponibilité sur le marché des composants et circuits intégrés, la gamme de fréquences comprise entre 76 et 81 GHz est retenue. Un système antennaire complexe reposant sur l’utilisation d’un réseau réflecteur à diagramme d’élévation en cosécante carrée et directif en azimut est développé
In the last decade, microwave and millimeter-wave system have found u=increasing commercial applications and gained importance in comfort and security applications like in automotive radar sensors in the 77 GHz frequency range. Such sensors are equipped with narrow beam antennas for a good lateral resolution and a reasonably high bandwidth for a high range resolution. Detection range for automotive applications presently is 200-250 m, but in some projects much higher detection distances have been demonstrated with increased transmitter power and higher gain antennas. Due to an increasing maturity and availability of circuits and components for such systems, other applications are within the range of realization. In the proposed thesis, sensor systems, for obstacle objects on the ground shall be investigated. A possible application is the debris detection on airport runways. A basic motivation for this is the fatal accident with a Concorde aircraft a few years ago due to a metal part lost by an aircraft on the runway some time before. An imaging radar sensor at sufficiently high frequency shall be able to detect relatively small pieces of metal, concrete, stone, or even plastic on an otherwise quite flat surface. Based on frequency range between 76 GHz and 81 GHz is selected for the investigations. A complex antenna system is developed. It is based on the use of a reflect array with a squared cosecant beam in elevation and a focused one in azimuth

Ce mémoire de maîtrise décrit la première phase de la réalisation d'un prototype de polarimètre portable à 37GHz. Les polarimètres portables actuellement disponibles sur le marché coûtent au dessus de 200 000$ et sont plus adaptés à l'utilisation au laboratoire que sur le terrain. Ils nécessitent le transport de gaz à l'état liquide pour leur calibration et ont de grands besoins énergétiques. Tous ces facteurs contribuent à leur haut coût et à leur grande complexité d'utilisation. Cette première phase du projet vise à développer la partie analogique du récepteur micro-onde qui sera au coeur du prototype. D'autres travaux, à la suite de cette maîtrise, seront nécessaires afin de rendre le récepteur utilisable et compléter le prototype. Les spécifications du polarimètre ont d'abord été définies. Par la suite, la décision d'acheter ou de fabriquer chaque sous-système/circuit a été prise. Ensuite, les activités d'achat et de conception ont eu lieu. Il a été constaté que les techniques standards utilisées pour fabriquer des circuits microruban n'étaient pas assez précis. Un procédé de fabrication a alors été développé et les circuits ont été fabriqués. Le tout a finalement été intégré. La finalité de ce projet a été un système analogique qui permet d'amplifier et de traiter une onde incidente à haute fréquence et à faible intensité pour la rendre mesurable par un système d'échantillonnage et de traitement numérique. Ce système numérique sera conçu et fabriqué à une date ultérieure.

Pour sécuriser les lieux publics, il devient nécessaire de pouvoir détecter les explosifs et autres objets non métalliques dangereux. Nous utilisons des ondes millimétriques (10-40 GHz) pour lesquelles les vêtements sont transparents. Dans un premier temps, nous avons validé l’utilisation de la polarisation pour une telle détection à travers deux dispositifs. L'un s'appuie sur la rotation d'un analyseur, et l'autre sur la rotation d'une lame biréfringente couplée à un balayage en fréquence. Nous avons ensuite développé une méthode de détection simple dans sa réalisation. Elle permet de réaliser un détecteur multipoint à partir d'une cavité, d'une source, d'un récepteur et d'un système de brassage de modes. L'une des parois de cette cavité est couverte d'antennes afin d'assurer la liaison avec l'environnement extérieur. Le traitement des données fournies par le détecteur occupe une place centrale dans la détection qui s'appuie sur la puissance de calcul des ordinateurs modernes.

Les radars millimétriques en bande W (75-110 GHz) sont en plein essor, grâce notamment aux progrès des circuits intégrés, permettant de réaliser des systèmes compacts à bas coût et haute résolution due à la courte longueur d’onde. Dans un premier temps, ces systèmes ont été utilisés à des fins de détection et de localisation, avec à terme, pour objectif l’identification. Ainsi, des systèmes d’imagerie radar ont été développés, notamment grâce à l’imagerie qualitative, basée par exemple sur l’imagerie radar par synthèse d’ouverture (SAR). Cependant, afin de reconstruire les propriétés électromagnétiques des objets pour une identification complète, il est nécessaire de développer des algorithmes de reconstruction quantitatifs. Le travail présenté dans ce manuscrit est de poser les bases d’un système d’imagerie qualitative et quantitative en gamme millimétrique pour la détection et l’identification des objets sur les pistes d’aéroport par tomographie, tenant compte de la polarisation de l’onde incidente. Au cours de cette thèse, un outil de simulation permettant de la résolution des problèmes direct et inverse, pour les deux types de polarisation à deux dimensions 2D-TE et 2D-TM, basé sur la méthode des moments (MoM) a été développé. La première étape a consisté en la validation du problème direct en effectuant des comparaisons numériques avec des solutions analytiques pour des cibles canoniques. Ensuite, des mesures expérimentales ont été effectuées et comparées aux résultats numériques. Enfin, les résultats des reconstructions obtenus ont permis de valider l’algorithme de reconstruction 2D développé pour l’imagerie quantitative
Millimeter-wave radar systems in W-band (75-110 GHz) are booming, due to advances in integrated circuits, allowing the fabrication of low-cost and high-resolution compact systems, thanks to the short wavelength. First, these systems were used for detecting and localizing purposes, with the aim of identification. Thus, imaging radar systems have been developed, especially using qualitative imaging, based for example, on Synthetic Aperture Radar (SAR). Nevertheless, in order to reconstruct the electromagnetic properties of objects, for a complete identification, we must develop quantitative reconstruction algorithms. The work presented in this manuscript is to give the basis of a qualitative and quantitative millimeter wave imaging system for detecting and identifying foreign debris on airport runways using tomography, taking into account the polarization of the incident wave. In this thesis, a simulation tool for solving forward and inverse problems, for the two-dimensional polarization cases 2D-TM and 2D-TE, based on the method of moments (MoM) has been developed. The first step was to study the validation of the direct problem by comparing numerical results with analytical solutions for canonical targets. Then, experimental measurements have ben carried out and compared with numerical results. Finally, reconstruction results obtained have validated the reconstruction algorithm developed for quantitative imaging

Les techniques microondes et millimétriques sont bien adaptées pour le Contrôle Non Destructif (CND) de matériaux mais celles-ci ne sont pas encore. Utilisées à grande échelle dans un contexte industriel. L'analyseur de réseaux vectoriel (ARV) jusqu'ici considéré comme un outil de choix dans le domaine de la caractérisation microondes en laboratoire s'avère souvent surdimensionné pour beaucoup d'applications industrielles. Ce travail consiste donc à proposer un dispositif, le "S-Parameters Measurement System" (SPMS), permettant la mesure d'un coefficient de réflexion S11, il est conçu dans une optique de simplicité et de faible coût. Deux démonstrateurs ont été réalisés, les SPMS-35000 et SPMS-60000 fonctionnant respectivement à 35 GHz et 60 GHz. La mesure du S11 en espace libre d'un matériau sous test, a d'abord permis la détection et la localisation de défauts de petite taille (quelques mm) enfouis dans un matériau diélectrique. Puis, l'utilisation d'outils de traitement de signal permettant la résolution du problème inverse, la déconvolution aveugle et les réseaux de neurones artificiels, a rendu possible l'évaluation de la géométrie et de la profondeur du défaut.

Le domaine des sciences et technologies Térahertz gagne un intérêt international en raison de ses nombreuses applications allant des systèmes de transmission sans fils ultra rapide au diagnostique médical, au contrôle de qualité et à la sécurité industrielle. Aujourd’hui, cet intérêt pousse la recherche en électronique à se focaliser sur la réduction des composants dans le but d’augmenter leur fréquence de fonctionnement. Les nanotechnologies sont donc au cœur de cette course à la montée en fréquence. La gamme des longueurs d'onde THz ouvre une nouvelle ère de systèmes directement liés à l'information et aux technologies de communication, étendant considérablement ceux déjà existant qui reposent sur des dispositifs optiques et électroniques. Les dispositifs THz à base de semi-conducteurs sont une des voies possibles pour la réalisation de composants à l’interface entre les micro-ondes et la phonique. L'application à grande échelle du domaine des THz pour l'astronomie, l'environnement, les communications, l'imagerie, la sécurité, la biologie et la médecine pourraient conduire à définir la gamme THz comme un champ d’application spécifique pour les chercheurs et les ingénieurs. Par exemple la spectroscopie moléculaire très importante pour l'astronomie (analyse des gaz interstellaires, observations planétaires), l'environnement (surveillance de la pollution), les télécommunications, les communications locales sécurisées (à travers une forte atténuation en dehors de la zone ciblée) à très haut débit de données sera à terme possible. L'imagerie également un élément important contribuant à la sécurité (détection d’armes et de matériel illicite, analyse non destructive et non invasive d’objets).L'un des obstacles pour le développement d’applications pratique dans la gamme du THz est le manque de sources continues, compactes, accordables et puissantes (à faible coût, si possible). Ainsi, ce travail s’inscrit dans le cadre du projet européen ROOTHz et nous proposons d'exploiter les oscillations type Gunn sur un nouveau type de nanodispositifs fabriqués pour la première fois sur du nitrure de Gallium : La diode autocommutante, ou Self switching diode (SSD). Sur la base de simulations Monte-Carlo, la géométrie particulière des SSD favorise l'apparition d'oscillations Gunn à des fréquences Térahertz, en utilisant une dyssymétrie d'un canal de type transistor assez étroit, la SSD peut fournir un comportement de redressement. Cet effet, basé sur les effets de surface et les effets électrostatiques, utilisé sur le GaN permet le fonctionnement comme détecteurs THz à température ambiante. Au cours de cette thèse, des études sur les SSD à base de nitrure de gallium ont été menées afin d'évaluer leurs potentialités comme émetteurs et détecteurs dans la gamme de fréquence du THz
The field of Terahertz Science and Technology is gaining international interest due to its numerous applications ranging from ultra high speed optical transmission systems to medical diagnosys, industrial quality control and security-screening tools. In this field, the efforts of electronics industry are centered on device scaling down to the nanometer range to increase the operational speed.The THz range is an intermediate range of wavelengths that will open a new area of systems directly related to information and communication technologies, significantly extending the present ones based on photonic and electronic devices. Thus, solid-state THz devices can be either considered as belonging to both fields or to none of them. Indeed the wide application area of THz for astronomy, environment, communications, imaging, security, biology and medicine could lead to define the THz range as a specific scientific, engineering and application field. Molecular spectroscopy is very important for astronomy (analysis of the interstellar gas, planetary observations), environment (pollution monitoring), etc. For telecommunications, secure local communications (through high attenuation outside the targeted area) with ultrahigh data rates will be possible. Imaging is an important application for security (weapon and illicit material detection), biology and medicine. The emergence of novel functional THz devices will be of immense interest for all those applications. One of the bottlenecks for the practical development of THz applications is the fabrication of room temperature (RT), continuous wave, compact, tunable and powerful sources (at low cost, if possible). For this sake, in the framework of the EU funded project ROOTHz, we propose to exploit THz Gunn oscillations in novel wide bandgap semiconductor nanodevices, which have been predicted by simulations but not experimentally confirmed yet, the Self Switching Diode (SSD). By breaking the symmetry of a narrow channel, SSD can provide a rectifying behaviour (based on surface and electrostatic effects) and using high-mobility material systems their operation frequency as detectors can approach the THz range at RT. Interestingly, the special geometry of SSDs also benefits the onset of Gunn oscillations.During this thesis, studies on Gallium nitride SSDs have been performed in order to evaluate their potentialities as emitters and detectors in the THz frequency range

Ce mémoire porte sur la conception d’une antenne à réflecteur pour radar de détection d’obstacles fonctionnant à 94 GHz, appliquée à la détection des câbles électriques, implanté sur un hélicoptère. Cette antenne doit satisfaire différents critères : fort gain, ouverture à 3 dB étroite, faible encombrement et faible coût. Une solution consiste à proposer un réflecteur illuminé par une antenne non-directive. Dans un premier temps, le travail a porté sur la recherche de l’antenne comme source primaire, alimentée par le guide d’ondes WR-10. Cette source primaire doit satisfaire à la fois de bonnes caractéristiques radioélectriques (faible coefficient de réflexion, diagramme de rayonnement identique ou quasi identique dans les plans E et H, et faible masquage) et la fiabilité de fabrication. Dans un deuxième temps, le travail se focalise sur la conception d’un réflecteur plan imprimé qui allie une simplicité de fabrication et des performances en rayonnement correspondant au cahier des charges. La clé d’un tel réflecteur réside dans la capacité à trouver des cellules élémentaires constitutives de celui-ci qui permettent d’obtenir une plage de phase réfléchie la plus large possible tout en étant peu sensible aux tolérances de fabrication. Pour ce faire, nous utilisons un substrat épais et des éléments de forme circulaire, annulaire ou imbriquées. La plage de phase ainsi obtenue est supérieure à 360°. La correction du retard de phase est effectuée en zones de Fresnel. Le réflecteur combine 8 zones en son centre et 4 à la périphérie. Afin de réduire l’encombrement de ce système, nous proposons une autre solution basée sur l’association d’une grille polarisant et d’un réflecteur principal qui tourne la polarisation de 90°. Ce dernier est obtenu par une petite modification de la cellule de base du réflecteur qui est constituée d’un patch en C convenablement orienté. Enfin, une campagne de mesure a été effectuée pour valider la conception des réflecteurs proposés. Les réflecteurs préliminaires des réflecteurs ont montré de bonnes performances radioélectriques ainsi que la satisfaction du cahier des charges. Le réflecteur simple à zones de Fresnel possède un rendement d’ouverture de l’ordre de 34 % pour un diamètre de 130 mm et une distance focale de 70 mm. Bien que l’efficacité du réflecteur double de même diamètre mais de distance focale de 35 mm soit un peu inférieure au réflecteur initial, sa compacité ainsi que sa solidité en font un très bon candidat pour l’antenne du radar
This report is dedicated to the design and the fabrication of a millimeter antenna for obstacle detection and collision avoidance radar and working at 94 GHz, application to power lines detection for helicopter. The characteristic requirements of antenna are : high gain, narrow beam width, low profile and low cost. The solution is to use a printed reflector illuminated by a low directive primary source. First, the work is concentred in the design of an antenna as primary source, fed by waveguide WR-10. This antenna should satisfy the good characteristics (low reflection coefficient, similar radiation pattern in the E and H planes and low shadower) and feasibility fabrication. The second work focuses on the design of a printer reflector satisfied the radar requirements, also the simplicity of fabrication. The key of such reflector resides in the capacity to find elementary patch constitutive of this one, they allow to obtain a phase range as broad as possible while assuring a suitable sensitivity to the tolerances of manufacture. For this reason, we use a thick substrate and elements of circular, annular form or overlapping. The range of reflection phase reaches over 360°. The compensation of phase delay is carried out by Fresnel zones. The antenna reflector is combined one full zone of 8 Fresnel zones in its center and the zones of 4 Fresnel zones in its periphery. Then, in order to reduce the profile of this system, we propose another solution based on the association of a grid polarizing and a reflector turning its polarization of 90°. The new reflector is obtained by a small modification of the basic patch. The annular patch is cut to be a patch of C. Finally, series of measurement were carried out to valid the design of reflectors suggested. The preliminary results showed good radioelectric performances as well as the satisfaction of radar requirements. The Fresnel zone reflector antenna of 8+4 Fresnel zones has an aperture efficiency of 34 % for a diameter of 130 mm and a focus length of 70 mm. The effectiveness of the double reflector antenna with same diameter but of focal distance of 35 mm, it is a little lower than the reflectors initial. Thanks to the compactness and solidity, the double reflector antenna is a very good candidate to be the antenna of obstacle detection radar

Les Détecteurs a Inductance Cinétique (KID) ont récemment attiré l'attention de la communauté des détecteurs fonctionnants à très basse température (~100 mK). Haute sensibilité, une fabrication simple, une lecture à faible constante de temps et un multiplexage fréquentielle intrinsèque, ouvrent de nouvelles possibilités pour les expériences necessitant des matrices de détecteurs ultra-sensibles avec un grand nombre de pixels. En astronomie millimétrique, l'instrument New IRAM KID Array (NIKA) est aujourd'hui la meilleure démonstration des performances optiques des ces détecteurs. Cette dernière est composée de plusieurs centaines des KIDs répartis sur deux bandes spectrales. NIKA est installé de manière permanente au telescope (30 mètres) IRAM à Pico Veleta (Grenade, Espagne). Pendant les campagnes d'observation NIKA, nous avons démontré des performances comparables aux bolomètres et l'instrument est aujourd'hui ouvert à la communauté des astronomes. Ces résultats favorables ont déclenché le développement d'une géneration plus ambitieuse : NIKA2. Cette dernière fonctionnera avec pas moins de quelques ~5000 pixels. De plus, il existe une volonté d'étendre la technologie de KID pour les futures missions spatiales d'observation. Dans ce cadre, il est important d'étudier l'interaction des rayons cosmiques avec les matrices de KIDs. Nous avons réalisé une étude avancée permettant aujourd'hui d'entrevoire la physique derrière les intéractions à haute énergie dans les substrats et leur propagation sous forme de phonons jusque dans les pixels. Le travail effectué dans cette thèse est centré principalement sur le développement des instruments (les matrices des detecteurs et le software de lecture et acquisition des donnes) dédiés aux KIDs pour ces mesures
Kinetic Inductance Detectors (KID) have recently drawn the attention of the low-temperature detectors community. High sensitivity, low fabrication complexity, small time constant and most notably the intrinsic capability of frequency multiplexed readout open new possibilities for experiments which need large format arrays of ultra sensitive light detectors. In millimeter Astronomy, the New IRAM KID Array (NIKA) instrument is today the most beautiful demonstration of this statement. It is a two bands hundreds-pixels KID based camera permanently installed at the focal plane of the IRAM 30-m telescope of Pico Veleta (Granada, Spain). Thanks to the NIKA observational campaign, we have de nitively demonstrated performances comparable to the state-of-art of bolometers and the instrument is today opened to the astronomers community. This encourages further array scaling and opens the path to next generation kilo-pixels ground-based cameras, like NIKA-2. Moreover, the will to extend KID technology to space mission needs the interaction with cosmic rays to be investigated. The understanding of the physics behind substrate-higher energy particles interactions led us to implement a fully independent system for the phonon-mediated particle detection with KID arrays. The work carried out through this PhD thesis concerned the development of optimized Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKID) and the implementation of dedicated readout techniques for the aforementioned activities

Liens entre spectroscopie millimétrique et radioastronomie moléculaire. Interprétation des spectres observés : cas des molécules diatomiques à couches fermées, puis à couches ouvertes ; méthodes approchées de détermination de la structure moléculaire de molécules polyatomiques. Fonctionnement dans le domaine millimétrique et submillimétrique d'un spectromètre performant automatisé ; les différents types de décharge utilisés

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

Grâce aux progrès des technologies silicium, il est désormais possible de concevoir des circuits complexes dans la bande de fréquence millimétrique au-delà de 110 GHz. La conception de ces systèmes repose sur l’utilisation de modèles précis et fiables des dispositifs passif et actif tels que les transistors MOS ou bipolaires. Afin de s’assurer de la validité de ces modèles au-delà de 110 GHz, il est nécessaire de réaliser des mesures supérieures à 110 GHz. Cependant, au-delà de cette fréquence, les bancs et méthodes de caractérisation actuels atteignent leurs limites. Ces travaux de thèse s’inscrivent pleinement dans cette problématique liée à la montée en fréquence des besoins de caractérisation, dont l’objectif est le développement de bancs de caractérisation pour la mesure de bruit et de puissance entre 130 GHz et 320 GHz. Les travaux réalisés ont abordé le développement d’un récepteur de bruit qui a ainsi permis la caractérisation des sources de bruit développées, jusque 260 GHz. La dernière problématique traitée par ces travaux a été le développement d’un détecteur de puissance hautes fréquences jusque 320 GHz, possédant une large dynamique de mesure et une sensibilité suffisamment élevée pour assurer une mesure précise et fiable
Thanks to advances in silicon technologies, it is now possible to design complex circuits in the millimeter frequency band above 110 GHz. The design of these systems relies on the use of accurate and reliable models of passive and active devices such as MOS or bipolar transistors. In order to ensure the validity of these models above 110 GHz, it is necessary to perform measurements above 110 GHz. However, beyond this frequency, the current test bench and methods of characterization are reaching their limits. These thesis studies are fully in line with this problem related to the increasing frequency of characterization needs, whose objective is the development of characterization benches for noise and power measurement between 130 GHz and 320 GHz. The work carried out has addressed the development of a noise receiver that has enabled the characterization of noise sources developed up to 260 GHz. The last problem dealt with by this work was the development of a high frequency power detector up to 320 GHz, with a large measurement dynamic range and a sufficiently high sensitivity to ensure an accurate and reliable measurement

Ces travaux de recherche portent sur les systèmes de communication radio-sur-fibre aux fréquences millimétriques supérieures à 60 GHz. Cette thèse s’articule autour de trois problématiques cruciales pour ces systèmes : la mesure du bruit de phase des signaux millimétriques instables générés par voie optique, la suppression de l’impact du bruit de phase sur les performances des systèmes de communications radio-sur-fibre par l’utilisation de techniques de conversion de fréquence non-cohérente, et enfin l’étude de l’impact du bruit d’intensité sur les performances des systèmes à détection non-cohérente. La première partie du travail présente une nouvelle technique de détection numérique du bruit de phase, capable de mesurer le bruit de phase à n’importe quelle fréquence millimétrique générée par voie optique et donc le plus souvent instable. Il est possible de mesurer le bruit de phase pour une large gamme de fréquences de décalage, allant de fréquence très proches de la porteuse à des bruits lointains grâce à l’adaptation de la résolution fréquentielle de la mesure. Cette mesure se fait de plus sans l’approximation des petits angles, très souvent utilisés. Dans la deuxième partie, un système de communication millimétrique basé sur une détection non-cohérente est étudié. L’étage de conversion de fréquences électrique permettant l’analyse des signaux est réalisé avec une détection d’enveloppe, ce qui permet de s’affranchir des variations de phase et de fréquence de la porteuse générée par voie optique. Pour terminer, des études théoriques et expérimentales sont menées sur l’impact du bruit d’amplitude sur les systèmes radio-sur-fibre utilisant ce type de détection non-cohérente. Les simulations, basées sur des modèles théoriques, sont capables de déterminer quel bruit est prédominant lors des mesures d’EVM parmi les bruits optiques et électriques. Cette technique s’appuie sur l’observation de l’évolution de l’EVM sur la puissance optique reçue
This Ph.D. investigates the radio over fiber communication systems at mm-wave frequencies higher than 60 GHz. The thesis elaborates on three crucial issues in these systems including:phase noise measurement of unstable optically generated mm-wave signals, elimination ofphase noise impact on performance of radio over fiber systems using non-coherent down conversion technique, and studying the amplitude noise impacts on performance of system based on these detectors. In the first part of this work, a new digital phase noise measurement technique is presented which is able to extract the phase noise of any unstable mm-waveoptically generated signal. This technique is able to measure the phase noise for a widerange of offset frequencies from close-in phase noise to far noise floor by adapting frequency resolution of measurement and without considering small angle approximation. In the second part, we present a radio over fiber system at mm-wave frequency based on non-coherent electrical frequency down conversion stage using an envelope detector which is robust against phase and frequency fluctuations of the optically generated carrier signal. Finally, a the oreticaland experimental study of amplitude noise impact on performance of radio over fiber systemsbased on non-coherent receivers is presented. In this study, a simulation technique based ontheory is developed which is able to determine, among different optical and electrical noise, the one which has the dominant effect on EVM results. This simulation technique is based onobserving the EVM evolution versus received optical power

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

Le but de ce travail est de quantifier le potentiel et les capacités de la technologie térahertz à contrôler des colis afin de détecter les menaces telles que les armes et les explosifs, sans avoir besoin d'ouvrir le colis.Dans cette étude, nous présentons la spectroscopie térahertz résolue en temps et l'imagerie multi-spectrale pour la détection des explosifs. Deux types d’explosifs, ainsi que leurs mélanges binaires sont analysés. En raison de la complexité de l'extraction des informations face à tels échantillons, trois outils de chimiométrie sont utilisés: l’analyse en composantes principales (ACP), l'analyse des moindres carrés partiels (PLS) et l'analyse des moindres carrés partiels discriminante (PLS-DA). Les méthodes sont appliquées sur des données spectrales térahertz et sur des images spectrales pour : (i) décrire un ensemble de données inconnues et identifier des similitudes entre les échantillons par l'ACP ; (ii) créer des classes, ensuite classer les échantillons inconnus par PLS-DA ; (iii) créer un modèle capable de prédire les concentrations d’un explosif, à l'état pur ou dans des mélanges, par PLS.Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons l'imagerie par les ondes millimétriques pour la détection d'armes dans les colis. Trois techniques d'imagerie différentes sont étudiées : l'imagerie passive, l’imagerie active par des ondes continues (CW) et l’imagerie active par modulation de fréquence (FMCW). Les performances, les avantages et les limitations de chacune de ces techniques, pour l’inspection de colis, sont présentés. En outre, la technique de reconstruction tomographique est appliquée à chacune de ces trois techniques, pour visualiser en 3D et inspecter les colis en volume. Dans cet ordre, un algorithme de tomographie spécial est développé en prenant en considération la propagation gaussienne de l'onde
The aim of this work is to demonstrate the potential and capabilities of terahertz technology for parcels screening and inspection to detect threats such as weapons and explosives, without the need to open the parcel.In this study, we first present terahertz time-domain spectroscopy and spectral imaging for explosives detection. Two types of explosives as well as their binary mixture is analyzed. Due to the complexity of extracting information when facing such mixtures of samples, three chemometric tools are used: principal component analysis (PCA), partial least square analysis (PLS) and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). The analyses are applied to terahertz spectral data and to spectral-images in order to: (i) describe a set of unknown data and identify similarities between samples by PCA; (ii) create a classification model and predict the belonging of unknown samples to each of the classes, by PLS-DA; (iii) create a model able to quantify and predict the explosive concentrations in a pure state or in mixtures, by PLS.The second part of this work focuses on millimeter wave imaging for weapon detection in parcels. Three different imaging techniques are studied: passive imaging, continuous wave (CW) active imaging and frequency modulated continuous wave (FMCW) active imaging. The performances, the advantages and the limitations of each of the three techniques, for parcel inspection, are exhibited. Moreover, computed tomography is applied to each of the three techniques to visualize data in 3D and inspect parcels in volume. Thus, a special tomography algorithm is developed by taking in consideration the Gaussian propagation of the wave