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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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49documents trouvés

18199
06/07/2018

Efficacité énergétique des architectures de communication sans fils IR-UWB pour les réseaux de capteurs sans fil

B.BENAMROUCHE

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 6 Juillet 2018, 121p., Président: P.PONS, Rapporteurs: L.FRESQUET, L.DOBRESCU, Examinateurs: N.VARACHIU, A.GHIOTTO, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU , N° 18199

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Abstract

This Ph.D. Subject proposes the design of a new generation of wireless sensor networks (WSN) based on impulse radio ultra-wide band (IR-UWB), reconfigurable upon the application, reliable and ultra-low power. Applications like structure health monitoring of aerospace structures or portable smart sensing systems for human protection can be targeted. These industrial applications impose very demanding specifications for the wireless communication protocol (in some cases, new services are needed like: localization, clock synchronization, real-time transmission, etc) on one side, and for the circuit design, on the other side, as the ultra-low power circuits are needed. Energy efficiency is the major driver in today development of the wireless sensor networks. We chose impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technique for our developments. IR-UWB is a very promising technique able to respond to the wireless communication protocol constraints and to energy efficiency constraints.! The objective of this Ph.D. will be to design an ultra-low power IR-UWB transceiver. IR-UWB signal processing techniques has to be study and innovator solution has to be proposed for the implementation of the IR-UWB transceiver. The first prototype will be developed on FPGA boards (and/or USRP boards) and the final IR-UWB transceiver will be an ASIC in CMOS technology. The design of an ultra-low power consumption of the CMOS transceiver will be a major concern. Modern ultra-low power circuit techniques from the nanometrics CMOS design kits will be used. MAC layer adapted to the demands of the application and working on IR-UWB physical layer will be also studied and designed. A microprocessor integration on the chip for power management of the different parts (sensor, communication, computing, energy harvesting) of the system can also be studied. This work will be based on the previous research results obtained in our team in the case of static WSN. This work will take plac! e in the highly stimulating and competitive environment of a E! uropean project.

Résumé

Le sujet de thèse propose une nouvelle génération de réseaux de capteur sans fil base sur impulse radio ultra wide bande (IR-UWB) reconfigurable suivant l'application souhaitée et a très basse consommation. Le dispositif peut être utilisé dans différents domaines comme l’aéronautique et l’aérospatiale. Ces applications industrielles imposent des spécifications très exigeantes pour le protocole de communication sans fil (dans certains cas, de nouveaux services sont nécessaires comme : la localisation, la synchronisation de l'horloge, la transmission en temps réel, etc.) D'un cote, et pour la conception de circuits, de l'autre cote, les circuits de puissance ultra-faible sont nécessaires. La consommation énergétique d’un système de communication sans fil est la contrainte majeure pour le déploiement d’un réseau de capteurs sans fil autonome. Les travaux de recherche présente dans cette thèse ont menés au développement d’un émetteur-récepteur à très faible consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonome pour des applications de structural Heath monitoring dans des domaines aéronautique. Une description est faite pour les différents types de technologie de communication sans fil pour la surveillance des structures (SHM), la technologie ultra large bande (UWB) et les régulations en bande autorisée dans le monde, quelles sont les différents application ciblées par de tels technologie en se concentrant sur les système de surveillance des structure pour le domaine aéronautique. Nous avons détaillé la communication sans fil ultra large bande (UWB) en présentant la technique de communication sans fil UWB par ! impulsion avec les avantages qu’elle offre pour notre application et illustrer les travaux existant actuellement. Une présentation est faite de l’architecture de l’émetteur-récepteur IR-UWB conçu en détaillant le design complet avec l’intégration de la solution proposée clock-gating pour un système à une grande efficacité énergétique avec une implémentation et validation d’un prototype sur une plateforme FPGA. Une description de la conception et la fabrication d’un système sur puce ASIC de notre design d’émetteur-récepteur IR-UWB avec la technologie CMOS 65nm de st microélectronique et les avantages qu’il offre que ça soit en terme d’efficacité énergétique ou de taille de système.

Mots-Clés / Keywords
Fatigue structurelle; Réseau de capteurs sans fil; Émetteur-récepteur IP-UWB; FPGA; ASIC; Faible consommation; Structural health monitoring; Wireless sensor network; IP-UWB Transceiver; Energy efficient;

144115
18161
29/05/2018

Imagerie radar en ondes millimétriques appliquée à la viticulture

D.HENRY

MINC

Doctorat : 29 Mai 2018, 212p., Président: C.LUXEY, Rapporteurs: L.FERRO-FAMIL, C.MIGLIACCIO, Examinateurs: S.BILA, A.GHIOTTO, R.ROUVEURE, Directeurs de thèse: H.AUBERT , N° 18161

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Abstract

With the expansion of farm operations, the principle of homogeneity of crop yields (cereals, fruits …) becomes less and less relevant. This observation of spatial variabilities implies economic and environmental consequences with the development of new arrangements of agricultural works such as “site-specific management”. Treatments such as fertilizers, nutrients and pesticides must be used differently by applying them at the right time, right place and right rate. This new way to think the agriculture is called precision agriculture (PA) and gathers four technological fields: (i) remote sensing, (ii) navigation and guidance, (iii) data management and (iv) variable-rate technologies. Precision viticulture (PV) is an application of PA which was initiated in the late 90’s and is characterized by issues specific to viticulture. Work carried out during this thesis is a direct application of remote sensing (or proximal sensing) applied to PV. It focuses on a new method of remote sensing of grapes quantity (mass or volume) directly on vine plants. Estimating the quantity of grapes several weeks before harvesting offers many advantages with qualitative and economic impacts such as: (i) improving the yield / quality ratio with an early removal of a part of the harvest, (ii) optimizing human resources and equipment during the grape harvest, and (iii) be fairly compensated by insurances in case of severe weather conditions that damaged the vine plants. The method proposed here relies on microwave imagery (24 GHz and higher) generated by a FM-CW radar. It implies the set-up of ground-based remote reading system for a plant-by-plant intra-parcel analysis and particularly: (i) evaluating the measurement accuracy, precision and limits of the system, (ii) developing specific algorithms in order to analyze three-dimensional volume data, (iii) building statistical estimators for retrieving the volume of grapes and finally (iv) analyzing data acquired during field measurements. Because of the seasonality of the grape harvest, measurements are firstly performed on canonic targets, variable loads and passive sensors in laboratory. To enlighten the flexibility of the radar interrogation technique, the same system is also used as part of the regional project PRESTIGE to remotely count the number of apples on trees in orchards. This work has been funding by the company Ovalie-Innovation and the ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Résumé

Avec l’expansion des exploitations agricoles, le principe d’homogénéité du rendement (céréales, fruits…) devient de moins en moins pertinent. Ce phénomène de variabilité spatiale implique des conséquences économiques et environnementales avec le développement de nouveaux concepts agricoles comme les « site-specific management » (gestion spécifique des parcelles). Les traitements tels que les fertilisants, les intrants et autres pesticides doivent être utilisés de manière différente en les appliquant au bon endroit, à la bonne période et au bon taux. Cette nouvelle façon de penser l’agriculture fait partie de l’agriculture de précision (PA) et se concentre en quatre domaines technologiques : (i) la télédétection, (ii) la navigation et guidage, (iii) la gestion des données et (iv) les technologies à taux variable. Initiée à la fin des années 1990, la viticulture de précision (PV) est une branche particulière de la PA, caractérisée par des problématiques spécifiques à la viticulture. Les travaux effectués durant cette thèse entrent dans le cadre de la télédétection (ou détection proche) appliquée à la PV. Ils se focalisent sur une nouvelle méthode d’estimation de la quantité de grappes (masse ou volume) directement sur les plants de vignes. Pouvoir estimer le rendement des vignes plusieurs semaines avant la récolte offre de nombreux avantages avec des impacts économiques et qualitatifs, avec par exemple : (i) l’amélioration du rapport rendement/qualité en supprimant au plut tôt une partie de la récolte, (ii) l’optimisation des ressources humaines et la logistique à la récolte, (iii) un remboursement le plus équitable par les assurances en cas d’intempéries qui endommageraient les pieds de vignes. La méthode proposée ici repose sur l’imagerie microondes (à 24GHz ou des fréquences plus élevées) générée par un radar FM-CW. Elle implique la mise en place d’un système d’interrogation intra-parcellaire « pied par pied » à distance basé au sol, et en particulier : (i) l’évaluation de la précision des mesures et les limites du système, (ii) le développement d’algorithmes spécifiques pour l’analyse de données tridimensionnelles, (iii) la construction d’estimateurs pour retrouver le volume des grappes, et finalement (iv) l’analyse des données recueillies pendant les campagnes de mesures. Dû au caractère saisonnier des récoltes, les mesures sont en premier lieu effectuées sur des cibles canoniques, des charges variables et des capteurs passifs en laboratoire. Pour mettre en avant la flexibilité de cette interrogation radar, le même système est utilisé en parallèlement dans le cadre du projet régional PRESTIGE, pour compter à distance le nombre de pommes présentes sur les pommiers en verger. Ces travaux ont été financés par l’entreprise Ovalie-Innovation et l’ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Mots-Clés / Keywords
Capteurs passifs; Imagerie radar; Radar micro-ondes; Télédétection; Viticulture de précision; Millimeter-wave radar; Passive sensors; Precision viticulture; Radar imagery; Remote sensing;

143855
17500
20/12/2017

Conception et réalisation de rectennas utilisées pour la récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fils

A.OKBA

MINC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 20 Décembre 2017, 159p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: T.P.VUONG, T.TARIS, Examinateurs: D.GRANENA, H.HALLIL ABBAS, P.CHAN, Directeurs de thèse: H.AUBERT, A.TAKACS, Membre invité: A.BELLION , N° 17500

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705139

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Abstract

The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: • The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. • The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. • The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability…) • The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called “Rectenna” in order to supply energy to low power wireless sensors. The term “rectenna” is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.

Résumé

L’électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l’électronique numérique et l’intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l’informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d’objets multiples, ont permis le développement d’un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l’expansion des applications liées à l’Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s’appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : • Flexibilité dans le choix de l’emplacement. Ils permettent l’accès à des zones dangereuses ou difficiles d’accès. • Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. • Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité…) • Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n’assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l’accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d’approvisionner l’énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L’intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d’autres techniques en termes d’apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d’énergie électromagnétique et le transfert d’énergie sans fil (TESF). En effet, l’énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l’utiliser donc comme source d’énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d’énergie électromagnétique pour l’alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d’énergie électromagnétique est appelé « Rectenna », ce mot est l’association de deux entités qui sont « antenne » et « rectifier » qui désigne en anglais le « redresseur ». L’antenne permet de récupérer l’énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l’UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu’aux bandes Ku et Ka.

Mots-Clés / Keywords
Systèmes cyber-physiques; Capteur sans fil; Transfert d’énergie; Récupération d’énergie électromagnétique; Antenne; Redresseur; Rectenna; Cyber physical systems; Low-power wireless sensors; Wireless power transfer; Energy harvesting; Antennas; Rectifier;

142233
16565
19/12/2016

Flexible substrate technology for millimeter wave applications

Z.YANG

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 19 Décembre 2016, 105p., Président: P.PONS, Rapporteurs: R.MULLER, G.PAPAIOANNOU, Examinateurs: A.GHIOTTO, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU, A.TAKACS , N° 16565

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499425

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Résumé

Cette thèse fait partie des efforts de recherche pour étudier l’intégration hétérogène sur le substrat souple des nœuds de communicants pour les réseaux de capteurs sans fil dans la bande à 60GHz. Le System in Package (SiP) devrait avoir une consommation d'énergie très faible et être faible coût pour répondre aux exigences des applications telles que la Surveillance de Santé de Structure (Structure Health Monitoring - SHM en anglais) dans le domaine aéronautique par exemple. Chaque nœud est composé des nano-capteurs, des transceivers et des antennes d’émission et de réception. Les nanotechnologies ont permis le développement de nano-capteurs ultra-sensibles à base de nanoparticules. Les transceivers deviennent de plus en plus miniaturisés et donc permettre la possibilité de les reporter sur le substrat flexible. Les antennes peuvent être intégrés sur le substrat flexible avec les nano-capteurs développés et émetteurs miniaturisés, ce qui est l'approche très innovante de cette thèse.

Abstract

This thesis is part of research effort to develop a 3D heterogeneous integration of wireless sensor node on flexible substrate for the unlicensed 60GHz band. The System in Package (SiP) should have a very low power consumption and very low cost to meet the requirements of applications like Wireless Sensor Networks (WSNs) for Structure Health Monitoring (SHM). Using a flexible substrate for wireless sensor node integration can offer the advantage of being localized in areas with access difficulty especially in non-planar area. Each node is composed of nano-sensors, transceivers and TX/RX antenna. Nanotechnologies made it possible the development of ultra-sensitive nano-sensors based on nanoparticles deposition. Transceivers become more and more miniaturized and hence enable the possibility of postpone them onto flexible substrate. The antennas can be integrated on the flexible substrate along with the developed nano-sensors and miniaturized transceivers, which is the very innovative approach of this thesis.

Mots-Clés / Keywords
Heterogeneous integration; Flip-chip; Technological process on flexible substrate; Antennas on Kapton; Intégration hétérogène; Process technologic sur substrat souple;

139376
16563
01/12/2016

Miniaturisation d'antennes très large bande pour applications spatiales

J.VALLEAU

MINC

Doctorat : INP de Toulouse, 1 Décembre 2016, 163p., Président: A.REINEX, Rapporteurs: C.DELAVEAUD, A.SHARAIHA, Examinateurs: P.POULIGUEN, Directeurs de thèse: H.AUBERT, A.BELLIO , N° 16563

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499316

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Abstract

Currently space applications require to embark more and more equipment to make the most complete missions possible. However, the space on satellites is a limited resource, therefore miniaturization of embedded electronics is a crucial requirement. In embedded applications covering several frequency ranges, use Ultra WideBand antennas (UWB) is a classic and effective solution to limiting the number of antennas and associated circuits. Therefore, the miniaturization of UWB antennas is a major scientific challenge. A miniaturization technique was recently discovered [1] - [3]. It consists to load an Archimedean spiral antenna by stacking coupled resonant rings. This technique allows a reduction of about 35% of the diameter of the antenna without significant degradation of radiating performances. The work of this thesis allows to improve the physical understanding of the role played by the rings in the miniaturization process. An equivalent circuit is developed on the basis of integral equations using extended test functions and the concept of surface impedance. This circuit simulates the electromagnetic response of the coupled and stacked rings 10 times faster than using commercial and rigorous simulation software. This time saving is employed to test a large number of solutions from which it is possible to identify the optimal structure for the miniaturization of the Archimedean spiral loaded with stacked resonant rings. To maximize the effect of coupled resonant rings in the miniaturization of the antenna, the choice of the resonant frequency of the rings is essential. This frequency must be low enough and allow the antenna to stay matched over the widest possible frequency band. The resonant frequency of the rings depends on the deployed perimeter of the rings. The perimeter length is fixed by the choice of the pattern and its number of repetitions along the rings. A quick methodology to select the most suitable pattern for the design of the miniaturized antenna is presented. This method and the equivalent electrical circuit enable a quick and optimized design of a miniature UWB antenna. The validation of this design methodology was done experimentally on the basis of several realizations.

Résumé

De nos jours les applications spatiales nécessitent d’embarquer toujours plus d’équipements afin de rendre les missions les plus complètes possibles. Cependant l’espace à bord des satellites est une ressource limitée et par conséquent, la miniaturisation de l’électronique embarquée est une nécessité cruciale. Dans les applications embarquées couvrant plusieurs plages de fréquence différentes, l’utilisation d’antennes ultra large bande (ULB) est une solution classique et efficace pour limiter le nombre d’antennes et de circuits associés. Leur miniaturisation présente donc un enjeu scientifique majeur. Une technique de miniaturisation consistant à charger une antenne spirale d’Archimède par un empilement d’anneaux résonants et couplés a récemment été découverte [1]-[3]. Elle permet une diminution de l’ordre de 35% du diamètre de l’antenne sans dégradation notable des performances en rayonnement. Les travaux de cette thèse permettent d’affiner la compréhension physique du rôle joué par les anneaux dans le phénomène de miniaturisation. Un circuit électrique équivalent est élaboré sur la base d’équations intégrales utilisant des fonctions d’essai étendues et le concept d’impédance de surface réactive. Ce circuit permet de simuler la réponse électromagnétique des anneaux empilés et couplés 10 fois plus vite qu’en utilisant des logiciels de simulation commerciaux et rigoureux. Ce gain de temps est mis à profit pour tester un nombre de combinaisons importants de solutions parmi lesquelles il est possible d’identifier la structure optimale pour la miniaturisation de la spirale d’Archimède chargée par des anneaux empilés et résonants. Pour maximiser l’effet des anneaux résonants couplés dans la miniaturisation de l’antenne, le choix de la fréquence de résonance des anneaux est crucial. Cette fréquence doit être suffisamment basse et permettre à l’antenne de rester adaptée en impédance sur la bande de fréquence la plus large possible. La fréquence de résonance des anneaux dépend du périmètre déployé des anneaux. Ce périmètre est fixé par le choix du motif de base et par le nombre de ses répétitions le long des anneaux. Une méthode rapide pour choisir le motif le plus adapté à la conception de l’antenne miniaturisée est présentée. Cette méthode et le circuit électrique équivalent permettent la conception optimisée et rapide d’une antenne ULB miniature. La validation de cette méthodologie de conception s’est faite expérimentalement sur la base de plusieurs réalisations.

Mots-Clés / Keywords
Miniaturisation; Antenne; ULB; Ultra large bande; Miniaturization; Antennas; Ultra-wideband (UWB);

139342
16217
12/07/2016

Étude et modélisation d'un système de transmission d'énergie par couplage inductif pour des systèmes électroniques dans l'environnement automobile

G.VIGNEAU

MINC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Juillet 2016, 213p., Président:, Rapporteurs: R.STARAJ, T.P.VUONG, Examinateurs: C.ALONSO, A.GHIOTTO, Membres invités: R.BENBOUHOUT, Y.VASSILIEF, D.DRAGOMIRESCU, Directeurs de thèse: A.TAKACS, M.CHEIKH , N° 16217

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01362049

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Résumé

Actuellement, les systèmes permettant de transférer de l’énergie dans le but de recharger les accumulateurs d’appareils électroniques sans l’emploi de câble se démocratisent davantage chaque jour. On comprend donc bien l’intérêt de tels systèmes dans des environnements embarqués et confinés tels que l’habitacle d’un véhicule. Le principe de l’induction magnétique réside dans un transfert de flux magnétique entre deux bobines/antennes inductives. Le champ magnétique servira de vecteur au transport d’une puissance électrique d’un dispositif émetteur vers un récepteur. De tels systèmes étant utilisés dans des environnements confinés où cohabitent plusieurs systèmes électroniques, émetteurs ou non d’ondes électromagnétiques, on comprend bien la nécessité de pouvoir estimer de manière correcte les performances intrinsèques du système de chargement inductif. Mais il est également nécessaire d’évaluer l’impact que ces systèmes peuvent avoir sur les autres fonctions électroniques situées à proximité, ou bien la réaction du corps humain à l’exposition électromagnétique qu’il subit. C’est dans ce but là qu’a été développée une méthodologie de co-simulation, permettant de modéliser de manière précise la chaine d’émission-réception de puissance complète. L’aspect électromagnétique est considéré à partir de modèles d’antennes, utilisés pour étudier les possibilités d’optimisation du transfert d’énergie inductif. Ces résultats étant ensuite intégrés dans une modélisation circuit, associant ainsi le comportement des antennes à celui des circuits électroniques réalisant la fonction de transfert d’énergie. Les problématiques de l’exposition du corps humains aux ondes électromagnétiques, de cohabitation inter systèmes ainsi que la présence de corps métalliques potentiellement dangereux à proximité de ces dispositifs de chargement inductif seront également abordées.

Mots-Clés / Keywords
Méthodologie de co-simulation; Modélisation et simulation électromagnétique; Plateforme de chargement inductif; Systèmes électroniques pour automobile; Transfert d'énergie sans fil;

137177
14725
15/12/2014

Développement de réseaux de capteurs sans-fil de nouvelle génération pour la surveillance de structures aéronautiques

F.PERGET

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 15 Décembre 2014, 124p., Président: P.OWEZARSKI, Rapporteurs: Y.DEVAL, D.HOUZET, Examinateurs: J.TURBERT, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU , N° 14725

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01204872

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Abstract

Wireless Sensor Networks (WSN) is an emerging technology which allows deploying wireless communicating autonomous heterogenous sensors. This monitoring capability paves the way for new innovative applications or breakthrough evolution of existing ones. WSN have started to change the industry and our daily lives. Their communication, energy, miniaturization and cost requirements can not be met by evolutions of current technologies but will require new innovations. Among health, environement, industrial and military applications for WSN, one of the most revolutionary is Structural Health Monitoring (SHM). SHM is the art of monitoring anything which can wear, break down or be damaged. It is of utmost importance in safety sensitive domains such as the transport and construction industries. By placing sensors in carefully chosen locations, SHM will allow failure prediction, cost reduction and improved performance of bridges, planes, building or engines. The tens to thousand of sensors and the huge amount of data generated places a strong burden on the wireless communication of the nodes, which can not be satisfied with today’s technology. This work presents the design and implementation work such a wireless communication system. Following a presentation of the context and requirement of this work, a general description of the SHM system is given. A specific highly energy efficient physical layer based on Impulse-Radio UltraWide Band (IR-UWB) has been designed. The complete IR-UWB transmitter and receiver are detailed, including the energyefficiency optimized channel coding. A specific Medium Access Control (MAC) layer allowing a large number of communicating nodes based on reconfigurable Time Division Multiple Access (TDMA) was designed. Several prototypes of this system have been implemented to prove feasability and performance. These implementations employ advanced energy consumption reduction and reconfigurability techniques to answer WSN communication challenges. An ASIC implementation simulation has demonstrated hundred of megabits per second datarate at state of the art energy efficiency.

Résumé

Les réseaux de capteurs sans-fil sont une nouvelle technologie qui permet de déployer des capteurs hétérogènes et de les faire communiquer sans fil et de façon autonome. Cette capacité nouvelle à surveiller ou instrumenter le monde qui nous entoure ouvre la voie à de nouvelles applications innovantes ou à une évolution majeure d’applications déjà existantes. D’une dizaine de noeuds à plusieurs milliers, les réseaux de capteurs sans fil commencent à conquérir le monde industriel et notre vie quotidienne. Leurs besoins en communication, gestion, génération et stockage de l’énergie, miniaturisation et réduction des coûts ne nécessitent pas seulement de perfectionner les technologies actuelles, mais bien d’en inventer de nouvelles. Parmi toutes les applications révolutionnaires des réseaux de capteurs sans fil comme dans les domaines de la santé, de l’environnement, de l’industrie et du militaire, l’une des applications les plus transformatrices est la surveillance de structure. La surveillance de structure est l’art de surveiller tout ce qui peut s’abîmer, s’user ou tomber en panne. Elle est particulièrement importante dans les domaines des transports et du bâtiment, étant donné que la sécurité des personnes est en jeu. En plaçant aux endroits stratégiques des capteurs sans-fil, il sera possible de prévoir et de prévenir la défaillance d’un pont, l’usure d’un avion ou d’un train ou la déformation d’un bâtiment. La surveillance de structure permet de prévenir les pannes et les défaillances, de réduire les coûts de maintenance et d’améliorer les performances. C’est un processus complexe qui implique plusieurs technologies : des capteurs, la transmission de l’information et l’analyse des données. La nature (accéléromètre, gyroscope, jauge de contrainte, température, pression, fuite, givre, etc. . .), la position ainsi que le nombre de capteurs sont dictés et dépendants des besoins de l’analyse de la structure qui doit être effectuée. De ce fait, afin d’offrir une couverture suffisante de la structure de l’appareil avec plusieurs centaines voire plusieurs milliers de capteurs que leur localisation rendra difficile d’accès, les contraintes imposées au système de transmission de données sans fil, , nécessitent des nouvelles innovations en matière d’efficacité énergétique et de performance de communication. Ce travail s’intéresse à la conception et à l’implémentation d’un système de transmission de données dans un réseau de capteurs sans-fil. Après une présentation des exigences du système de surveillance de structure aéronautique, l’architecture générale du système de surveillance est décrite. Une couche physique spécifique à haute efficacité énergétique basée sur l’Impulse- Radio UltraWide Band a été conçue. Les designs complets de l’émetteur et du récepteur IR-UWB sont présentés ainsi que l’optimisation du codage canal par rapport à la consommation énergétique. Une couche MAC spécifique permettant un nombre important de noeuds et une efficacité énergétique élevée basée sur du TDMA reconfigurable a été conçue. Plusieurs prototypes ont été implémentés pour valider la conception et démontrer les performances. Ces implémentations utilisent des techniques avancées d’optimisation de la consommation énergétique et de reconfigurabilité afin de répondre aux exigences des réseaux de capteurs sans-fil. Des simulations ASIC permettent également de prévoir que ce système permettra de supporter des débits applicatifs de plusieurs centaines de mégabits par seconde, tout en permettant à plusieurs dizaines de noeuds de communiquer. Les performances énergétiques de ce système de communication sont aujourd’hui à l’état de l’art. Enfin, cette technologie de communication sans-fil a été intégrée dans un système complet de deux noeuds capteurs et d’un routeur dans un démonstrateur FPGA

135233
14666
27/11/2014

Étude d’une antenne vectorielle UHF multibande appliquée à la goniométrie 3D

J.LOMINE

MINC

Doctorat : Ecole Nationale d'Aviation Civile, 27 Novembre 2014, 222p., Président: X.BEGAUD, Rapporteurs: M.HIMDI, Examinateurs: A.BELLION, C.IMBERT, , Directeurs de thèse: H.AUBERT, C.MORLAAS , N° 14666

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01117288

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Abstract

Nowadays, a lot of wideband or multiband direction finding antennas operating in the UHF band exist. Nevertheless, only few of them allow to estimate the direction of arrival in the full 3D space. At the author’s knowledge, the first 3D direction finding antenna was studied in the 1960s, at the University of Michigan. Composed of 17 sensors, located on a large hemispherical surface, this antenna is bulky and complex to use. Recently, some studies have proposed another approach based on the multicomponent measurement of the electromagnetic field that allows to decrease the antennas size and the number of radiating elements without reducing the 3D angular coverage. However, only HF (3-30MHz) or narrowband systems have been reported. The objective of this PhD is to study and to develop an UHF multiband vector sensor applied to the estimation of the direction of arrival of transverse magnetic waves in the full 3D space. Firstly, two signal processing techniques adapted to this approach are compared : a new technique based on the spherical harmonic decomposition of the antenna radiation which allows to recompose the received electromagnetic field from the measured samples and a well-known high resolution algorithm called MUSIC. A design methodology allowing to identify the physical criteria of vector sensors related to the antenna performances such as the estimation accuracy, the sensitivity, the number of elements and the antenna size is proposed. This method is used for developing and designing a first single-band vector sensor. The results obtained from numerical simulations allow to rule out the first signal processing technique which is too sensitive to the radiation perturbations. Then, a compact dual-band vector sensor operating in the GSM frequency band, [890MHz-960MHz] and [1710MHZ-1880MHz], is developed by using the same design methodology. The antenna size is λ/4 in radius and λ /5.5 in height at the lowest frequency. The electric and magnetic elements which compose the vector sensors are designed separately and then combined according to a planar spatial distribution to retain a compact antenna size. The same radiating structures are used for operating in the two frequency bands in order to reduce the number of elements and the eventual radiation perturbations. After the performances assessment through numerical simulations in each band, a prototype is manufactured and its estimation performances are measured for a validation purpose. The sensitivity is -110dBW/m² (85μV/m) for a 5° RMS angular accuracy. Finally, the study is extended to the general case of multiband antennas by adding a third band, [400MHz-430MHz]. New elements are developed and incorporated into the dual-band GSM sensors to obtain a tri-band vector sensor. The size of this new antenna is λ /3.2 in radius and λ /12.5 in height at 400MHz. Despite a slight increase of the angular errors in the estimation of the direction of arrival caused by the presence of the new antenna elements, the characterization of the tri-band sensor performances by simulation show a good accuracy with a sensitivity valued at -105dBW/m² (155μV/m) for a 5° RMS angular accuracy.

Résumé

De nos jours, il existe de nombreuses antennes de radiogoniométrie UHF large bande ou multibandes, néanmoins très peu d’entre elles permettent une couverture angulaire 3D. A notre connaissance, la première antenne de radiogoniométrie 3D fût étudiée dans les années 1960, par une équipe de l’université du Michigan. Composée de 17 capteurs positionnés sur une surface hémisphérique, sa taille et son nombre d’éléments en font un dispositif encombrant et complexe à utiliser. De récentes études ont proposé une autre approche basée sur la mesure multicomposante du champ électromagnétique, permettant de réduire la taille des antennes et le nombre d’éléments tout en conservant une couverture angulaire 3D. Cependant, à ce jours, seul des systèmes HF (3MHz-30MHz) ou bande étroite ont été abordés. Cette thèse porte donc sur l’étude et le développement d’une antenne vectorielle UHF multibande appliquée à la radiogoniométrie 3D pour des ondes transverses magnétiques. Tout d’abord, deux techniques de goniométrie adaptées à cette approche sont confrontées : une nouvelle technique basée sur la décomposition en harmonique sphérique du rayonnement de l’antenne qui permet de recomposer le champ électromagnétique reçu à partir d’échantillons mesurés et un algorithme bien connu, MUSIC. Une méthodologie de conception est proposée, en identifiant les critères physiques des antennes vectorielles qui influent sur leurs performances à savoir la précision d’estimation, la sensibilité, le nombre d’éléments et l’encombrement. Cette méthode est utilisée pour développer et réaliser une première antenne vectorielle monobande. La caractérisation de cette antenne réaliste permet d’écarter la première technique de traitement dont les performances sont trop sensibles aux perturbations de rayonnement. Une antenne vectorielle bibande compacte, d’un rayon de λ /4 et d’une hauteur de λ /5.5 à la fréquence la plus basse, composée de seulement six éléments rayonnants couvrant chacun les bandes de fréquences GSM [890MHz-960MHz] et [1710MHZ-1880MHz] est ensuite développée en se basant sur cette méthode de conception. Les capteurs électriques et magnétiques constituant l’antenne sont étudiés séparément puis assemblés selon une répartition spatiale planaire pour restreindre l’encombrement. Les structures rayonnantes sont communes pour les deux bandes de fréquences ce qui permet réduire le nombre d’éléments ainsi que les éventuelles perturbations de rayonnement. Après la caractérisation de l’antenne bibande au travers de simulations numériques, un prototype est réalisé et ses performances d’estimation sont mesurées en chambre anéchoïque afin de valider l’approche par simulation. La sensibilité obtenue est de -110dBW/m² (85μV/m) pour une précision de 5° RMS. Enfin l’étude est élargie au cas général d’antennes multibandes en illustrant le processus d’extension de la couverture fréquentielle par l’ajout d’une troisième bande, [400MHz-430MHz]. Six nouveaux éléments sont donc développés et intégrés aux capteurs GSM existants afin d’obtenir une antenne tribande d’un rayon de λ/3.2 et d’une hauteur de λ /12.5 à 400MHz. Malgré une légère augmentation de l’erreur d’estimation, causée par la présence de ces nouveaux éléments, la caractérisation de cette nouvelle antenne tribande montre de bonnes performances d’estimation avec une sensibilité de -105dBW/m² (155μV/m) pour une précision de 5° RMS.

Mots-Clés / Keywords
Diversité spatiale; Diversité de polarisation; Radiogoniométrie 3D; Antenne multibande; Spatial diversity; Vector sensor; Antenne vectorielle; 3D direction finding; Polarization diversity; Multiband antennas;

134099
14462
26/09/2014

Etude théorique et expérimentale des métamatériaux et des techniques d’agilité (MEMS, BST) pour la conception des circuits RF miniatures et reconfigurables

B.OUAGAGUE

MINC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 26 Septembre 2014, 145p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: O.VANBESIEN, S.ZOUHDI, Examinateurs: S.PAYAN, Directeurs de thèse: P.PONS, F.COCCETTI , N° 14462

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01071682

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Résumé

Actuellement, les applications sans fils connaissent une croissance importante. La multiplication de leurs standards (LTE, 3G, Wifi, Bluetooth, GPS) incite les chercheurs à réduire d’avantage l’encombrement, la consommation d’énergie et les coûts. Notre travail présente une exploration théorique et expérimentale des techniques qui permettent d’atteindre cet objectif : les métamatériaux permettent la miniaturisation des circuits et les MEMS RF ou les matériaux ferroélectriques permettent leur accordabilité en fréquence. Après un rappel théorique des métamatériaux, nous avons étudié expérimentalement des structures planaires en PCB pour mettre en évidence les propriétés du diagramme de dispersion. Nous avons ensuite conçu un filtre passe-bande destiné à une application spatiale, l’utilisation des métamatériaux a permis de réduire son encombrement d’environ 90% par rapport à un filtre classique à stub quart d’onde. En utilisant la technologie silicium, nous nous sommes ensuite intéressés à l’optimisation d’une cellule CRLH pour augmenter son degré de liberté en ajoutant un stub capacitif. Ce travail est complété par l’introduction des MEMS pour apporter une agilité à la structure. Les résultats expérimentaux ont permis d’exhiber une accordabilité d’environ 80%. Dans le même sens, le BST (matériau ferroélectrique) a été exploré, des circuits de test ont été réalisés pour extraire ses caractéristiques. Les travaux expérimentaux ont exhibé des accordabilités allant jusqu’à 67%. Cette étude a été complétée par la réalisation de structures métamatériaux accordables.

Abstract

Wireless applications have grown significantly in recent years. The proliferation of their standards (LTE, 3G, WiFi, Bluetooth, GPS) is driving research toward yet more miniaturized circuits and reconfigurable architectures. The main goals are to reduce size, energy consumption and costs. In this context, our work presents a theoretical and experimental exploration of several technics to achieve this aim. On the one hand, the use of metamaterials allows the miniaturization of RF devices. On the other, the introduction of RF MEMS or ferroelectric materials enables the frequency agility at circuit level. After a theoretical review of metamaterials, planar structures in PCB technology have been experimentally studied in order to highlight the properties of the dispersion diagram. The results of design of a bandpass filter for space applications are then presented; the use of metamaterials has reduced its size by about 90% compared to a conventional quarter-wavelength stub filter. By using silicon technology, we are interested in the optimization of a cell based on the CRLH approach to increase its degree of freedom. In this work the adding of a capacitive stub, has been complemented by the introduction of RF MEMS to provide agility to this structure. The experimental results have demonstrated a tunability in the range of 80%. Similarly, another tuning technic based on the use of ferroelectric materials has been explored; thin BST films deposited on different substrates were used to extract the electromagnetic characteristics. Experimental work exhibited tunability of up to 67%. This study was finally completed by the realization of tunable metamaterial structures using BST.

Mots-Clés / Keywords
Miniaturisation; Accordabilité; RF; Hyperfréquences; MEMS; BST; Matériaux ferroélectriques; CRLH; Métamatériaux; SRR; Metamaterials; Miniaturization; Agility; Tunability; Microwaves; Ferroelectric materials;

133320
14002
13/01/2014

Graphene: FET and Metal Contact Modeling. Graphène : modélisation du FET et du contact métallique

G.VINCENZI

MINC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 13 Janvier 2014, 120p., Président: T.PARRA, Rapporteurs: G.KONSTANTINIDIS, M.FARINA, Examinateurs: C.TRIPON-CONSELIET, Directeurs de thèse: P.PONS, F.COCCETTI , N° 14002

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00938701

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Abstract

Nine years have passed since the discovery of graphene, all of them dense of research works and publications that, piece by piece, shed more light on the properties of this extraordinary material. With more understanding of its best qualities, a more precise prospect of the applications that would better pro t from its use has been de ned. High Frequency devices, like mixers and power ampli ers, and Flexible and Transparent electronics are the most promising elds. In those elds great attention is devoted to two subjects: the downscaling of the dimensions of the graphene transistor, in order to reduce the carriers travel time and attain increasingly larger fractions of ballistic electronic transport; and the optimization of the contact parasitics. Both are highly bene cial to the maximization of the device's RF Figures Of Merit. In this thesis, Two models have been developed to address such topics: the rst served both the quasi-ballistic large-area graphene and graphene nanoribbon transistors. It demonstrated the correlation between ballistic and di usive electron transport and device length, and extracted the large signal DC currents and transconductances. The second reproduced the high-frequency conduction through graphene and its contact parasitics. The latter also motivated the development and fabrication of a RF test bed on a dedicated plastic technology, enabling the RF characterization of the contact impedance and of the speci c interfacial impedance of monolayer CVD graphene.

Résumé

Neuf ans sont passés depuis la découverte du graphène, tous très dense de travaux de recherche et publications que, petit à petit, ont mieux illuminé les propriétés de ce matériau extraordinaire. Avec une meilleure compréhension de ses meilleures qualités, une idée plus précise des applications que mieux pourront profiter de son use a été défini. Dispositifs à haute fréquence, comme mélangeurs et amplificateurs de puissance, et l’électronique Flexible et Transparent sont les domaines les plus prometteurs. Dans ces domaines une grande attention est dévouée à deux sujets : la réduction des dimensions des transistors à base de graphène, pour réduire le temps de propagation des porteurs de charge et atteindre des pourcentages de transport balistique toujours plus élevés ; et l’optimisation des parasites de contact. Tout les deux sont très bénéfiques pou la maximisation des figures de mérite du dispositif. En cette thèse, deux modèles ont été développés pour aborder ces sujets : le premier est dédié aux transistors quasi-balistiques de graphène de grande surface comme aussi aux transistors graphène nano-ruban. Ceci démontre la corrélation entre le transport balistique et diffusive et la longueur du dispositif, et extrait les courants DC grand signal et les transconductances. Le second reproduit la conduction à haute fréquence à travers le graphène et son impédance parasite de contact. Le dernier modèle a aussi motivé la conception et fabrication d’un test bed RF sur une technologie dédié sur plastique, fait qui permet la caractérisation RF de l’impédance de contact et de l’impédance spécifique d’interface avec du graphène monocouche accru par CVD.

Mots-Clés / Keywords
Graphène; FET; RF; Metal contact; Model;

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