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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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45documents trouvés

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

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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
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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;

131132
13829
06/12/2013

From RF-microsystem technology to RF-nanotechnology

F.COCCETTI

MINC

Habilitation à diriger des recherches : 6 Décembre 2013, 150p., Président: G.DAMBRINE, Rapporteurs: P.BLONDY, P.FERRARI, R.SORRENTINO, Examinateurs: J.L.CAZAUX, L.PIERANTONI, R.PLANA, Membres invités: X.LAFONTAN, P.PONS, Garant: H.AUBERT , N° 13829

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01104910

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Abstract

The RF microsystem technology is believed to introduce a paradigm switch in the wireless revolution. Although only few companies are to date doing successful business with RF-MEMS, and on a case-by-case basis, important issues need yet to be addressed in order to maximize yield and performance stability and hence, outperform alternative competitive technologies (e.g. ferroelectric, SoS, SOI,…). Namely the behavior instability associated to: 1) internal stresses of the free standing thin layers (metal and/or dielectric) and 2) the mechanical contact degradation, be it ohmic or capacitive, which may occur due to low forces, on small areas, and while handling severe current densities. The investigation and understanding of these complex scenario, has been the core of theoretical and experimental investigations carried out in the framework of the research activity that will be presented. The reported results encompass activities which go from coupled physics (multiphysics) modeling, to the development of experimental platforms intended to tackles the underlying physics of failure. Several original findings on RF-MEMS reliability in particular with respect to the major failure mechanisms such as dielectric charging, metal contact degradation and thermal induced phenomena have been obtained. The original use of advanced experimental setup (surface scanning microscopy, light interferometer profilometry) has allowed the definition of innovative methodology capable to isolate and separately tackle the different degradation phenomena under arbitrary working conditions. This has finally permitted on the one hand to shed some light on possible optimization (e.g. packaging) conditions, and on the other to explore the limits of microsystem technology down to the nanoscale. At nanoscale indeed many phenomena take place and can be exploited to either enhance conventional functionalities and performances (e.g. miniaturization, speed or frequency) or introduce new ones (e.g. ballistic transport). At nanoscale, moreover, many phenomena exhibit their most interesting properties in the RF spectrum (e.g. micromechanical resonances). In particular owing to their superior electrical and mechanical properties, novel nanostructured materials (e.g. carbon based, as carbon nanotube (CNT) and graphene) may provide an answer to this endeavor. These subjects are the focus of presently on-going and future research activities and may represent a cornerstone of future wireless applications from microwave up to the THz range.

133816
13634
06/11/2013

Miniaturisation d’antennes en bande VHF pour applications spatiales

O.RIPOCHE

MINC

Doctorat : INP de Toulouse, 6 Novembre 2013, 159p., Président: A.REINEIX, Rapporteurs: C.DELAVEAUD, A.SHARAIHA, Examinateurs: P.POULIGUEN, Directeurs de thèse: H.AUBERT, A.BELLION , N° 13634

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00938676

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Résumé

Le développement de l’électronique embarquée et miniaturisée est pleinement d’actualité de nos jours, dans les domaines tels que l’armement, la médecine, et les télécommunications. La miniaturisation des antennes large-bande, opérationnelles sur plus d’une décade, présentent un défi particulier. Ces travaux de thèse proposent de travailler sur la miniaturisation d’une antenne spirale, afin d’en réduire l’encombrement, à savoir son diamètre, tout en conservant au mieux ses caractéristiques de rayonnement et polarisation intrinsèques. Cette recherche sera appliquée à la bande des Très hautes Fréquence (Very High Frequencies – VHF), allant de 30MHz (λ = 10m) à 300MHz (λ = 1m). La géométrie inédite proposée consiste à associer à une antenne spirale un ensemble d’anneaux résonnants, dont le diamètre n’excède pas celui de la spirale, et permettant de diminuer la fréquence basse de fonctionnement. Pour un ensemble de cinq anneaux associé à la spirale, la réduction de la fréquence basse de fonctionnement est de plus de 30%. Pour deux antennes spirales de même fréquence basse de fonctionnement, l’antenne miniaturisée a donc un diamètre réduit de 30%, soit une surface réduite de 50%. Les performances de l’état de l’art d’après lesquelles les réductions sur le diamètre des antennes spirales n’excèdent pas 15% sont donc dépassées. De plus, d’après cet état de l’art, les méthodes de réduction appliquées aux antennes large bande dégradent en général le gain et l’axial ratio dans les bandes basses de fréquences de fonctionnement. La méthode proposée permet de conserver l’efficacité de l’antenne, voire de l’augmenter, dans les fréquences proches de la fréquence basse de fonctionnement. Le rayonnement de l’antenne spirale miniaturisée dans la bande passante de l’antenne sans anneaux n’est pour autant pas modifiée. Ces résultats très encourageant ont été confirmés par la mesure d’antennes spirales miniaturisées, réalisées pour un diamètre de 8cm et de 1m : une réduction de 30% du diamètre sans dégradation du rayonnement a été observée. Les mesures ont par ailleurs donné lieu à l’étude de la réalisation d’une antenne en bande VHF, avec pour implication les problématiques de réalisation (masse, encombrement, résistance mécanique) et de mesure (isolation, effets parasites en VHF avec une longueur d’onde de 4m).

Mots-Clés / Keywords
Antenne spirale; Large bande; Miniaturisation; UWB;

131214
13651
24/10/2013

Etude et conception de matrices d'alimentation multifaisceaux pour réseaux à rayonnement direct ou dans le plan focal d'un réflecteur

C.LECLERC

MINC

Doctorat : INP de Toulouse, 24 Octobre 2013, 142p., Président: C.PERSON, Rapporteurs: R.GILLARD, T.MONEDIERE, Examinateurs: A.ANNABI, Membres invités : H.DIEZ, N.FONSECA, Directeurs de thèse: H.AUBERT, M.ROMIER , N° 13651

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00949302

Diffusable

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Abstract

In this PhD thesis, some feed networks are studied. First, a N x N symetric Butler matrix is considered. Analitical formulas allowing constructing its [S] matrix are founded and demonstrated. Second, a multibeam antenna focal array based on 3-D directional couplers is considered. This device has a high level of re-use of its radiating elements. Therefore, its global size is reduced. Its conception is explained. Measurement are exposed. Last, a mecanic / electronic device is studied. It is used for tracking. It is a complex device with several parts. The fact that the conception of each part depends on each other is highlighted. Compromises and choices need to be made.

Résumé

Cette thèse étudie des matrices d'alimentations. Dans un premier temps, l'intérêt se porte sur la matrice de Butler symétrique de taille N x N. Des formules permettant d'accéder à sa matrice [S] de manière analytique sont trouvées et démontrées. Dans un deuxième temps, la source focale d'une antenne multifaisceaux basée sur une géométrie originale constituée de coupleurs directionnels tridimensionnels est étudiée. Cette structure possède un fort niveau de ré- utilisation de ses éléments rayonnants et donc limite son encombrement global. La conception est détaillée. Les validations expérimentales effectuées sont montrées. Enfin, un système antennaire hybride mécanique / électronique pour de la poursuite est étudié. Sa conception est divisée en plusieurs parties. Les dépendances entre ces différents éléments sont mises en évidence, ainsi que la complexité de construction et les choix et compromis à effectuer.

Mots-Clés / Keywords
Antenne; Matrices d'alimentation; Matrice de Butler; Multifaisceaux; Réseau d'antenne;

131294
13268
26/04/2013

Architecture de traitement du signal pour les couches physiques très haut débit pour les réseaux de capteur : Application à la métrologie dans un contexte aéronautique et spatial

J.HENAUT

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 26 Avril 2013, 226p., Président : E.SICARD, Rapporteurs : P.GARCIA, O.SENTIEYS, Examinateur : P.CHEVALLEY, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU, R.PLANA , N° 13268

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00849338

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Abstract

To evaluate a system's compliance with its specified requirements, Hardware System Testing is conducted on the complete and integrated system. This phase is essential in all industry branches, especially in the very regulated and critical aerospace world. In the final phase of the development of an airplane, flight test equipment gathers and analyzes data during flight to evaluate the flight characteristics of the aircraft and validate its design, including safety aspects. One of the most critical tests is the measure of the pressure around the wings during flight. All new aircrafts are computer designed with the use of virtual wind tunnels. So, very accurate measures have to be done on the aircraft to validate the model before the aircraft can be industrially produced. In the case of satellites, vibration and mechanical stress are two critical phenomena a satellite endures during launch. This is leading to the necessity for accurate ground tests using strain gauges or thermal sensors before allowing a launch. All such systems used by aircraft and satellite manufacturers today are wired systems. Sensors put around the wings or inside the satellite compartments are wired to a concentrator inside the cabin or the operator’s room. Although good performances are observed in terms of measurement accuracy, these systems have strong drawbacks. The two most important ones are the weight and the cost of both the systems and their installation. An additional drawback concerning its use on aircrafts is due to the installation of a system that increases the weight of the aircraft and immobilizes it during many weeks due to the routing of every cable inside the wings. The cost and the complexity of such systems don’t allow a great number of measurement points. The replacement of conventional measurement networks by wireless sensor networks is not an obvious solution. Despite the great interest in wireless sensor networks in the recent years, the technological barriers are still very numerous and there is currently no protocol to meet the expectations and needs of aviation professionals. The work presented in this thesis aims to meet the needs of a high-speed, low power consumption, low emission and reliable communication layer. Measurements have been performed in real conditions using commercial devices based on the protocol MB-OFDM/Wimedia, the most common standard that approach the need expressed, and have served to define the basis of the study and have helped to select best development tracks. Measurements have demonstrated also the specificity of the propagation channel. In order to reduce the time between the choice of algorithms and their testing in real conditions, it became necessary to use a design flow called Specification - Exploration – Improvement based on automatic synthesis tools. This development cycle has identified specific material needs for the design of the demonstrator. The physical layer is based on an OFDM system and UWB to achieve a data rate of over 150 Mb/s. A fully functional demonstrator, implemented on FPGA and composed of four communicating nodes was presented and has been used to validate the physical layer. Finally first steps to develop a digital ASIC are presented to achieve the goal of low power consumption.

Mots-Clés / Keywords
Réseau de capteurs sans fil; Wireless sensor network;

130004
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