L’optimisation du contrôle de l’aération dans les stations d’épuration est essentielle pour répondre aux objectifs économiques et environnementaux. Le développement de stratégies avancées reste freiné par la difficulté de calibrer des modèles prédictifs fiables à partir de données limitées, partielles et bruitées. Cette thèse propose un cadre méthodologique unifié, de la modélisation à la commande, fondé sur les modèles stochastiques à espace d’état et l’assimilation de données afin d’estimer les dynamiques du procédé, reconstruire les états latents et quantifier rigoureusement les incertitudes. L'étude comparative des diverses familles de modèles (mécanistes, boîtes grises, boîtes noires) et des stratégies de contrôle en temps réel aboutit à la sélection d'une architecture robuste, combinant un modèle non paramétrique et la Programmation Dynamique Stochastique. Cette solution est ensuite validée dans une simulation en boucle fermée réaliste et testée face à des perturbations non modélisées, telle que la variabilité de la charge polluante. Il est démontré que ce cadre réduit les coûts d’exploitation de 15 à 25 % tout en respectant les contraintes, y compris en l'absence d'information sur les perturbations externes. Enfin, l'étude démontre que la performance de la commande repose moins sur la quête d'une justesse prédictive absolue que sur la capacité du contrôleur stochastique à intégrer l'incertitude globale, y compris les perturbations non modélisées, dans sa politique de décision.

La stabilité des produits industriels, de la formulation au stockage puis à l’utilisation, est essentielle pour garantir leur performance et leur qualité. Cette thèse explore l’usage de structures photoniques résonantes pour le suivi dynamique des processus de sédimentation et de stabilité de produits opaques ou sombres, difficiles à analyser par des dispositifs commerciaux. L’approche repose sur la fabrication de micro résonateurs en polymère UV210 avec une détection optique quasi-surfacique, intégrée à une plateforme expérimentale simplifiée et économique. Après caractérisation de structures hybrides SOI/UV210/SOI adaptées à l’étude de substances agressives pour l’organique, les capteurs SOI/UV210 ont été testés sur des dispersions colloïdales de silice dans l’eau puis dans un milieu visqueux, permettant de mesurer les vitesses de sédimentation. L’étude a été étendue à des dispersions opaques de noir de carbone, démontrant la capacité à suivre la stabilité colloïdale de substances absorbantes, en lien direct avec des problématiques industrielles (peintures, mélanges latex/silice). Enfin, ces micro résonateurs ont aussi permis de suivre des phénomènes dynamiques de séchage et de stratification dans des produits laitiers.

Ces travaux portent sur l’élaboration par pulvérisation cathodique RF de couches minces ferroélectriques destinées à des dispositifs hyperfréquences reconfigurables et optiquement transparents. L’étude a d’abord porté sur BaTiO3, dont les performances diélectriques limitées ont conduit à se focaliser sur Ba0,7Sr0,3TiO3 (BSTO). L’optimisation des paramètres de dépôt et l’utilisation de recuits ex-situ ont permis l'élaboration de films accordables agiles en fréquence (A = 8,8%). L’intégration de couches tampon (CeO2, MgO, MgAl2O4) entre le substrat de saphir et la couche ferroélectrique BSTO a permis d'améliorer encore la qualité cristalline et les caractéristiques diélectriques, MgO apparaissant comme la meilleure solution (A = 15,6%). Le dopage au cérium (0,6% molaire) de la couche de BSTO a ensuite permis d’atteindre des performances record, avec une accordabilité A = 20,6% à 10 GHz. Ces hétérostructures diélectriques-ferroélectriques optimisées ont été intégrées dans une antenne boucle à fente micro-maillées (66% de transparence optique), validant la reconfigurabilité en fréquence (ΔF = 250 MHz) à 20 GHz. Ces travaux confirment ainsi le potentiel des couches minces ferroélectriques pour concevoir des dispositifs optiquement transparents et reconfigurables en hyperfréquences.

La radiométrie satellitaire est une technique de télédétection passive permettant la mesure et la quantification de paramètres atmosphériques statiques et dynamiques sur Terre, sur d'autres planètes et sur des corps célestes en espace profond. La plupart des radiomètres sub-térahertz (sub-THz) et térahertz sont généralement déployés sur de gros satellites, impliquant des coûts élevés, des temps de développement longs, et un partage des ressources et du temps d'observation avec d'autres instruments. L'avènement des Cubesats a permis d’introduire la radiométrie térahertz dans le domaine des petits satellites, avec plusieurs missions déjà réalisées avec succès. Comparés aux grands satellites, les Cubesats offrent des coûts de développement et de lancement réduits, ainsi que des délais de développement plus courts, puisqu’ils se concentrent généralement sur un seul objectif scientifique et un seul instrument. Toutefois, l’intégration d’un instrument radiométrique térahertz à bord d’un Cubesat présente d'importants défis, en raison du volume, de la masse, de la puissance disponible limités et de la gestion thermique complexe. Cette thèse doctorale explore de nouvelles approches pour le développement de récepteurs hétérodynes térahertz compacts adaptés aux plateformes Cubesat, en se concentrant spécifiquement sur des méthodes innovantes d’antenne et de calibration électronique, ainsi que sur les aspects d’intégration entre ces sous-systèmes. Le travail a été réalisé en codirection entre l’Institut d’Électronique et des Technologies du numéRique (IETR) de l’Université de Rennes et le Laboratoire d’Études du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) de l’Observatoire de Paris. Cette collaboration tire parti des expertises respectives des deux instituts : antennes sub-THz planaires aux structures périodiques (IETR) et mélangeurs subharmoniques à faible bruit à diodes Schottky ainsi que chaînes d’oscillateurs locaux développés à LERMA et fabriqués au C2N. En raison du caractère pluridisciplinaire du projet doctoral, le manuscrit est structuré en deux parties, chacune présentant des contributions scientifiques dans les domaines susmentionnés. Une approche globale est néanmoins adoptée pour évaluer la performance des technologies développées dans le contexte de l'instrument radiométrique dans son ensemble. Les technologies développées sont conçues pour être évolutives vers des fréquences supérieures, jusqu’à et au-delà de 1 THz.

Les communications sans fil de nouvelle génération exigent des architectures et des systèmes d'antennes innovants pour atteindre des débits de données plus élevés, une faible consommation d'énergie et une couverture radio plus large. L'exploitation de la bande THz s'est avérée être le meilleur choix pour surmonter ces défis. Avec une bande passante intrinsèque de plusieurs dizaines de GHz, elle se présente comme le candidat le plus adapté. De plus, le passage des normes de télécommunications à des fréquences plus élevées permet d'atténuer la saturation du spectre qui se produit jusqu'à la gamme des ondes millimétriques. D'autre part, l'exploitation de fréquences élevées dois faire face aux importantes pertes de propagation dans l'espace libre, ce qui rend les liaisons radio en champ proche plus exploitables. Par conséquent, les réseaux sans fil du futur fonctionneront probablement dans la région de rayonnement du champ proche. L'ensemble de ces facteurs pousse à la nécessité d'antennes efficaces large bande et focalisant en champ proche. À ces fréquences, les caractéristiques de conception sont très petites, et les contraintes de fabrication limitent souvent les performances réalisables, nécessitant l'utilisation de technologies plus coûteuses et à haute résolution. Les réseau transmetteurs (Transmitarrays, TAs) ont émergé comme une solution particulièrement prometteuse et polyvalente pour la formation de faisceaux en trois dimensions. Ils résolvent efficacement la limitation en bande passante, inhérente aux antennes résonnantes et parent efficacement les systèmes d’alimentation dissipatif que l'on trouve couramment dans les réseaux phasés. De plus, les TAs peuvent être facilement intégrés dans des processus de fabrication planaire, tels que les cartes de circuits imprimés standard (PCB). Ces caractéristiques permettent le développement d'antennes à faible coût et à profil réduit offrant des capacités impressionnantes de mise en forme des faisceaux en champ proche dans la région sub-THz. Cette thèse présente, pour la première fois, un cadre mathématique complet conçu pour la détermination précise du rayonnement en champ proche émis par un transmetteur. Cet outil numérique innovant permet de prédire les amplitudes du champ électrique en tenant compte de toutes les caractéristiques des blocs élémentaires du système. Cela inclut la puissance injectée, le gain de la source focale, la distance entre la source focale et chaque cellule unitaire, ainsi que la directivité des cellules unitaires et leurs coefficients de transmission en phase et en amplitude. Une variété de schémas de focalisation en champ proche est obtenue, permettant de contrôler à la fois les distributions focales et longitudinales, qu'elles soient sur ou hors de l'axe de propagation. Les TAs correspondants sont fabriqués à l'aide d'un processus PCB standard et caractérisés expérimentalement à 300 GHz dans une grande variété de scénarios. Les résultats empiriques valident l'approche d'analyse et de conception proposée.

La radiogoniométrie consiste à mesurer l’angle d’incidence de signaux électromagnétiques, et a pour applications la guerre électronique et le contrôle du spectre. Parmi les différentes méthodes existantes, l’interférométrie corrélative, reposant sur l’analyse du déphasage entre antennes, a été retenue. Toutefois cette méthode soulève diverses problématiques, telles que la compacité et la largeur de bande. Ce travail de thèse a consisté en premier lieu à concevoir des antennes compactes dans les bandes [1-6 GHz] et [6-18 GHz], tout en assurant une bonne adaptation d’impédance. Ces antennes présentent une diversité de polarisation horizontale et verticale, et sont co-localisées afin d’assurer la compacité du système. Ces antennes en bande [1-6 GHz] et [6-18 GHz] ont été réalisées, avec comme dimensions respectives 86.4 mm x 88 mm x 86.4 mm (0.288λ x 0.293λ x 0.288λ), et 30 mm x 22 mm x 30 mm (0.6λ x 0.44λ x 0.6λ). Un réseau de trois antennes par bande et par polarisation a été conçu en reprenant les topologies des antennes précédentes, de dimensions 329.4 mm x 88 mm x 86.4 mm pour la bande [1-6 GHz], et 105.2 mm x 22 x 30 mm pour la bande [6-18 GHz]. Des mesures en conditions réelles d’utilisation ont été effectuées en chambre anéchoïque via l’interférométrie corrélative, et permettent d’obtenir une bonne précision d’estimation d’angle d’arrivée. Par ailleurs, une méthode permettant d’améliorer la compacité d’antennes à onde progressive en les ondulant a été développée, ainsi qu’une technique modifiant la forme et la largeur du diagramme de rayonnement en plan H via un réseau d’antennes courbées selon un profil Vivaldi.

Cette thèse explore l’utilisation des métasurfaces programmables (MP) dans le cadre de deux applications de communications sans fil. Dans la première partie, nous concevons et fabriquons un prototype de métasurface programmable massive, utilisé pour ajuster le facteur K des canaux de Rice dans une chambre réverbérante afin d’émuler des environnements de test réalistes. Nous mettons en évidence les limites des MP pour réduire la quantité d’énergie non brassée, essentielle à l’émulation des évanouissements de type Rayleigh, un aspect clé des tests de compatibilité électromagnétique (CEM). La seconde partie de la thèse se concentre sur l’analyse des origines de cette énergie non brassée et propose des solutions pour l’éliminer. Enfin, la dernière partie porte sur une application de communication par rétrodiffusion assistée par MP, où, cette dernière sert à encoder l’information numérique. Nous démontrons l’importance de la diffusion dans l’environnement pour améliorer la focalisation à une échelle sub-longueur d’onde et réduire le taux d’erreur binaire (BER).

Les antennes modernes des stations de base pour les réseaux 5G doivent fonctionner sur les bandes K et Ka et couvrir de grands angles de balayage, jusqu’à 70 degrés, et ceci à faible coût. Les réseaux phasés répondant à ces exigences avec un minimum d’éléments actifs constituent une solution attractive. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie complète pour concevoir de nouveaux réseaux de fentes connectées lacunaires, ainsi que des architectures permettent de supprimer les lobes de réseau, tout en répondant aux besoins précités. Notre approche de synthèse consiste en la combinaison d’une procédure itérative convexe avec un solveur efficace basé sur la méthode des moments, tous deux développés en interne. Ainsi, la structure du réseau et le couplage mutuel sont pris en compte lors du processus de synthèse, aboutissant à des conceptions réalistes et optimales. De plus, nous avons développé un outil numérique pour la conception efficace des cellules unitaires des réseaux de fentes connectées. Enfin, les limites de performance inexplorées jusqu’à présent de la cellule unitaire à fentes connectées sont systématiquement étudiées, tandis qu’un cadre de conception pour les réseaux connectés lacunaires est formulé pour la première fois.

Les produits portables sont devenus de plus en plus omniprésents dans notre vie quotidienne. Ils sont des outils utiles pour les soins de santé et la sécurité, comme les aides à la navigation pour les personnes malvoyantes, et offrent de la sécurité aux professionnels comme les pompiers en fournissant respectivement la détection et le suivi. Plusieurs dispositifs portables peuvent être utilisés pour former un réseau et transmettre des paramètres utiles de surveillance de la santé aux professionnels médicaux. Pour accroître l'adoption des produits portables, ils doivent être confortables, légers et ne pas entraver le mouvement de l'utilisateur. Les applications sur le corps sont soumises à des conditions variables en raison des changements de l'environnement, des mouvements du corps et de différentes courbures dues au placement sur les différentes positions sur l'utilisateur. Les structures à ondes progressives, telles que les antennes à ondes de fuite, peuvent être utilisées comme une solution viable pour réaliser la reconfigurabilité aux fréquences millimétriques tout en respectant les exigences des antennes portables sur le corps. Dans la thèse, il est montré que les antennes à ondes de fuite basées sur des microbandes peuvent être efficacement sinueuses pour afficher une polarisation diversifiée et des caractéristiques double bande dans la bande millimétrique.

Les dispositifs miniaturisés de biosurveillance implantables et ingérables offrent une surveillance en temps réel des paramètres physiologiques à l'intérieur des corps humains et animaux de manière peu invasive, ouvrant la voie à de nouvelles méthodes pour faire progresser le domaine de la bioélectronique sans fil. Ces dispositifs s'appuient sur des antennes pour effectuer leurs fonctions de détection et communiquer avec des appareils externes. Cette thèse présente des conceptions d'antennes conformes ingérables destinées à détecter différents tissus gastro-intestinaux. À cette fin, elle examine la faisabilité d'utiliser le désaccord d'impédance des antennes ingérables pour différencier les tissus gastrointestinaux en fonction de leurs propriétés électromagnétiques. Elle propose également une analyse des capacités de détection et de transmission de différents types d'antennes ingérables. À cette fin, la thèse démontre la modélisation numérique de ces antennes, leur fabrication et leurs mesures. De plus, elle présente des fantômes numériques et physiques ainsi que le dispositif de mesure ex vivo utilisant un modèle porcin pour les mesures. Elle partage et compare les résultats des simulations et des mesures en fonction des objectifs de l'étude. En conclusion, cette thèse contribue au développement d'antennes ingérables destinées à des applications de détection dans le tractus gastro-intestinal. Les résultats présentés dans cette recherche offrent des informations précieuses et des lignes directrices essentielles pour les ingénieurs visant à concevoir des antennes de biosurveillance multiplexées pour des applications intra-corporelles.