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.

Cette thèse de doctorat présente une méthode de conception inverse pour créer des métastructures afin d'améliorer la transmission des ondes électromagnétiques à travers les murs. Il a été lancé dans le guide d'ondes en raison du petit nombre de modes à contrôler. Un algorithme d'optimisation rapide basé sur l'approximation dipôle couplée a progressivement produit un point exceptionnel sans réflexion, un filtrage passe-bande monomode, une transmission ultra-large bande avec une stabilité d'intensité remarquable et une maximisation de la transmission autour d'une barrière métallique en tirant parti de la symétrie miroir spatiale des métastructures désordonnées. Nous démontrons qu'un espace de paramètres de grande dimension est réduit d'un facteur deux dans le cas de systèmes désordonnés à symétrie miroir, ce qui facilite encore le processus d'optimisation. Les résultats prévus concordent parfaitement avec les simulations d'un logiciel commercial à onde complète. Les résultats numériques ont été validés dans les expériences dans le régime micro-ondes. Le travail a été étendu en obtenant quatre modes sans réflexion à une fréquence unique via une absorption parfaite cohérente multimode.

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.

Les applications émergentes, telles que les communications satellites en mouvement, stimulent le développement de réseaux d’antennes phasées à large balayage angulaire, capables de couvrir plusieurs bandes de fréquences via une seule ouverture rayonnante, jusqu’aux bandes millimétriques. Leur déploiement à grande échelle repose sur la mise au point de solutions à la fois robustes, économiques et compatibles avec les circuits intégrés (ICs). Au cours de la dernière décennie, plusieurs architectures ultra-large bande ont vu le jour, principalement autour des fréquences micro-ondes. Ces réseaux tirent parti du couplage mutuel entre éléments pour générer des distributions de courant stables en fréquence, tout en intégrant des superstrats pour améliorer la bande passante et les performances en balayage. Cette thèse propose une architecture compacte de réseau à fentes connectées, opérant dans les bandes Ku, K et Ka et dépointant jusqu’à ±60°. Un superstrat hybride à deux sections est placé au-dessus de l’antenne pour assurer l’adaptation d’impédance et améliorer la pureté de polarisation. La première section est un diélectrique artificiel formé de trois couches de patchs, dont deux reliées par interconnectées, la seconde étant une couche diélectrique isotrope. La structure se distingue par un nombre réduit de couches par rapport à l’état de l’art, sans recourir à des procédés de fabrications complexes. Sa périodicité réduite et sa compatibilité avec la fabrication PCB multicouches en font une solution adaptée à l’intégration avec les ICs. Plusieurs prototypes 8×8 ont été réalisés et caractérisées expérimentalement.

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.