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En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Micro-ondes, Électromagnétisme et Optoélectronique
Présentée et soutenue par :
M. OLIVIER CHRUSZEZ
le mercredi 4 février 2015
Titre :
Unité de recherche :
Ecole doctorale :
CARACTERISATION DE MATERIAU PLASMA POUR LA CONCEPTION
DE FONCTIONS HYPERFREQUENCES
Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET)
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE)
Directeur(s) de Thèse :
M. GAETAN PRIGENT
MME NATHALIE RAVEU
Rapporteurs :
M. ALAIN REINEIX, UNIVERSITE DE LIMOGES
M. PATRICK QUEFFELEC, UNIVERSITE DE BRETAGNE OCCIDENTALE
Membre(s) du jury :
1
M. PATRICK QUEFFELEC, UNIVERSITE DE BRETAGNE OCCIDENTALE, Président
2
M. DAMIEN VOYER, ECOLE CENTRALE DE LYON, Membre
2
M. GAETAN PRIGENT, INP TOULOUSE, Membre
2
Mme NATHALIE RAVEU, INP TOULOUSE, Membre

Remerciements
Cette thèse représente l’aboutissement de quatre années de travail, particulièrement intense au-
tant d’un point de vue technique qu’humain. Ainsi il m’importe de remercier l’ensemble des per-
sonnes qui ont contribué d’une façon ou d’une autre à la réalisation de ce travail.
Tout d’abord, je tiens à remercier l’ensemble des membres du jury, d’avoir accepté de rapporter
sur mon travail, d’avoir participé à la soutenance et d’avoir fourni un retour précieux.
Je remercie mes encadrants, Nathalie Raveu et Gaëtan Prigent pour la confiance qu’ils m’ont
accordée dans cette mission et pour les moyens mis en œuvre pour y aboutir. Je remercie l’ensemble
des permanents du GRE, Jean-René, Anne-Laure, Ronan, Olivier Pascal, Jérome, Olivier Pigaglio,
Jacques, Junwu, Tan-Hoa, pour leurs précieux conseils.
Je souhaite donner un remerciement très spécial à Nathalie Raveu et Olivier Pigaglio pour leur
soutien technique et moral, leur disponibilité, leur ouverture d’esprit et leur profonde empathie en
mon égard. Cette thèse leur doit beaucoup, et je les garderai en mémoire toute ma vie.
Je remercie également les membres du GREPHE, notamment Jean-Pierre Bœuf qui m’a passionné
pour la physique des plasmas et qui a joué un rôle important quant à mon choix de poursuivre ce
sujet de thèse. Je remercie profondément Thierry Callegari, pour ses enseignements précieux sur
la physique des plasmas et bien entendu pour avoir effectué des mesures plasma qui constituent
une place importante de ce travail. Je remercie aussi Romain Pascaud et Laurent Liard pour leur
lumière sur mon sujet de thèse.
Je remercie aussi l’ensemble du personnel du laboratoire LAPLACE, pour leur accompagnement
tout au long de cette thèse, Cécile, Léa, David, Jacques, Valérie et Cathy. Je remercie l’ensemble
du département EN de l’ENSEEIHT, pour leur aide, leur précieux conseils lors de mes heures
d’enseignement, Raymond, Jacques, Emmanuelle, Annie, Madjid.
Je ne peux oublier mes collègues doctorants du LAPLACE pour leur amitié et leur profonde
sympathie, Rania, Satafa, Xifang, Simon, Pedro, Caroline, Ivan, Mustafa, Benedikt.
Je souhaite, pour finir, remercier mes proches, mes parents, mes amis qui se reconnaitront pour
leur soutien sans faille tout au long de ces années.
3

Table des matières
Notations et Constantes universelles 7
Introduction Générale 8
1 Introduction à la physique du plasma 11
1.1 Définition et caractéristique d’un plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 Longueur de Debye d............................... 11
1.1.2 Degré d’ionisation ................................ 12
1.1.3 Plasmas froids hors équilibre thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.4 Conclusion ..................................... 13
1.2 Générationd’unplasma .................................. 13
1.2.1 Principephysique ................................. 13
1.2.2 Claquaged’ungaz ................................. 14
1.2.3 Multiplication électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.4 Coefficient d’ionisation α............................. 15
1.2.5 Tension de claquage - Courbe de Paschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.6 Conclusion ..................................... 17
1.3 Dispositif générateur de décharge de plasmas froids hors équilibre . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 DéchargeplasmaDC................................ 18
1.3.2 DéchargeplasmaRF................................ 19
1.3.3 Décharge à couplage capacitif [1–6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.4 Décharge à couplage inductif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.5 Conclusion ..................................... 21
1.4 Interaction micro-ondes et plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.1 Fréquence de collision et pulsation plasma ωpe ................ 21
1.4.2 Modèle de Drude et Permittivité complexe du plasma . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.3 Structure électrique et géométrique d’un plasma . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.4 Conclusion ..................................... 25
2 Modélisation de lignes imprimées multicouches 26
2.1 Introduction......................................... 26
2.2 Etat de l’art des méthodes caractérisant les propriétés des lignes microruban . . . . 27
2.2.1 Lalignemicroruban ................................ 27
2.2.2 Approximation Quasi-TEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 Formule d’analyse et de synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4

2.2.4 Cas du microruban multicouches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.5 Conclusion ..................................... 33
2.3 Résolution par les schémas équivalents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Caractérisation de ligne de transmission par les schémas équivalents . . . . . . . . . 35
2.4.1 Triplaque simple couche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2 Microruban simple couche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.3 Passage du triplaque au microruban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.4 Triplaque triple couche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.5 Microruban triple couche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 Mesure de la permittivité eective 62
3.1 Etat de l’art - Mesure sur circuit planaire de la constante diélectrique . . . . . . . . 62
3.1.1 Méthode avec excitation d’un mode TEM sur ligne triplaque . . . . . . . . . 63
3.1.2 Méthode avec comparaison des paramètres S de deux lignes microruban . . . 63
3.1.3 Méthode de la résonance ou perturbation d’une cavité . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.4 Méthode de la résonance double . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.5 Autresméthodes .................................. 65
3.1.6 Conclusion ..................................... 66
3.2 MéthodeMtrace ...................................... 67
3.2.1 Analysethéorique ................................. 67
3.2.2 Cas idéal w1=w2................................. 69
3.2.3 Cas non idéal w16=w2.............................. 69
3.2.4 Erreur de réalisation sur la gravure du cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.5 Erreurdeconnectique ............................... 71
3.3 Méthodeparrésonance................................... 72
3.3.1 Indépendance des zéros de transmissions vis à vis des désadaptations d’impé-
dance ........................................ 73
3.3.2 Analyse théorique dans le cas uniforme - Résonateur UIR . . . . . . . . . . . 73
3.3.3 Analyse théorique dans le cas avec saut d’impédance - Résonateur SIR . . . . 75
3.4 Miseenœuvre ....................................... 78
3.4.1 Simplecouche.................................... 78
4 Caractérisation du milieu plasma 84
4.1 Introduction......................................... 84
4.2 Présentation du matériel d’expérimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.1 Analyseur de réseau vectoriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.2 Matériel pour la génération des décharges plasma . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Résultats de mesure du résonateur en T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.2 Premièreversion .................................. 95
4.3.3 Deuxièmeversion..................................102
4.3.4 Troisièmeversion..................................105
4.3.5 Quatrièmeversion .................................108
4.3.6 Conclusion des mesures sur le résonateur en T . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4 Résultats de mesure du Filtre DBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5