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Observatoire de Paris Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (17/12/2004), Gerard BEAUDIN (Dir.)
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Etude et réalisation d'une tête de réception hétérodyne en ondes submillimétriques pour l'étude des atmosphères et surfaces de planètes
Bertrand Thomas1

L'objectif de l'instrument hétérodyne MAMBO (Mars Atmosphere Microwave Brightness Observer) est d'étudier et de cartographier l'atmosphère et la surface de la planète Mars, à partir d'observations radiométriques dans le domaine submillimétrique, couvrant la bande de fréquence 320-350 GHz. Prévu initialement pour être embarqué sur la mission Mars Premier Orbiter du CNES en 2007, la définition de l'instrument ainsi que les caractéristiques de la tête de réception hétérodyne sont présentées en première partie.
Le thème principal de la thèse concerne l'étude et la réalisation d'un mélangeur subharmonique à diodes Schottky planaires, constitutif de la tête de réception hétérodyne de l'instrument. Un modèle numérique du mélangeur a été conçu en couplant des simulations électromagnétiques tridimensionnelles et des simulations de circuits non-linéaires. Cette méthode de simulation a permis d'optimiser les structures guidantes et le circuit du mélangeur pour élargir au maximum la bande de fréquence instantanée, et réduire la puissance d'Oscillateur Local (OL) nécessaire au fonctionnement optimal de la paire de diodes. Les performances mesurées du prototype réalisé sont en accord étroit avec les résultats de simulations, avec une sensibilité à l'état-de-l'art dans une bande de fonctionnement entre 300 et 360 GHz, et une puissance d'OL comprise entre 2,5 mW et 4 mW.
La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude des propriétés diélectriques de plusieurs échantillons de minéraux, roches et sables dans le domaine millimétrique (jusqu'à 170 GHz), dans le cadre scientifique de la cartographie de la surface de Mars par l'instrument MAMBO. Des mesures de la permittivité de ces matériaux par analyse vectorielle, et des mesures radiométriques faites en collaboration avec l'IAP (Institut de Physique Appliquée) de Berne (Suisse) sont présentées. L'objectif est de mettre en avant les différences d'émissivité des roches carbonatées par rapport à des roches riches en silicates.
Ce travail de thèse est également préparatoire aux futurs instruments radiométriques embarqués, pour l'observation de la terre aux longueurs d'onde submillimétriques. Dans cette perspective, le développement de récepteurs hétérodynes intégrant dans une même mécanique plusieurs éléments de mélange et de multiplication en fréquence permettra des avancées technologiques dans le domaine de l'imagerie Terahertz.
1:  LERMA - Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique
recepteur heterodyne – submillimetrique – melangeur a diode Schottky – spectroscopy – roches calcaires

Study and development of a heterodyne receiver front-end at sub-millimeter wavelengths for the remote sensing of planets' atmosphere
The scientific goal of the heterodyne instrument MAMBO (Mars Atmosphere Microwave Brightness Observer) is to perform spectroscopic observations of the atmosphere and continuum detection of the surface of Mars by remote sensing in the frequency range 320-350 GHz. Initially programmed onboard the Mars Premier Orbiter mission from CNES in 2007, the definition of the instrument, including the receiver frontend characteristics, is presented.
The main theme of the thesis is the completion of a subharmonic mixer using planar Schottky diodes, which is the critical element of the receiver head of the instrument. From the study of a prototype developed by the ASTRIUM company, a numerical model of the mixer has been built by coupling three-dimensional electromagnetic simulations together with non-linear circuit simulations. This simulation method allows to optimize the waveguide structure and the circuit of the mixer to broaden the operational bandwidth, and to reduce the amount of Local Oscillator power required to pump the Schottky diodes. A tuner-less prototype of the subharmonic mixer has been built and tested. The measured performances are in close accordance with the simulation results. The mixer operates in the frequency range 300-360 GHz, exhibiting state-of-the-art sensitivity, and LO power requirements from 2.5 mW to 4 mW.
The last part of the thesis is dedicated to the study of the dielectric properties of several mineral, rock and sand samples, in the millimeter wave domain (up to 170 GHz), in the scientific surrounding of the radiometric mapping of the Mars surface by MAMBO. Permittivity measurements of these materials using a vector-network analyzer, together with radiometric measurements done in collaboration with the IAP (Institute of Applied Physics) of Bern (Switzerland) are presented. The objective is to highlight the differences in emissivity of carbonate rocks and sands compared to silicate-rich samples.
This thesis work is also introductory to futures space-born radiometric instruments for the Earth remote sensing at submillimeter wavelengths. In that context, the development of heterodyne receivers integrating in one mechanical block several mixing and frequency multiplying stages will contribute to technological improvements in Terahertz imaging systems.
heterodyne receiver – sub-millimetric – Schottky diode mixer – spectroscopy – limestone rocks