C’est dans la course au débit que de nouveaux systèmes de communications sans fil sont proposés aujourd’hui afin de répondre à cette demande. Il n’existe pas de technologie ou de standard unique pour remplacer toutes les autres technologies radio tout en satisfaisant l’ensemble des besoins de services et d’usages. Les futurs systèmes de communications devront donc permettre l’interopérabilité entre les dif- férents standards au niveau européen et mondial. L’émergence des technologies de la radio intelligente constitue aujourd’hui une solution originale et prometteuse pour répondre à ce challenge. Cependant, le déploiement de ces systèmes soulève encore de nombreux défis techniques notamment au niveau des antennes. Ces dernières doivent en particulier être capables de modifier leurs réponses en fréquences ou bien avoir une très large bande tout en minimisant la déformation des formes d’ondes. Elles doivent répondre aux besoins de cohabitation multi-systèmes et de miniaturisation. Or la miniaturisation et la largeur de bande sont limités par des contraintes physiques et les caractéristiques des matériaux les constituant. Les métamatériaux, des composites électromagnétiques artificiels, peuvent permettre la conception d’éléments rayonnants pour la radio intelligente avec un plus grand degré de liberté et à moindre coût. Cependant l’analyse de l’association des métamatériaux à des antennes ou éléments rayonnants n’est pas aisé, surtout quand les antennes prennent une forme arbitraire. Pour adresser ces challenges les techniques classiques de conception d’antennes ne sont pas suffisantes. Pour cela, nous proposons dans ce travail une approche basée sur la conception modale utilisant la théorie des modes caractéristiques. Cette approche démontre un potentiel remarquable dans la conception des antennes électriquement petites ainsi les antennes basées/inspirées des métamatériaux. En outre, l’évaluation des performances d’antennes à formes arbitraires en fonction des paramètres géométriques à été démontré sans considération d’une excitation prédéfinie. Ceci offre un énorme avantage pour les techniques basées sur l’optimisation des formes d’antennes. Finalement, une antenne très large bande dédiée au sondage du spectre est présentée. L’approche modale a été utilisée afin de garantir un diagramme du rayonnement stable sur toute la bande de fréquence ainsi qu’une bonne efficacité dans le régime électriquement petit. Plusieurs validations expérimentales sont également présentées. / The rise of wireless communication systems and the big demand of high bit rate links have entailed researches to lie over new communications systems. With this diversity of wireless systems, flexibility for operating between different standards is strongly needed. Cognitive radio (CR) consist the future system that can offer this flexibility. The new features of CRs remains many challenges to their antennas. Miniaturization, isolation and bandwidth improvement, are all real needs and effective challenges. Especially when the geometry of the antenna become more complex in order to fit the terminal chassis. The use of metamaterials (MTM) has been introduced to overcome physics limitations in order to undertake these needs. The analysis of MTM in presence of radiating elements such antennas prove to be a challenge. In this thesis, an new approach to address these challenges is proposed. It is based on a modal concept using the theory of characteristic modes (TCM). It proves to be useful to analyse and design of electrically small antenna (ESA), metamaterial-inspired antennas and metamaterial-based antennas. Furthermore, the same approach is used to evaluate the antenna performances when surrounded by complex artificial materials by proposing closed formulas for the quality factor. This remains into a huge advantage in the antenna shape optimisation in the antenna industry. As a proof of concept, an extremely-wide-band antenna for underlay CR (sensing antenna) is developed using the proposed approach in order to have stable radiation pattern an high efficiency in the electrically small regime. An experimental validation of the performances of all the presented designs is also provided.

L’évolution rapide des communications sans fil a favorisé l’augmentation du nombre de standards alloués aux systèmes de communication fonctionnant sur différentes bandes de fréquences. Pour accompagner les derniers développements de systèmes sans fil, il est indispensable de concevoir des antennes miniatures intégrables. Cependant, la miniaturisation des antennes s’accompagne d’une réduction significative de la bande passante et de leur efficacité de rayonnement ainsi qu’à l’apparition d’un décalage fréquentiel de leurs fréquences de fonctionnement lorsqu’elles sont étudiées dans leur contexte d’utilisation. L’intégration de dispositifs accordables au sein d 'une antenne permet de répondre favorablement à ces problématiques. Parmi les solutions proposées dans la littérature, l’utilisation de matériaux ferroélectriques en couche mince permet de concevoir un condensateur accordable en fonction du champ électrique appliqué. Ces dispositifs réalisés à base de couches minces ferroélectriques ont été développés pour répondre aux exigences particulières et extrêmes des systèmes de télécommunication actuels (miniaturisation, faible coût, facilité de fabrication et d’intégration et bonne tenue en puissance). Cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches sur les antennes reconfigurables en fréquences à base de matériaux ferroélectriques. Deux axes principaux ont été développés au cours de ces travaux de recherche : le développement et la réalisation de condensateurs intégrant un film BST au sein du laboratoire XLIM et leurs caractérisations en hyperfréquence. La seconde partie de nos travaux concerne l’intégration de l’un de ces dispositifs accordables au sein d’une antenne miniature afin d’étudier son accordabilité en fréquence. / The rapid growth of wireless communication has promoted the increase of the number of standards for wireless applications. This progress requests new manufacturing processes of smart devices that are able to work on several frequency bands. However, the miniaturization of antennas is accompanied by a significant reduction of the bandwidth as well as its radiation efficiency and it becomes dependent on its using context. Tunable devices can be integrated within antennas in order to overcome these main issues. Among the solutions proposed in the literature, thin-film ferroelectric materials are used to realize tunable capacitors. The use of such materials allows the design of a tunable capacitor that can be tuned by an applied electric field. The advances of these ferroelectric thin-film devices were developed in order to meet particular and extreme requirements for today's telecommunication systems (miniaturization, low cost, ease of the manufacture process, integration and good power handling). This thesis is part of ongoing research over frequency reconfigurable antennas which are based on ferroelectric materials. Two main axes were developed during this work: The development and realization of capacitors that incorporate a BST film along with their microwave characterizations within XLIM lab. The second part of our work is dedicated to the realization of the complete tunable antenna.

Cette thèse vise à développer des méthodologies originales et appropriées pour modéliser la propagation des ondes EM dans des tunnels de forme quelconque et à proposer des méthodologies pour optimiser les spécifications, la conception et le positionnement des antennes en tunnel. Nous avons proposé une méthode originale d’analyse modale full-wave pour traiter le cas de la propagation des ondes EM dans des structures de grandes dimensions électriques ou en milieux confinés de forme quelconque tels que les tunnels. Cette méthode consiste en une approche modale qui s’appuie sur l’algorithme 2,5D TLM et l’algorithme Matrix Pencil pour la discrimination des modes dans des structures à pertes dans lesquelles la densité modale est élevée et les modes se superposent. Nous avons considéré de nouvelles conditions aux limites appelées SIBC (Surface Impedance Boundary Condition) pour les guides d’ondes diélectriques à pertes. Afin de pouvoir analyser les cas généraux et plusieurs configurations de tunnel réalistes, nous avons proposé une nouvelle nomenclature des modes. En effet, la nomenclature des modes existante n’est plus applicable en raison des effets de dépolarisation des modes dans certains cas réalistes. Une nouvelle méthodologie pour la détermination des spécifications et des positions des antennes en milieux confinés ou guidés a ensuite été développée. Cette méthodologie repose sur la combinaison d’une analyse modale et de techniques d’optimisation afin d’ajuster le poids des différents modes dans le tunnel. Cette approche est utilisée dans le cas des antennes adaptatives mais elle n’a jamais été appliquée au cas de la propagation multi modes en tunnel. / This thesis aims to develop original and appropriate methodologies to model the propagation of EM waves in tunnels of any shape and to propose methodologies to optimize the specification, design and positioning of the antenna in the tunnel. We proposed a novel method for full-wave modal analysis to treat the case of EM wave propagation in structures of large electric dimensions or confined environments of any shape such as tunnels. This method is a modal approach which is based on the 2.5D TLM algorithm and Matrix Pencil algorithm for the discrimination of modes in lossy structures in which the modal density is high and the modes overlap. We considered new boundary conditions called SIBC (Surface Impedance Boundary Condition) for dielectric waveguides with losses. To analyze the general case and several realistic tunnel configurations, we proposed a new classification of modes. Indeed, the classification of existing methods is no longer applicable due to depolarization effects in some realistic cases. A new methodology for determining the specifications and positions of antennas in confined or guided structures was then developed. This methodology is based on a combination of modal analysis and optimization techniques to adjust the weights of the different modes in the tunnel. This approach is used in the case of adaptive antennas, but it has never been applied to the case of multipath propagation modes in the tunnel.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µία µελέτη τυπωµένων κεραιών γεωµετρίας φράκταλ για ασύρµατες τερµατικές συσκευές, µε έµφαση στις εφαρµογές των κινητών επικοινωνιών και των ασύρµατων τοπικών δικτύων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσµα την σηµαντική µείωση των διαστάσεων των τερµατικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιµετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεµβολής του ασύρµατου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά µικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαµηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυµητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Στα πλαίσια της διατριβής διερευνήθηκε η ικανότητα σµίκρυνσης και παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς που παρουσιάζουν τα σχήµατα γεωµετρίας φράκταλ αν χρησιµοποιηθούν σαν κεραίες. Αρχικά προτείνεται µία καινούργια κατηγορία κεραιών, οι τυπωµένες µονοπολικές κεραίες γεωµετρίας φράκταλ και συγκρίνονται διάφορες γεωµετρίες φράκταλ τόσο ως προς την ικανότητα σµίκρυνσης όσο και ως προς τα χαρακτηριστικά εµπέδησης και ακτινοβολίας που παρουσιάζουν. Εξετάζεται ο καθοριστικός ρόλος του επιπέδου γείωσης αυτής της κατηγορίας κεραιών και εξάγονται γενικά συµπεράσµατα για την εκµετάλλευσή του µε τον βέλτιστο δυνατό τρόπο. Επιπλέον διερευνήθηκε η χρήση των σχηµάτων φράκταλ για την µείωση των διαστάσεων των µικροταινιακών κεραιών. Η φράκταλ ορθογώνια καµπύλη προτείνεται για εφαρµογές γραµµικής και κυκλικής πόλωσης, η οποία παρουσιάζει σηµαντική ικανότητα σµίκρυνσης και προσφέρει πολλούς σχεδιαστικούς βαθµούς ελευθερίας που µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε για περαιτέρω µείωση του µεγέθους της είτε για την διατήρηση του εύρους ζώνης της σε ικανοποιητικά επίπεδα. Λόγω του συµπαγούς σχήµατος και των επιθυµητών χαρακτηριστικών των τυπωµένων µονοπολικών και µικροταινιακών κεραιών φράκταλ, µελετάται περαιτέρω η χρησιµοποίησή τους για την υλοποίηση συστηµάτων πολλαπλών κεραιών µε σκοπό την βελτίωση της ποιότητας του λαµβανοµένου σήµατος. Ακόµη µελετάται η ικανότητα παραγωγής πολυσυχνοτικής συµπεριφοράς της µονοπολικής κεραίας Sierpinski και προτείνεται µία τροποποίηση η οποία µειώνει σηµαντικά το µέγεθος της κεραίας και καθίσταται δυνατόν να τυπωθεί σε ασύρµατες συσκευές µικρού µεγέθους. Επιπλέον, διερευνώνται διάφορες τεχνικές για να ελεγχθούν οι συχνότητες συντονισµού της κεραίας και να συµπέσουν µε τις εκάστοτε επιθυµητές µπάντες λειτουργίας. Τέλος εξετάζεται η επίδραση των διαστάσεων του επιπέδου γείωσης στα χαρακτηριστικά εµπέδησης του συστήµατος. / This Ph.D. thesis presents a comprehensive study on printed fractal antennas for wireless terminal devices, with emphasis on mobile and wireless local area network applications. The rapid evolution of wireless communications resulted in a decrease of terminal devices’ dimensions, in the integration of different services, operating in different spectra, in the same device and finally in the deployment of multiple antenna systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These evolutions, in turn, set new demands on antenna’s design leading to the necessity of exceptionally small, multiband and low cost radiators possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. In the context of the present work, the miniaturization and multiband ability of fractal shaped antennas is examined. Initially a new antenna type is proposed, that of printed fractal monopole antennas, and several innovative fractal shaped monopoles are compared with respect to their miniaturization ability, input impedance and radiation characteristics. The important role of the ground plane is also investigated and general conclusions are drawn to exploit its effects in the most appropriate way. The application of fractals on microstrip antennas was further studied with the fractal rectangular curve (frc) microstrip antenna being proposed for linear and circular polarization applications. The frc microstrip antenna proved to possess a noticeable miniaturization ability and a geometry with several degrees of freedom that can be used either to reduce further its size, or to keep the bandwidth to a satisfactory level. Due to the compact size and desirable electrical characteristics of printed monopole and microstrip fractal antennas, they were further considered for the implementation of multi element antenna systems in order to improve the SNR of the received signal. Finally, the multiband ability of the Sierpinski monopole antenna is investigated and a modification is proposed to decrease the overall antenna height making it feasible to be printed in small terminal devices. Several techniques to allocate the desirable bands of interest are also discussed along with the effect the ground plane dimension’s on the system’s input impedance.

Οι σύγχρονες επικοινωνιακές ανάγκες οδήγησαν στην ευρεία εξάπλωση των ασύρματων δικτύων και στη σταδιακή αντικατάσταση των υφιστάμενων ενσύρματων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασυρμάτων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση των διαστάσεων των τερματικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιμετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεμβολής του ασύρματου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά μικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυμητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Όλα αυτά είχαν ως αποτέλεσμα να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη και σχεδιασμό τυπωμένων επίπεδων κεραιών που θα συμβάλλουν στην εξασφάλιση της κατάλληλης ποιότητας παρερχόμενων υπηρεσιών (QOS). Οι τυπωμένες επίπεδες κεραίες αποτελούν κυρίαρχο συστατικό ενός ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος και αποτελούν αντικείμενο μελέτης καθώς παρουσιάζουν ελκυστικά χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε πως έχουν χαμηλό κατασκευαστικό κόστος, μικρό βάρος και μέγεθος. Επιπλέον είναι εύκολο να κατασκευαστούν, να ενσωματωθούν σε τερματικές διατάξεις και μικροκυματικά κυκλώματα και να συνδυαστούν σε επίπεδες συστοιχίες κεραιών. Πρόκειται για διατάξεις συμβατές με ηλεκτρονικά σταθερής κατάστασης ,τεχνολογίες Silicon, υβριδικά και μονολιθικά κυκλώματα και είναι κατάλληλες για μεγάλο εύρος εφαρμογών. Στη παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη τυπωμένων κεραιών γεωμετρίας Yagi για ασύρματες τερματικές συσκευές ,με έμφαση στις εφαρμογές των κινητών επικοινωνιών και των ασυρμάτων τοπικών δικτύων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μια βιβλιογραφική αναζήτηση και παρουσίαση των υπαρχόντων Yagi κεραιών που έχουν παρουσιαστεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία και στη συνέχεια μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν τυπωμένες Yagi κεραίες για διαφορετικές εφαρμογές και με διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας .Εξομοιώθηκαν κεραίες στενής αλλά και ευρείας ζώνης με διαφορετική γεωμετρική δομή, μέγεθος, μηχανισμούς τροφοδοσίας και ζώνες λειτουργίας. Επιπλέον εξετάστηκαν ζητήματα όπως ο συνδυασμός των τυπωμένων κεραιών σε συστοιχίες καθώς και ο ρόλος του επιπέδου γείωσης, του μηχανισμού τροφοδοσίας , των κατευθυντικών στοιχείων και πώς αυτά επηρεάζουν τη λειτουργία της κεραίας. / Modern communication needs have led to wide spread of wireless networks and to the progressive replacement of the existing wired-ones. Wireless communications’ rapid development resulted in the reduction of terminal device’s dimensions as well as in the integration of different services operating in various frequencies in the same device and finally in the deployment of multiple antennas systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These developments, in turn, placed new requirements in antenna’s design leading to the need of exceptionally small, low-cost and multiband antennas, possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. As a result specific emphasis was given in the study and design of printed antennas that will guarantee the appropriate quality of services (QOS). It is a fact that printed planar antennas are one of the most important components of a wireless communication system and they are an object of great study as they present attractive characteristics. It is important to mention that they are small in weight and size and they can be easily fabricated with low cost procedures. Moreover they can be integrated in terminal devices and microwave circuits and they can be combined in antenna arrays. In addition they are compatible with solid-state electronics, Silicon technologies, hybrid and monolithic circuits and they are suitable for a wide range of applications. A study on printed Yagi antennas for terminal devices is presented on this thesis with emphasis in applications for mobile communications and wireless local networks. Initially a bibliographic research has been realised on existing printed Yagi antennas that have occasionally been presented in the international bibliography and we their different features and geometric models have been introduced. Afterwards, printed Yagi antennas have been deigned and studied for different applications with various operational characteristics. We have simulated narrowband and also broadband antennas with different geometric structure, size, feeding mechanism and area of operation. Moreover many issues have been examined such as antennas’ combination in arrays, antennas’ operation and performance in comparison with ground plane presence, different feeding mechanism and additional directors.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μελέτη και η σχεδίαση τυπωμένων κεραιών ανεστραμμένου – F για φορητές τερματικές συσκευές. Οι κεραίες αυτές χρησιμοποιούνται σε κινητά τερματικά, όπως κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, PDA κ.τ.λ. και παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα, με κυριότερα το χαμηλό κόστος, την ευκολία κατασκευής, το μικρό τους μέγεθος και τη δυνατότητα μαζικής παραγωγής. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένες γενικές βασικές αρχές των κεραιών και εισάγεται η έννοια της ηλεκτρικά μικρής κεραίας. Επίσης παρουσιάζεται η κεραία ανεστραμμένου – F και διατυπώνεται η θεωρία των ειδώλων στην οποία βασίζεται η αρχή λειτουργίας της συγκεκριμένης κεραίας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι προτάσεις και οι υλοποιήσεις που έχουν γίνει μέχρι στιγμής για την κεραία ανεστραμμένου – F στην βιβλιογραφία ενώ στη συνέχεια (κεφάλαια 3 μέχρι 7) παρουσιάζονται αναλυτικά ορισμένες κεραίες που έχουν κάποια επιπλέον πλεονεκτήματα ως προς τις υπόλοιπες ομοειδείς. Ιδιαίτερη βάση δόθηκε στις κεραίες που καλύπτουν τις ISM ζώνες στα 2.4 GHz και 5.2/5.8 GHz εξαιτίας της ευρύτατης χρήσης των ζωνών αυτών.Τέλος στο κεφάλαιο 9 επιχειρείται μια μικρή εισαγωγή στα συστήματα απόκλισης χώρου με την παρουσίαση και αξιολόγηση ενός συστήματος με τέσσερις κεραίες. / This diploma thesis includes the analysis, design and simulation of printed inverted - F antennas for dual band operating portable terminal devices. These antennas are widely used in mobile phones,laptops, PDAs,etc and have many advantages over other printed antennas such as extremely low cost, fabrication flexibility and compact size.

Dans cette thèse, nous proposons des modifications de conception d’antenne PIFA concernant la téléphonie mobile afin de réduire le taux de pénétration des ondes électromagnétiques dans la tête. Trois antennes ont été considérées: une antenne PIFA à bande unique fonctionnant à 1,8 GHz, une antenne PIFA à bande double fonctionnant à 900 MHz et à 1,8 GHz, et une antenne PIFA tri-bande à 900 MHz, 1800 MHz et 2400 MHz. La densité de courant de surface le long du plan de masse a été réduite en diminuant le rayonnement du champ électrique émis par l’antenne émettrice vers le corps, ce qui a entraîné une réduction de la densité de courant le long de la tête humaine ainsi que du SAR. Cette réduction du SAR a été réalisée en insérant plusieurs traitements de bords tels qu'une forme en U à chaque coin du plan de masse de l'antenne. Nous avons étudié trois types des antennes : la première, lorsque les bords U sont constitués de PEC, nous obtenons une réduction du SAR de 78,6%. La seconde utilise un type de liquide considéré comme absorbant. Avec ce liquide, deux antennes ont été analysées: une PIFA à bande unique fonctionnant à 1,8 GHz et une PIFA à bande double fonctionnant à 900 MHz et à1,8 GHz. Dans ce scénario, le bord en U est constitué d’eau, et nous avons constaté que la valeur maximale du SAR moyen sur 10 g de tissu était réduite à 73,52% pour une PIFA à bande unique, tandis que le pic de SAR a été réduit à 88,78% et 90,31% en cas de double bande. Afin de préserver la hauteur de l'antenne et de la rendre plus réaliste, un autre type d’antenne a été modélisé en insérant des arêtes en forme de U à chaque extrémité du plan de masse. Dans ce cas, la réduction du SAR a été la suivante: 74,5% à 1800 MHz pour une bande unique et environ 64,37%, 79,92% et 54,71% à 900 MHz, 1800 MHz et 2400 MHz pour une antenne tri-bande, et pour une moyenne de masse de tissu égale à 10g. Dans une dernière partie, cette thèse propose une antenne optimisée pour des transmissions de la station de base vers l'utilisateur d’un téléphone mobile, en exploitant la bande GSM-900. L’objectif principal de cette étude est de fournir une intensité de champ constante sur la surface de couverture, afin de minimiser certains effets biologiques considérés comme dangereux pour la santé humaine. / In this thesis, we propose new types of mobile handset PIFA antenna design to reduce the specific absorption rate (SAR) in human head. Three antennas were considered: a single band PIFA operating at 1.8 GHz, a dual band PIFA operating at 900 MHz and 1.8 GHz, and a Triband PIFA operating at 900MHz, GSM 1800MHz, and 2400MHz. Surface current density along the ground plane was decreased by reducing the near electric field radiation coming from the radiating antenna to the human head, which in turns leads to a reduction in current density along human head as well as the SAR. This SAR reduction is accomplished by inserting several edges treatment such as U-shape at each corner of the ground plane of antenna. In this scenario, we studied three types: first one, when U-edges are made of PEC, we get SAR reduction about 78.6%. Second one is a liquid type that is considered as more advanced type. For this type, two antennas are considered: a single band PIFA operating at 1.8 GHz, and a dual band PIFA operating at 900 MHz and 1.8 GHz. In this scenario, two cases were studied: first one when the U-edge is made of water, we noticed that the peak SAR value averaged over 10 g mass tissue was reduced to 73.52% in the case of single band PIFA, whereas the peak SAR was reduced to 88.78% and 90.31% in case of dual band. Second case, when U-edge filled with water, this enhanced structure was presented to overcome the manufacturing limitations of the first case design. Simulation results showed a better performance in terms of reflection coefficient and radiation pattern for both single-band and dual-band antennas. The results of SAR were also similar to the first case structure design for the single-band antenna. However, the SAR was slightly higher for the dual-band antenna, but it still remains very low (1.6 W/Kg at 900 MHz and 0.6 W/Kg at 1800 MHz). After that, for preserving the height of antenna, and making it more realistic to be applied, another type was done by inserting U-edges above each corner of the ground plane. In this case, we get SAR reduction as follows: 74.5% at GSM1800MHz in case of single band, and about 64.37%, 79.92%, and 54.71% at GSM900MHz, GSM1800MHz, and 2400 MHz in case of Tri-band averaged over 10g mass tissue. On the other hand, this thesis presents a modern and unprecedented safety antenna that transmits from the base station to the mobile user being operated at the GSM-900 band. The main objective of this study is to provide a constant field strength or a uniform coverage over a certain surface area, for preventing human health from several hazardous biological effects, and this strongly depends on the studied site (e.g. if it is densely urban, rural, open area, etc.). Our proposed design is synthesized using S.A.R.A (Synthesis of Array of Antenna) software. Besides, Atoll GSM planning tool is used to ensure the signal coverage and power strength for the safety antenna, and CST (Computer Simulation Technology) software for simulating the proposed antenna.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µια εκτενής µελέτη συστηµάτων απόκλισης τυπωµένων κεραιών για ασύρµατες συσκευές. Η εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών και ειδικότερα η κατανόηση των φαινοµένων που λαµβάνουν χώρα στο ασύρµατο κανάλι µετάδοσης έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη τεχνικών αντιµετώπισης φαινοµένων όπως η πολυοδευτική εξασθένηση και η διασυµβολική παρεµβολή. Τέτοιες τεχνικές είναι οι τεχνικές απόκλισης και ειδικότερα οι τεχνικές απόκλισης κεραιών (χώρου, πόλωσης και διαγράµµατος ακτινοβολίας) οι οποίες συνδυάζουν τα λαµβανόµενα από διαφορετικές κεραίες σήµατα µε σκοπό την δηµιουργία ενός σήµατος υψηλότερης στάθµης. Η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος κεραιών περιλαµβάνει τα κριτήρια του συντελεστή συσχέτισης των λαµβανοµένων σηµάτων και του λόγου των µέσων ενεργών κερδών των κεραιών που αποτελούν το σύστηµα. Καθοριστικό ρόλο στην τεχνική απόκλισης διαδραµατίζει ο τρόπος που συνδυάζονται τα λαµβανόµενα σήµατα στον δέκτη, µε την τεχνική του µεγίστου λόγου να αποτελεί την βέλτιστη λύση από πλευράς απόδοσης, αλλά ταυτοχρόνως την πιο δύσκολα υλοποιήσιµη. Η ποσοτικοποίηση της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος πραγµατοποιείται µε το κέρδος απόκλισης το οποίο λαµβάνει διαφορετικές µορφές και ουσιαστικά παρέχει την πληροφορία του ποσοστού βελτίωσης του συνδυασµένου σήµατος σε σχέση µε µία κεραία αναφοράς. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν συστήµατα απόκλισης τυπωµένων κεραιών δύο, τριών, τεσσάρων έως και έξι στοιχείων. Χρησιµοποιήθηκαν κεραίες γεωµετρίας fractal λόγω της σπουδαίας ικανότητας σµίκρυνσης που παρέχει η εν λόγω τεχνική καθώς και το µονόπολο γεωµετρίας ανεστραµµένου F. Ακολουθήθηκε η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης για όλα τα προτεινόµενα συστήµατα και έγινε σύγκριση µεταξύ των συστηµάτων. Μελετήθηκε αφ’ ενός η επίδραση της θέσης της κεραίας σε µία ασύρµατη συσκευή και αφ’ ετέρου η επιλογή της καταλληλότερης προς χρήση κεραίας στην µείωση του φαινοµένου της αµοιβαίας σύζευξης, φαινόµενο το οποίο αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα µείωσης της συνολικής ικανότητας απόκλισης σε ένα σύστηµα πολλαπλών κεραιών. Ακόµη, µελετήθηκαν συστήµατα απόκλισης κεραιών τα οποία λειτουργούν σε διαφορετικές µπάντες συχνοτήτων. Τέλος, έγινε µια συγκριτική µελέτη για τον ρόλο που διαδραµατίζει το περιβάλλον και ο τρόπος που κατανέµεται η προσπίπτουσα ισχύς στην συµπεριφορά της απόκλισης των µελετηθέντων συστηµάτων. / This thesis presents a comprehensive study on printed antenna diversity systems for wireless devices. The current upsurge in wireless communications systems and, in particular, the realization of the immanent propagation mechanisms that take place in the transmission medium led to the development of special techniques in order to mitigate the undesired phenomena such as multipath fading and intersymbol interference. Antenna diversity (space, polarization and pattern) is one of these techniques and is based on the assumption that the received signals of two or more antennas could be efficiently combined in order to produce a stronger signal. The evaluation of the diversity performance involves the correlation coefficient of the received signals and the mean effective gain ratio of the diversity antennas. A key role in diversity action plays the combining technique used with the maximum ratio technique producing the best results. Diversity performance is “quantified” by means of diversity gain, which gives the amount of improvement of the combined signal relative to a signal received from a reference antenna. In this thesis, printed antenna diversity systems comprising up to six elements were developed. Antennas of fractal geometry such as the Koch, Minkowski, Sierpinski and FRC monopoles, were utilized due to their inherent miniaturization ability as well as the printed inverted F antenna. All the proposed systems were evaluated according to the methodology mentioned earlier and a comparison of the diversity performance between the systems was carried out. The effect of the antenna placement as well as the proper antenna selection for each system on the reduction of mutual coupling was addressed, which is an issue of primal importance in multi element antenna systems. Multi band antenna diversity systems were also studied. Finally, the impact of the environment’s power distribution on the diversity performance of the antenna systems was considered.

Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση πολλαπλών κεραιών εκπομπής και πολλαπλών κεραιών λήψης (Multiple Input Multiple Output, MIMO) στις τηλεπικοινωνίες προκάλεσαν εκτεταμένο ενδιαφέρον μελέτης από την επιστημονική κοινότητα και υιοθετήθηκαν σε πολλές εφαρμογές της καθημερινής μας ζωής. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται με συντομία τα πλεονεκτήματα της τεχνολογία MIMO και πώς μπορεί να βελτιώσει τη ποιότητα επικοινωνίας. Όπως σε κάθε τεχνολογία υπάρχουν και οι αντίστοιχοι περιορισμοί που δημιουργούνται λόγω διαφόρων φαινομένων μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων όπως διαλείψεις (fading), σκίαση (shadowing) και απώλειες διαδρομής (path loss). Τα φαινόμενα αυτά είναι απαραίτητο να μελετηθούν προκειμένου να αναπτυχθούν καλύτεροι αλγόριθμοι επικοινωνίας πομπού και δέκτη βελτιώνοντας τη ποιότητα επικοινωνίας. Για τη μελέτη αυτών των φαινομένων είναι απαραίτητη η ανάπτυξη διάταξης πομπού - δέκτη (test-bed) που υιοθετεί τη τεχνολογία MIMO και επιτρέπει τη περεταίρω μελέτη του συστήματος. Στο Κεφάλαιο 3 αναφέρονται τα βασικά χαρακτηριστικά της σχεδίασης ενός ασύρματου συστήματος. Αναλύεται η δημιουργία των προδιαγραφών βάσει των απαιτήσεων της εφαρμογής και η επιλογή των χαρακτηριστικών στο πομπό και στο δέκτη. Επιπλέον γίνεται εκτεταμένη αναφορά στους περιορισμούς και στα προβλήματα που δημιουργούνται σε αναλογικά συστήματα πομπών – δεκτών και τρόποι αύξησης της απόδοσής τους. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται το υλοποιημένο ενσύρματο σύστημα τεχνολογίας ΜΙΜΟ και οι τροποποιήσεις που έγιναν για την ενσωμάτωση του ασύρματου RF υποσυστήματος. Στη συνέχεια αναλύεται η αρχική μελέτη του RF υποσυστήματος και τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά του με τη βοήθεια προσομοιώσεων (simulations). Τέλος παρατίθεται η τελική συσκευή που αναπτύχθηκε, τα θέματα που παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια κατασκευής τους αλλά και τρόποι αντιμετώπισής τους και παραδοχές που έγιναν. Το Κεφάλαιο 5 αναφέρεται στις μετρήσεις που έγιναν σε πραγματικές συνθήκες. Οι μετρήσεις αφορούν αξιολόγηση των αναλογικών συσκευών πομπού – δέκτη ξεχωριστά αλλά και όλο το σύστημα μαζί. Το Κεφάλαιο 6 κάνει αναφορά στο τελικό χαμηλοπερατό ενεργό φίλτρο που αναπτύχτηκε για τη συγκεκριμένη εφαρμογή ενώ το Κεφάλαιο 7 περιγράφει το σχεδιασμό ενός αποκλειστικού, ειδικά σχεδιασμένου, τροφοδοτικού για τις ανάγκες τροφοδοσίας των συσκευών. / The benefits arising from the use of multiple transmitter antennas and multiple receiver antennas (Multiple Input Multiple Output, MIMO) in the field of telecommunications caused extensive interest and became subject of study by the scientific community and adopted in many applications in our daily life. Chapter 2 describes briefly the advantages of MIMO technology and how it can improve the quality of communication. As with any technology there are restrictions caused by various transmission phenomena of electromagnetic waves such as fading, shadowing and path loss. These phenomena need to be studied in order better algorithms can be developped and improve communication quality. A transmitter – receiver set up which adopts MIMO technology (test-bed) is necessary in order to study these phenomena and enable further research in the system. In chapter 3 the basic design concepts of a wireless system are presented. Thorough analysis has been made in many issues such as the creation of specifications based on application requirements, the selection of features in the transmitter and receiver, the limitations and problems arising in analog systems and ways to increase their performance. Chapter 4 describes the implemented wired MIMO system, the changes made to integrate the wireless RF subsystem, the initial study of the RF subsystem and the expected characteristics according the simulations. Finally the device developped is presented along with the issues encountered during construction and the solutions found to resolve them. Chapter 5 refers to measurements made in the field (indoor conditions). The evaluation of the analog devices transmitter and receiver has been done both separately and the whole system. Chapter 6 refers to the final low pass active filter that was developed for the specific application while Chapter 7 describes the design of a unique, specially designed, power supply for the power needs of the devices.

L’apparition des objets connectés intelligents dont nous sommes les témoins depuis quelques années a généré un besoin croissant d’antennes à bas coût et énergétiquement sobres. La capacité d’effectuer à la volée une mise en forme du faisceau où sa reconfiguration est une propriété particulièrement intéressante, qui pourrait permettre à l’objet intelligent d’effectuer des tâches telles que la surveillance de zone par exemple ou bien d’optimiser son bilan de liaison en ne visant qu’une seule direction de l’espace. Cela pourrait également mener à un accroissement de l’autonomie de l’objet, via une diminution de sa consommation énergétique, voir à le rendre totalement indépendant s’il devient suffisamment économe pour envisager son alimentation via des systèmes de récupération d’énergie. C’est dans ce contexte que nous proposons ici une nouvelle architecture d’antenne reconfigurable, capable d’un balayage de faisceau sur 360° degrés et basée sur l’utilisation de métal liquide au sein d’un système d’actionnement microfluidique. Dans le premier chapitre, nous ferons une rapide présentation des deux principales technologies de balayage de faisceau utilisées aujourd’hui avant d’étudier les diverses techniques de déplacement de métal liquide utilisées et documentées dans la littérature. L’objectif de ce travail est de sélectionner la technique la plus adaptée à nos besoins. Dans le second chapitre, nous proposerons les deux designs d’antennes envisagés pour notre système, basés sur l’architecture Yagi-Uda. Nous discuterons des avantages et inconvénients de chacun afin d’en sélectionner un qui sera examiné plus en avant dans le chapitre suivant. Dans le troisième chapitre, nous étudierons, à l’aide de simulations électromagnétiques, les performances du design d’antenne sélectionné dans le but de justifier notre choix. Cette étude se concentrera sur l’implémentation graduelle de la complexité du design retenu, en partant d’un système très théorique pour aboutir à une émulation très proche de ce que pourrait être un prototype final. Finalement, dans le quatrième et dernier chapitre nous considérerons deux preuves de concept du système complet ainsi que leurs différentes techniques de fabrications. Étant donné le fait que chaque preuve de concept se concentre soit sur l’aspect RF ou fluidique du système, nous étudierons aussi leurs performances respectives. Nous détaillerons également le développement de certains procédés de fabrication spécifiques utilisés pour réaliser les briques de base, en particulier les objets micro-fluidiques. Ce chapitre nous permet de conclure positivement cette étude de la faisabilité du concept proposé et développé dans ce travail. / The advent of autonomous connected smart objects we are witnessing since a few years has generated a growing need for low cost and energetically sober reconfigurable antennas. The ability to perform on the fly beam shaping and re-configuration is a particularly interesting property which would allow the smart object to perform task such as area surveillance for example and to optimize its link budget by targeting a specific direction of space. This could also allow the increase of the object’s autonomy, through a diminution of its power consumption, or even to render it fully autonomous if it becomes sober enough to envision the use of energy harvesting systems. It is in this context that we propose here a new reconfigurable antenna architecture, capable of 360° beam steering, based on the use of liquid metal within a microfluidic actuation system.In the first chapter, we will do a quick presentation of today’s two main beam steering technics used for antennas before studying the various used and documented technics of liquid metal displacement used in the literature for RF applications. The objective is to single out the better suited one to our requirements.In the second chapter, we will propose the two antenna designs envisioned for our system, based on the Yagi-Uda architecture. We will discuss the advantages and drawbacks of each in order to select one design which will be more closely investigated on the following chapter.In the third chapter, we will study, with the help of electromagnetic simulations, the performances of this selected antenna design in order to justify our choice. This study will focus on the gradual complexity implementation of the chosen design, from a very theoretical system to one very close to what a final prototype would be. Finally, in the fourth and last chapter we will consider two proofs of concept of the complete system and their various fabrications technics. Given that each proof of concept focus either on the RF or the fluidic aspect of the system, we will investigate their performances. We will also detail the development of some of the specific fabrication processes used for the basic building blocks, especially for the fluidic objects. This chapter allow us to conclude positively this study on the feasibility of this concept which was proposed and developed in this work.