Dans un contexte de généralisation des systèmes de communication sans fil, le besoin de miniaturiser les antennes pour permettre leur intégration sur de petits objets aux fréquences UHF est croissant. A ces fréquences, l'antenne est le composant le plus volumineux et sa miniaturisation constitue un des défis actuels les plus importants des concepteurs d'objets communicants. Cependant la miniaturisation des antennes s'accompagne généralement d'une dégradation de son efficacité et de sa bande passante. Par conséquent, les structures miniatures généralement conçues résultent d'un compromis entre bande passante, efficacité et taille électrique. Afin de palier à ce problème de bande passante, la technique d'agilité fréquentielle peut s'avérer intéressante pour certains systèmes de communication sans fils. Les travaux de ce mémoire s'inscrivent dans la continuité des recherches sur les antennes à la fois miniatures et performantes. Le premier objectif de cette thèse est d'étudier et de développer une antenne miniature originale susceptible de répondre aux besoins des systèmes sans fils actuels. Le deuxième axe de recherche s'intéresse à la reconfigurabilité fréquentielle de l'antenne miniature initialement développée. La reconfigurabilité ou l'agilité fréquentielle constitue une solution intéressante pour pallier au problème de la bande passante réduite liée à la miniaturisation. Les développements présentés se sont appuyés sur des simulations électromagnétiques, des modélisations et des expérimentations visant à valider les résultats marquants obtenus.

Dans un contexte de généralisation des systèmes de communication sans fil, le besoin de miniaturiser les antennes pour permettre leur intégration sur de petits objets aux fréquences UHF est croissant. A ces fréquences, l'antenne est le composant le plus volumineux et sa miniaturisation constitue un des défis actuels les plus importants des concepteurs d'objets communicants. Cependant la miniaturisation des antennes s'accompagne généralement d'une dégradation de son efficacité et de sa bande passante. Par conséquent, les structures miniatures généralement conçues résultent d'un compromis entre bande passante, efficacité et taille électrique. Afin de palier à ce problème de bande passante, la technique d'agilité fréquentielle peut s'avérer intéressante pour certains systèmes de communication sans fils. Les travaux de ce mémoire s'inscrivent dans la continuité des recherches sur les antennes à la fois miniatures et performantes. Le premier objectif de cette thèse est d'étudier et de développer une antenne miniature originale susceptible de répondre aux besoins des systèmes sans fils actuels. Le deuxième axe de recherche s'intéresse à la reconfigurabilité fréquentielle de l'antenne miniature initialement développée. La reconfigurabilité ou l'agilité fréquentielle constitue une solution intéressante pour pallier au problème de la bande passante réduite liée à la miniaturisation. Les développements présentés se sont appuyés sur des simulations électromagnétiques, des modélisations et des expérimentations visant à valider les résultats marquants obtenus. / Current telecommunication systems and especially mobile terminals require compact antennas with significant bandwidth. But one of the well-known drawbacks of electrically small antennas is their very narrow frequency bandwidth. The aim of this study is to develop a miniature antenna with good performances. A compact omnidirectional antenna corresponding to the need of telecommunication systems is first studied. The antenna is miniaturised by two different techniques and developped. Due to this miniaturization, a weak bandwidth is obtained. Several solutions using frequency agility are subsequently studied. Modelization, simulation and experiments are presented in the thesis to validate the whole study. A BAN (Body Area Network) application of the antenna is finally given.

Il y a à l'heure actuelle un grand besoin en systèmes et composants agiles pour les dispositifs front-end RF. Dans cette thèse, deux approches innovantes sont développées pour la conception de tels dispositifs RF. Dans un premier temps, un mécanisme de reconfiguration micro-mécanique est développé. Cette approche vise à contrôler la hauteur d'un gap d'air inséré dans le substrat de composants microrubans afin d'en modifier les dimensions électriques. Les choix de conception et la fabrication d'un déphaseur à ligne micro-ruban ainsi que d'une antenne accordable en fréquence sont discutés. Une solution d'actionnement piézoélectrique basse tension (+/- 30 V) est retenue. La figure de mérite obtenue dans le cas du déphaseur atteint jusqu'à 313 °/dB ce qui dépasse l'état de l'art en matière de déphasage analogique. Dans le cas de l'antenne, le potentiel d'agilité en fréquence atteint 35 % autour d'une fréquence centrale de 55 GHz. Contrairement aux solutions classiques à base de semiconducteurs ou de RF-MEMS, ce mécanisme de reconfiguration n'impacte pas les performances de l'antenne dont l'efficacité de rayonnement est proche de 94 %. Dans un second temps, c'est un mécanisme micro-fluidique qui est étudié. L'agilité en fréquence d'antennes est créée par l'écoulement successif de liquides de permittivités différentes dans des micro-canaux intégrés au substrat. L'accord en fréquence atteint alors la très large ampleur de 51 % pour une fréquence centrale de 22 GHz. Cette étude s'accompagne de la recherche et caractérisation diélectrique de plusieurs fluides dans l'optique d'augmenter aussi bien la plage d'accord en fréquence que les performances de rayonnement des antennes / As wireless networks evolve, the frequency bands they exploit multiply. Frequency multiplexing, beamforming and tracking, networks interoperability, those mutations increase the need for agility and tunability in the RF-front end systems. In this thesis, two innovative approaches for the design of tunable RF components are studied. First, a micro-mechanical reconfiguration mechanism is developed. This approach means to control the height of an air gap within the substrate of microstrip components in order to control their electrical dimensions. Considerations for the design and fabrication of a phase-shifter and a frequency tunable patch antenna are made and a low voltage piezoelectric actuation (+/- 30 V) is chosen. The phase-shifter figure of merit reaches up to 312 °/dB which is beyond the state of the art in terms of analogic phase-shifting. Regarding the antenna, the frequency tuning potentially reaches up to 35 \% of a central frequency of 55 GHz. Unlike the classic solidstate or RF-MEMS based solutions, this reconfiguration mechanism does not impact the radiation performance of the antenna whose radiation efficiency is 94 \%. In a second approach, a micro-fluidic solution is studied. Frequency tuning capability is created in different antennas by the flow of successive liquids with different permittivities in integrated micro-channels. A large frequency tuning of 51 \% for a central frequency of 22 GHz is achieved. This study goes along with the search and characterization of several fluids with the objective of increasing both the frequency shift and the radiation performance of those antennas

Les antennes présentes dans la plupart des systèmes communicants comme les véhicules automobiles, les avions et les trains se multiplient et sont soumises à une contrainte d’intégration de plus en plus sévère. De nombreuses techniques de miniaturisation d’antennes existent et passent toutes par un compromis entre la taille et les performances (bande passante et/ou rendement de rayonnement). Pour les systèmes cités ci-dessus, les antennes sont souvent placées devant ou à proximité d’un réflecteur métallique (toit de véhicule, carlingue d’aéronef). Dans ce cas, l’épaisseur de système antennaire est une contrainte majeure et les métamatériaux de type Conducteur Magnétique Artificiel (CMA) ouvrent des perspectives intéressantes grâce à leurs propriétés électromagnétiques non conventionnelles. Cependant, pour les applications sub-GHz (RFID, LTE, PMR…), les CMA sont limités par les dimensions des cellules unitaires nécessaires à leur mise en œuvre (λg/4) ainsi que leur bande réduite de fonctionnement. Réduire leurs dimensions permet de rendre leur utilisation compatible avec le contexte des antennes miniatures intégrées. Ajouter l’agilité fréquentielle permet de palier le problème de la bande passante réduite dans le cas des antennes et des CMA miniaturisés en ajustant le fonctionnement du système antennaire sur une large bande passante. Cette thèse de doctorat propose d’étudier et de développer un nouveau système antennaire à faible profil composé d’une antenne miniature associée à une métasurface compacte reconfigurable en fréquence et compatible avec le standard NB-IoT dans la bande basse LTE (700 MHz – 960 MHz). / Antennas are now very integrated in several connected systems like cars, airplanes and trains. Many antenna miniaturization techniques exist and all go through a compromise between size and performance (bandwidth and/or radiation efficiency). For the systems mentioned above, the antennas are often placed near a metallic reflector (vehicle roof, aircraft cabin). Within this context, Artificial Magnetic Conductors (AMC) present an attractive reflector for low profile antennas which can take advantage of intrinsic zero reflection phase response to boost antenna performance without the need for thick quarter wave backplane. However, for sub-GHz applications (RFID, LTE, PMR ...), AMC are limited by the size of the unit cells necessary for their implementation (λg/4) as well as their reduced operating bandwidth. AMC miniaturization makes their use compatible with small antennas. Adding tunability restores the possibility of adjusting the operating frequency over a large bandwidth. This PhD thesis proposes to study and develop a new electrically small, low-profile antenna based on miniaturized and tunable AMC for the NB-IoT standard in low LTE band (700 MHz – 960 MHz).