L'interaction entre l'antenne d'un téléphone mobile et son environnement proche (notamment la tête et la main de l'utilisateur) désadapte l'impédance de l'élément rayonnant, qui présente alors une impédance différente de celle de l'amplificateur de puissance. De plus, le contexte de la 4G introduit de nouvelles contraintes sur l'antenne pour garantir une bande de fonctionnement élargie et des débits accrus. Afin de résoudre les difficultés liées à l'interaction avec l'utilisateur, tout en considérant le contexte 4G, deux axes de recherches ont été étudiés dans ces travaux. La première solution évaluée consiste à insérer un réseau d'adaptation variable (ou tuner), entre l'élément rayonnant et le module front-end, afin de compenser la désadaptation de l'antenne et ainsi ramener une impédance proche de 50 Ohms à l'amplificateur de puissance. Des démonstrateurs ont été réalisés en utilisant la technologie CMOS SOI 130nm de STMicroelectronics. Les performances obtenues sont à l'état de l'art, mais le comportement bande étroite en phase du tuner a montré la nécessité de travailler sur son co-design avec l'antenne, afin de pouvoir démontrer l'intérêt du tuner. Le deuxième axe développé consiste à réaliser une antenne large bande, en conjuguant de manière intelligente les techniques de conception d'antennes et de circuits. Des démonstrateurs ont été fabriqués par procédé LDS-LPKF. Des prototypes de Smartphones ont été également proposés pour implémenter les antennes de manière réaliste afin de caractériser leur comportement en impédance et en rayonnement. Les mesures démontrent une bonne robustesse à l'effet de l'utilisateur (en termes d'adaptation), des efficacités du même ordre de grandeur que celles des téléphones commerciaux, tout en garantissant un fonctionnement dans les bandes de fréquences 4G et leur agrégation. L'aspect modulaire de la méthode et la possibilité d'avoir recours à l'intégration plastronique (composants intégrés sur plastique) des prototypes ouvrent de nombreuses perspectives, afin de traiter des applications diverses, dans les domaines du médical, des réseaux de capteurs ou de l'automobile.

Le développement des antennes modales, qui sont des antennes actives reconfigurables en diagramme de rayonnement mais pas en réseaux, a commencé pour pouvoir implémenter le dépointage électronique dans les téléphones portables. Cette solution est généralement réalisée par un réseau d’antennes, ce qui est très difficile, voire impossible, dans un téléphone portable. Le dépointage permettrait d’améliorer le bilan de liaison et d’augmenter le débit des données.Le premier objectif de cette thèse est donc de développer des antennes modales pour la norme LTE. Trois concepts d’antennes modales ont été présentés. Le premier est une antenne de type « folded loop » active reconfigurable par permutation des points d’alimentation et de retour à la masse. Le deuxième propose une architecture pour rassembler l’antenne principale et l’antenne diversité en bas du téléphone, tout en supportant le MIMO et l’agrégation de porteuses, deux des spécificités de la LTE. Le dernier optimise l’utilisation de la seconde antenne des systèmes LTE MIMO pour procéder au dépointage électronique.Ces antennes modales ne peuvent délivrer leur réel potentiel qu’en étant utilisées avec un algorithme de pilotage, qui choisira la configuration ou le mode approprié(e) à la situation. Le second objectif de cette thèse est donc le développement d’algorithmes intelligents de pilotage d’antennes modales. Le premier algorithme développé et breveté par la société Ethertronics a la particularité de prédire à chaque instant quel sera le meilleur mode à l’instant suivant, à l’aide de données en bande de base pour la LTE. Le second algorithme est déterministe et permet d’estimer et de suivre la direction d’arrivée du signal. Il sélectionne ensuite le mode qui possède le meilleur gain dans cette direction, dans le but d’améliorer le bilan de liaison. / The development of modal antennas which are radiation pattern reconfigurable active antennas, but not arrays, started in order to implement beam forming in cellphones. This solution is generally made with an antenna array, which is very difficult, even impossible, in a mobile phone. Beam forming could improve the link budget and increase the data rate. The first aim of this thesis is the development of modal antennas for LTE standard. Three modal antennas concepts were presented. The first one is a reconfigurable “folded loop” active antenna by permutation of feed and ground points. The second one is a solution to gather the main and the diversity antenna in the bottom part of the phone, and to support MIMO and carrier aggregation, which are two features of LTE. The last one optimizes the use of the second antenna in LTE MIMO systems in order to perform beam forming. These modal antennas will provide their real potential only by being used by a driving algorithm which will choose the best mode or configuration according to the situation. So, the second aim of this thesis is the development of smart modal antenna driving algorithms. The first algorithm, developed and patented by Ethertronics, has the specificity to predict, at each moment, which mode will be the best for the next moment, by using baseband data for LTE. The second algorithm is deterministic and can estimate and track the direction of arrival of the signal. Then, it selects the mode which has the best gain in this direction in order to improve the link budget.