L'identification par radio fréquence (RFID) est une technologie utilisant les ondes radio pour détecter, localiser et identifier des objets sur lesquels on place des étiquettes électroniques ou tags. Cette technologie, avec des fonctionnalités de détection supérieures à 2m, est destinée à remplacer le code-barre existant depuis les années 1970. Durant la dernière décennie, le développement de la RFID UHF a permis d'élargir le domaine des applications qui compte entre autres le marquage d'objets, le contrôle d'accès, la traçabilité, la logistique, l'inventaire, et même les transactions financières. Avec cette augmentation de la demande de services d'identification, les prévisions pour le marché de la RFID (actuellement dans les 12MM d'euros) montrent une augmentation de 3MM d'euros par an dans les 10 prochaines années. Actuellement la RFID UHF présente plusieurs limitations technologiques fortes expliquant que son développement est moins rapide que ce qui avait été envisagé il y a une vingtaine d'années. Deux problématiques industrielles importantes sont abordées dans ce travail. Tout d'abord la variété des supports sur lesquels les étiquettes RFID sont placées, cette variabilité des supports entraînant un déréglage des antennes des tags à cause du changement de la permittivité électrique et/ou de la conductivité du milieu. Dans ce contexte des solutions sont proposées au niveau de tags UHF pour une application sur surfaces en plastique ou en métal. La deuxième problématique est liée au couplage entre antennes lorsque la densité de tags est forte ou aux perturbations de diagramme (masquage) dues à l'environnement proche des antennes. Afin d'améliorer le taux de lecture dans ces conditions, une antenne lecteur miniaturisée à quatre IFAs intégrant de la diversité d'espace, de polarisation et de diagramme a été développée et testée dans un scénario à forte densité de tags / Radio Frequency Identification (RFID) is a technology designed to use the electromagnetic waves backscattering to establish detection and identification for different types of articles. Due to its longer coverage range, this technology seeks to replace the bars code existing since 1970. Recently RFID developments allow the growth in the number of applications including access control, tracking and logistic, inventory, and even electronic contactless payment between others. With this growing in the RFID services demand, the market value previsions (currently in 12MM euros) show an increase of 3MM euros per year during the next 10 years. Nowadays the RFID has many technical limitations that could explain the fact of the slow growth different of the initial estimation twenty years ago. Two main issues in RFID field are treated in this work. Initially, the variety of supports where the tags are placed on, fact that produce an antenna mismatch due to the electrical permittivity variation. For this problem some UHF tags solutions are developed and proposed to enhance the antennas performance for plastic and metallic supports applications. The second issue which is the low detection rate is clearly linked to the antennas coupling when the tags density is high or to the perturbations in the reader's radiation pattern due to the environment next to the antenna. In order to improve the detection-identification rate in these conditions, a four IFA miniaturized reader antenna with diversity is developed and tested

Les structures de base de méta-matériaux nourrissent une alternative technologique prometteuse qui vise à répondre à de nouvelles contraintes de miniaturisation et de performances radioélectriques des systèmes reconfigurables à bas coût.Les travaux de cette thèse reposent sur l’association des cellules Métamateriaux unitaires sub-longueurs d’ondes miniatures et agiles, selon des conditions d’excitation électromagnétique en champ proche, à des dispositifs micro-ondes planaires afin de réaliser de nouvelles structures de filtres et de systèmes antennaires reconfigurables.Après une présentation de l’état de l’art, sur à la fois le concept des Métamateriaux micro-ondes et des modèles de filtres et d’antennes à base des Métamateriaux, nos travaux proposent ensuite sur quatre orientations. La première a trait à l’ingénierie de conception et de simulation électromagnétique des cellules unitaires Métamateriaux, ainsi qu’à l’étude de la miniaturisation et de l’agilité des paramètres électriques.La deuxième orientation est consacrée à la réalisation de nouveaux modèles de filtres agiles basés sur le chargement d’une ligne microruban par des résonateurs sub-longueurs d’onde. Deux modèles de filtres sont développés et validés expérimentalement. Le premier concerne un filtre coupe bande basée sur l’association d’une ligne microruban à des résonateurs de type SRR. Selon le même modèle, un filtre passe bande basé sur une ligne microruban associée à deux cellules résonantes à deux fréquences différentes est proposé. Le deuxième modèle concerne un filtre coupe bande à base d’une ligne microruban chargée par des cellules CSRR, une étude de miniaturisation de ce modèle a été présentée et utilise aussi bien l’optimisation des paramètres géométriques qu’électriques ; un facteur de réduction de 5 est obtenu par rapport au filtre coupe bande de base. Les techniques d’agilité étudiées sont basées sur le chargement de la cellule par des éléments électroniques actifs tels que les diodes PIN et Varactor qui sont logés en des positions appropriées. Les résultats obtenus ont montré une variation intéressante des paramètres du filtre en fonction de la tension de polarisation des diodes.La troisième orientation de la thèse vise à introduire de nouveaux modèles d’association en champ proche entre une antenne monopole ULB et des cellules Métamateriaux de type SRR et CSRR. Ces nouveaux modèles ont pour objectif de répondre à des verrous technologiques en termes de reconfigurabilité spectrale tout en préservant le caractère faible encombrement de l’antenne. Le premier modèle proposé concerne une antenne monopole associée à des cellules SRR imprimées sur le substrat à proximité de la ligne d’alimentation de l’antenne. Les résultats théoriques et expérimentaux confirment le comportement coupe bande autour de la fréquence de résonance de la cellule, et une stabilité des performances de rayonnement sur le reste de la bande passante de l’antenne de référence. Pour Le deuxième modèle, le monopole rayonnant est directement chargé par les cellules SRR et CSRR. Après optimisation des conditions d’alimentation des cellules, les résultats de simulation confirment à la fois le comportement coupe bande autour de la fréquence de résonance de la cellule et la stabilité de rayonnement.La dernière orientation concerne la réalisation de deux nouveaux systèmes antennaires à multi contraintes fréquentielles, pour le besoin de la Radio cognitive. Le premier système est basé sur une antenne monopole et des cellules SRR agiles. Les résultats de mesure et de simulation ont montré l’obtention d’un comportement ULB avec des deux bandes filtrées reconfigurables. Le deuxième nouveau système tente de répondre aux exigences antennaires de la technologie radio cognitive. L’ensemble des résultats obtenus ont montré une flexibilité de passage du mode antenne-capteur (ULB) à une antenne de communication à bande étroite reconfigurable. / The basic structures of metamaterial nourish a promising alternative technology, which aims to meet new demands of miniaturization and performance of reconfigurable radio systems. The work of this thesis based on the combination of miniature and agile cells, according to excitation conditions in the near-field electromagnetic, and a planar microwave devices to achieve a new structure of filters and reconfigurable antenna systems. After a presentation of the state of the art, on both the concept of metamaterial microwave and models of filters and antennas based on metamaterial, our work then propose four orientations. The first relates to the engineering design and simulation of electromagnetic metamaterial unit cells, and the study of miniaturization and agility of the electrical parameters. The second orientation is devoted to the realization of new models of filters based on loading the microstrip line with metamaterial resonators. Two filter models are developed and validated experimentally. The first concerns a band stop filter based on the combination of a microstrip line and SRR resonator. According to the same model, a band-pass filter based on a microstrip line associated with two cells in two different resonant frequencies is proposed. The second model provides a band stop filter based on a microstrip line loaded with CSRR cells, a study miniaturization of this model was presented and used both geometric and electrical optimization of parameters. The agility techniques studied are based on the loading of the cell by active electronic elements such as PIN and varactor diodes which are inserted in appropriate positions. The obtained results showed an interesting variation of the filter parameters. The third focus of the thesis is to introduce new models of association in the near-field, between UWB monopole antenna and metamaterial. The first model relates a monopole antenna associated with SRR cells printed in the substrate close to the excitation line of the antenna. The theoretical and experimental results confirm the behavior stop band around the cell resonance frequency, and a stable performance of radiation in the rest of the reference antenna bandwidth. For the second model the monopole is loaded by the SRRs CSRRs cells. After optimization of the cells excitation conditions, the simulation results confirm both the stop band behavior around the cell resonance frequency and the stability of the radiation pattern. The latest orientation concerns the realization of two new antenna systems with multi frequency constraints for cognitive radio application. The first system is based on a monopole antenna and tunable SRRs cells. The measurement and simulation results show a UWB behavior with two reconfigurable and controllable filtered bands. The second new systems tempt to reply the antennas systems requirements used in the cognitive radio. All results showed a flexibility of switching from antenna-sensor (ULB) to a communication antenna with tunable and controllable narrow band.

Une onde électromagnétique est définie par son amplitude, son vecteur d'onde, sa fréquence et son moment angulaire. Ce dernier peut être séparé en deux parties : la polarisation (associée au moment angulaire de spin), et le moment angulaire orbital. Ce dernier n'a vraiment été étudié qu'à partir de ces dernières années. Cette thèse a pour but d'approfondir les connaissances sur ce moment angulaire orbital. Des prototypes ont ainsi été réalisés, et des outils d'analyse ont été développés. Dans un premier temps, une étude du transfert de ce moment angulaire orbital à un objet macroscopique, à la fréquence de 870 MHz, est présentée. Une interprétation du mécanisme de transfert est ensuite proposée, supportée par le calcul des équations de champs et des simulations électromagnétiques. Dans un second temps, la conception et la réalisation de deux antennes, pouvant générer une onde possédant un moment angulaire orbital, sont présentées. Ces deux antennes utilisent une lame de phase avec une loi à dépendance angulaire. La première est une lame de phase dite « spirale », à permittivité constante et à hauteur variable. La seconde est une lame à gradient d'indice, à permittivité variable et à hauteur constante. Ces deux antennes ont été simulées, puis mesurées au sein de la chambre anéchoïque CHEOPS (DGA-MI, Bruz). Des cartographies sur un plan du champ ont ainsi été obtenues. Dans un dernier temps, la réflexion sur des surfaces courbes et planes, et l'influence de l'échantillonnage sur l'estimation des modes d'OAM, ont été étudiées. En ce qui concerne la réflexion, les résultats de simulations sont prometteurs, et semblent indiquer l'existence d'une relation entre les déformations du faisceau réfléchi et le type de surface. Pour l'estimation des modes d'OAM, les valeurs de champs sont extraites sur un cercle. Différents paramètres (positionnement et rayon du cercle) ont été considérés, et une méthode d'estimation des modes d'OAM sur une large bande de fréquence est proposée. / An electromagnetic wave is defined by its amplitude, its wave vector, its frequency and its angular momentum. This momentum can be decomposed into two components: polarization (associated to spin angular momentum), and orbital angular momentum. The later has not been investigated thoroughly until the last few years. To deepen the knowledge on orbital angular momentum, both prototypes and analysis tools have been developed in this thesis. First, study of orbital angular momentum transfer to a macroscopic object, at a frequency of 870 MHz, is presented. An interpretation of the transfer mechanism is then proposed, supported by the calculation of field equations and electromagnetic simulations. Secondly, the conception and the realization of two antennas able to generate an EM wave with orbital angular momentum are presented. These antennas use phase plates with an angular dependent law. The first one is a “spiral” phase plate, with constant permittivity and variable height. The second one has variable permittivity and constant height. Both have been simulated and characterized in CHEOPS anechoic chamber (DGA-MI, Bruz). Measurements of magnitude and phase, on a plane, have been obtained. Lastly, total reflection on planar and curved surfaces and influence of sampling on OAM modes estimation were investigated. Simulation results of reflected waves are promising and show a relationship between the induced deformations and the object reflected on. As for OAM modes estimation, study has been performed using an extraction circle on the wave front. Several parameters (center of the circle, radius) have been considered, and a method for OAM modes estimation on a large bandwidth is proposed.

Pour déployer la quatrième génération de téléphonie 4G/LTE ou « LTE advanced », les opérateurs mobiles sont confrontés à de fortes contraintes : d’une part assurer une bonne couverture géographique mais aussi une excellente qualité de service. Ceci nécessite une ingénierie du réseau qui dépasse largement ce qui a été mis en place pour les réseaux GSM ou 3G. L’industrie des télécoms a créé pour cela le concept de « small cells » ou petites cellules qui viennent en renfort des « macrocells » ou grosses cellules. Cette thèse cherche à apporter une solution à cette problématique à travers notamment le développement d'antennes pour « smart cells ». Cette étude, supportée par le projet FUI NETCOM, doit permettre aux opérateurs d’étendre la couverture et la capacité de leurs réseaux à moindre coût tout en préservant la qualité de service. Pour cela, l’objectif plus précis de cette thèse est de concevoir un système multi-antennaire multistandard MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) dédié à des noeuds relais pour le déploiement de la quatrième génération de téléphonie LTE. Cette conception doit être compatible avec 3 bandes de fréquences du LTE : (700-900 MHz) pour les bandes LTE 700 et LTE 800, (1710-1880 MHz) pour les bandes GSM 1800 / LTE 1800 et la dernière (2500-2690 MHz) pour le LTE 2600. Pour cela, nous avons étudié tout d’abord un système à 4 accès mono-bande, en nous concentrant uniquement sur la bande basse de 700 à 900 MHz. Dans une seconde étude, nous avons cherché à couvrir les deux autres bandes supérieures en nous servant d’éléments parasites pour constituer un système MIMO à 4 accès tri-bande. Nous avons ensuite étudié l’influence de l’environnement proche du système antennaire, avec la présence d’un radiateur métallique. Un problème important et fréquent dans les systèmes multi-antennes étant le couplage, nous avons également étudié et réalisé une technique de découplage. Celle-ci servira à isoler les éléments rayonnants à espacement réduit, conçus pour nos trois bandes LTE. / To deploy the fourth generation called 4G/LTE or "LTE advanced", mobile operators face strong constraints: they must ensure a good geographic coverage but also an excellent quality of service. This requires new methods that go far beyond what has been implemented for GSM or 3G networks. The telecom industry has created the concept of "small cells" that reinforce the "macrocells" deployed by the operators. This thesis tries to provide a solution to this problem and more particularly through the development of antennas for a product called "smart cell". This study, supported by the FUI project NETCOM, should enable mobile operators to extend the coverage and capacity of their networks at a lower cost while maintaining a good quality of service. To do that, the aim of this thesis more particularly is the design of a multi-band multi-antennas MIMO system (Multiple-Input Multiple-Output) dedicated to relay nodes for the deployment of the fourth generation 4G/LTE or "LTE advanced". The antenna design considers the coverage of the three LTE operating frequency bands and must be compatible with them. The (700-900 MHz) frequency band is used for the LTE 700 and LTE 800 bands, (1710-1880 MHz) for the GSM 1800/LTE 1800 bands and the last (2500-2690 MHz) for the LTE 2600 bands. In our first study, a reference system with 4 access was studied in simulation and measured, for only the low band 700-900 MHz. In a second study, we tried to cover the other two higher bands to have a tri-band system using the parasitic elements to get a three-band MIMO system with 4 access. We studied then, the influence of the environment close to the antenna system, with the presence of a metallic radiator. As we often encounter a frequent problem in multi-antenna systems which is the coupling problem between the different access of a multi antenna system, so we have studied and realized a decoupling technique. This technique was used to enhance the isolation between the different access.

La recherche de nouveaux matériaux a permis de nouveaux développements au cours de ces dernières décennies. Ce sont entre autres les diélectriques artificiels ou encore les métamatériaux. Cependant, si ces matériaux restent passifs, malgré tous les développements possibles, les performances des antennes, ou autres structures électromagnétiques qui découlent d’eux seront toujours confrontés aux mêmes limitations fondamentales. En intégrant des circuits actifs dans ces matériaux, par exemple des résistances négatives, des capacités négatives et des inductances négatives, il est possible de dépasser ces limitations ainsi les propriétés synthétisables et les applications d’ingénierie pourront être significativement élargies. En effet, cela permettrait de créer des matériaux et des dispositifs dont les propriétés ne seront pas possibles autrement et surpasseraient celles des matériaux existant dans la nature. Cette thèse a été l’occasion dans un premier temps d’utiliser les circuits non-Foster qui sont des circuits à rétroaction actif, pour l’adaptation d’une antenne électriquement petite à basses fréquence. Ceci a permis de mettre en évidence ses avantages par rapport à une adaptation passive plus conventionnelle.Ensuite, des capacités négatives ainsi que des inductances négatives et positives ont été conçues. Leur fonctionnement totalement différent des composants passifs a été mis en exergue. Ce qui nous a conduit à les appliquer sur des structures périodiques. Cela a donné des résultats intéressants comme la propagation supraluminique sur une ligne de transmission des ondes. Et en les appliquant à la cellule unitaire d’une surface de métamatériaux qui est aussi une structure périodique, sa taille est réduite pour une plus grande compacité des antennes à cavités conçues pour les basses fréquences où la longueur d’onde est très grande. / The search of new materials has enabled new developments in recent decades. Among these are artificial or dielectric metamaterials. However, if these materials are passive, despite all the possible developments, the antennas performances or other structures resulting from them will still face the same fundamental limitations. By adding active circuits in these materials, such as negative resistors, negatives capacitors and negative inductors, it is possible to overcome these limitations and the synthesized properties and engineering applications can be significantly expanded. Indeed, this would create materials and devices with properties which can allow us to obtain behavior nonexistent in nature. This open the way to new applications. In this thesis, we explore the opportunity at first to use non-Foster circuits that are active feedback circuit, in the matching network of an electrically small antenna for low frequency operation. This helped to highlight its advantages over more conventional passive matching. Then, negative capacitors and negative and positive inductors were fabricated. Their totally different behaviors with passive components were also highlighted. This led us to apply them on periodic structures. Interesting results were obtained as superluminal wave propagation on a transmission line. And by applying to the unit cell of a metamaterial surface which is also a periodic structure, the size is reduced to a more compact cavity antennas designed for low frequency where the wavelength is very large.

Tunable antennas have emerged as a promising technology to address the challenges of achieving optimal performance across a wide range of frequencies. This abstract presents a study focused on designing and implementing an ideal antenna system design within a closed-loop system. Background. Tunable antennas offer a solution for achieving efficient signal transmission and reception over a broad spectrum. Traditionally fixed-frequency antennas have limitations in terms of bandwidth and efficiency, making them unfit for applications requiring adaptability to varying frequencies. The integration of tunable components in antenna systems results in greater flexibility and improved performance. Objectives. The main objective of this research is to evaluate and determine the ideal antenna design for closed-loop antenna systems which achieves maximum frequency coverage and efficiency. This involves the design of an architecture that seamlessly integrates components. Methods. The experimental methodology involves designing an antenna system design. The selected components are interconnected in a closed loop, allowing continuous monitoring and adjustment of the antenna’s characteristics. The Micro Controlling Unit (MCU) is programmed using the Arduino Integrated Development Environment (IDE), serves as the controller for managing the antenna tuner’s settings based on real-time feedback from the directional coupler and power detector. The bi-directional logic level converter ensures proper voltage compatibility between the MCU and the antenna tuner. Results. The results of the study showed that the proposed antenna system architecture was able to achieve the desired goals. The implemented closed-loop system demonstrates significant enhancements in frequency coverage and efficiency of the selected antenna. The antenna system was also able to maintain its efficiency even when the environment changed. Conclusions. The experimental results show that in closed-loop systems the performance of an antenna is optimised. The integration of the components enables dynamic frequency tuning, by enhancing the antenna’s maximum frequency coverage and efficiency. The results underscore the potential of tunable antennas in revolutionizing wireless communication systems, showing the way for more adaptable and high-performance devices in various applications.

The aim of this study is to analysis, investigate and find out the solutions for the problems associated with the implementations of antennas RFID Reader and Tag for various applications. In particular, the efficiency of the RFID reader antenna and the detection range of the RFID tag antenna, subject to a small and compact antenna¿s design configuration have been studied. The present work has been addressed directly to reduce the cost, size and increase the detection range and communication reliability of the RFID framework antennas. Furthermore, the modelling concept of RFID passive tags mounted on various materials including the novel design of RFID reader antenna using Genetic Algorithm (GA) are considered and discussed to maintain reliable and efficient antenna radiation performances. The main benefit of applying GA is to provide fast, accurate and reliable solutions of antenna¿s structure. Therefore, the GA has been successfully employed to design examples: meander-line, two linear cross elements and compact Helical- Spiral antennas. In addition, a hybrid method to model the human body interaction with RFID tag antenna operating at 900MHz has been studied. The near field distribution and the radiation pattern together with the statistical distribution of the radiation efficiency and the absorbed power in terms of cumulative distribution functions for different orientation and location of RFID¿s tag antenna on the human body have been demonstrated. Several tag antennas wi th symmetrical and unsymmetrical structure configurations operating in the European UHF band 850-950 MHz have been fabricated and tested. . The measured and simulated results have been found to be in a good agreement with reasonable impedance matching to the typical input impedance of an RFID integrated circuit chip and nominal power gain and radiation patterns.

With the advances in wireless communication systems, antennas with different shapes and design have achieved great demand and are desirable for many uses such as personal communication systems, and other applications involving wireless communication. This has resulted in different shapes and types of antenna design in order to achieve different antenna characteristic. One attractive approach to the design of antennas is to suppress or attenuate harmonic contents due to the non-linear operation of the Radio Frequency (RF) front end. The objectives of this work were to investigate, design and implement antennas for harmonic suppression with the aid of a genetic algorithm (GA). Several microstrip patch antennas were designed to operate at frequencies 1.0, 1.8 and 2.4 GHz respectively. The microstrip patch antenna with stub tuned microstrip lines was also employed at 1.0 and 1.8 GHz to meet the design objectives. A new sensing patch technique is introduced and applied in order to find the accepted power at harmonic frequencies. The evaluation of the measured power accepted at the antenna feed port was done using an electromagnetic (EM) simulator, Ansoft Designer, in terms of current distribution. A two sensors method is presented on one antenna prototype to estimate the accepted power at three frequencies. The computational method is based on an integral equation solver using adaptive surface meshing driven by a genetic algorithm. Several examples are demonstrated, including design of coaxially-fed, air-dielectric patch antennas implanted with shorting and folded walls. The characteristics of the antennas in terms of the impedance responses and far field radiation patterns are discussed. The results in terms of the radiation performance are addressed, and compared to measurements. The presented results of these antennas show a good impedance matching at the fundamental frequency with good suppression achieved at the second and third harmonic frequencies. / Home government

No / A miniaturized conical helix antenna is presented, which displays vertical polarization with electrically small dimensions of 10mm×10mm×45mm. The resonance of the antenna is made tunable by adding a variable digital MEMS capacitor load at the bottom of the helix, giving a tuning range of 316 MHz to 400 MHz. The antenna demonstrates considerable impedance matching bandwidth and gain over the entire tuning frequency band. Most importantly, the antenna is capable of compact, flexible and easy integration into a wireless device package or for platform installation. / Datong of Seven Technology Group, for their support under the KTP project grant No. 008734.

International Telemetering Conference Proceedings / October 18-21, 2004 / Town & Country Resort, San Diego, California / Modern spectrally efficient telemetry transmitters are beginning to find their way on a variety of airborne test platforms. Many of these platforms also include Global Positioning System (GPS)-based Time-Space-Position-Information (TSPI) instrumentation systems. Due to space and other limitations, many of these platforms have demanding antenna placement limitations requiring closely spaced antennas. This paper describes steps taken to identify and mitigate potential interference to GPS-based TSPI instrumentation systems by these new technology transmitters. Equipment characterization was accomplished to determine interference potential of the proposed new transmitters and susceptibility of several GPS TSPI receivers. Several filtering techniques were identified as possible solutions to the anticipated interference problems. Telemetry (TM)/GPS system mockups and laboratory tests of the same were accomplished. Open-air testing was then accomplished to validate laboratory results. Finally, on aircraft tests were accomplished prior to performing any aircraft system modifications. Results of these test efforts are presented for others to consider when planning similar modifications to other platforms.