Les progrès technologiques réalisés dans le domaine de l'intégration de fonctions sur des surfaces de plus en plus petites a permis le développement de l'informatique diffuse, c'est-à-dire, intégrée dans notre espace et mise en œuvre par des objets du quotidien ou des structures spécifiques. Nous nous intéressons dans ce travail à ces structures couramment appelées " capteurs sans fil " car leur fonction est de capter des informations dans leur environnement et de les transmettre ensuite. Ces structures autonomes sont constituées d'un capteur, d'une partie numérique pour le traitement des données et la gestion de la structure, d'un système de communication et d'une alimentation. Afin d'être discrète, cette structure doit être de petite taille. Dans ce but, il est nécessaire que toutes ses composantes soient intégrées ensemble. L'antenne de la partie communicante est aujourd'hui un frein à cette intégration car les fréquences utilisées font qu'elle a des dimensions très supérieures à celles du reste de la structure et, même intégrée, ses propriétés vont être perturbées par le packaging de la structure. Autre point, ces antennes sont souvent omnidirectionnelles, ce qui, en termes d'économies d'énergie, cruciales dans ce domaine, n'est pas une solution optimale. Dans ce contexte, la première partie de ce rapport présente les applications envisagées et envisageables pour les réseaux de capteurs sans fil. Un historique puis un état de l'art sont ensuite proposés pour identifier les différentes stratégies mises en œuvre dans la conception de plates-formes ainsi que les acteurs académiques et industriels. Une synthèse vient justifier l'orientation à prendre dans le cadre de ce travail et clôt cette partie. La deuxième partie traite de la façon d'appliquer des réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. L'idée étant d'utiliser les nœuds du réseau comme éléments du réseau d'antenne, créant ainsi un réseau où les éléments ne sont pas liés physiquement. Cette perspective est étudiée par le biais de deux scénarios caractéristiques des applications des capteurs sans fil. Dans chacun son application est testée et des solutions sont proposées et détaillées grâce à l'outil de calcul Matlab. Une partie finale discute des limitations pour utiliser les réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. La dernière partie aborde la conception d'antennes spécifiques aux capteurs sans fil pour des applications en extérieur. Un concept d'antenne-package est présenté et développé sur différentes architectures d'antennes qui ont, de ce fait, des formes en volume. Des structures cubiques et sphériques sont proposées, conçues et simulées. L'attention se porte sur leur diagramme de rayonnement, leur robustesse et leur faculté à pouvoir garder leurs propriétés même placées dans un environnement et avec des composants placés à l'intérieur. Deux structures, une cubique et une demi-boule, présentent des profils intéressants, la deuxième étant un réseau d'antennes à elle-seule. Agile, elle permet de balayer tout le demi-espace supérieur qui l'entoure avec une bonne efficacité. Enfin, une partie conclusive montre la contribution apportée et propose des perspectives de travail en lien avec les antennes et plus généralement avec la partie communicante et l'architecture des nœuds.

Le plasma est le quatrième état de la matière avec une permittivité complexe qui peut être exploitée pour donner des avantages aux systèmes de communications. Entre autres, une permittivité négative lui permet d'avoir des caractéristiques similaires aux matériaux métalliques en termes de conductivité électrique. Depuis de nombreuses années, les antennes plasma ont été étudiées en raison de leur capacité à être conductrices ou transparentes vis-à-vis des ondes électromagnétiques. Le principal avantage de l'utilisation d'antennes à base de plasma au lieu d'éléments métalliques est qu'elles permettent un contrôle électrique plutôt que mécanique. Par conséquent, cette thèse vise à utiliser le plasma comme une alternative au métal dans la construction des antennes reconfigurables. La première partie de cette thèse est consacrée à l'état de l'art sur l'utilisation du milieu plasma dans les systèmes de communications. Une lampe fluorescente spirale utilisée comme une cage de Faraday afin de protéger des antennes est présentée dans la deuxième partie. Deux types d'antennes (patch et monopôle) fonctionnant à 2,45 GHz sont placés à l'intérieur de cette lampe spirale. La troisième partie se focalise sur les réseaux d'antennes utilisant des tubes plasma pour reconfigurer l'ouverture du diagramme de rayonnement dans le plan H. Deux types de réseaux d'antennes sont étudiés : le premier est un réseau de patches imprimés et le second est un réseau d'antennes à fentes permettant de supporter des hautes puissances. La quatrième partie traite l'utilisation du plasma comme élément rayonnant. Deux antennes plasma (monopole et dipôle) utilisant une lampe fluorescente disponible dans le commerce ont été étudiées. Tous les systèmes antennaires présents dans cette thèse ont été simulés, fabriqués et mesurés. / Plasma is the 4th state of matter with complex permittivity that can be exploited to give advantages in communication systems. Its negative permittivity allows to have similar characteristics as metal material in terms of electrical conductivity. Since many years, plasma antennas have been studied due to their ability to be conductor or transparent for electromagnetic waves. The main advantage of using plasma antennas instead of metallic ones is that they allow electrical control rather than mechanical one. Therefore, this thesis aimed to use plasma as an alternative to metal in the design of reconfigurable antennas. The first part of this thesis is dedicated to the state of the art on plasma in communication systems in order to protect antennas. The second part presents the use of plasma spiral lamp as Faraday Shield effect. Two types of antennas (patch and monopole) operating at 2.45 GHz are placed inside this plasma spiral lamp. The third part discusses about reconfigurable antennas using plasma tubes and in order to reconfigure the half-power-beam-width of the radiation pattern in H plane. Two types of antenna array have been studied: The first one is a printed patches antenna array and the second one is a slotted antenna array allowing high power utilization. The fourth part deals with plasma as radiating element. Two plasma antennas using commercially available fluorescent lamp have been studied. All the antenna systems presented in this thesis have been simulated, manufactured and measured.

L'émergence de nouveaux systèmes de radar et de télécommunication nécessite des antennes adaptables en temps réel. Les antennes reconfigurables permettent de répondre à ce besoin par le biais d'une reconfiguration en fréquence, en polarisation ou en diagramme de rayonnement. En outre, les switchs MEMS sont des composants particulièrement attrayants pour reconfigurer une antenne car ils consomment peu et ont de faibles niveaux de pertes. La thèse porte sur l'intégration de MEMS dans une antenne spirale ultra large bande; les objectifs étant : • maitriser l'intégration de MEMS packagés dans une antenne ; • reconfigurer la spirale pour rejeter les fréquences en dehors de la bande utile ; • réaliser des prototypes et effectuer des validations expérimentales. Le mécanisme de rayonnement d'une spirale a été étudié pour identifier les possibilités de reconfiguration de l'élément rayonant. L'une d'elles a été étudiée et mise en œuvre en ajoutant des éléments au cœur de l'antenne spirale. Des antennes spirales avec et sans mécanismes de reconfiguration ont été réalisées et testées. L'antenne de base (sans résonateurs) présente des caractéristiques particulièrement intéressantes : fonctionnement sur la bande 4-20 GHz, gain relativement important de 5 à 9 dBi, et une faible épaisseur de 3.5 mm. La réjection obtenue en simulation s'est avérée difficile à prouver expérimentalement du fait des difficultés d'intégration de MEMS packagés sur l' antenne. / The evolution of radar and telecommunication systems needs antennas, which are able to adapt their performances in real time. Reconfigurable antennas can provides such characteristics through a reconfiguration of the frequency of operation, the polarisation or the radiation patterns. Besides, MEMS switches present attractive assets for reconfiguring a radiating element as they consume low power and have low losses. The thesis is about the integration of MEMS within an ultra wide band spiral antenna. The objectives of the thesis are: • To master the integration of packaged MEMS in an antenna • To reconfigure the spiral antenna for the achievement of a band rejection • To manufacture some prototypes and carry out experimental validations The radiation property of the spiral antenna has been studied. A reconfiguration of the spiral, which consists of inserting added elements within the radiating structure, has been investigated and applied. Spiral antennas with and without the reconfiguration mechanism have been manufatured and tested. The basic spiral antenna (without the reconfiguration mechanism) presents interesting properties: ultra wide band characteristics from 4 to 20 GHz, a relatively high gain of 5 to 9 dBi, and a low profile thickness of 3.5 mm. In practice, the achieved rejection has been difficult to prove due to the difficulties related to the integration of the packaged MEMS.

L'évolution des technologies numériques a permis l'introduction d'objets connectés dans le quotidien d'une grande partie de la population mondiale. Face à une demande de données sans-fil toujours croissante, des techniques nouvelles doivent être employées pour offrir un débit plus élevé à des appareils moins volumineux et accessibles à un prix raisonnable. Les antennes constituent l'organe central de toutes les télécommunications et elles jouent un rôle majeur dans l'évolution vers des systèmes plus performants. En effet, l'augmentation du débit de données passe par une augmentation du gain et de la bande de fonctionnement, et plus une antenne est directive plus son intégration est complexe. La tendance actuelle est à l'évolution vers les bandes de fréquences millimétriques, ce qui permet une réduction du volume de l'antenne et l'utilisation de bandes de fréquences plus larges, néanmoins la fabrication est un vrai défi technologique. Les travaux de recherches effectués au cours de cette thèse portent sur la conception d'antennes pour une application de lien backhaul : une liaison en bande E (71-86GHz) entre deux antennes fixes utilisée dans un réseau cellulaire ; cependant les concepts et technologies sont facilement transposables à d'autres applications telles que les radars ou les communications satellitaires. Les systèmes étudiés combinent un réseau unidimensionnel de longues fentes rayonnantes (CTS) alimentées en parallèles avec un formateur de faisceau quasi-optique (système pillbox). Les fentes rayonnantes consistent en guides à plans parallèles (GPP) tronqués. Elles sont alimentées en parallèle par un réseau de division de puissance exclusivement basé sur des GPP. Le système pillbox est constitué de deux GPP connectés par un coupleur et un réflecteur parabolique intégré, l'illumination de ce dernier par une source focale génère une onde plane. L'omniprésence de GPP au sein de l'antenne garantit une large bande de fonctionnement, et l'architecture employée permet une meilleure intégration que les antennes quasi-optiques. Ces antennes offrent donc un compromis entre un gain élevé, une large bande de fonctionnement et un profile réduit qui ne peut pas être atteint avec les autres structures présentes dans la littérature. Malheureusement ces antennes comportent également des désavantages. D'un point de vue technologique, leur fabrication est complexe et coûteuse. C'est pourquoi dans ces travaux de thèse un intérêt particulier est porté sur l'utilisation de techniques nouvelles permettant la fabrication de prototypes menant à des résultats expérimentaux. Du point de vue des performances en rayonnement, les antennes CTS/pillbox actuelles ne permettent pas de reconfigurer le rayonnement dans le plan E et le niveau de recouvrement dans le plan H est trop faible pour pouvoir être facilement exploité. Dans cette thèse, des solutions innovantes sont proposées afin de remédier à ce manque de versatilité. Enfin jusqu'à présent, le niveau des lobes secondaires dans le plan E de l'ensemble des antennes CTS alimentées en parallèle est d'environ -13,5dB. Une structure nouvelle est introduite afin de permettre une réduction de ces lobes secondaires à un niveau très faible. / The evolution of numerical technologies allowed the daily use of connected object for a large part of the world’s population. To fulfill the ever-growing demand for wireless communication, new technologies have to be developed in order to obtain higher data-rate with smaller and cheaper devices. The antenna plays a major role in communication systems and their performances are to be improved to obtain more efficient telecommunications. Indeed the rise of data-rate involves an improvement of the antenna gain and bandwidth, but the integration of directive antennas is always challenging. The actual trend is the shift to higher frequency bands, in the millimeter-wave range, this allows a size reduction together with the use of broader bandwidth; however the fabrication becomes a real challenge. The research work realized in this thesis concern the design, fabrication and experimental characterization of antennas for backhaul links: the E-band (71-86GHz) communication between two fixed antennas used in cellular network; nonetheless the solutions developed can easily be applied to other applications such as radar or satellite communications.The studied systems combine a one-dimensional array of long radiating slots (CTS) fed in parallel with a quasi-optical beam forming network (pillbox system). The radiating slots are made of truncated parallel plate waveguides (PPW) and are fed in parallel by a power-divider network realized in PPW technology. The pillbox system consists of two stacked PPWs connected by a multi-slot coupler and an integrated parabolic reflector, the latter converts the cylindrical wave emitted by a focal feed into a planar wave. The omnipresence of PPWs throughout the antenna system insures a broad band of operation, and the architecture shows a lower profile than quasi-optical antennas. This antenna presents an unequaled tradeoff between a high gain, a wide bandwidth and a low-profile. Unfortunately they also have drawbacks. From a technological point of view, their fabrication is complicated and expensive. This is why in this thesis a particular attention is given to the use of new techniques allowing the fabrication of prototypes leading to experimental validation of the results. From the radiation performance point of view, CTS/pillbox antennas do not show any reconfigurability solution in the E-plane and the overlap level obtained in H-plane with already existing antennas is too low to be usable. In this thesis, innovative solutions are investigated to find solution to this lake of versatility. Finally the sidelobe level (SLL) in E-plane of the totality of parallel-fed CTS antennas described in the open-literature is about -13.5dB. A new architecture introduced in this thesis allows a reduction of this SLL down to a negligible level.

Frankfurt (Main), University, Diss., 2007.

On assiste actuellement à un développement très important des radiocommunications en milieux urbains et à l'intérieur des édifices notamment avec la généralisation des réseaux WLAN et l'augmentation du nombre de terminaux mobiles capables de se connecter à ces réseaux. Ces communications sont altérées par la présence de trajets multiples à l'origine d'évanouissements de puissance du signal au niveau du récepteur. La diversité d'antennes qui consiste à recevoir et à recombiner des signaux décorrélés reçus par un système d'antennes présentant de la diversité (diversité spatiale, de polarisation ou de diagramme) constitue un moyen efficace pour améliorer le lien radio dans ces environnements sujets aux multi trajets. Dans un contexte SIMO (Single Input Multiple Output), nous avons donc travaillé sur différents systèmes d'antennes présentant de la diversité et potentiellement intégrables dans des objets communicants mobiles. Afin de comparer leurs performances, nous avons développé et implémenté une méthodologie d'évaluation théorique de la diversité en introduisant des nouvelles notions comme le gain de diversité référencé. Cette méthodologie permet de choisir objectivement le système d'antennes le plus adapté pour une application donnée comme le montre plusieurs cas étudiés au travers d'exemples concrets. En complément des outils théoriques définis, nous avons travaillé sur la mise au point d'un banc de test permettant de quantifier l'amélioration du lien radio en termes de taux d'erreur binaire apporté par un système à diversité d'antennes. Cette méthode d'évaluation expérimentale se différencie de l'état de l'art en proposant un système basé sur l'utilisation de signaux radios modulés correspondant à des standards existants. Les résultats d'une première campagne de mesures et le protocole expérimental sont détaillés dans ce document.

Depuis plusieurs années, le domaine des télécommunications et des nouvelles technologies connaît un véritable essor. On assiste aujourd'hui à un engouement sans précédent du grand public pour les applications de communication multimédia (données, voix, photos, vidéos) et la demande est de plus en plus forte pour un transfert à haut débit entre des équipements communicants mobiles et à encombrement réduit. De plus, que le mode d'utilisation soit nomade ou sédentaire, les technologies radio sans fils (Bluetooth, WiFi, GPRS, UMTS, WiMax) connaissent un grand succès. Pour répondre à ces besoins croissants de communication sans fils à haut débit, les futures générations d'équipements vont faire appel à des antennes de plus en plus performantes. Celles-ci devront fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences ou sur une large bande. Mais elles devront aussi, pour des raisons pratiques et esthétiques, être intégrées aux systèmes radio, ce qui requiert la mise au point de structures compactes, discrètes et n'ayant pas de problèmes de compatibilité électromagnétique avec les circuits électroniques environnants. Pour répondre à ces différents objectifs, nous avons axé notre recherche sur les antennes tridimensionnelles qui offrent un grand nombre de degrés de liberté. Mais ces structures sont souvent complexes car elles comportent de nombreux paramètres. Afin de mieux les appréhender, nous proposons dans cette thèse d'élaborer une démarche de conception de ces antennes. Ainsi, nous commençons par l'étude systématique d'une antenne canonique constituée d'un dipôle placé à proximité d'une cavité métallique rectangulaire. L'effet des différents paramètres est analysé afin de mettre en évidence l'importance relative de chacun d'entre eux et de proposer ainsi une démarche de conception pour optimiser la bande passante et le rayonnement de l'antenne. Dans un deuxième temps, nous présentons la conception d'une antenne tridimensionnelle compacte, large bande et directive, l'antenne "sonde en F et triangle", qui offre l'avantage de présenter un diagramme de rayonnement stable en fréquence. Puis, fort de l'expérience acquise sur l'antenne dipôle, nous procédons de nouveau à une étude de l'influence sur l'impédance des différents paramètres de cette antenne complexe. Celle-ci permet d'élaborer une méthodologie de conception simple, rapide, efficace et générale. Nous pouvons ainsi optimiser l'antenne "sonde en F et triangle" et atteindre une bande passante en adaptation comprise entre 3.1 et 6.1 GHz. Le diagramme de rayonnement de cette antenne est stable sur la bande passante et le gain moyen de cette antenne est de 6 dB. Une caractérisation dans le domaine temporel est ensuite proposée afin de connaître le comportement de l'antenne dans une communication UWB. Enfin, l'antenne "sonde en F et triangle" est mise en cavité afin d'étudier ses propriétés lors de l'intégration dans un système radio. Des analogies et différences entre cette antenne complexe et le système {dipôle et cavité} sont également mises en évidence.

Thèse de doctorat--Signal et images--Paris--ENST, 2006. / Bibliogr. p. 215-221.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2006

Stuttgart, Univ., Diss., 2005.