Un dirigeable haute altitude (HAA: High Altitude Airship) évoluant à plus de 20 km au-dessus du sol est envisagé en tant que plate-forme d'accueil pour un réseau d'antennes spirales pour des applications radar. L'antenne spirale d'Archimède est un excellent élément rayonnant pour des applications nécessitant une large bande de fréquences ainsi qu'une polarisation circulaire. Dans la plupart des cas, l'alimentation se fait au centre de l'antenne spirale. Cependant, certains environnements interdisent un accès au centre de l'antenne. Cela est notamment le cas des plateformes aéroportées tels que les dirigeables. Celles-ci ne permettent pas de conformer un réseau d'antennes spirales tout en accédant à leur centre. Il est donc indispensable, dans ces cas, d'alimenter l'antenne autrement. Une solution est d'exciter l'antenne spirale par l'extérieur avec plusieurs sources. L'objectif de cette étude est d'obtenir des caractéristiques de rayonnement similaires à celles de l'antenne spirale d'Archimède tout en libérant le centre. Plusieurs solutions d'alimentation dans le plan de l'antenne sont étudiées. Pour chaque antenne, un prototype a été réalisé et mesuré dans une chambre anéchoique. Les résultats obtenus correspondent à de ceux de la simulation, ce qui nous permet de valider le fonctionnement des différents prototypes.

Ce travail porte sur la conception de réseaux large bande à double polarisation basées sur des antennes spirales d'Archimède. Ces antennes sont connues pour avoir une bande passante très large. Mais, dans un réseau, la bande passante est diminuée du fait de l'apparition de lobes de réseaux. Pour que le réseau fonctionne à double polarisation, il est nécessaire d'utiliser des éléments de polarisations opposées, ce qui accroit encore la distance entre les éléments possédant la même polarisation. Ceci fait ainsi apparaître les lobes de réseaux à des fréquences inférieures par rapport au cas à mono polarisation. Dans ce travail, une méthode analytique a été développée pour estimer la bande passante des réseaux d'antennes spirales. Cette méthode a montré que la bande passante maximale d'un réseau à distribution spatiale uniforme est d'environ une octave pour le cas à mono polarisation et inexistant pour le cas à double polarisation. Pendant la validation de la méthode d'estimation quelques résonances ont été observées. Des explications de ce phénomène sont présentées, ainsi que des possibles solutions. Pour élargir la bande passante du réseau, nous montrons qu'il est possible d'utiliser en même temps les deux tendances actuelles de conception de réseaux d'antennes large bande. En utilisant deux techniques issues de ces deux tendances, nous avons pu réaliser un réseau présentant une bande passante de 6:1. Des perspectives sont aussi présentées. / This work focuses on the design of wideband dual polarized arrays using spiral antennas. These antennas are known for having wideband properties. But, due to the presence of the grating lobes, the bandwidth is decreased when using an array instead of a single antenna. In order to obtain a dual polarized array, it is needed to use elements of opposite polarization, which creates great distances between same polarization elements, meaning an earlier presence of the grating lobes. In this work, an analytic method was developed to estimate the bandwidth of the spiral arrays. This method showed that the maximum bandwidth of uniform spiral arrays is about an octave, for the mono-polarized case, and nonexistent for the dual polarized case. Working on the validation of the method, some resonances were observed. Explanations are presented, as well as possible solutions. Trying to expand the bandwidth of the array, it was found that it is possible and suitable to use at the same time the two current design paradigms for wideband arrays. Using this idea, a 6:1 bandwidth concentric rings array using connected spirals was achieved. Perspectives are also presented.

Nous proposons d'explorer dans le cadre de la thèse des solutions originales permettant d'obtenir des caractéristiques de rayonnement peu dépendantes du support de l'antenne. Les antennes étudiées et conçues visent à être utilisées pour des applications GNSS et plus précisément pour des applications multi-bandes du GNSS. Nous les développerons donc en respectant un cahier des charges associé. Deux axes de recherche indépendants sont explorés. Le premier montre les propriétés naturelles d'une antenne composée de plusieurs structures rayonnantes. Nous associons ainsi une structure hélicoïdale équivalente à un dipôle magnétique et un plan métallique équivalent à un dipôle électrique. La taille et les performances de l'antenne ainsi réalis ée sont comparables par bien des aspects aux antennes que l'on trouve actuellement dans le commerce pour les applications GNSS. L'antenne réalisée est une antenne mono-bande en polarisation rectiligne ; ce qui n'est pas en accord avec les spécifications de l'application envisagée. Pour compléter cette première étude et satisfaire les exigences d'applications GNSS multi-bandes, nous nous orientons vers une autre technologie qui est exposé dans le second axe. Dans le second axe, nous associons une antenne électrique et un plan ré ecteur particulier : une Surface Haute Impédance. L'association de ces deux éléments permet en théorie de réduire l'épaisseur qu'aurait un dispositif classique composé d'une antenne électrique et d'un plan réflecteur métallique. Nous commençons donc par étudier la particularité du plan réflecteur choisi, c'est-à-dire la Surface Haute Impédance. Cette surface étant composé de motifs périodiques nous étudierons le motif qui permet d'obtenir les caractéristiques les plus proches de celles de l'application visée. Nous débutons par une étude en monobande suivi de l'étude d 'un motif bi-bande. Le motif mono-bande conçu en simulation présente une très bonne bande-passante (13%) au vue de sa taille minimale (2,5mm). Le motif bi-bande réalisé par imbrication de motifs mono-bande permet d'obtenir en simulation des performances conformes aux attentes dans deux bandes GNSS choisies. L'étude de cette surface se poursuit par une phase de mesure. Le but de l'étude étant de pouvoir placer une antenne au-dessus de la surface fabriquée, une collection d'antennes sera développée afin de régler la surface haute impédance et dans le même temps de tester le dispositif complet. Ainsi dans un premier temps, nous utiliserons des dipôles pour tester et régler la Surface Haute Impédance. Dans cette partie le couplage entre l'antenne et la surface haute impédance placée en-dessous sera notamment étudié. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir une polarisation circulaire nous utiliserons d'autres antennes supportant cette polarisation (dipôle croisé et spirale). Dans chaque phase de mesure, le réglage antenne et Surface Haute Impédance sera optimisé et divers paramètres de réglage seront identifiés. Pour les deux axes de recherche, ce sont non seulement le rayonnement que nous cherchons à maîtriser mais aussi la taille de la structure. Ainsi les structures réalisées sont les plus compactes possibles surtout en terme de finesse. Nous concluons sur les performances des antennes réalisées par rapport au cahier des charges et aux autres antennes existantes et exposons les perspectives du travail réalisé.

This work focuses on the design of wideband dual polarized arrays using spiral antennas. These antennas are known for having wideband properties. But, due to the presence of the grating lobes, the bandwidth is decreased when using an array instead of a single antenna. In order to obtain a dual polarized array, it is needed to use elements of opposite polarization, which creates great distances between same polarization elements, meaning an earlier presence of the grating lobes. In this work, an analytic method was developed to estimate the bandwidth of the spiral arrays. This method showed that the maximum bandwidth of uniform spiral arrays is about an octave, for the mono-polarized case, and nonexistent for the dual polarized case. Working on the validation of the method, some resonances were observed. Explanations are presented, as well as possible solutions. Trying to expand the bandwidth of the array, it was found that it is possible and suitable to use at the same time the two current design paradigms for wideband arrays. Using this idea, a 6:1 bandwidth concentric rings array using connected spirals was achieved. Perspectives are also presented.

Le développement de l'électronique embarquée et miniaturisée est pleinement d'actualité de nos jours, dans les domaines tels que l'armement, la médecine, et les télécommunications. La miniaturisation des antennes large-bande, opérationnelles sur plus d'une décade, présentent un défi particulier. Ces travaux de thèse proposent de travailler sur la miniaturisation d'une antenne spirale, afin d'en réduire l'encombrement, à savoir son diamètre, tout en conservant au mieux ses caractéristiques de rayonnement et polarisation intrinsèques. Cette recherche sera appliquée à la bande des Très hautes Fréquence (Very High Frequencies - VHF), allant de 30MHz (λ = 10m) à 300MHz (λ = 1m). La géométrie inédite proposée consiste à associer à une antenne spirale un ensemble d'anneaux résonnants, dont le diamètre n'excède pas celui de la spirale, et permettant de diminuer la fréquence basse de fonctionnement. Pour un ensemble de cinq anneaux associé à la spirale, la réduction de la fréquence basse de fonctionnement est de plus de 30%. Pour deux antennes spirales de même fréquence basse de fonctionnement, l'antenne miniaturisée a donc un diamètre réduit de 30%, soit une surface réduite de 50%. Les performances de l'état de l'art d'après lesquelles les réductions sur le diamètre des antennes spirales n'excèdent pas 15% sont donc dépassées. De plus, d'après cet état de l'art, les méthodes de réduction appliquées aux antennes large bande dégradent en général le gain et l'axial ratio dans les bandes basses de fréquences de fonctionnement. La méthode proposée permet de conserver l'efficacité de l'antenne, voire de l'augmenter, dans les fréquences proches de la fréquence basse de fonctionnement. Le rayonnement de l'antenne spirale miniaturisée dans la bande passante de l'antenne sans anneaux n'est pour autant pas modifiée. Ces résultats très encourageant ont été confirmés par la mesure d'antennes spirales miniaturisées, réalisées pour un diamètre de 8cm et de 1m : une réduction de 30% du diamètre sans dégradation du rayonnement a été observée. Les mesures ont par ailleurs donné lieu à l'étude de la réalisation d'une antenne en bande VHF, avec pour implication les problématiques de réalisation (masse, encombrement, résistance mécanique) et de mesure (isolation, effets parasites en VHF avec une longueur d'onde de 4m).

Nous proposons d'explorer dans le cadre de la thèse des solutions originales permettant d'obtenir des caractéristiques de rayonnement peu dépendantes du support de l'antenne. Les antennes étudiées et conçues visent à être utilisées pour des applications GNSS et plus précisément pour des applications multi-bandes du GNSS. Nous les développerons donc en respectant un cahier des charges associé. Deux axes de recherche indépendants sont explorés. Le premier montre les propriétés naturelles d'une antenne composée de plusieurs structures rayonnantes. Nous associons ainsi une structure hélicoïdale équivalente à un dipôle magnétique et un plan métallique équivalent à un dipôle électrique. La taille et les performances de l'antenne ainsi réalisée sont comparables par bien des aspects aux antennes que l'on trouve actuellement dans le commerce pour les applications GNSS. L'antenne réalisée est une antenne mono-bande en polarisation rectiligne ; ce qui n'est pas en accord avec les spécifications de l'application envisagée. Pour compléter cette première étude et satisfaire les exigences d'applications GNSS multi-bandes, nous nous orientons vers une autre technologie qui est exposé dans le second axe. Dans le second axe, nous associons une antenne électrique et un plan réflecteur particulier : une Surface Haute Impédance. L'association de ces deux éléments permet en théorie de réduire l'épaisseur qu'aurait un dispositif classique composé d'une antenne électrique et d'un plan réflecteur métallique. Nous commençons donc par étudier la particularité du plan réflecteur choisi, c'est-à-dire la Surface Haute Impédance. Cette surface étant composé de motifs périodiques nous étudierons le motif qui permet d'obtenir les caractéristiques les plus proches de celles de l'application visée. Nous débutons par une étude en monobande suivi de l'étude d'un motif bi-bande. Le motif mono-bande conçu en simulation présente une très bonne bande-passante (13%) au vue de sa taille minimale (2,5mm). Le motif bi-bande réalisé par imbrication de motifs mono-bande permet d'obtenir en simulation des performances conformes aux attentes dans deux bandes GNSS choisies. L'étude de cette surface se poursuit par une phase de mesure. Le but de l'étude étant de pouvoir placer une antenne au-dessus de la surface fabriquée, une collection d'antennes sera développée afin de régler la surface haute impédance et dans le même temps de tester le dispositif complet. Ainsi dans un premier temps, nous utiliserons des dipôles pour tester et régler la Surface Haute Impédance. Dans cette partie le couplage entre l'antenne et la surface haute impédance placée en-dessous sera notamment étudié. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir une polarisation circulaire nous utiliserons d'autres antennes supportant cette polarisation (dipôle croisé et spirale). Dans chaque phase de mesure, le réglage antenne et Surface Haute Impédance sera optimisé et divers paramètres de réglage seront identifiés. Pour les deux axes de recherche, ce sont non seulement le rayonnement que nous cherchons à maîtriser mais aussi la taille de la structure. Ainsi les structures réalisées sont les plus compactes possibles surtout en terme de finesse. Nous concluons sur les performances des antennes réalisées par rapport au cahier des charges et aux autres antennes existantes et exposons les perspectives du travail réalisé / In this thesis, original solutions are proposed for antennas not sensitive to their environment. These antennas are designed for GNSS applications and more precisely for multi-bands ones. So the solutions are developed keeping in mind the GNSS specifications. Two different research axis are discussed. The first one deals with the natural properties of an antenna composed of different radiating structures. So an helix structure is associated with a metallic plate. The specifications of this antenna are in line with the ones of commercial antennas. Nevertheless, this antenna is only one band and in linear polarization which is not conform to the GNSS specifications. To satisfy these specifications a second axis is developed. In this second axis an electric antenna is associated with a specific reflector : a High Impendance Surface. Theorically, this surface allows to place the antenna very close and so reduce the thickness of the whole structure without disturbing the radiation of the antenna. Firstly, the High Impendance Surface and more precisely its periodic patterns is studied. Both one band and dual-band pattern are designed. The one band pattern has a good bandwidth (13%) compared to its size (2,5mm). The dual-band pattern designed by pattern enclosing realized the GNSS specifications in simulation. This is followed by measures. The aim of the thesis is to place the antenna above the designed HIS so a lot of antennas are designed to test and tune the surface. Firstly dipoles are used to study the coupling effects and secondly circular polarized antenna are used to reach the GNSS specifications. For both axis, the radiation pattern and the size of the whole system is optimized. So the proposed solutions are the thinnest ones. To conclude the characteristics of the proposed structures are compared to specifications and to existing antennas and future work is proposed