Avec l'apparition de nouveaux standards, les nouveaux systèmes de télécommunication doivent être en mesure de faire cohabiter différentes normes sur une même antenne, de diminuer les interférences avec d’autres utilisateurs, d'améliorer le débit des transmissions, d'éviter les phénomènes d'évanouissements, d'assurer une meilleure efficacité dans la réception du signal... Afin de s'adapter avec un tel environnement évolutif et variable avec un minimum d'encombrement et de complexité, les antennes agiles en fréquence, en diagrammes de rayonnement et en polarisation ont été déployées. Le développement des composants actifs tels que les diodes PIN, les diodes varicaps et les MEMS, utilisés pour produire l'agilité, a facilité l'évolution rapide de ces antennes.Les travaux menées dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte. Nous nous sommes intéressé à l'étude et la conception de nouvelles topologies d'antennes agiles.Nous avons essayé tout d'abord de définir le concept d'antenne agile et d'identifier les différentes techniques de reconfigurabilité avant de proposer une classification des antennes agiles en fonction de la fonctionnalité proposée, à savoir l'agilité en fréquence, en diagrammes de rayonnement et en polarisation.Les travaux présentés dans ce mémoire sont principalement axés sur l'étude de chacune de ces fonctionnalités. En effet, plusieurs topologies d'antennes ont été étudiées et expérimentalement caractérisés:- Une antenne carré multi bande avec fente fractale capable de commuter entre quinze bandes de fréquences de 0.5 à 6 GHz.- Une antenne elliptique ULB à rejet de bandes reconfigurable fonctionnant de 0.76 à 6 GHz.- Une antenne dipôle constitué de deux boucles circulaires identiques capables de piloter son diagramme de rayonnement dans trois directions différentes à 1.54 GHz.- Un dipôle avec réflecteurs et directeurs fonctionnant en trois modes, capable de rediriger son diagramme de rayonnement dans une direction privilégiée tout en modifiant l’angle d’ouverture du faisceau rayonné.- Une antenne à double boucles rectangulaires capable de commuter entre une polarisation linéaire à 1.54 GHz ou à 1.63 GHz, une polarisation circulaire droite et une polarisation circulaire gauche.Le choix de la technique de reconfigurabilité est les dicté par besoins de l’application visée. / With the emergence of new standards, new telecommunication systems must be able to cohabit different standards on the same antenna, to reduce interference with other users, improve the flow of communications, avoid the detrimental fading loss, ensure greater efficiency in the signal reception ... In order to adapt with such evolving and changing environment with minimal congestion and complexity, antennas with agile frequency, radiation patterns and polarization properties have been deployed. The development of active components such as PIN diodes, varactors diodes and MEMS switches used to produce agility, facilitated the rapid development of these antennas.Works carried out during this thesis fit into this context. We are interested in the study and design of new topologies of agile antennas.We tried at first to define the concept of agile antenna and identify the different techniques of agility before proposing a classification of agile antennas based on the proposed feature, namely agility in frequency, radiation patterns and polarization.Works presented in this thesis are mainly focused on the study of each of these features. Indeed, several topologies have been studied and experimentally characterized:- A square multiband antenna with fractal slot able to switch between fifteen frequency bands from 0.5 to 6 GHz.- An elliptical UWB antenna with reconfigurable rejection bands operating from 0.76 to 6 GHz.- A dipole antenna consists of two identical circular loops able to tilt its radiation pattern in three different directions at 1.54 GHz.- A dipole with reflectors and directors, working in three modes, able to steer its radiation pattern in a different direction while changing the opening angle of the radiated beam.- Rectangular bi-loop single-feed antenna able to toggle either between Linear Polarization (LP) and Circular Polarization (CP) or between two CP (Right Hand (RHCP) and Left Hand Circular Polarization (LHCP).The choice of used agility technique is dictated by needs of the targeted application.

Dans le contexte des applications mobiles, les contraintes de conception des chaînes d'émission toujours plus performantes et de taille réduite demandent de compenser la forte sensibilité des caractéristiques des antennes à leur environnement. En particulier, il est nécessaire de maîtriser l'impédance de l'antenne pour optimiser l'efficacité énergétique de la chaîne de transmission. Or, les solutions actuelles se montrent encombrantes. Dans cette thèse, plusieurs pistes basées sur l'implémentation de condensateurs variables ont été étudiées et ont conduit à la réalisation et la caractérisation de nouveaux dispositifs RF intégrés à même de participer à cet effort. Après une présentation du contexte et de l'état de l'art, nous proposons une étude de condensateurs variables basés sur la technique des capacités commutées. L'étude a permis la réalisation de deux condensateurs variables en technologie CMOS SOI 130 nm pour des applications d'adaptation d'impédance et d'antenne agile en fréquence. Un premier démonstrateur d'antenne fente agile en fréquence visant les bandes LTE situées entre 500 MHz et 1 GHz et utilisant ce type de condensateur a ensuite été réalisé puis validé. Un système d'accord permettant de corriger les désadaptations d'antenne a ensuite été étudié et a donné lieu à la réalisation de deux circuits intégrés en technologie CMOS SOI 130 nm. Le premier circuit est un détecteur d'impédance capable de fonctionner sur une gamme de puissance étendue de 0-40 dBm pour une plage de fréquences de 600 MHz-2,4 GHz. Le deuxième circuit intègre une version améliorée du détecteur avec un circuit d'adaptation variable autorisant la réalisation d'un système d'accord d'antenne autonome et compact représentant une avancée importante par rapport à l'état de l'art. / In the context of mobile applications, design constraints on always more performant and size-constrained emitting front-ends ask to compensate for strong sensitiveness of antennas characteristics to their environment. In particular, it is necessary to control the antenna impedance in order to optimize the energy efficiency of the transmitting front-end. Yet, current solutions are bulky. I this thesis, several ways based on the implementation of variable capacitors have been studied and have led to the design and characterization of new integrated RF devices that can participate to this effort. After a presentation of the context and the state-of-the-art, we propose a study of switched-capacitor-based variable capacitors. This study allowed the design of two variable capacitors in 130 nm CMOS SOI technology for impedance matching and frequency-agile antenna applications. Then, a first demonstrator module of a frequency-agile antenna aiming for 500 MHz-1 GHz LTE bands and using this type of capacitor has been designed and validated. A tunable system allowing the correction of antenna mismatch has then been studied and has led to the design of two 130 nm CMOS SOI integrated circuits. The first circuit is an impedance detector that is able to work on a 0-40 dBm power range and a 600 MHz-2.5 GHz frequency range. The second integrated circuit includes an improved version of the detector with a tunable matching network which both allow the fabrication of an autonomous, compact antenna tunable system showing significant progress relative to the state-of-the-art.

Les antennes à pointage électronique présentent des avantages significatifs dans les systèmes de communication sans fil. Malgré cela elles ne sont toujours pas implantées dans l'industrie automobile. En effet, l'espace limité et le toit en grande partie métallique freinent l’utilisation de ces aériens dans ce contexte contraint. De nombreux défis restent à relever pour concevoir un système efficace, peu encombrant, faible coût et permettant de rayonner sur 360°. L’objectif de cette thèse est donc la mise au point d’une antenne à balayage électronique pour application automobile fonctionnant dans la bande LTE. Un système de «type MIMO » est proposé. Une antenne à résonateur diélectrique efficace, multi-bandes et efficace est conçue selon une procédure de développement spécifique. Un déphaseur accordable est également mis au point et réalisé. Il utilise des commutateurs et un condensateur variable. Un déphasage de 360 degrés est obtenu, le dispositif est commandé électriquement. L’antenne et le déphaseur sont ensuite associés dans un système complet fonctionnant dans la bande LTE. Celui-ci utilise deux antennes identiques, une seule étant alimentée. Ce système complet est mesuré seul et sur le véhicule. Les résultats obtenus sont prometteurs et permettent d’envisager, moyennant quelques améliorations, une exploitation industrielle. Les études menées pour aboutir à ce dispositif sont détaillées dans le manuscrit. / Even though beam steering technology has significant advantages in wireless communication systems, it is still not implemented in the automotive industry. Indeed, the limited space and the large metal sheet on the rooftop are the challenges for such system. This thesis is focused on the design of the LTE beam steering antenna based on a MIMO system for an automotive environment. An appropriate multiband, efficient and compact Dielectric Resonator Antenna is conceived using a specific development procedure. Also, a tunable phase shifter is designed and realized with switches and a variable capacitor. It has 360 degrees phase shift and can be electrically controlled. The proposed DRA and phase shifter are integrated in a global antenna system for automotive application in the LTE band. We finally propose a MIMO system with an active beam steering radiation pattern. It is very compact and can be implemented on the vehicle rooftop. Using the proposed phase shifter, a beam steering antenna is obtained with a global coverage close to 360� for the antenna alone or on the vehicle. Measurements are made in the using context of the antenna. Finally, the developed system is, with some improvement, powerful for powerful enough for "commercial" automotive applications. The studies carried out to develop this antenna are detailed in this manuscript.