Cette thèse vise à développer des antennes large bande à double polarisation avec un filtre et un dispositif d’adaptation d’impédance et d’alimentation intégrés, que nous avons définies comme antennes versatiles intriquées. La largeur de la bande et la double polarisation permettent d’utiliser l’antenne avec différents standards et donc d’être versatile. D'autre part, le filtre pour rejeter les harmoniques supérieurs et le réseau d'adaptation sont des parties intégrantes de l'élément rayonnant et lui confèrent le caractère intriqué. La première étude porte sur la conception d'une antenne large bande à double polarisation avec un filtre intégré dans le dispositif d’alimentation. Le filtre permet de rejeter les harmoniques indésirables. La structure complète est compacte et de dimensions 0.9 λ0x0.9 λ0, λ0 étant la longueur d’onde en espace libre à la fréquence basse. Afin d’augmenter la compacité, nous présentons ensuite une antenne à suppression des harmoniques (HSA : Harmonic Suppressed Antenna) large bande à simple et à double polarisation. Ce travail explore les différentes techniques utilisées pour concevoir une HSA. Dans cette approche, l'élément rayonnant, le filtre qui permet de rejeter le rayonnement d’harmoniques hors bande et le réseau d'adaptation, qui sont traditionnellement des circuits séparés, sont intégrés dans une seule unité compacte. La taille totale de l'antenne est 0.53 λ0x0.53 λ0. Le dernier chapitre présente une des HSA développées associée à un conducteur magnétique artificiel non-uniforme. Cette structure permet l’obtention d’une antenne large bande de faible épaisseur et directive. / This thesis aims to develop wideband antennas interrelated with a filter, which we have defined as versatile intricate antennas. The antenna is versatile as it provides wide bandwidth (more than one octave) and has the capability to generate two orthogonal polarizations. On the other hand, the filter for harmonic rejection and the matching network are integrated parts of the radiating element and give it the intricate character.The first study is concentrated on designing a dual polarized antenna with a wide stop filter integrated to the feeding network. This filter enables to reject harmonics and unwanted response. The complete structure is compact with a size of 0.9 λ0x0.9 λ0, λ0 being the free space wavelength at the lowest frequency. In order to improve the compactness of the whole system and to cover more standards, we present a single and dual polarized wideband Harmonic Suppressed Antenna (HSA). This work explores the different techniques used to design a HAS. The proposed antenna is simple in structure but versatile in applications. In this approach, radiating element, filter for harmonic rejection and matching network, which are traditionally separated circuits, are incorporated into a single compact unit. The total size of the antenna is 0.53 λ0x0.53λ0. The final chapter aims to study the previous intricate antenna with a new wideband Artificial Magnetic Conductor (AMC) structure as reflector in order to obtain a low profile and directive antenna.

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 à 300MHz 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). / Miniaturizing electronic devices is a great challenge in crucial research domain such as defense, medicine, and telecommunications. Wideband antenna miniaturization operating on more than a decade is a particular issue. This thesis presents an original method for miniaturizing a spiral antenna, reducing its diameter while keeping its bandwidth, its radiating performances and its axial ratio characteristics. This method is applied to UHF spiral antenna (from 750MHz) and VHF antenna (from 75MHz). The new geometry adds stacked resonant rings to an Archimedean spiral antenna. Their diameter are the same, hence no rise of the antenna diameter. For a 5-ring spiral antenna, the lowest operating frequency reduction is higher than 30%. That is equivalent to a 30% reduction of the diameter for two antennas sharing the same lowest operating frequency, hence a 50% reduction of the area of the antenna. These reduction factors surpass the reduction factors of the state of art of 15%. Besides, according to the state of art, the miniaturizing techniques imply some degradation of the gain and axial ratio performances at the lowest operating frequencies. The new method improves on the other hand these characteristics at these frequencies. At higher frequencies, the rings do not interfere with the matching of neither the spiral antenna nor its radiation characteristics. These results were validated by fabricated antenna measurements. A 30% reduction of the diameter was obtained on a 5-ring-8cm-large antenna as well as on a 5-ring-1m-large antenna. No impairment was noticed on the radiation of the antennas, even at the lowest operating frequencies. The thesis also discusses the difficulties which came in addition for the fabrication (mass, size and mechanical resistance) and measurement (radiation interferences and measurement isolation – the wavelength being 4m) of the VHF antenna.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de développement d'un outil radar pour la cartographie de la teneur en eau des sols agricoles et se consacre plus particulièrement à la conception de deux prototypes d'antennes radar large bande. Deux prototypes d'antennes ont ainsi été conçus de manière numérique sur la base d'un code de simulation électromagnétique en trois dimensions basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour la résolution des équations de Maxwell. Les prototypes ont été conçus avec comme ligne directrice un encombrement minimum (format A4) et une largeur de bande maximum sur la gamme 100 MHz - 1 GHz (dans l'air). Afin d'étudier apriori le comportement de ces prototypes en présence de sols, une étude numérique a été réalisée en représentant les sols par des demi-espaces infinis. Cette étude numérique se base sur l'évolution du coefficient de réflexion des prototypes dans le domaine fréquentiel (s11). Pour s'approcher au mieux des conditions de terrain, l'effet d'un contact non idéal entre l'antenne et le sol (représentée par une élévation de l'antenne) ainsi que celui de la rugosité du sol (représenté par des surfaces en tôle ondulée et en boîtes d'oeufs) ont été investigués. Sur la base de cette étude numérique, deux prototypes d'antennes (une antenne de type bow-tie et une de type dipôle elliptique) ont été fabriqués et testés en laboratoire et sur le terrain. Les premiers tests en laboratoire ont permis : (i) de vérifier la bonne cohérence entre mesure de s11 en milieu contrôlé et simulation FDTD précise de l'antenne (i.e. prenant en compte tous ses éléments constitutifs), (ii) une calibration en champ lointain et en champ proche de l'antenne permettant l'utilisation d'un modèle analytique pour simuler le s11 de l'antenne en présence d'un sol, (iii) une première estimation de la permittivité diélectrique d'un sol simple (sable) par les deux types de modélisation (FDTD et analytique). Enfin, les prototypes d'antennes ont été testés sur le terrain afin de vérifier leur comportement lors de mesures in situ. Ces tests montrent un fort impact (bruit) des câbles coaxiaux utilisés lors des mesures (notamment à haute fréquence), ainsi qu'une bonne sensibilité du dispositif aux contrastes de permittivité diélectrique. / The research work submitted in this PhD dissertation is part of research project which aims to develop a new tool for mapping the soil water content in agricultural context with ground penetrating radar technology. The scope of this particular work is the development of two prototypes of wideband radar antennae. Hence, two prototypes of antennae have been numerically designed based on a 3D finite-difference in time-domain (FDTD) electromagnetic solver of Maxwell's equations. The guiding principles that have been followed during the design are mainly a small size antenna (A4 format) and achieving the wider bandwidth possible in the frequency range 100 MHz - 1 GHz (in the air). In order to study the behavior of our prototypes when put in presence of soils, we conducted a numerical study representing the soils by half-spaces. This numerical study was based on the analysis of the antennae reflection coefficient in the frequency domain (or return loss coefficient s11). To be as close as possible to field conditions, the effect of a non ideal contact between the antenna and the soil (represented by a small elevation of the antenna) as well as the effect of soil surface rugosity (represented by corrugated iron-like and eggbox-like surface) have been investigated. Based on this numerical study, two prototypes of antennae (one bow-tie-like and on elliptical dipole) have been physically built and tested in both lab and field conditions. The test in lab condition enabled us to: (i) check the similarity between measured s11 in a controlled environment and corresponding FDTD simulation of the antenna including all antenna parts, (ii) calibrate the antenna in both far field and near field conditions which enabled the use of an analytical model to simulated the antenna s11 in presence of soil, (iii) estimate the dielectric permittivity of a sand sample using both FDTD and analytical simulations. Finally, the prototypes were tested in field condition in order to verify their behavior for in situ measurements. These tests show that using unshielded coaxial cable has a very important impact on the data (noise) and that the prototypes demonstrate a good sensitivity to dielectric permittivity contrasts.

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.