L’essor de l’internet des objets engendre le développement et l’introduction de nouveaux capteurs dans l’industrie mais aussi dans les objets du quotidien. Bâtiments et usines mais aussi réfrigérateurs et lunettes regorgeront bientôt de capteurs sans fils connectés. L’utilisation de capteurs sans fils implique le développement d’antennes compactes à la conception complexe. Diverses technologies de capteurs sans fils et passifs (sans batterie) ont été étudiées ou sont d’ores et déjà disponibles dans le commerce. L’utilisation d’antennes miniatures dans ces technologies de capteur a été traitée dans la thèse. Plus intégrables, les antennes miniatures imposent des contraintes en termes d’efficacité et de facteur de qualité qui peuvent détériorer les performances du capteur. La conception, la modélisation ainsi que l’optimisation d’une antenne miniature particulièrement intéressante pour les capteurs sans fils et passifs sont présentées. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de la méthode décrite pour améliorer les performances de telscapteurs / The Internet of Things is a promising research area for the next years. 50 billions of connected objects are expected in 2020. Among them, wireless sensors are required for appli- cations like body and environmental monitoring. This implies a lot of research works such as size reduction, efficiency im- provement and energy harvesting. The variety of applications and environments leads to a huge panel of constraints. In this context, chipless and passive sensors present numerous advantages such as long lifetime, low cost and robustness. This thesis has two aims : show the interest of using electrically small antenna in wireless sensors and developpe a method to improve sensors performance (range and sensibilitty)

Le suivi des petits animaux utilisés dans le cadre de tests de laboratoire et l'analyse de leur comportement à distance, à faible coût et en temps réel suscitent depuis longtemps l’intérêt des chercheurs. Ceux-ci peuvent se faire par l’implantation de capteurs sans fils miniatures qui nécessitent des composants vitaux dont le plus problématique est l’antenne. En effet, la principale difficulté dans la conception d'antennes pour les dispositifs de communication bio-implantables est de fournir une structure rayonnante efficace et ce, malgré les contraintes de volume et le fort impact des tissus biologiques qui l’entourent. Si de nombreuses études ont porté sur l’utilisation d'antennes implantées dans la bande MICS (Medical Implant Communications Service) (402-405 MHz), il faut noter qu’à ces fréquences, la taille des antennes peut être un inconvénient réel dans le cas de petits animaux, d’où une recherche de miniaturisation. Une alternative consiste en l’utilisation de la technologie RFID (Radio-Frequency Identification) dans la bande UHF à 868 MHz. En effet, elle présente deux avantages primordiaux : elle facilite l'implantation du tag et ne nécessite pas l’ajout d'une batterie pour alimenter le périphérique implanté. Ce travail de thèse fait suite à un projet collaboratif financé par l’ANR (Agence Nationale de la Recherche) dans le cadre du Labex UCN@Sophia et qui a pour objectif la conception d’un système sans fils incluant aussi bien les tags RFID implantables, les antennes du lecteur et le lecteur connecté à un ordinateur se chargeant de la gestion centralisée des informations sur un serveur pour le suivi et la collecte de données de souris de laboratoire. Ce mémoire présente la conception d’antennes implantées pour tags RFID dans un modèle homogène représentant le corps d’une souris. Après l’analyse d’un bilan de liaison permettant de calculer les performances minimales de l’antenne implantée à concevoir pour une communication fiable et efficace, des antennes tags RFID passifs en 2D et en 3D ont été optimisées par différentes techniques pour atteindre des structures finales implantables ou injectables au dos d’une souris. Une caractérisation des solutions proposées en termes d’impédance, de champs E et H et de DAS (Débit d'Absorption Spécifique) a ensuite été effectuée dans un fantôme homogène. Enfin, un système d’interrogation permettant d’estimer la position de l’animal via la récupération du RSSI (Received Signal Strength Indicator) est présenté. / The monitoring of small animals in laboratory tests and the remote analysis of their behavior, with low cost and in real time interest researchers for a long time. This can be done by implanting miniature wireless sensors requiring vital components among which the most challenging is the antenna. Indeed, the main difficulty in designing antennas for bio-implantable communication devices is to provide an effective radiating structure, despite the volume constraints and the high impact of the surrounding biological tissues. Although many studies have focused on the use of implanted antennas dedicated to the MICS band (402405 MHz), it should be noted that at these frequencies, the size of the antennas can be a real disadvantage in the case of small animals, requiring miniaturization structures. Another solution consists in the using RFID (Radio-Frequency Identification) technology in the UHF band at 868 MHz. Indeed, it has two major advantages: it facilitates the implementation of the tag and does not require the addition of a battery to power the implanted device. This thesis funded by the ANR (French National Research Agency) within the framework of the Labex UCN@Sophia aims at designing a wireless system, including implantable RFID tags, reader's antennas and the reader connected to a computer that is responsible for the centralized management of information on a server for monitoring and collecting the data of laboratory mice. This thesis presents the design of implanted antennas for RFID tags in a homogeneous model representing the body of a mouse. After an analysis of a link budget allowing to determine the minimum performance of the implanted antenna to be designed for a reliable and an efficient communication, two RFID passive tag antenna designs have been optimized to obtain final structures able to be implanted or injected in the back of a mouse. A characterization of the proposed solutions in terms of impedance, E and H fields and SAR (Specific Absorption Rate) was then performed in a homogeneous phantom. Finally, an interrogation system capable to estimate the position of several animals placed in a cage thanks to the RSSI (Received Signal Strength Indicator) levels is presented.

La miniaturisation des antennes s'accompagne d'une dégradation leurs performances (bande passante, gain, efficacité), surtout avec l'utilisation de substrats matériaux diélectriques. Pour relever le défi « intégration / performances », la conception de nouveaux matériaux tels que les ferrites magnétoélectriques constitue une alternative des plus prometteuses. Ce travail met en avant les principaux paramètres à l'élaboration de ferrite spinelle par coprécipitation. Un traitement thermique modéré a permis l'obtention de céramiques semi poreuses pour la montée en fréquence. En parallèle, l'anisotropie magnétocristalline, liée à la composition (rapport Nickel / Zinc, Cobalt, Fer 2+…) ; ainsi que l'anisotropie magnétoélastique lors de l'application d'une contrainte, étendent encore le domaine des faibles pertes des ferrites de Nickel-Zinc de 400 MHz à plus de 1 GHz. Ces matériaux ont ainsi pu équiper des antennes sur les fréquences du DVH-H (470 – 830 MHz) et répondent aux normes du DVB-H. De façon à profiter pleinement de la miniaturisation, nous avons proposé une antenne imprimée. Une bonne corrélation est trouvée entre les résultats de simulation et de mesure, ainsi que des relations adaptées aux antennes patch. Enfin dans le domaine émergent des communications On / Off bodies, nous avons développé des antennes flexibles sur un substrat de type PDMS. Pour assurer une bonne efficacité de l'antenne, celle-ci est encapsulée, ce qui évite une métallisation hasardeuse (fissures, manque d'adhérence). / Antenna miniaturization, especially with dielectric substrates, is accompanied by a radiation loss (bandwidth, gain, efficiency). To meet the challenge "integration / performance", the design of new materials such as magnetodielectrics ferrites is a promising alternative. To satisfy these requirements, this work highlights the main parameters of ferrite spinel development by coprecipitation. A moderate thermal treatment leads to semi porous ceramics. In parallel, the magnetocrystalline anisotropy, related to the composition (ratio Nickel / Zinc, Cobalt, Iron 2+ ...), and the magnetoelastic anisotropy with application of stress, extend the field of low-loss from 400 MHz to over 1 GHz, in the Nickel-Zinc ferrite. These materials were able to equip antennas on DVH-H frequencies (470-830 MHz). In order to take full advantage of miniaturization, we proposed a printed antenna. A good correlation between simulation results and measurement is obtained, together with relations adapted to patch antennas. Finally, in the emerging field of communications On / Off bodies, we have developed flexible antennas on PDMS substrate. To ensure good antenna efficiency, it is encapsulated, thereby avoiding a hazardous metallization (cracks, loss of adhesion).

Au cours de ces dernières années, les communications sans fil connaissent une croissance vertigineuse, avec le développement de standards de communication de plus en plus nombreux, qui ouvrent la voie à de multiples applications telles que : la téléphonie mobile, le biomédical, le maritime, le civil et le militaire. De nos jours, les communications sans fil se sont diversifiées et multipliées. Cela entraîne la conception d’antennes toujours plus innovantes, performantes et de taille de plus en plus réduite (miniaturisation). Le projet FLEXBEA (FLEXible BEAcon) a pour but le développement d’un nouveau concept de balises de détresse miniatures (AIS et COSPAS-SARSAT), faible coût, intégrées dans des équipements de sécurité maritime tels qu’un radeau de survie et un gilet de sauvetage. Ces équipements sont destinés aux professionnels de la mer et aux plaisanciers. L’atout majeur de ce nouveau concept est l’intégration dans des équipements de sécurité maritime d’une fonction de détresse en cas de problème majeur : homme à la mer (MOB, Man OverBoard) par exemple lors d’un naufrage. Différentes antennes ont été étudiées. Nous présentons des antennes planaires (de type dipôle ou monopôle imprimé) développées dans la bande UHF : une solution de dipôle avec brins repliés est proposée afin de réduire l'encombrement, et deux modes d'alimentation (symétrique / dissymétrique) sont comparés. Des exemples d'antenne monopôle sont ensuite présentés avec une modification de leur géométrie (structures de type Bow-tie ou méandre) pour assurer une miniaturisation optimale. Puis les antennes filaires retenues pour le projet, avec une modélisation de ces antennes par un circuit équivalent (RLC). Des formules analytiques sont proposées afin de déterminer les valeurs de composants RLC qui interviennent dans le modèle circuit. Ensuite, nous sommes passés à la conception de l’antenne de la balise. Deux antennes ont été conçues et mesurées. Un monopôle ruban avec introduction de composants localisés pour la balise AIS et COSPAS-SARSAT, et une antenne hélice fonctionnant dans la bande AIS, intégrée dans la balise "SIMY". De nombreuses réalisations et mesures ont été effectuées pour caractériser ses antennes. / Over the last few years, wireless communications have grown dramatically, with the development of more and more communication standards, which open the way to multiple applications such as: mobile telephony, biomedical, maritime, the civilian and the military. Today, wireless communications have diversified and multiplied. This leads to the design of antennas that are always more innovative, more efficient and smaller in size (miniaturization). The FLEXBEA project (FLEXible BEAcon) aims to develop a new concept of low cost miniature distress beacons (AIS and COSPAS-SARSAT) integrated into marine safety equipment such as a life raft and a lifejacket safety. This equipment is intended for professionals of the sea and boaters. The main advantage of this new concept is the integration in maritime safety equipment of a distress function in case of major problem: man overboard (MOB, Man OverBoard) for example during a shipwreck. Different antennas have been studied. We present planar antennas (dipole type or printed monopoly) developed in the UHF band: a dipole solution with folded strands is proposed to reduce the bulk, and two modes of supply (symmetrical / asymmetrical) are compared. Examples of monopole antennas are then presented with a modification of their geometry (Bow-tie or meander type structures) to ensure optimal miniaturization. Then the wired antennas selected for the project, with a modeling of these antennas by an equivalent circuit (RLC). Analytical formulas are proposed to determine the RLC component values ​​involved in the circuit model. Then we went to the design of the beacon antenna. Two antennas were designed and measured. A ribbon monopoly with introduction of localized components for the AIS and COSPAS-SARSAT beacon, and a helix antenna operating in the AIS band, integrated into the "SIMY" beacon. Many achievements and measurements have been made to characterize its antennas.

Les progrès réalisés dans les domaines des réseaux de capteurs disséminées, de l'identification radiofréquence ou des communications millimétriques présagent l'apparition de petits objets, intelligents, autonomes et communiquant par le biais de transmissions radiofréquences. Dans ce contexte, les orientations aléatoires et variables des dispositifs les uns par rapport aux autres engendrent de fortes variations du bilan de transmission en raison de l'anisotropie de rayonnement ainsi que des désadaptations de polarisation entre antennes. Il existe donc un besoin pour de petites antennes bas coût aux caractéristiques de rayonnement optimisées pour une transmission indépendante de leurs orientations relatives. La première partie de ce travail a consisté à proposer un nouveau critère, appelé fonction de couverture isotrope, permettant de caractériser rigoureusement les performances des antennes dans un tel contexte. Cette méthode a permis de comparer diverses antennes de la littérature et d'étudier les effets de leurs propriétés de rayonnement. L'influence de l'environnement de propagation a également été étudiée. La seconde partie a consisté à proposer deux nouvelles antennes répondant à cette problématique tout en prenant en compte les fortes contraintes d'intégration et de miniaturisation. Un prototype a été réalisé et valide l'approche de conception suivie. Finalement, un dernier développement envisage le cas des multi antennes. Une extension de la méthode de caractérisation est proposée. L'une des structures précédentes est développée en deux versions à deux accès et illustre le principe d'une antenne isotrope à double polarisation orthogonale aux performances optimales.

Une antenne auto-complémentaire possède des caractéristiques radioélectriques très intéressantes en ce qui concerne l'élargissement de sa bande passante. Basée sur le principe de Babinet, l'auto-complémentarité permet en effet de maximiser la largeur de bande de par la complémentarité air-métal dans la structure de l'antenne. L'objectif de cette thèse est d'étudier quels pouvaient être les apports de l'auto-complémentarité dans le cas d'antennes à fortes contraintes d'intégration telles que celles utilisées pour les terminaux mobiles. Pour tester les limites de notre étude, nous avons choisi d'appliquer nos résultats à l'intégration d'antennes auto-complémentaires dans un objet communicant de type Smartphone multi-standards. Les antennes dites AC doivent par conséquent satisfaire de nombreux critères de performances tout en montrant leur capacité d'intégration. Celle-ci est rendue d'autant plus délicate, que la miniaturisation implique à son tour des phénomènes physiques limitant certaines performances, notamment en basse fréquence avec la nouvelle bande LTE. Dans une première étude, nous avons considéré différentes antennes et opté pour les antennes IFA-AC sur un plan de masse fini afin de couvrir initialement les bandes hautes DCS/PCS/UMTS et WLAN/LTE2600. Dans une seconde étude, nous avons amélioré leurs performances à l'aide d'éléments structurels nouveaux et interdépendants (éléments rayonnants de type double IFA), qui nous ont permis d'obtenir des résultats probants relatifs notamment à la couverture des bandes LTE800 et GSM. Enfin, nous avons complété notre projet en optimisant le lien radio par l'intégration de plusieurs éléments rayonnants AC sur un même PCB.

L'intégration d'oxydes ferroélectriques permet la réduction des dimensions de dispositifs électroniques pour des applications en télécommunications, tout en leur apportant la reconfigurabilité. Parmi ces matériaux multifonctionnels, KxNa1-xNbO3 (KNN) se présente comme un candidat oxyde sans plomb prometteur pour un grand nombre d'applications. L'objectif de cette thèse est l'élaboration de couches minces de KNN et l'étude de leurs propriétés diélectriques en hyperfréquences en vue de leur intégration dans des antennes miniatures et reconfigurables. La permittivité εr, les pertes tanδ et l'agilité seront caractérisées à partir de couches minces de KNN déposées par la technique d'ablation laser. De plus, les avancements sur les dépôts par pulvérisation cathodique seront présentés. Après une étude sur la composition du matériau, l'influence des propriétés structurales sur les propriété diélectriques à travers l'utilisation de deux types de substrats a permis l'obtention d'une agilité de 20% sous un champ Ebias de 90 kV/cm. Une caractérisation diélectrique en température aura permis d'observer, à 10 GHz, une augmentation de la permittivité de 360 à 20°C jusqu'à 1000 à 240°C au niveau de la transition de phase polymorphique. Lors de ces travaux, la phase bronze de tungstène tétragonale (TTB), encore très peu étudiée dans le système K-Na-Nb-O a été préparée en couches minces fortement orientées et une permittivité élevée a été obtenue à basses (~200 à 10 kHz) et hautes fréquences (~130 à 10 GHz). Enfin la conception, la réalisation et la mesure d'antennes miniatures intégrant du KNN ont été effectuées. / Ferroelectric materials are a solution for reducing the size of electronic devices for telecommunication applications while also enabling reconfigurability. Among the multifunctional materials, KxNa1-xNbO3 (KNN) is a promising lead-free oxide for a large number of applications. The main goal of this work is the elaboration of KNN thin films and their dielectric characterisations in order to integrate the thin film to obtain miniature reconfigurable antennas. The permittivity εr, the loss tanδ and the tunability, at microwave frequencies, of the KNN were retrieved from thin films prepared by pulsed laser deposition. Also, the progress on the deposition of KNN thin films by RF magnetron sputtering will be presented. After the investigation of the effect of the composition and the structural properties of the KNN thin films on their dielectric properties, the tunability has been increased up to 20% under a 90 kV/cm electric field for x = 0.5. A dielectric characterisation of depending on the temperature, at 10 GHz, has shown an increase of the permittivity value from 360 at 20°C up to 1000 at 240°C, indicating the polymorphic phase transition. The tetragonal tungsten bronze phase (TTB), barely studied in the K-Na-Nb-O system, has been prepared in thin film and exhibiting high values of permittivity at both low and microwave frequencies (~200 à 10 kHz and ~130 à 10 GHz). Finally the design, realisation and measurements of miniature antennas integrating KNN has been done.

Les objectifs de ce travail concernent l'étude, la conception et la caractérisation d'antennes miniatures actives ou passives, large bande ou bande étroite fonctionnant en bandes MF, HF et VHF. Le manuscrit est divisé en cinq parties : La première partie présente un système de caractérisation d'antennes qui a été développé, validé et utilisé pour tous les aériens conçus. Ce système, basé sur une cellule à plaque parallèles (PPC), permet un large spectre de mesures telles que la mesure du gain, du point de compression, de l'intermodulation et de la sensibilité via une méthode rayonnée, particulièrement intéressante dans le cas des antennes actives intégrées. La deuxième partie concerne les antennes solénoïdales sur ferrite. L'utilisation de simulateurs électromagnétiques 3D a permis d'obtenir des résultats qui sont comparés à la théorie proposée dans la littérature. Les principaux systèmes d'adaptation d'impédance sont également étudiés. La troisième partie met en avant la possibilité de concevoir des antennes à substrat ferromagnétique de géométrie non conventionnelle en utilisant des matériaux composites. Deux antennes miniatures fabriquées et fonctionnant en bande VHF permettent d'illustrer ce point. Dans la quatrième partie, nous présentons un concept d'antennes à substrat ferromagnétique partiellement saturé. L'utilisation d'une source de champ magnétique statique associée à un matériau initialement dispersif permet de constater un certain nombre de phénomènes intéressants, tels que l'amélioration de l'efficacité tout en préservant l'adaptation de l'antenne ou bien la création de directivité sur des antennes électriquement très compactes. La dernière partie présente la valorisation du travail à travers un projet de télécommunication hertzienne longue portée s'inscrivant dans le cadre de la navigation maritime. / The objectives of this work concern the study, the design and the measurement of miniaturized passive and active, broadband and narrowband antennas for MF, HF and VHF frequency bands. The thesis is divided into five parts : The first part deals with a measurement system, which has been developed, validated and used for all conceived aerials. The system is based on a parallel plate cell (PPC) and allows an evaluation of the gain, the compression point, the interception point and the sensitivity using a radiative method particularly useful in the case of active integrated antennas. The second part concerns solenoidal ferrite antennas. The results obtained from electromagnetic 3D simulators were compared to the state of the art theory. Main matching technics have also been studied. The third part put the light on the possibility of development of arbitrary shaped antennas on a ferromagnetic substrate using a composite material. Two antennas developed for the VHF band, confirm this point. In the fourth part, we present a concept of antennas on a partially saturated ferromagnetic substrate. A static magnetic field associated with an initially lossy material brings up some interesting phenomena such as an increased efficiency without a degradation of the impedance matching or the directivity with very small antennas. The last part presents an application of the work across a project dedicated to long distance telecommunications in marine navigation.

Une antenne auto-complémentaire possède des caractéristiques radioélectriques très intéressantes en ce qui concerne l’élargissement de sa bande passante. Basée sur le principe de Babinet, l’auto-complémentarité permet en effet de maximiser la largeur de bande de par la complémentarité air-métal dans la structure de l’antenne. L’objectif de cette thèse est d’étudier quels pouvaient être les apports de l’auto-complémentarité dans le cas d’antennes à fortes contraintes d’intégration telles que celles utilisées pour les terminaux mobiles. Pour tester les limites de notre étude, nous avons choisi d’appliquer nos résultats à l’intégration d’antennes auto-complémentaires dans un objet communicant de type Smartphone multi-standards. Les antennes dites AC doivent par conséquent satisfaire de nombreux critères de performances tout en montrant leur capacité d’intégration. Celle-ci est rendue d’autant plus délicate, que la miniaturisation implique à son tour des phénomènes physiques limitant certaines performances, notamment en basse fréquence avec la nouvelle bande LTE. Dans une première étude, nous avons considéré différentes antennes et opté pour les antennes IFA-AC sur un plan de masse fini afin de couvrir initialement les bandes hautes DCS/PCS/UMTS et WLAN/LTE2600. Dans une seconde étude, nous avons amélioré leurs performances à l’aide d’éléments structurels nouveaux et interdépendants (éléments rayonnants de type double IFA), qui nous ont permis d’obtenir des résultats probants relatifs notamment à la couverture des bandes LTE800 et GSM. Enfin, nous avons complété notre projet en optimisant le lien radio par l’intégration de plusieurs éléments rayonnants AC sur un même PCB. / In this thesis we present the design and optimization of self-complementary antennas to be integrated into a Smartphone. A self-complementary antenna is known as a radio antenna with very interesting bandwidth characteristics. Self-complementarity is based on the Babinet’s principle which aims to maximize bandwidth by considering the complementarity of the air and metal in the construction of an antenna. To achieve an objective, the antennas must satisfy a number of criteria, both in terms of performance and also for the design methods and integration. Miniaturization is very sensitive and it is more difficult to implement an antenna because of the physical phenomena limiting performance, especially at low frequency with the new 4G band. In this study we considered initially the self-complementary-IFA on a finite ground plane size: 120x60mm² in order to cover the high frequencies: DCS/PCS/UMTS and WLAN/LTE2600. In the second part, we focused on the possibility of using some improvement techniques by adding structural element (capacitive elements and radiating elements). Various geometrical modifications applied to antenna structures have also been used to obtain results satisfying all criteria, including coverage of LTE800 bands and GSM bands. Several prototypes were used to compare the theoretical results and validate the concept of self-complementarity. We completed the project by developing a way to improve the radio link in natural environments. We have implemented several radiating self-complementary miniature multiband/broadband elements on the same PCB in order to implement the principles of diversity or MIMO.