Le projet Iseult-Inumac mené au sein d'un consortium franco-allemand vise à développer les techniques associées à l'imagerie par résonance magnétique à ultra haut champ, notamment à travers la construction d'un imageur à 11,7 teslas. La résolution accrue du nouvel imageur devrait apporter une meilleure compréhension du système nerveux et de ses dysfonctionnements pour aboutir à un dépistage plus précoce des pathologies telles que la maladie d'Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux ou les tumeurs.La principale difficulté technique du projet, en dehors de la construction de l'aimant statique, réside dans la capacité d'émettre une onde électromagnétique d'amplitude uniforme dans tout le cerveau du patient : problème de l'inhomogénéité de B1 (ou radiofréquence). Une solution proposée consiste à utiliser une antenne réseau à transmission parallèle et des séquences d'excitation IRM spécifiques dites de compensation.Cette thèse se concentre sur la conception des antennes réseaux à transmission parallèle pour l'IRM à 7 et 11,7 T. Un prototype à 8 canaux indépendants utilisant une technologie innovante de résonateurs linéaires est présentée pour l'IRM 7 T. Il a été conçu par la simulation numérique. Un protocole de validation a été développé pour la caractérisation et l'analyse des performances des antennes réseaux. Le succès de cette validation a permis de développer par la simulation une nouvelle antenne à 12 canaux et une stratégie de pilotage innovante permettant de n'utiliser que 8 chaînes de pilotage au lieu de 12. Enfin, la même méthodologie a été appliquée pour concevoir et prédire les performances d'une antenne réseau à 11,7 T.

Le projet Iseult-Inumac mené au sein d’un consortium franco-allemand vise à développer les techniques associées à l’imagerie par résonance magnétique à ultra haut champ, notamment à travers la construction d’un imageur à 11,7 teslas. La résolution accrue du nouvel imageur devrait apporter une meilleure compréhension du système nerveux et de ses dysfonctionnements pour aboutir à un dépistage plus précoce des pathologies telles que la maladie d’Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux ou les tumeurs.La principale difficulté technique du projet, en dehors de la construction de l’aimant statique, réside dans la capacité d’émettre une onde électromagnétique d’amplitude uniforme dans tout le cerveau du patient : problème de l’inhomogénéité de B1 (ou radiofréquence). Une solution proposée consiste à utiliser une antenne réseau à transmission parallèle et des séquences d’excitation IRM spécifiques dites de compensation.Cette thèse se concentre sur la conception des antennes réseaux à transmission parallèle pour l’IRM à 7 et 11,7 T. Un prototype à 8 canaux indépendants utilisant une technologie innovante de résonateurs linéaires est présentée pour l’IRM 7 T. Il a été conçu par la simulation numérique. Un protocole de validation a été développé pour la caractérisation et l’analyse des performances des antennes réseaux. Le succès de cette validation a permis de développer par la simulation une nouvelle antenne à 12 canaux et une stratégie de pilotage innovante permettant de n’utiliser que 8 chaînes de pilotage au lieu de 12. Enfin, la même méthodologie a été appliquée pour concevoir et prédire les performances d’une antenne réseau à 11,7 T. / The Iseult-Inumac project led by a franco-german consortium aims at developing the ultra-high field MRI technologies, especially with the building of an 11.7 tesla scanner. The high resolution of this new scanner may improve the understanding of human nervous system and its dysfunctions in order to detect pathologies like the Alzheimer disease, strokes or tumors earlier.The biggest technical difficulty, besides the building of the static magnet itself, lies in the emission of a uniform electromagnetic wave in the entire brain of the patient. It is usually referred as to B1 (or RF) inhomogeneity issues. A solution consists in using a phased array RF coil and specific MRI sequences for shimming in a parallel transmit approach.This thesis deals with the study of parallel transmit phased arrays RF coils for 7 T and 11.7 T MRI. An eight independent channels prototype-coil that uses a new planar strip array technology is described for 7 T MRI. It was designed based on numerical simulation. A validation methodology has been developed for characterization and performance analysis of transmit phased arrays. After a successful validation of this first prototype, a more efficient 12-channel coil and a new driving strategy that only requires 8 driving channels instead of 12 were designed. Finally, the same methodology was applied to a phased array RF coil for 11.7 T MRI.

Ce travail se compose de deux parties relevant d'applications industrielles différentes. <br />La première traite d'une antenne spatiale réseau active. <br />Il faut d'abord calculer les lois d'alimentation pour satisfaire les contraintes de rayonnement. Nous transformons un problème avec de nombreux minima locaux en un problème d'optimisation convexe, dont l'optimum est le minimum global du problème initial, en utilisant le principe de conservation de l'énergie. <br />Nous résolvons ensuite un problème d'optimisation topologique: il faut réduire le nombre d'éléments rayonnants (ER). Nous appliquons une décomposition en valeurs singulières à l'ensemble des modules optimaux relaxés, puis un algorithme de type gradient topologique décide les regroupements entre ER élémentaires. <br /><br />La deuxième partie porte sur une simulation type boîte noire d'un accident chimique. <br />Nous effectuons une étude de fiabilité et de sensibilité suivant un grand nombre de paramètres (probabilités de défaillance, point de conception, et paramètres influents). Sans disposer du gradient, nous utilisons un modèle réduit. <br />Dans un premier cas test nous avons comparé les réseaux neuronaux et la méthode d'interpolation sur grille éparse Sparse Grid (SG). Les SG sont une technique émergente: grâce à leur caractère hiérarchique et un algorithme adaptatif, elles deviennent particulièrement efficaces pour les problèmes réels (peu de variables influentes). <br />Elles sont appliquées à un cas test en plus grande dimension avec des améliorations spécifiques (approximations successives et seuillage des données). <br />Dans les deux cas, les algorithmes ont donné lieu à des logiciels opérationnels.

La technologie des antennes réseaux occupe une place croissante dans les applications aéroportées modernes militaires et civiles car elle offre des performances radioélectriques et des capacités d'intégration aux porteurs inenvisageables avec d'autres technologies. Ces performances sont couplées à des contraintes liées au couplage entre éléments rayonnants ou en termes d'intégration sur des petits porteurs. Ces deux contraintes peuvent être palliées à l'aide de surfaces à haute impédance (SHI) pouvant traduire le comportement d'un conducteur magnétique artificiel et/ou la capacité à interdire la propagation des ondes de surface dans une bande de fréquence. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif de présenter l'apport des SHI sur la conception de réseaux compacts et d'antennes réseaux ultra large bande. Après une introduction aux SHI, une présentation de modèles analytiques, numériques et expérimentaux a été présentée. Une partie des travaux est consacrée à l'étude du couplage mutuel entre deux antennes imprimées espacées l'une de l'autre d'une demi-longueur d'onde. Par la suite les différentes contributions apportées par les SHI, lorsqu'elles sont employées comme réflecteur, sur une antenne réseau ultra large bande sont montrées. Une modélisation analytique de l'antenne réseau placée au-dessus de réflecteurs à haute impédance est validée par des simulations numériques. Les SHI montrent qu'il est possible de créer des bandes passantes supplémentaires instantanées et agiles en fréquences permettant d'augmenter la bande passante initiale de l'antenne réseau. De plus elles permettent de réduire considérablement l'encombrement et d'obtenir une bande agile unique.

Face à la demande croissante de débits de données de plus en plus élevées, l’une des principales solutions proposées par la 5G est de densifier le réseau en y intégrant notamment de nouvelles « Small cells ». La réorganisation de l’architecture du réseau mobile pour s’adapter à l’intégration poussée de ces Small cells, fait naître la problématique de la connexion backhaul entre les stations de bases desservant les Small cells et le cœur de réseau. Ainsi, des liaisons backhaul de plusieurs Gb/s de données sont nécessaires pour pouvoir assurer un débit de données d’au moins 100Mb/s à l’utilisateur qui est l’un des objectifs fixés pour la 5G. Les solutions de connexion backhaul sans fils ont un avantage indiscutable face aux coûts de déploiements de fibres optiques qui sont très élevés. Pour augmenter la capacité spectrale des liaisons sans fils, l’utilisation des fréquences millimétriques au-delà de 6 GHz caractérisées par des larges bandes passantes sera prochainement discutée pour la 5G durant le World Radiocommunication Conference 2019. Parmi ces fréquences, les bandes V (57-66GHz) et E (71-76 GHz et 81-86 GHz) ont un intérêt indéniable grâce aux larges bandes passantes disponibles ainsi qu’aux conditions de licenciement peu exigeantes. Les travaux développés dans cette thèse consistent à concevoir des antennes directives à large bande passante permettant d’établir les liens backhaul point-à-point sans fils (LoS). En exploitant les technologies de fabrications à faibles coût telles que l’impression 3D et Printed Circuit Board (PCB) sur des substrats FR4, la conception de deux types d’antenne directives a été étudiée à savoir des antennes lentilles et des antennes réseaux. / In order to address the ever-increasing demand of higher data rates, adding small cells to the existing macrocells infrastructure is one of the most important milestones of the 5G roadmap. With the integration of small cells and the re-organization of the network topology, backhaul bottleneck is the main challenge to address in the near future. Facing the costs of deployments of fiber optic connections, point-to-point wireless backhaul links using millimeter wave (mmW) frequencies are gaining prominence. 5G future frequencies, to be discussed under the World Radiocommunication Conference 2019 (WRC-19) open-up the way towards mmW frequency band where large bandwidths are naturally available. The high bandwidths available at these frequencies enable several Gbps data rate backhaul links, which is un utmost necessity to respect the 100 Mbps user-experienced data rate promised by the 5G standard. Millimeter-wave frequencies in V and E-bands unlicensed/light licensed spectrum are considered as primary candidates for backhaul links. In addition to the light license regime, the high free space path loss experienced at these frequencies is rather beneficial to limit the interference between small cells links. Moreover, the high available bandwidths at V and E-bands enable to achieve multi Gb/s links without using complex modulation schemes. In this thesis, we focused our research study on developing high gain wide-band antennas usable in point-to-point backhaul links in a Line of Sight (LoS) context. Leveraging cost-efficient technologies like 3D printing and Printed Circuit Board (PCB) on FR4 substrates, we studied two high-gain antenna types: lens antennas and flat array antennas.

Embarqué sous le radôme du missile, les autodirecteurs existants utilisent une rotation mécanique du plan d’antenne pour balayer le faisceau en direction d’une cible. Les recherches actuelles examinent le remplacement des composantes mécaniques de rotation de l’antenne par un nouveau réseau d’antennes 3D conformes à balayage électronique. Les antennes 3D conformes pourraient offrir des avantages significatifs, tels qu’un balayage plus rapide et une meilleure couverture angulaire mais qui pourraient aussi offrir de nouveaux challenges résultant d’un diagramme de rayonnement plus complexes en 3D qu’en 2D. Le nouvel autodirecteur s’affranchit du système mécanique de rotation ce qui libère de l’espace pour le design d’une nouvelle antenne 3D conforme. Pour tirer le meilleur parti de cet espace, différentes formes de réseaux sont étudiées, ainsi l’impact de la position, de l’orientation et de la conformation des éléments est établi sur les performances de l’antenne, en termes de directivité, ellipticité et de polarisation. Pour faciliter cette étude de réseaux 3D conformes, un programme Matlab a été développé, il permet de générer rapidement le diagramme de rayonnement en polarisation d’un réseau donné dans toutes les directions. L’une des tâches de l’autodirecteur consiste à estimer la position d’une cible donnée afin de corriger la trajectoire du missile. Ainsi, l’impact de la forme du réseau sur l’erreur entre la direction d’arrivée mesurée de l’écho de la cible et sa vraie valeur est analysé. La borne inférieure de Cramer-Rao est utilisée pour calculer l’erreur minimum théorique. Ce modèle suppose que chaque élément est alimenté séparément et permet ainsi d’évaluer le potentiel des réseaux 3D conformes actifs.Finalement, l’estimateur du monopulse en phase est étudié pour des réseaux 3D conformes dont les quadrants n’auraient pas les mêmes caractéristiques. Un nouvel estimateur, plus adapté à des quadrants non identiques, est aussi proposé. / Embedded below the radome of a missile, existing RF-seekers use a mechanical rotating antenna to steer the radiating beam in the direction of a target. Latest research is looking at replacing the mechanical antenna components of the RF-seeker with a novel 3D conformal antenna array that can steer the beam electronically. 3D antennas may offer significant advantages, such as faster beam steering and better coverage but, at the same time, introduce new challenges resulting from a much more complex radiation pattern than that of 2D antennas. Thanks to the mechanical system removal, the new RF-seeker has a wider available space for the design of a new 3D conformal antenna. To take best benefits of this space, different array shapes are studied, hence the impact of the position, orientation and conformation of the elements is assessed on the antenna performance in terms of directivity, ellipticity and polarisation. To facilitate this study of 3D conformal arrays, a Matlab program has been developed to compute the polarisation pattern of a given array in all directions. One of the task of the RF-seeker consists in estimating the position of a given target to correct the missile trajectory accordingly. Thus, the impact of the array shape on the error between the measured direction of arrival of the target echo and its true value is addressed. The Cramer-Rao lower bound is used to evaluate the theoretical minimum error. The model assumes that each element receives independently and allows therefore to analyse the potential of active 3D conformal arrays. Finally, the phase monopulse estimator is studied for 3Dconformal arrays whose quadrants do not have the same characteristics. A new estimator more adapted to non-identical quadrants is also proposed.