Aujourd’hui l’électronique fait partie intégrante de nos vies. En effet, de plus en plus d’objets intègrent de l’électronique permettant de les connecter, on appelle cela l’internet des objets (IoT). Tous ces dispositifs disposent d’une connectivité sans fil, rendant ainsi indispensable l’intégration d’une ou plusieurs antennes. De plus, l’électronique devant s’adapter à des objets de plus en plus petits et flexibles embarquant de plus en plus de capteurs tout en consommant de moins en moins d’énergie, il est intéressant de se pencher sur l’étude de nouveaux matériaux pour la réalisation d’antennes devant s’adapter à ces nouvelles contraintes. Dans ce cadre, nous nous sommes attachés dans ce travail de recherche, à la conception de structures antennaires à base de métaux liquides à température ambiante dans le but de réaliser des antennes conformables de formes complexes associant l’impression 3D, des antennes reconfigurables et des structures rayonnantes ayant la capacité de capteur. Dans ce manuscrit des prototypes d’antenne comportant ces caractéristiques ont été simulés, réalisés et mesurés. / Today, electronic is an integral part of our lives. Indeed, more and more objects integrate electronics to connect each other, this is the Internet of Things (IoT). All of these wireless devices need one or more antennas. Furthermore, It’s useful to develop new materials to realize new antennas that fit with new constraints: smaller and flexible objects, more and more sensors and less and less consuming.In this context, we have focused this research on antenna structures based on metals which are liquid at room temperature to realize conformable antennas of complex shapes combining 3D printing, reconfigurable antennas and radiant structures with the ability to sensor. In this manuscript, antenna prototypes with these characteristics have been simulated, realized and measured.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS en intégration hétérogène 3D pour les systèmes de communication millimétriques. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'un projet ANR nommé SIPCOM (Intégration hétérogène 3D (System-In-Package) pour objets communicants en gamme millimétrique), qui concerne l'intégration hétérogène d'un microsystème intelligent communicant à 60GHz. Au cours de ce manuscrit, nous proposons la réalisation d'antennes sur membrane selon 3 technologies. Dans un premier temps, une nouvelle technologie simple et bas coût basée sur un empilement de FR4 et de Pyralux ainsi qu'un nouveau concept d'antenne patch sur membrane alimentée par un guide d'onde intégré via une fente de couplage sont présentés. Dans un second temps, ce nouveau concept d'antenne a été adapté afin de pouvoir l'intégrer au module SiP réalisé en technologie Silicium / BCB. Enfin, la troisième technologie basée sur des substrats de quartz permet de démontrer la faisabilité d'une antenne à balayage électronique pour laquelle chaque excitateur est intégré dans le design d'un déphaseur à base de MEMS permettant de s'affranchir des interconnexions par bonding entre le déphaseur et la partie antennaire. / The work presented in this PhD thesis is a contribution for the study of reconfigurable antennas based on MEMS integration for 3D heterogeneous millimeter communication systems. This study falls within the framework of a ANR project named SIPCOM, for heterogeneous integration of smart millimeter communicating systems. During this manuscript, we propose the implementation of membrane antennas with three technological processes. Firstly, a new simple and low cost technology based on FR4 and Pyralux substrates and a new concept of patch antenna fed by integrated waveguide are investigated. In a second time, this new antenna design has been matched in order to be integrated in the SIP module using Silicon/BCB technology. The third technology based on quartz substrates is used to demonstrate the feasibility of an electronic beamscanning antenna for which one each slot feeder is integrated into the design of the MEMS phase shifter to overcome the bonding interconnections between the phase shifter and the antenna.

Le milieu plasma correspond au 4ème état de la matière présentant une permittivité diélectrique complexe qui peut être exploitée pour les systèmes de communication. Sa permittivité négative a été étudiée dans de nombreux travaux de recherche démontrant que le plasma peut avoir des caractéristiques similaires à celles d'un métal en termes de conductivité électrique. En considérant une perméabilité positive, le plasma peut ainsi réagir de la même manière qu'un métal en présence d'une onde électromagnétique. Cette thèse a pour objectif de démontrer que le plasma est une alternative au métal pour la réalisation d'antennes reconfigurables. La première partie du travail concerne la caractérisation du milieu plasma en utilisant des sources plasma commerciales à savoir des lampes à Néon. Cette caractérisation est primordiale afin de pouvoir ensuite simuler ce type de source. La seconde partie des recherches a concerné la conception et la réalisation d'antennes plasma reconfigurables en rayonnement et ceci à la fréquence de 2.4 GHz. Le premier concept est un réflecteur circulaire et le second un réflecteur à angle droit tous les deux réalisés à partir de différentes lampes à Néon et illuminés par une antenne source monopole. Le réflecteur circulaire permet de dépointer le faisceau d'antennes sur 360° alors que le réflecteur à angle droit permet de reconfigurer le faisceau rayonnant et de passer d'un faisceau directif à deux faisceaux avec un creux dans l'axe. Ces dispositifs rayonnants innovants basés sur des lampes à Néon ont été validés expérimentalement et les résultats de mesure (S11 et rayonnement) sont en bonne adéquation avec les résultats de simulation. Ces deux types d'antennes réflecteurs possèdent également de bons résultats en termes de gain, ce qui valide l'utilisation et la caractérisation des lampes plasma de commerce utilisées. Dans la troisième partie du travail, ce même type de lampe à néon a été utilisé pour concevoir cette fois un élément rayonnant excité par couplage capacitif. La réalisation d'un prototype à permis de démontrer la faisabilité d'une telle source rayonnante. Enfin, la dernière partie des recherches concerne une étude de la Surface Equivalente Radar des antennes réflecteur conçues précédemment. L'étude a démontré que ces antennes réflecteurs plasma présentent des SER largement inférieures lorsqu'elles sont éteintes ainsi qu'à fréquence haute (8 GHz) comparativement à celles d'antennes métalliques équivalentes ce qui en fait des antennes furtives d'un point de vue radar. / Plasma is the 4th state of matter with complex permittivity that can be exploited to give advantages in communication system. Its negative permittivity has been studied in many research papers and it was proven to have similar characteristics as metal material in terms of electrical conductivity. While keeping permeability in the positive region, plasma will respond to electromagnetic waves in the similar manner as metal. Therefore, this thesis aimed to use plasma as an alternative to metal in the construction of reconfigurable antennas. The first part of this thesis is dedicated to characterize a plasma model based on the commercially available plasma source. Since there are many type of plasma source in terms of their electrical properties and physical shapes, it is important to characterize a particular plasma source so that it can be modeled in simulations to construct other types of plasma antennas. The second part presents the realization of plasma reflector antennas. Two types of plasma reflector antennas have been simulated, fabricated and measured at 2.4 GHz. The first one is are round reflector antenna (RRA) and the second one is corner reflector antenna (CRA). The performances of RRA have been validated and it was proven to provide beam shaping and beam scanning capability. The measured radiation patterns are in a good agreement with simulation ones. The capability of RRA is exceptional since it can steer its main beam from 0° up to 360°. Moreover, the scanning gain remains the same as the main beam is being moved from one direction to another. The CRA that has been introduced in this thesis is a novel design since it integrates two corner-reflector antennas on a single ground plane. The CRA offers three beam shapes which are electrically switchable from one shape to another. The CRA was simulated, fabricated and finally its performances were validated throughout a series of agile measurements. The measured reflected radiation patterns are in good agreements with the simulation ones. The measured gains of the RRA and CRA are 5 dB higher than the gain of classical monopole antenna with an identical size of finite ground plane. The fourth part deals with plasma as radio waves radiator. Two plasma antennas using commercially available U-shaped compact fluorescent lamp (CFL) have been fabricated and measured and it was proven that these antennas can be to radiate radio signal. The last part discusses about radar cross section performance of the plasma reflector antennas. The two plasma reflector antennas (RRA and CRA) were tested and measured for their RCS performance.

Il y a à l'heure actuelle un grand besoin d'antennes reconfigurables dans la bande des 60 GHz pour des applications de télédétection et de télécommunications sans fil très hauts débits. Les solutions traditionnelles de reconfiguration sont basées sur des semiconducteurs ou des composants RF-MEMS, qui connaissent un coût, une complexité et des pertes croissantes en bande millimétrique. Dans cette thèse, une approche originale a été développée : elle est basée sur la reconfiguration mécanique d'antennes et dispositifs millimétriques microrubans sur substrat élastomère ultrasouple PDMS grâce à des actionneurs MEMS grands déplacements. Premièrement, les choix de conception, la technique de simulation éléments finis (HFSS), et surtout la microfabrication d'antennes sur membrane PDMS ainsi que les techniques de mesure en impédance et rayonnement sont abordés.Deux axes ont ensuite été étudiés : les antennes accordables en fréquence, et les antennes et composants pour le balayage angulaire (déphaseurs et antennes à balayage mécanique de type scanner). Des procédés technologiques innovants ont été développés (reports de métallisations épaisses biocompatibles et d'aimants permanents en couches minces sur membrane PDMS) et différentes techniques d'actionnement (pneumatique, magnétique, par électromouillage) ont été mises en œuvre. Les performances en terme d'accord en fréquence (8,2 %) et de balayage angulaire (-90/+100°) dépassent l'état de l'art des antennes du même type en bande millimétrique, et ceci en utilisant une technologie peu complexe, ultra bas-coût et prometteuse pour la montée en fréquence.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS en intégration hétérogène 3D pour les systèmes de communication millimétriques. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'un projet ANR nommé SIPCOM (Intégration hétérogène 3D (System-In-Package) pour objets communicants en gamme millimétrique), qui concerne l'intégration hétérogène d'un microsystème intelligent communicant à 60GHz. Au cours de ce manuscrit, nous proposons la réalisation d'antennes sur membrane selon 3 technologies. Dans un premier temps, une nouvelle technologie simple et bas coût basée sur un empilement de FR4 et de Pyralux ainsi qu'un nouveau concept d'antenne patch sur membrane alimentée par un guide d'onde intégré via une fente de couplage sont présentés. Dans un second temps, ce nouveau concept d'antenne a été adapté afin de pouvoir l'intégrer au module SiP réalisé en technologie Silicium / BCB. Enfin, la troisième technologie basée sur des substrats de quartz permet de démontrer la faisabilité d'une antenne à balayage électronique pour laquelle chaque excitateur est intégré dans le design d'un déphaseur à base de MEMS permettant de s'affranchir des interconnexions par bonding entre le déphaseur et la partie antennaire.

L’apparition des objets connectés intelligents dont nous sommes les témoins depuis quelques années a généré un besoin croissant d’antennes à bas coût et énergétiquement sobres. La capacité d’effectuer à la volée une mise en forme du faisceau où sa reconfiguration est une propriété particulièrement intéressante, qui pourrait permettre à l’objet intelligent d’effectuer des tâches telles que la surveillance de zone par exemple ou bien d’optimiser son bilan de liaison en ne visant qu’une seule direction de l’espace. Cela pourrait également mener à un accroissement de l’autonomie de l’objet, via une diminution de sa consommation énergétique, voir à le rendre totalement indépendant s’il devient suffisamment économe pour envisager son alimentation via des systèmes de récupération d’énergie. C’est dans ce contexte que nous proposons ici une nouvelle architecture d’antenne reconfigurable, capable d’un balayage de faisceau sur 360° degrés et basée sur l’utilisation de métal liquide au sein d’un système d’actionnement microfluidique. Dans le premier chapitre, nous ferons une rapide présentation des deux principales technologies de balayage de faisceau utilisées aujourd’hui avant d’étudier les diverses techniques de déplacement de métal liquide utilisées et documentées dans la littérature. L’objectif de ce travail est de sélectionner la technique la plus adaptée à nos besoins. Dans le second chapitre, nous proposerons les deux designs d’antennes envisagés pour notre système, basés sur l’architecture Yagi-Uda. Nous discuterons des avantages et inconvénients de chacun afin d’en sélectionner un qui sera examiné plus en avant dans le chapitre suivant. Dans le troisième chapitre, nous étudierons, à l’aide de simulations électromagnétiques, les performances du design d’antenne sélectionné dans le but de justifier notre choix. Cette étude se concentrera sur l’implémentation graduelle de la complexité du design retenu, en partant d’un système très théorique pour aboutir à une émulation très proche de ce que pourrait être un prototype final. Finalement, dans le quatrième et dernier chapitre nous considérerons deux preuves de concept du système complet ainsi que leurs différentes techniques de fabrications. Étant donné le fait que chaque preuve de concept se concentre soit sur l’aspect RF ou fluidique du système, nous étudierons aussi leurs performances respectives. Nous détaillerons également le développement de certains procédés de fabrication spécifiques utilisés pour réaliser les briques de base, en particulier les objets micro-fluidiques. Ce chapitre nous permet de conclure positivement cette étude de la faisabilité du concept proposé et développé dans ce travail. / The advent of autonomous connected smart objects we are witnessing since a few years has generated a growing need for low cost and energetically sober reconfigurable antennas. The ability to perform on the fly beam shaping and re-configuration is a particularly interesting property which would allow the smart object to perform task such as area surveillance for example and to optimize its link budget by targeting a specific direction of space. This could also allow the increase of the object’s autonomy, through a diminution of its power consumption, or even to render it fully autonomous if it becomes sober enough to envision the use of energy harvesting systems. It is in this context that we propose here a new reconfigurable antenna architecture, capable of 360° beam steering, based on the use of liquid metal within a microfluidic actuation system.In the first chapter, we will do a quick presentation of today’s two main beam steering technics used for antennas before studying the various used and documented technics of liquid metal displacement used in the literature for RF applications. The objective is to single out the better suited one to our requirements.In the second chapter, we will propose the two antenna designs envisioned for our system, based on the Yagi-Uda architecture. We will discuss the advantages and drawbacks of each in order to select one design which will be more closely investigated on the following chapter.In the third chapter, we will study, with the help of electromagnetic simulations, the performances of this selected antenna design in order to justify our choice. This study will focus on the gradual complexity implementation of the chosen design, from a very theoretical system to one very close to what a final prototype would be. Finally, in the fourth and last chapter we will consider two proofs of concept of the complete system and their various fabrications technics. Given that each proof of concept focus either on the RF or the fluidic aspect of the system, we will investigate their performances. We will also detail the development of some of the specific fabrication processes used for the basic building blocks, especially for the fluidic objects. This chapter allow us to conclude positively this study on the feasibility of this concept which was proposed and developed in this work.

Le plasma est le quatrième état de la matière avec une permittivité complexe qui peut être exploitée pour donner des avantages aux systèmes de communications. Entre autres, une permittivité négative lui permet d'avoir des caractéristiques similaires aux matériaux métalliques en termes de conductivité électrique. Depuis de nombreuses années, les antennes plasma ont été étudiées en raison de leur capacité à être conductrices ou transparentes vis-à-vis des ondes électromagnétiques. Le principal avantage de l'utilisation d'antennes à base de plasma au lieu d'éléments métalliques est qu'elles permettent un contrôle électrique plutôt que mécanique. Par conséquent, cette thèse vise à utiliser le plasma comme une alternative au métal dans la construction des antennes reconfigurables. La première partie de cette thèse est consacrée à l'état de l'art sur l'utilisation du milieu plasma dans les systèmes de communications. Une lampe fluorescente spirale utilisée comme une cage de Faraday afin de protéger des antennes est présentée dans la deuxième partie. Deux types d'antennes (patch et monopôle) fonctionnant à 2,45 GHz sont placés à l'intérieur de cette lampe spirale. La troisième partie se focalise sur les réseaux d'antennes utilisant des tubes plasma pour reconfigurer l'ouverture du diagramme de rayonnement dans le plan H. Deux types de réseaux d'antennes sont étudiés : le premier est un réseau de patches imprimés et le second est un réseau d'antennes à fentes permettant de supporter des hautes puissances. La quatrième partie traite l'utilisation du plasma comme élément rayonnant. Deux antennes plasma (monopole et dipôle) utilisant une lampe fluorescente disponible dans le commerce ont été étudiées. Tous les systèmes antennaires présents dans cette thèse ont été simulés, fabriqués et mesurés. / Plasma is the 4th state of matter with complex permittivity that can be exploited to give advantages in communication systems. Its negative permittivity allows to have similar characteristics as metal material in terms of electrical conductivity. Since many years, plasma antennas have been studied due to their ability to be conductor or transparent for electromagnetic waves. The main advantage of using plasma antennas instead of metallic ones is that they allow electrical control rather than mechanical one. Therefore, this thesis aimed to use plasma as an alternative to metal in the design of reconfigurable antennas. The first part of this thesis is dedicated to the state of the art on plasma in communication systems in order to protect antennas. The second part presents the use of plasma spiral lamp as Faraday Shield effect. Two types of antennas (patch and monopole) operating at 2.45 GHz are placed inside this plasma spiral lamp. The third part discusses about reconfigurable antennas using plasma tubes and in order to reconfigure the half-power-beam-width of the radiation pattern in H plane. Two types of antenna array have been studied: The first one is a printed patches antenna array and the second one is a slotted antenna array allowing high power utilization. The fourth part deals with plasma as radiating element. Two plasma antennas using commercially available fluorescent lamp have been studied. All the antenna systems presented in this thesis have been simulated, manufactured and measured.

Il y a à l'heure actuelle un grand besoin d'antennes reconfigurables dans la bande des 60 GHz pour des applications de télédétection et de télécommunications sans fil très hauts débits. Les solutions traditionnelles de reconfiguration sont basées sur des semiconducteurs ou des composants RF-MEMS, qui connaissent un coût, une complexité et des pertes croissantes en bande millimétrique. Dans cette thèse, une approche originale a été développée : elle est basée sur la reconfiguration mécanique d'antennes et dispositifs millimétriques microrubans sur substrat élastomère ultrasouple PDMS grâce à des actionneurs MEMS grands déplacements. Premièrement, les choix de conception, la technique de simulation éléments finis (HFSS), et surtout la microfabrication d'antennes sur membrane PDMS ainsi que les techniques de mesure en impédance et rayonnement sont abordés.Deux axes ont ensuite été étudiés : les antennes accordables en fréquence, et les antennes et composants pour le balayage angulaire (déphaseurs et antennes à balayage mécanique de type scanner). Des procédés technologiques innovants ont été développés (reports de métallisations épaisses biocompatibles et d'aimants permanents en couches minces sur membrane PDMS) et différentes techniques d'actionnement (pneumatique, magnétique, par électromouillage) ont été mises en œuvre. Les performances en terme d'accord en fréquence (8,2 %) et de balayage angulaire (-90/+100°) dépassent l'état de l'art des antennes du même type en bande millimétrique, et ceci en utilisant une technologie peu complexe, ultra bas-coût et prometteuse pour la montée en fréquence. / There is currently an increasing need for reconfigurable antennas in the 60 GHz band for remote sensing applications and wireless communications. Traditional reconfiguration solutions are based on semiconductors or RF-MEMS but these components face cost, complexity and losses issues at millimeter-waves.In this thesis, an original approach was developed: it is based on the mechanical reconfiguration of millimeter-wave microstrip antennas and devices printed on ultrasoft PDMS substrates, thank to large displacements MEMS actuators. First, the design choices, the finite element simulation technique (HFSS), and the microfabrication of antennas supported by PDMS membranes as well as the impedance and radiation measurements techniques have been discussed. Two axis have then been studied: frequency-tunable antennas, and beam-steering components (phase shifters and "scanner" type antennas). Innovative technological processes were developed (transfer of biocompatible metal patterns and permanent magnet thin films on PDMS membranes) and several actuation techniques (pneumatic, magnetic, electrowetting) were implemented. Performances in terms of frequency tuning (8.2%) and scan angles (-90 / 100 °) are beyond the state of the art for similar antennas in the millimeter-wave band, and are achieved by using a very simple, ultra low-cost technique that is expected to be effective at even higher frequencies.

Les études montrent généralement que la partie radio est l'une des plus grandes sources de consommation d'énergie dans un nœud de capteur. Cette source de consommation est directement liée au type d’antenne utilisé sur le module radio du nœud. Or, nombre de nœuds de capteurs sans fil sont généralement équipés d'antennes omnidirectionnelles provoquant ainsi un gaspillage de l'énergie dû à leur rayonnement. Face à un tel constat, ce mémoire présente des systèmes d'antennes directives et reconfigurables dédiés à ces nœuds capteurs en lieu et place des antennes omnidirectionnelles pour pallier à cette perte d’énergie. Il s’agit de petites antennes qui doivent respecter pleinement la gamme de fréquences nécessaire pour fonctionner correctement, mais aussi, dont le rayonnement peut être modifié en utilisant des composants actifs peu gourmands en énergie avec un contrôle actif qui doit également être simple. La première solution proposée est une solution antennaire directive inspirée d'une antenne imprimée Yagi/Uda dans la bande ISM-2,4 GHz. Elle offre, en simulation, un gain élevé avec une valeur de 7,3dB et un angle d’ouverture à -3dB de 57 ° dans le plan azimutal. La deuxième solution proposée est une antenne à plusieurs faisceaux (six) possibles dans le plan azimutal. Celle-ci se compose de six monopôles identiques, ayant chacun un port d’alimentation. De par la sélection du port alimenté, un diagramme directif de gain simulé de 4,6 dB et d’angle d’ouverture à -3dB de 55° est obtenu, permettant ainsi une couverture globale du plan azimutal. De plus, une carte électronique dotée d’un switch de type SP6T dédiée à cette antenne a été conçue pour contrôler ces six diagrammes de rayonnement de manière automatique. Afin de réduire le nombre d'éléments rayonnants tout en améliorant les performances radio électriques obtenues, une troisième solution a été proposée. Elle se compose d'un monopôle alimenté et d'un monopôle parasite chargé par une inductance de 9,6 nH. La nature et la valeur de la charge ont été obtenues en utilisant les équations d'Uzkov qui permettent de calculer les coefficients de pondérations dans le cas de deux antennes monopôles alimentées séparément afin de maximiser le gain et la directivité dans une direction privilégiée. Contrairement à l’usage de la carte électronique pour le contrôle de diagramme de rayonnement dans le cas de la structure antennaire à six monopôles, l’aspect reconfigurable en diagramme est obtenu dans ce cas en utilisant des éléments réflecteurs et directeurs activés par des diodes PIN. Elle procure en simulation un gain maximal de 5,2 dB en azimut pour un angle d’ouverture à -3dB de 52°, dans les directions 90° et 270° selon les diodes sélectionnées. Enfin, une application directe de cette structure est proposée pour couvrir plus de deux directions en azimut. Elle consiste en un ensemble de quatre monopôles dans lequel deux d’entre eux sont alimentés et les deux autres sont chargés par des inductances identiques. Il est capable de diriger son rayonnement dans le plan azimutal couvrant des directions sur 360 ° (0 °, 90 °, 180 ° et 270 °). Le gain total réalisé simulé est de 4 dB pour chaque diagramme de rayonnement dans le plan azimutal avec un angle d’ouverture à 3dB d’environ 60°. Des campagnes de mesures ont été effectuées pour chacune des antennes présentées dans ce mémoire. L’indicateur de la puissance du signal reçu (RSSI) a été la grandeur métrique utilisée pour quantifier les performances des antennes proposées. Suite à ces campagnes, nous avons pu remarquer que l’utilisation d’antennes directives seules, améliorant la portée de communication entre deux nœuds de capteurs s’avère insuffisante dans le cas d’un déploiement aléatoire de nœuds capteurs. / Studies have shown that the communication subsystem is one of the greatest sources of energy consumption in wireless sensor networks. This subsystem is directly bounded to the type of antenna used on the radio module. Several sensor nodes are equipped with omnidirectional antennas leading to a waste of energy due to the shape of their beam. Instead of using omnidirectional antennas, directive and reconfigurable antennas system dedicated to wireless sensor networks are presented in this work so as to alleviate the waste of energy. On one hand, such dedicated antennae should be small in size and particularly designed by taking into consideration the frequency bandwidth of the node. On the other hand, their radiation pattern should also be reconfigurable by using powerless active components with a simple active control. To reach these objectives, we have in a first time proposed a directive solution inspired of a Printed-Yagi antenna in the ISM band (2.4-2.485) GHz. It provides high gain with a value of 7.3dB and a half power beam width BW−3dB of 57° in the azimuth plane. Secondly, we have proposed a multiple directional antenna in the ISM band. This antenna consists of six identical monopole antennas arranged in the same structure, having each one feeding port. Due to the selection of each feeding port, the proposed antenna covers the whole azimuthal plane with a simulated beam of 4.6 dB along with a half power beam width BW−3dB of 55°. Moreover, an electronic card equipped with an SP6T switch dedicated to that antenna has been developed to control the radiation pattern of the six identical antennas automatically. Willing to reduce the number of radiating elements while enhancing the radio performance, a third antenna has been proposed. It consists of a fed monopole and a loaded parasitic one having an inductance component of 9.6nH. The nature and the value of this inductance are obtained using the Uzkov equations that calculate the current weighting coefficients in the case of two separately fed antennas to maximize the gain and the directivity in the desired direction. Contrary to the use of electronic card in the control of radiation pattern prior to the conception of the third antenna, the reconfigurable aspect is obtained by using reflectors and director’s elements activated by PIN diodes. It offers a maximum gain of 5.2 dB in simulation at 2.4GHz along with a half power beam width BW−3dB of 52°, in both the 270° and +90° azimuthal directions depending on the selection of the set of PIN diodes. Finally, a straight application of this structure has been proposed in order to cover more than two directions in the azimuth plane. It is an array of four monopole antennas in which two of them are fed and the two others are loaded. Such antenna is capable to steer its radiation pattern in the azimuth plane covering 360° directions (0°, 90°, 180° and 270°). The achieved simulated realized total gain is 4 dB for each radiation pattern in the azimuth plane along with a half power beam width of about 60°. Measurement campaign test has been carried out for each proposed antenna in this work. During these measurements, the received signal strength indicator (RSSI) has been the paramount value to estimate the antenna performance in connection with the sensor node. Following this measurement campaign, we have been able to notice that the use of only directive antennas is not sufficient in a random deployment of sensor nodes. Hence, the reconfigurable aspect of the beam pattern by use of powerless active components should be taken into consideration. Such kind of antennas provide an improvement of the RSSI, which is a key factor in the reduction of collisions drastically on one hand, and on the other hand related to a reduction of power consumption

La radiogoniométrie joue un rôle crucial dans diverses applications, aussi bien civiles que militaires, liées soit à la radionavigation ou à la radiolocalisation. La plupart des antennes de goniométrie opèrent sur une large bande de fréquences, mais seule une minorité d’entre elles permettent l'estimation de la direction d’arrivée d’un champ électromagnétique incident sur une couverture angulaire 3-D (c.-à-d., l’estimation à la fois des angles d’azimut et d’élévation). Une approche originale permettant d’obtenir une couverture angulaire 3-D consiste à mesurer les six composantes d’un champ électromagnétique incident à l’aide d’une antenne dite vectorielle. L'objectif de cette thèse est de concevoir une antenne vectorielle passive, compacte et large bande afin de couvrir un maximum d'applications. Deux antennes vectorielles ont été conçues, fabriquées et caractérisées expérimentalement. \`A la différence d'une topologie conventionnelle, elles permettent de mesurer les composantes d'un champ électromagnétique incident grâce à la reconfigurabilité en diagramme de rayonnement d'un arrangement original d'antennes Vivaldi. Le premier prototype est monté sur un support métallique fini et permet l'estimation de la direction d'arrivée de champs électromagnétiques polarisés verticalement sur une bande passante de 1.69:1 tandis que le second peut être utilisé quelle que soit la polarisation des champs électromagnétiques incidents sur une bande passante de 8:1. De plus, les performances de goniométrie de ces antennes vectorielles ont été améliorées du point de vue de la précision, de la sensibilité, de la robustesse face aux ambiguïtés angulaires et aux erreurs de dépolarisation en synthétisant de nouveaux diagrammes de rayonnement dans le processus d'estimation. Une méthode basée sur la borne de Cramer-Rao a été élaborée afin de sélectionner efficacement et rapidement les diagrammes de rayonnement supplémentaires. / Direction finding plays a crucial role in various civilian and military applications, related to either radionavigation or radiolocation. Most of the direction finding antennas operate over a wide frequency band, but only a minority of them enable the direction of arrival estimation of an incoming electromagnetic field over a 3-D angular coverage (i.e., estimation of both azimuth and elevation angles). An original approach to obtain a 3-D angular coverage consists in measuring the six components of the incident electromagnetic field through a so-called vector antenna. The aim of this Ph.D. is to design a passive, compact and wideband vector antenna in order to cover a maximum of applications. Two vector antennas have been designed, manufactured and experimentally characterized. Unlike conventional topology, they enable the measurement of the components of an incoming electromagnetic field thanks to the radiation pattern reconfigurability of an original arrangement of Vivaldi antennas. The first prototype is mounted over a finite metallic support and enables the direction of arrival estimation of vertically-polarized electromagnetic fields over a 1.69:1 bandwidth while the second one can be used regardless of the polarization of the incoming electromagnetic fields over a 8:1 bandwidth. Moreover, the direction finding performances of these vector antennas have been improved in terms of estimation accuracy, sensitivity, robustness to angular ambiguity and polarization mismatch by synthesizing new radiation patterns in the estimation process. A method based on the Cramer-Rao lower bound has been proposed to select efficiently and rapidly the additional radiation patterns