Au cours de ces dernières années, les technologies de télécommunication ont fait d'énormes progrès, notamment dans les communications mobiles et les réseaux de capteurs sans fil (WSN). Pour répondre à l’augmentation de la capacité de transmission et à l’amélioration de la qualité des canaux de communications mobiles, l’élargissement de la bande de fonctionnement est nécessaire par l'utilisation d'antennes reconfigurables en fréquence. En outre, dans les applications WSN, afin de réduire les collisions, d’augmenter la distance de communication et d'optimiser la consommation, l’utilisation d’antennes reconfigurables en directivité est une bonne solution. Dans ce cadre, nos travaux de recherche ont portés sur la conception de différentes structures antennaires reconfigurables. Dans un premier temps nous avons réalisés une antenne reconfigurable à base de nouveaux éléments actifs, les digitally tunable capacitors (DTC). Ces composants sont de très bons candidats en vue d’une intégration d'antennes pour des applications communications mobiles et WSN. Ensuite nous nous sommes attachés à concevoir des structures multibande, MIMO et reconfigurables en fréquence, permettant d’augmenter la bande de fréquence de fonctionnement du système de communication, d'optimiser l'efficacité et la qualité spectrale et d'améliorer la qualité de canal. Enfin, une autre voie a été explorée, l’utilisation d’antennes reconfigurables en directivité pour des applications de WSN. Les résultats de simulation et de mesure sont également présentés dans ce chapitre. Grâce à l'utilisation de ce type de structures, la performance des WSN a été optimisée. / In recent years, telecommunication technologies have enormous progress, especially cellular communications and wireless sensor networks. To meet the demand of increasing transmission capacity, improving quality of cellular communication channels, expanding the operating band of the equipment is necessary. As passive antenna has reached the limit on increasing the operating band with the small size, the use of frequency reconfigurable antenna is a feasible solution. Besides, in the applications of WSN, to reduce collisions, increase communication distance and optimize consumption, directional reconfigurable antenna is a good proposal. In this thesis we present several reconfigurable antenna structures. Firstly, a new component is introduced; digitally tunable capacitor (DTC). Thanks to its advantages, such parts are good candidate to be integrated in the antenna for cellular communication and wireless sensor network applications. After, several antennas are introduced include multiband antenna, MIMO and frequency reconfigurable antenna, which can be used to extend the operating frequency band of the communication system, optimize spectral efficiency and quality improve channel quality. The structures of these antennas are introduced together with the results of simulation and measurement for the purpose of solving the challenges given in the future cellular communications systems. And then, the proposed approach to the design of reconfigurable directional antennas is presented. Several reconfigurable directional antennas, which are used in applications of WSN, are introduced. Thanks to the use of directional antennas reconfigurable, performance of WSN system will be optimized.

Nous étudions la mise en oeuvre d ‘antenne à balayage électronique dédiés aux applications de communications par satellite géostationnaire. Les structures développées sont adaptées pour être embarquées dans un avion ou un train. L'architecture de l'antenne développée est constituée d’un double réseau linéaire dans deux dimmensions transverses. Le balayage dans chaque réseau linéaire est assuré par des lignes coplanaires à métamateriaux contrôlées par varactor. Nous porposons de nouvelles méthodes de caracterisation des discontinuités en ligne coplanaire pour la conception de la ligne. De plus, un système de prélèvement d'énergie a dû être conçu afin d'alimenter des éléments rayonnants et testé avec différentes antennes patch. Enfin, nous envisageons la co-intégration des structures rayonnantes et des lignes CRLH ainsi que le contrôle électronique par les diodes. / We are studying the implementation of 'Scanning Antenna dedicated to the applications of satellite communications geostationary. The structures developed are suitable for to be on board an airplane or a train. The architecture of the antenna developed consists of a double linear network in two transverse dimmensions. The scan in each network is provided by the lines coplanar to metamaterials controlled by varactor. We porposons of new methods characterization of discontinuities coplanar online for the line design. In addition, a energy harvesting system has be designed to feed radiating elements and tested with patch different antennas. Finally, we are considering co-integration radiating structures and CRLH lines as well as control electronic by the diodes.

Les avions comportent plusieurs systèmes de navigation et de communication nécessitent des antennes VHF large bande. Réduire la taille de ses antennes est un enjeu majeur tout en gardant des bonnes performances. Cette thèse propose des nouvelles configurations d'antennes à profil bas utilisant des nouveaux matériaux nanocomposites non conducteurs constitués de nanoparticules magnétiques développés au Lab-STICC. Un monopole planaire large bande a été développé et optimisé avec un taux de miniaturisation de 60% grâce à l'utilisation d'un matériau magnéto-diélectrique de forte perméabilité et faible pertes couvrant seulement 5% de sa surface. Les résultats expérimentaux, en presque parfait accord avec les simulations, montrent que le diagramme de rayonnement est omnidirectionnel et que la polarisation est verticale, avec un bon niveau du gain. L'antenne monopole planaire insérée dans un MMD des dimensions limitées avec des pertes a été modélisée par un nouveau circuit équivalent multi résonant. Ce circuit est développé à partir de l'impédance d'entrée de l'antenne et des caractéristiques du MMD, et validé par les simulations avec un parfait accord entre les résultats. / Airplanes with multiple navigation and communication systems require broadband VHF antennas. Reduce the size of these antennas is a major challenge while keeping good performances. This thesis proposes new configurations of low profile antennas using new nanocomposite non-conductive materials consisting of magnetic nanoparticles developed at Lab-STICC. A broadband planar monopole has been developed and optimized with a 60% miniaturization rate thanks to the use of a high permeability and low loss magneto-dielectric material covering only 5% of its surface. The experimental results, in almost perfect agreement with the simulations, show that the radiation pattern is omnidirectional and that the polarization is vertical, with a good level of gain. The planar monopole antenna inserted in a MMD of limited dimensions with losses was modeled by a new multi-resonant equivalent circuit. This circuit is developed from the input impedance of the antenna and the characteristics of the MMD. and validated by the simulations with a perfect agreement between the results.

L'évolution rapide dans les systèmes de communication sans fil nécessite plus de miniaturisation de divers composants électroniques en plus de l'élément majeur de la technologie sans fil : l'antenne. Dans ce cas, une antenne occupant un espace limité devrait être miniaturisée pour fonctionner aux bandes de communication souhaitées. Cependant, à mesure que la taille électrique de l'antenne diminue, ses performances se dégradent considérablement et sa bande passante, son efficacité et sa directivité sont limitées. Les techniques classiques de réduction de la taille avec chargement de matériau et mise en forme géométrique de l'antenne souffrent d'une bande passante étroite et d'une faible efficacité de rayonnement. D'autre part, les tentatives d'augmenter la directivité des petites antennes en utilisant des réseaux superdirectifs sont également associées à une faible efficacité de rayonnement bande passante très étroite. Pour pallier ces inconvénients, nous proposons de booster les performances des antennes compactes en utilisant des charges réactives embarquées. En plaçant correctement les charges (actives ou passives) à l'intérieur de l'antenne, il est possible de contrôler les courants pour améliorer de manière significative les performances de l'antenne en termes de bande passante et de directivité. Cependant, pour un succès des critères de chargement, il est obligatoire d'analyser les modes naturellement supportés par l'antenne étudiée. On les appelle les modes caractéristiques, qui fournissent des aperçus physiques profonds sur le comportement de l'antenne et ses modes de rayonnement. En combinant cette théorie avec l'algorithme d'optimisation, il devient possible de manipuler de manière optimale les courants à l'intérieur de l'antenne en utilisant des charges réactives pour obtenir des conceptions large bande, superdirectives et efficaces. / The rapid evolution in the wireless communication systems requires more miniaturization of various electronic components in addition to the major element of the wireless technology: the antenna. In this case, an antenna occupying a limited space should be miniaturized in order to operate at the desired communication bands. However, as the electrical size of the antenna decreases, its performance degrades dramatically and it becomes limited in bandwidth, efficiency, and directivity. Classical size reduction techniques with material loading and geometry shaping of the antenna suffer from narrow bandwidth and low radiation efficiency. On the other hand, attempts to increase the directivity of small antennas using superdirective arrays are also associated with low radiation efficiency and very narrow bandwidth. To overcome these drawbacks, we propose boosting the performance of compact antennas using embedded reactive loads. By properly placing loads (active or passive) inside the antenna, it is possible to control the currents to significantly enhance the antenna performance in terms of bandwidth and directivity. Yet, for a successful loading criteria, it is mandatory to analyze the modes that are naturally supported by the antenna under study. These are called the characteristic modes, which provide deep physical insights about the behaviour of the antenna and its radiating modes. By combining this theory with and optimization algorithm, it becomes possible to optimally manipulate the currents inside the antenna using reactive loads to achieve wideband, superdirective and efficient designs.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2006. / Notes bibliogr. Glossaire. Résumé en français et en anglais.

Th. doct.-ing.--Ecole nationale supérieure des télécommunications, 1988. / Notes bibliogr.

Th. doct.--Signal et images--Paris--ENST, 1993. / Bibliogr. p. 169-176.

La télémétrie biomédicale et l’interfaçage neuronal à base de dispositifs miniatures et autonomes sans fil constituent de nouvelles applications en émergence. Elles visent à répondre à de nombreux enjeux y compris dans les domaines de la santé, du sport et bien être, ou encore de la sécurité au travail et de la défense. Parmi les applications typiques de biotélémétrie, nous pouvons citer le monitoring de certains paramètres physiologiques : température corporelle, pression artérielle, rythme cardiaque, taux de glucose et d’anticorps, détection d’agents chimiques, etc. En ce qui concerne l’interfaçage neuronal, il permet de restaurer les informations sensorielles, d’aider à la réadaptation des amputés, des personnes atteintes de paralysie ou des patients atteints de maladies neurodégénératives. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer au développement de dispositifs miniaturisés et communicants pour le monitoring, en continu, de variables physiologiques d’humains ainsi que d’animaux. Ces dispositifs innovants nécessitent un système de communication fiable. Plus particulièrement, il s’agit d’analyser le milieu de propagation à l’intérieur des tissus biologiques et de développer des antennes miniatures innovantes ainsi que des méthodes pour leur analyse et leur caractérisation. Le verrou majeur concerne le rendement des antennes miniatures. Les effets de forte hétérogénéité, dispersion, pertes très élevées des milieux biologiques et les contraintes de miniaturisation et d’intégration dans des dispositifs in-body limitent la portée des systèmes existants à quelques dizaines de centimètres. Tout d’abord, des outils spécifiques de modélisation et d’optimisation ont été développés en collaboration avec l’Université de Bohème de l’Ouest. Ces outils sont indispensables pour l’analyse des composants de systèmes antennaires complexes : le code Agros2D (CAO interne) utilise des méthodes entièrement adaptatives. Cette approche permet de réduire la complexité d’optimisation des antennes in-body jusqu’un seul dégrée de liberté. Puis, la limite fondamentale de rendement des antennes pour les applications in-body a été définie ; les liens entre cette limite et la taille de l’antenne, sa fréquence de fonctionnement, la polarisation et les matériaux utilisés (dont hypothétiques) ont été quantifiés pour la première fois. Ce travail fondamental a d’abord pour objectif l’optimisation des performances de l’antenne actuelle de la capsule e-Celsius de l’entreprise BodyCAP pour accroître la portée de la gélule, en prenant en compte les caractéristiques des matériaux et le milieu de propagation que constituent les tissus biologiques. Dans cette étape on inclut également la fabrication des prototypes de gélules télémétriques ainsi que leurs mesures d’impédance. L’antenne optimisée a une portée trois fois plus importante que celle actuelle tout en occupant le même volume. En utilisant ces principes de conception, nous avons développé et caractérisé une antenne à 434 MHz adaptée à une large gamme d'applications in-body. Des dimensions ultra-miniatures, une robustesse et un rendement accrus permettent de l'utiliser à la fois pour des applications des capsules à implanter et à avaler. Enfin, en développant davantage les méthodes de conception et d’optimisation, nous avons conçu une antenne double-bande. Ayant la même robustesse que son équivalent actuel mono-bande, elle présente également un rendement encore plus élevé, permettant ainsi de fonctionner au-delà de 10 m. La caractéristique double-bande permet de concevoir les dispositifs in-body rechargeables sans fil dans le corps. Les antennes proposées contribuent au développement ultérieur d'une nouvelle génération de dispositifs miniatures in-body qui impliquent une intégration complexe et dense des capteurs, de la logique et de la source d'alimentation. / Emerging wireless biotelemetry using miniature implantable, ingestible or injectable (in-body) devices allows continuously monitor and yield human or animal physiological parameters while maintaining mobility and quality of life. Recent advances in microelectromechanical systems and microfluidics—along with ongoing miniaturization of electronics—have empowered numerous innovations in biotelemetry devices, creating new applications in medicine, clinical research, wellness, and defense. Among the typical applications, I can mention, for example, the monitoring of physiological variables: body temperature, blood pressure, heart rate, detection of antibodies, chemical, or biological agents. Biotelemetry devices require a reliable communication system: robust, efficient, and versatile. Improving the transmission range of miniature in-body devices remains a major challenge: for the time being, they are able to operate only up to a few meters. Among the main issues to face are low radiation efficiencies (< 0.1%), antenna impedance detuning, and strong coupling to lossy and dispersive biological tissues. Thus, the main goal of the thesis is to conduct a multi-disciplinary study on development, optimization and characterization of antennas for in-body biotelemetry devices. After state-of-the-art and the context, I start with the development on both physical and numerical approaches to account for the effect of human tissues on the antenna. I propose the methodology to achieve given electromagnetic properties at a given frequency based on the full factorial experiment and surface response optimization. In addition, I describe the spherical physical phantom for the far-field characterization along with a combination of feed decoupling techniques. I proceed by reviewing the trough-body propagation mechanisms and deriving the optimal frequency for the in-body devices. I formulate the problem using four phantoms (homogeneous and heterogeneous) and perform full-wave analysis using an in-house hp-FEM code Agros 2D. Next, I study the existing antenna used by the BodyCap Company for its e-Celsius capsule and the ways on how to improve its operating range and robustness under strict integration and material constraints. The mechanisms of antenna–body coupling are analyzed and the found solution improves the antenna IEEE gain by 11 dBi (the operating range is at least tripled). The existing matching circuit and balun are optimized too for the given application reducing its size from eleven to seven discrete elements. In the following chapters, I continue studying the decoupling of antennas from a body using specific microstrip designs and dielectric loading via capsule shell. By applying the developed approaches, a high robustness and radiation efficiency can be achieved. At first, I develop a proof-of-concept antenna that demonstrates that the perfect matching (detuning immunity) is achievable for the operation within all human tissues. Based on these results, I develop a miniature and versatile biotelemetry platform: a 17 mm x 7 mm alumina capsule containing a conformal 434 MHz antenna. The antenna is well matched to 50 Ohm within the majority of human tissues and operates with an arbitrary device circuitry. Like this, one can use it ''as is,'' applying it for a wide range of in-body applications. Then, I develop a low profile conformal dual-band antenna operating in 434 MHz and 2.45 GHz bands. Such antenna can integrate both data transmission and wireless powering functionality increasing the available space inside an in-body device and increasing its scope of applications. Finally, I present the perspective developments including in-body sensing methodology. The obtained results contributes to further development of a new generation of miniature in-body devices that involve complex and dense integration of sensors, logic, and power sources.

Le travail de cette thèse concerne la conception de nouvelles architectures d'antennes miniatures ou multifréquences en utilisant la technique inspirée des métamatériaux. Les antennes proposées sont munies de nouvelles formes d'éléments parasites qui permettent d'obtenir des structures compactes et donc facilement intégrables dans les terminaux mobiles. Par la suite, l'étude et la conception d'antennes directives et reconfigurables en diagramme de rayonnement par la technique inspirée des métamatériaux a été menée. En première partie, une étude paramétrique sur les paramètres pertinents de la structure a été effectuée afin de bien comprendre le fonctionnement de celle-ci. En deuxième partie, des antennes miniatures et directives sont proposées. Finalement, de nouvelles structures directives et reconfigurables en diagramme de rayonnement sont présentées. / The work of this thesis concerns the design of new architectures of miniature antennas by using the concept of metamaterials-inspired.The proposed antennas integrate new shapes of parasitic elements that allow to obtain compact structures and therefore easily integrated into mobile devices.

Le projet ARTIC, Application de la RFID pour la traçabilité des Instruments chirurgicaux, concerne la mise en place d'une solution d’automatisation de la traçabilité dans le secteur hospitalier, en particulier dans la stérilisation et dans la salle d'opération. Le développement d'une telle solution pose plusieurs problèmes. En effet le contrôle et e suivi des instruments doit être rapide et adapté à l'environnement de travail, en tenant compte des exigences inhérentes à ces instruments: stérilisation à l'autoclave (121-138 ° C, vapeur saturée, 1-2 bar) et utilisation par les chirurgiens. La spécification doit combiner l'ergonomie, la résistance à l'autoclave et la fiabilité, tout en étant rapide et générer un petit coût supplémentaire. De plus, une telle solution, doit permettre un contrôle multiple (identification de plusieurs instruments à la fois) dans toutes les directions spatiales possibles (sachant que les instruments sont posés d’une manière aléatoire dans les bacs de stérilisation). La thèse sur la traçabilité RFID à l'aide de petites antennes a pour but de proposer des solutions prototype basé sur le couplage entre les boucles du lecteur et celle du tag, l’optimisation des prototypes a pour but d’atteindre une distance de communication allant jusqu'à 10cm en utilisant une grande antenne du lecteur (ayant la taille des bacs de stérilisation : 50 cm de longueur) et un tag miniature (quelques millimètres). Plusieurs prototypes sont proposés et développés. (1) un prototype antenne du lecteur incluant des résonateurs, qui permet d'augmenter le couplage du système RFID HF. Cette structure a été simulée, réalisée et mesurée. Afin de mettre un lien entre la simulation et la mesure, nous avons développé des modèles d'équations empiriques qui nous permettent à la fois de retrouver l'inductance propre d'un système lecteur N-boucles et aussi l'inductance mutuelle équivalente du système. (2) Une autre solution est une structure multi-boucles torsadées. Elle est basée sur la réorientation des lignes de champ magnétique. Son intérêt est de permettre une détection des tags quel que soit leurs positionnements angulaires / The ARTIC project, concerns the implementation an automatically system used to Tracking Surgical Instruments with Radio Frequency Identification in hospitals, more precisely particular in sterilization and operating room. The development of such solution needs to solve several problems. The control of the instruments must be rapid and adapted to the sterilization: autoclave sterilization (121-138 ° C, 1-2 bar). The specification must combine ergonomics, autoclave resistance and reliability, while being fast and generating low additional cost. Moreover, such a solution must allow multiple control (identification of several instruments at a time) in all possible spatial directions. The thesis on RFID tracking using small antennas aims to propose prototype solutions based on the magnetic coupling between reader and the tag loops. The purpose of the prototype optimization is to reach a communication distance up to 10 cm using a large reader loop antenna (the size of the sterilization trays: 50 cm length) and a miniature tag (few millimeters). Several prototypes are proposed and developed. (1) a prototype of the reader loop antenna including resonators, which allows to increase the magnetic coupling of the RFID system. This structure is simulated, realized and measured. In order to make a link between simulation and measurement, we developed calculations of the equivalent electrical model that allow to find the equivalent inductance of the N-loop reader antenna and also the equivalent mutual inductance of the system entire system. (2) Another solution is a multiple twisted loop reader antenna. It is based on the reorientation of the magnetic field lines. Its interest is to allow a detection of the tags whatever their angular positioning