Avec l'ouverture de la bande 57-66 GHz en Europe, de nouvelles technologies de communication sans fil à haut débit sont en cours de développement. De nombreux avantages liés à cette bande de fréquence ont notamment conduit à envisager la transposition du principe de l'identification par radiofréquence (RFID) en bande millimétrique : la MMID. Les réglementations internationales font notamment apparaître une bande passante commune de 5 GHz qui permettrait la mise en place de solutions universelles. De plus la sécurisation des communications point-à-point et la directivité des réseaux d'antennes offrent des perspectives intéressantes.Les travaux présentés dans cette thèse visent à contribuer au développement de la MMID. Ils soulignent les principaux verrous de cette technologie et présentent les différentes solutions proposées qui couvrent de multiples aspects : conception d'antennes et de réseaux d'antennes, conception de prototypes de tags MMID passifs, caractérisation et méthodologie de mesure dont la conception intégrale d'un banc de mesure en bande V, amélioration des performances des tags, et étude de fonctionnalités de capteur intégrées aux tags. Les différents prototypes de tags MMID fabriqués ont permis de réaliser des communications passives de type rétro-modulation jusqu'à 20 cm. De plus, des fonctions de capteur d'humidité et capteur de pression intégrées aux tags MMID ont été montrées expérimentalement. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour les domaines des télécommunications et des réseaux de capteurs en bande millimétrique. / With the opening of the 57-66 GHz band in Europe, new high data-rate wireless communication technologies are currently under development. Numerous advantages linked to the frequency band conducted to consider the transposition of the radiofrequency identificaion (RFID) principle to the millimeter frequency band: the MMID. The international regulations provide a common bandwidth of 5 GHz allowing universal solutions. Moreover, the communication security of point-to-point networks and the directivities of the antennas present interesting perspectives.The presented work in this thesis looks for contributing to the development of MMID. The work underlines the principal locks of this technology and it presents the different proposed solutions covering multiple aspects: conception of antennas and antennas arrays, conception of MMID tags prototypes, characterization and measurement methodology including the complete conception of a measurement bench in V-band, improvement of the tags performances and study of sensing functionalities integrated in the tags. Different prototypes of MMID tags are fabricated and passive communications based on the backscattering of the tags were demonstrated up to 20 cm. In addition, humidity and pressure sensing functionalities were proved by experimentations. The overall of these results pave the way for new perspectives for the wireless communication domain and sensors networks in the millimeter-wave band.

La focalisation du champ électromagnétique dans les zones de champ proche et lointain est un sujet de forte actualité pour l'imagerie médicale et la radiométrie des microondes jusqu'aux ondes millimétriques. Dans ce cadre, la théorie des ondes de fuite est un formalisme élégant qui permet de décrire d'une même façon les problèmes radiatifs en champ proche et en champ lointain des microondes aux fréquences optiques. Dans cette thèse, on utilise la polyvalence de la théorie des ondes de fuite pour développer des systèmes rayonnants complexes afin de contrôler les caractéristiques radiatives en champ lointain aux fréquences submillimétriques et pour focaliser la radiation électromagnétique en champ proche aux fréquences millimétriques. Ainsi, l'utilisation de matériaux uniques comme le graphène et les cristaux liquides ont été considérés pour la conception des antennes à ondes de fuite, en obtenant des résultats très intéressants en termes de reconfigurabilité, d'efficience et de directivité. Dans ce contexte, une analyse théorique originale a fourni de nouvelles formules pour l'évaluation des caractéristiques radiatives (c.à.d. la largeur de faisceau, le niveau des lobes secondaires, etc.) des antennes à ondes de fuite. En effet, la largeur du faisceau de ces antennes est, jusqu'à présent, estimée au moyen des formules proposées pour la première fois dans les années '60 par Prof. Arthur A. OLINER. Ces formules ne tiennent en compte ni de la longueur de l'antenne (sauf pour des cas très particuliers), ni du rayonnement longitudinal, elles ne permettent donc pas une évaluation rigoureuse.En complément à la reconfigurabilité en champ lointain, les ondes de fuite offrent aussi la possibilité de focaliser la radiation en champ proche. Dans ce cas, on voit que les ondes de fuite peuvent être utilisées d'une façon efficace pour générer des faisceaux non diffractifs de Bessel à travers des systèmes rayonnants à bande étroite aux ondes millimétriques. De plus, le caractère non diffractif des faisceaux de Bessel peut aussi être utilisé pour générer des impulsions très localisées (comme les solitons en optiques) à travers la superposition continue des faisceaux de Bessel sur une large bande de fréquence. Dans ce cadre, une nouvelle formulation a été développée afin de comprendre les limitations physiques et technologiques concernant la génération des impulsions non diffractives et non dispersives, c.à.d. les X-waves. Les résultats ont montré qu'un type de systèmes rayonnants à large bande, notamment les antennes RLSA (en anglais « Radial Line Slot Array »), semblent très favorables pour la génération des X-waves. / In recent years, microwave, millimeter-wave, and THz applications such as medical and security imaging, wireless power transfer, and near-field focusing, just to mention but a few, have gained much attention in the area of ICT due to their potentially high social impact. On one hand, the need of highly-directive THz sensors with tunable radiating features in the far-field region has recently boosted the research activity in the design of flexible, low-cost and low-profile devices. On the other hand, it is of paramount importance to focus energy in the near-field region, and thus the generation of limited-diffraction waves in the microwave and millimeter-wave regime is a topic of recent increasing interest. In this context, leaky-wave theory is an elegant and extremely useful formalism which allows for describing in a common fashion guiding and radiating phenomena in both the near field and the far field, spanning frequencies from microwaves to optics passing through THz. In this PhD thesis we aim to exploit the intrinsic versatility of the leakywave approach to design advanced radiating systems for controlling the far-field radiating features at THz frequencies and for focusing electromagnetic radiation in the near field at millimeter waves. Specifically, the use of relatively new materials such as graphene and liquid crystals has been considered for the design of leaky-wave based radiators, achieving very promising results in terms of reconfigurability, efficiency, and radiating capabilities. In this context, an original theoretical analysis has provided new general formulas for the evaluation of the radiating features (e.g., half-power beamwidth, sidelobe level, etc.) of leaky-wave antennas. Indeed, the current formulations are based on several simplifying hypotheses which do not allow for an accurate evaluation of the beamwidth in different situations. In addition to the intriguing reconfigurable capabilities offered by leaky waves in far-field applications, interesting focusing capabilities can be obtained in the near field. In particular, it is shown that leaky waves can profitably be used to generate limited-diffraction Bessel beams by means of narrow-band radiators in the microwave range. Also, the use of higherorder leaky-wave modes allows for achieving almost the same performance in the millimeter-wave range, where previous designs were subjected to severe fabrication issues. Even more interestingly, the limited-diffractive character of Bessel beams can also be used to generate limited-diffraction pulses as superpositions of monochromatic Bessel beams over a considerable fractional bandwidth. In this context, a novel theoretical framework has been developed to understand the practical limitations to efficiently generate limited-diffraction, limited-dispersion pulses, such as X-waves, in the microwave/millimeter-wave range. As a result of this investigation, a class of wideband radiators has been thoroughly analyzed, showing promising capabilities for the generation of both zeroth-order and higher-order Xwaves. The latter may pave the way for the first localized transmission of orbital angular momentum in the microwave range.

De nombreuses applications civiles et militaires (faisceaux hertziens, futurs réseaux mobiles, communications par satellite, radars automobiles, systèmes d’imagerie haute résolution) nécessitent des antennes à faisceau reconfigurable (dépointage de faisceau, faisceaux multiples, faisceaux formés). Les antennes à réseaux transmetteurs apparaissent comme une alternative aux réseaux phasés classiques ou aux réseaux réflecteurs pour ces applications. L’objectif principal de cette thèse est de démontrer la faisabilité de réseaux reconfigurables fabriqués avec des technologies standards en bande Ka (20-30 GHz). Divers cellules élémentaires utilisant des diodes p-i-n et fonctionnant en polarisation linéaire ou circulaire ont été conçues, optimisées et caractérisées. Les mesures en guide d’onde montrent des pertes minimales de 1,09 dB à 29,0 GHz et une bande passante à 3 dB de 14,7%. Une méthode de simulation hybride a été développée afin d’analyser efficacement des réseaux de grandes dimensions utilisant des rotations séquentielles d’éléments pour optimiser la qualité de polarisation et les diagrammes de rayonnement. Un réseau de 400 cellules élémentaires fonctionnant en polarisation circulaire a été réalisé et testé en chambre anéchoïque. Un dépointage électronique de ±60° et la possibilité de commuter entre les deux polarisations circulaires (droite/gauche) ont été démontrés. / Several civil and military applications (hertzian beams, satellite communications, automotive radars, high resolution imaging systems) require antennas with reconfigurable beam capabilities (beam-scanning, beamshaping, multiple beam generation). Transmitarray antennas are good candidates and represent an alternative to classical phased arrays or reflect-arrays for these applications. The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of reconfigurable transmitarrays fabricated with standard technologies in Ka-band (20-30 GHz). Different unit-cell designs based on p-i-n diodes have been developed to work in linear and circular polarization. Their optimization and experimental characterization have been performed. Waveguide measurements show insertion losses of 1.09 dB at 29.0 GHz with a 3-dB bandwidth of 14.7%. A hybrid simulation technique has been developed in order to analyze efficiently large transmitarrays in which the sequential rotation technique has been applied to optimize the polarization quality and the radiation patterns. A 400-elements transmitarray operating in circular polarization has been realized and tested in anechoic chamber. A beam-scanning angular coverage of ±60° and circular polarization selection (left/right) have been demonstrated.

Les travaux présentés dans cette thèse proposent des solutions à forte efficacité spectrale pour les communications mobiles multi-antennes et multiporteuses, particulièrement optimisées pour la voie descendante des systèmes hertziens. Cette étude s'inscrit dans un contexte fortement concurrentiel pour l'accès de masse au haut-débit sans fil, et contribue à l'effort collectivement mené au sein des projets européens sur les systèmes dits de 4e génération (4G). La première partie du document cadre l'étude en identifiant les contraintes physiques, technologiques et financières, ainsi que les exigences des systèmes 4G en termes de services, débit et mobilité. En particulier, une complexité raisonnable au récepteur mobile est requise en voie descendante pour honorer coût et consommation. Dans un souci de réalisme, le canal de propagation radio-mobile large-bande MIMO est caractérisé. Les corrélations en temps/fréquence/espace induisent le dimensionnement du système de communication numérique proposé. La deuxième partie du document est consacrée à l'étude des systèmes multi-porteuses, multi-utilisateurs, et multi-antennes, afin d'unifier l'approche et d'explorer plusieurs axes en utilisant au mieux les propriétés du canal. Tout d'abord, le choix de l'accès large-bande multi-utilisateurs s'est porté sur la combinaison de l'OFDM et d'étalement en accès multiple CDMA, afin de discuter du compromis diversité/orthogonalité suivant les algorithmes de chip-mapping et de détection employés. Ensuite, pour exploiter les gains de réseau d'antennes, diversité et multiplexage offerts par le canal MIMO en fonction du contexte, un état de l'art des techniques multi-antennes est dressé. La classification proposée permet d'établir une stratégie tout en conservant une faible complexité de détection. Nous détaillons les systèmes les plus réalistes en contexte mobile et en voie descendante, n'ayant pas connaissance du canal en émission. La chaîne de communication MIMO-OFDM-CDMA complète est finalement présentée en insistant sur la flexibilité des algorithmes linéaires adoptés. La troisième partie du document s'attache à optimiser les combinaisons précédentes en contexte réaliste, et propose des techniques de codage et d'estimation temps/fréquence/espace innovantes. Tout d'abord, une approche pragmatique amène à considérer des solutions exploitant la diversité qui assurent robustesse, détection simple et compatibilité avec l'ensemble des terminaux. Nous privilégions un codage spatial de rendement unitaire, et proposons d'agir sur les trajets multiples grâce aux antennes supplémentaires. Des axes d'optimisation sont fournis au niveau codage, chip-mapping, détection et propagation de fiabilités. Comparé aux méthodes OSTBC ou CDD, des gains sont illustrés en performance, répartition de puissance, potentiel d'adaptabilité et de robustesse... Ensuite, en relâchant légèrement les contraintes de complexité et d'orthogonalité spatiale, nous proposons de nouvelles solutions en contexte plus favorable. Même avec une simple détection linéaire MMSE, ces techniques offrent un potentiel supérieur en haut-débit mobile dès que le nombre d'antennes augmente. Enfin, nous introduisons des méthodes d'estimation du canal MIMO adaptées aux systèmes précédents, utilisant des symboles pilotes répartis et éventuellement les données décodées de manière itérative afin de répondre à un ensemble de compromis sur des récepteurs variés. Les nombreux résultats obtenus démontrent la pertinence des solutions développées.

Le réseau mobile d’Orange France comprend plus de 100 000 antennes 2G, 3G et 4G sur plusieurs bandes de fréquences sans compter les nombreuses femto-cells fournies aux clients pour résoudre les problèmes de couverture. Ces chiffres ne feront que s’accroître pour répondre à la demande sans cesse croissante des clients pour les données mobiles. Cela illustre le défi énorme que rencontrent les opérateurs de téléphonie mobile en général à savoir gérer un réseau aussi complexe tout en limitant les coûts d’opération pour rester compétitifs. Cette thèse s’attache à utiliser le concept SON (réseaux auto-organisants) pour réduire cette complexité en automatisant les tâches répétitives ou complexes. Plus spécifiquement, nous proposons des algorithmes d’optimisation automatique pour des scénarios liés à la densification par les small cells ou les antennes actives. Nous abordons les problèmes classiques d’équilibrage de charge mais avec un lien backhaul à capacité limitée et de coordination d’interférence que ce soit dans le domaine temporel (notamment avec le eICIC) ou le domaine fréquentiel. Nous proposons aussi des algorithmes d’activation optimale de certaines fonctionnalités lorsque cette activation n’est pas toujours bénéfique. Pour la formulation mathématique et la résolution de tous ces algorithmes, nous nous appuyons sur les résultats de l’approximation stochastique et de l’optimisation convexe. Nous proposons aussi une méthodologie systématique pour la coordination de multiples fonctionnalités SON qui seraient exécutées en parallèle. Cette méthodologie est basée sur les jeux concaves et l’optimisation convexe avec comme contraintes des inégalités matricielles linéaires. / The mobile network of Orange in France comprises more than 100 000 2G, 3G and 4G antennas with severalfrequency bands, not to mention many femto-cells for deep-indoor coverage. These numbers will continue toincrease in order to address the customers’ exponentially increasing need for mobile data. This is an illustrationof the challenge faced by the mobile operators for operating such a complex network with low OperationalExpenditures (OPEX) in order to stay competitive. This thesis is about leveraging the Self-Organizing Network(SON) concept to reduce this complexity by automating repetitive or complex tasks. We specifically proposeautomatic optimization algorithms for scenarios related to network densification using either small cells orActive Antenna Systems (AASs) used for Vertical Sectorization (VeSn), Virtual Sectorization (ViSn) and multilevelbeamforming. Problems such as load balancing with limited-capacity backhaul and interference coordination eitherin time-domain (eICIC) or in frequency-domain are tackled. We also propose optimal activation algorithms forVeSn and ViSn when their activation is not always beneficial. We make use of results from stochastic approximationand convex optimization for the mathematical formulation of the problems and their solutions. We also proposea generic methodology for the coordination of multiple SON algorithms running in parallel using results fromconcave game theory and Linear Matrix Inequality (LMI)-constrained optimization.