Les antennes à polarisation circulaire (CP) sont de plus en plus utilisées dans les systèmes de communications spatiaux et terrestres. Le besoin d’intégration est sans cesse plus important, il est donc nécessaire de proposer, de mettre au point des aériens toujours plus compacts et aux performances (adaptation, rayonnement, gain, efficacité, taux d’ellipticité) optimisées. L’objectif de cette thèse est donc de concevoir des antennes planaires, large bande ou multi-bande, à polarisation circulaire et aux performances optimisées. Afin d’atteindre ces objectifs, le travail a été divisée en plusieurs phase, allant de la conception d’une antenne CP à large bande jusqu’à la conception d’une antenne patch à polarisation circulaire tri bandes GNSS. Tout d’abord une étude bibliographique sur les antennes planaires a été faite. Celle-ci a permis de comparer leurs différentes performances, leurs avantages et inconvénients. Ensuite, une antenne patch CP à éléments parasites a été conçue fabriquée et mesurée. On s’est attaché à optimiser sa bande de fonctionnement. En tenant compte des études bibliographiques déjà faites, et en se basant sur la structure de l’antenne CP à large bande validée lors de la phase précédente, une nouvelle antenne plaquée CP GNSS tri bandes a également été conçue réalisée et mesurée. L’essentiel du travail a consisté à minimiser son encombrement tout en conservant des performances électromagnétiques satisfaisantes dans les trois bandes de fréquences objectifs : L2, E6 et L1. On s’est particulièrement attaché à obtenir un bon taux d’ellipticité sur une large ouverture rayonnante. La dernière étape de cette thèse a consisté à aller encore plus loin dans l’amélioration des performances de l’antenne CP GNSS multi bandes particulièrement en améliorant son efficacité. Une excitation par fente a finalement été utilisée après comparaison des performances obtenues via différentes techniques (alimentation coaxiale, fentes, etc…). / Circular polarized antennas (CP) are greatly used in space and terrestrial communication systems. Furthermore, the need for communication systems integration is increasingly important. Therefore, it is necessary to propose and develop more compact antenna design with optimized performance (adaptation, radiation, gain, efficiency, axial ratio).The objective of this thesis is to design planar antennas, broadband or multi-band, with circular polarization and optimized performances. To achieve these objectives, the work was divided into several stages, from the design of a wideband CP antenna to the design of a GNSS tri-band circular polarized patch antenna. Firstly, a literature study of planar antennas has been conducted. Different designs have been examined and contrasted to evaluate their performances. Secondly, a wideband CP patch antenna with parasitic elements has been designed manufactured and measured. It was sought to optimize its operating band. Considering the bibliographical study that was already carried out, and based on the wideband CP antenna structure that was validated during the previous phase, a new GNSS tri-band CP patch antenna was also designed, fabricated and measured. Most of the work was done on minimizing its size while maintaining satisfactory electromagnetic performance in the three required GNSS frequency bands : L2, E6 and L1. Special attention was directed towards getting a good axial ratio over a wide radiating aperture. The last phase of this thesis was to go even further in improving the CP GNSS multi-band antenna's performance, particularly by improving its efficiency. Excitation slots were finally used after a comparison was made between the different performances obtained through the different design techniques (coaxial feed, slots, etc ...).

La télémédecine et plus particulièrement la télémédecine mobile semble représenter l’avenir en termes de soins médicaux. Ce concept nécessite cependant pour sa viabilité, de disposer d’éléments rayonnants miniatures, fortement efficaces, et capables de communiquer sur plusieurs bandes. Ce mémoire présente la méthodologie de conception et l’optimisation d’antennes miniatures intégrées, dédiées à un dispositif spécifique permettant de réaliser une liaison radiofréquence entre un implant médical et le téléphone portable d’un patient. Cependant, la miniaturisation des antennes, éléments clés de ce concept, s’accompagne généralement d’une dégradation de son efficacité et de sa bande passante, ce qui rend délicat leur mise en œuvre sur au moins deux des points essentiels recherchés. La conception de ce type d'antennes nécessite donc une analyse très fine des phénomènes physiques mis en jeu dont notamment la limite théorique en termes de performances que l'on peut atteindre pour une antenne circonscrite à un volume donné. De plus, ces performances radioélectriques sont fortement dépendantes de l'environnement dans lequel est placée l’antenne. Par conséquent, l'influence de chaque partie constituant cet environnement doit être prise en compte lors de l'intégration, ce que nous décrivons également dans ce manuscrit à travers différentes solutions d’éléments rayonnants. / This thesis presents the design and the optimization of miniature antennas integrated in specific devices dedicated to ensure communications between medical implants and a mobile phone in the context of telemedicine applications. However, the miniaturization of antennas necessarily implies a degradation of efficiency and bandwidth, which makes it difficult for implementation. Then, the design of electrically small antennas requires a very good understanding of the physical phenomena such as the theoretical limits of performance in terms of bandwidth and efficiency that can be expected for a radiating element with given dimensions. Furthermore, the performance of an electrically small antenna is also highly dependent on the environment in which it is mounted. Therefore, its interaction with each part of its close environment was highlighted and analyzed.

L'identification par radio fréquence (RFID) est une technologie utilisant les ondes radio pour détecter, localiser et identifier des objets sur lesquels on place des étiquettes électroniques ou tags. Cette technologie, avec des fonctionnalités de détection supérieures à 2m, est destinée à remplacer le code-barre existant depuis les années 1970. Durant la dernière décennie, le développement de la RFID UHF a permis d'élargir le domaine des applications qui compte entre autres le marquage d'objets, le contrôle d'accès, la traçabilité, la logistique, l'inventaire, et même les transactions financières. Avec cette augmentation de la demande de services d'identification, les prévisions pour le marché de la RFID (actuellement dans les 12MM d'euros) montrent une augmentation de 3MM d'euros par an dans les 10 prochaines années. Actuellement la RFID UHF présente plusieurs limitations technologiques fortes expliquant que son développement est moins rapide que ce qui avait été envisagé il y a une vingtaine d'années. Deux problématiques industrielles importantes sont abordées dans ce travail. Tout d'abord la variété des supports sur lesquels les étiquettes RFID sont placées, cette variabilité des supports entraînant un déréglage des antennes des tags à cause du changement de la permittivité électrique et/ou de la conductivité du milieu. Dans ce contexte des solutions sont proposées au niveau de tags UHF pour une application sur surfaces en plastique ou en métal. La deuxième problématique est liée au couplage entre antennes lorsque la densité de tags est forte ou aux perturbations de diagramme (masquage) dues à l'environnement proche des antennes. Afin d'améliorer le taux de lecture dans ces conditions, une antenne lecteur miniaturisée à quatre IFAs intégrant de la diversité d'espace, de polarisation et de diagramme a été développée et testée dans un scénario à forte densité de tags / Radio Frequency Identification (RFID) is a technology designed to use the electromagnetic waves backscattering to establish detection and identification for different types of articles. Due to its longer coverage range, this technology seeks to replace the bars code existing since 1970. Recently RFID developments allow the growth in the number of applications including access control, tracking and logistic, inventory, and even electronic contactless payment between others. With this growing in the RFID services demand, the market value previsions (currently in 12MM euros) show an increase of 3MM euros per year during the next 10 years. Nowadays the RFID has many technical limitations that could explain the fact of the slow growth different of the initial estimation twenty years ago. Two main issues in RFID field are treated in this work. Initially, the variety of supports where the tags are placed on, fact that produce an antenna mismatch due to the electrical permittivity variation. For this problem some UHF tags solutions are developed and proposed to enhance the antennas performance for plastic and metallic supports applications. The second issue which is the low detection rate is clearly linked to the antennas coupling when the tags density is high or to the perturbations in the reader's radiation pattern due to the environment next to the antenna. In order to improve the detection-identification rate in these conditions, a four IFA miniaturized reader antenna with diversity is developed and tested

Une onde électromagnétique est définie par son amplitude, son vecteur d'onde, sa fréquence et son moment angulaire. Ce dernier peut être séparé en deux parties : la polarisation (associée au moment angulaire de spin), et le moment angulaire orbital. Ce dernier n'a vraiment été étudié qu'à partir de ces dernières années. Cette thèse a pour but d'approfondir les connaissances sur ce moment angulaire orbital. Des prototypes ont ainsi été réalisés, et des outils d'analyse ont été développés. Dans un premier temps, une étude du transfert de ce moment angulaire orbital à un objet macroscopique, à la fréquence de 870 MHz, est présentée. Une interprétation du mécanisme de transfert est ensuite proposée, supportée par le calcul des équations de champs et des simulations électromagnétiques. Dans un second temps, la conception et la réalisation de deux antennes, pouvant générer une onde possédant un moment angulaire orbital, sont présentées. Ces deux antennes utilisent une lame de phase avec une loi à dépendance angulaire. La première est une lame de phase dite « spirale », à permittivité constante et à hauteur variable. La seconde est une lame à gradient d'indice, à permittivité variable et à hauteur constante. Ces deux antennes ont été simulées, puis mesurées au sein de la chambre anéchoïque CHEOPS (DGA-MI, Bruz). Des cartographies sur un plan du champ ont ainsi été obtenues. Dans un dernier temps, la réflexion sur des surfaces courbes et planes, et l'influence de l'échantillonnage sur l'estimation des modes d'OAM, ont été étudiées. En ce qui concerne la réflexion, les résultats de simulations sont prometteurs, et semblent indiquer l'existence d'une relation entre les déformations du faisceau réfléchi et le type de surface. Pour l'estimation des modes d'OAM, les valeurs de champs sont extraites sur un cercle. Différents paramètres (positionnement et rayon du cercle) ont été considérés, et une méthode d'estimation des modes d'OAM sur une large bande de fréquence est proposée. / An electromagnetic wave is defined by its amplitude, its wave vector, its frequency and its angular momentum. This momentum can be decomposed into two components: polarization (associated to spin angular momentum), and orbital angular momentum. The later has not been investigated thoroughly until the last few years. To deepen the knowledge on orbital angular momentum, both prototypes and analysis tools have been developed in this thesis. First, study of orbital angular momentum transfer to a macroscopic object, at a frequency of 870 MHz, is presented. An interpretation of the transfer mechanism is then proposed, supported by the calculation of field equations and electromagnetic simulations. Secondly, the conception and the realization of two antennas able to generate an EM wave with orbital angular momentum are presented. These antennas use phase plates with an angular dependent law. The first one is a “spiral” phase plate, with constant permittivity and variable height. The second one has variable permittivity and constant height. Both have been simulated and characterized in CHEOPS anechoic chamber (DGA-MI, Bruz). Measurements of magnitude and phase, on a plane, have been obtained. Lastly, total reflection on planar and curved surfaces and influence of sampling on OAM modes estimation were investigated. Simulation results of reflected waves are promising and show a relationship between the induced deformations and the object reflected on. As for OAM modes estimation, study has been performed using an extraction circle on the wave front. Several parameters (center of the circle, radius) have been considered, and a method for OAM modes estimation on a large bandwidth is proposed.

Pour déployer la quatrième génération de téléphonie 4G/LTE ou « LTE advanced », les opérateurs mobiles sont confrontés à de fortes contraintes : d’une part assurer une bonne couverture géographique mais aussi une excellente qualité de service. Ceci nécessite une ingénierie du réseau qui dépasse largement ce qui a été mis en place pour les réseaux GSM ou 3G. L’industrie des télécoms a créé pour cela le concept de « small cells » ou petites cellules qui viennent en renfort des « macrocells » ou grosses cellules. Cette thèse cherche à apporter une solution à cette problématique à travers notamment le développement d'antennes pour « smart cells ». Cette étude, supportée par le projet FUI NETCOM, doit permettre aux opérateurs d’étendre la couverture et la capacité de leurs réseaux à moindre coût tout en préservant la qualité de service. Pour cela, l’objectif plus précis de cette thèse est de concevoir un système multi-antennaire multistandard MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) dédié à des noeuds relais pour le déploiement de la quatrième génération de téléphonie LTE. Cette conception doit être compatible avec 3 bandes de fréquences du LTE : (700-900 MHz) pour les bandes LTE 700 et LTE 800, (1710-1880 MHz) pour les bandes GSM 1800 / LTE 1800 et la dernière (2500-2690 MHz) pour le LTE 2600. Pour cela, nous avons étudié tout d’abord un système à 4 accès mono-bande, en nous concentrant uniquement sur la bande basse de 700 à 900 MHz. Dans une seconde étude, nous avons cherché à couvrir les deux autres bandes supérieures en nous servant d’éléments parasites pour constituer un système MIMO à 4 accès tri-bande. Nous avons ensuite étudié l’influence de l’environnement proche du système antennaire, avec la présence d’un radiateur métallique. Un problème important et fréquent dans les systèmes multi-antennes étant le couplage, nous avons également étudié et réalisé une technique de découplage. Celle-ci servira à isoler les éléments rayonnants à espacement réduit, conçus pour nos trois bandes LTE. / To deploy the fourth generation called 4G/LTE or "LTE advanced", mobile operators face strong constraints: they must ensure a good geographic coverage but also an excellent quality of service. This requires new methods that go far beyond what has been implemented for GSM or 3G networks. The telecom industry has created the concept of "small cells" that reinforce the "macrocells" deployed by the operators. This thesis tries to provide a solution to this problem and more particularly through the development of antennas for a product called "smart cell". This study, supported by the FUI project NETCOM, should enable mobile operators to extend the coverage and capacity of their networks at a lower cost while maintaining a good quality of service. To do that, the aim of this thesis more particularly is the design of a multi-band multi-antennas MIMO system (Multiple-Input Multiple-Output) dedicated to relay nodes for the deployment of the fourth generation 4G/LTE or "LTE advanced". The antenna design considers the coverage of the three LTE operating frequency bands and must be compatible with them. The (700-900 MHz) frequency band is used for the LTE 700 and LTE 800 bands, (1710-1880 MHz) for the GSM 1800/LTE 1800 bands and the last (2500-2690 MHz) for the LTE 2600 bands. In our first study, a reference system with 4 access was studied in simulation and measured, for only the low band 700-900 MHz. In a second study, we tried to cover the other two higher bands to have a tri-band system using the parasitic elements to get a three-band MIMO system with 4 access. We studied then, the influence of the environment close to the antenna system, with the presence of a metallic radiator. As we often encounter a frequent problem in multi-antenna systems which is the coupling problem between the different access of a multi antenna system, so we have studied and realized a decoupling technique. This technique was used to enhance the isolation between the different access.

La recherche de nouveaux matériaux a permis de nouveaux développements au cours de ces dernières décennies. Ce sont entre autres les diélectriques artificiels ou encore les métamatériaux. Cependant, si ces matériaux restent passifs, malgré tous les développements possibles, les performances des antennes, ou autres structures électromagnétiques qui découlent d’eux seront toujours confrontés aux mêmes limitations fondamentales. En intégrant des circuits actifs dans ces matériaux, par exemple des résistances négatives, des capacités négatives et des inductances négatives, il est possible de dépasser ces limitations ainsi les propriétés synthétisables et les applications d’ingénierie pourront être significativement élargies. En effet, cela permettrait de créer des matériaux et des dispositifs dont les propriétés ne seront pas possibles autrement et surpasseraient celles des matériaux existant dans la nature. Cette thèse a été l’occasion dans un premier temps d’utiliser les circuits non-Foster qui sont des circuits à rétroaction actif, pour l’adaptation d’une antenne électriquement petite à basses fréquence. Ceci a permis de mettre en évidence ses avantages par rapport à une adaptation passive plus conventionnelle.Ensuite, des capacités négatives ainsi que des inductances négatives et positives ont été conçues. Leur fonctionnement totalement différent des composants passifs a été mis en exergue. Ce qui nous a conduit à les appliquer sur des structures périodiques. Cela a donné des résultats intéressants comme la propagation supraluminique sur une ligne de transmission des ondes. Et en les appliquant à la cellule unitaire d’une surface de métamatériaux qui est aussi une structure périodique, sa taille est réduite pour une plus grande compacité des antennes à cavités conçues pour les basses fréquences où la longueur d’onde est très grande. / The search of new materials has enabled new developments in recent decades. Among these are artificial or dielectric metamaterials. However, if these materials are passive, despite all the possible developments, the antennas performances or other structures resulting from them will still face the same fundamental limitations. By adding active circuits in these materials, such as negative resistors, negatives capacitors and negative inductors, it is possible to overcome these limitations and the synthesized properties and engineering applications can be significantly expanded. Indeed, this would create materials and devices with properties which can allow us to obtain behavior nonexistent in nature. This open the way to new applications. In this thesis, we explore the opportunity at first to use non-Foster circuits that are active feedback circuit, in the matching network of an electrically small antenna for low frequency operation. This helped to highlight its advantages over more conventional passive matching. Then, negative capacitors and negative and positive inductors were fabricated. Their totally different behaviors with passive components were also highlighted. This led us to apply them on periodic structures. Interesting results were obtained as superluminal wave propagation on a transmission line. And by applying to the unit cell of a metamaterial surface which is also a periodic structure, the size is reduced to a more compact cavity antennas designed for low frequency where the wavelength is very large.

Rhodopseudomonas palustris est une bactérie pourpre photosynthétique dont le génome, entièrement séquencé, a révélé avec surprise la présence de 6 gènes codant des bactériophytochromes. L'un d'entre eux (RpBphP1) joue un rôle primordial et inhabituel dans la synthèse du photosystème. Chez cette bactérie, trois autres bactériophytochromes (RpBphP2, 3 et 4) sont localisés à proximité d'opérons pucBA codant les polypeptides des antennes collectrices de lumière associées au photosystème. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à étudier les rôles, les propriétés et les mécanismes d'action de ces 3 bactériophytochromes. Il a pu être ainsi montré que les 2 bactériophytochromes RpBphP2 et 3 agissent de concert dans le contrôle des antennes de types LH4. Cette voie de régulation implique l'action de 3 autres réponses-régulateurs dont la protéine Rpa3018 sensible au potentiel redox. Cette étude a également révélé que, chez certaines souches de Rps. palustris, la protéine RpBphP4 a perdu sa sensibilité à la lumière mais a acquis en contrepartie une sensibilité au potentiel redox tout en conservant sa capacité à réguler l'expression des antennes de type LH2 via un système à 2 composants. Dans un second temps, l'analyse de la séquence du génome de deux Bradyrhizobium photosynthétiques (ORS278 et BTAi1) a révélé que chaque souche possède un bactériophytochrome spécifique sûrement acquis par transfert horizontal. Les études menées sur ces différents bactériophytochromes ont mis en exergue la diversité de cette famille de senseurs de lumière ainsi que la complexité des voies de signalisation qu'ils initient.

Cette thèse s'intéresse à la conception d'antennes ultra large bande reconfigurables. Cette étude a été motivée par le souhait de regrouper l'ensemble des antennes d'observation présentes sur les satellites en un panneau rayonnant unique afin de pouvoir réduire la taille de ces derniers. Les travaux présentés dans ce mémoire sont donc principalement axés sur la conception d'antennes spirales et sur les améliorations qui peuvent leur être apportées. Ainsi, une nouvelle topologie d'antenne spirale carrée reconfigurable en un réseau de quatre antennes spirales carrées plus petites sur la même ouverture rayonnante est exposée. Cette reconfiguration permet d'augmenter l'efficacité de surface de la structure tout en offrant de nouvelles possibilités d'utilisation à l'antenne et en améliorant ses performances. Les caractéristiques et les performances des deux configurations en états figés sont détaillées. Les maquettes réalisées et les résultats de mesure sont également présentés afin de valider le fonctionnement de l'antenne. Ensuite, différentes améliorations de cette structure sont présentées ainsi qu'une application possible. Enfin, une solution permettant d'améliorer le fonctionnement des antennes spirales imprimées au-dessus d'un plan de masse est décrite. En effet, cette solution permet de supprimer un nul de rayonnement lorsque l'antenne se situe à une demi-longueur d'onde du plan de masse. Sa bande passante d'utilisation peut ainsi être potentiellement doublée sans perdre la moitié de l'énergie comme avec l'utilisation d'absorbants. Cette technique consiste à ajouter un élément rayonnant parasite au-dessus de l'antenne. Cet élément est excité par couplage à l'antenne spirale et rayonne à la fréquence du nul de rayonnement. Cet élément étant faible bande, il ne dégrade pas le fonctionnement de l'antenne aux autres fréquences de la bande passante. Une structure utilisant ce concept a été réalisée afin de valider son fonctionnement.

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude, la fabrication et la caractérisation de métamatériaux en vue d'applications dans le domaine millimétrique et submillimétrique. Dans un premier temps, nous avons tenu à rappeler les propriétés remarquables ainsi que les processus physiques mis en jeux par cette nouvelle génération de matériaux. Le manuscrit regroupe essentiellement des résultats issus d’études réalisées sur différentes structures en microondes et en terahertz : métamatériaux composites, métamatériaux entièrement diélectriques à base de résonances de Mie, ouvertures sublongueur d’ondes basés sur la transmission extraordinaire assistée par plasmons de surface. Nos investigations ont permis d’ouvrir la voie à de multiples applications dans les domaines des capteurs et des télécommunications. / This PhD dissertation is dedicated to the study, fabrication and characterization of metamaterials for millimeter and submillimeter applications. First of all we proposed to remind the extraordinary properties and physical processes involving within this new generation of materials. The manuscript contains results obtained from studies performed on different categories of metamaterials at microwave and terahertz frequencies: composite metamaterials, all dielectric metamaterials based on Mie resonances, subwavelength apertures based on the extraordinary transmission assisted by surface Plasmon polaritons. Our investigations have contributed to open the path to multiple potential applications in the field of sensors and telecommunications.

Une technique numérique basée sur le couplage d’une approximation par éléments finis et d’une méthode intégrale a été développée pour le calcul du signal induit dans les antennes I.R.M. Ce signal est issu du mouvement de précession libre de l’aimantation transversale du corps à explorer pendant la relaxation. Dans notre modélisation, l’aimantation transversale représente le champ magnétique source. Celui-ci induit dans l’antenne un courant d’une durée très brève (quelques millisecondes) ; il représente le signal contenant toutes les informations de l’échantillon. Notre modélisation des antennes d’I.R.M de type circuit imprimé a été validée par comparaison avec des mesures expérimentales ainsi qu’avec une méthode analytique. Nous l’avons développée en tenant compte de leurs géométries et de leurs caractéristiques électromagnétiques afin d’avoir un meilleur rapport Signal/Bruit. Nous avons pris en considération des principaux facteurs tels que la distance entre l’antenne et l’échantillon à explorer ainsi que les caractéristiques électromagnétiques de l’antenne. / A numerical technique, based on the combination of a finite element method and a boundary integral method, has been developed to compute the induced signal in MRI antennas. This signal rises from a free movement of precession of the transverse magnetization of the sample to explore. In our modeling, the transverse magnetization represents the magnetic source field. Its flux embraces the antenna to give rise to a sinusoidal current which is very quickly attenuated in time (a few ms); it represents the signal containing all the information of the sample. We here want to find the geometrical and electromagnetic characteristics of the antennas which permit to have a signal to noise ratio as great as possible. In our computation, we have taken into account leading factors such as the distance between the probe and the organ to be explored and also the geometrical and electromagnetic characteristics of the probe. Our modeling of printed circuits MRI antenna has been validated by comparing with experimental measurements and also with an anlytical method. We have developped it by taking into account their geometries and their electromagnetical characteristics in order to have a better signal/noise ratio. We have considered principal factors such as the distance between the antenna and the organ to explore and also the electromagnetic characteristics of the antenna.