Face à la volonté d'intégrer une quantité toujours plus importante de nouveaux services au sein des terminaux mobiles de nouvelle génération et afin de répondre à leurs contraintes d'encombrement, des nouveaux concepts d'antennes intelligentes font l'objet de nombreuses recherches. Parmi les solutions proposées dans la littérature, la technique consistant à charger l'antenne par un matériau aux propriétés commandables apparaît particulièrement intéressante puisque elle cumule les effets de miniaturisation et d'agilité. Le travail de cette thèse concerne l'intégration des films minces La-Ti-O-N et BST dans des antennes miniatures et agiles en fréquence. Pour cela, une étude systématique des propriétés diélectriques (constante, tangente de pertes et accordabilité) des films La-Ti-O-N a été réalisée en basses et hautes fréquences. Ces propriétés sont fonction des caractéristiques structurales des films, elles-mêmes issues de la nature du substrat utilisé et des conditions de dépôt. En parallèle, une étude sur l'intégration de ces matériaux dans des structures rayonnantes pour atteindre l'agilité souhaitée a été menée. De premiers démonstrateurs d'antennes miniatures et reconfigurables à base des films minces La-Ti-O-N et BST ont été réalisés et caractérisés.

La technologie SIW, introduite dans les années 2000, suscite aujourd’hui un très vif intérêt pour la conception de circuits micro-ondes compacts, intégrés, faible coût et blindés par nature. Cependant, les guides d’onde métalliques, qui offrent de bien meilleures performances en termes de pertes d’insertion et de tenue en puissance, malgré un coût bien plus important, sont encore incontournables pour de nombreuses applications millimétriques. Afin de proposer une alternative intégrée et faible coût au guide d’onde rectangulaire, et de permettre une large exploitation du spectre millimétrique, cette thèse propose une nouvelle structure SIW appelée SIW creux. Cette nouvelle structure a été étudiée théoriquement et expérimentalement. Aux fréquences millimétriques, comparativement au SIW, le SIW creux offre des pertes d’insertion trois fois plus faible ainsi qu’une tenue en puissance moyenne quatre fois plus importante. De nombreux dispositifs passifs SIW creux ont été conçus en prenant avantage du procédé de circuit imprimé multicouche mis en œuvre. Des coupleurs, déphaseurs, diviseurs de puissance, antennes et filtres ont été réalisés basés sur la technologie introduite. Leurs performances sont théoriquement et expérimentalement comparées avec leur contrepartie SIW afin de démontrer les avantages de la nouvelle technologie proposée. / The substrate integrated waveguide (SIW) technology, introduced in the early 2000s, has presently trigged a huge interest from academia to industry with the focus on the design and development of low-loss, compact, integrated, self-packaged and low-cost microwave and millimeter-wave circuits, antennas and systems. However, the classical metallic waveguide technology, which offers better performances such as lower insertion loss and higher power handling, has still been used in the design of microwave and millimeter-wave systems, despite its higher cost and bulky structure. To offer a highly integrated, further loss-reduced, low-cost alternative to the conventional waveguide and also to allow a wide-spread use of the millimeter-wave spectrum, this thesis research introduces a new SIW structure called Air-Filled SIW (AFSIW). This new structure has been theoretically and experimentally studied in details with a substantial amount of results. At millimeter wave frequencies, compared to the SIW topologies, the proposed AFSIW scheme exhibits a substantially lower insertion loss (three times, for example) and a much higher average power handling capability (four times, for example). Numerous AFSIW passive components have been investigated designed and demonstrated, which take advantages of the well-established multilayer printed circuit board (PCB) fabrication process. Couplers, phase shifters, power dividers, antennas and filters have been modeled, designed, prototyped and measured based on the introduced technology. Their performances have theoretically and experimentally been compared with their SIW counterparts to demonstrate and validate the benefits of the proposed technology.

Ce mémoire présente une méthodologie de conception d’antennes Ultra Large Bande volumiques à ondes progressives, d’encombrement réduit, dédiées au rayonnement d’impulsions ultra-courtes dans une bande de fréquence allant de 300 MHz à 3 GHz. L’objectif est de concilier une large bande de fréquences rayonnées et de bonnes performances de rayonnements transitoires (niveau élevé, signaux brefs) tout en limitant l’encombrement des antennes. L’insertion d’un matériau diélectrique a été associée au design des antennes ULB afin de réduire leurs dimensions. Ceci a conduit à la synthèse et à la caractérisation de matériaux diélectriques innovants à base de géopolymères, dont la maîtrise de la valeur de la permittivité est possible. Un prototype d’antenne a été réalisé, des mesures des différentes caractéristiques de rayonnement ont été effectuées et comparées aux résultats de simulation pour s’assurer du bon fonctionnement de celle-ci. Cette antenne a également été associée à des applications radar pour la détection de cibles se situant dans différents milieux (air et sol). Les réponses impulsionnelles obtenues pour les différentes scènes radar testées ont été comparées aux résultats mesurées avec d’autres antennes connues. / This thesis presents the design of small form factor Ultra Wide Band antennas with progressive waves shape, which is dedicated to ultra-short pulses radiation in a frequency band ranging from 300MHz to 3GHz. The aim is to combine a wide band of radiated frequencies and good performance while limiting the size of antennas. The insertion of a dielectric material has been associated with the design of Ultra Wide Band antennas to reduce their dimensions. This has led to the synthesis and characterization of innovative dielectric materials based on geopolymers, whose mastering of the value of the permittivity is possible. An antenna prototype has been manufactured and measurements of the different radiation characteristics were made and compared to the simulation results to ensure its good functioning. This antenna has also been associated with radar applications for the detection of targets in different environments (air and soil). The impulse responses obtained for the different tested radar scenes have been compared with the results obtained with other known antennas.

L'évolution continue des systèmes de communications sans fil en indoor rend nécessaire le développement des outils de caractérisation et de modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques; afin de répondre aux problématiques et besoins d'ingénieur et de garantir une meilleure planification et un fonctionnement optimal des systèmes communicants. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse portent sur la modélisation du rayonnement des antennes en tenant compte de la complexité environnementale. La méthode de modélisation basée sur la FDTD, détaillée au cours de ce manuscrit, permet d'obtenir d'une manière efficace et précise les niveaux de champs, en tenant compte des phénomènes de propagation et d'interaction des ondes radioélectriques dans un environnement quelconque. Des améliorations ayant deux objectifs essentiels, ont été apportées à ce code. Le premier s'est consacré à améliorer ses performances, et le deuxième s'est intéressé à l'intégration d'un modèle de corps humain et d'autres sources d'émission, dans le but d'assurer plus de réalisme à la modélisation effectuée avec ce code. La validation du code FDTD a été menée par des études comparatives réalisées dans trois environnements différents. La première étude a porté sur une communication sans fil à travers des portes étanches métalliques à bord d'un navire. Une bonne précision du code FDTD a été relevée en comparant les résultats obtenus par ce code avec ceux obtenus par des mesures. La deuxième a porté sur la caractérisation du rayonnement d'antennes dans un bureau universitaire. Les résultats obtenus par des mesures effectuées dans cet environnement ont été confrontés aux ceux obtenus par le code FDTD et par d'autres outils de simulation (HFSS et un outil de tracé de rayons "Wireless lnsite"). Ils ont permis de montrer la capacité du code FDTD à fournir les résultats les plus proches des mesures avec un temps de calcul acceptable et sans avoir besoin de grandes ressources informatiques. La dernière étude a porté sur l'effet de la présence humaine dans une chambre en acier. Une comparaison entre les résultats fournis par le code FDTD et ceux obtenus expérimentalement a été réalisée et un bon accord a été observé. / He continuous evolution of wireless communication systems in indoor environments requires the development of characterization and modeling tools for electromagnetic waves propagation, in order to answer the engineer's issues and needs and to ensure the best planning and an optimal operation of the communicating systems. The work carried out during this thesis concerns antenna radiation modeling, taking into account the environment complexity. The modeling method based on FDTD, detailed in this manuscript, provides efficiently and accurately the fields' strengths, taking account of propagation and radio waves interactions phenomena in any environment. Two main objectives of improvement were brought to this code. The first focused on improving its performance, and the second concerned the emission of multi-sources and the integration of a human body model in order to ensure more realism to modeling realized with this code. The validation of the FDTD code was done by comparative studies in three different environments. The first study concerned a wireless communication through metallic watertight doors on ship board. Good accuracy of the FDTD code was noticed by comparing the code's and measurements' results. The second study concerned the antenna radiation within a typical office environment. The results obtained by measurements were compared to those obtained by the FDTD code and other simulation tools (HFSS and the raytracing tool "Wireless lnsite"). They have shown that the FDTD code provides the most accurate results with an acceptable computational time and without big computer resources. The last study examined the human presence effect in a steel room. Measurements' and FDTD code's results were compared and a qood aqreement was obtained.

C’est dans la course au débit que de nouveaux systèmes de communications sans fil sont proposés aujourd’hui afin de répondre à cette demande. Il n’existe pas de technologie ou de standard unique pour remplacer toutes les autres technologies radio tout en satisfaisant l’ensemble des besoins de services et d’usages. Les futurs systèmes de communications devront donc permettre l’interopérabilité entre les dif- férents standards au niveau européen et mondial. L’émergence des technologies de la radio intelligente constitue aujourd’hui une solution originale et prometteuse pour répondre à ce challenge. Cependant, le déploiement de ces systèmes soulève encore de nombreux défis techniques notamment au niveau des antennes. Ces dernières doivent en particulier être capables de modifier leurs réponses en fréquences ou bien avoir une très large bande tout en minimisant la déformation des formes d’ondes. Elles doivent répondre aux besoins de cohabitation multi-systèmes et de miniaturisation. Or la miniaturisation et la largeur de bande sont limités par des contraintes physiques et les caractéristiques des matériaux les constituant. Les métamatériaux, des composites électromagnétiques artificiels, peuvent permettre la conception d’éléments rayonnants pour la radio intelligente avec un plus grand degré de liberté et à moindre coût. Cependant l’analyse de l’association des métamatériaux à des antennes ou éléments rayonnants n’est pas aisé, surtout quand les antennes prennent une forme arbitraire. Pour adresser ces challenges les techniques classiques de conception d’antennes ne sont pas suffisantes. Pour cela, nous proposons dans ce travail une approche basée sur la conception modale utilisant la théorie des modes caractéristiques. Cette approche démontre un potentiel remarquable dans la conception des antennes électriquement petites ainsi les antennes basées/inspirées des métamatériaux. En outre, l’évaluation des performances d’antennes à formes arbitraires en fonction des paramètres géométriques à été démontré sans considération d’une excitation prédéfinie. Ceci offre un énorme avantage pour les techniques basées sur l’optimisation des formes d’antennes. Finalement, une antenne très large bande dédiée au sondage du spectre est présentée. L’approche modale a été utilisée afin de garantir un diagramme du rayonnement stable sur toute la bande de fréquence ainsi qu’une bonne efficacité dans le régime électriquement petit. Plusieurs validations expérimentales sont également présentées. / The rise of wireless communication systems and the big demand of high bit rate links have entailed researches to lie over new communications systems. With this diversity of wireless systems, flexibility for operating between different standards is strongly needed. Cognitive radio (CR) consist the future system that can offer this flexibility. The new features of CRs remains many challenges to their antennas. Miniaturization, isolation and bandwidth improvement, are all real needs and effective challenges. Especially when the geometry of the antenna become more complex in order to fit the terminal chassis. The use of metamaterials (MTM) has been introduced to overcome physics limitations in order to undertake these needs. The analysis of MTM in presence of radiating elements such antennas prove to be a challenge. In this thesis, an new approach to address these challenges is proposed. It is based on a modal concept using the theory of characteristic modes (TCM). It proves to be useful to analyse and design of electrically small antenna (ESA), metamaterial-inspired antennas and metamaterial-based antennas. Furthermore, the same approach is used to evaluate the antenna performances when surrounded by complex artificial materials by proposing closed formulas for the quality factor. This remains into a huge advantage in the antenna shape optimisation in the antenna industry. As a proof of concept, an extremely-wide-band antenna for underlay CR (sensing antenna) is developed using the proposed approach in order to have stable radiation pattern an high efficiency in the electrically small regime. An experimental validation of the performances of all the presented designs is also provided.

Les ondes électromagnétiques utilisées pour la téléphonie mobile, le WiFi ou encore le Bluetooth sont-elles nocives pour la santé et l’environnement ? La polémique fait rage entre ceux qui considèrent qu’il n’y a aucune raison de s’inquiéter, et qu’il n’est donc pas nécessaire de légiférer à ce sujet, et ceux qui voient de vrais faisceaux de preuves à propos de la dangerosité de ces ondes. Les militants contre celles-ci soulèvent des risques, des doutes ou même des certitudes sur leurs dangers sanitaires, mais aussi sociaux, environnementaux et même mentaux. Au cœur de la polémique, les malades des ondes, les électrosensibles, ont une place particulière :eux souffrent déjà des ondes et sont donc une vraie preuve de ce danger, leur corps est l’inscription de ce danger. À l’aide des outils conceptuels développés par le philosophe Félix Guattari, ce travail déploie cette controverse à travers ces multiples composantes. La thèse explore l’électrosensibilité comme une maladie relative à un milieu et à une époque, en décrivant les épreuves que les malades et les militants subissent. / Doctorat en Philosophie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’évolution rapide des communications sans fil a favorisé l’augmentation du nombre de standards alloués aux systèmes de communication fonctionnant sur différentes bandes de fréquences. Pour accompagner les derniers développements de systèmes sans fil, il est indispensable de concevoir des antennes miniatures intégrables. Cependant, la miniaturisation des antennes s’accompagne d’une réduction significative de la bande passante et de leur efficacité de rayonnement ainsi qu’à l’apparition d’un décalage fréquentiel de leurs fréquences de fonctionnement lorsqu’elles sont étudiées dans leur contexte d’utilisation. L’intégration de dispositifs accordables au sein d 'une antenne permet de répondre favorablement à ces problématiques. Parmi les solutions proposées dans la littérature, l’utilisation de matériaux ferroélectriques en couche mince permet de concevoir un condensateur accordable en fonction du champ électrique appliqué. Ces dispositifs réalisés à base de couches minces ferroélectriques ont été développés pour répondre aux exigences particulières et extrêmes des systèmes de télécommunication actuels (miniaturisation, faible coût, facilité de fabrication et d’intégration et bonne tenue en puissance). Cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches sur les antennes reconfigurables en fréquences à base de matériaux ferroélectriques. Deux axes principaux ont été développés au cours de ces travaux de recherche : le développement et la réalisation de condensateurs intégrant un film BST au sein du laboratoire XLIM et leurs caractérisations en hyperfréquence. La seconde partie de nos travaux concerne l’intégration de l’un de ces dispositifs accordables au sein d’une antenne miniature afin d’étudier son accordabilité en fréquence. / The rapid growth of wireless communication has promoted the increase of the number of standards for wireless applications. This progress requests new manufacturing processes of smart devices that are able to work on several frequency bands. However, the miniaturization of antennas is accompanied by a significant reduction of the bandwidth as well as its radiation efficiency and it becomes dependent on its using context. Tunable devices can be integrated within antennas in order to overcome these main issues. Among the solutions proposed in the literature, thin-film ferroelectric materials are used to realize tunable capacitors. The use of such materials allows the design of a tunable capacitor that can be tuned by an applied electric field. The advances of these ferroelectric thin-film devices were developed in order to meet particular and extreme requirements for today's telecommunication systems (miniaturization, low cost, ease of the manufacture process, integration and good power handling). This thesis is part of ongoing research over frequency reconfigurable antennas which are based on ferroelectric materials. Two main axes were developed during this work: The development and realization of capacitors that incorporate a BST film along with their microwave characterizations within XLIM lab. The second part of our work is dedicated to the realization of the complete tunable antenna.

Les antennes microruban et en particulier l’antenne microruban rectangulaire sont étudiées et utilisées depuis plusieurs dizaines d’années.<p>Comme pour toute antenne, il est important de disposer pour ces antennes d’un modèle analytique qui permette une bonne compréhension du fonctionnement et fournisse de manière rapide des valeurs pour les principaux paramètres (fréquence de travail, impédance, gain, rendement et bande passante).<p>Au fil des ans, deux modèles, chacun comprenant de nombreuses variantes, ont été développés :le modèle dit « de la ligne de transmission » et le modèle dit « de la cavité ». Ces modèles sont soit peu rigoureux, soit complexes et donnent souvent des résultats assez éloignés de la réalité.<p>L’objectif de ce travail est double :définir un modèle qui soit d’une part aussi simple et direct que possible et d’autre part aussi précis que possible.<p>Le premier objectif est atteint dans la mesure où on n’utilise que la loi fondamentale du rayonnement des courants réels (électriques) en excluant tout recours à des courants virtuels (magnétiques).<p>Concernant l’objectif de précision, des comparaisons nombreuses avec des résultats d’un simulateur purement numérique et des mesures indiquent une amélioration pour tous les paramètres mais en particulier pour l’impédance qui est le point faible de tous les modèles existants.<p><p><p>Microstrip antennas and the rectangular microstrip antenna in particular have been studied and used for several decades.<p>As every antenna, the microstrip antenna requires a good analytical model that provides physical insight and an easy prediction of the antenna parameters (resonance frequency, impedance, gain, efficiency and bandwidth).<p>Over the years, two families of models have been developed, each involving many variants: the “transmission line” and the “cavity” models. These models either lack accuracy or are very complex and produce results that may be far away from reality. <p>The objective of this work is double: defining a model as simple and direct as possible and on the other hand as accurate as possible.<p>The first objective has been reached as all our calculations rest on the fundamental radiation formula by real (electrical) currents excluding any virtual (magnetic) currents.<p>Regarding accuracy, comparisons to numerical simulations and measurements show an improvement, in particular with regard to the prediction of the impedance parameters, which is the weak point of all existing models.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La présente génération sera confrontée à des changements climatiques importants et nous devrons vivre avec leurs impacts sur les phénomènes naturels, dont les régimes d’écoulement en rivière ainsi que le cycle de la glace fluviale. Ces impacts vont à leur tour engendrer d’autres conséquences sur les cours d’eau, comme les modifications à la géomorphologie des rivières et les impacts sur les patrons de sédimentation et d’érosion des cours d’eau. Dans ce contexte, deux biefs de la rivière Stoke, un cours d’eau a lit de gravier, situés respectivement au rang 11 et au rang 12 de la ville de Stoke, Québec, Canada ont fait l’objet d’une étude, dont le but était de quantifier le transport de sédiments causé par le cycle de la glace fluviale, en utilisant des marqueurs passifs (PIT) qui ont été insérés dans des grains, ou sédiments, aux deux biefs. Afin de suivre le déplacement de ces marqueurs, des antennes fixes ont été mises en place dans le lit de la rivière et ont été connectées à un système d’acquisition de données à chaque site. En complément, des relevés ont été effectués avec une antenne mobile afin de permettre un suivi plus précis des déplacements des marqueurs. La complémentarité de ces deux méthodes de détection a permis d’effectuer le suivi des marqueurs malgré les conditions difficiles de suivi lors de la période hivernale et lors de la crue printanière, période souvent trop hasardeuse due au mouvement de la glace pour permettre des relevés. Les antennes fixes ont permis de relever les temps de passage des marqueurs au niveau des antennes. Une fois la crue passée, les relevés avec l’antenne fixe ont permis d’enregistrer précisément la position des marqueurs et quantifier leurs déplacements. Une caméra à prise de vue à intervalles a été mise en place à chaque site afin de suivre les conditions de surface de chaque tronçon et de permettre de faire de lien entre les déplacements et les conditions hydrauliques. Le projet a permis de déterminer que la période la plus influente du transport de sédiment, soit celle où le plus de déplacements de grains ont été observés, est lors de la crue printanière, puisque le cisaillement au lit est à son niveau le plus élevé. Cette situation est exacerbée du fait de la présence de la glace, puisque celle-ci vient augmenter les niveaux d’eau en augmentant le rayon hydraulique, ce qui amplifie une fois de plus le cisaillement au lit. De plus, la glace vient mécaniquement, une fois morcelée dans l’écoulement, déplacer des grains par contact direct avec ceux-ci.

L'émergence depuis ces dernières années de nouvelles capacités technologiques permettant la mise en œuvre de dispositifs d'agression électromagnétique, imposent d'étudier la faisabilité de ces potentielles Armes à Energie Dirigée ÉlectroMagnétiques (AED EM). Parmi les différentes briques technologiques qui composent ces systèmes, l'aérien est l'élément déterminant de la formation du faisceau d'ondes rayonnées et nécessite donc d'être évalué. C'est dans ce contexte que le Centre de Gramat du Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives s'est associé à la Direction Générale de l'Armement afin de proposer cette thèse réalisée en collaboration avec l'Institut d'Électronique et de Télécommunications de Rennes. Le sujet propose l'étude complète de trois solutions antennaires susceptibles d'être intégrées sur un système de type AED EM. Chaque type d'antenne répond à une problématique qui lui est propre : Il s'agit en premier lieu de réaliser une antenne fonctionnant à fréquence fixe et possédant un gain maximisé ; Dans un second temps l'étude est menée afin de concevoir et réaliser une antenne à diagramme de rayonnement variable dans un plan et stable dans l'autre plan ; Enfin une antenne large bande fonctionnant sur une octave est développée dans le but de maintenir un diagramme de rayonnement possédant des ouvertures à mi-puissance constantes. Chacune de ces études est gouvernée par deux contraintes difficiles que sont d'une part le maintien d'une tenue en puissance élevée (niveau injecté de l'ordre du kilowatt pulsé) et d'autre part un encombrement réduit en vue d'une intégration sur porteur par exemple. Chaque antenne est élaborée à l'aide d'un logiciel de calcul électromagnétique puis réalisée afin d'être validée expérimentalement. / It is true that during the last past years, High Power Microwave (HPM) weapons threat has grown up. One way to prevent from this kind of system is to study every part of it. Among them, the antenna is the element that influences the most the electromagnetic waves behavior then it has to be evaluated. This is the reason why the Centre de Gramat du Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives has teamed up with the Direction Générale de l’Armement in order to propose this thesis in collaboration with the Institut d’Electronique et de Télécommunications de Rennes. The subject provides the full study of three antennas that can be integrated on an HPM weapon. Each type of antenna is developed to address a problem: The first antenna operates at a fixed frequency and is designed to provide a maximized gain; The second one is manufactured to have a variable radiation pattern in one plane and a stable radiation pattern in the other plane; Finally, a broadband antenna operating between 2 and 4 GHz is developed in order to maintain a stable radiation pattern. Each study is led by taking into consideration high input power (around 1 kW pulsed power) and also dimensional constraints in order to be integrated on a mobile device for instance. Each antenna is designed using electromagnetic software then validated by measurements.