Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Ce mémoire de maîtrise porte sur l’obtention d’une preuve de concept d’antenne textile capable de transmettre des données pertinentes, telles qu’un électrocardiogramme. Les antennes ont été fabriquées à l’aide de méthodes de métallisation chimique. En particulier, la déposition d’argent et de cuivre par réduction chimique ainsi que l’électrodéposition de cuivre ont été utilisés afin de métalliser des capillaires de différents matériaux. Ces capillaires ont été configurés en antennes filaires pour obtenir un dipôle demi-onde et une antenne boucle. Un travail parallèle a été fait pour développer l’antenne à fuite «Leaky CoaXial cable» (LCX) qui consiste en un câble coaxial dont la gaine métallique extérieure est ouverte en « fenêtres » afin de laisser fuir les champs électromagnétiques. Il existe de nombreuses applications potentielles aux antennes textiles, comme par exemple la localisation par Global Positioning System (GPS) de personnes kidnappées, la surveillance médicale à distance ou encore la transmission de données biométriques pour un entraînement physique de pointe. Pour démontrer la viabilité d’applications biométriques, nous avons décidé d’amplifier un signal cardiaque et de le transmettre via la bande de fréquence Industrielle, Scientifique et Médicale (ISM) à 2.45 GHZ aussi utilisée pour le Wi-Fi. / This master’s thesis treats the obtention of a proof of concept of a textile antenna able to transmit pertinent data such as electrocardiograms. Those antennas were fabricated using methods of chemical metalization. Particularly, the chemical reduction of silver and copper and the electrodeposition of copper was used to metallize capillaries made of different materials. These capillaries have been configured as filar antennas to obtain half-wave dipoles and loop antennas. A parallel work was done to develop the leaky feeder known as «Leaky Coax» (LCX) that consist in a coaxial cable of which the outer metallic layer is opened in windows to let the electromagnetic field leak out. There exist numerous potential applications to textile antennas, for example : clothesintegrated Global Positioning System (GPS) setups for the localization of kidnapped people, remote medical surveillance, or transmission of biometric data for cutting-edge sportive training. To demonstrate the viability of biometric applications, we decided to amplify a cardiac signal and to transmit it via the 2.4GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) frequency band that is also used for Wi-Fi networks.

Un système de communication fiable dans un environnement confiné, en particulier les mines souterraines, peut largement accroître la sécurité et la production. Actuellement, les réseaux de communication sans fil en milieu confiné offrent un débit maximal de 1 Gbits/s. Toutefois, la disponibilité de systèmes offrants des débits de l'ordre de 2 à 10 Gbits/s deviendra dans un proche avenir, une nécessité compte-tenu de l'introduction des systèmes 4G avancés et les technologies 5G qui pointent à l’horizon. L’utilisation de fréquences élevées, particulièrement en bandes millimétriques, telle que la bande ISM à 60 GHz offrant 7 GHz de bande passante, est l'une des voies les plus directes et les plus simples pour atteindre un débit souhaitable entre 2-10 Gbits/s. Il est bien connu toutefois que les signaux à 60 GHz se propagent de façon erratique dans les endroits où se trouvent de nombreux obstacles, les composantes réfléchies et diffractées étant considérablement atténuées. Le type de polarisation de l'antenne d'émission et de réception est l'un des critères affectant la qualité de réception du signal, en plus des pertes additionnelles liées à l'absorption par l'oxygène dans l’air et les pertes de propagation associées au parcours. Pour palier partiellement à ces problèmes, les antennes doivent être directionnelles à polarisation circulaire avec un gain élevé et une large bande passante. Ce travail présente une nouvelle approche pour améliorer les propriétés de rayonnement des antennes BIE (Bande Interdite Électromagnétique) en utilisant une combinaison entre les antennes à résonateurs diélectriques DRA (Dielectric Resonator Antenna) et les superstrats métamatériaux pour profiter des avantages individuels de chacun d’eux. L’objectif est de concevoir, étudier analytiquement, numériquement et expérimentalement de nouvelles structures performantes de type BIE et de caractériser leur potentiel en termes de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la polarisation pour un fonctionnement optimal autour de 60 GHz, conformément aux exigences d’un canal minier. Initialement, une antenne émettrice originale BIE fonctionnant à 60 GHz, caractérisée par un gain élevé et une polarisation circulaire à large bande est proposée. Cette antenne est constituée d’un résonateur diélectrique en forme de croix (XDRA) et elle est utilisée comme une source d’alimentation pour générer la polarisation circulaire avec une couche supérieure de type FSS (surface sélective en fréquence) pour améliorer le gain et la bande passante de la source d’excitation. Ensuite, une nouvelle approche analytique pour calculer les propriétés de rayonnement des antennes BIE est développée. Pour satisfaire aux exigences des ondes millimétriques en termes de gain, on présente une autre antenne hybride basée sur la combinaison de la théorie des réseaux et la notion des antennes BIE monosource. Cette nouvelle structure multisources permet d’atteindre une amélioration de gain de 3.5 dB par rapport à l’antenne monosource mais, la bande passante de ces structures reste encore incompatible avec de nombreuses applications à 60 GHz. Pour remédier au problème de la bande passante limitée, une nouvelle approche hybride est subséquemment introduite. Cette technique est basée sur l’excitation de la structure BIE par des antennes à résonateur diélectrique multi segments et, ensuite, le concept du superstrat métamatériau est introduit pour améliorer le produit gain- bande passante. Finalement, pour rendre la communication plus flexible soit que les antennes peuvent être utilisées simultanément en tant qu’émetteur et récepteur, une structure BIE unique à polarisation configurable est conçue. La structure est composée d'une excitation sous la forme d'une antenne à résonateur diélectrique pyramidal DRA recouvert avec un superstrat FSS. Ce dispositif est capable de basculer entre la polarisation circulaire et linéaire par une simple rotation mécanique du résonateur diélectrique de 45 degrés. L'avantage de cette structure réside dans le fait que les propriétés de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la forme des diagrammes de rayonnement sont maintenues stables lors de la commutation entre les deux configurations de polarisation circulaire et linéaire. / A reliable communication system in confined areas, in particular underground mines, can largely increase safety and production output. Today’s, wireless data rates in confined environments are limited to a maximum of about 1 Gbits/s. The demand for wireless 2 to 10 Gbits/s data rate systems will , however, become a necessity due to the introduction of advanced 4G technologies and the foreseeable implementation of 5G. The potential use of millimeter wave communication systems, such as ISM 60 GHz band, which offers 7 GHz of bandwidth, is one of the most direct and easiest ways to achieve such high data rate of 2–10 Gbits/s. It is well known that 60 GHz signals propagate erratically through in environments with many obstructions, since both the reflected and diffracted waves are significantly attenuated. The polarization of the transmitting and receiving antennas is one of the important parameter to take into account, along with additional losses due to oxygen absorption and propagation path loss in assessing received signal quality. These situations limit the communication achievable distance link and overcoming of these disadvantages requires circular polarization directive antennas with a high gain and broadband capability. This work presents a novel approach to improve the radiation properties of Electromagnetic Band Gap antennas (EBG) using a combination between dielectric resonator and metamaterial superstrate to take advantage of the individual benefits of each of them. The aim is to design, study analytically, numerically and experimentally new performant EBG structures and characterize their potential in terms of bandwidth, gain, efficiency and polarization for an optimum performance around 60 GHz fulfilling the requirements of a mining environment. Initially, an original transmitting 60 GHz antenna with high gain, broadband, circularly polarized Electromagnetic Band Gap (EBG) antenna is presented. The designed antenna is configured with a superstrate based on a frequency selective surface (FSS) placed in front of a Cross Dielectric Resonator (XDRA), installed into a ground plane, which acts as an excitation source. Then, a new analytical approach is developed to derive the radiation properties of the proposed EBG antenna. To satisfy millimeter wave requirements in terms of gain, another hybrid antenna based on the combination of superstrate structures and array technology has been developed. This new multi-source structure has achieved a gain improvement of 3.5 compared to the monosource antenna. However, the bandwidth of these structures remains incompatible with many applications at 60 GHz. To overcome the problem of the limited bandwidth, a new hybrid approach is introduced. This technique is based, on the excitation of the structure by a multilayer cylindrical dielectric resonator antenna, and then, the concept of metamaterial superstrate is introduced for enhancing the gain-bandwidth product. Finally, to make communication more flexible so that the antennas can be used for transmission and reception simultaneously, a new reconfigurable polarisation EBG antenna is designed. The structure is composed of an exciting pyramidal DRA source covered with FSS superstrate. The device can switch between circular and linear polarization by a simple mechanical rotation of the pyramidal DRA by 45°. The advantage of this structure resides in the fact that it maintain stable bandwidth gain, efficiency and radiation properties when switching between the two configurations of circular and linear polarization.

Ce travail est consacré à la théorie et aux simulations numériques des nouveaux textiles qui peuvent communiqués sans-fil et composé des antennes fibre multimatériaux. La recherche est conduite par une tentative à changer le concept de "wearables" de grands dispositifs montés sur le corps à des dispositifs cachés confortables intégrés dans vos vêtements. Les textiles RF peuvent être prévus dans divers secteur des soins de santé, pour la surveillance des enfants et des personnes âgées, dans les domaines de télémédecine, de sécurité et de la recherche et sauvetage. Les antennes RF textiles, précédemment développées dans notre groupe, sont constituées de fibre multimatériaux en incorporant une couche conductrice d'argent dans un capillaire silice de 100 µm de diamètre à l'aide de la technique de déposition de phase liquide. La structure de ces antennes portables est flexible, se conforme au corps et non invasif. Dans ce travail, la performance de deux antennes de fibre, l'antenne dipôle et boucle, sont examinés à la bande de fréquence ISM par des simulations numériques à l'aide de logiciel ANSYS HFSS dans l'espace libre et sur le corps. À cette fin, le modèle de corps humain à plusieurs couches spécifiques a été développé en s'inspirant des valeurs proposées par le FCC "Federal Communications Commission" pour assigner les propriétés diélectriques de chaque tissu et pour satisfaire toutes les mesures de sécurité. Les résultats stimulés comprennent le déplacement de fréquence de résonance, les diagrammes de rayonnement affectés, le champ de rayonnement au-dessus du corps, l'efficacité et les mesures de SAR. En outre, la séparation de corps de l'antenne et les effets météorologiques sont également examinés. Les résultats présentés sont ensuite analysés en ce qui concerne les avantages et les inconvénients des deux designs, particulièrement dans le scénario sur le corps, tel qu'une attention spéciale est accordée à la robustesse et l'immunité contre la proximité du corps humain. / This work is devoted to the theory and numerical simulations of novel wireless-communicating textiles featuring multi-material RF fiber antennas embedded into textiles. The research is driven by an attempt to change the concept of wearables from large devices mounted on the body to a hidden and comfortable wearables integrated into your clothes. RF textiles antennas are expected to find multiple applications in various sectors of healthcare, child and elderly monitoring - telemedicine and home-nursing, security, search and rescue. RF textiles antennas, previously developed in our group, are made from multi-material fiber by incorporating a conductive layer of silver within a silica capillary of 100μm diameter using liquid phase deposition technique. The structure of these wearable antennas is flexible, conform to the body, and non-invasive. In this work the performance of two fiber antennas, namely dipole and loop, is investigated at ISM-band through numerical simulations using ANSYS HFSS both in free space and on-body scenario. For this purpose, the specific multi-layer human body model was developed using the “Federal Communication Commission” guidelines to assign the dielectric properties of each tissue and to satisfy all safety regulations. Simulated results include the shifting of resonance frequency, affected radiation patterns, radiation field above the body, efficiency and SAR measurements. In addition, antenna-body-separation distance and weather effects are also investigated. Presented results are then analyzed in terms of pros and cons of the two fiber antenna designs, especially in on-body scenario, as special attention is given to the robustness and immunity against the vicinity of human body.

Les réseaux BAN (Body Area Network) révolutionnent le concept de la surveillance et de la prise en charge à distance de la santé du patient. Le BAN fournit des informations sur l'état de santé du patient en temps réel quelque soit l'endroit où il se trouve. Dans le « télé monitoring », des capteurs de mouvement, de respiration ou du rythme cardiaque placés à l'intérieur ou sur le corps humain transmettent des données via le réseau sans fil constituant le BAN, une antenne étant associée à chaque nœud du réseau. La communication peut être in/on, on/on ou on/off selon que les antennes sont placées à l'intérieur, sur ou à l'extérieur du corps. Le développement des BAN nécessite la réalisation de modèles (ou fantômes) simulant au mieux les propriétés électromagnétiques du corps humain. Des antennes portables, miniaturisées doivent être réalisées avec des contraintes d'intégration d'une part (aux vêtements, à des objets type montre ou badge), des contraintes de résistance ou de prise en compte de l'influence du corps d'autre part. La réduction de l'impact des antennes sur les tissus en terme de SAR (Specific Absorption Rate) doit également être considérée. Dans ce travail, l'objectif est de développer des fantômes valables pour les communications dans et sur le corps. Les matériaux de base sélectionnés sont d'origine biologique (biocéramiques et biopolymères) avec des propriétés proches de celles des tissus humains. Ces fantômes étant biocompatibles, ils sont essentiellement non toxiques alors que les fantômes usuels le sont en général. D'autre part, différents types d'antennes conformables, fonctionnant dans la bande ISM 2.4 GHz ont été développées et étudiées dans la perspective du BAN. Les antennes voient leur adaptation et leur efficacité chuter au contact ou à proximité du corps, ce qui constitue un écueil majeur pour établir une bonne communication. Différentes méthodes permettant de réduire l'influence du corps (plan de masse à l'arrière, surface haute impédance, feuille de ferrite polymère) sont testés et leurs avantages et inconvénients développés. Des mesures de SAR permettent aussi de démontrer l'efficacité de ces méthodes sur la réduction de la puissance absorbée par les tissus. Au final, ce travail apporte une contribution à l'étude théorique et expérimentale de l'interaction entre corps humain et antenne dans le cadre des réseaux BAN appliqués à la télésurveillance de la santé

Ce travail de thèse consiste en la conception et l'analyse d'un système d'exposition des animaux in vivo avec les signaux Wi-Fi dans une chambre réverbérante. La nouvelle méthode d'excitation est appliquée avec 6 antennes qui fonctionnent aléatoirement pour avoir un champ plus homogène et des ondes venant de toutes les directions. Cette configuration permet d'éviter une grande taille du brasseur de la chambre réalisée. La répartition de puissance chez les rats est étudiée par la méthode hybride de simulation-mesure. La puissance incidente est enregistrée de même que le champ au centre de la chambre. Le rapport de la puissance incidente sur E carré moyenné est déterminé. La méthode FDTD est choisie pour la simulation et permet d'analyser la répartition de la puissance absorbée par les rats. La distribution du champ dans la chambre suit une statistique de Rayleigh comme il a été prouvé par les études et les mesures. Donc, la boîte de Huygens est utilisée pour émettre des ondes planes aléatoires (avec les paramètres suivant distribution Rayleigh) et exposer les rats. On peut alors obtenir le rapport de DAS pour le corps entier chez les rats sur E carré moyenné dans la chambre. Donc il est possible de relier le DAS corps entier chez les rats et la puissance d'entrée dans la chambre à E carré moyenné. Une autre méthode de simulation est aussi appliquée pour vérifier ce résultat. L'évaluation de la variabilité des résultats pour plusieurs paramètres à différents âges des rats est effectuée. En générale, les sources de variabilité sont classifiées selon trois parties : simulation, mesure, et interface entre les deux. Le DAS corps entier chez les rats pendant toute la période d'exposition avec le domaine de variabilité sont présentés dans ce travail. Cette étude pourra être utilisée afin d'évaluer des résultats d'une exposition à long terme des animaux. Elle pourra aussi servir à caractériser le champ dans des environnements domestiques et urbains

In this age of wireless technology, Body Area networks (BAN) is revolutionising the concept of patient care and health monitoring. BAN provides people good assessment of their health status at any time, wherever they are physically. The increased interest in developing effective body (in, on & off) communication systems made phantoms which can mimic the electrical properties of an actual human body necessary. Wearable antennas which are the indispensable part of BAN got to be low pro file and above all influences that human body can make. There should also be a way to reduce the effect of antennas on human body namely specific absorption rate (SAR). In this work effort has been made to develop phantoms suitable for both On body and In body communications. The base materials which are selected for the study are of biological origin (bio ceramics and biopolymers) whose behaviour is closer to that of human tissues. As these phantoms are biocompatible they are essentially non toxic where the conventionally available phantoms are toxic in nature. Different kinds of low profile conformal wearable antennas working at 2.4GHz ISM band were developed and studied in the BAN perspective. Antennas suffer much in terms of matching and efficiency when they are in contact or in the premises of human body. This is a major hurdle in the way to setting up a good body communication network. This work encompasses various techniques adopted to limit the body interferences to an acceptable level. The techniques adopted (Such as Backing Ground Plane, High Impedance Surface & Polymeric Ferrite Sheets) proved to be effective in reducing the sway in antenna characteristics when they are mounted on body. Specific absorption rate is also brought to acceptable levels and thus avoiding the formation of hot spots due to microwave absorption. A safer and cost effective BAN can be set up using this work which will lead to a safer, mobile and healthy future. / Les réseaux BAN (Body Area Network) révolutionnent le concept de la surveillance et de la prise en charge à distance de la santé du patient. Le BAN fournit des informations sur l’état de santé du patient en temps réel quelque soit l’endroit où il se trouve. Dans le « télé monitoring », des capteurs de mouvement, de respiration ou du rythme cardiaque placés à l’intérieur ou sur le corps humain transmettent des données via le réseau sans fil constituant le BAN, une antenne étant associée à chaque nœud du réseau. La communication peut être in/on, on/on ou on/off selon que les antennes sont placées à l’intérieur, sur ou à l’extérieur du corps. Le développement des BAN nécessite la réalisation de modèles (ou fantômes) simulant au mieux les propriétés électromagnétiques du corps humain. Des antennes portables, miniaturisées doivent être réalisées avec des contraintes d’intégration d’une part (aux vêtements, à des objets type montre ou badge), des contraintes de résistance ou de prise en compte de l’influence du corps d’autre part. La réduction de l’impact des antennes sur les tissus en terme de SAR (Specific Absorption Rate) doit également être considérée. Dans ce travail, l’objectif est de développer des fantômes valables pour les communications dans et sur le corps. Les matériaux de base sélectionnés sont d’origine biologique (biocéramiques et biopolymères) avec des propriétés proches de celles des tissus humains. Ces fantômes étant biocompatibles, ils sont essentiellement non toxiques alors que les fantômes usuels le sont en général. D’autre part, différents types d’antennes conformables, fonctionnant dans la bande ISM 2.4 GHz ont été développées et étudiées dans la perspective du BAN. Les antennes voient leur adaptation et leur efficacité chuter au contact ou à proximité du corps, ce qui constitue un écueil majeur pour établir une bonne communication. Différentes méthodes permettant de réduire l’influence du corps (plan de masse à l’arrière, surface haute impédance, feuille de ferrite polymère) sont testés et leurs avantages et inconvénients développés. Des mesures de SAR permettent aussi de démontrer l’efficacité de ces méthodes sur la réduction de la puissance absorbée par les tissus. Au final, ce travail apporte une contribution à l’étude théorique et expérimentale de l’interaction entre corps humain et antenne dans le cadre des réseaux BAN appliqués à la télésurveillance de la santé.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent une étude d'antennes large bande pour application automobile. L'objectif est de proposer des antennes discrètes et efficaces. Pour cela, après une étude d'antériorité, notre choix s'est porté sur le concept car-antenna qui consiste à utiliser la structure du véhicule comme élément rayonnant. Dans un premier temps, ce principe est appliqué à des structures métalliques simples telles qu'un parallélépipède ou une représentation simplifiée d'un véhicule de type Citroën C2 à l'échelle 1/2 avant d'être appliqué à des véhicules réels principalement dans la bande FM. Les impédances ainsi que les diagrammes de rayonnement théoriques et mesurés des structures ont montré qu'une amplification raisonnable du car-antenna permet d'approcher les performances de l'antenne fouet FM de référence. Nous avons observé que le diagramme de rayonnement du car-antenna s'oriente en fonction de la localisation du point excitateur. Dans la dernière partie, cette propriété est exploitée pour faire de la diversité de diagramme. Les calculs et les mesures faits dans ce sens ont montré que grâce à cette méthode, le besoin de l'amplification peut être largement revu à la baisse.

Ce travail de thèse consiste en la conception et l'analyse d’un système d'exposition des animaux in vivo avec les signaux Wi-Fi dans une chambre réverbérante. La nouvelle méthode d'excitation est appliquée avec 6 antennes qui fonctionnent aléatoirement pour avoir un champ plus homogène et des ondes venant de toutes les directions. Cette configuration permet d'éviter une grande taille du brasseur de la chambre réalisée. La répartition de puissance chez les rats est étudiée par la méthode hybride de simulation-mesure. La puissance incidente est enregistrée de même que le champ au centre de la chambre. Le rapport de la puissance incidente sur E carré moyenné est déterminé. La méthode FDTD est choisie pour la simulation et permet d’analyser la répartition de la puissance absorbée par les rats. La distribution du champ dans la chambre suit une statistique de Rayleigh comme il a été prouvé par les études et les mesures. Donc, la boîte de Huygens est utilisée pour émettre des ondes planes aléatoires (avec les paramètres suivant distribution Rayleigh) et exposer les rats. On peut alors obtenir le rapport de DAS pour le corps entier chez les rats sur E carré moyenné dans la chambre. Donc il est possible de relier le DAS corps entier chez les rats et la puissance d’entrée dans la chambre à E carré moyenné. Une autre méthode de simulation est aussi appliquée pour vérifier ce résultat. L’évaluation de la variabilité des résultats pour plusieurs paramètres à différents âges des rats est effectuée. En générale, les sources de variabilité sont classifiées selon trois parties : simulation, mesure, et interface entre les deux. Le DAS corps entier chez les rats pendant toute la période d’exposition avec le domaine de variabilité sont présentés dans ce travail. Cette étude pourra être utilisée afin d'évaluer des résultats d’une exposition à long terme des animaux. Elle pourra aussi servir à caractériser le champ dans des environnements domestiques et urbains / This thesis dedicates to design and analysis for the animal in vivo Wi-Fi exposure system by reverberation chamber. 6 random functioned antennas are deployed in the reverberation chamber to radiate the rats with homogenous field and Omni-direction waves. So, there is no significant size stirrer in the system. Power absorption by rats is studied by the simulation-measurement hybrid method. In this method, by measurement, incident power and the mean squared E in the system are recorded. The ratio these factors are obtained. For simulation, FDTD is chosen to analyse the power absorption by the rats. E distribution in reverberation chamber is proved as Rayleigh statistics by studies and measurements. One Huygens box is constructed to radiate the rats. There is no need to realise the wall, the antennas and the accessories of the system. So the whole body averaged SAR can be obtained with the mean squared E in the chamber. Then whole body averaged SAR is linked with the incident power. One other method has also been applied to verify the results. Evaluation of the result variability depending on different parameters of rats with different ages is performed. The variability comes from simulation, measurement and interface between these two parts. Whole body averaged SAR with the variability domain on function of the rat's age is presented in this thesis. This work can be used to evaluate the long term animal exposition. It can also serve to characterise the field in modern domestic and urban environments