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.

L'essor récent des communications Ultra Large Bande a nécessité des antennes spécialement adaptées à cette technologie. Cette thèse explicite les besoins en éléments rayonnants caractérisés ainsi que les contraintes spécifiques liées à la conception d'antennes pour ces systèmes. Un état de l'art des antennes large bande valide le choix d'une base d'étude. L'optimisation d'une antenne papillon précède la présentation d'une nouvelle structure imprimée. Cette géométrie d'antenne alimentée par guide d'onde coplanaire lui confère une adaptation d'impédance à 50 Ω, un rayonnement omnidirectionnel, ainsi qu'un encombrement et un coût limités. L'insertion d'une ouverture triangulaire ainsi que de fentes capacitives au sein du triangle rayonnant améliore l'adaptation, élargit la bande passante et réduit l'encombrement. Un second travail a consisté à obtenir un rayonnement moins directif en adoptant des formes de plans de masse latéraux appropriés. Les résultats simulés ont été validés par quatre réalisations. L'effet combiné des améliorations permet à l'antenne finale de présenter une réduction de taille de 70 %. Enfin, une antenne imprimée elliptique alimentée par CPW est étudiée et réalisée. Des mesures temporelles ont été nécessaires afin de caractériser les antennes. Le mode opératoire et les traitements appliqués sont décrits et validés. Les fonctions de transfert des antennes en émission et réception sont séparées. Leur caractérisation dans différentes directions de propagation permet de présenter les déformations subies par une impulsion référence lors de son rayonnement par les antennes. Leur dispersion a ainsi pu être comparée selon la direction et l'antenne utilisée.

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

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse s'intéresse au problème de l'imagerie microonde bidimensionnelle polarimétrique. Il est scindé en deux parties, la première est dédiée aux études expérimentales liées à la détection d'objets enfouis tandis que la seconde présente le développement d'un algorithme d'imagerie quantitative. Ainsi le travail effectué dans la première partie du manuscrit porte sur la réalisation d'antennes ultra-large bande et la détermination de leur comportement lors de mesures polarimétriques sur sites. Dans ce dernier cas, plusieurs tests ont été réalisés et permettent de conclure sur les qualités des capteurs développés. Dans une deuxième phase, un code d'imagerie bidimensionnelle prenant en compte à la fois la polarisation 2D-TM et 2D-TE est présenté. Le développement d'un algorithme de diffraction électromagnétique est tout d'abord exposé. Son association avec un algorithme de problème inverse existant déjà au laboratoire permet alors de générer le code d'imagerie quantitative. Plusieurs configurations de reconstruction d'objet homogène, isotrope ou non, permettent ensuite de mettre en évidence ses capacités.

Depuis le lancement systèmes des communications d'ultra large bande (ULB) en courtes distances les facteurs comme la miniaturisation d'appareil et haut débit créer des grands défis pour les concepteurs d'antennes. Une façon de faire le travail de conception facile est du modéliser statistiquement la variabilité de comportement de rayonnement de l'antenne en fonction de sa géométrie. Tel effort est également utile pour la meilleure utilisation du canal de communication si on combine le modèle d'antenne avec ça. Cette thèse est une tentative vers la modélisation statistique des antennes ULB. Le sujet est confronté à deux défis majeurs, la création de la population statistiques considérable d'une classe(s) d'antenne et la modélisation du diagramme de rayonnement de l'antenne qui est composé de grand nombre de paramètres complexes. Dans cette thèse, nous essayons de répondre le premier en proposant une approche de conception générique pour les antennes planaires ULB et le second en présentant l'utilisation de technique l'ultra-compressé de modélisation paramétrique. L'approche de conception générique est basé sur des formes trapézoïdales et offre une grande flexibilité et polyvalence dans la conception des antennes ULB diverses. Cette approche montre une facilité importante dans l'optimisation d'antennes (également pour la création de la population), car elle réduit le nombre de paramètres qui contrôle la géométrie de l'antenne, sans compromettre le degré de liberté. Ultra-compressé modélisation paramétrique est basée sur deux méthodes de synthèse d'antenne, la méthode d'expansion singularité (SEM) et sphériques méthode d'expansion de mode (SMEM) qui permettent de réduire le nombre de paramètres complexes requis pour le diagramme de rayonnement de 99,9%, permettant à l'effort de modélisation possibles. Un modèle statistique de l'antenne biconique basé sur cette technique a été présenté