Cette thèse est une contribution au développement d’émetteurs-récepteurs monolithiques en bande millimétrique pour réseau de capteurs sans fils. Le déploiement des réseaux de capteurs sans fils autonomes de courte portée s’oriente vers l’intelligence ambiante, modifiant la façon dont nous interagissant avec notre environnement. L’internet des objets se démocratise rapidement, avec une augmentation sans précédent des objets connectés. Ces noeuds, de plus en plus nombreux, doivent être le plus discrets et autonomes, tout en ayant des caractéristiques et performances toujours meilleures. La densification des réseaux de nœuds autonomes amplifie de surcroit les problématiques d’interférences et de multi-trajets. Le développement de capteurs en bandes millimétriques doit permettre de réduire la taille des noeuds. Notamment en réduisant les dimensions de la partie antennaire qui constitue généralement le facteur limitant l’intégration d’un système. Cette intégration sera accompagnée de solutions permettant la réduction de la consommation des capteurs. Ainsi, nous avons conçu des antennes, basées sur le principe de rayonnement des lignes à fentes progressives permettant de réduire les contraintes habituelles de conception des antennes. Les antennes sont réalisables sur des substrats de permittivité élevée et de taille réduite, et directement intégrables en technologie MMIC. Nous avons également effectuée une caractérisation expérimentale d’amplificateurs et une étude poussée de la stabilité des circuits amplificateurs en bande G. Notamment en utilisation la méthode NDF. Ceci nous a permis de concevoir un amplificateur faible bruit dont les grilles peuvent être commandées par des impulsions courte permettant la conception d’un système émetteur/récepteur très faible consommation adapté à une utilisation au sein de réseaux de capteurs autonomes sans-fils. / This thesis is a contribution to the development of transceivers for monolithic millimeter-wave wireless sensors networks. The deployment of short-range and autonomous wireless sensors networks tends towards ambient intelligence, changing the way we interact with our environment. The Internet of Things is democratizing rapidly with an unprecedented increase of connected objects. These nodes must and should become more discrete and independent, while still improving their features and performance. Moreover, the increase in nodes number constituting those networks amplifies well-known issues as interferences and indoor multipath problems. The development of sensors using millimeter-wave communications (D-band and G-band) should allow smaller nodes by reducing the antennas dimensions since the antenna is usually the technological lock in system integration. This integration will be accompanied by solutions for reducing node’s consumption. Thus, we have designed antennas, based on slot-line to reduce the usual constraints of antenna design. The antennas are well on substrates of high permittivity and small dimensions, with MMIC compatible technology. The experimental results are well consistent with the 3D electromagnetic simulation. We have also performed an experimental characterization of amplifiers and extensive study of amplifier’s stability in G-band. This study was performed using NDF method. This has allowed us to design a low noise amplifier that can be controlled by short pulses in order to realize a very low power tranceiver suitable for autonomous wireless networks-sensors.

Nous présentons une étude numérique et expérimentale des propriétés de réfraction des matériaux à bandes photoniques interdites bidimensionnels diélectrique et métallique en micro-ondes. Nous examinons en particulier les effets d'ultraréfraction et de super prisme dans une gamme de fréquences 6 GHz et 16 GHz. L'étude numérique est concentrée sur des structures bidimensionnelles finies et infinies. Dans le cas des structures finies nous avons utilisé un logiciel de simulation basé sur la méthode des éléments finis. Quant aux structures infinies nous avons utilisé la méthode des ondes planes et la méthode de la super cellule. Les aspects expérimentaux sont concentrés sur la vérification des prédictions numériques. Nous montrons qu'un matériau à bandes interdites photoniques diélectrique se comporte comme un milieu homogène linéaire et isotrope dans sa première gamme de fréquences permises. Dans la première bande de fréquences interdites, nous vérifions que les photons ont une probabilité de transition non nulle dans une région de l'espace qui, classiquement leur serait interdite. Au bord de la bande interdite, nous obtenons un effet ultraréfractif. Puis nous étudions effet d'une répartition de défauts dans la structure diélectrique, et nous montrerons que les défauts de surface changent la trajectoire de l'onde dans le cristal photonique et permettent l'excitation de nouveaux modes électromagnétiques. Ces propriétés peuvent aboutir à une amélioration du rendement des antennes et des multiplexeurs en longueur d'onde. Dans le cas d'un matériau à bande interdite photonique métallique, nous montrons numériquement et expérimentalement qu'il se comporte comme un milieu homogène ultraréfractif dont l'indice effectif est compris entre 0 et 1. Nous vérifions aussi que dans la première bande de fréquences interdites, les défauts de surface dans les cristaux métalliques changent la trajectoire de l'onde électromagnétique et permettent l'excitation de nouveaux modes électromagnétiques

Ce travail de thèse est composé de deux partie distinctes. La première partie est consacrée à l'étude et la modélisation des métamatériaux et tout particulièrement à leur caractérisation. Il s'agit donc de proposer des paramètres constitutifs équivalents (permittivité, perméabilité et couplage magnéto-électrique) qui permettent de remplacer les métamatériaux, composés à l'origine de réseaux périodiques de cellules discrètes, par des milieux homogènes et continus. Deux régimes sont considérés : sub-longueur d'onde et longueur d'onde. Dans le premier régime, les dimensions de la cellule de base, en particulier la période du réseau, sont très faibles devant la longueur d'onde. Le métamatériau est alors modélisé par un milieu bi-anisotrope continu. Pour le deuxième régime, les dimensions et la période sont comparables à la longueur d'onde. Les paramètres constitutifs sont alors définis au sens "local" qui prend en compte le caractère discret et périodique de la structure. Enfin, la caractérisation consiste à extraire les paramètres constitutifs à partir des coefficients de réflexion et de transmission d'une lame de métamatériau. Pour cela, nous appliquons la méthode d'inversion sous sa forme classique pour le régime "sub-longueur d'onde" et son extension aux structures périodiques pour le régime "longueur d'onde". L'une des contributions majeure de ce travail est l'application des incidences obliques (à l'interface air-métamatériau) pour extraire les paramètres constitutifs longitudinaux. La seconde partie de ce travail de thèse concerne le développement d'antennes directives à partir de sources rayonnantes à modes orthogonaux. Il est bien connu que la directivité est directement limitée par les dimensions de l'antenne ou par le nombre de sources dans un réseau. L'objectif est de mettre en œuvre une méthode alternative qui, tout au moins sur le plan conceptuel et théorique, ne relie pas la directivité à la taille de l'antenne. Nous utilisons donc la combinaison de modes rayonnants orthogonaux pour maximiser la directivité d'antennes tout en minimisant les dimensions du réseau et en limitant le couplage. Chaque source du réseau se doit rayonner un mode propre et unique qui, combiné avec une autre source, permet d'augmenter la directivité. Pour cette étude, le développement théorique des modes sphériques puis cylindriques est tout d'abord présenté afin de mettre en évidence le lien entre la directivité et les modes. En pratique, la mise en œuvre de modes sphériques a révélé des difficultés de conception, si bien que des solutions d'antennes basées sur l'anneau rayonnant sont proposées pour réaliser des sources à modes orthogonaux "cylindriques". Les topologies de structures rayonnantes directives proposées associant des antennes anneaux sont validées en simulation et par la conception puis la mesure de prototypes. / The work presented in this thesis concerns two parts: characterisation methods for metamaterials and directive antennas using space eigen-modes. The first one describes the homogenisation methods of metamaterials to retrieve the constitutive parameters from scattering parameters of the metamaterial's slab. We investigated the metamaterials which present the most common properties of media: bi-isotropic metamaterials (chiral), anisotropic metamaterials (BC-SRR), uni-axial bi-anisotropic metamaterials (double omega medium) and bi-axial bi-anisotropic metamaterials (EC-SRR). The transverse and longitudinal constitutive parameters characterising the anisotropic and bi-anisotropic require to examine the media at normal and oblique incidences. In the analysis we considered to distinguish continuous media restricted to long wave limit and resonating particles lattice which are out of long wave limit. The application of continuous media approach to the resonating particle lattice with size not satisfying the long wave limit can leads to violation of causality and passivity laws. The main different between proposed two approaches is interpretation of boundary conditions (Maxwellian/non-Maxwellian) for the metamaterial slab. The inclusions of lattice we ascribe as electric and magnetic dipole moments to develop an homogeneous resonating particles lattice and to retrieve the constitutive parameters. We validated the proposed approaches and compared the retrieved constitutive parameters according to physical laws. We found that the application of Bloch admittance and equivalence to electric and magnetic dipole moments provides the physical constitutive parameters. The second part of the thesis refers to directive antenna using space eigen-modes. The directivity of the antennas is limited to the size of the antenna or number of elements in an array. In common with keeping small sizes of the array the space between radiation elements has to be minimised. The proposed directive antenna considers the radiation elements determine by the orthogonal modes, i.e. each radiator of the array corresponds to unique space eigen-mode. This allows to ensure small distance between the array elements without introduction of high mutual coupling between them. The original approach refers to superposition of spherical modes however it is not practical. Instead of spherical modes we propose superposition of cylindrical modes which are easy to be realised. For the constructive summation of cylindrical modes and maximisation of directivity in end-fire plane we determine amplitudes of the cylindrical modes excited by electric and/or magnetic vector potentials. The cylindrical modes we obtain by the annular ring antennas and miniaturised annular rings. The superposition of cylindrical modes is achieved with a stacked antenna of annular rings and a coplanar cylindrical annular rings antenna. The both antennas we realised and measured.

Ce travail se divise en deux parties : la première concerne l'étude des structures périodiques planaires associées aux antennes et la seconde, les structures périodiques conformes. Même si la première partie est un sujet étudié depuis plusieurs années, cette thèse apporte une analyse nouvelle (source placée à l'intérieur de la structure, méthode basée sur la théorie des réseaux...) et de nouveaux résultats (lieux de résonance et extrema, obtention de structures avec la dualité des bandes interdites et propagées, adaptation d'une antenne insérée dans une structure périodique planaire, ouverture angulaire en fonction de la fréquence...). Les structures périodiques conformes sont par contre nouvelles. Il est fait une étude systématique de ces structures. L'application principale de la thèse est un projet RNRT dont l'objectif est de réaliser des antennes pour station de base GSM-UMTS. Une antenne utilisant une structure périodique conforme et répondant au cahier des charges, a été conçue.

La pénurie d'énergie et le manque d'infrastructures dans les régions rurales représentent une barrière pour le déploiement et l'extension des réseaux cellulaires. Les approches et techniques pour relier les stations de base (BSs) entre elles à faible coût et d'une manière fiable et efficace énergiquement sont l'une des priorités des opérateurs. Ces réseaux peu denses actuellement, peuvent évoluer rapidement et affronter une croissance exponentielle due principalement à l'utilisation des téléphones mobiles, tablettes et applications gourmandes en bande passante. La densification des réseaux est l'une des solutions efficaces pour répondre à ce besoin en débit élevé. Certes, l'introduction de petites BSs apporte de nombreux avantages tels que l'amélioration du débit et de la qualité du signal, mais entraîne des contraintes opérationnelles telles que le choix de l'emplacement des noeuds dans ces réseaux de plus en plus denses ainsi que leur alimentation. Les problèmes où la contrainte spatiale est prépondérante sont bien appropriés à la modélisation par la géométrie stochastique qui permet une modélisation réaliste de distribution des BSs. Ainsi, l'enjeu est de trouver de nouvelles approches de gestions d'interférence et de réductions de consommation énergétique dans les réseaux sans fil. Le premier axe de cette thèse s'intéresse aux méthodes de gestion d'interférence dans les réseaux cellulaires se basant sur la coordination entre les BSs, plus précisément, la technique Coordinated MultiPoint Joint Transmission (CoMP-JT). En CoMP-JT, les utilisateurs en bordure de cellules qui subissent un niveau très élevé d'interférences reçoivent plusieurs copies du signal utile de la part des BSs qui forment l'ensemble de coordination. Ainsi, nous utilisons le modèle r-l Square Point Process (PP) à fin de modéliser la distribution des BSs dans le plan. Le processus r-l Square PP est le plus adapté pour modéliser le déploiement réel des BSs d'un réseau sans fil, en assurant une distance minimale, (r - l), entre les points du processus. Nous discutons l'impact de la taille de l'ensemble de coordination sur les performances évaluées. Ce travail est étendu pour les réseaux denses WiFi IEEE 802.11, où les contraintes de portées de transmission et de détection de porteuse ont été prises en compte. Dans le deuxième axe du travail, nous nous intéressons à l'efficacité énergétique des réseaux mesh. Nous proposons l'utilisation des antennes directionnelles (DAs) pour réduire la consommation énergétique et améliorer le débit de ces réseaux mesh. Les DAs ont la capacité de focaliser la transmission dans la direction du récepteur, assurant une portée plus importante et moins d'énergie dissipée dans toutes les directions. Pour différentes topologies, nous dérivons le nombre de liens et montrons que ce nombre dépend du nombre de secteurs de l'antenne. Ainsi, en utilisant les simulations, nous montrons que le gain, en énergie et en débit, apporté par les DAs peut atteindre 70% dans certains cas. De plus, on propose un modèle d'optimisation conjointe d'énergie et du débit adapté aux réseaux WMNs équipés de DAs. La résolution numérique de ce modèle conforte les résultats de simulation obtenus dans la première partie de cette étude sur l'impact des DAs sur les performances du réseau en termes de débit et d'énergie consommée. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet collaboratif (FUI16 LCI4D), qui consiste à concevoir et à valider une architecture radio ouverte pour renforcer l'accès aux services broadband dans des lieux ne disposant que d'une couverture minimale assurée par un réseau macro-cellulaire traditionnel. / Today's networks continue to evolve and grow resulting more dense, complex and heterogeneous networks.This leads to new challenges such as finding new models to characterize the nodes distribution in the wireless network and approaches to mitigate interference. On the other hand, the energy consumption of WMNs is a challenging issue mainly in rural areas lacking of default electrical grids. Finding alternative technologies and approaches to reduce the consumed energy of these networks is a interesting task. This thesis focuses on proposing and evaluating interference management models for next generation wireless networks (5G and Very Dense High WLANs), and providing tools and technologies to reduce energy consumption of Wireless Mesh Networks (WMNs). Two different problems are thus studied; naturally the thesis is divided into two parts along the following chapters.The contribution of the first part of the thesis is threefold. Firstly, we develop our interference management coordination (CoMP-JT) model. The main idea of CoMP-JT is to turn signals generating harmful interference into useful signals. We develop a new model where BSs inside the coordinated set send a copy of data to border's users experiencing high interference. We consider the r-l Square point process to model the BSs distribution in the network. We derive network performance in terms of coverage probability and throughput. Additionally, we study the impact of the size of coordination set on the network performance. Secondly, we extend these results and provide a new model adopted for Dense Very high throughput WLANs. We take into consideration constraints of WLANs in our model such as carrier sensing range. Thirdly, we tackle resource allocation strategies to limit the interference in LTE networks. We study three cyclic allocation strategies: (i) the independent allocation, (ii) the static allocation and (iii) the load-dependent strategy. We derive tractable analytical expression of the first and second mean of interference. We validate the model using extensive simulations. Reducing the energy consumption and improving the energy efficiency of WMNs is our concern in the second part of the thesis. Indeed, we aim at studying the impact of directional antennas technology on the performance of WMNs, using both analysis and simulations. Fisrt, We derive the Number of Links (NLs) for the chain and grid topologies for different antennas beams. These results are based on the routing tables of nodes in the network. We consider different scenarios such as 1Source-NDestinations to model the downlink communications, NSources-1Destination to model the uplink communications and the 1Source-1Destination as a baseline scenario. Using ns-3 simulator, we simulate network performance in terms of Mean Loss Ratio, throughput, energy consumption and energy efficiency. Then, we study the impact of number of beams, network topology and size, the placement of the gateway on the network performance. Next, we go beyond simulations and propose an optimization framework minimizing the consumed energy while maximizing the network throughput for DAs WMNs. We consider a weighted objective function combining the energy consumption and the throughput. We use power control to adapt transmission power depending on the location of the next hop. This model is a first step to approve the obtained simulation results. We use ILOG Cplex solver to find the optimal solution. Results show that DAs improves the network throughput while reduce the energy consumption and that power control allows saving more energy. In this direction, the LCI4D Project aims at providing low cost infrastructure to connect isolated rural and sub-urban areas to the Internet. In order to reduce the installation and maintenance costs, LCI4D proposes the usage of self-configured Wireless Mesh Networks (WMNs) to connect multimode outdoor femtocells to the remote Marco cell (gateway).