La télémétrie biomédicale et l’interfaçage neuronal à base de dispositifs miniatures et autonomes sans fil constituent de nouvelles applications en émergence. Elles visent à répondre à de nombreux enjeux y compris dans les domaines de la santé, du sport et bien être, ou encore de la sécurité au travail et de la défense. Parmi les applications typiques de biotélémétrie, nous pouvons citer le monitoring de certains paramètres physiologiques : température corporelle, pression artérielle, rythme cardiaque, taux de glucose et d’anticorps, détection d’agents chimiques, etc. En ce qui concerne l’interfaçage neuronal, il permet de restaurer les informations sensorielles, d’aider à la réadaptation des amputés, des personnes atteintes de paralysie ou des patients atteints de maladies neurodégénératives. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer au développement de dispositifs miniaturisés et communicants pour le monitoring, en continu, de variables physiologiques d’humains ainsi que d’animaux. Ces dispositifs innovants nécessitent un système de communication fiable. Plus particulièrement, il s’agit d’analyser le milieu de propagation à l’intérieur des tissus biologiques et de développer des antennes miniatures innovantes ainsi que des méthodes pour leur analyse et leur caractérisation. Le verrou majeur concerne le rendement des antennes miniatures. Les effets de forte hétérogénéité, dispersion, pertes très élevées des milieux biologiques et les contraintes de miniaturisation et d’intégration dans des dispositifs in-body limitent la portée des systèmes existants à quelques dizaines de centimètres. Tout d’abord, des outils spécifiques de modélisation et d’optimisation ont été développés en collaboration avec l’Université de Bohème de l’Ouest. Ces outils sont indispensables pour l’analyse des composants de systèmes antennaires complexes : le code Agros2D (CAO interne) utilise des méthodes entièrement adaptatives. Cette approche permet de réduire la complexité d’optimisation des antennes in-body jusqu’un seul dégrée de liberté. Puis, la limite fondamentale de rendement des antennes pour les applications in-body a été définie ; les liens entre cette limite et la taille de l’antenne, sa fréquence de fonctionnement, la polarisation et les matériaux utilisés (dont hypothétiques) ont été quantifiés pour la première fois. Ce travail fondamental a d’abord pour objectif l’optimisation des performances de l’antenne actuelle de la capsule e-Celsius de l’entreprise BodyCAP pour accroître la portée de la gélule, en prenant en compte les caractéristiques des matériaux et le milieu de propagation que constituent les tissus biologiques. Dans cette étape on inclut également la fabrication des prototypes de gélules télémétriques ainsi que leurs mesures d’impédance. L’antenne optimisée a une portée trois fois plus importante que celle actuelle tout en occupant le même volume. En utilisant ces principes de conception, nous avons développé et caractérisé une antenne à 434 MHz adaptée à une large gamme d'applications in-body. Des dimensions ultra-miniatures, une robustesse et un rendement accrus permettent de l'utiliser à la fois pour des applications des capsules à implanter et à avaler. Enfin, en développant davantage les méthodes de conception et d’optimisation, nous avons conçu une antenne double-bande. Ayant la même robustesse que son équivalent actuel mono-bande, elle présente également un rendement encore plus élevé, permettant ainsi de fonctionner au-delà de 10 m. La caractéristique double-bande permet de concevoir les dispositifs in-body rechargeables sans fil dans le corps. Les antennes proposées contribuent au développement ultérieur d'une nouvelle génération de dispositifs miniatures in-body qui impliquent une intégration complexe et dense des capteurs, de la logique et de la source d'alimentation. / Emerging wireless biotelemetry using miniature implantable, ingestible or injectable (in-body) devices allows continuously monitor and yield human or animal physiological parameters while maintaining mobility and quality of life. Recent advances in microelectromechanical systems and microfluidics—along with ongoing miniaturization of electronics—have empowered numerous innovations in biotelemetry devices, creating new applications in medicine, clinical research, wellness, and defense. Among the typical applications, I can mention, for example, the monitoring of physiological variables: body temperature, blood pressure, heart rate, detection of antibodies, chemical, or biological agents. Biotelemetry devices require a reliable communication system: robust, efficient, and versatile. Improving the transmission range of miniature in-body devices remains a major challenge: for the time being, they are able to operate only up to a few meters. Among the main issues to face are low radiation efficiencies (< 0.1%), antenna impedance detuning, and strong coupling to lossy and dispersive biological tissues. Thus, the main goal of the thesis is to conduct a multi-disciplinary study on development, optimization and characterization of antennas for in-body biotelemetry devices. After state-of-the-art and the context, I start with the development on both physical and numerical approaches to account for the effect of human tissues on the antenna. I propose the methodology to achieve given electromagnetic properties at a given frequency based on the full factorial experiment and surface response optimization. In addition, I describe the spherical physical phantom for the far-field characterization along with a combination of feed decoupling techniques. I proceed by reviewing the trough-body propagation mechanisms and deriving the optimal frequency for the in-body devices. I formulate the problem using four phantoms (homogeneous and heterogeneous) and perform full-wave analysis using an in-house hp-FEM code Agros 2D. Next, I study the existing antenna used by the BodyCap Company for its e-Celsius capsule and the ways on how to improve its operating range and robustness under strict integration and material constraints. The mechanisms of antenna–body coupling are analyzed and the found solution improves the antenna IEEE gain by 11 dBi (the operating range is at least tripled). The existing matching circuit and balun are optimized too for the given application reducing its size from eleven to seven discrete elements. In the following chapters, I continue studying the decoupling of antennas from a body using specific microstrip designs and dielectric loading via capsule shell. By applying the developed approaches, a high robustness and radiation efficiency can be achieved. At first, I develop a proof-of-concept antenna that demonstrates that the perfect matching (detuning immunity) is achievable for the operation within all human tissues. Based on these results, I develop a miniature and versatile biotelemetry platform: a 17 mm x 7 mm alumina capsule containing a conformal 434 MHz antenna. The antenna is well matched to 50 Ohm within the majority of human tissues and operates with an arbitrary device circuitry. Like this, one can use it ''as is,'' applying it for a wide range of in-body applications. Then, I develop a low profile conformal dual-band antenna operating in 434 MHz and 2.45 GHz bands. Such antenna can integrate both data transmission and wireless powering functionality increasing the available space inside an in-body device and increasing its scope of applications. Finally, I present the perspective developments including in-body sensing methodology. The obtained results contributes to further development of a new generation of miniature in-body devices that involve complex and dense integration of sensors, logic, and power sources.

Le travail de cette thèse concerne la conception de nouvelles architectures d'antennes miniatures ou multifréquences en utilisant la technique inspirée des métamatériaux. Les antennes proposées sont munies de nouvelles formes d'éléments parasites qui permettent d'obtenir des structures compactes et donc facilement intégrables dans les terminaux mobiles. Par la suite, l'étude et la conception d'antennes directives et reconfigurables en diagramme de rayonnement par la technique inspirée des métamatériaux a été menée. En première partie, une étude paramétrique sur les paramètres pertinents de la structure a été effectuée afin de bien comprendre le fonctionnement de celle-ci. En deuxième partie, des antennes miniatures et directives sont proposées. Finalement, de nouvelles structures directives et reconfigurables en diagramme de rayonnement sont présentées. / The work of this thesis concerns the design of new architectures of miniature antennas by using the concept of metamaterials-inspired.The proposed antennas integrate new shapes of parasitic elements that allow to obtain compact structures and therefore easily integrated into mobile devices.

L' Imagerie médicale par Résonance Magnétique (IRM) constitue un outil puissant pour le diagnostic et le suivi de pathologies dans le cadre des modèles développés sur petit animal en neurosciences. Cette application requiert une haute résolution spatiale et un Rapport Signal à Bruit(RSB) élevé, rendus possibles par l’utilisation d’un haut champ magnétique (7 T) et d’une antenne miniature à forte sensibilité, implantée à proximité de la zone d’intérêt. Le design monolithique de l’antenne, appelé Résonateur Multi-tours à Lignes de Transmission (RMLT), permet la miniaturisation en dessous du centimètre et sa réalisation par les technologies de microfabrication en salle blanche.Afin de réduire l’aspect invasif de l’implantation, l’antenne a été réalisée sur support souple :FEP Téflon® ou PDMS. Pour résoudre les problèmes d’adhérence liés à ces matériaux polymères, des traitements plasmas spécifiques ont été mis en œuvre pour le FEP Téflon® tandis qu’un procédé de transfert de motifs dédié au PDMS a été élaboré. Outre la fiabilité mécanique, l’épaisseur du revêtement PDMS assurant la bio compatibilité de l’antenne a été optimisée pour limiter le couplage diélectrique avec les tissus et ainsi conserver des caractéristiques électromagnétiques appropriées à l’IRM à 7 T lorsque l’antenne est implantée. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation des premières images du cerveau du rat acquises in vivo avec une micro-antenne souple implantée. Ces images ont démontré un RSB amélioré d’un facteur 5, comparées à celles acquises avec une antenne commerciale quadrature. D’autres applications et perspectives dans le domaine biomédical sont ouvertes par ces travaux comme des capteurs pour la détermination des propriétés diélectriques des tissus, et des microbobines et des capteurs de pression intégrés dans les canaux microfluidiques. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a powerful tool for the diagnosis and the monitoring of diseases in the frame of research models developed on small animal in neurosciences. This application requires a high spatial resolution and a high Signal to Noise Ratio (SNR) using a high magnetic field (7 T) and a highly sensitive miniaturized coil, implanted near the interest area. The coilmonolithic design, called Multi-turn Transmission Lines Resonator (MTLR), allows theminiaturization below the centimeter scale and the clean-room technology. To reduce the invasive aspect of implantation, the coil was fabricated on a flexible substrate: FEP Teflon® or PDMS. To overcome adhesion issues related to these polymers, specific plasma treatments were applied to FEPTeflon® while a transfer process dedicated to PDMS was developed. Besides mechanical reliability, the thickness of the PDMS coating ensuring the coil biocompatibility, was optimized to limit the dielectric coupling with tissues and thus to keep suitable electromagnetic characteristics for 7 T MRI when the coil is implanted. This work allowed the achievement of the first images of the rat brain acquired in vivo using an implanted soft coil. These images have shown a 5-fold enhanced SNRcompared with the ones acquired using a commercial quadrature coil. Other applications in the biomedical field are open by this work: sensors for the dielectric characterization of tissues, integrated microcoils and pressure sensors in microfluidic channels.

Ce document résume dix années de recherche dans le domaines des antennes pour petits objects communicants ainsi que les techniques de caractérisation associées.

L' Imagerie médicale par Résonance Magnétique (IRM) constitue un outil puissant pour le diagnostic et le suivi de pathologies dans le cadre des modèles développés sur petit animal en neurosciences. Cette application requiert une haute résolution spatiale et un Rapport Signal à Bruit(RSB) élevé, rendus possibles par l'utilisation d'un haut champ magnétique (7 T) et d'une antenne miniature à forte sensibilité, implantée à proximité de la zone d'intérêt. Le design monolithique de l'antenne, appelé Résonateur Multi-tours à Lignes de Transmission (RMLT), permet la miniaturisation en dessous du centimètre et sa réalisation par les technologies de microfabrication en salle blanche.Afin de réduire l'aspect invasif de l'implantation, l'antenne a été réalisée sur support souple :FEP Téflon® ou PDMS. Pour résoudre les problèmes d'adhérence liés à ces matériaux polymères, des traitements plasmas spécifiques ont été mis en œuvre pour le FEP Téflon® tandis qu'un procédé de transfert de motifs dédié au PDMS a été élaboré. Outre la fiabilité mécanique, l'épaisseur du revêtement PDMS assurant la bio compatibilité de l'antenne a été optimisée pour limiter le couplage diélectrique avec les tissus et ainsi conserver des caractéristiques électromagnétiques appropriées à l'IRM à 7 T lorsque l'antenne est implantée. L'ensemble de ces travaux a permis la réalisation des premières images du cerveau du rat acquises in vivo avec une micro-antenne souple implantée. Ces images ont démontré un RSB amélioré d'un facteur 5, comparées à celles acquises avec une antenne commerciale quadrature. D'autres applications et perspectives dans le domaine biomédical sont ouvertes par ces travaux comme des capteurs pour la détermination des propriétés diélectriques des tissus, et des microbobines et des capteurs de pression intégrés dans les canaux microfluidiques.

Cette thèse porte sur le dépôt et la caractérisation diélectrique des matériaux perovskites La-Ti-O-N pour des applications antennaires hyperfréquences. Ces composés ont été déposés en couches minces par pulvérisation réactive à partir de cibles oxyde et oxynitrure. Selon le gaz réactif utilisé, plusieurs compositions ont été atteintes, couvrant un large spectre de propriétés diélectriques. Les films oxynitrures LaTiO2N montrent des constantes diélectriques élevées en basses et hautes fréquences, qui s'accompagnent de fortes pertes diélectriques. Des accordabilités limitées ont été mesurées à basses fréquences (8 % sous un champ de 16,7 kV/cm). Les couches oxydes montrent de très faibles pertes diélectriques (~ 1 %) à 10 GHz sans agilité. La combinaison composite de ces deux phases a pu être réalisée par dépôt multicouches. Une accordabilité de 15 % sous 44 kV/cm a été mesurée sur une bicouche oxynitrure/oxyde, associée à une baisse significative des pertes diélectriques.

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.

La miniaturisation d’antenne est un défi important, en particulier en bande VHF où les longueurs d’onde sont grandes. Parmi les différentes techniques rencontrées dans la littérature, une approche théorique originale repose sur l’utilisation de la résonance électrostatique de sphères sub-longueur d’onde de permittivité négative (ENG pour Epsilon NeGative). L’implémentation pratique de cette solution en considérant une décharge plasma comme milieu ENG est étudiée dans ces travaux de thèse. Le plasma laisse entrevoir des potentialités intéressantes pour ce type d’antennes miniatures comme la furtivité et la reconfigurabilité en fréquence. Dans un premier temps, différents modèles analytiques sont développés afin étudier le comportement électromagnétique de petites sphères réalistes de plasma. Ces modèles permettent par ailleurs la construction de schémas numériques précis et adaptés aux simulateurs électromagnétiques commerciaux. Dans un second temps, un prototype fonctionnel est méthodiquement conçu. La solution proposée permet l’intégration du système d’excitation de la décharge plasma au sein de l’antenne sans en perturber son fonctionnement nominal. Ce prototype permet la caractérisation des paramètres plasma de la décharge et du comportement électromagnétique du résonateur sphérique à plasma. Enfin, un travail annexe d’intégration de décharges plasma dans des circuits planaires en technologie micro-ruban est présenté. Les conceptions, modélisations et caractérisations expérimentales de ces résonateurs planaires permettent de mettre en évidence les capacités du plasma pour leur accordabilité en fréquence. / Antenna miniaturisation is a major issue, especially in the VHF band whose wavelengths are significant. Amongst the solution in the litterature, a recent theoretical technique relies upon the electrostatic resonance of negative permittivity (ENG) subwavelength spheres. In this work, the use of a plasma discharge as ENG medium is under consideration. Plasma indeed suggests new potentialities for this kind of small antennas, such as stealth and frequency agility. Firstly, several analytical models are developed to study the electromagnetic response of subwavelength realistic plasma spheres. These models further allow to derive accurate numerical representations that fit commercial electromagnetic solvers. A working prototype that comprises a plasma ignition system within the antenna structure without altering its operation is then designed. It is used to both characterize the plasma discharge and the electromagnetic behavior of the plasma spherical resonator. Finally, this work is extended to the case of planar circuits by integrating a plasma discharge inside microstrip resonators. The design, the modeling and the experimental studies of these resonators highlight the ability of the plasma to tune the resonant frequency.

Les dimensions d’une antenne sont inversement proportionnelles à leurs fréquences de fonctionnement. De plus, la miniaturisation d’une antenne entraîne la dégradation de ses performances électriques et de rayonnement. Par conséquent, il est important pour le concepteur de trouver un bon compromis entre le taux de miniaturisation et les performances souhaitées. L’objet de cette thèse est de proposer une antenne miniature possédant les meilleures caractéristiques possibles dans la bande UHF de la RFID (860MHz – 960MHz), facile à réaliser et à moindre coût d’industrialisation. Les travaux de cette thèse ont montré qu’un couplage magnétique d’une cellule de métamatériaux avec une demi-boucle permet d’obtenir des structures antennaires intéressantes de par leurs dimensions de l’ordre de λ0/10, leur efficacité et leur fonctionnement en multibande. Différentes techniques sont appliquées pour améliorer les performances des antennes développées à savoir le gain, la directivité et la polarisation circulaire et/ou elliptique. / Antenna dimensions are inversely proportional to their operating frequencies. Besides, the antenna miniaturization degrades its electrical and radiation performances. Therefore it is important for the antenna designer to find a good compromise between the miniaturization rate and the desired performances. The purpose of this thesis is to obtain a miniature antenna which has good characteristics in the UHF band of RFID (860MHz - 960MHz), easy to implement and with low industrialization cost. The works described in this thesis showed that a magnetic coupling of a metamaterial cell with a half loop provides interesting antennas in terms of dimensions of about λ0/10, efficiency and multiband behavior. Different techniques are applied to improve the performances of realized antennas as gain, directivity and circular and/or elliptical polarization.

Les ondes de surface se propagent le long de la surface terrestre par-delà l'horizon et ces propriétés de propagation sont des atouts pour diverses applications industrielles (civiles ou militaires) opérant dans la bande HF. C'est le cas notamment des radars transhorizon, des systèmes de communications, de la détection de tsunami, ou encore l'étude de la courantologie. Actuellement, les aériens utilisés dans ce contexte ne sont pas optimisés pour privilégier la propagation par ondes de surface. C'est dans ce contexte que TDF, la Direction Générale de l'Armement (DGA) et l'Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes (IETR) se sont associés pour proposer cette thèse. L'objectif principal de la thèse est de concevoir des antennes en bande HF de dimensions réduites (<3 mètres) réduisant le rayonnement vers le ciel afin favoriser l'onde de surface. Une première approche a permis de concevoir deux antennes élémentaires, l'une omnidirectionnelle et l'autre directive, permettant de réduire le rayonnement vers le ciel pour les sites compris entre -45° et +45°. Les solutions proposées sont de tailles très réduites grâce à l'utilisation d'une antenne à polarisation verticale électriquement courte dans le plan vertical et de parasites horizontaux alimentés par couplage EM. Les études expérimentales réalisées à échelle réelle sont en bon accord avec les performances théoriques obtenus à l'aide de logiciels d'analyse électromagnétique commerciaux. Une seconde approche a permis de concevoir des réseaux d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical selon une disposition linéaire des aériens. La réduction du rayonnement vers le ciel est réalisée grâce aux réseaux de type Endfire/Broadside. Enfin, une troisième étude a permis de concevoir deux systèmes antennaires agiles en diagrammes tout en conservant les propriétés de réduction de rayonnement vers le ciel. Le premier système à l'aide d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical chargées par des réactances, et le second en appliquant une pondération en amplitude et en phase d'un réseau à deux dimensions. / The surface-waves propagate beyond the horizon. This phenomenon is an attractive feature for many applications operating in the HF band both in civil or military field. By example, we can quote the High Frequency Surface Waves Radar (HFSWR), communicating systems, or the study of the currentology. Currently, the antennas used in the field of surface-waves propagation are not fully optimized and radiate also in sky wave. In order to optimize the radiation pattern of the antennas used in these systems, the company TDF, the Direction Générale de l’Armement (DGA) and the Institute of Electronic and Telecommunications of Rennes (IETR) have proposed this projetct. The main objective of this work is to design electrically small antennas in the vertical plane (< 3 meters) in the HF band while reducing the radiation toward the sky. The first concept is based on vertically polarized antennas electrically small in the vertical plane coupled to horizontally radiators placed above the antenna. As a result, the radiation pattern in the horizontal plane is omnidirectional or directive with a radiation toward the sky reduced for the elevations range from -45° to +45°. Prototypes have been realized and validated by measurements. Then, in the second study we have developed antennas array in order to reduce the radiation toward the sky with another way that the horizontal radiators. This method allows reducing significantly the radiation toward the sky according to the number of elements in the array. Finally, in the third study we have studied electronically scanning antennas while maintaining the reduction of the radiation toward the sky. The first system is based on an array of radiator loaded by reactance, and the second is based on a planar array with an appropriate feeding.