Les avions comportent plusieurs systèmes de navigation et de communication nécessitent des antennes VHF large bande. Réduire la taille de ses antennes est un enjeu majeur tout en gardant des bonnes performances. Cette thèse propose des nouvelles configurations d'antennes à profil bas utilisant des nouveaux matériaux nanocomposites non conducteurs constitués de nanoparticules magnétiques développés au Lab-STICC. Un monopole planaire large bande a été développé et optimisé avec un taux de miniaturisation de 60% grâce à l'utilisation d'un matériau magnéto-diélectrique de forte perméabilité et faible pertes couvrant seulement 5% de sa surface. Les résultats expérimentaux, en presque parfait accord avec les simulations, montrent que le diagramme de rayonnement est omnidirectionnel et que la polarisation est verticale, avec un bon niveau du gain. L'antenne monopole planaire insérée dans un MMD des dimensions limitées avec des pertes a été modélisée par un nouveau circuit équivalent multi résonant. Ce circuit est développé à partir de l'impédance d'entrée de l'antenne et des caractéristiques du MMD, et validé par les simulations avec un parfait accord entre les résultats. / Airplanes with multiple navigation and communication systems require broadband VHF antennas. Reduce the size of these antennas is a major challenge while keeping good performances. This thesis proposes new configurations of low profile antennas using new nanocomposite non-conductive materials consisting of magnetic nanoparticles developed at Lab-STICC. A broadband planar monopole has been developed and optimized with a 60% miniaturization rate thanks to the use of a high permeability and low loss magneto-dielectric material covering only 5% of its surface. The experimental results, in almost perfect agreement with the simulations, show that the radiation pattern is omnidirectional and that the polarization is vertical, with a good level of gain. The planar monopole antenna inserted in a MMD of limited dimensions with losses was modeled by a new multi-resonant equivalent circuit. This circuit is developed from the input impedance of the antenna and the characteristics of the MMD. and validated by the simulations with a perfect agreement between the results.

La demande de transmissions à débits de plus en plus élevés s'accentue davantage avec l'essor de nouveaux services dans les réseaux de communication sans fils. Pour répondre à cette demande, une solution consiste à augmenter la capacité de transmission du canal radiofréquence entre la station de base et le terminal portatif. Ceci peut être réalisé en augmentant le nombre d'éléments rayonnant impliqués à l'émission et à la réception de cette liaison radiofréquence : on parle alors de technique MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Cette thèse porte principalement sur la conception, l'optimisation et la caractérisation de systèmes multi-antennaires pour techniques de diversité et MIMO en bandes LTE (Long Term Evolution). Trois prototypes multi-bandes sont proposés dont deux systèmes planaires et un système d'antennes IFAs compactes. De nouvelles solutions multi-bandes et l'influence de la position de l'antenne sur le plan de masse sont étudiées pour réaliser de la diversité spatiale, de polarisation et de diagramme de rayonnement avec une faible corrélation entre les signaux reçus sur chaque antenne mais surtout une bonne efficacité totale. Une ligne de neutralisation est utilisée pour isoler les antennes et un fonctionnement multi-bande est réalisé. L'impédance d'entrée des antennes est étudiée avec la méthode de Youla & Carlin afin d'améliorer la bande passante de la structure compacte de type IFA. Les performances en diversité et en MIMO de ces systèmes sont évaluées dans différents environnements de propagation. Elles montrent que ces systèmes peuvent être utilisés efficacement pour des applications en diversité et MIMO.

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.

La recherche de nouveaux matériaux a permis de nouveaux développements au cours de ces dernières décennies. Ce sont entre autres les diélectriques artificiels ou encore les métamatériaux. Cependant, si ces matériaux restent passifs, malgré tous les développements possibles, les performances des antennes, ou autres structures électromagnétiques qui découlent d’eux seront toujours confrontés aux mêmes limitations fondamentales. En intégrant des circuits actifs dans ces matériaux, par exemple des résistances négatives, des capacités négatives et des inductances négatives, il est possible de dépasser ces limitations ainsi les propriétés synthétisables et les applications d’ingénierie pourront être significativement élargies. En effet, cela permettrait de créer des matériaux et des dispositifs dont les propriétés ne seront pas possibles autrement et surpasseraient celles des matériaux existant dans la nature. Cette thèse a été l’occasion dans un premier temps d’utiliser les circuits non-Foster qui sont des circuits à rétroaction actif, pour l’adaptation d’une antenne électriquement petite à basses fréquence. Ceci a permis de mettre en évidence ses avantages par rapport à une adaptation passive plus conventionnelle.Ensuite, des capacités négatives ainsi que des inductances négatives et positives ont été conçues. Leur fonctionnement totalement différent des composants passifs a été mis en exergue. Ce qui nous a conduit à les appliquer sur des structures périodiques. Cela a donné des résultats intéressants comme la propagation supraluminique sur une ligne de transmission des ondes. Et en les appliquant à la cellule unitaire d’une surface de métamatériaux qui est aussi une structure périodique, sa taille est réduite pour une plus grande compacité des antennes à cavités conçues pour les basses fréquences où la longueur d’onde est très grande. / The search of new materials has enabled new developments in recent decades. Among these are artificial or dielectric metamaterials. However, if these materials are passive, despite all the possible developments, the antennas performances or other structures resulting from them will still face the same fundamental limitations. By adding active circuits in these materials, such as negative resistors, negatives capacitors and negative inductors, it is possible to overcome these limitations and the synthesized properties and engineering applications can be significantly expanded. Indeed, this would create materials and devices with properties which can allow us to obtain behavior nonexistent in nature. This open the way to new applications. In this thesis, we explore the opportunity at first to use non-Foster circuits that are active feedback circuit, in the matching network of an electrically small antenna for low frequency operation. This helped to highlight its advantages over more conventional passive matching. Then, negative capacitors and negative and positive inductors were fabricated. Their totally different behaviors with passive components were also highlighted. This led us to apply them on periodic structures. Interesting results were obtained as superluminal wave propagation on a transmission line. And by applying to the unit cell of a metamaterial surface which is also a periodic structure, the size is reduced to a more compact cavity antennas designed for low frequency where the wavelength is very large.

La demande de transmissions à débits de plus en plus élevés s’accentue davantage avec l’essor de nouveaux services dans les réseaux de communication sans fils. Pour répondre à cette demande, une solution consiste à augmenter la capacité de transmission du canal radiofréquence entre la station de base et le terminal portatif. Ceci peut être réalisé en augmentant le nombre d’éléments rayonnant impliqués à l’émission et à la réception de cette liaison radiofréquence : on parle alors de technique MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Cette thèse porte principalement sur la conception, l’optimisation et la caractérisation de systèmes multi-antennaires pour techniques de diversité et MIMO en bandes LTE (Long Term Evolution). Trois prototypes multi-bandes sont proposés dont deux systèmes planaires et un système d’antennes IFAs compactes. De nouvelles solutions multi-bandes et l’influence de la position de l’antenne sur le plan de masse sont étudiées pour réaliser de la diversité spatiale, de polarisation et de diagramme de rayonnement avec une faible corrélation entre les signaux reçus sur chaque antenne mais surtout une bonne efficacité totale. Une ligne de neutralisation est utilisée pour isoler les antennes et un fonctionnement multi-bande est réalisé. L’impédance d’entrée des antennes est étudiée avec la méthode de Youla & Carlin afin d’améliorer la bande passante de la structure compacte de type IFA. Les performances en diversité et en MIMO de ces systèmes sont évaluées dans différents environnements de propagation. Elles montrent que ces systèmes peuvent être utilisés efficacement pour des applications en diversité et MIMO. / The transmission demand for increasing data rate becomes more and more important with the development of new services in radio communication networks. To answer to this demand, one solution consists in increasing the transmission capacity of the radio channel between the base station and the handset terminal. This can be realized by increasing the number of radiating elements involved in the transmission and the reception of this radio link: we talk about MIMO (Multiple Input Multiple Output) technique. The work realized in this thesis concerns mainly design, optimization and characterization of multi-antenna systems for MIMO and diversity techniques in LTE (Long Term Evolution) bands. Three multi bands prototypes are proposed whose two planar systems and one compact IFAs antennas system. News multiband solution and antenna position influence on the PCB were studied to realize spatial, polarization and pattern diversity with low correlation between received signals on each antenna and a good efficiency. The neutralization line was used for antennas isolation and its application in multiband was realized. The antenna load impedance has been studied with Youla & Carlin method in order to improve the frequency bandwidth of the compact IFA structure. Diversity and MIMO performances of these systems were evaluated in different propagation environments. They show that these systems can be effectively used for diversity and MIMO application.

Dans le contexte actuel où l’évolution des systèmes sans-fil est jugée importante, il estnécessaire de pouvoir réduire les pollutions électromagnétiques qui limitent l’acceptabilité descommunications et la cohabitation des systèmes. D’une façon générale, les besoins de contrôle durayonnement des antennes miniatures répondent donc à une demande croissante pour améliorer lesportées mais aussi pour limiter les interférences dans les systèmes sans-fil. Ces dernières années,malgré le développement connu dans les domaines des antennes, la question du contrôle durayonnement des antennes miniatures connait plusieurs barrières empêchant leur déploiementtechnologique. L’approche retenue dans le cadre de cette thèse est le développement de nouveauxconcepts de contrôle du rayonnement des antennes miniatures par la mise en oeuvre de différentestechniques. Cette étude a pour objectif de soulever quelques questions concernant un sujet d’étude peuexploré. / In the current context where the evolution of communicating objects is important indifferent growing fields such as: localization, wireless multimedia systems, etc., controlling theradiation pattern of antennas is one of the most important issues for future radio communicationsystems. In recent years, despite the growth experienced in the areas of antennas, the issue of smallantennas radiation control knows several barriers preventing their deployment. This thesis focuses onthe analysis of the problem of controlling the radiation pattern of small antennas and aims to raisesome questions about a little-explored subject of study. This work gives an approach using differenttechniques to develop new concepts of controlling the radiation pattern of antennas.