De nos jours, les communications sans fil sont devenues un moyen incontournable et universel d'échange d'un large éventail d'informations entre différents systèmes, certains d'entre eux étant en mouvement comme des drones parmi tant d'autres. Dans le contexte de cette thèse nous considérons une liaison entre un projectile et une station de base. La géométrie de la structure ainsi que les contraintes aérodynamiques d'un tir balistique impliquent l'utilisation d'antennes patchs dans la partie conique à l'avant du projectile. Ce type d'antenne est facile à intégrer à une plate-forme en tant que réseau conformé tout en respectant les contraintes d'encombrement. Ces communications doivent être fiables et discrètes dans un environnement perturbé ou hostile. Les diagrammes de rayonnement du réseau d'antennes doivent présenter des caractéristiques spécifiques, notamment dans le cas particulier d'objets volants et possédant une rotation en roulis (rotation autour de son axe) qui impliquent l'utilisation d'un réseau phasé et commuté par rapport à sa position. Une antenne qui présenterait un rayonnement fixe assurerait une liaison avec un interlocuteur, mais rayonnerait également dans d'autres directions sensibles ce qui pourraient interférer avec la communication principale. La solution qui consiste à activer et désactiver des sous-réseaux verticaux afin d'orienter le lobe principal dans la plan orthogonal à la pointe semble être en accord avec les contraintes de la structure tournante. Un réseau conique a été étudié puis 2 prototypes ont été fabriqués, dont un à l'ISL. Les sous-réseaux sont répartis de manière égale autour de la pointe de façon à pouvoir rayonner dans toutes les directions. De plus, chaque sous-réseau est composé de trois éléments ce qui permet d'orienter également le lobe principal dans le plan longitudinal de la pointe (le long de l'axe du projectile) grâce à un dépointage électronique. Un système électronique de formation de faisceaux a été développé dans le but de contrôler 12 éléments rayonnants. Le réseau d'antennes ainsi que le circuit de répartition ont été caractérisés dans un premier temps de manière indépendante afin d'optimiser les lois de phase nécessaires à dépointer le lobe à partir des pondérations mesurées. Au final, le réseau de 12 éléments associé à son système d'alimentation dédié a été mesuré dans les chambres anéchoïques de DGA-MI et de l'ISL et les mesures sont en accord avec les simulations. / Nowadays wireless communications have become a useful and universal mean to exchange a wide range of information between different systems, some of them being moving, as UAVs among others. In this context we consider here the link between a projectile and a base station. The shape of the structure and the aerodynamic constraints involve the use of patch antennas in the conical front part. This class of antenna is easy to be integrated into the platform as a conformal array, while respecting space constraint. Communications have to be reliable and discrete in disturbed or hostile environment. Antennas array radiation patterns must have some specific characteristics, in particular in the case of flying objects with spin which involves the use of a switched phased array considering its roll position. A fixed-radiation pattern antenna may presents a relevant level or gain toward the interlocutor, but also toward sensitive directions, in which may be located others systems, interfering with the current communication. The solution to switch on and off vertical sub-arrays to steer the beam in the azimuthal plane seem convenient ant fitting the requirements of rotating platform. A conical phased array was studied and two prototypes were manufactured, one at ISL. Sub-arrays are distributed around the conical shape in order to be able to radiate in each direction. Moreover, each sub-array are composed of three radiating elements allowing to steer the main antenna beam in many direction (along the projectile fuze axes). A beam forming network was developed to control the 12 radiating elements conical array. The antenna array and the feeding network were characterized independently in order to optimized the phase of each radiating element. Finally, measurements were done on the whole system in the DGA-MI and ISL anechoic chambers and are in good agreement with simulation results.

Au cours de ces dernières années, les technologies de télécommunication ont fait d'énormes progrès, notamment dans les communications mobiles et les réseaux de capteurs sans fil (WSN). Pour répondre à l’augmentation de la capacité de transmission et à l’amélioration de la qualité des canaux de communications mobiles, l’élargissement de la bande de fonctionnement est nécessaire par l'utilisation d'antennes reconfigurables en fréquence. En outre, dans les applications WSN, afin de réduire les collisions, d’augmenter la distance de communication et d'optimiser la consommation, l’utilisation d’antennes reconfigurables en directivité est une bonne solution. Dans ce cadre, nos travaux de recherche ont portés sur la conception de différentes structures antennaires reconfigurables. Dans un premier temps nous avons réalisés une antenne reconfigurable à base de nouveaux éléments actifs, les digitally tunable capacitors (DTC). Ces composants sont de très bons candidats en vue d’une intégration d'antennes pour des applications communications mobiles et WSN. Ensuite nous nous sommes attachés à concevoir des structures multibande, MIMO et reconfigurables en fréquence, permettant d’augmenter la bande de fréquence de fonctionnement du système de communication, d'optimiser l'efficacité et la qualité spectrale et d'améliorer la qualité de canal. Enfin, une autre voie a été explorée, l’utilisation d’antennes reconfigurables en directivité pour des applications de WSN. Les résultats de simulation et de mesure sont également présentés dans ce chapitre. Grâce à l'utilisation de ce type de structures, la performance des WSN a été optimisée. / In recent years, telecommunication technologies have enormous progress, especially cellular communications and wireless sensor networks. To meet the demand of increasing transmission capacity, improving quality of cellular communication channels, expanding the operating band of the equipment is necessary. As passive antenna has reached the limit on increasing the operating band with the small size, the use of frequency reconfigurable antenna is a feasible solution. Besides, in the applications of WSN, to reduce collisions, increase communication distance and optimize consumption, directional reconfigurable antenna is a good proposal. In this thesis we present several reconfigurable antenna structures. Firstly, a new component is introduced; digitally tunable capacitor (DTC). Thanks to its advantages, such parts are good candidate to be integrated in the antenna for cellular communication and wireless sensor network applications. After, several antennas are introduced include multiband antenna, MIMO and frequency reconfigurable antenna, which can be used to extend the operating frequency band of the communication system, optimize spectral efficiency and quality improve channel quality. The structures of these antennas are introduced together with the results of simulation and measurement for the purpose of solving the challenges given in the future cellular communications systems. And then, the proposed approach to the design of reconfigurable directional antennas is presented. Several reconfigurable directional antennas, which are used in applications of WSN, are introduced. Thanks to the use of directional antennas reconfigurable, performance of WSN system will be optimized.

Le plasma est un gaz ionisé qui possède des caractéristiques physiques intéressantes dans le domaine des hyperfréquences. En simplifiant, on peut le caractériser comme un milieu diélectrique dispersif dont la permittivité est fonction de deux paramètres : la pulsation plasma (wp) et la fréquence de collision électron-neutre (Vp). En pratique, ces paramètres dépendent principalement de la densité électronique du gaz et de sa pression. Ainsi, en contrôlant les caractéristiques du plasma, on contrôle sa permittivité diélectrique, ce qui permet d’envisager son application dans le domaine de la reconfigurabilité en hyperfréquence.Parmi les topologies pouvant générer une décharge plasma, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation de topologies récentes, à savoir les microdécharges plasma. Ces microdécharges sont intéressantes de par leur facilité d’intégration dans un dispositif RF : petite taille, stabilité, température proche de la température ambiante et perspectives d’utilisation à plus haute pression, voire à la pression atmosphérique.Devant la difficulté de modéliser précisément l’effet du plasma sur une onde guidée, une approche expérimentale a été privilégiée. Deux dispositifs de mesure ont ainsi été conçus pour caractériser cette interaction : une ligne de transmission microruban classique et une inversée intégrant une microdécharge en leurs centres. Grâce au protocole expérimental mis en œuvre, les paramètres S de la ligne de transmission sont obtenus et comparés à ceux des lignes sans plasma dans une large gamme paramétrique, qu’il s’agisse de la pression du gaz, de la fréquence ou encore du courant injecté à la décharge. Les résultats obtenus montrent deux phénomènes particulièrement intéressants: un déphasage de l’onde électromagnétique en présence de la décharge plasma et / ou une absorption importante de la puissance par la décharge.Deux dispositifs antennaires ont finalement été conçus en exploitant ces résultats. Le premier est une antenne imprimée accordable en fréquence dans une plage de l’ordre du pourcent, grâce à une décharge plasma contrôlée.Le plasma modifie alors la constante diélectrique entre les deux conducteurs constitutifs de l’antenne. Le second dispositif est une antenne anneau imprimée qui peut protéger son récepteur d’une attaque microondes de forte puissance. Ainsi, lorsqu’un champ incident dépasse un seuil prédéfini, réglable dans une certaine mesure par une tension continue externe, une décharge plasma apparaît au sein de l’élément rayonnant. Elle crée alors de la désadaptation et de l’absorption qui limitent de façon non linéaire la puissance restituée à l’accès. / Plasma is an ionized gas with physical characteristics that are of interest to the microwave domain. To simplify, we can characterize it as a dispersive medium whose dielectric permittivity depends on two parameters :the plasma pulsation wp and the electron-neutral collision frequency Vp. These two parameters depend mainly on the electron density of the gas and its pressure. If we can control the characteristics of the plasma, we can also control its dielectric permittivity, which allows us to consider the plasma for applications in the field of microwave reconfigurability.Among the structures that can generate a plasma discharge, we have focused on the use of recent topologies,known as plasma microdischarges. These microdischarges are of interest because of the possibility of easily integrating them into a RF device : small size, stability, temperature near room temperature and potential use at high pressures, including at atmospheric pressure.Given the difficulties in accurately modelling the effects of the plasma on a guided wave, an experimental approachwas preferred. Two measuring devices have been designed to characterize this interaction : a conventional microstrip transmission line and an inverted microstrip transmisison line, both including a microdischarge in their centers. With this experimental characterization, the S-parameters of the transmission line with the plasma are obtained and compared to those without plasma as a function of a wide range of parameters, such as gas pressure,frequency and current injected into the discharge.The results show two particularly interesting phenomena : a phase shift of the electromagnetic wave in presence of the plasma discharge and/or an important absorption of the incident power by the discharge. Two devices have been designed to exploit these results. The first is a frequency tunable microstrip patch antenna over a range of the order of one percent. In that case, the plasma changes the dielectric constant between the two conductors of the antenna. The second is a microstrip ring patch antenna that can protect the receiver from a high-power microwave (HPM) attack. When an incident electric field exceeds an adjustable preset threshold (tuned by an external DCvoltage source), a plasma discharge appears in the radiating element. The plasma then creates a mismatch and an absorption effect that limits, in a non-linear way, the received power at its input.

Nous étudions la mise en oeuvre d ‘antenne à balayage électronique dédiés aux applications de communications par satellite géostationnaire. Les structures développées sont adaptées pour être embarquées dans un avion ou un train. L'architecture de l'antenne développée est constituée d’un double réseau linéaire dans deux dimmensions transverses. Le balayage dans chaque réseau linéaire est assuré par des lignes coplanaires à métamateriaux contrôlées par varactor. Nous porposons de nouvelles méthodes de caracterisation des discontinuités en ligne coplanaire pour la conception de la ligne. De plus, un système de prélèvement d'énergie a dû être conçu afin d'alimenter des éléments rayonnants et testé avec différentes antennes patch. Enfin, nous envisageons la co-intégration des structures rayonnantes et des lignes CRLH ainsi que le contrôle électronique par les diodes. / We are studying the implementation of 'Scanning Antenna dedicated to the applications of satellite communications geostationary. The structures developed are suitable for to be on board an airplane or a train. The architecture of the antenna developed consists of a double linear network in two transverse dimmensions. The scan in each network is provided by the lines coplanar to metamaterials controlled by varactor. We porposons of new methods characterization of discontinuities coplanar online for the line design. In addition, a energy harvesting system has be designed to feed radiating elements and tested with patch different antennas. Finally, we are considering co-integration radiating structures and CRLH lines as well as control electronic by the diodes.

Ce mémoire traite de l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS RF. L'approche<br />retenue est la diversité de diagramme de rayonnement de la station de base et du mobile. Elle<br />peut être particulièrement intéressante dans un environnement indoor (à l'intérieur d'un bâtiment)<br />pour lutter contre les évanouissements provoqués par les réflexions multiples et augmenter la<br />portée des systèmes, ce qui optimise les bilans de liaison améliore les débits de transmission,<br />l'autonomie et permet par ailleurs d'augmenter le nombre d'utilisateurs en diminuant les<br />interférences entre eux.<br />Un état de l'art des solutions d'antennes reconfigurables ainsi qu'une introduction des MEMS RF<br />est présentée. Ces composants présentent à la fois des performances RF très élevées, une<br />linéarité accrue, pour un encombrement, un poids et une consommation de puissance bien plus<br />faible que leurs équivalents à semi-conducteurs. Ces avantages deviennent encore plus évidents<br />aux fréquences millimétriques où de nouvelles applications émergent. De plus, ils peuvent être<br />intégrés à des circuits en technologie CMOS sur du silicium ou encore fabriqués sur de nombreux<br />substrats avec l'antenne.<br />Les développements essentiels de cette étude sont la mise en oeuvre d'une méthode de<br />modélisation et d'optimisation de réseaux à éléments parasites afin de former des diagrammes<br />dépointés et l'intégration, via des modèles électriques équivalents, d'interrupteurs<br />microélectromécaniques radiofréquences (MEMS RF) afin de rendre ces antennes<br />reconfigurables en diagramme de rayonnement.<br />Il s'est en effet avéré qu'il était nécessaire de modéliser ces systèmes afin de développer une<br />démarche de conception efficace des réseaux à antennes parasites commutées. Suite à ces<br />efforts de modélisation, des prototypes d'antennes passifs ont été réalisés et mesurés,<br />permettant de valider la méthode de conception. Un prototype actif utilisant des composants<br />MEMS RF a ensuite été développé. Des antennes à formation de faisceaux ont également été<br />développées sur la base de cellules composées chacune d'une antenne reconfigurable<br />constituant un sous réseau d'un réseau plus large.

Cette thèse démontre la faisabilité de l'utilisation de la technologie Nitrure de Gallium (GaN) dans les systèmes RF / micro-ondes reconfigurables. Les principales caractéristiques de ce type de technologie des semi-conducteurs se résident dans ses capacités de supporter des puissances élevées avec un rendement aussi élevé. En outre, la technologie GaN est un candidat très prometteur pour la réalisation des applications haute puissance/haute fréquence. Le travail de cette thèse est divisé en deux parties principales. La première est consacrée au développement, à l’analyse et à la caractérisation en DC et en RF jusqu'à 20 GHz des circuits actifs réalisés à base de la technologie GaN, tels que les diodes varicap et les commutateurs. Les diodes varicap fabriquées ont été modélisées en petit et grand signal par des équations analytiques contenant des coefficients empiriques ainsi un modèle en circuit a été développé, tandis aux commutateurs, un modèle de circuit en petit signal a été proposé. Ces composants actifs ont été réalisés en utilisant les processus GaN HEMTs de fabrication offerts par le Conseil National de Recherches du Canada (CNRC). La deuxième partie aborde les aspects de l'intégration de ces dispositif actifs GaN et de la conception des circuits reconfigurables proposés, tels que déphaseur reconfigurable, -3dB 90° coupleur hybride reconfigurable, oscillateur accordable en fréquence, commutation de faisceau et accordabilité en fréquence d’un réseau d'antennes patch tout en utilisant ces diodes varicap et commutateur GaN développées au fil de cette thèse. A travers cette thèse, l'utilisation de la technologie GaN pour la conception des designs RF reconfigurables en fréquence pour les applications fonctionnant au-dessous de 10 GHz a été démontrée. / This thesis demonstrates the feasibility of using the Gallium Nitride (GaN) technology in reconfigurable RF/microwave systems. The main features of this type of semiconductor technology being its high power with high efficiency. In addition, GaN technology is a very promising candidate for realizing high power/high frequency applications. The thesis work is divided in two main parts. The first one is devoted to active GaN devices, such as varactor diodes and switches, development, analyze and characterization via DC and RF up to 20 GHz. The fabricated varactor were modeled by analytic equations containing empirical coefficients and also a physic circuit model was developed, while for the switches only a small signal physic circuit model was proposed. These GaN devices was manufactured by using the Canadian National Research Council (NRC) GaN HEMTs processes. The second part addresses the integration and design aspects of the reconfigurable proposed circuits, such as tunable phase shifter, reconfigurable 3-dB 90° hybrid coupler, tunable frequency oscillator, beam switching antenna array and matching reconfigurable patch antenna based on these developed GaN varactors and switches devices. The use of GaN on highly efficient reconfigurable designs for broadband RF/microwave applications operating below 10 GHz was demonstrated.

De nombreuses applications civiles et militaires (faisceaux hertziens, futurs réseaux mobiles, communications par satellite, radars automobiles, systèmes d’imagerie haute résolution) nécessitent des antennes à faisceau reconfigurable (dépointage de faisceau, faisceaux multiples, faisceaux formés). Les antennes à réseaux transmetteurs apparaissent comme une alternative aux réseaux phasés classiques ou aux réseaux réflecteurs pour ces applications. L’objectif principal de cette thèse est de démontrer la faisabilité de réseaux reconfigurables fabriqués avec des technologies standards en bande Ka (20-30 GHz). Divers cellules élémentaires utilisant des diodes p-i-n et fonctionnant en polarisation linéaire ou circulaire ont été conçues, optimisées et caractérisées. Les mesures en guide d’onde montrent des pertes minimales de 1,09 dB à 29,0 GHz et une bande passante à 3 dB de 14,7%. Une méthode de simulation hybride a été développée afin d’analyser efficacement des réseaux de grandes dimensions utilisant des rotations séquentielles d’éléments pour optimiser la qualité de polarisation et les diagrammes de rayonnement. Un réseau de 400 cellules élémentaires fonctionnant en polarisation circulaire a été réalisé et testé en chambre anéchoïque. Un dépointage électronique de ±60° et la possibilité de commuter entre les deux polarisations circulaires (droite/gauche) ont été démontrés. / Several civil and military applications (hertzian beams, satellite communications, automotive radars, high resolution imaging systems) require antennas with reconfigurable beam capabilities (beam-scanning, beamshaping, multiple beam generation). Transmitarray antennas are good candidates and represent an alternative to classical phased arrays or reflect-arrays for these applications. The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of reconfigurable transmitarrays fabricated with standard technologies in Ka-band (20-30 GHz). Different unit-cell designs based on p-i-n diodes have been developed to work in linear and circular polarization. Their optimization and experimental characterization have been performed. Waveguide measurements show insertion losses of 1.09 dB at 29.0 GHz with a 3-dB bandwidth of 14.7%. A hybrid simulation technique has been developed in order to analyze efficiently large transmitarrays in which the sequential rotation technique has been applied to optimize the polarization quality and the radiation patterns. A 400-elements transmitarray operating in circular polarization has been realized and tested in anechoic chamber. A beam-scanning angular coverage of ±60° and circular polarization selection (left/right) have been demonstrated.