This thesis introduces efficient numerical techniques for the analysis of novel electromagnetic metamaterials. The modelling is based on a Method of Moments modal analysis in conjunction with an interpolation scheme, which significantly accelerates the computations. Triangular basis functions are used that allow for modelling of arbitrary shaped metallic elements. Unlike the conventional methods, impedance interpolation is applied to derive the dispersion characteristics of planar periodic structures. With these techniques, the plane wave and the surface wave responses of fractal structures have been studied by means of transmission coefficients and dispersion diagrams. The multiband properties and the compactness of the proposed structures are presented. Based on this method, novel planar left-handed metamaterials are also proposed. Verifications of the left-handedness are presented by means of full wave simulation of finite planar arrays using commercial software and lab measurement. The structures are simple, readily scalable to higher frequencies and compatible with low-cost fabrication techniques.

Grâce aux progrès réalisés ces dernières années dans la conception de réseaux intelligents, tels que les réseaux centrés sur la personne (WBAN) ou les réseaux sans fils de proximité (WPAN), de nouveaux types d’applications émergent et utilisent des capteurs d’informations capables de relever les paramètres physiologiques, environnementaux et plus particulièrement le positionnement des personnes. Dans ce cadre, nous nous sommes attachés dans ce travail de recherche à la conception et la réalisation d’antennes en polarisation circulaire pouvant être intégrées dans des vêtements, pour les standards de géolocalisation européen Galiléo et Américain GPS. Nous avons utilisé pour ces antennes des structures métamatériaux de type conducteurs magnétiques artificiels, afin d’augmenter les performances en rayonnement et pour diminuer le couplage avec et le corps humain. Une autre voie explorée est l’utilisation d’antennes patchs qui sont de nature faible encombrement. La bande de fréquence du standard de communications par satellite Iridium étant très proche du standard de géolocalisation GPS, nous avons trouvé intéressant de développer une solution de type patch couvrant les deux bandes GPS (1,575 GHz) et Iridium (1,621 GHz). L’antenne devant être intégrée sur une boite crânienne, les niveaux de débit d’absorption spécifique et les modifications du rayonnement sous conformation de l’antenne ont également été étudiés. L’évolution de ce travail a été ensuite d’étudier le comportement de cette antenne posée sur le dessus d’un casque militaire français. Les performances en rayonnement ont été satisfaisantes et ont montré la possibilité d’une telle application. / Thanks to the progress made in the recent years in the design of smart networks, such as wireless Body Area Network (WBAN), or Wireless Personal Area Network (WPAN), a novel type of emerging applications using smarts sensor measuring physiologic parameters, environmental et more particularly positioning of the persons are nowadays available. In the research presented in this manuscript, we are committed to design and realize antennas that can be possibly integrated into clothes, dedicated to the American GPS (1.227 GHz - 1.575 GHz) and European Galileo (1.180 GHz - 1.575 GHz) global navigation satellite systems. We used for these antennas a type of metamaterial structure named artificial magnetic conductor, to increase and enhance the radiation performance and reduce the coupling between the antenna and the human body. Another way has been explored using patch antenna solutions that are inherently low profile antennas. As the frequency band of the satellite communication system Iridium is close to the GPS one, we developed a dual band antenna solution covering both GPS (1.575 GHz) and Iridium (1.612 GHz) standards. The antenna being dedicated to be integrated over a human skull, the specific absorption rate and the radiation modification was also studied.

Les antennes présentes dans la plupart des systèmes communicants comme les véhicules automobiles, les avions et les trains se multiplient et sont soumises à une contrainte d’intégration de plus en plus sévère. De nombreuses techniques de miniaturisation d’antennes existent et passent toutes par un compromis entre la taille et les performances (bande passante et/ou rendement de rayonnement). Pour les systèmes cités ci-dessus, les antennes sont souvent placées devant ou à proximité d’un réflecteur métallique (toit de véhicule, carlingue d’aéronef). Dans ce cas, l’épaisseur de système antennaire est une contrainte majeure et les métamatériaux de type Conducteur Magnétique Artificiel (CMA) ouvrent des perspectives intéressantes grâce à leurs propriétés électromagnétiques non conventionnelles. Cependant, pour les applications sub-GHz (RFID, LTE, PMR…), les CMA sont limités par les dimensions des cellules unitaires nécessaires à leur mise en œuvre (λg/4) ainsi que leur bande réduite de fonctionnement. Réduire leurs dimensions permet de rendre leur utilisation compatible avec le contexte des antennes miniatures intégrées. Ajouter l’agilité fréquentielle permet de palier le problème de la bande passante réduite dans le cas des antennes et des CMA miniaturisés en ajustant le fonctionnement du système antennaire sur une large bande passante. Cette thèse de doctorat propose d’étudier et de développer un nouveau système antennaire à faible profil composé d’une antenne miniature associée à une métasurface compacte reconfigurable en fréquence et compatible avec le standard NB-IoT dans la bande basse LTE (700 MHz – 960 MHz). / Antennas are now very integrated in several connected systems like cars, airplanes and trains. Many antenna miniaturization techniques exist and all go through a compromise between size and performance (bandwidth and/or radiation efficiency). For the systems mentioned above, the antennas are often placed near a metallic reflector (vehicle roof, aircraft cabin). Within this context, Artificial Magnetic Conductors (AMC) present an attractive reflector for low profile antennas which can take advantage of intrinsic zero reflection phase response to boost antenna performance without the need for thick quarter wave backplane. However, for sub-GHz applications (RFID, LTE, PMR ...), AMC are limited by the size of the unit cells necessary for their implementation (λg/4) as well as their reduced operating bandwidth. AMC miniaturization makes their use compatible with small antennas. Adding tunability restores the possibility of adjusting the operating frequency over a large bandwidth. This PhD thesis proposes to study and develop a new electrically small, low-profile antenna based on miniaturized and tunable AMC for the NB-IoT standard in low LTE band (700 MHz – 960 MHz).

Yes / This paper presents a novel on-chip antenna using standard CMOS-technology based on metasurface implemented on two-layers polyimide substrates with a thickness of 500 μm. The aluminium ground-plane with thickness of 3 μm is sandwiched between the two-layers. Concentric dielectric-rings are etched in the ground-plane under the radiation patches implemented on the top-layer. The radiation patches comprise concentric metal-rings that are arranged in a 3 × 3 matrix. The antennas are excited by coupling electromagnetic energy through the gaps of the concentric dielectric-rings in the ground-plane using a microstrip feedline created on the bottom polyimide-layer. The open-ended feedline is split in three-branches that are aligned under the radiation elements to couple the maximum energy. In this structure, the concentric metal-rings essentially act as series left-handed capacitances CL that extend the effective aperture area of the antenna without affecting its dimensions, and the concentric dielectric rings etched in the ground-plane act as shunt left-handed inductors LL, which suppress the surface-waves and reduce the substrates losses that leads to improved bandwidth and radiation properties. The overall structure behaves like a metasurface that is shown to exhibit a very large bandwidth of 0.350–0.385 THz with an average radiation gain and efficiency of 8.15dBi and 65.71%, respectively. It has dimensions of 6 × 6 × 1 mm3 that makes it suitable for on-chip implementation. / This work is partially supported by RTI2018-095499-B-C31, Funded by Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, Gobierno de España (MCIU/AEI/FEDER,UE), and innovation programme under grant agreement H2020-MSCA-ITN-2016 SECRET-722424 and the fnancial support from the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under grant EP/E022936/1. / Research Development Fund Publication Prize Award winner, March 2020