Cette thèse présente l’étude d’un réseau de capteurs pour la surveillance en temps réel de la qualité des eaux souterraines. L’objectif est de réussir à communiquer dans la bande de fréquences libre à 433MHz sur plusieurs dizaines de kilomètres. Le problème majeur des bandes libres est la présence de transmissions parasites (brouilleurs). Nous avons donc, en premier lieu, mis en évidence de la présence de ces brouilleurs et étudier leur impact sur les communications. Après analyse, il s’avère que les brouilleurs sont très nombreux et puissants mais que leur répartition dans la bande est inégale. Une étude spectrale de la bande semble nécessaire, avant la mise en place du réseau, afin de transmettre dans les canaux les moins pollués. Des communications nocturnes sont également à privilégier car les brouilleurs sont moins nombreux la nuit. Nous présentons ensuite une architecture réseau, adaptée au cahier des charges et à cette bande de fréquences. Nous avons également testé un composant RF dédié aux transmissions en bande ISM. Les résultats montrent que les performances de ce composant sont faibles pour des communications longues distances en présence de brouilleurs. Un récepteur radiofréquence simple ne permet donc pas de réaliser des communications fiables dans ces conditions. Le prototype complet du réseau, développé durant ces travaux, est ensuite décrit. Pour finir, nous proposons un nouveau concept de récepteur, utilisant un réseau d’antennes phasé et un détecteur cyclostationnaire, pour pallier au problème des brouilleurs. Le but est de stocker les signaux reçus pour les traiter en temps différé à l’aide d’algorithmes de filtrage spatial. Des simulations montrent l’efficacité de ce concept. / This thesis presents the study of a wireless sensor network for real-time monitoring of groundwater quality. The aim is to successfully communicate in the free 433MHz frequency band over tens of kilometers. The main issue of free bands is the presence of radio frequency interferences (RFI). First, we have studied the properties of these RFI and there impacts on communications. This analysis shows numerous and powerful jammers but with an irregular distribution in time and frequency. In consequence, the network set-up should be based on prior analysis of the time-frequency context. In particular, night communications should be preferred. Then, we present a network architecture adapted to the given industrial specifications and the mentioned frequency band constraint. We have also tested a RF component suitable for ISM band transmissions. Results show that the component performances are low for longue range communications with RFI. With a simple radio frequency receiver, reliable communications are not possible in these conditions. Then the complete network prototype, developed during this thesis, is described. Finally, to overcome the problem due to jammers, we propose a new receiver concept. It is based on a phased antenna array and a cyclostationary detector. The aim is to detect the signal of interest among RFI and to store it for further signal processing. In particular, off-line spatial filtering techniques can used to remove RFI. Simulations show the efficiency of this concept.

Cette thèse présente l'étude d'un réseau de capteurs pour la surveillance en temps réel de la qualité des eaux souterraines. L'objectif est de réussir à communiquer dans la bande de fréquences libre à 433MHz sur plusieurs dizaines de kilomètres. Le problème majeur des bandes libres est la présence de transmissions parasites (brouilleurs). Nous avons donc, en premier lieu, mis en évidence de la présence de ces brouilleurs et étudier leur impact sur les communications. Après analyse, il s'avère que les brouilleurs sont très nombreux et puissants mais que leur répartition dans la bande est inégale. Une étude spectrale de la bande semble nécessaire, avant la mise en place du réseau, afin de transmettre dans les canaux les moins pollués. Des communications nocturnes sont également à privilégier car les brouilleurs sont moins nombreux la nuit. Nous présentons ensuite une architecture réseau, adaptée au cahier des charges et à cette bande de fréquences. Nous avons également testé un composant RF dédié aux transmissions en bande ISM. Les résultats montrent que les performances de ce composant sont faibles pour des communications longues distances en présence de brouilleurs. Un récepteur radiofréquence simple ne permet donc pas de réaliser des communications fiables dans ces conditions. Le prototype complet du réseau, développé durant ces travaux, est ensuite décrit. Pour finir, nous proposons un nouveau concept de récepteur, utilisant un réseau d'antennes phasé et un détecteur cyclostationnaire, pour pallier au problème des brouilleurs. Le but est de stocker les signaux reçus pour les traiter en temps différé à l'aide d'algorithmes de filtrage spatial. Des simulations montrent l'efficacité de ce concept.

Avec le développement rapide des technologies sans fil modernes et la miniaturisation des antennes et des systèmes électriques, l'emploi des antennes à l'intérieur du corps humain pour le suivi thérapeutique est devenu possible. Des batteries permettent d'alimenter ces antennes ; la réduction de la consommation de puissance implique l'augmentation de la durée de vie de circuits ingérables. Le corps humain, qui a une conductivité non nulle, n'est pas un milieu idéal pour la transmission des ondes RF à cause de l'atténuation liée aux propriétés diélectriques des tissus biologiques. Cependant, les tissus humains ne perturbent pas le champ magnétique car celui-ci dépend de la perméabilité du milieu qui est égale à un dans le corps humain. Bien que la puissance du champ magnétique décroisse avec l'exposant six de la distance, la technique utilisant les communications par induction magnétique en champ proche a été adoptée dans cette étude pour concevoir une liaison sans fil à faible portée à travers le corps humain. Durant ces travaux de thèse, après une caractérisation détaillée de la bobine d'émission située à l'intérieur du corps humain et de la bobine de réception localisée à sa surface, nous avons mis en place un bilan de liaison pour contribuer à l'amélioration du transfert de puissance dans ce milieu dissipatif. Un modèle analytique, déterminant les facteurs qui peuvent affecter le bilan de liaison par induction magnétique, a été vérifié à travers les simulations et les mesures. La variation de la position et de l'orientation de l'antenne ingérable ont été prises en compte pour évaluer la réponse de couplage entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice. Les résultats obtenus constituent un pas en avant vers de futures recherches sur la conception de antennes dans les milieux dissipatifs et en particulier le corps humain

Avec le développement rapide des technologies sans fil modernes et la miniaturisation des antennes et des systèmes électriques, l'emploi des antennes à l'intérieur du corps humain pour le suivi thérapeutique est devenu possible. Des batteries permettent d'alimenter ces antennes ; la réduction de la consommation de puissance implique l'augmentation de la durée de vie de circuits ingérables. Le corps humain, qui a une conductivité non nulle, n'est pas un milieu idéal pour la transmission des ondes RF à cause de l'atténuation liée aux propriétés diélectriques des tissus biologiques. Cependant, les tissus humains ne perturbent pas le champ magnétique car celui-ci dépend de la perméabilité du milieu qui est égale à un dans le corps humain. Bien que la puissance du champ magnétique décroisse avec l'exposant six de la distance, la technique utilisant les communications par induction magnétique en champ proche a été adoptée dans cette étude pour concevoir une liaison sans fil à faible portée à travers le corps humain. Durant ces travaux de thèse, après une caractérisation détaillée de la bobine d'émission située à l'intérieur du corps humain et de la bobine de réception localisée à sa surface, nous avons mis en place un bilan de liaison pour contribuer à l'amélioration du transfert de puissance dans ce milieu dissipatif. Un modèle analytique, déterminant les facteurs qui peuvent affecter le bilan de liaison par induction magnétique, a été vérifié à travers les simulations et les mesures. La variation de la position et de l'orientation de l'antenne ingérable ont été prises en compte pour évaluer la réponse de couplage entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice. Les résultats obtenus constituent un pas en avant vers de futures recherches sur la conception de antennes dans les milieux dissipatifs et en particulier le corps humain / With the rapid growth of wireless technology and the miniaturization of modern antennas and electrical systems, the use of antennas inside the human body for therapeutic monitoring became possible. Batteries are used to supply these antennas; reducing the power consumption allows to increase the lifetime of ingestible systems. The human body, which has non-zero conductivity, is not an ideal environment for the transmission of RF waves because of the attenuation due to the dielectric properties of biological tissues. However, the human tissues do not disrupt the magnetic field as it depends on the permeability of the medium which is equal to one in the human body. Although the magnetic field power decreases with the distance exponent six, the technique using near-field magnetic induction communications was adopted in this study to design a short range wireless link through the human body. In this thesis, after a detailed characterization of the transmitting coil antenna located inside the human body and the receiving coil placed on its surface, we have implemented a link budget to contribute to the improvement of power transfer in the dissipative medium. An analytical model, identifying factors that can affect the link budget by magnetic induction, has been verified through simulations and measurements. The variation of the position and the orientation of the ingestible antenna were taken into account to evaluate the coupling response between the transmitting coil and the receiving coil. The results are a step toward future research on the design of antennas in dissipative media, in particular the human body

30% de la population Française dépassant l’âge des 60 ans en 2035, la notion d’accompagnement de la dépendance des personnes âgées est un enjeu sociétal avec l’impératif de prévention des risques à domicile. C’est dans ce contexte, avec l’arrivée des technologies d’intégration et de l’IoT que nous avons entrepris de concevoir et réaliser un patch électronique miniature capable de géolocalisation pour déclencher des alarmes en cas de fugue, de chute ou de déambulation. Un enjeu est la réalisation d‘antennes sur substrats souples comme éléments clés des fonctions de géolocalisation et de recharge par induction. Un travail de modélisation a permis l’optimisation d’antennes imprimées présentant un bon compromis intégration/performance. Un procédé technologique en salle blanche a été développé pour réaliser des antennes bicouches sur substrat polyimide souple. Plusieurs prototypes de patch complet ont été testés et validés en centre d’EHPAD / 30 % of the French population being over the age of 60 years in 2035, the notion of accompaniment of the elderly dependence is a societal challenge with the imperative of risks prevention at home. It is in this context, with the arrival of the technologies of integration and the IoT that we undertook to conceive and realize a miniature electronic patch capable of geolocalization to trigger alarms in the case of fugue, fall or wandering. A challenge is the design of antennas on flexible substrates as key elements of the functions of geolocalization and charging by induction. A modeling work allowed the optimization of printed antennas presenting a good compromise integration / performance. A technological process in the cleanroom was developed to carry out bilayers antennas on flexible substrate (polyimide). Several prototypes of complete patch were tested and validated in the EHPAD center.