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.

La thèse se déroule dans le cadre de la préparation de la mission spatiale SWOT (Surface Water Ocean Topography). Cette mission est née d'une collaboration entre la NASA/JPL (National Aeronautics and Space Administration/Jet Propulsory Laboratory), le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales), et l'ASC-CSA (Agence Spatiale Canadienne), son lancement est envisagé pour 2019. Il s'agit d'un interféromètre en bande Ka à visée proche nadir (0.6°- 4.1°). Elle aura pour but d'aider à mieux comprendre l'évolution des eaux de surface (variations de volume des lacs, des rivières, évaluation des zones inondables...) et la dynamique des océans à méso-échelle (tourbillons) grâce au passage d'une résolution de 10km à 1km. Afin de déterminer l'apport de la mission SWOT à l'étude de l'estuaire amazonien plusieurs outils de simulation ont été développés. Un premier outil modélisant les coefficients de rétrodiffusion radar pour trois types de surface (eau, sols nus et végétation) issue d'une étude CNES et la société Capgemini a permis de définir les conditions limites pour lesquelles l'eau ne serait plus discernable des autres milieux. Ce modèle a permis de mettre en évidence la sensibilité de la bande Ka aux paramètres de rugosité. Le phénomène de layover, mélange d'informations de plusieurs contributeurs dans un même pixel à cause du relief, sera plus présent dans les futures données SWOT que dans les radars imageurs existants. Or les fleuves ou les lacs sont généralement bordés d'arbres. Pour estimer les erreurs sur l'estimation des élévations des surfaces d'eau, j'ai développé un simulateur interférométrique incluant des modèles de rétrodiffusion radar simplifiés pour la végétation et l'eau. Cet outil m'a permis d'évaluer la sensibilité de la bande Ka à la densité de la végétation. Ainsi que de mettre en évidence la capacité de SWOT à détecter les zones d'inondations sous la canopée. Lorsque la forêt est inondée, l'estimation de hauteur des arbres est très faible par rapport aux résultats obtenus sans inondation : par exemple pour une fraction de trou de 10% (végétation dense), les élévations obtenues sont de l'ordre de 1m57 pour des arbres de 5m, au lieu de 4m50. Pour évaluer l'apport de SWOT à l'étude de l'estuaire de l'Amazone. Je me suis basé sur le simulateur mis en place par S. Biancamaria pendant sa thèse (soutenue en 2009). Les erreurs de l'instrument étaient assimilées à un bruit blanc, d'écart-type fixé à 20cm. Afin d'avoir des erreurs plus réalistes, je l'ai complété en insérant les erreurs inspirées des bilans de performance. Ce simulateur présente l'avantage de reproduire directement les élévations d'eau. Il a été utilisé dans plusieurs études, dont une assimilation au niveau du fleuve de l'Ohio par K. Andreadis. Dans le cas de mon site d'étude, il m'a permis d'évaluer la capacité de SWOT à mesurer la pente du fleuve et observer la propagation de la marée à l'intérieur du fleuve.