Cette thèse présente de nouveaux développements pour de petites antennes en cavité. L'objectif principal de la thèse est l'analyse de la performance de la bande passante de ces antennes pour des tailles d'ouverture qui sont petites par rapport à la longueur d'onde en espace libre. Des cavités de formes rectangulaires et circulaires intégrées dans un plan de masse infini et dans des plans de masse de dimensions latérales finies sont examinées en détail. Jusqu'à présent, dans la littérature, le choix pour ces antennes en cavités portait sur des antennes imprimées microruban (patch). L'objet de la thèse est de déterminer si les performances d'antennes en cavité de petite taille peuvent être améliorées et si oui, de quelle façon. A cet effet, nous avons tout d'abord étudié théoriquement, la limite supérieure de la bande passante pour cette configuration particulière en cavité. Nous en avons conclu que les antennes microruban intégrées dans une cavité n'atteignent pas la limite de la bande passante, ce qui est l'un des principaux résultats de la thèse. Les antennes intégrées dans une cavité avec un plan de masse infini ou fini sont ensuite analysées à l'aide de plusieurs modèles de ligne de transmission simples. Le deuxième résultat clé de la thèse un modèle de ligne de transmission spécifique et original qui montre que cette limite sur la bande passante est réellement atteignable. Par conséquent, ce modèle de ligne de transmission devient la base d'une nouvelle conception pour l'antenne en cavité. Enfin, le résultat le plus important de la thèse est la conception concrète de nouvelles antennes en cavité capables d'atteindre la performance maximale en bande passante. D'autres sujets sont abordés sont: i) la comparaison avec des structures à base d'éléments empilés en termes de bande passante, de facilité de fabrication et de coût, ii) l'extension de la limite grâce à l'inclusion de matériaux magnétiques idéaux et conducteurs magnétiques; iii) l'utilisation de la nouvelle structure d'antenne pour la constitution d'un réseau d'antennes compact; iv) les avantages de la nouvelle structure pour la réalisation d'antennes en cavité de tailles vraiment petites pour lesquelles les méthodes classiques ne permettent pas la réalisation d'antennes. / This thesis presents new developments in cavity type antennas. The main objective of the thesis is bandwidth performance analysis of antennas in cavities with aperture sizes which are small compared to the free space wavelength. Cavities of rectangular and circular shapes in an infinite and finite ground plane are investigated in detail. So far in the literature, microstrip patch antennas were the antenna of choice for cavity type antennas. The intention of the thesis is to determine if cavity type antennas can be improved and how. To this end, the bound on bandwidth for cavity antennas is investigated theoretically. It is concluded that patch antennas, in fact, do not reach the bound for cavity antennas, which is one of the key results of the thesis. Infinite and finite sized ground plane cavity antennas are further analyzed using several simple transmission line models. The second key result of the thesis is a demonstration that a special transmission line model corresponds to antennas that reach the bound on bandwidth. This transmission line model is the basis to a new cavity antenna design. Finally, the most important result is a practical, physical, design of novel cavity antennas capable of reaching the bandwidth bound. Furthermore, several additional topics are explored; i) A comparison with stacked patches design in terms of bandwidth, ease of fabrication, and cost; ii) The extension of the bound with the inclusion of ideal magnetic materials and magnetic conductors; iii) The new antenna design use in constructing a compact antenna array; iv) The benefits of the new design for constructing small cavity antennas previously not feasible with the classical design.

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 focalisation du champ électromagnétique dans les zones de champ proche et lointain est un sujet de forte actualité pour l'imagerie médicale et la radiométrie des microondes jusqu'aux ondes millimétriques. Dans ce cadre, la théorie des ondes de fuite est un formalisme élégant qui permet de décrire d'une même façon les problèmes radiatifs en champ proche et en champ lointain des microondes aux fréquences optiques. Dans cette thèse, on utilise la polyvalence de la théorie des ondes de fuite pour développer des systèmes rayonnants complexes afin de contrôler les caractéristiques radiatives en champ lointain aux fréquences submillimétriques et pour focaliser la radiation électromagnétique en champ proche aux fréquences millimétriques. Ainsi, l'utilisation de matériaux uniques comme le graphène et les cristaux liquides ont été considérés pour la conception des antennes à ondes de fuite, en obtenant des résultats très intéressants en termes de reconfigurabilité, d'efficience et de directivité. Dans ce contexte, une analyse théorique originale a fourni de nouvelles formules pour l'évaluation des caractéristiques radiatives (c.à.d. la largeur de faisceau, le niveau des lobes secondaires, etc.) des antennes à ondes de fuite. En effet, la largeur du faisceau de ces antennes est, jusqu'à présent, estimée au moyen des formules proposées pour la première fois dans les années '60 par Prof. Arthur A. OLINER. Ces formules ne tiennent en compte ni de la longueur de l'antenne (sauf pour des cas très particuliers), ni du rayonnement longitudinal, elles ne permettent donc pas une évaluation rigoureuse.En complément à la reconfigurabilité en champ lointain, les ondes de fuite offrent aussi la possibilité de focaliser la radiation en champ proche. Dans ce cas, on voit que les ondes de fuite peuvent être utilisées d'une façon efficace pour générer des faisceaux non diffractifs de Bessel à travers des systèmes rayonnants à bande étroite aux ondes millimétriques. De plus, le caractère non diffractif des faisceaux de Bessel peut aussi être utilisé pour générer des impulsions très localisées (comme les solitons en optiques) à travers la superposition continue des faisceaux de Bessel sur une large bande de fréquence. Dans ce cadre, une nouvelle formulation a été développée afin de comprendre les limitations physiques et technologiques concernant la génération des impulsions non diffractives et non dispersives, c.à.d. les X-waves. Les résultats ont montré qu'un type de systèmes rayonnants à large bande, notamment les antennes RLSA (en anglais « Radial Line Slot Array »), semblent très favorables pour la génération des X-waves. / In recent years, microwave, millimeter-wave, and THz applications such as medical and security imaging, wireless power transfer, and near-field focusing, just to mention but a few, have gained much attention in the area of ICT due to their potentially high social impact. On one hand, the need of highly-directive THz sensors with tunable radiating features in the far-field region has recently boosted the research activity in the design of flexible, low-cost and low-profile devices. On the other hand, it is of paramount importance to focus energy in the near-field region, and thus the generation of limited-diffraction waves in the microwave and millimeter-wave regime is a topic of recent increasing interest. In this context, leaky-wave theory is an elegant and extremely useful formalism which allows for describing in a common fashion guiding and radiating phenomena in both the near field and the far field, spanning frequencies from microwaves to optics passing through THz. In this PhD thesis we aim to exploit the intrinsic versatility of the leakywave approach to design advanced radiating systems for controlling the far-field radiating features at THz frequencies and for focusing electromagnetic radiation in the near field at millimeter waves. Specifically, the use of relatively new materials such as graphene and liquid crystals has been considered for the design of leaky-wave based radiators, achieving very promising results in terms of reconfigurability, efficiency, and radiating capabilities. In this context, an original theoretical analysis has provided new general formulas for the evaluation of the radiating features (e.g., half-power beamwidth, sidelobe level, etc.) of leaky-wave antennas. Indeed, the current formulations are based on several simplifying hypotheses which do not allow for an accurate evaluation of the beamwidth in different situations. In addition to the intriguing reconfigurable capabilities offered by leaky waves in far-field applications, interesting focusing capabilities can be obtained in the near field. In particular, it is shown that leaky waves can profitably be used to generate limited-diffraction Bessel beams by means of narrow-band radiators in the microwave range. Also, the use of higherorder leaky-wave modes allows for achieving almost the same performance in the millimeter-wave range, where previous designs were subjected to severe fabrication issues. Even more interestingly, the limited-diffractive character of Bessel beams can also be used to generate limited-diffraction pulses as superpositions of monochromatic Bessel beams over a considerable fractional bandwidth. In this context, a novel theoretical framework has been developed to understand the practical limitations to efficiently generate limited-diffraction, limited-dispersion pulses, such as X-waves, in the microwave/millimeter-wave range. As a result of this investigation, a class of wideband radiators has been thoroughly analyzed, showing promising capabilities for the generation of both zeroth-order and higher-order Xwaves. The latter may pave the way for the first localized transmission of orbital angular momentum in the microwave range.