La transformation d'espace (TE) a été développée par J. B. Pendry et U. Leonhardt en 2006 et suscite un énorme intérêt depuis la démonstration expérimentale de la première cape d'invisibilité en micro-ondes. Cette technique permet de contrôler la propagation des ondes en modifiant les propriétés électromagnétiques de l'espace. Malgré quelques limitations liées à la bande passante ou aux pertes consécutives à l'utilisation de métamatériaux pour les dispositifs TE, cette technique a attiré l'attention de nombreux domaines (optique, microondes, acoustique, etc). L'objectif de cette thèse est de développer des applications de la TE dans le domaine antennaire à l'aide de matériaux conventionnels lorsque cela est possible et aussi d'ouvrir de nouvelles voies dans le contrôle du rayonnement des antennes. Trois applications ont été étudiées: le réflecteur « parabolique plat »; un superstrat tout diélectrique pour contrôler l'ouverture angulaire d'une antenne patch; et finalement un superstrat permettant de modifier drastiquement le rayonnement d'une antenne. Ce travail a été financé par les agences de défense du Royaume Uni et de la France (DSTL et DGA respectivement), dans le cadre du projet MIMiCRA (Metamaterial Inspired Microwave Conformai Radar Antennas). / Transformation Electromagnetics technique was introduced by J. B. Pendry and U. Leonahrdt in 2006 and it has become an emerging research field in physics and engineering in the last few years after the concept was validated experimentally with a invisibility cloak in microwave regime. This technique claims the possibility of an unprecedented technique to control electromagnetic waves interaction with engineered materials to achieve exotic electromagnetic behaviour. Despite some issues about narrow bandwidth or excessive dispersive losses related to the use of metamaterials for realization of TE devices, this technique caught the attention in many research fields (optics microwave, acoustics, etc). The final purpose of this these is to explore and propose applications of Transformation Electromagnetics in the antenna design field by using standard materials with the purpose of controlling the radiation pattern of an antenna. More precisely, three applications were explored : a fiat "parabolic reflector", an all-dielectric superstrate to control the half power beamwidth of a patch antenna and finally a superstrate that allows to control drastically the radiation pattern of a planar antenna This work was funded by France and UK defence agencies (DSTL and DGA respectively), within the framework of MIMiCRA project (Metamateriallnspired Microwave Conformai Radar Antennas).

Les antennes reconfigurables offrent de multiples fonctions en changeant dynamiquement leurs propriétés telles que la fréquence de fonctionnement, la polarisation, le diagramme de rayonnement ou toute combinaison de ces trois paramètres. Leur agilité et leur diversité créent de nouvelles possibilités d'applications pour les systèmes radio tels que les réseaux locaux, les liaisons par satellite et notamment la radio cognitive. Dans cette thèse, deux antennes reconfigurables en fréquence fonctionnant dans les bandes des standards sans fil actuels ont été proposées. Elles sont basées sur la modification de la géométrie du patch rayonnant. Leurs dimensions ont été optimisées par algorithmes génétiques embarqués et combinés à un logiciel de simulation électromagnétique. La commande de la reconfiguration de ces antennes est réalisée à l'aide d'un microcontrôleur qui pilote l'état des commutateurs (des diodes PIN). De ce fait, un système d'antenne reconfigurable intelligent dédié à la radio cognitive a été développé.

Dans le contexte actuel de transformation numérique, Air Liquide souhaite moderniser le suivi logistique de ses bouteilles de gaz à l'aide de la technologie d'identification radio (RFID) à ultra haute fréquence (UHF) qui remplacerait la solution code-barres actuelle et permettrait de dépasser certaines de ses limites. La numérisation de la traçabilité aura pour conséquence en outre d'enrichir l'interaction entre les actifs industriels et le système de gestion et de production pour ainsi créer l'écosystème IOT (Internet Of Things) spécifique à l'entreprise. Le recours à la RFID UHF est de nos jours largement répandu pour la logistique et la gestion de stocks. Cependant, les environnements métalliques, comme celui que l'on trouve avec les bouteilles de gaz, induisent des perturbations qui dégradent fortement la qualité de la communication radio fréquence (RF). Cela constitue un frein au déploiement de cette technologie dans un tel cadre. Il est nécessaire de comprendre les perturbations induites par les milieux conducteurs afin de s'en affranchir et ainsi proposer une solution efficiente. En plus de cela, les faibles niveaux d'énergie mis en jeu impliquent qu'une étude de l'ensemble des points d'amélioration des dispositifs RFID UHF tant au niveau matériel que logiciel soit réalisée. De cette étude théorique, nous avons fait le choix de concentrer nos efforts sur la conception d'un tag RFID UHF pour objets métalliques répondant au cahier des charges spécifique de l'industriel. Pour aller plus loin dans l'optimisation de la logistique et de la gestion des stocks, nous nous sommes également penchés sur l'étude et la réalisation d'un circuit de récupération d'énergie RFID UHF pour tag augmenté passif équipé d'un capteur. L'objectif est d'apporter une information sur l'état de l'actif en plus de son identité tout en évitant les contraintes liées à la présence d'une batterie ou d'une pile. / In the current context of digital transformation, Air Liquide explores the use of Ultra High Frequency (UHF) Radio Frequency IDentification (RFID) in the gas cylinders supply chain, as a replacement for the current, barcode-based, tracking and inventory solution. Digitalization will also provide the company an opportunity to develop its IOT ecosystem through enriched interaction between assets and their management system. UHF RFID is nowadays commonplace in logistics. However, metal surroundings as found in the gas cylinder's case, yield disturbances in the RF communication, and decreased inventory performances. Therefore, it is necessary to understand the adverse effects of metal surroundings to propose an ad-hoc solution. In addition, dealing with low levels of energy in the RF communication suggests leveraging both hardware and software aspects of RFID devices for potential performance improvements. On the basis of our theoretical study, we focus on the design and testing of an industrial UHF RFID tag suitable for the gas cylinder use case. To enable an even richer, more interactive supply chain, we also design and test an energy harvesting device for the UHF band, to power a tag enriched with an active sensor, without the logistic burden of a battery of limited durability.

Dans le secteur de l'agroalimentaire, l'utilisation de la RFID permet d'améliorer la sécurité des produits alimentaires tout en assurant une meilleure traçabilité et un meilleur suivi des produits. Le travail de cette thèse était principalement réalisé dans le cadre d’un projet en coopération avec plusieurs partenaires académiques et industriels dans le secteur fromager où l’objectif principal du projet était de maitriser l’ensemble des étapes de fabrication par un parfait suivi de la traçabilité des produits et un pilotage précis de l’affinage. Le travail réalisé dans cette thèse s'inscrit dans ce contexte et a comme objectif le développement de tags RFID UHF adaptés aux contraintes des produits alimentaires en assurant une double fonction: une fonction de traçabilité à identification unitaire, et ensuite une fonction de détection du degré de maturation de l'aliment par mesure indirecte de ses propriétés électromagnétiques et physico-chimiques.La première étape du projet était la caractérisation des paramètres électromagnétiques des produits alimentaires durant l’affinage afin de réaliser une conception appropriée de l'antenne du tag. En radiofréquences, c'est principalement le substrat qui dicte les propriétés électromagnétiques des composants, notamment la taille des antennes et leur diagramme de rayonnement. La connaissance de ces propriétés est indispensable afin de répondre aux exigences industrielles et d'intégrer dans de bonnes conditions les systèmes dans l'environnement applicatif. En plus, une étude de corrélation est réalisée entre la variation des propriétés diélectriques et celle des propriétés chimiques durant la période d’affinage des produits. Cette étude aide à comprendre la différence entre les différents produits et permet de déterminer les paramètres principaux à suivre durant l’affinage pour la conception du tag capteur.La deuxième étape était la conception des tags identifiants pour la traçabilité des produits alimentaires durant la procédure de fabrication. L’objectif principal est de réaliser un tag identifiant avec une performance qui répond aux besoins des fabricants dans le secteur fromager concernant la taille, la mémoire et la distance de lecture du tag tout en respectant les normes de santé au niveau d’emballage du tag ainsi que le substrat utilisé. Plusieurs configurations de tag RFID UHF étaient réalisées et testées dans un environnement industriel où les résultats obtenus montrent l’efficacité d’utiliser un système de RFID pour automatiser la traçabilité des produits dans le secteur fromager.La troisième étape concerne la conception des tags capteurs pour suivre le degré d’affinage des produits pendant la période de maturation. Une première solution, basée sur l’exploitation de l’effet de variation des propriétés diélectriques sur la distance de lecture de tag, montre un manque de performance due aux faibles variations ainsi qu’aux difficultés de mesure dans un environnement réel. Une deuxième solution basée sur la mesure de taux de dégagement des gaz durant l’affinage montre la possibilité d’estimer le degré d’affinage. Par contre, la puissance d’activation de capteur et le coût élevé ne permettent pas d’adopter cette solution. Finalement, deux solutions alternatives étaient réalisées pour mesurer l’augmentation du taux d’échapement des gaz d’une manière indirecte. La première configuration de tag capteur est basée sur le suivi du changement de dimensions du produit en utilisant un capteur résistif. D’autre part, la deuxième configuration de tag capteur est basée sur le suivi de changement de pression dans l’emballage du produit dû à la production de gaz. Les résultats obtenus montrent que ces deux configurations de tag RFID capteur peuvent offrir des solutions simples et efficaces pour le pilotage de l’affinage des produits alimentaires. / In the food sector, the use of RFID makes it possible to improve the safety of food while ensuring better traceability and better monitoring of products. The work of the thesis was mainly carried out within the framework of a project in cooperation with several academic and industrial partners in the cheese sector where the main objective of the project is to develop UHF RFID tags adapted to the constraints of food products by ensuring a dual function: a traceability function with unitary identification, and then a sensing function of cheese maturation by indirect measurement of its electromagnetic and physicochemical properties.The first step of the project was the characterization of the electromagnetic parameters of food products during ripening in order to achieve an appropriate design of the tag antenna. Knowledge of these properties is essential to meet industrial requirements and to integrate systems in right conditions. Also, a correlation study is carried out between the variation of the dielectric properties and that of the chemical properties during the period of cheese ripening. This study helps to understand the difference between cheese types and allows determining the main parameters to follow during cheese maturation for the design of the sensor tag.The second step was the design of identification tags for the traceability of food products during the manufacturing process. The primary objective is to create a UHF RFID tag with a performance that meets the needs of manufacturers in the cheese sector regarding the size, memory and reading distance while respecting the health standards at the packaging level as well as the substrate used. Several UHF RFID tag configurations were realized and tested in an industrial environment where the results obtained show the effectiveness of using an RFID system to automate the traceability of products in the cheese sector.The third step is the design of sensor tags to track the degree of maturation of products during the ripening period. A first solution, based on the exploitation of the effect of variation of the dielectric properties on the tag reading distance, shows a lack of performance due to the small variations as well as the difficulties of measurement in a real environment. A second solution based on the analysis of gas evolution rate shows the possibility of estimating the degree of cheese maturation. However, the sensor activation power and the high cost represent significant challenges and thus it was difficult to adopt this solution. Finally, two alternative solutions to measure the effect of gas evolution were presented. The idea is based on monitoring other parameters varying due to the increase of gas release during cheese maturation. The first sensor tag configuration traces the variation of product dimension due to maturation using a resistive sensor. On the other hand, the second sensor tag configuration measures the change of pressure inside the product packaging due to gas production. The results obtained show that these two sensor RFID tag configurations can offer simple and practical solutions for controlling the cheese ripening process.

Les antennes reconfigurables offrent de multiples fonctions en changeant dynamiquement leurs propriétés telles que la fréquence de fonctionnement, la polarisation, le diagramme de rayonnement ou toute combinaison de ces trois paramètres. Leur agilité et leur diversité créent de nouvelles possibilités d'applications pour les systèmes radio tels que les réseaux locaux, les liaisons par satellite et notamment la radio cognitive. Dans cette thèse, deux antennes reconfigurables en fréquence fonctionnant dans les bandes des standards sans fil actuels ont été proposées. Elles sont basées sur la modification de la géométrie du patch rayonnant. Leurs dimensions ont été optimisées par algorithmes génétiques embarqués et combinés à un logiciel de simulation électromagnétique. La commande de la reconfiguration de ces antennes est réalisée à l'aide d'un microcontrôleur qui pilote l'état des commutateurs (des diodes PIN). De ce fait, un système d'antenne reconfigurable intelligent dédié à la radio cognitive a été développé. / Reconfigurable antennas offer multiple functions by dynamically changing their properties such as operating frequency, polarization, radiation pattern, and a combination of all these factors. Their agility and diversity create a wide range of different and new applications for radio systems such as local networks, satellites, and especially in cognitive radio. In this thesis, two new frequency reconfigurable antennas are proposed. The frequency reconfiguration is obtained by changing the geometry of radiating patch. Their dimensions have been optimized by genetic algorithm embedded in the electromagnetic simulation software. These antennas operate at the frequency band for IEEE 802.11b/g standard with satisfactory radiation characteristics. This thesis also presents a method of controlling the operation of the frequency reconfigurable antenna by a micro-controller. The operation of electronic switches (PIN diodes) are carried out through programs which allows an adaptive operating system like smart antennas and work well in cognitive radio environment.