Dans le domaine de la guerre électronique, la maîtrise du spectre électromagnétique est primordiale. Les antennes doivent donc posséder une couverture fréquentielle extrêmement large. Leur bande de fréquences de fonctionnement peut dépasser la décade, i.e. un rapport 10 entre fréquences haute et basse. De plus, la fréquence basse peut être voisine de la centaine de MHz augmentant de ce fait l'encombrement de l'antenne dans le sens de l'épaisseur. L'intégration d'antenne bande basse sur porteur constitue donc un enjeu majeur. Les antennes classiques dédiées a la guerre électronique font habituellement appel a des antennes dites " indépendantes de la fréquence " chargées par une cavité absorbante. Les travaux présentes dans ce manuscrit ont pour but de supprimer les absorbants présents dans les antennes pour a la fois augmenter leur efficacité et réduire leur épaisseur. Nos recherches se sont orientés vers les matériaux dits " artificiels ", les conducteurs magnétiques artificiels (CMA) et des matériaux a bandes interdites électromagnétiques (BIE), permettant la réalisation pratique de réflecteur magnétique. Apres un état de l'art sur les méthodes analytiques, numériques et expérimentales, nous étudions le comportement de l'antenne spirale d'Archimède en espace libre puis en présence de réflecteurs théoriques: conducteur électrique parfait et conducteur magnétique parfait. Nous avons proposé et validé expérimentalement une méthodologie innovante pour la conception d'antenne large bande faible épaisseur. Enfin, nous avons présenté un réflecteur hybride exploitant les propriétés des conducteurs électriques et magnétiques afin d'étendre la bande de fréquences des antennes.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont relatifs à la conception et au développement d’antennes basées sur les structures artificielles – métamatériaux. La première antenne conçue et réalisée est une antenne bi-fonction en bande L (~1GHz) (GPS et DME) à diversité de bande/de polarisation, destinée aux applications aéronautiques. Ces travaux rentrent dans le cadre du projet MSIE (pôle de compétitivité ASTHEC) pour lequel notre LEME a été très actif. Les partenaires industriels de ce projet sont EADS/IW, Dassault aviation, INEO-Défense, SATIMO. Les résultats montrent la faisabilité d’une antenne unique pouvant avoir simultanément deux fonctions avec une diversité de polarisation et de bande spectrale. L’utilisation des métamatériaux a permis en particulier le maintien de la polarisation circulaire de l’antenne GPS -L1 à L5. La fonction DME a été consolidée avec le maintien de son gain. La seconde antenne est une antenne cavité Fabry-Pérot mettant en œuvre une structure partiellement réfléchissante double couche. Nous avons démontré le phénomène physique d’inversion de la phase du coefficient de réflexion de la PRS. Nous avons obtenu un gradient positif de phase sur une bande de 5 GHz autour de 80GHz. Grace à ce profil nouveau de la phase obtenu par la structure métamatériau PRS, on dispose d’une avance linéaire de la phase qui compense le retard du à la cavité Fabry-Pérot. Ainsi on maintient les conditions de résonance de la cavité sur une large bande, 5GHz. Nous démontrons, que la mise en œuvre de cette structure aux caractéristiques inédites permet de réaliser une antenne cavité ultra-directive sur une très large bande spectrale de 5GHz. Les performances atteintes sont une directivité de 35 à 40dBi sur 5 GHz, une adaptation parfaite (gain ~ directivité) avec très peu de sources primaires. L’antenne est compacte avec une hauteur totale inférieure au 10mm (connecteur compris) et une surface de 100mmx100mm. / The work presented in this manuscript is related to the design and development of antennas based on artificial structures - metamaterials. The first designed and built antenna is a GPS and DME dual-function in the L (~ 1GHz). It is an antenna designed with polarization and spectral diversities for aeronautical applications. The work is within the MSIE project of ASTHEC cluster for which our laboratory (LEME) was very active. The industrial partners of the project are EADS/IW, Dassault Aviation, INEO-Defense SATIMO. The results show the feasibility of a single antenna having simultaneously two functions with a diversity of polarization and spectral band. The use of metamaterials enabled in particular the preservation of circular polarization of the GPS antenna on the bands ranging from L1 to L2. The DME function was consolidated with the same gain.The second antenna is an antenna Fabry-Perot cavity employing a partially reflective structure (PRS) Double-layer. We have demonstrated by numerical simulation and experimental characterization, the physical phenomenon of inversion phase of the reflection coefficient PRS. We obtain a positive gradient of the phase over a broad band of 5 GHz around 80GHz. Thanks to this new profile obtained by the PRS metamaterial structure, it has a linear advance of the phase which compensates for the delay of the Fabry-Perot cavity. Thus the cavity resonance conditions are maintained over a wide band, 5GHz. We demonstrate that the implementation of this structure with unique features allows a highly directive antenna cavity over a very wide spectral band 5GHz. The performance are a directivity of 35-40 dBi over 5 GHz, a perfect adaptation (gain ~ directivity) with very few primary sources.

Le travail de cette thèse est en rapport avec les métamatériaux et ses applications. Tout d'abord, un état de l'art est dressé en présentant leur évolution depuis leur apparition en 19ème siècle jusqu'au nos jours. Les notions sur les milieux chirale, bi-anisotrope, cristaux photoniques et quelques applications dans ces milieux sont données. Ensuite, nous présentons les équations classiques de Maxwell dans les milieux complexes. L'effet bi-anisotrope dans les métamatériaux est ensuite validé par l'extraction des paramètres caractéristiques du matériau main gauche (LHM). La validation a été faite en utilisant deux types différents du résonateur avec inclusion (SRR). Les métamatériaux sont également étudiés comme des cristaux photoniques quand les dimensions utilisées sont de l'ordre de la longueur d'onde correspondant.De plus, les résonateurs SRR et multi-SRR sont analysés du point de vue analytique et électromagnétique afin d'extraire leur fréquence de résonance. Par conséquent, ces composants peuvent être introduits dans différents types de conception; La surface conductrice magnétique artificielle (AMC) illustre un cas explicite et efficace de ces derniers. Une antenne dipôle, placée sur cette surface à la place d'un plan de masse conventionnel, a été étudiée comme une application des métamatériaux. Les résultats relatifs sur la directivité, le gain et le coefficient de réflexion montrent une nette amélioration. Une antenne multi-bandes, comme une autre application des métamatériaux, a également été conçue et simulée. Le résonateur SRR est inséré dans l'antenne de départ afin de créer une autre résonance, et par conséquent une autre bande est ainsi créée.

La technologie RFID (Radio Frequency Identification) prend une place de plus en plus importante dans la société d'aujourd'hui notamment dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité, la logistique... Le développement de cette technologie met en évidence de nouvelles contraintes comme la réduction des zones de lecture et la géo-localisation pour le stockage et le suivi de marchandises. Dans ce contexte, la thèse s'est focalisée sur le développement d'antennes pour lecteur RFID dans le cadre du projet SPINNAKER piloté par TAGSYS RFID et soutenu par OSEO. L'objectif de cette étude est de concevoir des antennes compactes et directives à polarisation circulaire en bande UHF et SHF. L'antenne hélice présente toutes ces caractéristiques à l'exception de la hauteur, très importante dès que l'on souhaite obtenir des performances élevées surtout en gain. Dans ce manuscrit, trois solutions sont proposées pour réduire la hauteur de l'antenne hélice tout en répondant aux cahiers des charges. La première solution consiste à utiliser un réflecteur de forme cylindrique ou conique qui permet de réduire la hauteur d'une antenne hélice classique d'un facteur quatre pour atteindre 0,9λ. La réduction de la hauteur se traduit par une augmentation de la surface autour de l'antenne avec une dimension latérale de 2,3λ. La seconde solution consiste à utiliser l'antenne hélice avec une cavité Fabry-pérot. La hauteur du système antennaire obtenue est de 0,5λ avec un diamètre de 2λ. La dernière solution développée dans la thèse introduit une surface CMA à la solution précédente qui permet de réduire la hauteur à 0,25λ. Toutes les solutions proposées ont été validées expérimentalement. / Over the past 20 years, the RFID (Radio Frequency Identification) technology is having a huge expansion. Nowadays, it is frequently used in different areas as the health, the security and the logistic. A lot of researches are ongoing on this topic, especially in order to reduce the reading zone of the readers and to locate the tags. This thesis focuses on the development of new antennas for Readers RFID devices and is part of the SPINNAKER project supported by OSEO. The antennas requirements are circular polarization, high directivity and gain with low profile. The helix antennas meet all these requirements except the axial length. In this manuscript, we propose three solutions to reduce the helix antenna axial length. The first one uses a cylindrical or conical optimal reflector to reduce the length by four. This reduction affects directly the surface witch increases up to 2.3λ. The second solution uses the helix antenna as a circular polarization feed for a Fabry-Perot (FP) cavity. The final antenna presents a cavity height of 0.5λ and a 2λ diameter. The last solution conserves the FP cavity in which we include an Artificial Magnetic Conductor (AMC) to reduce the cavity height to 0.25λ. All these solutions are validated by measurements.

L'invention de l'antenne fût à la base de la création des communications sans fil à l'orée du XXe siècle. A l'origine des objets métalliques destinés à transmettre et recevoir des ondes électromagnétiques, les antennes n'ont cessé de se complexifier pour satisfaire l'impressionnant développement des communications sans fil. C'est dans ce contexte qu'est né le concept d'antenne « wearable » il y a moins de deux décennies ouvrant un nouveau champ de recherche sur les antennes souples. C'est dans ce cadre que ce travail de thèse se consacre à la conception d’antennes souples en bande UHF.Une première étude a permis de concevoir une antenne Vivaldi antipodale [150 - 900 MHz] souple pour la Section Technique de l'Armée de Terre. Six de ces antennes sont destinées à être placées sous un ballon gonflé à l'hélium pour réceptionner des signaux RF.Une seconde étude est effectuée en collaboration avec la société Syrlinks et le CNES. L'objectif du projet est de concevoir des antennes souples pour le suivi de personnes avec le système ARGOS (401 et 466 MHz). La solution retenue est une PIFA planaire de largeur inférieure à lambda/3. Elle a l'avantage d'être fine et légère. Le matériau souple employé est un caoutchouc silicone sélectionné parmi plusieurs matériaux souples grâce à des caractérisations diélectriques. Cependant, le problème de cette antenne est qu'elle possède un rayonnement quasi-omnidirectionnel. Etant donné qu'il n'était pas envisageable d'utiliser un plan réflecteur métallique pour des raisons de dimensions, il a été décidé de concevoir un conducteur magnétique artificiel (CMA) souple. Toutefois, la conception de CMA dans le bas de la bande UHF se heurte à des difficultés de miniaturisation. Pour contourner ce problème, il a été développé deux concepts de CMA à cellules unitaires de faibles dimensions devant la longueur d'onde. La première solution utilise des capacités interdigitées et la seconde une structure double couche. Pour ces deux concepts, un modèle circuit est proposé et validé par des mesures expérimentales. Les mesures de l'association CMA - antenne montrent une bande passante suffisante pour des applications ARGOS et un rayonnement majoritairement dirigée dans la direction opposé à celle du CMA. / The invention of antennas was the base of wireless communications appearance at the dawn of the twentieth century. Originally metal objects for transmitting and receiving electromagnetic waves, antennas have steadily become more complex to meet the impressive development of wireless communications. It is in this context that the concept of wearable antennas was born less than two decades ago opening a new field of research namely flexible antennas. It is in this framework that this thesis is dedicated to the design of flexible antennas for UHF band.A first study enabled the design of a flexible antipodal Vivaldi antenna [150-900 MHz] for Technical Section of the Army. Six of these antennas are intended to be placed under a balloon inflated with helium for receiving RF signals.A second study was conducted in collaboration with the company Syrlinks and CNES. The objective of the project is to design flexible antennas for tracking people with ARGOS system (401 and 466 MHz). The selected solution is a planar PIFA which width is smaller than lambda/3. This antenna has the advantage of being thin and light. The flexible material used is a silicone rubber and it was selected among several others due to some dielectric characterizations. However, the drawback of this antenna is that it has a quasi-omnidirectional radiation pattern. Since it was not possible to use a reflector metal plane due to size constraints, it was decided to design a flexible artificial magnetic conductor (AMC). However, the design of AMCs in the lower UHF band is challenged with the miniaturization difficulties. Two concepts of small size (compared to the wavelength) AMCs unit cells were developed to work around this problem. The first solution uses interdigitated capacitors and the second a double layer structure. For these two concepts, a circuit model is proposed and validated by experimental measurements. The measurement of the AMC associated antenna demonstrates a bandwidth sufficient for ARGOS applications and a radiation pattern mostly directed in the direction opposite to that of the AMC.

Le travail de cette thèse est en rapport avec les métamatériaux et ses applications. Tout d’abord, un état de l’art est dressé en présentant leur évolution depuis leur apparition en 19ème siècle jusqu’au nos jours. Les notions sur les milieux chirale, bi-anisotrope, cristaux photoniques et quelques applications dans ces milieux sont données. Ensuite, nous présentons les équations classiques de Maxwell dans les milieux complexes. L’effet bi-anisotrope dans les métamatériaux est ensuite validé par l’extraction des paramètres caractéristiques du matériau main gauche (LHM). La validation a été faite en utilisant deux types différents du résonateur avec inclusion (SRR). Les métamatériaux sont également étudiés comme des cristaux photoniques quand les dimensions utilisées sont de l’ordre de la longueur d’onde correspondant.De plus, les résonateurs SRR et multi-SRR sont analysés du point de vue analytique et électromagnétique afin d’extraire leur fréquence de résonance. Par conséquent, ces composants peuvent être introduits dans différents types de conception; La surface conductrice magnétique artificielle (AMC) illustre un cas explicite et efficace de ces derniers. Une antenne dipôle, placée sur cette surface à la place d’un plan de masse conventionnel, a été étudiée comme une application des métamatériaux. Les résultats relatifs sur la directivité, le gain et le coefficient de réflexion montrent une nette amélioration. Une antenne multi-bandes, comme une autre application des métamatériaux, a également été conçue et simulée. Le résonateur SRR est inséré dans l’antenne de départ afin de créer une autre résonance, et par conséquent une autre bande est ainsi créée. / The work in this thesis deals with metamaterials, its components and applications. A historical overview about these materials, features and researches in the domain are presented. Chiral media, binaisotropic materials and photonic crystals are also studied in order to visualize physics behind metamaterials.Electromagnetic properties in complex media are widely investigated. Starting from Maxwell’s equations, bi-anisotropic materials and their effect are deeply analyzed whereas two types of Split Ring Resonator (SRR) are treated to determine constitutive parameters of Left Handed Materials (LHM). The metamaterials are also studied as photonic crystals since the effective medium approach is not applicable when the dimensions of the inclusions tend to the operating wavelength.Moreover, SRRs and Multi SRRs are synthesized analytically and electromagnetically in order to extract their resonant frequencies. Consequently, these components could be introduced in any design; Artificial Magnetic Conductor (AMC) surface is an efficient case. Thus, a low profile antenna positioned over such surface is examined as an application of metamaterials. The results of directivity, gain and reflection coefficient are of great importance and affirm the employing of metamaterials in such applications. A dual band PCB antenna, as another application of metamaterials, is designed and simulated. The SRR element studied in the previous chapters is used as the trap which inserted in the arm of the antenna in order to create another resonance, and consequently another band is created.