Le travail de thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR «Stick’It» visant à développer de nouvelles technologies peu coûteuses et innovantes dédiées à la conception de composants radiofréquences (RF) 2D, 2,5D et 3D, notamment des antennes imprimées sur des matériaux conformes. Les applications ciblées sont principalement des appareils de réseaux domestique, tels que les décodeurs, dont les formes et les dimensions sont très variées. Par conséquent, il est nécessaire de concevoir des antennes sur des substrats souples.Selon nos besoins pour un matériau de substrat flexible, peu coûteux, avec de bonnes propriétés RF, la capacité de recyclage et en particulier la capacité à fabriquer des structures 3D, après avoir étudié différents matériaux diélectriques pour l’électronique flexible, le papier s'est trouvé le plus adapté.Les travaux de cette thèse se sont déroulés en trois phases.Dans la première phase, c'était l'étude des méthodes de caractérisation des matériaux pour obtenir leurs propriétés électromagnétiques. Après l'analyse, la méthode de perturbation utilisant une cavité cylindrique a été choisie pour la caractérisation du papier. Les premiers résultats de ce processus ont été vérifiés en réalisant et en testant des antennes simples telles que des monopoles alimentés par CPW sur du papier et du PET. Ensuite, la mesure du papier E4D a été effectuée avec 50 échantillons découpés dans différentes feuilles de papier E4D de trois épaisseurs différentes, 104 m, 210 m et 387 m. Les résultats ont été analysés statistiquement et ont donné r = 3.184, tan = 0.092. Les dispersions des résultats mesurés à 2,5 GHz sont 0.25% pour r et 0.26% pour tan. Ces résultats ont été utilisés pour la phase suivante.Au cours de la deuxième phase, les antennes différentes ont été conçues sur le papier E4D d'épaisseur 0,104 mm et 0,21 mm, notamment des IFA, des antennes SIW et des antennes monopoles alimentées par une ligne microruban. Les prototypes ont été réalisés à l'aide d'une technique de sérigraphie et testés pour déterminer les propriétés de l'adaptation et les diagrammes de rayonnement.Dans la troisième phase, les antennes proposées ont été étudiées dans des conditions d'emballage réalistes, où un boîtier décodeur était en plastique ABS avec différentes dimensions. Le premier cas concernait deux antennes MIMO placées orthogonalement dans des boîtiers ABS différents, avec un espace suffisant pour que les deux puissent rester plats. Le second cas était une boîte à hauteur limitée, de sorte qu’au moins une des antennes doit être pliée.Ainsi, une étude de l'effet de flexion a été réalisée, tout d'abord avec un simple dipôle droit et un monopole droit sur le papier E4D, puis avec une antenne à large bande proposée dans la seconde phase. L’étude a montré que la flexion n’affecte pas beaucoup l’adaptation de l’antenne sur une large bande de fréquences. Cependant, ses diagrammes de rayonnement tournent dans le plan E avec un angle de rotation dépendant de la position de pliage et de l'angle de flexion.Ensuite, le système MIMO de deux antennes placé orthogonalement dans un boîtier ABS de hauteur limitée, de sorte qu’une antenne doit être pliée et une autre reste plate. Dans tous les cas de système d'antenne MIMO, nous avons obtenu une bonne isolation (> 20 dB) et un coefficient de corrélation (ECC) inférieur à 0,05. / The thesis was carried out within the ANR project « Stick’It » that aimed at developing new, low-cost and innovative technologies devoted to the design of 2D, 2,5D and 3D radiofrequency (RF) components including antennas printed on conformable materials. The targeted applications are primarily home-networking devices such as set-top boxes where their forms and dimensions are widely varied. Therefore, it is necessary to design antennas on flexible substrates.According to our needs for a substrate material that is flexible, low cost, with good RF properties, recycling ability, and especially ability to make 3D structures, after considering various dielectric materials for flexible electronics, paper substrate appeared to be the most suitable for our purpose.The work of this thesis conducted in three phases.In the first phase, it was the study of methods for characterization of materials to obtain their electromagnetic properties. After analysis, the method of perturbation using a cylindrical cavity was chosen for characterization of paper. The first results of this process were verified by realization and testing of simple antennas such as CPW-fed monopoles on paper and PET. Then, the measurement of E4D paper substrate was performed with 50 samples cut from various E4D paper sheets of three different thicknesses, 104 m, 210 m and 387 m. The results were analyzed statistically and gave r = 3.184, tan = 0.092.The dispersions of the results measured at 2.5 GHz are 0.25% for r and 0.26% for tan. These results were used for the next phase.In the second phase, different antennas were designed on 0.104-mm and 0.21-mm thick E4D paper including IFAs, SIW cavity-back antenna and microstrip-fed wideband monopole antennas. The prototypes were realized using screen printing technique and tested for matching property and radiation patterns.In the third phase the proposed antennas were studied in realistic package conditions, where a set-top box was made of ABS plastic with different dimensions. The first case was with two MIMO antennas orthogonally located in different ABS boxes with sufficient space, so that both of them can remain flat. The second case was a box with a restricted height, so that at least one of the antennas needs to be bent.Thus, a study of bending effect was carried out, first of all, with a simple straight dipole and a straight monopole on E4D paper, then with a wideband antenna proposed in the second phase. The study showed, that bending does not much affect the matching of the antenna over a wide frequency band. However, its radiation patterns rotate in the E-plane with a rotation angle depending on the bending location and bending angle.Then, the MIMO system of two antennas placed orthogonally in an ABS box with restricted height so that one antenna needed to be bent and another remained flat. In all cases of MIMO antenna system, we obtained good isolation (>20 dB) and Envelope Correlation Coefficient (ECC) less than 0.05.

Une des problématiques qui est souvent associée aux réseaux large bande est l’apparition des lobes de réseaux, liée à la périodicité de l’espacement entre les éléments du réseau. Un autre problème dans les réseaux large bande est la fréquence de fonctionnement de l’élément du réseau. La plus basse fréquence d’opération est généralement liée à la taille de l’élément. Dans cette thèse un réseau d’anneaux concentriques a été développé. Les connections entre les spirales de polarisation opposée diminuent le coefficient de réflexion dans les fréquences basses. La topologie des anneaux concentriques a été optimisée avec des Algorithmes Génétiques pour minimiser le niveau des lobes secondaires relatifs dans les hautes fréquences. L’addition d’une contrainte de taille dans la procédure d’optimisation a assuré que le réseau soit compact. Le réseau optimisé opère entre 1 et 6.9 GHz. Le design a été d’avantage développé avec la technique WAVES avec l’inclusion d’une copie réduite en son centre, ce qu’a permis l’extension de la bande passante jusque 13 GHz. De plus, nous avons proposé un nouveau design pour le réseau de spirales connectés qui consiste en des antennes spirales disposées dans un réseau uniforme avec les bras connectés aux bras des antennes voisines. Les simulations indiquent que le réseau peut avoir une bande passante arbitrairement large selon la finitude du réseau. Un prototype a été construit et mesuré pour valider le concept. / One of the usual problems associated with wideband arrays is having the highest frequency of operation limited by the appearance of grating lobes, associated with the periodicity in the spacing between elements of the array. Another issue is the working frequency of the element of the array. The lowest frequency of operation is in general related to the size of the element. In this thesis a Concentric Ring Array of Connecting Spirals has been developed. The connections between spirals of opposite polarizations reduces the reflection coefficient at lower frequencies. The concentric rings topology had the radius and relative rotations of each ring optimized using Genetic Algorithms to minimize the RSLL at higher frequencies. The addition of a size constraint in the optimization procedure kept the array compact. The optimized array operates from 1 to 6.9 GHz. The design was then updated using the WAVES technique to include a scaled down copy in its center, extending the bandwidth of the array up to 13 GHz. Moreover, we proposed a new design for the array of connected spirals which consists of arranging spirals in a uniform array and connecting the arms of the neighboring spirals. Simulations indicate that the design can have an arbitrarily large bandwidth depending on the finiteness of the array. A prototype has been built and measured to validate the concept.

La demande pour des systèmes RF plus compacts avec des bandes plus larges a poussé l'exploration de bandes toujours plus hautes en fréquence forçant un transfert des technologies existantes et l'invention de nouvelles pour ces bandes. Parmi les principaux obstacles rencontrés dans cet effort, se trouvent le problème du confinement de champ, les pertes diélectriques importantes, et les difficultés d'intégration entre deux systèmes conçus avec une technologie différente. Afin de pallier à ces problèmes, plusieurs nouvelles technologies sont apparues durant ces deux dernières décennies. Une des plus prometteuse est le guide d'onde intégré au substrat (ou SIW pour Substrate Integrated Waveguide). Sa caractéristique principale est la possibilité d'intégrer les guides d'onde dans un substrat, le plus souvent en intégrant des cylindres métalliques ou diélectriques densément disposés, dans un substrat dont les faces, inférieure et supérieure, sont hautement conductrices. Cette technologie offre une liberté sans précédent à la gamme de systèmes pouvant être réalisés. La richesse de possibilités de designs, la robustesse et la solidité des performances ont conduit à un nombre très larges de systèmes SIW, certains d'entre eux trouvant place dans des applications commerciales. L'inconvénient de cette technologie provient du très grand nombre d'élément nécessaire et de la complexité de son agencement. Par conséquent, ils présentent un défi du point de vue d'un concepteur, nécessitant des analyses numériques et des optimisations. Les solveurs les plus couramment utilisés à cette fin sont basés sur la FÉM, la FDTD / FDFD et MoM, ou sur une fusion de plusieurs méthodes. Bien qu'ils soient à la hauteur pour une vaste gamme de structures, les plus rapides et plus précis sont très recherchés. Cette thèse porte sur une méthode numérique hybride adaptée à l'analyse d'une vaste gamme de structures SIW planaires. Elle repose sur une représentation efficace des champs dans des guides d'ondes à parois parallèles, chargés avec des diélectriques planaires simples ou multicouches contenant des cylindres ; elle permet la construction de systèmes linéaires dont les solutions donnent les amplitudes de champ post-dispersion. Ce problème est ce que nous appelons le mode-matching, et fournit des moyens de calcul rapide de champ en présence de cylindres métalliques et diélectriques. Étant donné qu'une part importante de ces dispositifs utilise des fentes rectangulaires étroites comme éléments de couplage et de rayonnement, nous proposons une approche basée sur les MoM pour leur analyse. Grâce à l'application du principe d'équivalence, chaque fente remplacée par des courants magnétiques équivalents; la procédure divise efficacement le problème le plus large en plusieurs plus petits, chacun appartenant à une région délimitée par des plaques PEC parallèles (un seul guide d'ondes à plans parallèles). En exerçant les conditions aux limites sur les surfaces des fentes et en effectuant la pondération Galerkin, on obtient un système linéaire dont les solutions sont les amplitudes des courants magnétiques. De là, nous procédons au calcul des quantités pertinentes telles que les paramètres S, Y et Z. Nous fournissons des critères empiriques pour choisir le nombre de modes / fonctions de base suffisantes pour une grande précision. En outre, nous présentons des techniques d'approximation et montrons comment exploiter les symétries inhérentes à des dispositifs SIW afin d'accélérer encore plus la méthode. Nous présentons les résultats de l'analyse de plusieurs structures SIW, obtenus par notre code en interne sur la base de la méthode exposée ici, et les comparons à ceux obtenus avec un solveur commercial standard. Les résultats obtenus montrent une excellente précision et efficacité de la méthode proposée. Le facteur d'accélération, la robustesse et la généralité en font un outil attrayant pour être utilisé dans la conception et l'optimisation des dispositifs SIW. / With constant demand for larger band and more compact RF devices, the rapid shift to higher frequency regions, as high as the W-band (75 to 110 GHz), forces microwave designers to both transfer existing technologies to and invent new ones for these bands. The major obstacles encountered in this endeavour are the problem of efficient field confinement, problematic electrical contacts, high dielectric losses, and difficult integration between devices realized with different technologies, to name a few. To overcome these issues, several competing technologies emerged in the past two decades. One of the most promising is the substrate-integrated waveguide (SIW) paradigm. Its key feature is the possibility of integrating waveguides into substrates, most often done by embedding densely-packed metal and dielectric cylinders into substrates bounded by highly-conductive layers, e.g. PCB-type ones. This provides unprecedented freedom in the range of devices that can be realized. Though commonly planar, these devices may have sidewalls of almost arbitrary shape and can be easily integrated with ones realized in alternative technologies, such as the coplanar-waveguide or microstrip technology. The richness in design possibilities, robustness and solid performance has led to a very large number of SIW devices, some of them finding place in commercial applications. Unfortunately, they often comprise a large number of elements and have complex layouts. Hence, they present a challenge from a designer’s perspective, necessitating numerical analysis and optimization. The most common solvers used for that purpose are based on FEM, FDTD/FDFD, and MoM, or merge several methods. Though they are up to the task for a vast range of structures, faster and more accurate ones are highly sought for. This thesis is concerned with a hybrid numerical method suited to the analysis of a vast range of planar SIW structures. It relies on an efficient representation of fields in parallel-plate waveguides, loaded with either single or multi-layer planar dielectrics, containing circular cylindrical posts; it enables the construction of linear systems whose solutions yield post-scattered field amplitudes. This problem is what we refer to as mode-matching, and provides means of fast computation of field in presence of metal and dielectric posts. Since a significant share of such devices use narrow rectangular slots as coupling and radiating elements, we propose an MoM-based approach to their analysis. Through the application of the equivalence principle, each slot replaced by equivalent magnetic currents; the procedure effectively partitions the larger problem into several smaller ones, each pertaining to a region bounded by parallel PEC plates (a single parallel-plate waveguide). Enforcing the boundary conditions at surfaces of slots and performing Galerkin weighting, we obtain a linear system whose solutions are the amplitudes of magnetic currents. From there we proceed to the computation of relevant quantities such as S, Y and Z parameters. We provide empirical criteria for choosing the number of modes/basis functions sufficient for high accuracy. Moreover, we present approximation techniques and show how to exploit symmetries inherent in SIW devices to speed up the method even further. To stress the features rendering our approach advantageous over the alternatives,we compare it to ones found in literature representing what we believe to be the most successful attempts. We present the results of analysis of several SIW structures of varying complexity, obtained by our in-house code based on the method exposed here, and compare them against the ones obtained with a standard commercial solver. The obtained results show excellent accuracy and efficiency of the proposed method. The speed-up factor, the robustness and generality make it an attractive tool to be used in design and optimization of SIW devices.

Ce travail de thèse constitue une contribution originale et importante à la compréhension de la transformation d’espace et ouvre la voie au design de nouvelles structures éléctromagnétiques. Le couplage entre cette technique innovante et les métamatériaux a permis la réalisation de prototypes aux propriétés uniques. C’est ainsi que nous avons pu concevoir une cape d’invisibilité polygonale, un adapteur de modes ou encore une antenne directive ou isotrope. La fabrication de notre antenne très directive par cette méthode est le seul prototype dans la littérature qui allie le contrôle de la permittivité et la perméabilité à partir de résonnateurs électriques et magnétiques. Ce contrôle ultime de la lumière à partir d’une ingénierie de l’espace trouvera son utilité dans la recherche fondamentale mais aussi pour les ingénieurs et dévellopeurs recherchant plus de précision dans leur conception de dispositifs électromagnétiques. / This phD work is an original and important contribution to the understanding of transformation optics and paves the way to the design of new electromagnetic structures. The coupling between this innovative technique and metamaterials has led to prototypes with unique properties. We have thus developed an invisibility polygonal cloak, an electromagnetic taper, a directional antenna and isotropic source. The realization of our high-directive antenna with this method is the only prototype in the literature that combines controlled variations of the permittivity and permeability from electric and magnetic resonators. The ultimate control of light from an engineering space will find its usefulness in fundamental research but also for engineers and developers who are looking for more precision in the design of electromagnetic devices.

L' Imagerie médicale par Résonance Magnétique (IRM) constitue un outil puissant pour le diagnostic et le suivi de pathologies dans le cadre des modèles développés sur petit animal en neurosciences. Cette application requiert une haute résolution spatiale et un Rapport Signal à Bruit(RSB) élevé, rendus possibles par l’utilisation d’un haut champ magnétique (7 T) et d’une antenne miniature à forte sensibilité, implantée à proximité de la zone d’intérêt. Le design monolithique de l’antenne, appelé Résonateur Multi-tours à Lignes de Transmission (RMLT), permet la miniaturisation en dessous du centimètre et sa réalisation par les technologies de microfabrication en salle blanche.Afin de réduire l’aspect invasif de l’implantation, l’antenne a été réalisée sur support souple :FEP Téflon® ou PDMS. Pour résoudre les problèmes d’adhérence liés à ces matériaux polymères, des traitements plasmas spécifiques ont été mis en œuvre pour le FEP Téflon® tandis qu’un procédé de transfert de motifs dédié au PDMS a été élaboré. Outre la fiabilité mécanique, l’épaisseur du revêtement PDMS assurant la bio compatibilité de l’antenne a été optimisée pour limiter le couplage diélectrique avec les tissus et ainsi conserver des caractéristiques électromagnétiques appropriées à l’IRM à 7 T lorsque l’antenne est implantée. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation des premières images du cerveau du rat acquises in vivo avec une micro-antenne souple implantée. Ces images ont démontré un RSB amélioré d’un facteur 5, comparées à celles acquises avec une antenne commerciale quadrature. D’autres applications et perspectives dans le domaine biomédical sont ouvertes par ces travaux comme des capteurs pour la détermination des propriétés diélectriques des tissus, et des microbobines et des capteurs de pression intégrés dans les canaux microfluidiques. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a powerful tool for the diagnosis and the monitoring of diseases in the frame of research models developed on small animal in neurosciences. This application requires a high spatial resolution and a high Signal to Noise Ratio (SNR) using a high magnetic field (7 T) and a highly sensitive miniaturized coil, implanted near the interest area. The coilmonolithic design, called Multi-turn Transmission Lines Resonator (MTLR), allows theminiaturization below the centimeter scale and the clean-room technology. To reduce the invasive aspect of implantation, the coil was fabricated on a flexible substrate: FEP Teflon® or PDMS. To overcome adhesion issues related to these polymers, specific plasma treatments were applied to FEPTeflon® while a transfer process dedicated to PDMS was developed. Besides mechanical reliability, the thickness of the PDMS coating ensuring the coil biocompatibility, was optimized to limit the dielectric coupling with tissues and thus to keep suitable electromagnetic characteristics for 7 T MRI when the coil is implanted. This work allowed the achievement of the first images of the rat brain acquired in vivo using an implanted soft coil. These images have shown a 5-fold enhanced SNRcompared with the ones acquired using a commercial quadrature coil. Other applications in the biomedical field are open by this work: sensors for the dielectric characterization of tissues, integrated microcoils and pressure sensors in microfluidic channels.

L’objectif de cette action R&T CNES est le développement en technologie intégrée SiGe BiCMOS d’un core-chip MMIC pour les antennes à formation de faisceaux. Les nouvelles solutions pour les charges satellites développées pour les applications télécom notamment ont besoin d’être de plus en plus flexibles. Cela passe par la mise en place d’un très grand nombre de points de contrôle RF ‘Amplitude/Phase’ qui alimentent les antennes actives. Il faut donc de nouvelles solutions pour optimiser ces fonctions. Ces solutions doivent répondre à plusieurs critères : être compactes, diminuer la consommation DC et conserver les mêmes niveaux de performance en termes de gain, résolution et linéarité que les solutions déjà en place. Dans ce contexte, notre projet de recherche a porté sur le développement de circuits déphaseurs et atténuateurs en technologie SiGe. Une étude préliminaire a permis d’évaluer la technologie en réalisant un premier run comprenant des cellules de déphasage et d’atténuation élémentaires. Des lignes de transmission de type Slow Wave Lines ont également été intégrées afin de montrer leur potentiel pour des applications futures. Ces premiers résultats ont conduits à réaliser un second run comprenant des circuits plus avancés ainsi que le test d’une nouvelle technique pour le design des transistors : le body floating. Cette technique nous a permis de diminuer les pertes de nos circuits tout en améliorant la linéarité. Un troisième run incluant un déphaseur et un atténuateur 4 bits a permis de confirmer les modèles de simulations et le potentiel des circuits MMIC en technologie SiGe. Un dernier run a enfin permis de réaliser un nouveau type de SWL et de réaliser des solutions alternatives aux circuits classiques basées sur ces dernières. / This R&T CNES project concerns the design and realization of a Core-chip MMIC system integrated in SiGe BiCMOS technology. The MMIC core-chip system is dedicated to the beamforming for the active satellite antenna. The new solutions for the satellite payloads being developed for telecommunication applications need an increased flexibility at all the levels. More precisely, the system of active antennas allowing an adjustment by real-time electronic command of the terrestrial covered area offers an optimized response for the communication link budget. This performance has a cost: the necessity of a very large number of RF control points "amplitude / phase" of the beamforming equipment which power the active antenna matrix elements. So, it becomes mandatory to bring a new solution to optimize this function. The main challenges are: increasing the functions integration, decreasing the DC power consumption and keeping the RF performances in terms of gain, resolution and linearity.

Cette thèse s’intéresse à la conception d’antennes ultra large bande reconfigurables. Cette étude a été motivée par le souhait de regrouper l’ensemble des antennes d’observation présentes sur les satellites en un panneau rayonnant unique afin de pouvoir réduire la taille de ces derniers. Les travaux présentés dans ce mémoire sont donc principalement axés sur la conception d’antennes spirales et sur les améliorations qui peuvent leur être apportées. Ainsi, une nouvelle topologie d’antenne spirale carrée reconfigurable en un réseau de quatre antennes spirales carrées plus petites sur la même ouverture rayonnante est exposée. Cette reconfiguration permet d’augmenter l’efficacité de surface de la structure tout en offrant de nouvelles possibilités d’utilisation à l’antenne et en améliorant ses performances. Les caractéristiques et les performances des deux configurations en états figés sont détaillées. Les maquettes réalisées et les résultats de mesure sont également présentés afin de valider le fonctionnement de l’antenne. Ensuite, différentes améliorations de cette structure sont présentées ainsi qu’une application possible. Enfin, une solution permettant d’améliorer le fonctionnement des antennes spirales imprimées au-dessus d’un plan de masse est décrite. En effet, cette solution permet de supprimer un nul de rayonnement lorsque l’antenne se situe à une demi-longueur d’onde du plan de masse. Sa bande passante d’utilisation peut ainsi être potentiellement doublée sans perdre la moitié de l’énergie comme avec l’utilisation d’absorbants. Cette technique consiste à ajouter un élément rayonnant parasite au-dessus de l’antenne. Cet élément est excité par couplage à l’antenne spirale et rayonne à la fréquence du nul de rayonnement. Cet élément étant faible bande, il ne dégrade pas le fonctionnement de l’antenne aux autres fréquences de la bande passante. Une structure utilisant ce concept a été réalisée afin de valider son fonctionnement. / This thesis focuses on the design of ultrawideband reconfigurable antennas. The objective of this study is to integrate all the antennas of observation on satellites into a single radiating panel and make it reconfigurable. Works presented in this document are focused on the design of spiral antennas and on their possible improvements. Thereby, a new topology of square spiral antenna reconfigurable into an array of four smaller square spiral antennas is shown. This reconfiguration allows increasing the surface efficiency of the structure while offering new possibilities of utilization to the antenna and improving its performance. Characteristics and performance of both configurations in frozen states are presented. Breadboards and measurements are also presented in order to validate the functioning of the antenna. Then, several improvements of this structure are studied and a possible application. Finally, a solution for improving the functioning of spiral antennas printed over a metallic ground plane is presented. This solution permits to remove a null of radiation when the distance between the antenna and the ground plane is a multiple of the half wavelength. In this way, its bandwidth can be doubled without losing the half of the energy like with absorbers. This technique consists in adding a parasitic radiating element over the antenna. This element is fed by coupling to the spiral antenna and radiates at the frequency of the null of radiation. This element is narrowband, so antenna performance remains unchanged at the other frequencies of the bandwidth. A structure using this concept has been made in order to validate its functioning.

Face à la volonté d’intégrer une quantité toujours plus importante de nouveaux services au sein des terminaux mobiles de nouvelle génération et afin de répondre à leurs contraintes d’encombrement, des nouveaux concepts d’antennes intelligentes font l’objet de nombreuses recherches. Parmi les solutions proposées dans la littérature, la technique consistant à charger l’antenne par un matériau aux propriétés commandables apparaît particulièrement intéressante puisque elle cumule les effets de miniaturisation et d’agilité. Le travail de cette thèse concerne l’intégration des films minces La-Ti-O-N et BST dans des antennes miniatures et agiles en fréquence. Pour cela, une étude systématique des propriétés diélectriques (constante, tangente de pertes et accordabilité) des films La-Ti-O-N a été réalisée en basses et hautes fréquences. Ces propriétés sont fonction des caractéristiques structurales des films, elles-mêmes issues de la nature du substrat utilisé et des conditions de dépôt. En parallèle, une étude sur l’intégration de ces matériaux dans des structures rayonnantes pour atteindre l’agilité souhaitée a été menée. De premiers démonstrateurs d’antennes miniatures et reconfigurables à base des films minces La-Ti-O-N et BST ont été réalisés et caractérisés. / Given the desire to integrate a large number of new services in latest generation of hand held devices and in order to meet their dimensional constraints, new concepts of smart antennas are considered to be the subject of many researches. Among several solutions mentioned in the bibliography, the technique of loading the antenna with tunable material is particularly interesting because it combines the effects of miniaturization and tunability. The studies in this thesis focus on the integration of La-Ti-O-N and BST thin films in antenna conception for miniaturization and agility in frequency. A study of dielectric properties (permittivity, loss tangent and tunability) of La-Ti-ON thin films was realized. These properties are found to be depending on the structural characteristics of the thin films, which derived from the nature of the substrate and the deposition conditions. In the mean time, another study for the integration of these materials in radiating structures to achieve agility in frequency was carried out. Demonstrations of miniaturized and reconfigurable antennas based on La-Ti-ON and BST thin films were fabricated and characterized.

Dans ce rapport, une méthode pour l'implémentation de distributions de champ arbitraires utilisant des metasurfaces tensorielles est présentée. Les metasurfaces modulées sinusoïdalement sont utilisées afin de générer des ondes de fuite avec un contrôle de l'amplitude et de la phase. La distribution de phase du champ d'ouverture désirée est obtenue en utilisant une nouvelle formulation locale du principe de l'holographie. D'autre part, la distribution d'amplitude est contrôlée en faisant varier les indices de modulations ainsi que l'impédance moyenne en fonction de la position. Un contrôle indépendant de l'amplitude et de la phase est obtenu en modulant séparément les composantes du tenseur d'impédance. La formulation théorique est présentée en détails en prenant en compte la méthode d'implémentation ainsi que les contraintes d'adaptation. La méthode proposée est appliquée afin de générer plusieurs types de diagrammes de rayonnement aussi bien en champ lointain qu'en champ proche. La procédure de design a été validée numériquement avec des simulations pour une fréquence de travail de 20GHz. Les résultats obtenus sont en concordances avec les résultats théoriques attendus. Différentes metasurfaces ont ensuite été fabriquées et mesurées pour des fréquences de travail de 10GHz, 12.25GHz et 20GHz. Les résultats de mesures et de simulations démontrent qu'une large variété de distribution d'ouverture avec un contrôle d'amplitude et de phase peut être réalisée avec la méthode proposée. / In this thesis, a method for the implementation of arbitrary aperture field distributions using tensorial metasurfaces is introduced. Sinusoidally modulated metasurfaces are used in order to generate leaky waves with control on both phase and amplitude. The desired aperture phase distribution is obtained using a new local holography formulation. On the other hand, the amplitude distribution is controlled by varying modulation indices and average impedance depending on the position. A separate control of the aperture field components is achieved by modulating the impedance tensor elements independently. The theoretical formulation of the method is presented in details by taking into account the implementation method and antenna adaptation issues. The method is applied to design a wide range of radiation patterns examples both for far-field and near-field applications. The design procedure was first validated with simulations results for a working frequency of 20GHz giving a good agreement with the theoretical results. Several metasurfaces were then manufactured and measured for working frequencies of 10 GHz, 12.25 GHz and 20GHz. The consistency of the measurements and the simulation results proves that a good control of the aperture field phase and amplitude distributions is achieved using the proposed method.

Les communications radio utilisant des très larges bandes de fréquences (ULB) se sont rapidement développées depuis le début des années 2000. Cette technique présente des avantages qui l'ont rendue attractive dans un grand nombre d'applications civiles et militaires. L'objectif de cette thèse était de concevoir, de réaliser et de caractériser en régime impulsionnel des antennes Ultra Large Bande miniatures, dans la partie basse du spectre (0.1-2 GHz). <br /> Dans un premier temps, une nouvelle structure d'antenne ULB a été conçue: l'antenne filaire repliée. Cette structure très simple et de petite taille, possède naturellement une large bande passante ainsi qu'un diagramme de rayonnement quasi omnidirectionnel sur toute sa bande de fonctionnement. Nous avons développé un modèle analytique rapide et précis décrivant le comportement de cette antenne, ce qui nous a permis de comprendre le rôle des différents paramètres de l'antenne. Il y a un excellent accord entre les résultats obtenus par ce modèle et ceux obtenus par simulation numérique. Grâce à ce modèle analytique, nous avons pu optimiser les performances du monopole filaire replié vers les basses fréquences et ce, par deux méthodes : épaississement des brins rayonnants et ajout de tronçons de lignes. Les deux nouvelles antennes ainsi obtenues ont été caractérisées; elles présentent les mêmes caractéristiques de rayonnement, mais une adaptation différente. <br /> Les outils usuels de caractérisation des antennes dans le domaine fréquentiel (adaptation, diagramme de rayonnement) étant mal adaptés à une étude en mode impulsionnel, nous avons introduit de nouveaux descripteurs qui permettent de quantifier la distorsion introduite par l'antenne: Fonction de fidélité et gain temporel. Une campagne de mesures utilisant un banc impulsionnel et un banc de mesures fréquentiel a été réalisée. Les mesures effectuées sur les différentes versions de l'antenne filaire repliée ont montré un bon accord avec les simulations tant au niveau de la caractérisation fréquentielle que temporelle.<br /> Enfin, nous avons mis au point une technique de mesure temporelle très efficace en utilisant la réflectométrie temporelle. Cette méthode donne de très bons résultats en termes d'impulsions rayonnées et d'adaptation.