Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet collaboratif FUI RFID AERO dont le leader est Eurocopter. Le but de ce projet est le développement d'un système assurant la traçabilité des différentes pièces d'un aéronef. Cette thèse se focalise sur la conception d'antennes lecteur et de tags RFID UHF faible coût.Deux objectifs sont visés dans le cadre de cette thèse. Le premier est la conception d'antennes pour lecteurs RFID fonctionnant en contact ou à proximité des surfaces métalliques. Nos conceptions sont basées d'une part sur les phénomènes d'ondes constructives en plaçant une surface métallique à un quart de la longueur d'onde. D'une autre part, la conception repose sur l'utilisation de structures AMC. De plus, nous proposons une méthode de réduction de dimensions de cellules AMC. Le second objectif de la thèse est la miniaturisation de tags pour l'identification de pièces essentiellement métalliques. Nous proposons des méthodes de conception de tags miniatures durcis, non détachables ou flexibles ainsi qu'un prototype pour chacune d'entre elles.Enfin, les antennes lecteur et tags développés dans cette thèse, les lecteurs RFID et des systèmes connexes développées par d'autres partenaires ont été mis en œuvre dans un aéronef. Les tests du système complet sont satisfaisants et répond aux objectifs du projet. / This Ph.D thesis is part of the FUI RFID AERO project led by Eurocopter. The aim of this project is to provide a traceability system of the aircraft items. This work focuses on low-cost UHF RFID reader antennas and tags design.Two research axes are developed. The first one is the RFID reader antennas design for metallic surfaces. The designs are based on constructive wave phenomenon by placing a metallic plate at a quarter wavelength of the radiating element. On the other hand, the insertion of AMC structures was also studied. Furthermore, we propose a size reduction technique for AMC structures. The second goal is tag size miniaturization for metallic or non-metallic objects identification. We propose design methods of size miniaturization for hard or flexible tags. Besides, we apply these methods by designing one tag for each family.Finally, the reader antennas and tags proposed in this thesis, the RFID readers and the related systems developed by the others partners were implemented into an aircraft. Tests of the complete system are in good agreement with the expected goals.

Dans ce travail de thèse, on s'intéresse é l'emploi de techniques de traitement de signal de systèmes de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour des applications aux réseaux de capteurs sans fil. Les contraintes énergétiques de cette classe de réseau font appel à des topologies particulières et le réseau peut être perçu comme étant un ensemble de grappes de nœuds capteurs. Ceci ouvre la porte à des techniques avancées de communication de type MIMO. Dans un premier temps, les différents aspects caractérisant les réseaux de capteurs sans fil sont introduits. Puis, les efforts engagés pour optimiser la conservation de l'énergie dans ces réseaux sont résumés. Les concepts de base de systèmes MIMOs sont abordés dans le deuxième chapitre et l'exploration par voie numérique de différentes pistes de la technologie MIMO sont exposées. Nous nous intéressons à des techniques de diversité de polarisation dans le cadre de milieux de communication riches en diffuseurs. Par la suite, des méthodes de type beamforming sont proposées pour la localisation dans les réseaux de capteurs sans fil. Le nouvel algorithme de localisation est présenté et les performances sont évaluées. Nous identifions la configuration pour la communication inter-grappes qui permet pour les meilleurs compromis entre énergie et efficacité spectrale dans les réseaux de capteurs sans fil. Finalement, nous envisageons la technique de sélection de nœuds capteurs afin de réduire la consommation de l'énergie dans le réseau de capteur sans fil.

De nos jours, il existe de nombreuses antennes de radiogoniométrie UHF large bande ou multibandes, néanmoins très peu d’entre elles permettent une couverture angulaire 3D. A notre connaissance, la première antenne de radiogoniométrie 3D fût étudiée dans les années 1960, par une équipe de l’université du Michigan. Composée de 17 capteurs positionnés sur une surface hémisphérique, sa taille et son nombre d’éléments en font un dispositif encombrant et complexe à utiliser. De récentes études ont proposé une autre approche basée sur la mesure multicomposante du champ électromagnétique, permettant de réduire la taille des antennes et le nombre d’éléments tout en conservant une couverture angulaire 3D. Cependant, à ce jours, seul des systèmes HF (3MHz-30MHz) ou bande étroite ont été abordés. Cette thèse porte donc sur l’étude et le développement d’une antenne vectorielle UHF multibande appliquée à la radiogoniométrie 3D pour des ondes transverses magnétiques. Tout d’abord, deux techniques de goniométrie adaptées à cette approche sont confrontées : une nouvelle technique basée sur la décomposition en harmonique sphérique du rayonnement de l’antenne qui permet de recomposer le champ électromagnétique reçu à partir d’échantillons mesurés et un algorithme bien connu, MUSIC. Une méthodologie de conception est proposée, en identifiant les critères physiques des antennes vectorielles qui influent sur leurs performances à savoir la précision d’estimation, la sensibilité, le nombre d’éléments et l’encombrement. Cette méthode est utilisée pour développer et réaliser une première antenne vectorielle monobande. La caractérisation de cette antenne réaliste permet d’écarter la première technique de traitement dont les performances sont trop sensibles aux perturbations de rayonnement. Une antenne vectorielle bibande compacte, d’un rayon de λ/4 et d’une hauteur de λ/5.5 à la fréquence la plus basse, composée de seulement six éléments rayonnants couvrant chacun les bandes de fréquences GSM [890MHz-960MHz] et [1710MHZ-1880MHz] est ensuite développée en se basant sur cette méthode de conception. Les capteurs électriques et magnétiques constituant l’antenne sont étudiés séparément puis assemblés selon une répartition spatiale planaire pour restreindre l’encombrement. Les structures rayonnantes sont communes pour les deux bandes de fréquences ce qui permet réduire le nombre d’éléments ainsi que les éventuelles perturbations de rayonnement. Après la caractérisation de l’antenne bibande au travers de simulations numériques, un prototype est réalisé et ses performances d’estimation sont mesurées en chambre anéchoïque afin de valider l’approche par simulation. La sensibilité obtenue est de -110dBW/m² (85μV/m) pour une précision de 5° RMS. Enfin l’étude est élargie au cas général d’antennes multibandes en illustrant le processus d’extension de la couverture fréquentielle par l’ajout d’une troisième bande, [400MHz-430MHz]. Six nouveaux éléments sont donc développés et intégrés aux capteurs GSM existants afin d’obtenir une antenne tribande d’un rayon de λ/3.2 et d’une hauteur de λ/12.5 à 400MHz. Malgré une légère augmentation de l’erreur d’estimation, causée par la présence de ces nouveaux éléments, la caractérisation de cette nouvelle antenne tribande montre de bonnes performances d’estimation avec une sensibilité de -105dBW/m² (155μV/m) pour une précision de 5° RMS. / Nowadays, a lot of wideband or multiband direction finding antennas operating in the UHF band exist. Nevertheless, only few of them allow to estimate the direction of arrival in the full 3D space. At the author’s knowledge, the first 3D direction finding antenna was studied in the 1960s, at the University of Michigan. Composed of 17 sensors, located on a large hemispherical surface, this antenna is bulky and complex to use. Recently, some studies have proposed another approach based on the multicomponent measurement of the electromagnetic field that allows to decrease the antennas size and the number of radiating elements without reducing the 3D angular coverage. However, only HF (3-30MHz) or narrowband systems have been reported. The objective of this PhD is to study and to develop an UHF multiband vector sensor applied to the estimation of the direction of arrival of transverse magnetic waves in the full 3D space. Firstly, two signal processing techniques adapted to this approach are compared : a new technique based on the spherical harmonic decomposition of the antenna radiation which allows to recompose the received electromagnetic field from the measured samples and a well-known high resolution algorithm called MUSIC. A design methodology allowing to identify the physical criteria of vector sensors related to the antenna performances such as the estimation accuracy, the sensitivity, the number of elements and the antenna size is proposed. This method is used for developing and designing a first single-band vector sensor. The results obtained from numerical simulations allow to rule out the first signal processing technique which is too sensitive to the radiation perturbations. Then, a compact dual-band vector sensor operating in the GSM frequency band, [890MHz-960MHz] and [1710MHZ-1880MHz], is developed by using the same design methodology. The antenna size is λ/4 in radius and λ/5.5 in height at the lowest frequency. The electric and magnetic elements which compose the vector sensors are designed separately and then combined according to a planar spatial distribution to retain a compact antenna size. The same radiating structures are used for operating in the two frequency bands in order to reduce the number of elements and the eventual radiation perturbations. After the performances assessment through numerical simulations in each band, a prototype is manufactured and its estimation performances are measured for a validation purpose. The sensitivity is -110dBW.m−2 (85μV.m−1) for a 5◦ RMS angular accuracy. Finally, the study is extended to the general case of multiband antennas by adding a third band, [400MHz-430MHz]. New elements are developed and incorporated into the dual-band GSM sensors to obtain a tri-band vector sensor. The size of this new antenna is λ/3.2 in radius and λ/12.5 in height at 400MHz. Despite a slight increase of the angular errors in the estimation of the direction of arrival caused by the presence of the new antenna elements, the characterization of the tri-band sensor performances by simulation show a good accuracy with a sensitivity valued at -105dBW.m−2 (155μV.m−1) for a 5◦ RMS angular accuracy.

Les systèmes multi-antennaires (Multiple-Input Multiple-Ouput ou MIMO) dans le domaine des communications numériques permettent d'améliorer la transmission des données selon deux principaux paramètres souvent antagonistes : le débit d'information et la fiabilité de transmission estimée en terme de probabilité d'erreurs binaire moyenne (PEB). Avec de tels systèmes, la connaissance du canal à l'émission (Channel State Information ou CSI) est un point-clé pour diminuer la PEB grâce à différentes stratégies d'allocations de puissance. Ainsi, un précodeur linéaire à l'émission associé à un décodeur linéaire à la réception peuvent optimiser un critère particulier grâce à cette information. Il en résulte une famille importante de précodeurs dénommée «précodeurs diagonaux» : le système MIMO est équivalent à des sous-canaux SISO indépendants. Les critères optimisés sont par exemple la minimisation de l'erreur quadratique moyenne (EQMM), la maximisation de la capacité (WF), obtenir des PEB égales pour tous les flux de données (EE), la maximisation du RSB post-traitement (max-SNR) ou la qualité de service (QdS). L'équipe TST a récemment élaboré un nouveau précodeur non diagonal basé sur la maximisation de la distance minimale entre symboles de la constellation de réception (max-dmin ). L'enjeu de cette thèse est d'estimer les performances en terme de PEB de ce nouveau précodeur et de les comparer avec les méthodes existantes à savoir le code d'Alamouti et les précodeurs diagonaux. Nous nous sommes intéressés en particulier à la démonstration de l'ordre de diversité maximal du max-dmin puis à la détermination d'une bonne approximation de sa PEB. Le précodeur max-dmin est ensuite associé à de la diversité de polarisation permettant de réduire le coût et l'occupation spatiale d'un système MIMO. Malgré l'introduction de corrélation, les performances proposées par le max-dmin demeurent intéressantes. Nous avons ensuite proposé une extension du précodeur max-dmin permettant de supprimer la limitation à deux sous-canaux : les grands systèmes MIMO sont mieux exploités avec plus de deux sous-canaux.

L'intérêt pour les antennes multi-bandes ne fait que croître, en particulier dans le but de réduire le nombre d'antennes bord et sol en associant plusieurs applications sur une même antenne. La plupart des antennes multi-bandes publiées dans la littérature présentent des fréquences de fonctionnement corrélées et par conséquent les rapports entre ces fréquences ne sont pas indépendants et aisément contrôlables. De plus, aux différentes fréquences de fonctionnement, les diagrammes de rayonnement de ces antennes sont souvent peu semblables et difficilement modifiables. Dans ce contexte, une nouvelle topologie d'antennes multi-bandes possédant des rapports de fréquences de résonance indépendants et aisément ajustables est proposée. Le dimensionnement simple des éléments rayonnants de cette antenne lui confère l'avantage d'être flexible, c'est à dire qu'elle peut être facilement modifiée pour satisfaire d'autres applications ou bandes de fréquences. L'antenne est constituée de quatre éléments rayonnants identiques imprimés sur les quatre faces d'une pyramide. Le fonctionnement multi-bande (ou reconfigurable) de l'antenne est obtenu à l'aide de trappes (ou d'interrupteurs radiofréquences (RF)). Le chargement original de l'antenne pyramidale par un guide d'onde sous coupure a permis la réduction voire le contrôle du rayonnement arrière. L'antenne rayonne une polarisation circulaire ou linéaire en fonction des différentes amplitudes et phases qui alimentent les quatre éléments. Une architecture originale de circuit d'alimentation permettant d'alimenter l'antenne pyramidale multi-bande pour l'obtention d'une diversité de polarisation circulaire (droite / gauche) est également décrite. Enfin, des applications en radionavigation et en télémesure de l'antenne pyramidale multi-bande incluant des simulations électromagnétiques et des mesures ont permis la validation du concept proposé.

Dans ce travail de thèse, on s'intéresse é l'emploi de techniques de traitement de signal de systèmes de communication MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour des applications aux réseaux de capteurs sans fil. Les contraintes énergétiques de cette classe de réseau font appel à des topologies particulières et le réseau peut être perçu comme étant un ensemble de grappes de nœuds capteurs. Ceci ouvre la porte à des techniques avancées de communication de type MIMO. Dans un premier temps, les différents aspects caractérisant les réseaux de capteurs sans fil sont introduits. Puis, les efforts engagés pour optimiser la conservation de l'énergie dans ces réseaux sont résumés. Les concepts de base de systèmes MIMOs sont abordés dans le deuxième chapitre et l'exploration par voie numérique de différentes pistes de la technologie MIMO sont exposées. Nous nous intéressons à des techniques de diversité de polarisation dans le cadre de milieux de communication riches en diffuseurs. Par la suite, des méthodes de type beamforming sont proposées pour la localisation dans les réseaux de capteurs sans fil. Le nouvel algorithme de localisation est présenté et les performances sont évaluées. Nous identifions la configuration pour la communication inter-grappes qui permet pour les meilleurs compromis entre énergie et efficacité spectrale dans les réseaux de capteurs sans fil. Finalement, nous envisageons la technique de sélection de nœuds capteurs afin de réduire la consommation de l'énergie dans le réseau de capteur sans fil. / The aim of this work is to study from a signal processing point of view the use of MIMO (Multiple Input Multiple Output) communication systems for algorithms dedicated to wireless sensor networks. We investigate energy-constrained wireless sensor networks and we focus on cluster topology of the network. This topology permits for the use of MIMO communication system model. First, we review different aspects that characterize the wireless sensor network. Then, we introduce the existing strategies for energy conservation in the network. The basic concepts of MIMO systems are presented in the second chapter and numerical results are provided for evaluating the performances of MIMO techniques. Of particular interest, polarization diversity over rich scattering environment is studied. Thereafter, beamforming approach is proposed for the development of an original localization algorithm in wireless sensor network. The novel algorithm is described and performances are evaluated by simulation. We determine the optimal system configuration between a pair of clusters that permits for the highest capacity to energy ratio in the fourth chapter. The final chapter is devoted to sensor nodes selection in wireless sensor network. The aim of using such technique is to make energy conservation in the network.