La connaissance précise des champs électromagnétiques rayonnés par les dispositifs hyperfréquences nécessite des outils instrumentaux permettant la mesure directe ou indirecte de ces champs. La technique du scan champ proche fait partie de ces outils. Ce manuscrit décrit les travaux de caractérisation des sondes électromagnétiques pour une plate-forme de scan champ proche développée au laboratoire LAPLACE. L’accent a été mis sur la simulation électromagnétique des dispositifs de test utilisés dans le travail de déconvolution du facteur d’antenne des sondes de champs magnétiques ou électriques. Ces dispositifs comprennent aussi bien des structures planaires telles que des interconnexions en ligne microruban que des composants en guide d’ondes tels que des guides ouverts de formes rectangulaire ou circulaire. Pour analyser ces structures des logiciels commerciaux basés sur la méthode des différences finis ont été utilisés. Dans le cas des structures rayonnantes un programme basé sur la méthode de l’opérateur transverse a été développé, permettant la détermination de l’admittance de rayonnement et les champs rayonnés en zones proche et lointaine. Les résultats obtenus ont été validés par des simulations avec des outils commerciaux, et par des mesures réalisés au laboratoire. / The accurate knowledge of electromagnetic fields radiated by microwave devices requires instrumental tools for direct or indirect measurement of these fields. Near-field scan technique is one of those tools. This manuscript describes the work done to characterize electromagnetic probes using a near field scan platform developed in the laboratory LAPLACE. We focused our work on the electromagnetic simulation of test devices that are used in the deconvolution of antenna factor of magnetic or electric probes. These devices include both planar structures such as microstrip line and also waveguide components such as rectangular or circular open-ended waveguides. To analyze these structures, commercial software based on finite element method was used. In case of radiating structures, a program based on transverse operator method was developed. It allows the determination of the admittance of radiation and the radiated electromagnetic fields in near-field and far-field regions. The results were validated by simulations with commercial tools, and measurements made in the laboratory.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude et la conception de lentilles continues en guide d’ondes à plans parallèles (PPW) pour des applications multi-faisceaux. La conversion du front d'onde est assurée par une lentille formée d’une lame et d'une cavité transversale. Ce concept, proposant une approche mécanique simplifiée et possiblement purement métallique, est particulièrement attractif pour les futurs systèmes de communications par satellites (GEO/LEO) requérants des solutions à moindre coût tout en maintenant de hautes performances. La première partie de cette thèse présente la réalisation d’un outil d’analyse numérique basée sur l’optique géométrique (GO). Une prédiction rapide et précise des performances en rayonnement est obtenue. En combinant cet outil avec des processus d’optimisation, des performances en dépointage sur un large secteur angulaire sont ensuite démontrées, incluant une stabilité des diagrammes en rayonnement (ouverture à mi-puissance, niveaux de lobes secondaires et pertes en dépointage). Un prototype fonctionnant dans la bande Ka est réalisé, validant les performances précédemment obtenues. De hautes efficacités de rayonnement sont également mises en avant sur l’ensemble de la plage de fréquence. Enfin un second prototype plus compact basé sur de multiples lentilles est proposé et étudié, démontrant des performances similaires à la première solution fabriquée et mesurée. / The activities presented in this PhD focus on the study and development of continuous parallel plate waveguide (PPW) lenses for multiple beam applications. The wave front conversion is ensured by a PPW transversal ridge and cavity. The proposed concept, based on a simplified mechanical approach and possibly full-metal, is particularly suitable for future satellite communication systems (GO/LEO) requiring low-cost antennas while maintaining high performances. The first part of the thesis deals with the development of a numerical analysis tool based on geometrical optics (GO). A fast and accurate prediction of the radiation performance is provided.Combining the tool with optimization processes, large scanning performances have been demonstrated, including a stability of the radiation pattern performance (HPBW, SLL, scan loss). A prototype working at Ka band has been manufactured, validating the performances demonstrated previously. High radiation efficiencies are also proved over the entire frequency range. Finally, a second prototype targeting performances in compactness and based on multiple lenses is proposed and studied, showing similar performances as the first solution fabricated and measured.

La détection, la localisation et le suivi de l’évolution de défauts dans les milieux périodiques et les guides d’ondes est un enjeu majeur dans le domaine du Contrôle Non Destructif (CND). La propagation d’ondes dans ce genre de milieux est complexe, par exemple lorsque la vitesse dépend de la fréquence (dispersion) ou de la direction de propagation (anisotropie). La signature du défaut peut également être « noyée » dans le champ acoustique renvoyé par la structure (réverbération ou diffusion multiple). C’est pour répondre à ces enjeux de taille que l’Optimisation Topologique (OT) a été adaptée aux problèmes de diffraction des ondes acoustiques par des défauts infinitésimaux afin d’obtenir des images de réflectivité des milieux inspectés. La méthode peut être appliquée à toutes sortes de milieux, quelle que soit leur complexité, à condition d’être capable de simuler correctement (sur un milieu de référence) la propagation des ondes de l’expérience physique. En s’inspirant de l’OT, les travaux de cette thèse proposent de mettre en oeuvre des méthodes d’imagerie qualitatives adaptées aux spécificités des Cristaux Phononiques (CP) et des guides d’ondes. Dans un premier temps, nous nous attachons à la description du formalisme mathématique de l’Optimisation Topologique et de la Full Waveform Inversion (FWI). Bien que ces méthodes ne cherchent pas à résoudre les mêmes problèmes inverses, nous mettons en évidence leurs points communs. Dans un deuxième temps, nous appliquons l’Imagerie Topologique (IT) à l’inspection en réflexion des milieux faiblement hétérogènes. Dans un troisième temps, nous nous inspirons de l’IT pour définir une nouvelle variante de celle-ci nommée Imagerie Topologique Hybride (ITH). Nous appliquons ces méthodes pour l’inspection en réflexion des CP crées par des tiges d’acier immergées dans l’eau. Nous comparons les performances de ces méthodes en fonction du type de défaut dans le CP. Les simulations numériques correspondantes à certains cas d’étude sont appuyées par des essais expérimentaux concluants. Dans un quatrième temps, nous adaptons l’IT à une configuration d’inspection en transmission afin de mette en oeuvre une méthode de Structural Health Monitoring (SHM) des guides d’ondes. A ce propos, nous avons mis au point une nouvelle méthode d’imagerie mieux adaptée que l’IT aux configurations d’inspection en transmission. / The detection, localization and monitoring of the evolution of defects in periodic media and waveguides is a major issue in the field of Non-Destructive Testing (NDT). Wave propagation in such media is complex, for example when the velocity depends on the frequency (dispersion) or direction of propagation (anisotropy). The signature of the defect can also be "embedded" in the acoustic field reflected by the structure (reverberation or multiple diffusion). It is to answer these stakes of the size that the Topological Optimization (TO) has been adapted to the problems of diffraction of the acoustic waves by infinitesimal defects in order to obtain reflectivity images of the inspected media. The method can be applied to all kinds of media, regardless of their complexity, provided an exact simulation of the wave propagation in a reference medium (without defects) is performed. Inspired by the TO, the work of this thesis proposes to implement qualitative imaging methods adapted to the specificities of Phononic Crystals (PC) and waveguides. First, we focus on the description of the mathematical formalism of Topological Optimization and Full-Waveform Inversion (FWI). Although these methods do not try to solve the same inverse problems, we highlight their similarities. In a second step, we apply Topological Imaging (TI) to the inspection in pulse-echo configuration of weakly heterogeneous media. Thirdly, we draw inspiration from TI to define a new variant of this method called Hybrid Topological Imaging (HTI).We apply these methods for the pulse-echo configuration inspection of PCs created by steel rods immersed in water.We compare the performance of these methods according to the kind of defects in the PC. Numerical simulations for some case studies are supported by conclusive experimental trials. In a fourth step, we adapt the TI to a pitch-catch configuration in order to implement a new method of Structural Health Monitoring (SHM) of waveguides. In this regard, we have developed a new imaging method that is better suited than TI to pitch-catch configurations.

L’avènement des interfaces tactiles ouvre des perspectives d’enrichissement de l’interaction entre l’homme et la machine. Nous proposons un nouveau concept de surfaces tactiles souples dont l’objectif est d’étudier l’interaction entre le signal électrique et l’environnement résistif et diélectrique du support, afin de réaliser le système d’acquisition fournissant une information exploitable par la machine.La base technologique est un guide d’ondes sur substrat souple sur lequel le toucher crée une réflexion au port d’entrée. Nous avons développé une méthode de localisation alternative à la réflectométrie temporelle, nommée Harmonic Detection and Location (HDL), permettant l’utilisation d’une électronique d’acquisition de faible complexité, en bande étroite, autour de 100 MHz. Le concept a été validé à partir de mesures sur des dalles tactiles souples et rigides connectées à un analyseur de réseau, utilisé comme référence. Un système d’acquisition compact basé sur un pont de Wheatstone associé à un détecteur de phase a été développé. Pour ce faire, un travail de caractérisation et d’identification des sources d’erreurs a été mené sur les interactions électromagnétiques entre le doigt et le guide d’onde, les imperfections du guide d’onde et la nature du substrat ainsi que l’impact des erreurs induites par l’électronique d’acquisition.Cette connaissance a permis de co-développer la partie matérielle et l’algorithme de détection pour démontrer une précision de localisation de 2cm. Les fondamentaux posés dans ce travail ouvrent la possibilité de réalisation d’interfaces de grande surface, avec une connectique simple, conformables sur des objets sensitifs en trois dimensions / The advent of sensitive interfaces is promising prospects to the human-machine interaction. We propose a new concept of sensitive flexible surface. Its aim is to study the interaction between electrical signal and resistive and dielectric environment of the support in order to realize an acquisition system providing machine readable information.The technological base is a waveguide on flexible substrate on which the touch creates a reflection at the input port. We have developed a location method as an alternative to the time domain reflectometry (TDR). It is named Harmonic Detection and Location (HDL) and it allows using a narrow band, around 100 MHz, low complexity acquisition system. The concept has been approved using measures on flexible and rigid sensitive surfaces connected to a vector network analyzer (VNA) used as reference. A compact acquisition system based on a Wheatstone bridge associated to a phase detector has been developed. For this purpose, errors characterization and identification work has been done. Electromagnetic interactions between the finger and the waveguide, waveguide imperfections, substrate nature and acquisition system errors’ impact have been studied. This knowledge has provided the possibility to co-develop the hardware and the detection algorithm to demonstrate a location accuracy of 2cm. Fundamental principles of this work provide the possibility of realizing large surface interfaces, with simple connection and conformable, for 3D sensitive objects.