Les Surfaces à Haute Impédance (SHI) ont été largement étudiées pour améliorer toutes sortes de performances des antennes, comme le gain, le facteur de qualité, les formes et dimensions. L'objectif de cette thèse est de modéliser les structures de SHI et de caractériser leurs performances en vue de futures applications aux antennes.Après une brève introduction aux structures SHI et une étude de quelques modèles analytiques fréquemment traités dans la littérature, deux nouvelles méthodes numériques sont proposées pour calculer l'impédance de surface de structures SHI. Ces deux méthodes (dites « méthode du flux de Poynting » et « méthode <E>/<H> ») sont validées sur des structures symétriques, puis mises en service sur des structures de SHI asymétriques. Elles sont également validées par comparaison de résultats analytiques, numériques et expérimentaux.Nous présentons ensuite un modèle équivalent basé sur l'idée de remplacer les structures hétérogènes de SHI par une surface homogène, caractérisée par son impédance surfacique. Ce modèle nous permet d'avoir une prédiction avec un temps de calcul et une occupation de mémoire PC largement réduits. / High impedance surfaces (HIS) have proved good candidates for antenna miniaturization or antennas performance improvement. Within a certain frequency band, they can enhance the gain of an antenna while simultaneously suppressing the unwanted surface waves.In this thesis, the focus of our work is on numerical modeling of these structures by using the finite element method (FEM) based on edge elements.One of our contributions is that we propose two new numerical methods (the Poynting flux method and <E>/<H> method) to calculate the surface impedance not only for HIS structures with symmetric geometries, but also for those with asymmetric geometries. These two numerical methods have been validated by comparing analytical, numerical and experimental results.Another significant contribution of the thesis is that we introduce an equivalent model, based on the idea of replacing the heterogeneous HIS structures by a homogeneous surface, characterized by its surface impedance. Compared with the normal model, this equivalent model can save computing time and memory space.

abstract: High Impedance Surfaces (HISs), which have been investigated extensively, have proven to be very efficient ground planes for low profile antenna applications due to their unique reflection phase characteristics. Another emerging research field among the microwave and antenna technologies is the design of flexible antennas and microwave circuits to be utilized in conformal applications. The combination of those two research topics gives birth to a third one, namely the design of Conformal or Flexible HISs (FHISs), which is the main subject of this dissertation. The problems associated with the FHISs are twofold: characterization and physical realization. The characterization involves the analysis of scattering properties of FHISs in the presence of plane wave and localized sources. For this purpose, an approximate analytical method is developed to characterize the reflection properties of a cylindrically curved FHIS. The effects of curvature on the reflection phase of the curved FHISs are examined. Furthermore, the effects of different types of currents, specifically the ones inherent to finite sized periodic structures, on the reflection phase characteristics are observed. After the reflection phase characterization of curved HISs, the performance of dipole antennas located in close proximity to a curved HIS are investigated, and the results are compared with the flat case. Different types of resonances that may occur for such a low-profile antenna application are discussed. The effects of curvature on the radiation performance of antennas are examined. Commercially available flexible materials are relatively thin which degrades the bandwidth of HISs. Another practical aspect, which is related to the substrate thickness, is the compactness of the surface. Because of the design limitations of conventional HISs, it is not possible to miniaturize the HIS and increase the bandwidth, simultaneously. To overcome this drawback, a novel HIS is proposed with a periodically perforated ground plane. Copper plated through holes are extremely vulnerable to bending and should be avoided at the bending parts of flexible circuits. Fortunately, if designed properly, the perforations on the ground plane may result in suppression of surface waves. Hence, metallic posts can be eliminated without hindering the surface wave suppression properties of HISs. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2013

Nous proposons d'explorer dans le cadre de la thèse des solutions originales permettant d'obtenir des caractéristiques de rayonnement peu dépendantes du support de l'antenne. Les antennes étudiées et conçues visent à être utilisées pour des applications GNSS et plus précisément pour des applications multi-bandes du GNSS. Nous les développerons donc en respectant un cahier des charges associé. Deux axes de recherche indépendants sont explorés. Le premier montre les propriétés naturelles d'une antenne composée de plusieurs structures rayonnantes. Nous associons ainsi une structure hélicoïdale équivalente à un dipôle magnétique et un plan métallique équivalent à un dipôle électrique. La taille et les performances de l'antenne ainsi réalisée sont comparables par bien des aspects aux antennes que l'on trouve actuellement dans le commerce pour les applications GNSS. L'antenne réalisée est une antenne mono-bande en polarisation rectiligne ; ce qui n'est pas en accord avec les spécifications de l'application envisagée. Pour compléter cette première étude et satisfaire les exigences d'applications GNSS multi-bandes, nous nous orientons vers une autre technologie qui est exposé dans le second axe. Dans le second axe, nous associons une antenne électrique et un plan réflecteur particulier : une Surface Haute Impédance. L'association de ces deux éléments permet en théorie de réduire l'épaisseur qu'aurait un dispositif classique composé d'une antenne électrique et d'un plan réflecteur métallique. Nous commençons donc par étudier la particularité du plan réflecteur choisi, c'est-à-dire la Surface Haute Impédance. Cette surface étant composé de motifs périodiques nous étudierons le motif qui permet d'obtenir les caractéristiques les plus proches de celles de l'application visée. Nous débutons par une étude en monobande suivi de l'étude d'un motif bi-bande. Le motif mono-bande conçu en simulation présente une très bonne bande-passante (13%) au vue de sa taille minimale (2,5mm). Le motif bi-bande réalisé par imbrication de motifs mono-bande permet d'obtenir en simulation des performances conformes aux attentes dans deux bandes GNSS choisies. L'étude de cette surface se poursuit par une phase de mesure. Le but de l'étude étant de pouvoir placer une antenne au-dessus de la surface fabriquée, une collection d'antennes sera développée afin de régler la surface haute impédance et dans le même temps de tester le dispositif complet. Ainsi dans un premier temps, nous utiliserons des dipôles pour tester et régler la Surface Haute Impédance. Dans cette partie le couplage entre l'antenne et la surface haute impédance placée en-dessous sera notamment étudié. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir une polarisation circulaire nous utiliserons d'autres antennes supportant cette polarisation (dipôle croisé et spirale). Dans chaque phase de mesure, le réglage antenne et Surface Haute Impédance sera optimisé et divers paramètres de réglage seront identifiés. Pour les deux axes de recherche, ce sont non seulement le rayonnement que nous cherchons à maîtriser mais aussi la taille de la structure. Ainsi les structures réalisées sont les plus compactes possibles surtout en terme de finesse. Nous concluons sur les performances des antennes réalisées par rapport au cahier des charges et aux autres antennes existantes et exposons les perspectives du travail réalisé / In this thesis, original solutions are proposed for antennas not sensitive to their environment. These antennas are designed for GNSS applications and more precisely for multi-bands ones. So the solutions are developed keeping in mind the GNSS specifications. Two different research axis are discussed. The first one deals with the natural properties of an antenna composed of different radiating structures. So an helix structure is associated with a metallic plate. The specifications of this antenna are in line with the ones of commercial antennas. Nevertheless, this antenna is only one band and in linear polarization which is not conform to the GNSS specifications. To satisfy these specifications a second axis is developed. In this second axis an electric antenna is associated with a specific reflector : a High Impendance Surface. Theorically, this surface allows to place the antenna very close and so reduce the thickness of the whole structure without disturbing the radiation of the antenna. Firstly, the High Impendance Surface and more precisely its periodic patterns is studied. Both one band and dual-band pattern are designed. The one band pattern has a good bandwidth (13%) compared to its size (2,5mm). The dual-band pattern designed by pattern enclosing realized the GNSS specifications in simulation. This is followed by measures. The aim of the thesis is to place the antenna above the designed HIS so a lot of antennas are designed to test and tune the surface. Firstly dipoles are used to study the coupling effects and secondly circular polarized antenna are used to reach the GNSS specifications. For both axis, the radiation pattern and the size of the whole system is optimized. So the proposed solutions are the thinnest ones. To conclude the characteristics of the proposed structures are compared to specifications and to existing antennas and future work is proposed

Actuellement, les fantassins de l'armée française sont équipés d'un système de radiocommunication quand ils sont en intervention sur le terrain. L'antenne utilisée pour émettre et recevoir les signaux radiofréquences (RF) est du type monopole appelée antenne fouet placée parallèlement au corps du fantassin au niveau de la clavicule gauche. Cependant, l'antenne fouet perturbe le champ de vision des fantassins surtout lorsqu'ils tournent leur tête vers la gauche. De plus, la position de l'antenne fouet gêne les fantassins gauchers lorsqu'ils sont en position de tir. Enfin, l'antenne fouet rajoute un poids supplémentaire. Il est évident alors que l'intégration de l'antenne dans les gilets militaires permet de mieux répondre aux besoins des fantassins notamment en termes d'ergonomie. Cependant une telle intégration doit aussi répondre aux besoins d'efficacité de rayonnement, de couverture spatiale et de protection du corps vis-à-vis du rayonnement de l'antenne. De plus les contraintes liées à la technologie de réalisation doivent être prises en compte. La thèse est focalisée sur la conception et la caractérisation d'antennes intégrées aux gilets militaires. Le travail de recherche s'est fait dans le cadre du projet collaboratif GIANTE, soutenu par le dispositif DGA-RAPID, associant les partenaires complémentaires : SAFRAN Sagem, le laboratoire LCIS et ARDEJE. Le travail inclue tous les développements relevant de la conception électromagnétique avec la prise en compte du corps humain et le suivi de la réalisation par impression numérique assurée par ARDEJE qui possède la technologique jet d'encre. Il concerne également la caractérisation RF (adaptation, bande passante, diagramme de rayonnement) des antennes avec un banc expérimental adapté et l'évaluation des performances globales des antennes en environnements fonctionnels (milieu dégagé, milieu urbain, forêt). / Nowadays, the infantrymen of French army are equipped with a radio communication system when they are in field action. The antenna used to transmit and receive Radiofrequency (RF) signals is a monopole antenna called as whip antenna. It is placed parallel to the infantryman's body at the left clavicle. However, the whip antenna disrupts the field of view of infantrymen particularly when they turn their head to the left. Moreover, the position of the whip antenna bothers the left-handed infantrymen when they are in fire position. Finally, the whip antenna adds an additional weight to the infantrymen. Thus, it is obvious that the integration of the antenna into the military jackets allows to better meet the needs of infantrymen particularly in terms of ergonomy. However such an integration must also meet the needs in terms of radiation efficiency, spatial coverage and protection of the body against the antenna radiation. Moreover, the constraints of realization technology must be taken into account. The thesis is focused on the design and characterization of integrated antennas into military jackets. The research work is performed within the collaborative project GIANTE, supported by the DGA-RAPID frameproject, associating complementary partners: SAFRAN Sagem, laboratory LCIS, and ARDEJE. The work includes all the electromagnetic studies required by the environmental constraints by taking account the human body. It also includes the follow-up of the realizations made by ARDEJE that masters inkjet printing technologies. The RF characterization (impedance matching, bandwidth, radiation pattern) of antennas with a suitable bench test and the evaluation of global performances of antennas in functional environments (environment free from obstructions, urban areas, forest) are also part of the thesis work.

Actuellement, les fantassins de l'armée française sont équipés d'un système de radiocommunication quand ils sont en intervention sur le terrain. L'antenne utilisée pour émettre et recevoir les signaux radiofréquences (RF) est du type monopole appelée antenne fouet placée parallèlement au corps du fantassin au niveau de la clavicule gauche. Cependant, l'antenne fouet perturbe le champ de vision des fantassins surtout lorsqu'ils tournent leur tête vers la gauche. De plus, la position de l'antenne fouet gêne les fantassins gauchers lorsqu'ils sont en position de tir. Enfin, l'antenne fouet rajoute un poids supplémentaire. Il est évident alors que l'intégration de l'antenne dans les gilets militaires permet de mieux répondre aux besoins des fantassins notamment en termes d'ergonomie. Cependant une telle intégration doit aussi répondre aux besoins d'efficacité de rayonnement, de couverture spatiale et de protection du corps vis-à-vis du rayonnement de l'antenne. De plus les contraintes liées à la technologie de réalisation doivent être prises en compte. La thèse est focalisée sur la conception et la caractérisation d'antennes intégrées aux gilets militaires. Le travail de recherche s'est fait dans le cadre du projet collaboratif GIANTE, soutenu par le dispositif DGA-RAPID, associant les partenaires complémentaires : SAFRAN Sagem, le laboratoire LCIS et ARDEJE. Le travail inclue tous les développements relevant de la conception électromagnétique avec la prise en compte du corps humain et le suivi de la réalisation par impression numérique assurée par ARDEJE qui possède la technologique jet d'encre. Il concerne également la caractérisation RF (adaptation, bande passante, diagramme de rayonnement) des antennes avec un banc expérimental adapté et l'évaluation des performances globales des antennes en environnements fonctionnels (milieu dégagé, milieu urbain, forêt). / Nowadays, the infantrymen of French army are equipped with a radio communication system when they are in field action. The antenna used to transmit and receive Radiofrequency (RF) signals is a monopole antenna called as whip antenna. It is placed parallel to the infantryman's body at the left clavicle. However, the whip antenna disrupts the field of view of infantrymen particularly when they turn their head to the left. Moreover, the position of the whip antenna bothers the left-handed infantrymen when they are in fire position. Finally, the whip antenna adds an additional weight to the infantrymen. Thus, it is obvious that the integration of the antenna into the military jackets allows to better meet the needs of infantrymen particularly in terms of ergonomy. However such an integration must also meet the needs in terms of radiation efficiency, spatial coverage and protection of the body against the antenna radiation. Moreover, the constraints of realization technology must be taken into account. The thesis is focused on the design and characterization of integrated antennas into military jackets. The research work is performed within the collaborative project GIANTE, supported by the DGA-RAPID frameproject, associating complementary partners: SAFRAN Sagem, laboratory LCIS, and ARDEJE. The work includes all the electromagnetic studies required by the environmental constraints by taking account the human body. It also includes the follow-up of the realizations made by ARDEJE that masters inkjet printing technologies. The RF characterization (impedance matching, bandwidth, radiation pattern) of antennas with a suitable bench test and the evaluation of global performances of antennas in functional environments (environment free from obstructions, urban areas, forest) are also part of the thesis work.