No / A heterogeneous hybrid computational electromagnetics method is presented, which enables different parts of an antenna simulation problem to be treated by different methods, thus enabling the most appropriate method to be used for each part. The method uses a standard frequency-domain moment-method program and a finite-difference time-domain program to compute the fields in two regions. The two regions are interfaced by surfaces on which effective sources are defined by application of the Equivalence Principle. An extension to this permits conduction currents to cross the boundary between the different computational domains. Several validation cases are examined and the results compared with available data. The method is particularly suitable for simulation of the behavior of an antenna that is partially buried, or closely coupled with lossy dielectric volumes such as soil, building structures or the human body.

This thesis proposes an adaptive impedance matching, which involves the integration of an implanted antenna, a tunable matching network and a power amplifier in the lossy medium for the medical implant communication service (MICS) band (402 MHz to 405 MHz), as the opted frequency band where human body exhibits less conductivity and offers better wave penetration. However, it becomes challenging to design miniaturized capsule-sized antennas at this frequency due to the large wavelength size of the waveform. Therefore, the initial phase of the study is focused on a comprehensive investigation of the miniaturized implanted antennas and effective transmitting power in the lossy human heart tissue. Planar spiral antennas are chosen because of their adaptability in meandering and facilitate longer surface currents to achieve miniaturization. Moreover, various near-field effects of the implanted antenna are also presented and a circuit model is proposed to track its different behaviors while interacting with the complex tissue environment. Furthermore, due to its dependency on the surrounding complex environment, the resonance frequency of the implanted antenna is shifted which can result in the failure of the leadless pacemakers for medical devices. To mitigate this issue considering the miniaturized size of the medical device, a tunable L-matching network is incorporated between the power amplifier and the implanted antenna, where a simple voltage detection method is used to ensure that maximum power is delivered to the load and the power added efficiency of the power amplifier remains more than 48% after tuning the mismatch cases. The measurements are carried out in a liquid phantom and a maximum voltage is used to configure the best optimal combination of the matching network, so as a result a transmission coefficient is measured after the configuration owing to ensure that the adaptive impedance matching network is working in the background. The final results are compared in terms of reflection coefficient, transmission coefficient, and different insulation thicknesses.

Les études présentées dans cette thèse font l’objet d’un travail innovant concernant la conception des antennes pour les réseaux de type BAN et la modélisation des canaux associés. L’ouvrage de thèse est réparti en quatre chapitres. Deux chapitres sont consacrés à la modélisation de la propagation le long du corps où l’on montre que les formulations analytiques d’ondes de surface et d’ondes rampantes sont applicables dans ce contexte. L’effet des tissus adipeux est également pris en compte par le biais d’un modèle à trois couches (peau, graisse et muscle) et renseigne sur la variabilité du bilan de liaison suivant les personnes. Ce type de modélisation est le premier à inclure les formes du corps, les caractéristiques électriques des tissus biologiques et les caractéristiques de rayonnement des antennes. Une méthode basée sur l’autocorrélation du canal est également présentée afin de connaître les temps de cohérences des évanouissements lents et rapides. Par la suite, il est montré comment les évanouissements lents sont extraits par le biais d’un filtrage FFT fonction du temps de cohérence associé. L’étude des canaux se termine sur une série de mesures en chambre anéchoïde qui a permis de vérifier la validité des modèles analytiques. Des mesures en milieu indoor ont abouti à la proposition de plusieurs modèles statistiques basés sur une loi de Nakagami-m fonction de la distance sur le corps. Deux autres chapitres sont consacrés à la conception d’antennes à proximité de tissus biologiques et devant être intégrées dans des biocapteurs ou des vêtements. Pour cela, nous nous sommes particulièrement intéressés aux structures en F-inversé comme les IFA imprimées et les PIFA. Nous avons également réalisé des monopôles courts ayant un comportement de type magnétique. Nous montrons par le biais de simulations et de mesures sur un fantôme que seules les antennes du type monopôle et PIFA permettent une bonne excitation des ondes de surface. On montre par la suite l’influence du facteur de qualité d’une antenne sur son rendement et l’on en conclue qu’une antenne doit présenter un facteur de qualité faible pour avoir un bon rendement. La désensibilisation d’une antenne face au corps est également présentée. L’emploi de feuilles de ferrites aide à concentrer le champ réactif et limite ainsi les inévitables désadaptations dues au corps. Le coefficient de qualité joue également un rôle important dans le comportement de l’antenne face aux variabilités des tissus biologiques. L’estimation du rendement est un autre point difficile à réaliser lorsque les antennes sont sur le corps. Malgré tout nous proposons une nouvelle méthode que nous vérifions par simulation. Finalement, une structure à diversité est également proposée. Cette dernière tient compte des connaissances acquises au long de ce travail de recherche. Une sélection des meilleurs types d’antennes du point de vu canal et rendement est réalisée. La structure choisie est composée d’une PIFA et d’un monopôle court découplés par le biais de fentes λ/4. Des mesures in situ en milieu indoor donnent un gain en diversité maximum de 8.1 dB pour un schéma de type sélection / BAN antennas conception and channel modelling