Dans le domaine de l'imagerie infrarouge, on distingue deux types de technologies : les détecteurs refroidis, coûteux et très performants, et les détecteurs thermiques, bas coût et moins encombrants. Dans les deux cas le système optique associé au détecteur représente une part importante du coût total du fait de la production unitaire de lentilles et du besoin en une résolution de plus en plus importante pour suivre la diminution du pas pixel et l'augmentation du format des détecteurs. Dès lors il est intéressant d'explorer des solutions pour diminuer le coût et l'encombrement du système optique tout en maintenant ou en améliorant les performances optiques. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'intéresse à l'utilisation d'optiques sub-lambda ou métasurfaces optiques en matériau diélectrique au sein de systèmes d'imagerie infrarouge. De telles optiques sont peu encombrantes et fabriquées par des moyens issus de l'industrie de la microélectronique ce qui permet d'envisager une fabrication collective donc une diminution des coûts. Ces objets sont obtenus en structurant un substrat plan avec des motifs de taille inférieure à la longueur d'onde. La géométrie de ces motifs, dans des matériaux à forts indices de réfraction et transparents dans l'infrarouge comme le silicium, permettent de modifier les propriétés d'une onde optique : sa polarisation, sa phase, sa dispersion et la transmission. Cependant il est complexe de contrôler tout ces paramètres tout en prenant compte des limites technologiques des outils de fabrication. Ce travail s'est donc orienté vers la conception de systèmes optiques mêlant lentilles réfractives et lames sub-lambda de correction de front d'onde. Pour ce faire nous avons (i) développé un outil de simulation mêlant calculs électromagnétiques par la méthode RCWA, pour rendre compte du comportement d'une optique sub-lambda, et conception optique pour la partie réfractive. Nos optiques sub-lambda ont dès lors des dimensions millimétriques à centimétriques pour être couplées à des lentilles réfractives au sein de systèmes d'imagerie, et notre méthode permet de simuler efficacement de tels systèmes optiques. Dans un second temps nous avons (ii) développé des procédés de fabrication de prototypes d'optiques sub-lambda, notamment pour la correction d'aberration sphérique dans le LWIR (bande 8-14µm de longueur d'onde). (iii) Enfin la caractérisation de nos systèmes optiques a permis de valider notre modèle et de démontrer une forte amélioration de la FTM d'un système optique aberrant associé à une lame sub-lambda de correction de front d'onde (FTM multipliée par 3 à 25 cycles par millimètre). Nos derniers résultats montrent une amélioration sur une bande 8-12µm de nos systèmes optiques et ouvrent la voie vers la conception d'optiques sub-lambda large bande au sein de systèmes d'imagerie infrarouge. / In the field of infrared imaging, there are two main types of detectors : cooled detectors, with great sensitivity but expensive, and uncooled detectors, exhibiting precise temperature measurement at moderate cost. In both technologies, the optical systems associated with the detectors represent an important part of the overall cost because of the unitary fabrication process of infrared lenses and the need of more resolved imaging system to follow the shrinkage of the pixel and the increasing array format. Thus, it is important to search for cost effective and low footprint optical solutions exhibiting a high level of performance for infrared imaging systems. In this thesis work we study how dielectric subwavelength structures, or metasurfaces, can adress these issues in infrared systems. Such devices can be made using microelectronics based collective fabrication process, which are cost effective compared to molded infrared optics. Subwavelength optics can be made with silicon, which is transparent in long wave infrared (LWIR) imaging and exhibiting a high refractive index. By designing the geometry of resonators with subwavelength dimensions, one can control light properties like its polarization, phase, transmission and dispersion. However as it is challenging to control all those parameters, even more with fabrication process limitations, we first propose to mix refractive lenses with subwavelength phase blades which correct wavefront errors. (i) We first developed a time effective simulation method mixing electromagnetic calculations with RCWA, for the subwavelength part of the optical system, and classical optical design for the refractive optics. It is worth noting that our subwavelength optics have millimetric to centimetric dimensions to be coupled with refractive lenses, and our method allows us to simulate the overall system. (ii) Then we developed the fabrication process for prototyping subwavelength optics, mainly for spherical aberration correction in LWIR imaging systems. (iii) Finally, we conducted optical characterisations of our systems to validate our model. Our subwavelength optics show an important improvement of the MTF (more than 3 times better at 25 cycles per millimeter) of an optical infrared system by correcting its spherical aberration. Our last results show a improvement of the image quality on a large bandwith (8-12µm) paving the way to large bandwidth subwavelength optics in infrared imaging systems.

Les cristaux phononiques et métamatériaux acoustiques sont des matériaux structurés artificiels qui fournissent un moyen prometteur pour manipuler les ondes acoustiques avec de nombreuses applications potentielles nouvelles. Après une introduction à l'état de l'art, le chapitre 2 propose des multicouches actives à base de structures piézoélectriques résonnantes. Leur transmission et leurs propriétés effectives peuvent être contrôlées activement en changeant les conditions électriques. Le chapitre 3 développe des méthodes d'homogénéisation pour une plaque de cristal phononique et montre pour la première fois la possibilité de contrôler simultanément la propagation de toutes les ondes fondamentales de Lamb. La méthode est appliquée à la conception de lentilles à gradient d'indice. Le chapitre 4 propose un nouveau type de cristal phononique en plaque à base de piliers creux qui met en évidence de nouveaux modes fortement localisés, tels que les modes de galerie, aussi bien dans le gap de Bragg que dans un gap à basse fréquence. Ces modes peuvent être activement accordés en remplissant les parties creuses des piliers avec un liquide dont on contrôle la hauteur ou la température. Le chapitre 5 propose une métasurface acoustique comportant un pilier unique ou une ligne de piliers déposés sur une plaque. Ces piliers ont des modes de résonance dipolaires et monopolaires qui sont très sensibles aux paramètres géométriques des piliers. Nous étudions en détail l'amplitude et la phase des ondes émises lorsqu'une onde incidente est diffusée par les piliers et montrons qu'elles peuvent être décrites comme des ondes émises par les piliers résonnants comme sources d'ondes acoustiques. / Phononic crystals and acoustic metamaterials are artificial structured materials which provide a promising way to manipulate acoustic/elastic waves with many novel potential applications. After an introduction to the state of the art, the 2nd chapter designs actively controlled multilayers with piezoelectric resonant structures. The corresponding transmission and effective properties can be tuned by changing the electric boundary conditions of the piezoelectric materials. The 3rd chapter develops homogenization methods for phononic crystal plates and demonstrates for the first time the possibility of controlling simultaneously all the fundamental Lamb waves. The full control method developed here is applied to the design of various gradient index lenses that can exhibit several functionalities such as wave focusing or wave beaming. The 4th chapter designs a new type of phononic crystal/metamaterial plate with hollow pillars that exhibits several new localized modes, such as whispering-gallery modes, inside both Bragg and low frequency band gaps. These modes can be actively tuned by filling the hollow parts with a liquid for which the height or the temperature is controlled. The 5th chapter proposes acoustic metasurface consisting of a single pillar or one line of pillars deposited on a thin plate. Local resonances of dipolar and monopolar symmetries can be characterized which are very sensitive to the pillar’s geometric parameters. We study the amplitude and phase of the waves resulting from the scattering of an incident wave by the pillars and show that they can be described as dipolar or monopolar waves emitted by the pillar resonators as acoustic sources.

L’objectif de ce travail est le développement de dispositifs de contrôle de la diffusion des ondes acoustiques à l’aide de surfaces hétérogènes, pour des applications à l’acoustique urbaine. Pour remplir cet objectif, deux méthodes sont employées. La première à l’aide d’une métasurface, la direction d’une onde réfléchie est contrôlée. La seconde étude concerne l’influence d’un traitement inhomogène aux parois d’un guide ouvert sur les effets conjoints ou compétitifs d’absorption, de confinement et de rayonnement de l’onde. Nous montrons expérimentalement la possibilité de dissimuler un objet disposé sur un mur pour une onde acoustique audible. Pour y parvenir, une métasurface composée de différents résonateurs de Helmholtz est conçue et est réalisée de façon à être la plus fine possible. Ces travaux sont réalisés dans le domaine fréquentiel mais également dans le domaine temporel, ce qui permet de mettre en avant le caractère large bande de la métasurface. Il est démontré numériquement et expérimentalement que la direction des ondes réfléchies peut être contrôlée. Enfin la dernière partie est consacrée à l’influence d’une paroi hétérogène sur la propagation d’une onde acoustique à l’intérieur d’une rue. Une rue pouvant être assimilée à un guide d’onde ouvert engendre donc des modes de propagation complexes, dus aux pertes par rayonnement. La présence d’un matériau poreux sur les parois d’un guide vient perturber fortement la localisation spatiale des modes, ce qui les rend plus ou moins fuyants. / The aim of this thesis is to develop a scheme for controling the propagation of acoustic waves using heteregenous surfaces. Its results can be applied in the field of urban acoustic. The thesis is composed of two sections, each of them employing a different method. The first section focuses on controling the direction of a reflected wave, using a metasurface. The second concentrates on the influence of an inconsistent treatment to the side of an open waveguide on the wave joint and competitive effects of absorption, confinement and radiation. Part one provides experimental evidence that it is possible to conceal an object placed on a wall from an audible acoustic wave. To prove it, the thinest possible metasurface was constructed with Helmholtz resonators. The experimental results were compared to a numerical study realized with finite elements. This work was made in both temporal and frequency domains, allowing to point out the wide frequency characteristics of the metasurface. The numerical and experimental results show that the direction of a reflected wave can, indeed, be controled. Part two analyse the impact of a heterogeneous wall on the spreadinf of an acoustic wave in a street. Due to radiation losses, the street produces complex ways of propagation. The presence of a porous material on a waveguide‘ side deeply disrupt the spatial location of these waves, making them more or less fleeting. In particular, depending on the position of the material in the street, certain waves will be more confined to the inside of the street, radiating less towards the open external environment. They are consequently, less cushioned.

Cette thèse a pour but de mettre en avant les récentes avancées dans le domaine des métasurfaces. Ces structures ont été utilisées dans le but d’améliorer les performances des antennes classiques ou de concevoir de nouveaux concepts d’antenne. Les travaux menés s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration avec des partenaires industriels qui sont Airbus Safran Lunchers, Airbus Group Innovations et le CNES. La thèse est organisée en deux parties. La première partie est consacrée aux métasurfaces utilisées comme des surfaces partiellement réfléchissantes (SPR) pour concevoir des antennes à cavité Fabry-Perot. Un modèle analytique permettant de prédire le dépointage du faisceau d’antenne par une modulation de la phase sur la SPR a été développé. Ensuite, un nouveau concept de métasurface permettant de réaliser du dépointage de faisceau est proposé. Il consiste à appliquer un gradient de phase en faisant varier l’indice effectif le long du substrat diélectrique de la SPR. La deuxième partie de cette thèse est quant à elle consacrée à la conception d’une métasurface active permettant d’émuler plusieurs fonctions. Dans un premier temps, la métasurface est utilisée comme un réflecteur présentant une reconfigurabilité fréquentielle et angulaire. Ensuite cette métasurface est utilisée comme polariseur reconfigurable où une polarisation linéaire de l'onde incidente est convertie en polarisation circulaire. Enfin, la dernière étude concerne l’utilisation de la métasurface active pour la réalisation d’une antenne à réflecteur cylindro-parabolique et à réflecteur dièdre reconfigurables. / This thesis aims at highlighting recent advances in the field of metasurfaces. These structures have been used to improve the performances of conventional antennas or to design new antenna concepts. The work has been carried in the framework of a collaboration with industrial partners, namely Airbus Safran Launchers, Airbus Group Innovations and CNES. The manuscript is organized into two parts. The first part is devoted to metasurfaces used as partially reflecting surfaces (PRS) to design Fabry-Perot cavity antennas. In this part, an analytical model allowing to predict the beam steering angle by a phase modulation along the PRS is developed. Then, a new concept of metasurface allowing to steer the main antenna beam is proposed. It consists in applying a phase gradient by varying the effective index of the substrate that constitutes the PRS. The second part of this thesis is devoted to the design of an active metasurface that allows emulating different functionalities. First, the metasurface is utilized as a reflector with frequency and steering reconfigurability characteristics. Then, this metasurface is used as a reconfigurable polarizer where linearly polarized incident waves are converted into circularly polarized ones. Finally, the last study concerns the use of the active metasurface for the design of reconfigurablecylindro-parabolic and corner reflector antennas.

Au cours des dernières années, des efforts importants ont été déployés pour développer des métasurfaces (MSs) électromagnétiques avec la possibilité de changer de manière abrupte les propriétés de la lumière. Ces avancées ont ouvert une nouvelle gamme de possibilités pour contrôler la lumière en utilisant des dispositifs optiques ultra-minces. Dans ce contexte, et plus spécifiquement dans le spectre visible, les applications en bio-imagerie s’avèrent particulièrement intéressantes. Une technique qui est particulièrement bien adaptée à l'étude de molécules proches d'une membrane cellulaire est la microscopie à fluorescence par réflexion interne (TIRFM), qui repose sur un champ évanescent d'excitation. Dans ce cas la lumière incidente est totalement réfléchie sur une interphase (typiquement verre/eau) en raison de son angle d'incidence élevé. À ce jour, la TIRFM est généralement mise en œuvre à l'aide d'objectifs volumineux de grande ouverture numérique et de petit champ de vision.Dans ce travail de thèse, nous réalisons de substrats pour la microscopie TIRF à base de métasurfaces constituées de réseaux périodiques de structures asymétriques fabriquées en dioxyde de titane (TiO2) sur du verre borosilicaté. Ces structures, aussi petites que 48 nm, ont été optimisées à l’aide de simulations numériques "Rigorous coupled-wave analysis” (RCWA) dans le but de coupler de 50 à 90% de la lumière incidente dans le premier ordre de diffraction avec des angles élevés (θ > 63deg). Le fait de pouvoir utiliser des objectifs de faible grossissement et d'avoir une grande zone de champ évanescent fournit des conditions TIRF uniques qui ne sont pas accessibles par les méthodes traditionnelles. De plus, ces structures sont compatibles avec la lithographie par nanoimpression UV, ce qui permet d’envisager une fabrication à bas coût et à grande échelle. Outre la conception, et la fabrication, dans cette thèse nous aboutissons à une preuve de principe de la microscopie TIRF basée sur des métasurfaces en milieu biologique en imageant notamment des membranes fluorescentes de cellules souches. Ces métasurfaces permettent ainsi l’implémentation TIRFM à contraste élevé et à faible photo-blanchissement compatible avec des microscopes à champ large peu coûteux. / In recent years there has been a significant effort to push electromagnetic metasurfaces with the ability to abruptly change light properties into visible wavelengths. These advancements have opened a new range of possibilities to reshape light using ultra-thin optical devices and there is one field that is starting to gather attention: bioimaging. One technique particularly well suited for the study of molecules near a cell membrane is Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy, which relies on an evanescence field created by light being totally internally reflected within a glass substrate due to its high incidence angle. As of today, TIRF is generally implemented using bulky high-NA, small field of view oil objectives.In this project we present the realization of metasurface-based TIRF microscopy substrates consisting of periodic 2D arrays of asymmetric structures fabricated in titanium dioxide on borosilicate glass. These patterns, as small as 48nm, were optimized through rigorous coupled-wave analysis to couple 50-90% of the incoming normally incident light into the first diffraction order, which outputs at an angle that suffices total internal reflection in water and eliminates the requirement for high NA objectives or prisms to achieve TIRF. Being able to utilize lower-magnification air objectives and having a large evanescence field area provide unique TIRF conditions not accessible by traditional methods. Additionally, these structures are compatible with soft UV nanoimprint lithography, for cost-effective scale production, to give TIRF’s high contrast, low photodamage and low photobleaching capabilities to inexpensive wide-field microscopes.

Cette thèse s’inscrit dans le développement d’imageurs térahertz en technologie intégrée CMOS avec pour volonté de rendre ces derniers fiables et robustes, de permettre de réaliser de l’imagerie en temps réel, à température ambiante et à bas coût de production. L’ensemble doit être mené en parallèle de l’amélioration des réponses et sensibilités des capteurs actuels dans le but de rendre l’imageur fonctionnel et industrialisable. La caractérisation d’un imageur THz précédent réalisée au cours de la thèse a permis de redéfinir avec plus de rigueur cette caractérisation ainsi qu’une méthodologie de conception de la partie amont du pixel térahertz. Cette partie amont inclut l’antenne réceptrice et son environnement électromagnétique ainsi qu’un transistor à effet de champ redressant le signal THz reçu. Différentes parties amont de pixels THz, sensibles autour de 300 GHz, ont été développées. L’ensemble est monolithiquement intégré à l’aide du procédé CMOS standard dans un circuit complet et l’antenne est co-conçue avec le MOSFET de redressement afin de réaliser l’adaptation d’impédance. Chaque pixel inclut une antenne intégrée au niveau métallique supérieur avec un plan de masse parfois couplé à une métasurface afin d’isoler cette antenne du circuit de traitements du signal (non traité dans cette thèse) et du substrat de silicium localisés aux niveaux inférieurs du circuit. Finalement, 17 cas de test croisés (16 de 3 x 3 pixels et une matrice de 9 x 9 pixels) intégrant différentes topologies d'antenne et configurations de surfaces électromagnétiques (plan de masse et métasuface) ainsi que différents transistors de redressement sont conçus et fabriqués en fonderie CMOS. / This thesis deals with the development of terahertz imager in CMOS technology with the objectives to make it robust and reliable, with real-time imaging capacity at ambient temperature and with low-cost production. These objectives has to be developed at the same time as the improvement of responses and sensibilities to get the imager functional and ready for industrialization. The characterization of a previous THz imager, done during this thesis, brought the possibility to redefine in a more rigorous way this characterization and to develop a methodology for designing the THz front-end pixel. This front-end includes the reception antenna and its electromagnetic environment and a field effect transistor (FET) rectifying the received THz signal. Various front-end of THz pixels, design for 300 GHz reception, were developed. The whole structure has to be monolithically integrated with the standard CMOS process in a complete circuit and the antenna is co-design with the rectifying MOSFET in order to satisfy the impedance matching. Every pixel includes an antenna, integrated in higher metal levels with a ground plan sometimes coupled with a metasurface. This is in order to isolate the antenna from the signal processing circuit (not investigated in this thesis) and the silicon substrate botth located at the lower levels of the circuit. Finally, 17 crossed test cases (16 of 3 x 3 pixels and one matrix of 9 x 9 pixels) which integrate various antenna topologies and various configurations of electromagnetic surfaces (ground plane and metasurface) with various rectifying transistor were designed and manufactured in CMOS foundry.

Ces dernières années, les métamatériaux acoustiques sont largement étudiés pour leur intérêt dans la réalisation de divers types de contrôle des ondes à une échelle sub-longueur d’onde. En particulier, les métasurfaces acoustiques ont montré leur capacité à manipuler des ondes en limites de milieux de propagation via les processus de réflexion, de transmission et de réfraction. Contrairement au régime linéaire qui concerne l’immense majorité des travaux sur les métamatériaux acoustiques, les études sur les propriétés non linéaires des métamatériaux, de surcroit des métasurfaces, restent peu nombreuses, malgré la possibilité de générer des phénomènes acoustiques riches et variés. Les principaux freins au développement des métamatériaux non linéaires sont l'efficacité généralement faible de la réponse non linéaire et le manque de contrôle sur cette non-linéarité. Les travaux de recherche présentés ici ont donc pour objectif de concevoir des architectures de métasurfaces élastiques, permettant un contrôle des ondes acoustiques dans le régime non linéaire. En particulier l’effet de conversion d’une onde fondamentale vers son deuxième harmonique est étudié dans le processus de réflexion et de transmission unidirectionnelle. Cela nécessite le design de la non-linéarité élastique, qui est réalisé à base de modélisations discrètes de systèmes masses-ressorts et d'architectures composées d'éléments tournants. Les métasurfaces ainsi conçues, résonantes et à non-linéarité contrôlée, permettent de générer des effets non linéaires acoustiques inhabituels, potentiellement intéressants pour la manipulation d'ondes acoustiques. / In recent years, acoustic metamaterials have proven to be of great interest for their ability to achieve a variety of wave control at sub-wavelength scale. In particular, acoustic metasurfaces have shown their ability to manipulate waves from the boundaries of propagation media, via the reflection, transmission and refraction processes. Unlike the linear regime which has been extensively investigated in acoustic metamaterials, studies of the nonlinear acoustic properties of metamaterials, especially nonlinear acoustic metasurfaces, are quite scarce, despite the possibility to lead to a rich and diverse set of non-trivial acoustic phenomena. The key limitations in the development of nonlinear acoustic metamaterials are the typically weak efficiency of their nonlinear response together with the lack of control on this nonlinearity. This PhD research is thus dedicated to the design of nonlinear elastic metamaterial and metasurface architectures, enabling acoustic wave control in the nonlinear regime. Specifically, the conversion effect from a fundamental wave to its second harmonic is studied through the one-dimensional scattering process (reflection and transmission) by metasurfaces. This requires the elastic nonlinearity management, realized via the discrete modeling of lumped-element systems and architectures made of rotating units. Such designed metasurfaces, resonating and with harnessed nonlinearity, can create unusual nonlinear acoustic effects, potentially interesting for wave control. This research open the path to a more systematic study of nonlinear acoustic wave manipulation by metamaterials.

Les antennes multifaisceaux (AMFs) sont cruciales pour les applications de télécommunications par satellite modernes et futures, civiles et militaires. La partie basse du spectre électromagnétique est saturée alors que de larges bandes de fréquences sont disponibles dans la bande Ka, dans laquelle des missions à très-haut débit ont émergées au cours de la dernière décennie. La tendance consiste à réduire la taille des spots pour les couvertures multi-spots afin de diminuer le prix des satellites. Ainsi des antennes d’ouverture de plus en plus grande électriquement sont requises, induisant des ruptures technologiques majeures. Les lentilles de Luneburg insérées dans un guide d’ondes à plans parallèles (GOPP) deux plaques métalliques parallèles (PMPs) sont des solutions attractives pour illuminer les AMFs, puisqu’elles peuvent aboutir à des formateurs de faisceaux de bande et champ de visée larges, pertes et coûts faibles, et simples à concevoir, réaliser et intégrer. Les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles méthodes d’implémentation et sur la conception de AMFs à base de lentille de Luneburg. La réalisation de la lentille de Luneburg est connue pour être un défi technologique majeur. Un état de l’art des méthodes de réalisation est fourni. Ensuite, deux nouvelles méthodes sont proposées, ainsi qu’une méthode et des outils de conception. La première méthode de réalisation consiste en une matrice périodique et régulière de plots métalliques de taille inférieure à la longueur d’onde, et où la séparation du GOPP varie. La hauteur des plots et la séparation du GOPP contrôlent la valeur de l’indice de réfraction équivalente. L’antenne à 9 faisceaux tout métal conçue, fabriquée et mesurée, comporte 8314 plots et présente d’excellentes performances, notamment meilleures que sa version à séparation de plaques constante. La seconde méthode de réalisation consiste en une matrice périodique et régulière de trous circulaires de taille inférieure à la longueur d’onde réalisés sur un des deux revêtements cuivrés d’un substrat diélectrique plus une plaque métallique supérieure séparée du plan des trous par une couche d’air d’épaisseur fixe. L’antenne à 5 faisceaux conçue comporte 2696 trous et présente de très bonnes performances comparés à ces semblables dans la littérature. / Multi-beam antennas (MBAs) are crucial to modern and future, civilian and military satellite telecommunications applications. The low part of the electromagnetic spectrum is congested, while wide band of frequencies are available in the Ka-band, in which broadband missions have emerged in the last decade. The trend is reducing the size of spots in multi-beam coverage to reduce the cost of satellites, hence more electrically large antennas are needed, with major technological breakthrough as a consequence. Luneburg lenses in parallel-plate waveguide (PPW) are attractive solutions to excite MBAs, since they could lead to wide band and field-of-view, low loss and cost, easy to design, manufacture and accommodate Beam Forming Networks. This PhD deals with the development of novel implementations and the design of broadband, low loss and wide field-of-view Luneburg lens based MBAs. The implementation of the Luneburg lens is known as a major technological challenge. A state-of-the art of the implementation techniques is presented. Then two novel implementations of Luneburg lens in PPW environment are proposed, like design method, process and tools. The first implementation consists of a periodic and regular array of subwavelength vertical metal posts, where the PPW spacing is variable. The post height and PPW spacing modulate the equivalent refractive index. The all-metal 9-beams antenna designed, manufactured and measured, has 8314 posts and shows excellent performances, better than the traditional constant PPW spacing version. The second implementation consists of periodic and regular array of subwavelength circular holes etched on the copper cladding of a dielectric substrate with an air gap between the holes plane and the PPW top plate. The radius of the holes control the equivalent index. The 5-beams antenna designed has 2696 holes and shows very good performances as compared to similar devices in literature.

L'objectif général est de développer un nouvel outil numérique dédié à la focalisation en 3D de l'énergie en zone de champ très proche par un système antennaire. Cet outil permettra de définir la distribution spatiale complexe des champs dans l'ouverture rayonnante afin de focaliser l'énergie sur un volume quelconque en zone de champ réactif. L'hybridation de cet outil avec un code de calcul dédié à l'analyse rapide d‘antennes SIW par la méthode des moments permettra de synthétiser une antenne SIW ad-hoc. Les structures antennaires sélectionnées seront planaires comme par exemple les antennes RLSA (Radial Line Slot Array). Les dimensions de l'antenne (positions, dimensions et nombre de fentes) seront définies à l'aide des outils décrits ci-dessus. Les résultats numériques ainsi obtenus seront validés d'abord numériquement par analyse électromagnétique globale à l'aide de simulateurs commerciaux, puis expérimentalement en ondes millimétriques (mesure en zone de champ très proche). Pour atteindre ces objectifs, nous avons défini quatre tâches principales : Développement d'un outil de synthèse de champ dans l'ouverture rayonnante (formulation théorique couplée à une méthode dite des projections alternées) ; développement d'un outil de calcul rapide (sur la base de traitements par FFT) du champ électromagnétique rayonné en zone de champ proche par une ouverture rayonnante, et retro-propagation ; hybridation de ces algorithmes avec un code de calcul (méthode des moments) en cours de développement à l'IETR et dédié à l'analyse très rapide d'antennes en technologie SIW ; conception d'une preuve ou plusieurs preuves de concept, et validations numérique et expérimentale des concepts proposés. / With the demand for near-field antennas continuously growing, the antenna engineer is charged with the development of new concepts and design procedures for this regime. From the microwave and up to terahertz frequencies, a vast number of applications, especially in the biomedical domain, are in need for focused or shaped fields in the antenna proximity. This work proposes new theoretical methods for near-field shaping based on different optimization schemes. Continuous radiating planar apertures are optimized to radiate a near field with required characteristics. In particular, a versatile optimization technique based on the alternating projection scheme is proposed. It is demonstrated that, based on this scheme, it is feasible to achieve 3-D control of focal spots generated by planar apertures. Additionally, with the same setup, also the vectorial problem (shaping the norm of the field) is addressed. Convex optimization is additionally introduced for near-field shaping of continuous aperture sources. The capabilities of this scheme are demonstrated in the context of different shaping scenarios. Additionally, the discussion is extended to shaping the field in lossy stratified media, based on a spectral Green's functions approach. Besides, the biomedical applications of wireless power transfer to implants and breast cancer imaging are addressed. For the latter, an extensive study is included here, which delivers an outstanding improvement on the penetration depth at higher frequencies. The thesis is completed by several prototypes used for validation. Four different antennas have been designed, based either on the radial line slot array topology or on metasurfaces. The prototypes have been manufactured and measured, validating the overall approach of the thesis.