La croissance récente des télécommunications nécessite la conception de circuits miniaturisés fonctionnant au-delà du gigahertz. Les activités de recherche sont énormément consacrées à l’étude de circuits intégrés associés à des structures planaires. Les circuits planaires qui ont récemment subi d’importants développements technologiques, sont très attractifs pour leurs faibles coûts de réalisation, leur faible poids et dimensions. Les filtres connus en hyperfréquence peuvent être réalisés à partir de lignes imprimées planaires. Beaucoup de ces composants passifs ne présentent aucune agilité en fréquence. Le problème d’agilité en fréquence est résolu en utilisant des composants actifs ajustables ou des composants passifs dont on peut modifier les propriétés en appliquant un champ électrique (ferroélectrique) ou un champ magnétique (ferrite. . .). Le principal objectif de cette thèse est de proposer et de caractériser une ligne coplanaire main gauche aveclaquelle on peut obtenir un fonctionnement agile en fréquence et relativement de faibles pertes.C'est une étude sur de nouveaux matériaux "main gauche" ou métamatériaux réalisés à partir de lignes coplanaires sur substrat ferrite. L'utilisation de ces substrats permet une certaine agilité en fréquence. L’étude débute par la modélisation d’un segment de ligne non réciproque, puis l'étude de la structure complète (capacité — ligne non réciproque — inductance). La détermination des paramètres ABCD de la cellule élémentaire (L-C), permet de retrouver les paramètres S de cette cellule. On en déduira les constantes de propagation dans les deux sens et on vérifiera que la celluleest un matériau planaire « main gauche » non réciproque / The recent growth in telecommunications requires the design of miniaturized circuits operating beyond the gigahertz. Research activities are enormously dedicated to the study of integrated circuits associated with planar structures. Planar circuits, that have recently undergone major technological developments, are very attractive for their moderate cost of realization, low weight and dimensions. Filters known in microwave can be made from printed planar lines. Many of these passive components have no frequency agility. The problem of frequency agility is solved using adjustable active components or passive components which we can modify the properties by applying an electric field (ferroelectric) or a magnetic field (ferrite ...). The main objective of this thesis is to propose and characterize a coplanar line left hand with which we can obtain an agile frequency operation and relatively low losses. It is a study on new materials "left hand" or metamaterials made from coplanar lines on ferrite substrate. The use of these substrates allows some frequency agility. The study begins by modeling a non-reciprocal line segment, then study the complete structure (capacity - non- reciprocal line - inductance). The determination of the ABCD parameters of the unit cell (LC), allows us to find the S parameters of this cell. We will deduct the constants of propagation in both directions and we will verify that the cell is a non-reciprocal "left hand" planar material

La croissance récente des télécommunications nécessite la conception de circuits miniaturisés fonctionnant au-delà du gigahertz. Les activités de recherche sont énormément consacrées à l'étude de circuits intégrés associés à des structures planaires. Les circuits planaires qui ont récemment subi d'importants développements technologiques, sont très attractifs pour leurs faibles coûts de réalisation, leur faible poids et dimensions. Les filtres connus en hyperfréquence peuvent être réalisés à partir de lignes imprimées planaires. Beaucoup de ces composants passifs ne présentent aucune agilité en fréquence. Le problème d'agilité en fréquence est résolu en utilisant des composants actifs ajustables ou des composants passifs dont on peut modifier les propriétés en appliquant un champ électrique (ferroélectrique) ou un champ magnétique (ferrite. . .). Le principal objectif de cette thèse est de proposer et de caractériser une ligne coplanaire main gauche aveclaquelle on peut obtenir un fonctionnement agile en fréquence et relativement de faibles pertes.C'est une étude sur de nouveaux matériaux "main gauche" ou métamatériaux réalisés à partir de lignes coplanaires sur substrat ferrite. L'utilisation de ces substrats permet une certaine agilité en fréquence. L'étude débute par la modélisation d'un segment de ligne non réciproque, puis l'étude de la structure complète (capacité -- ligne non réciproque -- inductance). La détermination des paramètres ABCD de la cellule élémentaire (L-C), permet de retrouver les paramètres S de cette cellule. On en déduira les constantes de propagation dans les deux sens et on vérifiera que la celluleest un matériau planaire " main gauche " non réciproque

Dans la perspective d’un contrôle ultime de la lumière, les arrivées récentes des cristaux photoniques et des métamatériaux constituent des avancées majeures. Ces matériaux nano-structurés présentant des propriétés optiques inédites nous ouvrent tout un champ de possibilités encore inexploré. En particulier, des milieux d’indice effectif négatif sont rendus concevables. L’objectif de cette thèse est d’étudier d’un point de vue électromagnétique, à l’aide d’outils analytiques et numériques, le comportement de la lumière dans ces structures exotiques. Nous nous penchons sur les boucles de lumières, qui sont des modes localisés d’une structure multi-couches, émergeant du couplage contra-directionnel entre deux guides distincts. Une analyse physique est proposée et un modèle basé sur la théorie des modes couplés est développé. Cela nous permet de décrire avec précision l’excitation d’une boucle de lumière par une source lumineuse, et d’envisager des applications pour la mise en forme de faisceau. Dans une seconde partie, nous étudions des cristaux photoniques unidimensionnels formés par une alternance de milieux d’indices positif et négatif. Lorsque l’indice moyen est nul, une bande interdite aux propriétés nouvelles apparait. Nous montrons que le caractère dispersif des milieux transforme des pics étroits de transmission en larges bandes. Pour caractériser la propagation d’un faisceau dans un tel cristal, nous développons et validons alors un modèle qui nous permet de démontrer le potentiel en matière de mise en forme de faisceau (auto-collimation, focalisation). / In the perspective of an ultimate control of light, the recent arrivals of photonic crystals and metamaterials are major advances. These nano-structured materials with unusual optical properties are opening a whole range of possibilities still unexplored. In particular, negative index media have became conceivable. The aim of this thesis is to study, with an electromagnetic point of view, the behavior of light in these exotic structures, using analytical and numerical tools. We study the light wheels, which are localized modes of a multi-layer structure, emerging from the contra-directional coupling between two separate waveguides. A physical analysis is proposed and a model, based on the coupled mode theory, is developed. This allows us to accurately describe the excitation of a light wheel by a source, and to consider applications for beam shaping. In a second part, we study one-dimensional photonic crystals combining positive and negative index layers whose the average index is equal to zero. A band gap, called zero-n gap, appears and presents new properties that we detail. Index dispersion is shown to broaden the resonant frequencies creating then a conduction band lying inside the zero-n gap. Self-collimation and focusing effects are in addition demonstrated in zero-average index crystals supporting defect modes. This beam shaping is explained in the framework of a beam propagation model by introducing an harmonic average index parameter.

Le travail de cette thèse est en rapport avec les métamatériaux et ses applications. Tout d'abord, un état de l'art est dressé en présentant leur évolution depuis leur apparition en 19ème siècle jusqu'au nos jours. Les notions sur les milieux chirale, bi-anisotrope, cristaux photoniques et quelques applications dans ces milieux sont données. Ensuite, nous présentons les équations classiques de Maxwell dans les milieux complexes. L'effet bi-anisotrope dans les métamatériaux est ensuite validé par l'extraction des paramètres caractéristiques du matériau main gauche (LHM). La validation a été faite en utilisant deux types différents du résonateur avec inclusion (SRR). Les métamatériaux sont également étudiés comme des cristaux photoniques quand les dimensions utilisées sont de l'ordre de la longueur d'onde correspondant.De plus, les résonateurs SRR et multi-SRR sont analysés du point de vue analytique et électromagnétique afin d'extraire leur fréquence de résonance. Par conséquent, ces composants peuvent être introduits dans différents types de conception; La surface conductrice magnétique artificielle (AMC) illustre un cas explicite et efficace de ces derniers. Une antenne dipôle, placée sur cette surface à la place d'un plan de masse conventionnel, a été étudiée comme une application des métamatériaux. Les résultats relatifs sur la directivité, le gain et le coefficient de réflexion montrent une nette amélioration. Une antenne multi-bandes, comme une autre application des métamatériaux, a également été conçue et simulée. Le résonateur SRR est inséré dans l'antenne de départ afin de créer une autre résonance, et par conséquent une autre bande est ainsi créée.

Dans la perspective d'un contrôle ultime de la lumière, les arrivées récentes des cristaux photoniques et des métamatériaux constituent des avancées majeures. Ces matériaux nano-structurés présentant des propriétés optiques inédites nous ouvrent tout un champ de possibilités encore inexploré. En particulier, des milieux d'indice effectif négatif sont rendus concevables. L'objectif de cette thèse est d'étudier d'un point de vue électromagnétique, à l'aide d'outils analytiques et numériques, le comportement de la lumière dans ces structures exotiques. Nous nous penchons sur les boucles de lumières, qui sont des modes localisés d'une structure multi-couches, émergeant du couplage contra-directionnel entre deux guides distincts. Une analyse physique est proposée et un modèle basé sur la théorie des modes couplés est développé. Cela nous permet de décrire avec précision l'excitation d'une boucle de lumière par une source lumineuse, et d'envisager des applications pour la mise en forme de faisceau. Dans une seconde partie, nous étudions des cristaux photoniques unidimensionnels formés par une alternance de milieux d'indices positif et négatif. Lorsque l'indice moyen est nul, une bande interdite aux propriétés nouvelles apparait. Nous montrons que le caractère dispersif des milieux transforme des pics étroits de transmission en larges bandes. Pour caractériser la propagation d'un faisceau dans un tel cristal, nous développons et validons alors un modèle qui nous permet de démontrer le potentiel en matière de mise en forme de faisceau (auto-collimation, focalisation).

Le travail de cette thèse est en rapport avec les métamatériaux et ses applications. Tout d’abord, un état de l’art est dressé en présentant leur évolution depuis leur apparition en 19ème siècle jusqu’au nos jours. Les notions sur les milieux chirale, bi-anisotrope, cristaux photoniques et quelques applications dans ces milieux sont données. Ensuite, nous présentons les équations classiques de Maxwell dans les milieux complexes. L’effet bi-anisotrope dans les métamatériaux est ensuite validé par l’extraction des paramètres caractéristiques du matériau main gauche (LHM). La validation a été faite en utilisant deux types différents du résonateur avec inclusion (SRR). Les métamatériaux sont également étudiés comme des cristaux photoniques quand les dimensions utilisées sont de l’ordre de la longueur d’onde correspondant.De plus, les résonateurs SRR et multi-SRR sont analysés du point de vue analytique et électromagnétique afin d’extraire leur fréquence de résonance. Par conséquent, ces composants peuvent être introduits dans différents types de conception; La surface conductrice magnétique artificielle (AMC) illustre un cas explicite et efficace de ces derniers. Une antenne dipôle, placée sur cette surface à la place d’un plan de masse conventionnel, a été étudiée comme une application des métamatériaux. Les résultats relatifs sur la directivité, le gain et le coefficient de réflexion montrent une nette amélioration. Une antenne multi-bandes, comme une autre application des métamatériaux, a également été conçue et simulée. Le résonateur SRR est inséré dans l’antenne de départ afin de créer une autre résonance, et par conséquent une autre bande est ainsi créée. / The work in this thesis deals with metamaterials, its components and applications. A historical overview about these materials, features and researches in the domain are presented. Chiral media, binaisotropic materials and photonic crystals are also studied in order to visualize physics behind metamaterials.Electromagnetic properties in complex media are widely investigated. Starting from Maxwell’s equations, bi-anisotropic materials and their effect are deeply analyzed whereas two types of Split Ring Resonator (SRR) are treated to determine constitutive parameters of Left Handed Materials (LHM). The metamaterials are also studied as photonic crystals since the effective medium approach is not applicable when the dimensions of the inclusions tend to the operating wavelength.Moreover, SRRs and Multi SRRs are synthesized analytically and electromagnetically in order to extract their resonant frequencies. Consequently, these components could be introduced in any design; Artificial Magnetic Conductor (AMC) surface is an efficient case. Thus, a low profile antenna positioned over such surface is examined as an application of metamaterials. The results of directivity, gain and reflection coefficient are of great importance and affirm the employing of metamaterials in such applications. A dual band PCB antenna, as another application of metamaterials, is designed and simulated. The SRR element studied in the previous chapters is used as the trap which inserted in the arm of the antenna in order to create another resonance, and consequently another band is created.