Le suivi des petits animaux utilisés dans le cadre de tests de laboratoire et l'analyse de leur comportement à distance, à faible coût et en temps réel suscitent depuis longtemps l’intérêt des chercheurs. Ceux-ci peuvent se faire par l’implantation de capteurs sans fils miniatures qui nécessitent des composants vitaux dont le plus problématique est l’antenne. En effet, la principale difficulté dans la conception d'antennes pour les dispositifs de communication bio-implantables est de fournir une structure rayonnante efficace et ce, malgré les contraintes de volume et le fort impact des tissus biologiques qui l’entourent. Si de nombreuses études ont porté sur l’utilisation d'antennes implantées dans la bande MICS (Medical Implant Communications Service) (402-405 MHz), il faut noter qu’à ces fréquences, la taille des antennes peut être un inconvénient réel dans le cas de petits animaux, d’où une recherche de miniaturisation. Une alternative consiste en l’utilisation de la technologie RFID (Radio-Frequency Identification) dans la bande UHF à 868 MHz. En effet, elle présente deux avantages primordiaux : elle facilite l'implantation du tag et ne nécessite pas l’ajout d'une batterie pour alimenter le périphérique implanté. Ce travail de thèse fait suite à un projet collaboratif financé par l’ANR (Agence Nationale de la Recherche) dans le cadre du Labex UCN@Sophia et qui a pour objectif la conception d’un système sans fils incluant aussi bien les tags RFID implantables, les antennes du lecteur et le lecteur connecté à un ordinateur se chargeant de la gestion centralisée des informations sur un serveur pour le suivi et la collecte de données de souris de laboratoire. Ce mémoire présente la conception d’antennes implantées pour tags RFID dans un modèle homogène représentant le corps d’une souris. Après l’analyse d’un bilan de liaison permettant de calculer les performances minimales de l’antenne implantée à concevoir pour une communication fiable et efficace, des antennes tags RFID passifs en 2D et en 3D ont été optimisées par différentes techniques pour atteindre des structures finales implantables ou injectables au dos d’une souris. Une caractérisation des solutions proposées en termes d’impédance, de champs E et H et de DAS (Débit d'Absorption Spécifique) a ensuite été effectuée dans un fantôme homogène. Enfin, un système d’interrogation permettant d’estimer la position de l’animal via la récupération du RSSI (Received Signal Strength Indicator) est présenté. / The monitoring of small animals in laboratory tests and the remote analysis of their behavior, with low cost and in real time interest researchers for a long time. This can be done by implanting miniature wireless sensors requiring vital components among which the most challenging is the antenna. Indeed, the main difficulty in designing antennas for bio-implantable communication devices is to provide an effective radiating structure, despite the volume constraints and the high impact of the surrounding biological tissues. Although many studies have focused on the use of implanted antennas dedicated to the MICS band (402405 MHz), it should be noted that at these frequencies, the size of the antennas can be a real disadvantage in the case of small animals, requiring miniaturization structures. Another solution consists in the using RFID (Radio-Frequency Identification) technology in the UHF band at 868 MHz. Indeed, it has two major advantages: it facilitates the implementation of the tag and does not require the addition of a battery to power the implanted device. This thesis funded by the ANR (French National Research Agency) within the framework of the Labex UCN@Sophia aims at designing a wireless system, including implantable RFID tags, reader's antennas and the reader connected to a computer that is responsible for the centralized management of information on a server for monitoring and collecting the data of laboratory mice. This thesis presents the design of implanted antennas for RFID tags in a homogeneous model representing the body of a mouse. After an analysis of a link budget allowing to determine the minimum performance of the implanted antenna to be designed for a reliable and an efficient communication, two RFID passive tag antenna designs have been optimized to obtain final structures able to be implanted or injected in the back of a mouse. A characterization of the proposed solutions in terms of impedance, E and H fields and SAR (Specific Absorption Rate) was then performed in a homogeneous phantom. Finally, an interrogation system capable to estimate the position of several animals placed in a cage thanks to the RSSI (Received Signal Strength Indicator) levels is presented.

Les avions comportent plusieurs systèmes de navigation et de communication nécessitent des antennes VHF large bande. Réduire la taille de ses antennes est un enjeu majeur tout en gardant des bonnes performances. Cette thèse propose des nouvelles configurations d'antennes à profil bas utilisant des nouveaux matériaux nanocomposites non conducteurs constitués de nanoparticules magnétiques développés au Lab-STICC. Un monopole planaire large bande a été développé et optimisé avec un taux de miniaturisation de 60% grâce à l'utilisation d'un matériau magnéto-diélectrique de forte perméabilité et faible pertes couvrant seulement 5% de sa surface. Les résultats expérimentaux, en presque parfait accord avec les simulations, montrent que le diagramme de rayonnement est omnidirectionnel et que la polarisation est verticale, avec un bon niveau du gain. L'antenne monopole planaire insérée dans un MMD des dimensions limitées avec des pertes a été modélisée par un nouveau circuit équivalent multi résonant. Ce circuit est développé à partir de l'impédance d'entrée de l'antenne et des caractéristiques du MMD, et validé par les simulations avec un parfait accord entre les résultats. / Airplanes with multiple navigation and communication systems require broadband VHF antennas. Reduce the size of these antennas is a major challenge while keeping good performances. This thesis proposes new configurations of low profile antennas using new nanocomposite non-conductive materials consisting of magnetic nanoparticles developed at Lab-STICC. A broadband planar monopole has been developed and optimized with a 60% miniaturization rate thanks to the use of a high permeability and low loss magneto-dielectric material covering only 5% of its surface. The experimental results, in almost perfect agreement with the simulations, show that the radiation pattern is omnidirectional and that the polarization is vertical, with a good level of gain. The planar monopole antenna inserted in a MMD of limited dimensions with losses was modeled by a new multi-resonant equivalent circuit. This circuit is developed from the input impedance of the antenna and the characteristics of the MMD. and validated by the simulations with a perfect agreement between the results.

La miniaturisation des antennes s'accompagne d'une dégradation leurs performances (bande passante, gain, efficacité), surtout avec l'utilisation de substrats matériaux diélectriques. Pour relever le défi « intégration / performances », la conception de nouveaux matériaux tels que les ferrites magnétoélectriques constitue une alternative des plus prometteuses. Ce travail met en avant les principaux paramètres à l'élaboration de ferrite spinelle par coprécipitation. Un traitement thermique modéré a permis l'obtention de céramiques semi poreuses pour la montée en fréquence. En parallèle, l'anisotropie magnétocristalline, liée à la composition (rapport Nickel / Zinc, Cobalt, Fer 2+…) ; ainsi que l'anisotropie magnétoélastique lors de l'application d'une contrainte, étendent encore le domaine des faibles pertes des ferrites de Nickel-Zinc de 400 MHz à plus de 1 GHz. Ces matériaux ont ainsi pu équiper des antennes sur les fréquences du DVH-H (470 – 830 MHz) et répondent aux normes du DVB-H. De façon à profiter pleinement de la miniaturisation, nous avons proposé une antenne imprimée. Une bonne corrélation est trouvée entre les résultats de simulation et de mesure, ainsi que des relations adaptées aux antennes patch. Enfin dans le domaine émergent des communications On / Off bodies, nous avons développé des antennes flexibles sur un substrat de type PDMS. Pour assurer une bonne efficacité de l'antenne, celle-ci est encapsulée, ce qui évite une métallisation hasardeuse (fissures, manque d'adhérence). / Antenna miniaturization, especially with dielectric substrates, is accompanied by a radiation loss (bandwidth, gain, efficiency). To meet the challenge "integration / performance", the design of new materials such as magnetodielectrics ferrites is a promising alternative. To satisfy these requirements, this work highlights the main parameters of ferrite spinel development by coprecipitation. A moderate thermal treatment leads to semi porous ceramics. In parallel, the magnetocrystalline anisotropy, related to the composition (ratio Nickel / Zinc, Cobalt, Iron 2+ ...), and the magnetoelastic anisotropy with application of stress, extend the field of low-loss from 400 MHz to over 1 GHz, in the Nickel-Zinc ferrite. These materials were able to equip antennas on DVH-H frequencies (470-830 MHz). In order to take full advantage of miniaturization, we proposed a printed antenna. A good correlation between simulation results and measurement is obtained, together with relations adapted to patch antennas. Finally, in the emerging field of communications On / Off bodies, we have developed flexible antennas on PDMS substrate. To ensure good antenna efficiency, it is encapsulated, thereby avoiding a hazardous metallization (cracks, loss of adhesion).

L'intégration d'oxydes ferroélectriques permet la réduction des dimensions de dispositifs électroniques pour des applications en télécommunications, tout en leur apportant la reconfigurabilité. Parmi ces matériaux multifonctionnels, KxNa1-xNbO3 (KNN) se présente comme un candidat oxyde sans plomb prometteur pour un grand nombre d'applications. L'objectif de cette thèse est l'élaboration de couches minces de KNN et l'étude de leurs propriétés diélectriques en hyperfréquences en vue de leur intégration dans des antennes miniatures et reconfigurables. La permittivité εr, les pertes tanδ et l'agilité seront caractérisées à partir de couches minces de KNN déposées par la technique d'ablation laser. De plus, les avancements sur les dépôts par pulvérisation cathodique seront présentés. Après une étude sur la composition du matériau, l'influence des propriétés structurales sur les propriété diélectriques à travers l'utilisation de deux types de substrats a permis l'obtention d'une agilité de 20% sous un champ Ebias de 90 kV/cm. Une caractérisation diélectrique en température aura permis d'observer, à 10 GHz, une augmentation de la permittivité de 360 à 20°C jusqu'à 1000 à 240°C au niveau de la transition de phase polymorphique. Lors de ces travaux, la phase bronze de tungstène tétragonale (TTB), encore très peu étudiée dans le système K-Na-Nb-O a été préparée en couches minces fortement orientées et une permittivité élevée a été obtenue à basses (~200 à 10 kHz) et hautes fréquences (~130 à 10 GHz). Enfin la conception, la réalisation et la mesure d'antennes miniatures intégrant du KNN ont été effectuées. / Ferroelectric materials are a solution for reducing the size of electronic devices for telecommunication applications while also enabling reconfigurability. Among the multifunctional materials, KxNa1-xNbO3 (KNN) is a promising lead-free oxide for a large number of applications. The main goal of this work is the elaboration of KNN thin films and their dielectric characterisations in order to integrate the thin film to obtain miniature reconfigurable antennas. The permittivity εr, the loss tanδ and the tunability, at microwave frequencies, of the KNN were retrieved from thin films prepared by pulsed laser deposition. Also, the progress on the deposition of KNN thin films by RF magnetron sputtering will be presented. After the investigation of the effect of the composition and the structural properties of the KNN thin films on their dielectric properties, the tunability has been increased up to 20% under a 90 kV/cm electric field for x = 0.5. A dielectric characterisation of depending on the temperature, at 10 GHz, has shown an increase of the permittivity value from 360 at 20°C up to 1000 at 240°C, indicating the polymorphic phase transition. The tetragonal tungsten bronze phase (TTB), barely studied in the K-Na-Nb-O system, has been prepared in thin film and exhibiting high values of permittivity at both low and microwave frequencies (~200 à 10 kHz and ~130 à 10 GHz). Finally the design, realisation and measurements of miniature antennas integrating KNN has been done.

Ultra Wideband (UWB) communication has recently drawn considerable attention from academia and industry. This is mainly owing to the ultra high speeds and cognitive features it could offer. The employability of UWB in numerous areas including but not limited to Wireless Personal Area Networks, WPAN's, Body Area Networks, BAN's, radar and medical imaging etc. has opened several avenues of research and development. However, still there is a disagreement on the standardization of UWB. Two contesting radios for UWB are Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM) and DS-UWB (Direct Sequence Ultra Wideband). As nearly all of the reported research on UWB hasbeen about a very narrow/specific area of the communication system, this thesis looks at the end-to-end performance of an MB-OFDM approach. The overall aim of this project has been to first focus on three different aspects i.e. interference, antenna and propagation aspects of an MB-OFDM system individually and then present a holistic or an end-to-end system analysis finally. In the first phase of the project the author investigated the performance of MB-OFDM system under the effect of his proposed generic or technology non-specific interference. Avoiding the conventional Gaussian approximation, the author has employed an advanced stochastic method. A total of two approaches have been presented in this phase of the project. The first approach is an indirect one which involves the Moment Generating Functions (MGF's) of the Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio (SINR) and the Probability Density Function (pdf) of the SINR to calculate the Average Probabilities of Error of an MB-OFDM system under the influence of proposed generic interference. This approach assumed a specific two-dimensional Poisson spatial/geometric placement of interferers around the victim MB-OFDM receiver. The second approach is a direct approach and extends the first approach by employing a wider class of generic interference. In the second phase of the work the author designed, simulated, prototyped and tested novel compact monopole planar antennas for UWB application. In this phase of the research, compact antennas for the UWB application are presented. These designs employ low-loss Rogers duroid substrates and are fed by Copla-nar Waveguides. The antennas have a proposed feed-line to the main radiating element transition region. This transition region is formed by a special step-generating function-set called the "Inverse Parabolic Step Sequence" or IPSS. These IPSS-based antennas are simulated, prototyped and then tested in the ane-choic chamber. An empirical approach, aimed to further miniaturize IPSS-based antennas, was also derived in this phase of the project. The empirical approach has been applied to derive the design of a further miniaturized antenna. More-over, an electrical miniaturization limit has been concluded for the IPSS-based antennas. The third phase of the project has investigated the effect of the indoor furnishing on the distribution of the elevation Angle-of-Arrival (AOA) of the rays at the receiver. Previously, constant distributions for the AOA of the rays in the elevation direction had been reported. This phase of the research has proposed that the AOA distribution is not fixed. It is established by the author that the indoor elevation AOA distributions depend on the discrete levels of furnishing. A joint time-angle-furnishing channel model is presented in this research phase. In addition, this phase of the thesis proposes two vectorial or any direction AOA distributions for the UWB indoor environments. Finally, the last phase of this thesis is presented. As stated earlier, the overall aim of the project has been to look at three individual aspects of an MB-OFDM system, initially, and then look at the holistic system, finally. Therefore, this final phase of the research presents an end-to-end MB-OFDM system analysis. The interference analysis of the first phase of the project is revisited to re-calculate the probability of bit error with realistic/measured path loss exponents which have been reported in the existing literature. In this method, Gaussian Quadrature Rule based approximations are computed for the average probability of bit error. Last but not the least, an end-to-end or comprehensive system equation/impulse response is presented. The proposed system equation covers more aspects of an indoor UWB system than reported in the existing literature.