La télémétrie biomédicale et l’interfaçage neuronal à base de dispositifs miniatures et autonomes sans fil constituent de nouvelles applications en émergence. Elles visent à répondre à de nombreux enjeux y compris dans les domaines de la santé, du sport et bien être, ou encore de la sécurité au travail et de la défense. Parmi les applications typiques de biotélémétrie, nous pouvons citer le monitoring de certains paramètres physiologiques : température corporelle, pression artérielle, rythme cardiaque, taux de glucose et d’anticorps, détection d’agents chimiques, etc. En ce qui concerne l’interfaçage neuronal, il permet de restaurer les informations sensorielles, d’aider à la réadaptation des amputés, des personnes atteintes de paralysie ou des patients atteints de maladies neurodégénératives. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer au développement de dispositifs miniaturisés et communicants pour le monitoring, en continu, de variables physiologiques d’humains ainsi que d’animaux. Ces dispositifs innovants nécessitent un système de communication fiable. Plus particulièrement, il s’agit d’analyser le milieu de propagation à l’intérieur des tissus biologiques et de développer des antennes miniatures innovantes ainsi que des méthodes pour leur analyse et leur caractérisation. Le verrou majeur concerne le rendement des antennes miniatures. Les effets de forte hétérogénéité, dispersion, pertes très élevées des milieux biologiques et les contraintes de miniaturisation et d’intégration dans des dispositifs in-body limitent la portée des systèmes existants à quelques dizaines de centimètres. Tout d’abord, des outils spécifiques de modélisation et d’optimisation ont été développés en collaboration avec l’Université de Bohème de l’Ouest. Ces outils sont indispensables pour l’analyse des composants de systèmes antennaires complexes : le code Agros2D (CAO interne) utilise des méthodes entièrement adaptatives. Cette approche permet de réduire la complexité d’optimisation des antennes in-body jusqu’un seul dégrée de liberté. Puis, la limite fondamentale de rendement des antennes pour les applications in-body a été définie ; les liens entre cette limite et la taille de l’antenne, sa fréquence de fonctionnement, la polarisation et les matériaux utilisés (dont hypothétiques) ont été quantifiés pour la première fois. Ce travail fondamental a d’abord pour objectif l’optimisation des performances de l’antenne actuelle de la capsule e-Celsius de l’entreprise BodyCAP pour accroître la portée de la gélule, en prenant en compte les caractéristiques des matériaux et le milieu de propagation que constituent les tissus biologiques. Dans cette étape on inclut également la fabrication des prototypes de gélules télémétriques ainsi que leurs mesures d’impédance. L’antenne optimisée a une portée trois fois plus importante que celle actuelle tout en occupant le même volume. En utilisant ces principes de conception, nous avons développé et caractérisé une antenne à 434 MHz adaptée à une large gamme d'applications in-body. Des dimensions ultra-miniatures, une robustesse et un rendement accrus permettent de l'utiliser à la fois pour des applications des capsules à implanter et à avaler. Enfin, en développant davantage les méthodes de conception et d’optimisation, nous avons conçu une antenne double-bande. Ayant la même robustesse que son équivalent actuel mono-bande, elle présente également un rendement encore plus élevé, permettant ainsi de fonctionner au-delà de 10 m. La caractéristique double-bande permet de concevoir les dispositifs in-body rechargeables sans fil dans le corps. Les antennes proposées contribuent au développement ultérieur d'une nouvelle génération de dispositifs miniatures in-body qui impliquent une intégration complexe et dense des capteurs, de la logique et de la source d'alimentation. / Emerging wireless biotelemetry using miniature implantable, ingestible or injectable (in-body) devices allows continuously monitor and yield human or animal physiological parameters while maintaining mobility and quality of life. Recent advances in microelectromechanical systems and microfluidics—along with ongoing miniaturization of electronics—have empowered numerous innovations in biotelemetry devices, creating new applications in medicine, clinical research, wellness, and defense. Among the typical applications, I can mention, for example, the monitoring of physiological variables: body temperature, blood pressure, heart rate, detection of antibodies, chemical, or biological agents. Biotelemetry devices require a reliable communication system: robust, efficient, and versatile. Improving the transmission range of miniature in-body devices remains a major challenge: for the time being, they are able to operate only up to a few meters. Among the main issues to face are low radiation efficiencies (< 0.1%), antenna impedance detuning, and strong coupling to lossy and dispersive biological tissues. Thus, the main goal of the thesis is to conduct a multi-disciplinary study on development, optimization and characterization of antennas for in-body biotelemetry devices. After state-of-the-art and the context, I start with the development on both physical and numerical approaches to account for the effect of human tissues on the antenna. I propose the methodology to achieve given electromagnetic properties at a given frequency based on the full factorial experiment and surface response optimization. In addition, I describe the spherical physical phantom for the far-field characterization along with a combination of feed decoupling techniques. I proceed by reviewing the trough-body propagation mechanisms and deriving the optimal frequency for the in-body devices. I formulate the problem using four phantoms (homogeneous and heterogeneous) and perform full-wave analysis using an in-house hp-FEM code Agros 2D. Next, I study the existing antenna used by the BodyCap Company for its e-Celsius capsule and the ways on how to improve its operating range and robustness under strict integration and material constraints. The mechanisms of antenna–body coupling are analyzed and the found solution improves the antenna IEEE gain by 11 dBi (the operating range is at least tripled). The existing matching circuit and balun are optimized too for the given application reducing its size from eleven to seven discrete elements. In the following chapters, I continue studying the decoupling of antennas from a body using specific microstrip designs and dielectric loading via capsule shell. By applying the developed approaches, a high robustness and radiation efficiency can be achieved. At first, I develop a proof-of-concept antenna that demonstrates that the perfect matching (detuning immunity) is achievable for the operation within all human tissues. Based on these results, I develop a miniature and versatile biotelemetry platform: a 17 mm x 7 mm alumina capsule containing a conformal 434 MHz antenna. The antenna is well matched to 50 Ohm within the majority of human tissues and operates with an arbitrary device circuitry. Like this, one can use it ''as is,'' applying it for a wide range of in-body applications. Then, I develop a low profile conformal dual-band antenna operating in 434 MHz and 2.45 GHz bands. Such antenna can integrate both data transmission and wireless powering functionality increasing the available space inside an in-body device and increasing its scope of applications. Finally, I present the perspective developments including in-body sensing methodology. The obtained results contributes to further development of a new generation of miniature in-body devices that involve complex and dense integration of sensors, logic, and power sources.

L’évolution rapide des communications sans fil a favorisé l’augmentation du nombre de standards alloués aux systèmes de communication fonctionnant sur différentes bandes de fréquences. Pour accompagner les derniers développements de systèmes sans fil, il est indispensable de concevoir des antennes miniatures intégrables. Cependant, la miniaturisation des antennes s’accompagne d’une réduction significative de la bande passante et de leur efficacité de rayonnement ainsi qu’à l’apparition d’un décalage fréquentiel de leurs fréquences de fonctionnement lorsqu’elles sont étudiées dans leur contexte d’utilisation. L’intégration de dispositifs accordables au sein d 'une antenne permet de répondre favorablement à ces problématiques. Parmi les solutions proposées dans la littérature, l’utilisation de matériaux ferroélectriques en couche mince permet de concevoir un condensateur accordable en fonction du champ électrique appliqué. Ces dispositifs réalisés à base de couches minces ferroélectriques ont été développés pour répondre aux exigences particulières et extrêmes des systèmes de télécommunication actuels (miniaturisation, faible coût, facilité de fabrication et d’intégration et bonne tenue en puissance). Cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches sur les antennes reconfigurables en fréquences à base de matériaux ferroélectriques. Deux axes principaux ont été développés au cours de ces travaux de recherche : le développement et la réalisation de condensateurs intégrant un film BST au sein du laboratoire XLIM et leurs caractérisations en hyperfréquence. La seconde partie de nos travaux concerne l’intégration de l’un de ces dispositifs accordables au sein d’une antenne miniature afin d’étudier son accordabilité en fréquence. / The rapid growth of wireless communication has promoted the increase of the number of standards for wireless applications. This progress requests new manufacturing processes of smart devices that are able to work on several frequency bands. However, the miniaturization of antennas is accompanied by a significant reduction of the bandwidth as well as its radiation efficiency and it becomes dependent on its using context. Tunable devices can be integrated within antennas in order to overcome these main issues. Among the solutions proposed in the literature, thin-film ferroelectric materials are used to realize tunable capacitors. The use of such materials allows the design of a tunable capacitor that can be tuned by an applied electric field. The advances of these ferroelectric thin-film devices were developed in order to meet particular and extreme requirements for today's telecommunication systems (miniaturization, low cost, ease of the manufacture process, integration and good power handling). This thesis is part of ongoing research over frequency reconfigurable antennas which are based on ferroelectric materials. Two main axes were developed during this work: The development and realization of capacitors that incorporate a BST film along with their microwave characterizations within XLIM lab. The second part of our work is dedicated to the realization of the complete tunable antenna.

L'évolution rapide dans les systèmes de communication sans fil nécessite plus de miniaturisation de divers composants électroniques en plus de l'élément majeur de la technologie sans fil : l'antenne. Dans ce cas, une antenne occupant un espace limité devrait être miniaturisée pour fonctionner aux bandes de communication souhaitées. Cependant, à mesure que la taille électrique de l'antenne diminue, ses performances se dégradent considérablement et sa bande passante, son efficacité et sa directivité sont limitées. Les techniques classiques de réduction de la taille avec chargement de matériau et mise en forme géométrique de l'antenne souffrent d'une bande passante étroite et d'une faible efficacité de rayonnement. D'autre part, les tentatives d'augmenter la directivité des petites antennes en utilisant des réseaux superdirectifs sont également associées à une faible efficacité de rayonnement bande passante très étroite. Pour pallier ces inconvénients, nous proposons de booster les performances des antennes compactes en utilisant des charges réactives embarquées. En plaçant correctement les charges (actives ou passives) à l'intérieur de l'antenne, il est possible de contrôler les courants pour améliorer de manière significative les performances de l'antenne en termes de bande passante et de directivité. Cependant, pour un succès des critères de chargement, il est obligatoire d'analyser les modes naturellement supportés par l'antenne étudiée. On les appelle les modes caractéristiques, qui fournissent des aperçus physiques profonds sur le comportement de l'antenne et ses modes de rayonnement. En combinant cette théorie avec l'algorithme d'optimisation, il devient possible de manipuler de manière optimale les courants à l'intérieur de l'antenne en utilisant des charges réactives pour obtenir des conceptions large bande, superdirectives et efficaces. / The rapid evolution in the wireless communication systems requires more miniaturization of various electronic components in addition to the major element of the wireless technology: the antenna. In this case, an antenna occupying a limited space should be miniaturized in order to operate at the desired communication bands. However, as the electrical size of the antenna decreases, its performance degrades dramatically and it becomes limited in bandwidth, efficiency, and directivity. Classical size reduction techniques with material loading and geometry shaping of the antenna suffer from narrow bandwidth and low radiation efficiency. On the other hand, attempts to increase the directivity of small antennas using superdirective arrays are also associated with low radiation efficiency and very narrow bandwidth. To overcome these drawbacks, we propose boosting the performance of compact antennas using embedded reactive loads. By properly placing loads (active or passive) inside the antenna, it is possible to control the currents to significantly enhance the antenna performance in terms of bandwidth and directivity. Yet, for a successful loading criteria, it is mandatory to analyze the modes that are naturally supported by the antenna under study. These are called the characteristic modes, which provide deep physical insights about the behaviour of the antenna and its radiating modes. By combining this theory with and optimization algorithm, it becomes possible to optimally manipulate the currents inside the antenna using reactive loads to achieve wideband, superdirective and efficient designs.

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