Le présent projet présente une étude théorique du phénomène de génération d'une onde électromagnétique, à une interface métallo-diélectrique, par excitation d'une structure simple (sillon) sous longueur d'onde gravée dans un substrat métallique. La structure illuminée par un champ transverse incident est considérée comme un système radiatif TM via une ligne infinie et ponctuelle de courant magnétique équivalent. Utilisant les équations de Maxwell, le calcul du champ magnétique irradié par cette source à l' interface mène à une solution sous forme intégrale. L'intégration de contour est utilisée pour trouver la solution sous forme analytique fermée. La solution se compose de deux termes distincts, le premier étant un mode plasmonique (plasmon polariton de surface) et le second étant un plasmon polariton de surface transitoire. Cette deuxième onde est interprétée physiquement comme étant l'onde provenant de la radiation de la source TM. À partir d'une distance d'un dixième de la longueur d'onde, la décroissance du champ irradié diverge de celle d'une, onde cylindrique typique (l/VX) en raison de la dissipation d'énergie dans le métal via l'oscillation de la couche d'électrons libres du métal et ce, jusqu'à une distance d'une longueur d'onde. Ainsi, le champ résiduel au-delà de cette zone est un champ de décroissance plus rapide de li x qui devient très vite négligeable par rapport au mode plasmonique excité. Ce résultat analytique est en bon accord avec des études expérimentales et numériques existant dans la littérature et représente un avancement important sur le plan de la compréhension physique des phénomènes optiques à l'échelle sous longueur d'onde.

Avec la multiplication des antennes radios, due à l’augmentation des abonnés et aux nouveaux services et usages, l’exposition aux ondes électromagnétiques est devenue un sujet interpellant toute une catégorie de personnes, notamment les collectivités locales, les opérateurs, les associations, etc. Dans le domaine de l’exposition des populations aux champs électromagnétiques radiofréquences en milieu urbain, la modélisation numérique a pris depuis quelques années de plus en plus d’importance du fait de la montée en puissance des outils de calcul et de la quantité et qualité des données topographiques disponibles. Elle est utilisée conjointement avec plusieurs types de mesures pour l’analyse et la gestion de risques, comme support d’aide à la décision publique, comme méthode réglementaire et plus largement pour la concertation entre public, industriels, collectivités territoriales, associations, etc. Les résultats de ces méthodes ont donc de plus en plus d’importance. Ce manuscrit permet d'améliorer les connaissances sur la quantification de l'exposition due aux antennes relais en associant mesures et simulations et en prenant en considération la notion de variabilité du champ électrique.Une première partie du travail a permis de déterminer les avantages et les limites des méthodes de calcul, et de même pour les mesures, dans le cadre de l'évaluation de l'exposition à l'échelle urbain. Une seconde partie du travail a consisté à caractériser la variabilité spatiale et temporelle de l'exposition réelle, un point essentiel du fait de la grande variabilité du champ électrique et de la difficulté de trouver un indicateur pertinent pour quantifier l'exposition réelle. / With the increasing number of mobile phone users, new services and mobile applications, the proliferation of radio antennas has raised concerns about human exposure to electromagnetic waves. This is now a challenging topic to many stakeholders such as local authorities, mobile phone operators, citizen and consumer groups, etc. The assessment of human exposure to radiofrequency electromagnetic fields in the urban environment is mainly based on numerical modeling. The improvement of computational tools together with the quantity and quality of available topographic data has strongly promoted this approach. Numerical modeling is now used in combination with several types of measurements to perform risk analysis and management. It is the basis of decision-making tools and local regulations. It is also used during consultations between the public, the industry, local authorities, governments and associations. The results of these methods are therefore increasingly important. This research contributes to gain knowledge about quantifying the human exposure from base stations through the combination of measurements and simulations, while taking into account the concept of variability of the electrical field. A first part of this work establishes the benefits and limitations of computational methods as well as measurements when assessing exposure to electric fields in urban environment. A second part of this work is aimed at characterizing the spatial and temporal variability of the actual exposure, which is a very important requirement because of the high variability of the electrical field and the difficulty of finding a relevant indicator to quantify the real exposure.

La production de champs électromagnétiques intenses semble être, aujourd'hui, une application majeure des systèmes générateurs de fortes puissances électriques pulsées. La simplicité de mise en œuvre d'une solution « tout électrique » permet des adaptations expérimentales et une maintenance aisée, ce qui en fait un choix technologique privilégié. Dans ce contexte, nous avons développés, avec l'appui de THALES, deux sources impulsionnelles subnanosecondes récurrentes fondées sur l'utilisation de générateurs haute tension à fronts raides de type Marx, et des diviseurs capacitifs adaptés à la mesure de ces transitoires rapides en haute tension. Chacune de ces sources pulsées compactes est pilotée par un chargeur autonome et est associée à une antenne d'émission ultra large bande pour former un dispositif d'émission d'ondes de forte puissance. En collaboration avec le laboratoire XLIM, une antenne à ondes progressives existante a été modifiée pour supporter les fortes puissances mises en jeu. Les deux dispositifs d'émission complets ainsi constitués ont été caractérisés. Les facteurs de mérite (produit de l'amplitude du champ rayonné par la distance à laquelle il est mesuré) atteints sont de 223kV pour le premier dispositif et 436kV pour le second.

La diffraction des ondes électromagnétiques par des surfaces rugueuses intéresse de nombreux domaines comme l'Optique, la furtivité, la compatibilité électromagnétique ou bien encore la télédétection. La modélisation de ce phénomène peut se faire soit à l'aide de théories rigoureuses basées sur la résolution des équations de Maxwell, soit avec des théories approchées. Actuellement, le problème tridimensionnel de la diffusion des ondes électromagnétiques par des surfaces rugueuses éclairées sous incidence rasante ne peut pas être résolu de manière satisfaisante par les méthodes rigoureuses. Ces méthodes ne peuvent donc pas être utilisées pour estimer la validité des méthodes approchées pour ce type d'incidence. Afin de résoudre ce problème, de nouvelles équations intégrales de frontière ont été développées. A l'aide du théorème d'extinction et du théorème de réciprocité, le comportement du champ diffracté pour les angles rasants a pu être déterminé. A partir de ces résultats, l'amplitude diffractée a été reformulée afin d'obtenir explicitement le bon comportement du champ pour de tels angles. Une technique de résolution numérique de l'équation intégrale obtenue a été mise en oeuvre pour des surfaces rugueuses infiniment conductrices en polarisation Horizontale. La validation a été menée par comparaison avec des résultats issus du formalisme intégral classique, pour des angles d'incidence raisonnables. La pertinence de quelques méthodes approchées pour des incidences rasantes a été étudiée. Le problème de diffraction par la surface de la mer ne pouvant être résolu de manière rigoureuse pour des vents supérieurs à 4m/s, l'étude s'est portée sur les modèles à deux échelles et les fonctions d'ombrage. Nous montrons que ces dernières ne sont pas adaptées à la surface océanique. Enfin, en comparant un modèle à deux échelles, combinant l'Optique géométrique et l'approximation des faibles pentes, aux données expérimentales de Nathanson, nous avons montré que les phénomènes hydrodynamiques comme le déferlement augmentent de manière significative l'énergie rétro-diffusée dans les angles rasants.

Ce travail est consacré à l'étude d'un problème de transmission d'ondes électromagnétiques dans des matériaux fortement conducteurs entourés d'un matériau diélectrique isolant. On analyse finement le phénomène de l'effet de peau à l'aide de l'analyse asymptotique et de la simulation numérique. On calcule un développement asymptotique multi-échelle à haute conductivité des solutions des équations de Maxwell tridimensionnelles en régime harmonique. Pour valider ce développement, on établit des estimations uniformes par sous-domaines des solutions de ces équations pour une conductivité assez élevée. Ces estimations ont motivé une étude préliminaire d'un problème de transmission scalaire pour lequel des estimations a priori sont démontrées grâce à la convergence normale d'un développement asymptotique. L'accord des formules théoriques avec les calculs numériques est remarquable et met en évidence l'influence de la géométrie de l'interface dans le phénomène de l'effet de peau.<br /><br />D'autre part, on étudie le comportement du champ électromagnétique dans une cellule biologique modélisée par un milieu entouré d'une couche mince et plongée dans un milieu ambiant. On calcule des conditions de transmission approchées sur le bord du domaine intérieur équivalentes à la couche mince.

Dans ce manuscrit de thèse, nous évoquons différents aspects de la propagation et de l'émission des ondes électromagnétiques en milieu diffusant.<br /><br />Dans une première partie, nous montrons que l'Équation de Transfert Radiatif (ETR) est un très bon outil pour l'étude de la propagation de lumière en milieu complexe. À l'aide de ce formalisme, nous étudions l'évolution de la cohérence spatiale du faisceau au sein du milieu. Ensuite, nous décrivons une démonstration rigoureuse de l'équation de la diffusion à partir d'une approche modale de l'ETR et clarifions la dépendance du coefficient de diffusion à l'absorption. Enfin, nous nous intéressons aux fluctuations temporelles d'intensité diffusée et montrons que l'utilisation de l'ETR permet d'aller au-delà du régime diffusif décrit par la théorie de la spectroscopie par ondes diffuses (DWS).<br /><br />La seconde partie est centrée sur l'étude de l'émission de lumière en milieu complexe. Dans un premier temps, nous étudions l'amplification de lumière diffusée dans un système à gain appelé laser aléatoire et montrons qu'il existe un seuil laser en régime de rétroaction incohérente. Ce seuil est quantifié en utilisant une approche modale de l'ETR. Ensuite, nous évoquons la modification du taux de fluorescence d'une molécule placée dans un milieu complexe. Nous mettons au point un modèle permettant de remplacer le milieu diffusant par un milieu homogène effectif moyen prenant en compte la diffusion multiple et les interactions entre diffuseurs. Enfin, nous nous attardons sur le calcul du champ retourné temporellement dans un milieu complexe. Pour cela, nous étendons l'expression connue en acoustique au cas des ondes électromagnétiques.

Cette thèse présente des résultats basés sur les mesures d'ondes réalisées par le satellite DEMETER. Ce satellite français a été exploité entre les années 2004 et 2010 à l'altitude de ~660 km. Nous nous sommes concentrés sur les mesures des ondes électromagnétiques et de la densité du plasma au voisinage des tremblements de terre imminents .Dans la première partie, nous présentons une étude des variations de la densité du plasma dans le voisinage d'un tremblement de terre très puissant au Chili ( Mω 8.8) qui a eu lieu le 27 Février 2010. Les données enregistrées avant le choc principal le long des orbites proches de l'épicentre ont montré des augmentations de densité du plasma. Dans une deuxième étape, une analyse statistique a été effectuée en utilisant 4 ans de données pour suivre les variations saisonnières de densité. Cette étude montre qu'une augmentation forte de la densité du plasma est très rare dans cette région à l'époque du séisme. Dans la deuxième partie, une étude statistique (~6,5 ans) des variations de l'intensité des ondes TBF est montrée. Nous avons analysé toutes les données mesurées disponibles à proximité (en temps et en distance) de grands séismes (M> ou = 5). Les données relatives à plus de 12000 tremblements de terre ont été comparées avec une distribution de référence non perturbée. Nous confirmons les résultats déjà rapportés de la diminution statistiquement significative de l'intensité des ondes à des fréquences de l'ordre de ~1,7 kHz. Cet effet semble être lié à une diminution de la limite inférieure de l'ionosphére qui affecte les ondes TBF qui se propagent dans le guide Terre-ionosphère.

Les budgets destinés à l'entretien et à la réparation du patrimoine bâti étant très élevés, il est primordial de mettre en place des techniques fiables de suivi et de diagnostic des ouvrages pour réduire ces dépenses. Il existe de nombreuses techniques de contrôle non destructif (CND) employant différentes technologies à des coûts plus ou moins abordables. Elles permettent la détermination des propriétés du matériau renseignant sur l'état de l'ouvrage, et la détection d'inclusions ou de défauts dans le béton. Ces techniques sont connues pour leur rapidité de mise en œuvre et leur grand rendement sur site, mais aussi par leur caractère non intrusif qui permet de limiter le nombre de prélèvements. Cela les rend pertinentes pour la surveillance et l'inspection du patrimoine bâti, puisqu'elles peuvent fournir des informations liées à l'état d'un ouvrage sans l'endommager. Dans un ouvrage en béton armé, la couche d'enrobage des armatures est la plus sujette à de multiples agressions. C'est dans cette couche qu'ont lieu la majorité des réactions chimiques qui causent la dégradation de l'ouvrage, puisqu'avec la présence d'eau cet enrobage est considéré comme la zone de pénétration, de transfert et de fixation des agents agressifs présents dans l'environnement de l'ouvrage, favorisant par exemple la corrosion des armatures. La teneur en eau du béton est considérée comme un facteur très important dans le diagnostic des structures en béton armé, puisqu'elle conditionne le développement de la plupart des pathologies liées à la dégradation des structures affectant ainsi la durabilité du béton. La localisation avec précision des aciers de renforcement est également un élément primordial pour le diagnostic, mais également pour vérifier la conformité des dispositions constructives par rapport aux plans d'exécution. Dans ces travaux de recherche, nous utilisons la technologie radar pour la caractérisation géométrique et physique des éléments en béton armé, cela par le développement d'un algorithme automatique, rapide et sans prérequis. Les objectifs de cette étude sont : de localiser en surface et en profondeur les aciers du premier lit d'armatures, et de déterminer la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le béton d'enrobage pour estimer sa teneur en eau. / Since budgets for the maintenance and repair of built heritage structures are very high, it is essential to implement reliable techniques for monitoring and diagnosis of structures to reduce these costs. There are many non-destructive testing (NDT) methods employing different technologies which are more or less expensive. The NDT methods allow the determination of the properties of the material giving also information about the condition of the structure, and the detection of inclusions or defects in the concrete. These techniques are known for their fast implementation and their high performance in-situ, but also by their non-intrusive nature, which makes it possible to limit the number of samples for destructive assessment. This makes them relevant for the monitoring and inspection of built heritage, since they can provide information related to the condition of a structure without any damage. In a reinforced concrete structure, the concrete cover is the most prone to multiple aggressions. The majority of the chemical reactions which cause the degradation of the structure occur in this layer, since with the presence of water this coating is considered as the penetration, transfer and fixing zone of aggressive agents present in the environment of the structure, thus enhancing for example the corrosion of the reinforcements. The water content of concrete is considered as a very important factor in the diagnosis of reinforced concrete structures, since it conditions the development of most pathologies related to structural degradation, thus affecting the durability of concrete. The precise location of the reinforcement in the construction is also an essential element for the diagnosis, but also to check the conformity of the constructive dispositions with the execution plans. In this research, we use GPR technology for the geometrical and physical characterization of reinforced concrete elements, through the development of an automatic algorithm, fast and without pre-requisites. The objectives of this study are to locate the rebars of the first reinforcing layer in the plane and depth and to determine the propagation velocity of the electromagnetic waves in the coating layer to estimate the water content of concrete.

De nos jours, un large éventail d’applications de défense nécessite des générateurs de puissances pulsées pour produire des rayonnements électromagnétiques de fortes puissances. Dans les systèmes conventionnels, le générateur est composé d’une source d’énergie primaire et d’une antenne, séparé par un système d’amplification de la puissance, généralement un générateur de Marx ou un transformateur Tesla, qui transmet l’énergie vers l’antenne. Le système présenté dans ce mémoire, utilise un concept innovant basée sur un transformateur résonant impulsionnel compact pour alimenter l’antenne. La source développée, appelée MOUNA (acronyme de « Module Oscillant Utilisant une Nouvelle Architecture ») est composé d’une batterie, d’un convertisseur DC/DC permettant de charger quatre condensateurs, de quatre éclateurs à gaz synchronisés, d’un transformateur résonant impulsionnel qui génère des impulsions de 600kV en 265ns, d’un éclateur de mise en forme à huile, et d’une antenne dipôle. / Nowadays, a broad range of modern defense applications requires compact pulsed power generators to produce high-power electromagnetic waves. In a conventional design, such generators consist of a primary energy source and an antenna, separated by a power-amplification system, such as a Marx generator or a Tesla transformer, which forwards the energy from the source to the antenna. The present system, however, uses a novel and very compact high-voltage resonant pulsed transformer to drive a dipole antenna. The complete pulsed power source, termed MOUNA (French acronym for “Module Oscillant Utilisant une Nouvelle Architecture”), is composed of a set of batteries, a dc/dc converter for charging four capacitors, four synchronized spark gap switches, a resonant pulsed transformer that can generate 600 kV in 265 ns pulses, an oil peaking switch and, a dipole antenna.

Dans cette thèse, nous proposons des modifications de conception d’antenne PIFA concernant la téléphonie mobile afin de réduire le taux de pénétration des ondes électromagnétiques dans la tête. Trois antennes ont été considérées: une antenne PIFA à bande unique fonctionnant à 1,8 GHz, une antenne PIFA à bande double fonctionnant à 900 MHz et à 1,8 GHz, et une antenne PIFA tri-bande à 900 MHz, 1800 MHz et 2400 MHz. La densité de courant de surface le long du plan de masse a été réduite en diminuant le rayonnement du champ électrique émis par l’antenne émettrice vers le corps, ce qui a entraîné une réduction de la densité de courant le long de la tête humaine ainsi que du SAR. Cette réduction du SAR a été réalisée en insérant plusieurs traitements de bords tels qu'une forme en U à chaque coin du plan de masse de l'antenne. Nous avons étudié trois types des antennes : la première, lorsque les bords U sont constitués de PEC, nous obtenons une réduction du SAR de 78,6%. La seconde utilise un type de liquide considéré comme absorbant. Avec ce liquide, deux antennes ont été analysées: une PIFA à bande unique fonctionnant à 1,8 GHz et une PIFA à bande double fonctionnant à 900 MHz et à1,8 GHz. Dans ce scénario, le bord en U est constitué d’eau, et nous avons constaté que la valeur maximale du SAR moyen sur 10 g de tissu était réduite à 73,52% pour une PIFA à bande unique, tandis que le pic de SAR a été réduit à 88,78% et 90,31% en cas de double bande. Afin de préserver la hauteur de l'antenne et de la rendre plus réaliste, un autre type d’antenne a été modélisé en insérant des arêtes en forme de U à chaque extrémité du plan de masse. Dans ce cas, la réduction du SAR a été la suivante: 74,5% à 1800 MHz pour une bande unique et environ 64,37%, 79,92% et 54,71% à 900 MHz, 1800 MHz et 2400 MHz pour une antenne tri-bande, et pour une moyenne de masse de tissu égale à 10g. Dans une dernière partie, cette thèse propose une antenne optimisée pour des transmissions de la station de base vers l'utilisateur d’un téléphone mobile, en exploitant la bande GSM-900. L’objectif principal de cette étude est de fournir une intensité de champ constante sur la surface de couverture, afin de minimiser certains effets biologiques considérés comme dangereux pour la santé humaine. / In this thesis, we propose new types of mobile handset PIFA antenna design to reduce the specific absorption rate (SAR) in human head. Three antennas were considered: a single band PIFA operating at 1.8 GHz, a dual band PIFA operating at 900 MHz and 1.8 GHz, and a Triband PIFA operating at 900MHz, GSM 1800MHz, and 2400MHz. Surface current density along the ground plane was decreased by reducing the near electric field radiation coming from the radiating antenna to the human head, which in turns leads to a reduction in current density along human head as well as the SAR. This SAR reduction is accomplished by inserting several edges treatment such as U-shape at each corner of the ground plane of antenna. In this scenario, we studied three types: first one, when U-edges are made of PEC, we get SAR reduction about 78.6%. Second one is a liquid type that is considered as more advanced type. For this type, two antennas are considered: a single band PIFA operating at 1.8 GHz, and a dual band PIFA operating at 900 MHz and 1.8 GHz. In this scenario, two cases were studied: first one when the U-edge is made of water, we noticed that the peak SAR value averaged over 10 g mass tissue was reduced to 73.52% in the case of single band PIFA, whereas the peak SAR was reduced to 88.78% and 90.31% in case of dual band. Second case, when U-edge filled with water, this enhanced structure was presented to overcome the manufacturing limitations of the first case design. Simulation results showed a better performance in terms of reflection coefficient and radiation pattern for both single-band and dual-band antennas. The results of SAR were also similar to the first case structure design for the single-band antenna. However, the SAR was slightly higher for the dual-band antenna, but it still remains very low (1.6 W/Kg at 900 MHz and 0.6 W/Kg at 1800 MHz). After that, for preserving the height of antenna, and making it more realistic to be applied, another type was done by inserting U-edges above each corner of the ground plane. In this case, we get SAR reduction as follows: 74.5% at GSM1800MHz in case of single band, and about 64.37%, 79.92%, and 54.71% at GSM900MHz, GSM1800MHz, and 2400 MHz in case of Tri-band averaged over 10g mass tissue. On the other hand, this thesis presents a modern and unprecedented safety antenna that transmits from the base station to the mobile user being operated at the GSM-900 band. The main objective of this study is to provide a constant field strength or a uniform coverage over a certain surface area, for preventing human health from several hazardous biological effects, and this strongly depends on the studied site (e.g. if it is densely urban, rural, open area, etc.). Our proposed design is synthesized using S.A.R.A (Synthesis of Array of Antenna) software. Besides, Atoll GSM planning tool is used to ensure the signal coverage and power strength for the safety antenna, and CST (Computer Simulation Technology) software for simulating the proposed antenna.