L'objectif de cette thèse est de trouver la forme optimale d'une antenne planaire ou d'un réseau d'antennes planaires à partir de contraintes imposées (diagramme de rayonnement, gain ou directivité) ou de reconstruire la forme à partir de mesures expérimentales. L'algorithme d'optimisation développé est basé sur une méthode de type gradient et la reconstruction des contours par une méthode d'ensembles de niveaux (Level Sets) ou "contours actifs". Le problème direct est résolu en utilisant une formulation intégrale du problème électromagnétique et une méthode d'éléments finis pour la discrétisation. Le gradient de forme est calculé en utilisant deux méthodes différentes. Tout d'abord, une méthode par différences finies basée sur la dérivée à un nœud du maillage, pour une modification infinitésimale des éléments triangulaires du contour, suivant la direction de la normale extérieure. La deuxième méthode est basée sur le gradient topologique pour le calcul de la déformation des contours. Une méthode d'ensembles de niveaux avec bande étroite a été développée pour faire évoluer le contour des antennes utilisant la vitesse de déformation calculée à partir du gradient de forme. Différentes configurations d'antennes et réseaux d'antennes planaires ont été utilisées pour étudier les performances de l'algorithme d'optimisation. Des techniques de type saut de fréquence et multifréquence ont été utilisées pour optimiser la forme dans une bande de fréquence. L'optimisation de forme pour la miniaturisation d'antennes planaires concerne de nombreuses applications, en particulier, pour les réseaux réflecteurs / The objective of this thesis work is to find the optimal shape of planar antenna elements and arrays from imposed constraints (e.g. desired or imposed radiation patterns, gain or directivity) or to reconstruct the shape from experimental measurements. The optimization algorithm is based on the gradient-type method and an active contour reconstruction by means of the Level Set method. The forward problem is solved using an integral formulation of the EM problem with finite element discretization. The shape gradient is computed using two different methods: one is finite differential method based on nodal point mesh derivation with an infinitesimal modification of the triangular elements on the contour along the outward normal direction, another the topological shape gradient, which is computed based on a topological deformation on a contour. A narrow band level set method has been developed to evolve the contour of antennas and arrays using the deformation velocity computed from the shape gradient. Different configurations of antennas and antenna arrays are studied for investigating the performance of the optimization algorithm. Frequency hopping and multi-frequency techniques have been used for optimizing the shape within a frequency band. Shape optimization for planar antenna miniaturization has a large number of applications, particularly, for reflectarrays

Un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output) est un système radar qui utilise plusieurs antennes émettrices et réceptrices, dans lequel les formes d'ondes émises peuvent être indépendantes. Par rapport aux radars utilisant des antennes en réseaux phasés, les radars MIMO offrent davantage de degrés de liberté, ce qui permet d'améliorer les performances du système en termes de détection et localisation. La technique MIMO offre également la possibilité de synthétiser un diagramme de rayonnement désiré par une définition judicieuse des formes d'ondes émises. Dans la mesure où les paramètres des cibles (positions, vitesses, directions d'arrivée (DOA), ...) sont estimés à partir des échos des signaux émis, on comprend aisément que les formes d'ondes employées jouent un rôle clé dans les performances du système. Cette thèse porte sur l'estimation de DOA et sur la conception des formes d'ondes pour un radar MIMO. Le cadre d'étude est restreint au cas où les antennes sont colocalisées et les cibles sont immobiles et supposées ponctuelles. La plupart des travaux antérieurs (au commencement de la thèse) portaient sur le radar MIMO bande étroite et faisaient l'hypothèse d'émetteurs-récepteurs idéaux et indépendants. Cette thèse contribue à élargir le cadre d'étude en s'intéressant d'une part au passage en large bande et d'autre part à la modélisation et à la prise en compte de la non-indépendance des émetteurs-récepteurs et autres imperfections. Dans la mesure où le recours à des signaux large bande est nécessaire lorsqu'une résolution importante est souhaitée, nous nous sommes attachés dans cette thèse à adapter le modèle d'un système de radar MIMO au cas large bande et à proposer de nouvelles techniques visant à améliorer les performances d'estimation de DOA dans le cas de signaux large bande. Cette thèse analyse également l'influence de conditions non idéales comme l'impact des phénomènes de couplage électromagnétique sur les diagrammes de rayonnement dans un réseau d'antennes. Cette étude est menée dans le cas bande étroite. En particulier, nous étudions l'influence du couplage direct entre les réseaux d'antennes d'émission et de réception (appelé « crosstalk ») sur les performances des techniques proposées. Nous établissons un modèle du signal permettant de prendre en compte ce phénomène et proposons une technique de réduction du « crosstalk » qui permet une estimation efficace des DOA des cibles. Nous montrons par ailleurs comment améliorer les performances d'estimation de DOA en présence de diagrammes de rayonnement incluant le couplage entre antennes. Le dernier apport principal de cette thèse est la conception et réalisation d'une plateforme expérimentale comportant une seule architecture d'émetteur-récepteur, qui permet de simuler un système MIMO utilisant des antennes colocalisées en appliquant le principe de superposition. Cette plateforme nous a permis d'évaluer les performances des techniques proposées dans des conditions plus réalistes / A Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar is a system employing multiple transmitters and receivers in which the waveforms to be transmitted can be totally independent. Compared to standard phased-array radar systems, MIMO radars offer more degrees of freedom which leads to improved angular resolution and parameter identifiability, and provides more flexibility for transmit beampattern design. The main issues of interest in the context of MIMO radar are the estimation of several target parameters (which include range, Doppler, and Direction-of-Arrival (DOA), among others). Since the information on the targets is obtained from the echoes of the transmitted signals, it is straightforward that the design of the waveforms plays an important role in the system accuracy. This document addresses the investigation of DOA estimation of non-moving targets and waveform design techniques for MIMO radar with colocated antennas. Although narrowband MIMO radars have been deeply studied in the literature, the existing DOA estimation techniques have been usually proposed and analyzed from a theoretical point of view, often assuming ideal conditions. This thesis analyzes existing signal processing algorithms and proposes new ones in order to improve the DOA estimation performance in the case of narrowband and wideband signals. The proposed techniques are studied under ideal and non-ideal conditions considering punctual targets. Additionally, we study the influence of mutual coupling on the performance of the proposed techniques and we establish a more realistic signal model which takes this phenomenon into account. We then show how to improve the DOA estimation performance in the presence of distorted radiation patterns and we propose a crosstalk reduction technique, which makes possible an efficient estimation of the target DOAs. Finally, we present an experimental platform for MIMO radar with colocated antennas which has been developed in order to evaluate the performance of the proposed techniques under more realistic conditions. The proposed platform, which employs only one transmitter and one receiver architectures, relies on the superposition principle to simulate a real MIMO system

Depuis l'apparition des premiers réseaux radiomobiles cellulaires analogiques au d´ebut des années 70, nous avons assisté à une explosion de la demande en systèmes de communication sans fil. Les services concernés par les télécommunications sans fil se sont depuis étendus à la transmission de données et aux applications multimédia. Devant la nécessité d'avoir des débits élevés tout en garantissant une certaine qualit´e de service, les techniques MIMO (Multiple Input - Multiple Output) apparaissent comme très prometteuses. En utilisant plusieurs antennes simultanément en émission et en réception, ces systèmes exploitent la dimension spatiale pour la transmission de l'information. Ainsi la mise en oeuvre de ces techniques permet d'aboutir à une amélioration substantielle des débits et/ou des performances des liaisons numériques. Comme dans toutes les études systèmes, une analyse approfondie du canal de transmission et des mécanismes de propagation associés s'avère indispensable. Si dans un contexte classique, la caractérisation et la modélisation du canal peuvent se limiter au domaine temporel, il est n´ecessaire pour les systèmes MIMO de considérer la dimension spatiale au même niveau que la dimension temporelle. Une modélisation précise et réaliste du canal dans le domaine spatial est d'autant plus importante dans un contexte MIMO, puisque le gain par rapport à un système classique en terme de débit et/ou de performance est largement tributaire des propriétés spatiales du canal. C'est dans ce contexte que s'inscrit le travail présenté dans ce document. Cette thèse a pour objectif la conception d'un système de mesure performant permettant d'approfondir la connaissance du canal de propagation MIMO pour la bande UMTS.

Avec l'ouverture de la bande 57-66 GHz en Europe, de nouvelles technologies de communication sans fil à haut débit sont en cours de développement. De nombreux avantages liés à cette bande de fréquence ont notamment conduit à envisager la transposition du principe de l'identification par radiofréquence (RFID) en bande millimétrique : la MMID. Les réglementations internationales font notamment apparaître une bande passante commune de 5 GHz qui permettrait la mise en place de solutions universelles. De plus la sécurisation des communications point-à-point et la directivité des réseaux d'antennes offrent des perspectives intéressantes.Les travaux présentés dans cette thèse visent à contribuer au développement de la MMID. Ils soulignent les principaux verrous de cette technologie et présentent les différentes solutions proposées qui couvrent de multiples aspects : conception d'antennes et de réseaux d'antennes, conception de prototypes de tags MMID passifs, caractérisation et méthodologie de mesure dont la conception intégrale d'un banc de mesure en bande V, amélioration des performances des tags, et étude de fonctionnalités de capteur intégrées aux tags. Les différents prototypes de tags MMID fabriqués ont permis de réaliser des communications passives de type rétro-modulation jusqu'à 20 cm. De plus, des fonctions de capteur d'humidité et capteur de pression intégrées aux tags MMID ont été montrées expérimentalement. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour les domaines des télécommunications et des réseaux de capteurs en bande millimétrique. / With the opening of the 57-66 GHz band in Europe, new high data-rate wireless communication technologies are currently under development. Numerous advantages linked to the frequency band conducted to consider the transposition of the radiofrequency identificaion (RFID) principle to the millimeter frequency band: the MMID. The international regulations provide a common bandwidth of 5 GHz allowing universal solutions. Moreover, the communication security of point-to-point networks and the directivities of the antennas present interesting perspectives.The presented work in this thesis looks for contributing to the development of MMID. The work underlines the principal locks of this technology and it presents the different proposed solutions covering multiple aspects: conception of antennas and antennas arrays, conception of MMID tags prototypes, characterization and measurement methodology including the complete conception of a measurement bench in V-band, improvement of the tags performances and study of sensing functionalities integrated in the tags. Different prototypes of MMID tags are fabricated and passive communications based on the backscattering of the tags were demonstrated up to 20 cm. In addition, humidity and pressure sensing functionalities were proved by experimentations. The overall of these results pave the way for new perspectives for the wireless communication domain and sensors networks in the millimeter-wave band.