Les progrès technologiques réalisés dans le domaine de l'intégration de fonctions sur des surfaces de plus en plus petites a permis le développement de l'informatique diffuse, c'est-à-dire, intégrée dans notre espace et mise en œuvre par des objets du quotidien ou des structures spécifiques. Nous nous intéressons dans ce travail à ces structures couramment appelées " capteurs sans fil " car leur fonction est de capter des informations dans leur environnement et de les transmettre ensuite. Ces structures autonomes sont constituées d'un capteur, d'une partie numérique pour le traitement des données et la gestion de la structure, d'un système de communication et d'une alimentation. Afin d'être discrète, cette structure doit être de petite taille. Dans ce but, il est nécessaire que toutes ses composantes soient intégrées ensemble. L'antenne de la partie communicante est aujourd'hui un frein à cette intégration car les fréquences utilisées font qu'elle a des dimensions très supérieures à celles du reste de la structure et, même intégrée, ses propriétés vont être perturbées par le packaging de la structure. Autre point, ces antennes sont souvent omnidirectionnelles, ce qui, en termes d'économies d'énergie, cruciales dans ce domaine, n'est pas une solution optimale. Dans ce contexte, la première partie de ce rapport présente les applications envisagées et envisageables pour les réseaux de capteurs sans fil. Un historique puis un état de l'art sont ensuite proposés pour identifier les différentes stratégies mises en œuvre dans la conception de plates-formes ainsi que les acteurs académiques et industriels. Une synthèse vient justifier l'orientation à prendre dans le cadre de ce travail et clôt cette partie. La deuxième partie traite de la façon d'appliquer des réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. L'idée étant d'utiliser les nœuds du réseau comme éléments du réseau d'antenne, créant ainsi un réseau où les éléments ne sont pas liés physiquement. Cette perspective est étudiée par le biais de deux scénarios caractéristiques des applications des capteurs sans fil. Dans chacun son application est testée et des solutions sont proposées et détaillées grâce à l'outil de calcul Matlab. Une partie finale discute des limitations pour utiliser les réseaux d'antennes dans les réseaux de capteurs sans fil. La dernière partie aborde la conception d'antennes spécifiques aux capteurs sans fil pour des applications en extérieur. Un concept d'antenne-package est présenté et développé sur différentes architectures d'antennes qui ont, de ce fait, des formes en volume. Des structures cubiques et sphériques sont proposées, conçues et simulées. L'attention se porte sur leur diagramme de rayonnement, leur robustesse et leur faculté à pouvoir garder leurs propriétés même placées dans un environnement et avec des composants placés à l'intérieur. Deux structures, une cubique et une demi-boule, présentent des profils intéressants, la deuxième étant un réseau d'antennes à elle-seule. Agile, elle permet de balayer tout le demi-espace supérieur qui l'entoure avec une bonne efficacité. Enfin, une partie conclusive montre la contribution apportée et propose des perspectives de travail en lien avec les antennes et plus généralement avec la partie communicante et l'architecture des nœuds.

Une des problématiques qui est souvent associée aux réseaux large bande est l’apparition des lobes de réseaux, liée à la périodicité de l’espacement entre les éléments du réseau. Un autre problème dans les réseaux large bande est la fréquence de fonctionnement de l’élément du réseau. La plus basse fréquence d’opération est généralement liée à la taille de l’élément. Dans cette thèse un réseau d’anneaux concentriques a été développé. Les connections entre les spirales de polarisation opposée diminuent le coefficient de réflexion dans les fréquences basses. La topologie des anneaux concentriques a été optimisée avec des Algorithmes Génétiques pour minimiser le niveau des lobes secondaires relatifs dans les hautes fréquences. L’addition d’une contrainte de taille dans la procédure d’optimisation a assuré que le réseau soit compact. Le réseau optimisé opère entre 1 et 6.9 GHz. Le design a été d’avantage développé avec la technique WAVES avec l’inclusion d’une copie réduite en son centre, ce qu’a permis l’extension de la bande passante jusque 13 GHz. De plus, nous avons proposé un nouveau design pour le réseau de spirales connectés qui consiste en des antennes spirales disposées dans un réseau uniforme avec les bras connectés aux bras des antennes voisines. Les simulations indiquent que le réseau peut avoir une bande passante arbitrairement large selon la finitude du réseau. Un prototype a été construit et mesuré pour valider le concept. / One of the usual problems associated with wideband arrays is having the highest frequency of operation limited by the appearance of grating lobes, associated with the periodicity in the spacing between elements of the array. Another issue is the working frequency of the element of the array. The lowest frequency of operation is in general related to the size of the element. In this thesis a Concentric Ring Array of Connecting Spirals has been developed. The connections between spirals of opposite polarizations reduces the reflection coefficient at lower frequencies. The concentric rings topology had the radius and relative rotations of each ring optimized using Genetic Algorithms to minimize the RSLL at higher frequencies. The addition of a size constraint in the optimization procedure kept the array compact. The optimized array operates from 1 to 6.9 GHz. The design was then updated using the WAVES technique to include a scaled down copy in its center, extending the bandwidth of the array up to 13 GHz. Moreover, we proposed a new design for the array of connected spirals which consists of arranging spirals in a uniform array and connecting the arms of the neighboring spirals. Simulations indicate that the design can have an arbitrarily large bandwidth depending on the finiteness of the array. A prototype has been built and measured to validate the concept.

Les moyens de communications actuels des bâtiments de surface ne permettent pas d'entretenir des liaisons point-à-point avec des débits supérieurs à 10 Mbits/s et sur de longues portées (>10 MN). Or, un tel besoin est rencontré dans le cadre d'un projet de transmission vidéo en temps réel depuis une embarcation légère vers son navire support. De plus, ce nouveau besoin doit être analysé en considérant les contraintes inhérentes au milieu marin, à l'intégration des systèmes aux plateformes et à la lumière des nouvelles technologies. Dans une première partie, une analyse des caractéristiques qui distinguent une liaison vidéo en temps réel d'une liaison à haut débit classique est proposée. Ensuite, différents modèles de propagation sont mis en oeuvre pour déterminer les propriétés du canal radio en milieu marin. Cette analyse est complétée par une étude qualitative des phénomènes induits par la dégradation de l'état de mer. La troisième partie débute par une étude du canal de transmission à longue portée qui démontre la nécessité d'utiliser des antennes directives. Le développement d'un modèle de canal intégrant l'attitude des plateformes et les données de rayonnement des antennes est donc détaillé. Enfin, la recherche de structures rayonnantes directives adaptées aux plateformes est abordée dans la dernière partie. La solution proposée pour l'embarcation légère est développée par la suite. Basée sur un réseau circulaire fonctionnant en bande S, son architecture permet d'obtenir un gain maximal supérieur à 10 dBi tout en facilitant son intégration à bord.

La radio astronomie étudie les sources cosmiques au travers de leur rayonnement dans le domaine radio. Les astronomes, utilisateurs passifs du spectre électromagnétique, ont à faire face à une pollution radio de plus en plus importante. Cette thèse s'intéresse particulièrement aux interférences radio d'origine humaine (RFI), et comment les observations radio astronomiques peuvent être réalisées en bandes de fréquences non-protégées. Les approches classiques consistent à contrôler les paramètres statistiques d'une observation. Une fois détectées, les données polluées sont retirées avant post-traitement. En plus d'autres avantages techniques par rapport aux radiotélescopes paraboliques classiques, les réseaux d'antennes offrent une information spatiale lors d'une observation astronomique. La diversité spatiale entre source cosmique d'intérêt (SCOI) et RFI peut être exploitée pour développer des traitements spatiaux d'interférences. Après la formulation d'un module de données multidimensionnel, une technique de soustraction de sous espace RFI est introduite. Cette technique consiste à soustraire la contribution des RFI aux données d'une observation. La projection orthogonale a déjà été considérée auparavant. Cependant, l'orthogonalité requise entre CSOI et RFI pour retrouver une source d'intérêt non biaisée ne peut vraisemblablement pas être satisfaite. Une approche basée sur une projection oblique est introduite afin de pallier à cette condition. Les techniques de projections sont comparées aux techniques classiques de beamforming en termes de réjection de l'interférence et de récupération de la source d'intérêt. Le sous-espace RFI est inconnu de manière générale et se doit d'être estimé. Plusieurs techniques permettant cette estimation, basées sur des propriétés statistiques des RFI et sources cosmiques, sont également présentées et comparées. Les différentes techniques ont été appliquées à des données astronomiques délivrées par le radio télescope Européen LOFAR. Enfin, une implémentation d'un algorithme de traitement spatial d'interférences sur le démonstrateur EMBRACE est présenté.

Ce travail porte sur la conception de réseaux large bande à double polarisation basées sur des antennes spirales d'Archimède. Ces antennes sont connues pour avoir une bande passante très large. Mais, dans un réseau, la bande passante est diminuée du fait de l'apparition de lobes de réseaux. Pour que le réseau fonctionne à double polarisation, il est nécessaire d'utiliser des éléments de polarisations opposées, ce qui accroit encore la distance entre les éléments possédant la même polarisation. Ceci fait ainsi apparaître les lobes de réseaux à des fréquences inférieures par rapport au cas à mono polarisation. Dans ce travail, une méthode analytique a été développée pour estimer la bande passante des réseaux d'antennes spirales. Cette méthode a montré que la bande passante maximale d'un réseau à distribution spatiale uniforme est d'environ une octave pour le cas à mono polarisation et inexistant pour le cas à double polarisation. Pendant la validation de la méthode d'estimation quelques résonances ont été observées. Des explications de ce phénomène sont présentées, ainsi que des possibles solutions. Pour élargir la bande passante du réseau, nous montrons qu'il est possible d'utiliser en même temps les deux tendances actuelles de conception de réseaux d'antennes large bande. En utilisant deux techniques issues de ces deux tendances, nous avons pu réaliser un réseau présentant une bande passante de 6:1. Des perspectives sont aussi présentées. / This work focuses on the design of wideband dual polarized arrays using spiral antennas. These antennas are known for having wideband properties. But, due to the presence of the grating lobes, the bandwidth is decreased when using an array instead of a single antenna. In order to obtain a dual polarized array, it is needed to use elements of opposite polarization, which creates great distances between same polarization elements, meaning an earlier presence of the grating lobes. In this work, an analytic method was developed to estimate the bandwidth of the spiral arrays. This method showed that the maximum bandwidth of uniform spiral arrays is about an octave, for the mono-polarized case, and nonexistent for the dual polarized case. Working on the validation of the method, some resonances were observed. Explanations are presented, as well as possible solutions. Trying to expand the bandwidth of the array, it was found that it is possible and suitable to use at the same time the two current design paradigms for wideband arrays. Using this idea, a 6:1 bandwidth concentric rings array using connected spirals was achieved. Perspectives are also presented.

Hier encore confinés au monde professionnel, les réseaux locaux sans fil, propulsés par les avancées de l'électronique et du traitement du signal, se démocratisent à grands pas. Plus flexibles, moins chers que les solutions filaires, leurs perspectives de développement restent cependant lourdement conditionnées par leur aptitude à supporter des débits suffisants pour les applications multimédia. Dans cette course vers les hauts débits, des chercheurs des laboratoires Bell ont donné une impulsion décisive lorsque, en 1996, ils ont mis en évidence la possibilité d'accroître substantiellement les débits de transmission par l'emploi simultané de réseaux d'antennes en émission et en réception. Le paradigme des systèmes de communication à entrées multiples et à sorties multiples MIMO (Multiple Input-Multiple Output) était né. <br /><br />Rares sont les standards existants compatibles avec le transport de services multimédia hauts d´ebits. La norme HIPERLAN2, affichant des taux de transferts bruts jusqu'à 54 Mbit/s dans la gamme de fréquences de 5 GHz, en fait partie. Se pose alors naturellement la question d'évaluer dans quelle mesure une extension MIMO permettrait d'augmenter ces débits. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre d'une contrat CIFRE entre THOMSON multimédia et le Laboratoire Composants et Systèmes pour Télécommunications LCST) de l'INSA de Rennes, est d'apporter quelques éléments de réponse à ce problème.

This work focuses on the design of wideband dual polarized arrays using spiral antennas. These antennas are known for having wideband properties. But, due to the presence of the grating lobes, the bandwidth is decreased when using an array instead of a single antenna. In order to obtain a dual polarized array, it is needed to use elements of opposite polarization, which creates great distances between same polarization elements, meaning an earlier presence of the grating lobes. In this work, an analytic method was developed to estimate the bandwidth of the spiral arrays. This method showed that the maximum bandwidth of uniform spiral arrays is about an octave, for the mono-polarized case, and nonexistent for the dual polarized case. Working on the validation of the method, some resonances were observed. Explanations are presented, as well as possible solutions. Trying to expand the bandwidth of the array, it was found that it is possible and suitable to use at the same time the two current design paradigms for wideband arrays. Using this idea, a 6:1 bandwidth concentric rings array using connected spirals was achieved. Perspectives are also presented.

L'utilisation des microondes pour le diagnostic est en plein essor dans le domaine médical. Une des toutes dernières applications concerne la détection d'AVC (Accident vasculaire Cérébral) par imagerie microonde. La Société EMTensor GmbH basée à Vienne en Autriche étudie actuellement un tel système en collaboration avec le LEAT, le LJAD de l’Université Côte d’Azur et le LJLL de Sorbonne Université, pour le diagnostic et le contrôle de l'efficacité de traitement. Le but de ce travail était de modéliser le système de mesure de l'imagerie du cerveau, développé par la société EMTensor GmbH. Il s'agit d'un système d'émission/réception composé de 160 antennes disposées en 5 couronnes de 32 antennes réparties sur une cuve métallique cylindrique de section circulaire semi-ouverte. Un des enjeux majeurs de ce travail consiste en la modélisation et la simulation électromagnétique (EM) du système complet incluant un modèle réaliste de cerveau. La difficulté réside à la fois dans la taille du problème EM à simuler en raison du rapport entre la taille considérable du système et la taille très faible de certaines inhomogénéités à l’intérieur du cerveau, et dans la grande hétérogénéité des permittivités diélectriques présentes à l’intérieur du cerveau. Nous avons décidé d’utiliser un code open source, FreeFem++ pour cette modélisation car il permet de déployer du calcul hautement parallèle et la décomposition de domaines, qui sont bien adaptés à la complexité du problème EM. Dans un premier temps, nous avons comparé les résultats de simulation du système de mesure à vide (sans le cerveau) aux mesures et aux résultats obtenus par le logiciel de simulation EM HFSS basé sur la FEM comme FreeFem++. Nous avons ensuite simulé un modèle de tête tridimensionnel virtuel, à partir de coupe d’image du cerveau (scanner et IRM), en partenariat avec EMTensor en recherchant la position et le type d'AVC (ischémique et hémorragique). L'influence du bruit de mesure, la valeur du gel d'adaptation utilisé, le couplage entre les capteurs et le couplage entre la tête et les capteurs sont également étudiés. Afin de valider ces modèles, deux cas simples ont été étudiés. Un grand tube et un petit tube en plastique sont remplis de liquide d'adaptation symbolisant les caractéristiques diélectriques d'un cerveau afin de retrouver la forme du tube utilisé. Nous avons montré qu’il est possible de développer des algorithmes de reconstruction pour montrer permettant de retrouver la forme des objets par imagerie qualitative. Enfin, avec les partenaires et l'entreprise d'EMTensor nous avons appliqué une méthode quantitative à la détection d’un AVC ischémique par la tomographie microonde. Le problème direct repose sur l’utilisation de FreeFem++, en utilisant des éléments d'ordre supérieur et des préconditionneurs parallèles pour la méthode de décomposition de domaine. Nous avons résolu le problème inverse par un algorithme de minimisation, afin de reconstruire des images tomographiques du cerveau dans des temps compatibles avec les impératifs médicaux définis par les cliniciens. / The use of microwaves for diagnosis is booming in the medical field. One of the latest applications is the detection of strokes by microwave imaging. The company EMTensor GmbH based in Vienna, Austria is currently studying such a system in collaboration with LEAT, the LJAD of the Côte d’Azur University and the LJLL of Sarbonne University, for the diagnosis and control of the treatement efficiency. The purpose of this work is to model the brain imaging measurement system developed by EMTensor GmbH. It is a transmission/ reception system consisting of 160 antennas arranged in 5 rings of 32 antennas distributed on a cylinder metal tank of semi-open circular section. One of the major issues of this work is the modeling and electromagnetic simulation (EM) of the complete system including a realistic brain model. The difficulty lies both in the size of the EM problem to be simulated beacause of the relationship between the considerable size of the system and the the very small size of certain inhomogeneities within the brain, and the great heterogeneity of the dielectric permittivities present inside the brain. We decided to use an open source software, FreeFem++ for this modelling because it is well adapted to high performance computing through domain decomposition methods, which is mandatory for the complexity of the EM problem. First, we compared the simulation results of the vacuum matching measurement system (without the brain) to the measurements and the results obtained by the FEM-based EM HFSS simulation software to those obtained by FreeFem++. We then simulated a virtual threedimensional head model, from brain imaging system cuts (CT scan and MRI), in partnership with EMTensor, looking for the position and type of stroke (ischemic and hemorragic). The influence of the measurement noise, the value of the adaptation gel used, the coupling between the sensors and the coupling between the head and the sensors are also studied. In order to validate these models, two simple cases have been studied. A large tube and a small plastic tube are fielld with adaptation liquid with the dielectric characteristic of a brain to find the shape of the tubes used by qualitative imaging. Finally, with the MEDIMAX project partners and the EMTensor company we applied a quantitative method to the detection of ischemic stroke by the microwave tomography. The direct problem has been solved with the help of FreeFem++, using hight order elements and parallel preconditioners for the domain decomposition method. We solved the inverse problem by a minimization algorithm, in order to reconstruct tomographic images of the brain in times compatible with medical imperatives defined by clinicians.”

Nous présentons dans cette thèse la définition, la réalisation et les tests d'un radar V.H.F. multifréquence et multipolarisation, travaillant dans une gamme allant de 20 à 100 MHz. <br />Ce système dénommé M.O.S.A.R. (Maquette Orientée pour un Système d'Analyse de Résonances) a pour objectif la mesure des sections efficaces radars d'avions dans cette gamme de fréquence, afin de fournir l'ensemble des connaissances qui permettront de concevoir un futur radar opérationnel, destiné à la détection et à l'identification des cibles aériennes.<br />Dans un premier temps, nous définissons les caractéristiques principales du système, telles que la largeur de l'impulsion émise, la période de récurrence, le nombre de fréquences utilisées, ... . Ensuite, nous construisons un radar à impulsions, monostatique, cohérent, commandé par ordinateur, capable de mesurer et d'enregistrer les signaux rétrodiffusés par des avions. Ce système emploie deux réseaux d'antennes différents pour l'émission et la réception, chacun de ces réseaux utilisant respectivement quatre antennes log-périodiques dipolaires. Les informations relatives aux cibles (amplitude, phase et fréquence Doppler) sont ensuite extraites par une analyse spectrale non linéaire haute résolution.<br />Nous évaluons les performances du radar et précisons les limites du système. Enfin, des résultats expérimentaux sont présentés et confirment les choix dans la définition et la réalisation du radar.

L'essor des communications par satellites et des nouvelles technologies de l'information et de la communication conduisent à une demande croissante de la part des utilisateurs. Ainsi, afin de répondre à ces nouveaux besoins, des services proposant de la connectivité en vol pour les passagers des compagnies aériennes voient le jour. Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur la réalisation de modèles numériques rigoureux de grands réseaux d'antennes destinés à couvrir ce champ applicatif. Après une mise en contexte et un rappel des contraintes liées aux réseaux d'antennes, des véhicules de test numériques et expérimentaux, permettant de valider les méthodologies de modélisation, sont réalisés. La modélisation d'un grand panneau rayonnant à bipolarisation circulaire et acceptant d'importants angles de dépointage est enfin abordée. Cette étude permet alors de statuer sur les performances du panneau, en fonction des consignes de pointage et des dispersions éventuelles des chaînes actives. / The rapid expansion of satellite communications and information and communications technology led to an increasing demand from end-users. Hence, services offering In-Flight Connectivity for airlines passengers are emerging. This work is focused on the implementation of accurate numerical models of large antenna arrays meant for this scope. After having put things into context and recalled issues linked to antenna arrays, numerical and experimental test vehicles are made, allowing to validate the modelling methodologies. Finally, the modelling of a large, dual circular polarization and wide-angle scanning radiating panel is addressed. This study then allows to estimate the performance of the panel function of steering requirements and possible dispersions from the active channels.