Dans le cadre des communications numériques sans fil, la vitesse d'échange de données (débit) reste toujours une des caractéristiques qui limite la performance du système. Une diminution des temps d¿échange est donc nécessaire pour l'amélioration de la performance et l'introduction des nouvelles applications. Des applications comme " Wireless HD " rendent possible la transmission sans fil de vidéo non-compressée " à haute définition (débit = 4 Gbps) " Kiosk Downloading " permettrait l'échange de données à haut débit (1-2 Gbps) sur une courte portée (1 -2 mts). Pour atteindre ce débit, la bande autour de 60 GHz est donc visée pour profiter de ses 7 GHz de bande passante disponibles. Dans le cadre du projet PANAMA, un intérêt spécial est aussi donné à l'efficacité du système transmetteur (Amplificateur de Puissance et Antenne) et ce sera donc un autre axe de notre recherche : l'étude des stratégies pour l'amélioration du rendement énergétique global. On se concentrera surtout sur la connexion PA ' Antenne qui donnera lieu aux stratégies de co-intégration et de co-conception. Plusieurs problématiques doivent être confrontées : la co-simulation (actif et passif) ainsi que la mesure des antennes dans cette bande millimétrique. Cette haute fréquence introduit des limitations, notamment sur les performances de l'antenne. Ainsi le but de cette thèse est de proposer des solutions d'antennes qui remplissent les besoins de l'application (solutions basée sur le résonateur diélectrique). La solution complète des systèmes intégrés doit comprendre également des solutions encapsulées ( "packaged " ), sujet aussi abordé dans ce travail.

L'objectif de cette étude est de montrer la faisabilité d'un nouveau capteur de gaz a transduction RF, passif et sans fil. Ce nouveau capteur est composé de deux lignes coplanaires sur membrane et d'un résonateur diélectrique (RD). L'association de ces deux éléments permet de réaliser un filtre que nous excitons par une onde électromagnétique hyperfréquence en modes de galerie. Grâce à l'effet de " Relaxation Diélectrique ", nous pouvons détecter une variation de l'ambiance gazeuse par un décalage d'une fréquence de résonance du filtre. Les résultats de simulations électromagnétiques ont montré que la détermination de la fréquence de résonance d'un des modes de galerie permettait de détecter facilement la présence de gaz avec une grande sensibilité. Le développement de ce circuit simulé a été réalisé en deux étapes : la fabrication des lignes coplanaires sur membrane et l'élaboration du résonateur diélectrique à base d'un matériau sensible aux gaz. La réalisation d'un RD en TiO2 a été abordée en collaboration avec le CIRIMAT en utilisant la technique SPS (une voie prometteuse mais non encore maitrisée pour nos structures). Compte tenu des difficultés rencontrées, nous avons validé le concept du capteur en utilisant un résonateur en céramique (BaSmTiOxide) réalisé par Temex-Ceramics. L'assemblage des deux parties du capteur a permis d'obtenir les premiers dispositifs et de les caractériser sous différentes ambiances. Les résultats obtenus coïncident bien avec ceux de simulation ce qui valide le principe et la conception de ce nouveau capteur. Enfin, une dernière partie de l'étude est focalisée sur la communication sans fil de ce capteur passif à l'aide d'un RADAR FMCW.

Les télécommunications sont devenus indispensables dans notre monde actuel. De plus, le volume des données échangées ne cesse de croître. En effet, nous pouvons transmettre nos photos, nos vidéos au monde entier. Nonobstant, nous ne voulons pas attendre pour les avoir, ce qui exige un débit de données très important et par conséquent des signaux avec des bandes passantes plus larges. Les satellites de télécommunications doivent donc s’adapter, c'est pourquoi nous proposons dans ces travaux la recherche de filtre à large bande avec une recherche de compacité et de faibles pertes. Nous nous sommes intéressés à l'utilisation de matériaux céramiques qui permettent d'obtenir de bonnes performances vis à vis de nos besoins. Notre travail est aussi rendu possible par le développement de procédés de fabrication additifs, comme par exemple la stéréolithographie, qui va nous permettre de nous affranchir fortement de règles de dessin contraignantes que nous pourrions avoir en utilisant des procédés classiques. Nous avons développé des filtres avec de larges bandes passantes autour de 4GHz. Une première étude nous a permis de rechercher des concepts qui permettent d'obtenir de forts couplages, conditions sine qua non pour réaliser ces filtres. Plusieurs concepts sont présentés ainsi que leur fabrication et leur mesures. Nous avons ainsi démontré expérimentalement que les concepts proposés, à base de pièces monoblocs céramiques, sont capables de produire des filtres à bandes passantes supérieures à 60 % (voire même 110 % pour une version améliorée). / Every day, the data exchanges increase thanks to the new technologies. We can keep our files, our pictures, our videos online to have an access anywhere on the planet (for now). In this way, the data output of the telecommunication systems has to be increased in order to satisfy the more and more demanding users. One way to allow this is to increase the bandwidths of the different signals, making possible to transmit more data at the same time. In this work, we will develop wide bandpass filters dedicated to space telecommunications. For that purpose, we need them to be compact, with low insertion loss and a limited number of parts to assemble. Consequently, we are interested to use resonators made with ceramic materials that permits to reach such properties. Moreover, these materials are compatible with stereolithography, an additive manufacturing process. Such technology is here very useful for our purpose since its design freedom allows the creation of almost all kind of geometries. To realize such wide bandpass filters, we need strong couplings between the different resonators and also for the accesses, so we will present our studies focused on reaching these specific objectives. Then, we will present different designs of wide bandpass filter around 4GHz. After different generation of ceramic based components, we are be able to experimentally create a 60% bandwidth (even 100% for our last version) very compact bandpass filter filling the objectives of this PhD thesis.

Le développement rapide de l’industrie des systèmes sans fil suscite une demande urgente pour des communications à haut débit, notamment en environnement « indoor ». Toutefois, les protocoles traditionnels de communications sont incapables de supporter de très hauts débits et, surtout, il n'y a pas de ressources spectrales disponibles à basse fréquence. Comme une alternative, la bande des 60GHz est préconisée parce qu’elle permet un débit de plus de 5Gbit/s, grâce à son large spectre (57GHz à 64 GHz). Toutefois, en pratique, l’environnement « indoor » est complexe et, dans les situations d’absence de visibilité directe, la couverture radio est difficile à assurer à cause des fortes atténuations. Afin de remédier à ce problème, l’utilisation de répéteurs est possible. Dans cette thèse, l’intérêt est porté sur les répéteurs passifs, plus simples à installer et compatibles avec une réalisation faible coût. Le cas critique de la couverture radio d’un couloir en T est choisi comme fil conducteur, tout au long de cette étude. Les solutions préconisées visent aussi la compacité, ce qui justifie l’utilisation de réflecteurs plans. A partir de la théorie des réseaux d’antennes, une structure périodique générique pour le répéteur est proposée. Elle implique deux cellules réfléchissantes élémentaires (espacées de /2), produisant des ondes en opposition de phase. Plusieurs topologies et technologies sont ensuite envisagées et étudiées pour la mise en oeuvre. La première utilise des antennes à résonateur diélectrique (DRA). Deux topologies différentes sont étudiées et comparées, le DRA à encoche et le DRA couplé à une ligne déphaseuse en circuit ouvert. Différentes stratégies de modélisation sont également étudiées en utilisant une cellule unique, un couple de 2 cellules avec phases opposées ou un petit réseau. Pour chaque topologie, un réseau canonique de 6×6 éléments est simulé. La deuxième technologie étudiée utilise des guides d’ondes rectangulaires chargés par un matériau diélectrique et courtcircuités. Des analyses paramétriques sont effectuées et un 6 ×6 réseau est conçu et optimisé pour valider la faisabilité de la solution. Finalement, une structure en guide à plaques métalliques parallèles est analysée. Dérivant de la solution précédente, elle permet une fabrication plus simple. Pour cette dernière solution, une analyse plus complète est menée incluant des considérations sur la bande passante, les performances en incidence oblique et la direction de rayonnement maximal. Enfin, un réseau à base de cet élément rainuré est fabriquée présentant une taille de 200 mm×200 mm. Des mesures expérimentales à 60GHz sont réalisées pour tester les performances du réseau. La preuve de concept est ainsi donnée et les résultats expérimentaux sont analysés. / The fast development of information and consumer electronics industries creates a pressing demand for high-speed indoor communications. Traditional communication protocols are unable to support such high transmission rate, and there are no radio bands available at lower frequency. As an alternative, 60GHz communications have sparked great attention, since it enables a maximum data transmission rate more than 5Gbit/s based on its wide unlicensed bandwidth. However, practical indoor environment is usually complicated (e.g. walls, corridors, stairs, etc.), thus the non-line-of-sight (NLOS) areas cannot be covered due to the significant attenuation. Considering the requirements for signal recovery in the NLOS environment, a planar passive repeater with endfire radiation and high directivity, low profile and low cost is investigated and designed in this thesis. Based on array theory, a periodic structure for the foreseen printed repeater is derived out. It involves two reflector elements (in the spacing of 2) to provide 0° and 180°reflection phases respectively. In order to construct a proper reflector element, four topologies are proposed and analyzed. In the first part of the study, DRA (Dielectric Resonator Antenna) technology is the main focus. Two different topologies are investigated and compared, including notched DRA and DRA coupled to phase-shift stub. Different modeling strategies are also studied using either a single cell, a couple of cells with opposite phases or a small array. For each topology, a preliminary 6×6 array is simulated. Optimization at the array level is emphasized through the whole thesis. In the second part, investigations are taken on a rectangular dielectric filled waveguide element. Parametric analyses are carried out and possible fabrication technologies are discussed. Once again, a preliminary 6×6 array is designed and optimized to validate the feasibility of such a structure. In the third part, a parallel-plate groove structure is analyzed. It evolves from the rectangular waveguide, and enjoys more simplification. Further work is taken to explore the arrays’ bandwidth, oblique incidence performance and maximum radiation direction. Detailed theoretical analysis based on the simulation results are demonstrated in the end. Finally, an array based on the groove elements is fabricated in the size of 200mm×200mm. Practical measurements for 60GHz communications in NLOS environment are designed to test the array’s performance. Analyses on the experiment results are given.

Un développement technologique rapide dans le domaine de télécommunication, qu'il s'agisse de la téléphonie mobile, des réseaux sans fils, de la télévision par satellites, ou des applications radar (civiles ou militaires)...etc. est observé. Cet essor considérable a engendré d'énormes besoins et entraîne une évolution technologique majeure au niveau des antennes. Ces dernières doivent faire face aux différentes exigences, à savoir l'augmentation du gain, l'élargissement de la bande passante… et aux différents problèmes existant, à savoir le coût, l’encombrement…etc. Notre objectif est donc de concevoir des topologies d’antennes simples, à faible encombrement et à gain relativement élevé avec un fonctionnement multibande et/ou ultra large bande. Pour cela nous nous sommes orientés vers des antennes à résonateur diélectrique (ARD) dans les bandes UHF et SHF. Récemment, elles ont fait l’objet de plusieurs recherches et ont acquis un grand intérêt du monde académique et industriel. Les ARDs, par leurs simples et diverses géométries, peuvent être alimentées par différentes usuelles techniques. En outre, leurs tailles peuvent être plus petites que leurs homologues à savoir les antennes imprimées. Une première partie de ce travail s’est concentré sur l’étude des ARDs de forme cylindrique, puis une validation de l’outil de simulation par comparaison avec la mesure. En vue d’une utilisation multistandards, d’un élargissement des bandes de fonctionnement ou d’une modification de la fréquence, une seconde partie a été consacrée à l’étude de nouvelles topologies de résonateurs basées sur un empilement vertical et radial de deux cylindres, une topologie en multicouche et en anneau. Les résultats obtenus trouvent leurs applications dans le GSM900-DSC1800, UMTS, WIFI… / A fast technological development in the telecommunications domain, as mobile telephony, wireless networks, TV over Satellite, Radar Applications (civil or military)…etc, is observed. This considerable growth has led to enormous needs and caused a major technological evolution in antennas. These have to face different needs such as gain improvement, bandwidth enlargement, and different existing problems, such as cost and overcrowding…etc. Though, our goal is to design antenna topologies that are simple, having Low overcrowding and relatively with high gain operating in multiband and/or ultra large. To achieve this we headed to Dielectric Resonator Antennas (DRA) in UHF and SHF bands. Recently they have been the subject of several studies and have gained great interest from both academic and industrial sectors. Due to their diverse and simple geometries, they can be fed with different usual techniques. Furthermore, they can be smaller than patch antennas. The first part of this work has focused on the study of cylindrical DRAs, and then a validation of the simulating tool has been done after comparison with measurement results. For a multi-standard utilization, enlargement antennas’ operating bands, to have bi-band behaviour, get a modification of the resonant frequency and also a reduction of the overcrowding, the second part is dedicated to the study of new resonator topologies based on a vertical and radial stack of two cylinders, and then a multilayer and ring topologies. The obtained results found their applications in GSM900-DCS1800-UMTS-WiFi…

Les antennes à pointage électronique présentent des avantages significatifs dans les systèmes de communication sans fil. Malgré cela elles ne sont toujours pas implantées dans l'industrie automobile. En effet, l'espace limité et le toit en grande partie métallique freinent l’utilisation de ces aériens dans ce contexte contraint. De nombreux défis restent à relever pour concevoir un système efficace, peu encombrant, faible coût et permettant de rayonner sur 360°. L’objectif de cette thèse est donc la mise au point d’une antenne à balayage électronique pour application automobile fonctionnant dans la bande LTE. Un système de «type MIMO » est proposé. Une antenne à résonateur diélectrique efficace, multi-bandes et efficace est conçue selon une procédure de développement spécifique. Un déphaseur accordable est également mis au point et réalisé. Il utilise des commutateurs et un condensateur variable. Un déphasage de 360 degrés est obtenu, le dispositif est commandé électriquement. L’antenne et le déphaseur sont ensuite associés dans un système complet fonctionnant dans la bande LTE. Celui-ci utilise deux antennes identiques, une seule étant alimentée. Ce système complet est mesuré seul et sur le véhicule. Les résultats obtenus sont prometteurs et permettent d’envisager, moyennant quelques améliorations, une exploitation industrielle. Les études menées pour aboutir à ce dispositif sont détaillées dans le manuscrit. / Even though beam steering technology has significant advantages in wireless communication systems, it is still not implemented in the automotive industry. Indeed, the limited space and the large metal sheet on the rooftop are the challenges for such system. This thesis is focused on the design of the LTE beam steering antenna based on a MIMO system for an automotive environment. An appropriate multiband, efficient and compact Dielectric Resonator Antenna is conceived using a specific development procedure. Also, a tunable phase shifter is designed and realized with switches and a variable capacitor. It has 360 degrees phase shift and can be electrically controlled. The proposed DRA and phase shifter are integrated in a global antenna system for automotive application in the LTE band. We finally propose a MIMO system with an active beam steering radiation pattern. It is very compact and can be implemented on the vehicle rooftop. Using the proposed phase shifter, a beam steering antenna is obtained with a global coverage close to 360� for the antenna alone or on the vehicle. Measurements are made in the using context of the antenna. Finally, the developed system is, with some improvement, powerful for powerful enough for "commercial" automotive applications. The studies carried out to develop this antenna are detailed in this manuscript.