Reflectarrays that emulate paraboloidal main-reflectors, and hyperboloidal or ellipsoidal sub-reflectors, have undergone a great deal of development over the past two decades. More recently, research on the topic has concentrated on overcoming some remaining disadvantages, re-examining certain design issues, and extending reflectarray functionality. This thesis concerns itself with fixed-beam offset-fed single-layer main-reflectarrays and sub-reflectarrays comprised of square or rectangular variable size conducting elements. Both full-wave analyses and experiment are used in all the deliberations. In order to examine reflectarray operating mechanisms the thesis first describes a component-by-component technique whereby the role of the various reflectarray parts can be assessed by determining their individual and aggregate contributions to the reflectarray near- and far-fields. This technique is used to diagnose the fact that feed-image-lobes that appear at off-centre frequencies are caused not only by the groundplane as first thought, but by an imbalance in the complex currents on the patches and groundplane at such frequencies. The use of sub-wavelength elements is shown to suppress such unwanted lobes. The thesis then uses receive- and transmit-modes analysis to show that beam squint at off-centre frequencies, often not accounted for when stating the gain bandwidth of a reflectarray, is due to the shifting of the true focal points away from the geometrical one at these frequencies. It is demonstrated that a two-feed reflectarray arrangement is capable of eliminating beam squint, and that the use of smaller focal length to aperture size (F/D) ratios removes the grating lobes that can appear in such two-feed reflectarrays due to clustering of the aperture amplitude distribution. Finally, the thesis studies the effect of the reality that the angle of incidence of the feed fields on the various reflectarray elements is not the same for all elements, even though this is most often assumed when using element reflection phase versus element size databases in performing reflectarray designs. Careful full-wave analysis reveals that it is not only the dependence of element reflection phase on incidence angle that is important, but that the individual element pattern beamwidths change and distort as this angle increases. This is important not only from the point of view of the coupling of the feed fields to the elements, but also as far as the angular sector within which the reradiated fields are important. Thus sub-reflectarrays, whose radiation patterns are considerably wider than main-reflectors, are more susceptable to incidence angle effects. It is shown that the use of sub-wavelength elements in a reflectarray largely ensures its immunity to such effects.

Dans les systèmes de communication et de détection sans fil, l'antenne est un élément indispensable pour transformer l'énergie électrique en ondes électromagnétiques rayonnée dans l'espace, et vice versa. Les antennes sont utilisées dans de nombreux dispositifs militaires et civils, tels que les radars (SAR, secteur automobile, détection de débris, etc.), les instruments biomédicaux, les systèmes de télécommunication (téléphones mobiles, stations de base) pour les communications point à multi-point ou point à point par exemple. Les antennes jouent aussi un rôle essentiel pour le développement de futurs réseaux connectés reliant plusieurs appareils à des utilisateurs en temps réel, par exemple pour l'Internet des objets (IoT). Les réseaux transmetteurs sont une solution attrayante pour de nombreuses applications telles que les communications par satellite (Satcom) ou les futurs réseaux 5G. L'architecture des antennes à réseau transmetteur les rend extrêmement compétitifs comparés aux réseaux phasés par exemple grâce à leur alimentation par onde d’espace et car ils ne souffrent pas du blocage induit par la source primaire, comme c’est le cas pour les réseaux réflecteurs ou les antennes à réflecteur. Grâce à leur fonctionnement en mode transmission, les réseaux transmetteurs peuvent être également facilement montés sur des plates-formes mobiles.Les applications Satcom en bande Ka constituent le secteur applicatif majeur de cette thèse. Cette bande fournit un débit de données élevé à la fois pour les liaisons descendantes et les liaisons montantes, en remplacement des systèmes actuels en bande Ku. Dans ce contexte, il convient aussi de prêter une attention particulière aux communications avec des plates-formes mobiles, par exemple les trains à grande vitesse, les avions, etc., ce qui nécessite de mettre au point des antennes à balayage de faisceau. De nombreuses propriétés avancées sont exploitées depuis ces dernières années pour accroître les débits et la flexibilité des systèmes de communication sans fil, par exemple la polarisation circulaire, la double polarisation, le fonctionnement multi-fréquence ou large bande, le dépointage électronique de faisceau. Pour réduire les coûts, des preuves de concept de réseaux transmetteurs non diélectriques sont également proposées. Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet ANR TRANSMIL (Reconfigurable TRANSmitarrays for beam steering and beam forming at MILlimetre wave). Les objectifs de cette thèse sont de proposer de nouvelles architectures de réseaux transmetteurs fonctionnant en bande Ka en liaison descendante (de 17,7 GHz à 21,2 GHz) et en liaison montante (de 27,5 GHz à 31 GHz). Différents prototypes ont été conçus et fabriqués afin de valider les concepts proposés en bande X et en bande Ka. Un bon accord entre les résultats numériques et mesurés a été obtenu systématiquement. En particulier, les réseaux transmetteurs à double polarisation que nous avons conçus en bande X présentent un gain de 25 dBi et une bande passante à 3 dB de 20% à 10 GHz. Ces propriétés sont indépendantes de la polarisation du champ rayonné, ce qui signifie que des faisceaux de polarisation linéaire orthogonale peuvent être rayonnés indépendamment dans des directions différentes. Un réseau transmetteur bi-bande fonctionnant en bande Ka a également été mis au point. Sa bande passante à 3 dB est de 10% autour des fréquences centrales (19,5 GHz et 29 GHz) et son efficacité de rayonnement atteint 60%. D’autres concepts ont également été étudiés (réseaux transmetteurs sans diélectrique, réseau transmetteur reconfigurable). / Transmitarray is an attractive solution for front-end devices in the next generation of communications (5G). The spatial-fed architecture of transmitarray antennas can compete with phase-arrays due to the absence of feeding network and with reflectarrays since they do not suffer from feed blockage. Thanks to their operation in transmission mode, transmitarrays can be easily mounted on platforms for outdoor environment applications. With mature printed-circuit board technology, there are unstoppable experiments in various frequency bands from cm-wave to mm-wave and up to terahertz in upcoming years for potential applications. Many advanced properties are exploited in transmitarrays in recent years to meet high demands of communications facilities, for example, circular-polarization, dual-/multi-polarization or frequencies through many techniques. Some experiments are consid-ered to validate eligibility of this antenna type in commercial services or military missions, namely electronically steering beam, broad bandwidth, etc. In terms of cost reduction and rigidity, non-dielectric prototypes are also proposed. The Ka-band Satcom applications are the main objective of this thesis through trans-mitarray solution. This band provides high data rate for both down-link and up-link in replacement of the current Ku-band systems with miniaturized module in next dec-ades. Hence, it is worth to pay attention to communications for moving platforms, for example, high-speed trains, planes, etc.