Cette thèse porte sur l'étude d'antennes intégrées sur silicium aux fréquences millimétriques, dans le but d'aboutir à des modules d'émission-réception totalement intégrés et reportés par des technologies standards dans un objet communicant. Ce travail comprend deux axes majeurs: Le première axe traite de l'étude, la conception et la réalisation d'antennes intégrées dans un boitier standard QFN couplées à un circuit émetteur-récepteur Ultra Large Bande (ULB) à 60 GHz comprenant des antennes intégrées de type dipôle replié fabriquées en technologie CMOS SOI 65-nm sur silicium haute résistivité. Dans un premier temps, nous avons défini le modèle de simulation à partir duquel nous avons étudié les performances des antennes prenant en compte l'influence de l'environnement (boitier, capot, fil d'interconnexions et technologie de fabrication). Dans un second temps, nous avons réalisé une optimisation des performances en adaptation et en rayonnement en ajoutant au sein du boitier un substrat et des éléments rayonnants couplés aux antennes intégrées sur la puce. Ce dispositif permet de réaliser des communications très haut débit (jusqu'à 2.2 Gbps) avec une très faible consommation d'énergie. Nous montrons qu'il est possible d'atteindre une distance de communication de plusieurs mètres grâce à un réseau transmetteur réalisé en technologie imprimée.Le deuxième axe porte sur la conception et la réalisation d'antennes multifaisceaux en bande V pour applications à long portée; il propose d'associer un réseau transmetteur réalisé sur technologie imprimée à un réseau focal constitué d'un petit nombre d'antennes intégrées sur silicium afin d'obtenir un compromis intéressant entre le niveau de gain, le coût et les capacités de dépointage de faisceau. Plusieurs réseaux sont démontrés avec un faisceau en polarisation circulaire, un gain de 18.6 dBi et une capacité de dépointage de ±24°. / This PhD thesis investigates the integration of antennas on silicon substrates at millimetre-wave frequencies in order to obtain fully-integrated and packaged transceiver modules using standard technologies in wireless devices. This work is organized in two main parts:In the first part, we investigated the design and realization of integrated antennas in a standard QFN package coupled to a 60 GHz Ultra-Wide-Band (UWB) transceiver chip with two integrated folded-dipole antennas implemented in a 65-nm CMOS-SOI technology on high-resistivity silicon. We defined a simulation model from which we studied the performance of integrated antennas, taking into account the influence of the environment (package, lid, wirebonding and manufacturing technology). Then, we optimized the antenna performances in impedance matching and radiation gain using radiating elements printed on a substrate and coupled to the on-chip folded dipoles. This antenna led to the demonstration of high-data rate communications (up to 2.2 Gbps) with a very low power consumption. We showed that the communication distance can be extended up to several meters using a transmit array printed on a low-loss substrate.In the second part, we investigated the design and realization of multibeam antennas in V-band for long-range applications; it is based on a transmit-array realized in standard printed technologies associated with a focal source array, which consists of a small number of integrated antennas on silicon in order to achieve a good compromise between the radiation gain, the cost and the beam steering capabilities. Several arrays were demonstrated with a circularly-polarized beam, a gain of 18.6 dBi et a beam-steering capability of ±24°.

En raison des conflits maritimes qui s'étendent (piraterie, embargo,...), les besoins de communiquer et de détecter les menaces sont de plus en plus importants. Ceci conduit irrémédiablement à l'augmentation du nombre d'aériens à bord des plateformes navales. Afin de gérer au mieux cet accroissement du nombre d'antennes, qui conduit à des effets de couplage et à une augmentation de la signature radar du navire, les principales entreprises du secteur ont mis en place des structures de mâts intégrés. C'est dans un contexte d'amélioration de leur mâture intégrée compacte (Cmast™) que les Constructions Mécaniques de Normandie (CMN) de Cherbourg en collaboration avec l'IETR de Rennes et INEO Défense ont proposé cette thèse. Ces travaux ont pour objectifs le développement de deux systèmes antennaires intégrables au sein de cette mâture intégrée compacte : une antenne de communication en bande V/UHF et une antenne de radar de navigation à balayage électronique en bande X. Une première étude a permis le développement d'une antenne conique large bande (225-400MHz) dont les paramètres géométriques ont été optimisés pour assurer une communication entre les navires et des aéronefs. Un prototype de cette antenne a été réalisé et a permis une validation expérimentale de ses performances. Une seconde étude a permis le développement d'une antenne d'un radar de navigation à balayage électronique en bande X. Cette antenne est basée sur une technologie transmit-array comprenant une source illuminante et un réseau permettant la formation du diagramme. Un effort particulier a été porté sur la source illuminante qui doit éclairer, à des distances très courtes (<550mm), un réseau qui présente des dimensions particulières (1530mmx100mm). Plusieurs sources utilisant un principe de focalisation en zone champ proche ont été développées et validées expérimentalement. Enfin deux architectures d'antennes transmit-array ont été étudiées, utilisant respectivement une technologie imprimée et une technologie en guide. Le fonctionnement de l'antenne complète (source illuminante + réseau transmit-array) a été étudié théoriquement. / The need to communicate and detect potential enemies increases with the extension of maritime conflicts. This need impacts directly the number of antennas on naval platforms. However, this increase of aerials leads to several damaging effects: like coupling or high radar signature. To limit this effect, some companies have developed integrated mast design. This structure limits the coupling effect between aerials by a subdivision of the mast and provides an omnidirectional coverage for all antennas inserted inside the mast. The objective of the thesis is to design two antenna systems for the compact integrated mast (CmastTM) developed by the Constructions Mécanique de Normandie (CMN): a communication antenna in the V/UHF band and an electronically scanning antenna for a maritime navigation radar in X-band. For the communication in the V/UHF band, a broadband conical antenna has been developed (225-400MHz). This antenna provides an optimized radiation pattern to insure the communications between the ship and the aircrafts. An experimental validation has been done with a prototype. In the second study, we have developed an electronically scanning antenna for a navigation radar. This antenna is based on a transmit-array technology including an illuminating feed and an antenna which generates the appropriate radiation pattern. A large part of the study has been done on the feed, which illuminates an array with specific dimensions (1530mmx100mm). Three different near-field focusing feeds have been developed and some of them have been validated experimentally. Then, two architectures of transmit-array antennas have been studied, using two different technologies: printed technology and a mixed technology with waveguide and horn.

This master´s thesis is focused on the ways of possible realisation of the directive horn antenna with suppressed side lobes in the frequency bands 71-76 GHz and 81-86 GHz. In this thesis a detailed research of the feasible options including parameters comparison and assessment of pros and cons of the particular solutions has been performed. Among the specified technical requirements, the emphasis has been placed on the manufacturing options and low cost availability of the materials applicable for the given antenna. The main part of the thesis deals with the conical horn antenna loaded with a hyperbolic dielectric lens, further the antenna with flat dielectric lens based on a transmitarray and also the integrated elliptical lens antenna. The following part of the thesis deals with the possibilities of characterizing the properties of the dielectric material of the lens.