Le travail de recherche proposé dans ce manuscrit consiste à modéliser le rayonnement électromagnétique de conducteurs filaires. En effet l'estimation du rayonnement est un enjeu majeur et l'utilisation de modèles exacts nous semble nécessaire. On propose donc dans ce mémoire une approche analytique qui permet de quantifier les niveaux de champs électromagnétiques rayonnés par les systèmes filaires. Dans un premier temps nous proposons un modèle analytique du calcul du champ électromagnétique rayonné par un système filaire basé sur un développement approfondi des équations de Maxwell. Ce formalisme est issu de la formulation intégrale du potentiel vecteur émis par une antenne filaire dont on supposera connu la distribution de courant. Le modèle analytique ainsi obtenu permet d'estimer aisément les champs sans avoir besoin de discrétiser ni le support de transmission ni l'espace d'observation. Pour enrichir notre modèle nous avons ensuite envisagé les cas où la distribution du courant le long des conducteurs était issu, soit de la théorie des lignes soit d'une simulation numérique basée sur la théorie des antennes, soit de mesures. Dans le cas où c'est la théorie des lignes qui est à la base de la détermination des courants distribués, nous proposons un formalisme analytique du champ électromagnétique rayonné basé uniquement sur la seule connaissance des courants et de leurs dérivées aux extrémités des conducteurs. Nous avons également montré que ce formalisme s'extrapole aisément au cas d'un réseau multifilaire. Dans le cas où la théorie des antennes ou des mesures sont à la base de la connaissance des courants distribués, on identifie ce courant par quelques pôles et résidus grâce à la méthode d'identification Matrix Pencil (MP). Le champ électromagnétique rayonné s'exprime alors par une série finie de termes intégrales. Ce formalisme reste analytique et présente l'avantage d'être adapté aux approches paramétriques et d'optimisations. Nos travaux de recherche ouvrent des perspectives de reconstruction de la distribution du courant par Matrix Pencil à partir de la connaissance du courant et de ses premières dérivées spatiales aux seules extrémités des conducteurs. Le champ électromagnétique rayonné sera alors déduit de notre modèle.

Lors de cette thèse, on a développé un banc automatisé de relevé du diagramme de rayonnement particulièrement pour des antennes millimétriques avec faible directivité. On propose trois méthodes d'alimentation. La première méthode développée a été de concevoir une nouvelle sonde ayant un accès micro-coaxial de plus de 5cm afin de réduire la zone de masquage au minimum. Associée à une configuration de type flip-chip inversée, cette méthode a permis d'avoir une réduction de la zone de masquage de 80° à 20°. La deuxième méthode a été de concevoir une liaison souple par film souple de Kapton. Cette méthode présente l'avantage de placer une plus grande partie des connexions métalliques sous un plan de masse, mais nécessite une connexion optimale à la puce. Les résultats obtenus présentent une zone de masquage pratiquement inexistante, et sont conformes à l'état de l'art. La troisième méthode SER est basée sur la mesure de l'antenne sans placer de sondes ou de connecteurs spéciaux, mais en utilisant un système à charges connues. La simulation nous montre qu'il nous manque une dynamique par ces trois charges.

Cette thèse porte sur la synthèse des sources électromagnétiques (EM) rayonnantes, par la méthode TLM (Transmission Line Matrix) inverse. Les applications large-bande sont particulièrement visées. L'objectif est d'utiliser la théorie du retournement temporel des ondes EM, afin d'implémenter et développer une nouvelle méthode de synthèse des sources rayonnantes, à partir d'un diagramme de rayonnement connu. La retro-propagation des ondes est réalisée numériquement, par la méthode TLM inverse, en trois dimensions (3D), à nœuds symétriques condensés (SCN). L'algorithme proposé est utilisé pour retrouver des sources EM primaires, ponctuelles et réparties, émettant des signaux à large-bande [26GHz - 34GHz] et placées dans l'espace libre (sans pertes, homogène et non-dispersif). Les bases, le potentiel et les limites de cette approche inverse sont étudiés. Une étape supplémentaire est ajoutée afin d'améliorer la résolution spatiale de la reconstruction des sources ponctuelles et réparties. Une résolution inferieure à la demi-longueur d'onde de l'excitation est ainsi obtenue. La reconstruction des sources secondaires 1D et 2D, induites sur les surface métalliques des antennes est ensuite étudiée. Ces études ont abouti au développement d'un nouvel outil de simulation, basé sur une méthode hybride TLM-analytique. La synthèse des sources induites sur la surface d'une antenne-monopôle est ainsi réalisée, à partir du CL mesuré. L'orientation et la position des sources sont trouvées. Les avantages et les limitations de la technique sont enfin discutés.

Cette thèse, effectuée au Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications, a pour objectif la conception d'un système de détection en bande millimétrique dans le cadre de deux projets. Le projet INFRADAR en collaboration avec des partenaires industriels (ATE et Opéra Ergonomie) vise à développer un système d'aide au pilotage d'hélicoptère par la réalisation d'un système anticollision capable de détecter des obstacles comme les lignes à hautes tensions ou les pylônes électriques à longue portée. Le projet Sakura en collaboration avec un institut étranger (Electronic Navigation Research Institute, ENRI, of Tokyo) se focalise sur la détection d'objets et de débris sur piste d'aéroport. Le premier chapitre est un état de l'art des radars et antennes millimétriques. L'antenne retenue pour notre application est un réseau réflecteur(reflectarray). Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de cellules élémentaires originales qui permettent la conversion de polarisation et la stabilité en fréquence. Le chapitre trois décrit les 3 réseaux réflecteurs développés avec pour objectif l'obtention d'une polarisation circulaire, d'un réseau réflecteur multi-lobes, d'un réseau réflecteur bas bruit. Le chapitre quatre illustre les différentes campagnes de mesures réalisées à Tokyo et Sendaï lors du Projet Sakura. Les résultats sont confrontés à un modèle théorique afin de comprendre les limites du système. Enfin nous discutons dans le chapitre cinq des mesures réalisées à Aix en Provence et Sophia Antipolis dans le cadre du Projet INFRADAR. Le projet commençant à peine, les premiers résultats présentés permettent d'entrevoir le potentiel de notre système pour l'aide au pilotage.

Ce travail de thèse traite les domaines du rayonnement d'antennes basses fréquences et de la propagation du champ électromagnétique, en présence du sol et d'environnement réalistes. Des éléments qui diffèrent du cas canonique du sol plan homogène et infini sont considérés par le mot "réalistes". Les méthodes numériques classiques pour l'électromagnétisme, en particulier pour la modélisation du rayonnement d'antennes, sont plutôt adaptées à des fréquences au-delà des hautes fréquences et au rayonnement en espace libre. Deux axes de recherche ont été définis comme suit: les effets d'environnements situés en zone proche sur le rayonnement d'antennes filaires basses fréquences et l'étude de systèmes éloignés de la source par la création d'une méthode hybride. En ce qui concerne le rayonnement en zone proche, une méthode des différences finies dans le domaine temporel est utilisée. Celle-ci est lourde d'un point de vue des temps de calculs et de l'occupation de la mémoire, cependant elle est effective du fait du maillage volumique de la scène. Dans le cas de la propagation lointaine, la solution parfaite du rayonnement d'un dipôle infinitésimal électrique vertical au-dessus d'un sol plan homogène infini a été traitée par la création d'un algorithme adaptatif d'intégration numérique. Ce dernier permet d'obtenir les valeurs du champ électromagnétique dans tout l'espace avec une précision numérique contrôlée. Une technique originale d'hybridation a été réalisée entre l'algorithme d'intégration et la méthode des différences finies pour rendre compte efficacement des effets d'éléments lointains sur la propagation du champ. / This work is about the radiation of low frequency antennas and the propagation of the electromagnetic field, in the presence of soil and realistic environments. Elements that differ from the canonical case of homogeneous infinite and planar ground are considered by the word realistic. Conventional numerical methods for electromagnetism, in particular for modeling the radiation of antennas are rather suitable for frequencies beyond the high frequencies and in free space. Two research areas were defined as follows : the effects of environments located near the low frequency wire antennas and the study of systems far from the source through the creation of a hybrid method. Regarding the near-field radiation, a method of finite-difference in the time-domain is used. It needs a large computer memory size and long solution times, however it is effective because the entire scene is included in a volumetric mesh. In the case of field propagation, the radiation of a vertical electric current element above a homogeneous flat ground has been computed with the creation of an adaptive algorithm for numerical inte- gration. This allows to obtain the values of the electromagnetic field in the whole space with controlled numerical accuracy. An original technique of hybridization was performed between the integration algorithm and the method of finite differences to effectively observ the effects of distant elements on the field propagation.

Cette thèse porte sur la synthèse des sources électromagnétiques (EM) rayonnantes, par la méthode TLM (Transmission Line Matrix) inverse. Les applications large-bande sont particulièrement visées. L'objectif est d'utiliser la théorie du retournement temporel des ondes EM, afin d'implémenter et développer une nouvelle méthode de synthèse des sources rayonnantes, à partir d'un diagramme de rayonnement connu. La retro-propagation des ondes est réalisée numériquement, par la méthode TLM inverse, en trois dimensions (3D), à nœuds symétriques condensés (SCN). L'algorithme proposé est utilisé pour retrouver des sources EM primaires, ponctuelles et réparties, émettant des signaux à large-bande [26GHz - 34GHz] et placées dans l'espace libre (sans pertes, homogène et non-dispersif). Les bases, le potentiel et les limites de cette approche inverse sont étudiés. Une étape supplémentaire est ajoutée afin d'améliorer la résolution spatiale de la reconstruction des sources ponctuelles et réparties. Une résolution inferieure à la demi-longueur d'onde de l'excitation est ainsi obtenue. La reconstruction des sources secondaires 1D et 2D, induites sur les surface métalliques des antennes est ensuite étudiée. Ces études ont abouti au développement d'un nouvel outil de simulation, basé sur une méthode hybride TLM-analytique. La synthèse des sources induites sur la surface d'une antenne-monopôle est ainsi réalisée, à partir du CL mesuré. L'orientation et la position des sources sont trouvées. Les avantages et les limitations de la technique sont enfin discutés. / This thesis deals with wide-band electromagnetic (EM) source synthesis, by Reversed-TLM (Transmission Line Matrix) method. The work is particularly focused on wide-band applications. The main objective is to use the time reversal wave theory in order to develop a new simulation tool, which can synthesize an unknown source distribution from a far-field radiation pattern. Wave time-reversal is numerically simulated by 3D Reversed-TLM method, in based on symmetrical condensed nodes (SCN). Our method is first applied to lumped sources, transmitting wide band signals in the frequency range [26GHz - 34 GHz], placed in a lossless, homogeneous and non-dispersive 3D free-space. Source reconstruction results show that by using this method, the “classical” half-wavelength resolution limit is overcome. The synthesis of 1D and 2D secondary sources, induced on metallic antenna surfaces are also studied. These studies resulted in the development of a new simulation tool, based on a hybrid TLM-analytical method. Reversed - TLM method is then applied for synthesizing a monopole antenna from its measured far-field radiation pattern. Initial source orientation and localization are found. Advantages and limitations of this technique are discussed.

Le développement de circuits mesoscopiques avec une architecture hybride cette dernière décennie a permis d’étudier l’interaction lumière matière dans son aspect fondamental avec des photons dans le régime micro-ondes. Ces développements permettent aujourd’hui d’étudier cette interaction dans le domaine terahertz, gamme spectrale s’étendant de 0.1 THz à 10 THz (0.4 meV-41,3 meV). L’apparition de sources performantes et de méthodes de spectroscopie efficaces telles que la spectroscopie dans le domaine temporel sont des outils utilisables pour l’étude de l’interaction lumière matière dans ce domaine spectral. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un outil afin d’étudier cette interaction dans son aspect le plus fondamental composé d’un nanotube de carbone en régime de boîte quantique et d’une cavité térahertz. Le nanotube de carbone est un élément d’autant plus adapté que sa structure électronique est régie par des énergies dont la fréquence équivalente se situe dans le terahertz. La cavité térahertz est un "split ring resonator". Le travail s’est décomposé en deux aspects, avec dans un premier temps le développement d’un banc de spectroscopie térahertz large bande (0.3 THz-20 THz) dans le domaine temporel pour l’étude des résonateurs. En utilisant un procédé original de contrôle du front d’onde d’émission de l’antenne, nous démontrons que le champ térahertz est focalisé en limite de diffraction ce qui ouvre la possibilité d’étudier des résonateurs uniques. Dans un second temps, des mesures de transport électronique ont été effectuées afin de mettre en évidence un couplage entre le résonateur et la boîte quantique. Un couplage avec un mode bosonique est observé. La conductance de ces états est modulée par la source de photons utilisée dans cette étude. Cependant, l’énergie du mode est inférieure à celle observée par les mesures de spectroscopie ne permettant pas de conclure de manière définitive sur l’origine de ce mode. / In the last ten years, research has been devoted to the development of hybrid architecture mesoscopic circuit to study the ligh-matter interaction in the microwaves range. These improvements allow us to study this interaction in the terahertz range extending from 0.1 THz to 10 THz (0.4 meV - 41.3 meV). Moreover, new efficient sources and new spectroscopy schemes like time domain spectroscopy set-up are some tools that can be used to study the light-matter interaction in this range. In this work, we developed a paradigm to study the interaction in the fundamental aspect composed of a carbon nanotube in a quantum dot regime embedded in a terahertz cavity. Carbon nanotube quantum dot is well adapted because of its electronic levels which are separated by energy in the terahertz range. The cavity used for the study is a "split ring resonator". This thesis is decomposed in two parts. Firstly, we built an ultrabroadband terahertz time domain spectroscopy set-up (0.3 THz -20 THz) to study the terahertz resonators. We demonstrated that the terahertz field is focused at the diffraction limit by exciting the antenna with an original scheme based on a control wavefront. Then, electronic transport measurements have been done to highlight the coupling between the cavity and the quantum dot. A coupling with a bosonic mode is observed. The conductance of these states is modified by the source that we used in this work. However, the energy of the observed mode is lower than the fundamental energy mode of the cavity that do not allow us to conclude about the origin of this mode.

Les ondes de surface se propagent le long de la surface terrestre par-delà l'horizon et ces propriétés de propagation sont des atouts pour diverses applications industrielles (civiles ou militaires) opérant dans la bande HF. C'est le cas notamment des radars transhorizon, des systèmes de communications, de la détection de tsunami, ou encore l'étude de la courantologie. Actuellement, les aériens utilisés dans ce contexte ne sont pas optimisés pour privilégier la propagation par ondes de surface. C'est dans ce contexte que TDF, la Direction Générale de l'Armement (DGA) et l'Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes (IETR) se sont associés pour proposer cette thèse. L'objectif principal de la thèse est de concevoir des antennes en bande HF de dimensions réduites (<3 mètres) réduisant le rayonnement vers le ciel afin favoriser l'onde de surface. Une première approche a permis de concevoir deux antennes élémentaires, l'une omnidirectionnelle et l'autre directive, permettant de réduire le rayonnement vers le ciel pour les sites compris entre -45° et +45°. Les solutions proposées sont de tailles très réduites grâce à l'utilisation d'une antenne à polarisation verticale électriquement courte dans le plan vertical et de parasites horizontaux alimentés par couplage EM. Les études expérimentales réalisées à échelle réelle sont en bon accord avec les performances théoriques obtenus à l'aide de logiciels d'analyse électromagnétique commerciaux. Une seconde approche a permis de concevoir des réseaux d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical selon une disposition linéaire des aériens. La réduction du rayonnement vers le ciel est réalisée grâce aux réseaux de type Endfire/Broadside. Enfin, une troisième étude a permis de concevoir deux systèmes antennaires agiles en diagrammes tout en conservant les propriétés de réduction de rayonnement vers le ciel. Le premier système à l'aide d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical chargées par des réactances, et le second en appliquant une pondération en amplitude et en phase d'un réseau à deux dimensions. / The surface-waves propagate beyond the horizon. This phenomenon is an attractive feature for many applications operating in the HF band both in civil or military field. By example, we can quote the High Frequency Surface Waves Radar (HFSWR), communicating systems, or the study of the currentology. Currently, the antennas used in the field of surface-waves propagation are not fully optimized and radiate also in sky wave. In order to optimize the radiation pattern of the antennas used in these systems, the company TDF, the Direction Générale de l’Armement (DGA) and the Institute of Electronic and Telecommunications of Rennes (IETR) have proposed this projetct. The main objective of this work is to design electrically small antennas in the vertical plane (< 3 meters) in the HF band while reducing the radiation toward the sky. The first concept is based on vertically polarized antennas electrically small in the vertical plane coupled to horizontally radiators placed above the antenna. As a result, the radiation pattern in the horizontal plane is omnidirectional or directive with a radiation toward the sky reduced for the elevations range from -45° to +45°. Prototypes have been realized and validated by measurements. Then, in the second study we have developed antennas array in order to reduce the radiation toward the sky with another way that the horizontal radiators. This method allows reducing significantly the radiation toward the sky according to the number of elements in the array. Finally, in the third study we have studied electronically scanning antennas while maintaining the reduction of the radiation toward the sky. The first system is based on an array of radiator loaded by reactance, and the second is based on a planar array with an appropriate feeding.

La technique de Georadar (GPR) est actuellement largement utilisée comme une technique non-destructive de sondage et d'imagerie dans plusieurs applications du génie civil qui concernent principalement: l'inspection des structures et des matériaux de construction, la cartographie des réseaux enterrés et des cavités, la caractérisation des fondations souterraines et du sol ainsi que l'estimation de la teneur en eau volumique du sous-sol. Le radar GPR est une technique en continuelle évolution en raison de l'intégration toujours plus poussée des équipements électroniques, des performances des calculateurs numériques, et des traitements du signal avancés. La promotion de cette technologie repose sur le développement de nouvelles configurations de systèmes et d'outils de traitement des données en vue de l'interprétation des images du sous-sol. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent tout d'abord le système GPR ULB (Ultra large bande) à double polarisation couplé au sol, lequel a été développé récemment au laboratoire. Par la suite, les traitement des données ont été focalisés sur le développement d'outils d'analyse en vue d'obtenir à partir des images brutes des images plus facilement lisibles par l'utilisateur afin d'améliorer l'interprétation des données GPR, en particulier dans le cadre de la détection de canalisations urbaines et la caractérisation des sols. Les moyens de traitement utilisés concernent l'élimination du clutter au cours d'une étape de prétraitement en utilisant des adaptations et des extensions des algorithmes fondés sur les techniques PCA et ICA. De plus, une technique de traitement d'image ‘'template matching” a été proposée pour faciliter la détection d'hyperbole dans une image Bscan de GPR. La diversité de polarisation est enfin abordée, dans le but de fournir des informations supplémentaires pour la détection d'objets diélectriques et des discontinuités du sous-sol. Les performances de nos outils d'analyse sont évaluées sur de données synthétiques (simulations 3D FDTD) et des données de mesures obtenues dans des environnements contrôlés. Pour cela, nous avons considéré différentes configurations de polarisation et des objets à caractéristiques diélectriques variées. Le potentiel de discrimination des cibles a été quantifié en utilisant le critère statistique fondé sur les courbes ROC / The Ground Penetrating Radar technique (GPR) is now widely used as a non destructive probing and imaging tool in several civil engineering applications mainly concerning inspection of construction materials and structures, mapping of underground utilities and voids, characterization of sub-structures, foundations and soil and estimation of sub-surface volumetric moisture content. GPR belongs to a continuously evolving field due to electronic integration, high-performance computing, and advanced signal processing. The promotion of this technology relies on the development of new system configurations and data processing tools for the interpretation of sub-surface images. In this context, the work presents first the dual polarization UWB ground coupled GPR system which has been developed recently. Then, the data processing has focalized on the development of analysis tools to transform the raw images in a more user-readable image in order to improve the GPR data interpretation especially within the scope of detection of urban pipes and soil characterization. The processing means used concern clutter removal in the pre-processing step using adaptations and extensions of the PCA and ICA algorithms. Moreover, a template matching image processing technique is presented to help the detection of hyperbola within GPR raw B-scan images. The dual polarization is finally shown to bring additional information and to improve the detection of buried dielectric objects or medium discontinuities. The performances of our analysis approaches are illustrated using synthetic data (3D FDTD simulations) and field-measurement data in controlled environments. Different polarization configurations and dielectric characteristics of objects have been considered. The potential for target discrimination has been quantified using statistical criteria such as ROC

Les très basses fréquences (VLF) sont aujourd’hui principalement utilisées pour les communications sous-marines. Ces fréquences ont en effet l’avantage de pénétrer dans l’eau de mer jusqu’à quelques dizaines de mètre de profondeur, ainsi que de permettre des communications à très longue distance, au-delà de l’horizon. Les antennes nécessaires à l’établissement de ces communications sont nécessairement de très petite taille par rapport aux longueurs d’onde mises en jeu. Ces antennes sont des structures composées de centaines de mètre de câbles métalliques, situées à un emplacement étudié pour les qualités diélectriques du sol ou les avantages structurels du relief. Pour étudier de telles antennes, nous proposons l’utilisation d’un code basé sur une méthode temporelle, la TLM. Cette méthode peut se révéler être très efficace pour des études sur de larges bandes de fréquence et en présence d’un environnement diélectrique complexe. Pour cela, nous avons amélioré le modèle du Fil Mince permettant de modéliser une structure métallique en une dimension et avons cherché à valider son fonctionnement en présence d’un environnement réaliste. Dans ce document, nous présentons ainsi les différentes étapes ayant abouties aux améliorations apportées au modèle de Fil Mince. Notre code a été validé en comparant nos résultats à ceux de FEKO, un logiciel commercial basé sur la MoM considéré comme la méthode la plus adaptée à ce type de problème. Nous avons proposé, en particulier, une solution permettant de garantir une bonne précision du modèle quel que soit l’orientation du fil dans le maillage cartésien 3D. Nous avons ensuite précisé le domaine de validité des fils coudés ainsi que des jonctions de plusieurs fils. Nous avons étudié également l’interaction entre le fil et des milieux inhomogènes. Il s’agit là d’une problématique ambitieuse pour laquelle nous avons apporté quelques éléments de réponse mais qui reste à ce jour un verrou technologique à lever. Enfin, nous avons étudié des structures antennaires réalistes. Les simulations d’un système composé d’antennes en T déployé dans une vallée ont permis d’appréhender le fonctionnement d’une telle structure et ont montré l’intérêt de notre méthode. En effet, les temps de calcul nécessaires à la résolution du problème sont significativement plus faibles avec le code TLM qu’avec le logiciel FEKO sur ce type de sol complexe. Les simulations d’une antenne Trideco avec un plan de masse radial aérien ou enterré ont quant à elles montré les limites actuelles du code TLM qui reste handicapé par une modélisation imprécise des nœuds de connexion entre plusieurs fils et de leur interaction avec les milieux inhomogènes. / Submarine communications are the main usage of the very low frequency (VLF). This frequency band allows to radiate up to a few tens meter of depth and to a very long distance. Antennas for such telecommunications are necessarily small in regard to the wavelength. However, these structures are composed of hundred meters of thin metallic cables and their locations are often chosen for their dielectric characteristics or the structural advantage provided by the relief. To evaluate such antennas, we propose to use a home-made software, based on the TLM method. Such technique can be efficient for studying wide band electromagnetic problems in complex dielectric environment. Then we have improved the TLM Thin Wire model and we have evaluated its performances in realistic environment. In this document, we present our work and its validation by comparing our results to those obtained with the commercial software FEKO, based on the MoM, considered as the most suitable technique for this kind of problem. A solution assuring a good accuracy of the model for an arbitrary orientation of the Thine Wire in the 3D cartesian grid was proposed. We have also specified the limitations of the bent wire and the wires junction. In addition, we have studied the interaction between the wire and inhomogeneous media. This is an ambitious problem for which we brought some elements of answer but which remains a challenge. Finally, we have tested our software on some realistic antenna systems. The simulations of a valley span T antennas system allow to understand the functioning of such radiating structure and to show the interest of our method. The computation times are significantly lower with the TLM method than with FEKO to deal with antennas above such complex ground. However, the simulations of a Trideco antenna with aerial or buried radial ground plane showed the actual limitations of the TLM software which remains handicapped by an insufficient accuracy of the wires junction model and the inhomogeneous media interactions.