Nous étudions la mise en oeuvre d ‘antenne à balayage électronique dédiés aux applications de communications par satellite géostationnaire. Les structures développées sont adaptées pour être embarquées dans un avion ou un train. L'architecture de l'antenne développée est constituée d’un double réseau linéaire dans deux dimmensions transverses. Le balayage dans chaque réseau linéaire est assuré par des lignes coplanaires à métamateriaux contrôlées par varactor. Nous porposons de nouvelles méthodes de caracterisation des discontinuités en ligne coplanaire pour la conception de la ligne. De plus, un système de prélèvement d'énergie a dû être conçu afin d'alimenter des éléments rayonnants et testé avec différentes antennes patch. Enfin, nous envisageons la co-intégration des structures rayonnantes et des lignes CRLH ainsi que le contrôle électronique par les diodes. / We are studying the implementation of 'Scanning Antenna dedicated to the applications of satellite communications geostationary. The structures developed are suitable for to be on board an airplane or a train. The architecture of the antenna developed consists of a double linear network in two transverse dimmensions. The scan in each network is provided by the lines coplanar to metamaterials controlled by varactor. We porposons of new methods characterization of discontinuities coplanar online for the line design. In addition, a energy harvesting system has be designed to feed radiating elements and tested with patch different antennas. Finally, we are considering co-integration radiating structures and CRLH lines as well as control electronic by the diodes.

De nos jours, les antennes à réseaux transmetteurs attirent un grand intérêt pour de nombreuses applications civiles et militaires aux bandes de fréquence comprises entre 10 et 110 GHz (réseaux de communication 5G, liens point à point, radars, etc.).Le travail de thèse vise à faire des innovations dans la modélisation et la conception d'antennes à réseaux transmetteurs pour des applications en bande Ka (28-40 GHz). Il porte plus précisément sur le développement d'outils numériques pour l’analyse théorique des réseaux transmetteurs, la conception et la démonstration de plusieurs prototypes avec des fonctionnalités avancées, telles que des réseaux transmetteurs passifs (larges bandes ou à multifaisceaux) et actifs (à reconfiguration électronique).La première partie des travaux consiste en une analyse théorique des réseaux transmetteurs. Dans un premier temps, l’impact de la méthode de compensation de phase sur les performances des réseaux transmetteurs est étudié. La loi de compensation de phase de l’onde quasi-sphérique incidente sur l’ouverture du réseau transmetteur est calculée en utilisant deux méthodes nommées compensation à phase constante et compensation par ligne à retard, et nous montrons que cette dernière permet d’augmenter la bande passante du réseau transmetteur et de corriger les erreurs de dépointage du faisceau. Dans un second temps, le principe de fonctionnement des réseaux transmetteurs facettés est décrit en détail. La simulation numérique du réseau transmetteur à trois facettes est validée au travers de simulations électromagnétiques 3-D. Pour un certain angle d’inclinaison, nous montrons que la bande passante et la capacité de dépointage du réseau transmetteur sont améliorées au détriment du gain.La suite des travaux porte sur la conception et le prototypage de deux réseaux transmetteurs passifs, dont l’un à faisceau collimaté et très large bande et l’autre à quatre faisceaux fixes. Les deux réseaux transmetteurs sont basés sur une cellule élémentaire à 3bits qui assure une double fonction à savoir la compensation de phase et la conversion de la polarisation linéaire en circulaire. Le réseau passif à faisceau collimaté présente un gain mesuré de 33,8 dBi (correspondant à une efficacité d'ouverture de 51,2%) et une bande passante à -3 dB supérieure à 15,9%. La distribution de phase du réseau transmetteur à quatre faisceaux a été optimisée par un algorithme génétique afin d’avoir des faisceaux dépointés à ± 25° dans le plan horizontal et le plan vertical à la fréquence d’optimisation.La dernière partie des travaux vise la conception d’un réseau transmetteur reconfigurable à 27-31 GHz. Dans un premier temps, une cellule élémentaire active à quatre états de phase (2 bits) en polarisation linéaire a été conçue et validée expérimentalement. Elle est composée de six couches métalliques imprimées sur trois substrats. Les éléments rayonnants sont des antennes patch rectangulaires comprenant chacun deux diodes PIN pour contrôler la phase de transmission. Le principe de fonctionnement de la cellule élémentaire a été validé expérimentalement avec des pertes d’insertion minimales de 1.6-2,1 dB et une bande passante en transmission (à 3 dB) de 10-12,1% pour les quatre états de phase 0 °, 90°, 180° et 270°. Cette cellule a ensuite été utilisée pour la conception d’un réseau transmetteur reconfigurable comprenant 14 × 14 cellules unitaires et 784 diodes PIN. Un prototype a été réalisé et caractérisé, il présente un gain maximum mesuré de 19,8 dBi, correspondant à une efficacité d'ouverture de 23,5%, et une bande passante à 3 dB de 4,7 GHz (26,2-30,9 GHz). Malgré quelques éléments défaillants, ce prototype valide le principe de fonctionnement et la faisabilité de réseaux transmetteurs en bande Ka avec une quantification de phase de 2 bits et constitue une des premières réalisations de ce type dans l’état de l’art actuel. / Nowadays, transmitarray antennas are of great interest for many civil and military applications in frequency bands between 10 and 110 GHz (5G mobile networks, point-to-point communication systems, radars, etc.).This thesis aims to make major innovations in modeling and design of transmitarray antennas for Ka-band applications (28-40 GHz). It focuses on the development of numerical tools, and the design and demonstration of several prototypes with advanced functionalities, such as passive (broadband or multibeam) and active (at electronic reconfiguration) transmitarrays.The first part of the work consists of a theoretical analysis of the transmitarray antenna. In a first step, the impact of the phase compensation method on the performance of the transmitarray is studied. The phase compensation law of the quasi-spherical wave incident on the array aperture is calculated using two methods called constant phase compensation and true-time delay (TTD) compensation. The numerical results show that TTD compensation allows an increase of the transmitarrays bandwidth and a reduction of the beam squint as compared to constant phase-shift compensation. In a second step, the operating principle of facetted transmitarrays is described in detail. The numerical simulation of a 3-facet transmitarray is validated through 3-D electromagnetic simulations. For a certain facet angle, the bandwidth and the beam scanning capability of the TA are improved at the expense of the gain.The next step of the work concerns the design and prototyping of two passive transmitarray antennas, one with a collimated and a large bandwidth, and the other with four fixed beams. The two transmitarrays are based on a 3-bit unit-cell providing two functions, namely the phase compensation and the polarization conversion from linear to circular. The passive beam-collimated transmitarray exhibits a measured gain of 33.8 dBi (corresponding to an aperture efficiency of 51.2%) and a 3-dB gain-bandwidth larger than 15.9%. The quad-beam transmitarray phase distribution has been optimized by a genetic algorithm code coupled with an analytical tool. The array is designed to radiate four beams at ±25° in the horizontal and vertical planes at the optimization frequency.The last part of the work aims to the design of a 27-31 GHz reconfigurable transmitarray antenna. Initially, an active unit-cell with four phase states (2 bits) in linear polarization was designed and validated experimentally. It consists of six metal layers printed on three substrates. The radiating elements are rectangular patch antennas, each of them including two PIN diodes to control the transmission phase. The operating principle of the unit-cell has been experimentally validated with a minimum insertion loss of 1.6-2.1 dB and a 3-dB transmission bandwidth of 10-12.1% for the four phase states. 0°, 90°, 180° and 270°.Then, this unit-cell was used for the design of a reconfigurable transmitarray antenna comprising 14 × 14 unit cells and 784 PIN diodes. A prototype was realized and characterized, it presents a measured maximum gain of 19.8 dBi, corresponding to an aperture efficiency of 23.5%, and a 3-dB bandwidth of 4.7 GHz (26.2% at 30.9 GHz). Despite some faulty elements, this prototype validates the operating principle and the feasibility of Ka-band transmitarray antennas with a 2-bit phase quantization. It is one of the first demonstration of such an antenna in the current state of the art.

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.