Les dimensions d’une antenne sont inversement proportionnelles à leurs fréquences de fonctionnement. De plus, la miniaturisation d’une antenne entraîne la dégradation de ses performances électriques et de rayonnement. Par conséquent, il est important pour le concepteur de trouver un bon compromis entre le taux de miniaturisation et les performances souhaitées. L’objet de cette thèse est de proposer une antenne miniature possédant les meilleures caractéristiques possibles dans la bande UHF de la RFID (860MHz – 960MHz), facile à réaliser et à moindre coût d’industrialisation. Les travaux de cette thèse ont montré qu’un couplage magnétique d’une cellule de métamatériaux avec une demi-boucle permet d’obtenir des structures antennaires intéressantes de par leurs dimensions de l’ordre de λ0/10, leur efficacité et leur fonctionnement en multibande. Différentes techniques sont appliquées pour améliorer les performances des antennes développées à savoir le gain, la directivité et la polarisation circulaire et/ou elliptique. / Antenna dimensions are inversely proportional to their operating frequencies. Besides, the antenna miniaturization degrades its electrical and radiation performances. Therefore it is important for the antenna designer to find a good compromise between the miniaturization rate and the desired performances. The purpose of this thesis is to obtain a miniature antenna which has good characteristics in the UHF band of RFID (860MHz - 960MHz), easy to implement and with low industrialization cost. The works described in this thesis showed that a magnetic coupling of a metamaterial cell with a half loop provides interesting antennas in terms of dimensions of about λ0/10, efficiency and multiband behavior. Different techniques are applied to improve the performances of realized antennas as gain, directivity and circular and/or elliptical polarization.

La théorie d'homogénéisation élastodynamique des matériaux hétérogènes initiée par J.R. Willis il y a environ une trentaine d'années a récemment reçu une très grande attention. D'après cette théorie qui est mathématiquement exacte, la loi constitutive homogénéisée est non locale en espace et en temps ; le tenseur des contraintes dépend non seulement du tenseur des déformations mais aussi de la vitesse ; la quantité du mouvement dépend à la fois de la vitesse et du tenseur des déformations, faisant apparaître en général une masse anisotrope. Ces propriétés constitutives effectives, qui pourraient être surprenantes d'un point de vue mécanique classique, se révèlent en fait très utiles pour la conception de métamatériaux acoustiques et de capes acoustiques. Ce travail de thèse consiste essentiellement à proposer et développer deux méthodes numériques efficaces pour déterminer les propriétés élastodynamiques effectives des matériaux périodiquement hétérogènes. La première méthode relève de la méthode des éléments finis alors que la deuxième méthode est basée sur la transformée de Fourier rapide. Ces deux méthodes sont d'abord élaborées pour une microstructure périodique 3D quelconque et ensuite implantées pour une microstructure périodique 2D quelconque. Les avantages et les inconvénients de chacune de ces deux méthodes sont comparés et discutés. A l'aide des méthodes numériques élaborées, la théorie de Willis est appliquée au calcul élastodynamique sur un milieu infini hétérogène et celui homogénéisé. Les différents cas d'homogénéisabilité et de non-homogénéisabilité sont discutés / The elastodynamic homogenization theory of heterogeneous materials initiated by J.R. Willis about thirty years ago has recently received considerable attention. According to this theory which is mathematically exact, the homogenized constitutive law is non-local in space and time; the stress tensor depends not only on the strain tensor but also on the velocity; the linear momentum depends on both the velocity and the strain tensor, making appear an anisotropic mass tensor in general. These effective constitutive properties, which may be surprising from a classical mechanical point of view, turn out in fact to be very useful for the design of acoustic metamaterials and acoustic cloaks. The present work is essentially to propose and develop two efficient numerical methods for determining the effective elastodynamic properties of periodically heterogeneous materials. The first method belongs to the finite element method while the second method is based on the fast Fourier transform. These two methods are first developed for any 3D periodic microstructure and then implanted for any 2D periodic microstructure. The advantages and disadvantages of each of these two methods are compared and discussed. Using the elaborated numerical methods, the Willis theory is applied to the elastodynamic computation over the infinite heterogeneous medium and the homogenized one. The various cases of homogeneisability and non-homogeneisability are discussed

The goal of the research reported in this thesis is to establish the feasibility of a novel optical architecture for an optical route & select circuit switch suitable for implementation as a photonic integrated circuit. The proposed architecture combines Optical Phased Array (OPA) switch elements implemented as multimode interference coupler based Generalised Mach-Zehnder Interferometers (GMZI) with a planar Lüneburg lens-based optical transpose interconnection network implemented using graded metamaterial waveguide slabs. The proposed switch is transparent to signal format and, in principle, can have zero excess insertion loss and scale to large port counts. These switches will enable the low-energy consumption high capacity communications network infrastructure needed to provide environmentally-friendly broadband access to all. The thesis first explains the importance of switch structures in optical communications networks and the difficulties of scaling to a large number of switch ports. The thesis then introduces the Talbot effect, i.e. the self-imaging of periodic field distributions in free space. It elaborates on a new approach to finding the phase relations between pairs of Talbot image planes at carefully selected positions. The free space Talbot effect is mapped to the waveguide Talbot effect which is fundamental to the operation of multimode interference couplers (MMI). Knowledge of the phase relation between the MMI ports is necessary to achieve correct operation of the GMZI OPA switch elements. An outline of the design procedures is given that can be applied to optimise the performance of MMI couplers and, as a consequence, the GMZI OPA switch elements. The Lüneburg Optical Transpose Interconnection System (LOTIS) is introduced as a potential solution to the problem of excessive insertion loss and cross-talk caused by the large number of crossovers in a switch fabric. Finally, the thesis explains how a Lüneburg lens may be implemented in a graded ‘metamaterial’, i.e. a composite material consisting of ‘atoms’ arranged on a regular lattice suspended in a host by nano-structuring of silicon waveguide slabs using a single etch-step. Furthermore, the propagation of light in graded almost-periodic structures is discussed. Detailed consideration is given to the calibration of the local homogenised effective index; in terms of the local parameters of the metamaterial microstructure in the plane and the corrections necessary to accommodate slab waveguide confinement in the normal to the plane. The concept and designs were verified by FDTD simulation. A 4×4 LOTIS structure showed correct routing of light with a low insertion loss of -0.25 dB and crosstalk of -24.12 dB. An -0.45 dB excess loss for 2D analysis and an -0.83 dB insertion excess loss for 3D analysis of two side by side metamaterial Lüneburg lenses with diameter of 15 μm was measured, which suggests that the metamaterial implementation produces minimal additional impairments to the switch.

This paper deals with a novel active bending soft body that employs metamaterials and combines soft behavior, integrated actuation, low complexity and a high density of producible forces and moments. The presented concept consists of a tube-like structure with tailored, unconventional material properties which enable the generation of a bending deformation and/or moment when circumferential stress and/or strain is induced. Circumferential actuation can be generated by a difference in pressure between the internal and external surface of the tube or, alternatively, by distributed expansion actuators that act radially or tangentially (e.g. shape memory wires). In addition to an analytical model, this paper also presents a design procedure and deals with the implementation of the proposed concept in a functional prototype and its experimental characterization.

Nous sommes intéressés dans cette thèse par l'analyse de la diffraction directe et inverse des ondes par des couches infinies périodiques localement perturbées à une fréquence fixe. Ce problème a des connexions avec le contrôle non destructif des structures périodiques telles que des structures photoniques, des fibres optiques, des réseaux, etc. Nous analysons d'abord le problème direct et établissons certaines conditions sur l'indice de réfraction pour lesquelles il n'existe pas de modes guidés. Ce type de résultat est important car il montre les cas pour lesquels les mesures peuvent être effectuées par exemple sur une couche au dessus de la structure périodique sans perdre des informations importantes dans la partie propagative de l'onde. Nous proposons ensuite une méthode numérique pour résoudre le problème de diffraction basée sur l'utilisation de la transformée de Floquet-Bloch dans les directions de périodicité. Nous discrétisons le problème de manière uniforme dans la variable de Floquet-Bloch et utilisons une méthode spectrale dans la discrétisation spatiale. La discrétisation en espace exploite une reformulation volumétrique du problème dans une cellule (équation intégrale de Lippmann-Schwinger) et une périodisation du noyau dans la direction perpendiculaire à la périodicité. Cette dernière transformation permet d'utiliser des techniques de type FFT pour accélérer le produit matrice-vecteur dans une méthode itérative pour résoudre le système linéaire. On aboutit à un système d'équations intégrales couplées (à cause de la perturbation locale) qui peuvent être résolues en utilisant une décomposition de Jacobi. L'analyse de la convergence est faite seulement dans le cas avec absorption et la validation numérique est réalisées sur des exemples 2D. Pour le problème inverse, nous étendons l'utilisation de trois méthodes d'échantillonnage pour résoudre le problème de la reconstruction de la géométrie du défaut à partir de la connaissance de données mutistatiques associées à des ondes incidentes planes en champ proche (c.à.d incluant certains modes évanescents). Nous analysons ces méthodes pour le problème semi-discrétisée dans la variable Floquet-Bloch. Nous proposons ensuite une nouvelle méthode d'imagerie capable de visualiser directement la géométrie du défaut sans savoir ni les propriétés physiques du milieux périodique, ni les propriétés physiques du défaut. Cette méthode que l'on appelle imagerie-différentielle est basée sur l'analyse des méthodes d'échantillonnage pour un seul mode de Floquet-Bloch et la relation avec les solutions de problèmes de transmission intérieurs d'un type nouveau. Les études théoriques sont corroborées par des expérimentations numériques sur des données synthétiques. Notre analyse est faite d'abord pour l'équation d'onde scalaire où le contraste est sur le terme d'ordre inférieur de l'opérateur de Helmholtz. Nous esquissons ensuite l'extension aux cas où la le contraste est également présent dans l'opérateur principal. Nous complémentons notre travail par deux résultats sur l'analyse du problème de diffraction pour des matériaux périodiques ayant des indices négatifs. Nous établissons en premier le caractère bien posé du problème en 2D dans le cas d'un contraste est égal à -1. Nous montrons également le caractère Fredholm de la formulation Lipmann-Schwinger du problème en utilisant l'approche de T-coercivité dans le cas d'un contraste différent de -1. / We are interested in this thesis by the analysis of scattering and inverse scattering problems for locally perturbed periodic infinite layers at a fixed frequency. This problem has connexions with non destructive testings of periodic media like photonics structures, optical fibers, gratings, etc. We first analyze the forward scattering problem and establish some conditions under which there exist no guided modes. This type of conditions is important as it shows that measurements can be done on a layer above the structure without loosing substantial informations in the propagative part of the wave. We then propose a numerical method that solves the direct scattering problem based on Floquet-Bloch transform in the periodicity directions of the background media. We discretize the problem uniformly in the Floquet-Bloch variable and use a spectral method in the space variable. The discretization in space exploits a volumetric reformulation of the problem in a cell (Lippmann-Schwinger integral equation) and a periodization of the kernel in the direction orthogonal to the periodicity. The latter allows the use of FFT techniques to speed up Matrix-Vector product in an iterative to solve the linear system. One ends up with a system of coupled integral equations that can be solved using a Jacobi decomposition. The convergence analysis is done for the case with absorption and numerical validating results are conducted in 2D. For the inverse problem we extend the use of three sampling methods to solve the problem of retrieving the defect from the knowledge of mutistatic data associated with incident near field plane waves. We analyze these methods for the semi-discretized problem in the Floquet-Bloch variable. We then propose a new method capable of retrieving directly the defect without knowing either the background material properties nor the defect properties. This so-called differential-imaging functional that we propose is based on the analysis of sampling methods for a single Floquet-Bloch mode and the relation with solutions toso-called interior transmission problems. The theoretical investigations are corroborated with numerical experiments on synthetic data. Our analysis is done first for the scalar wave equation where the contrast is the lower order term of the Helmholtz operator. We then sketch the extension to the cases where the contrast is also present in the main operator. We complement our thesis with two results on the analysis of the scattering problem for periodic materials with negative indices. Weestablish the well posedness of the problem in 2D in the case of a contrast equals -1. We also show the Fredholm properties of the volume potential formulation of the problem using the T-coercivity approach in the case of a contrast different from -1.

Yes / The paper presents a technique to enhance the isolation between adjacent radiating elements which is common in densely packed antenna arrays. Such antennas provide frequency beam-scanning capability needed in Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems and Synthetic Aperture Radars (SARs). The method proposed here uses a metamaterial decoupling slab (MTMDS), which is located between radiating elements, to suppress mutual-coupling between the elements that would otherwise degrade the antenna efficiency and performance in both the transmit and receive mode. The proposed MTM-DS consists of mirror imaged Eshaped slits engraved on a microstrip patch with inductive stub. Measured results confirm over 9–11 GHz with no MTM-DS the average isolation (S12) is -27 dB; however, with MTM-DS the average isolation improves to -38 dB. With this technique the separation between the radiating element can be reduced to 0.66λo, where λ0 is free space wavelength at 10 GHz. In addition, with this technique there is 15% improvement in operating bandwidth. At frequencies of high impedance match of 9.95 GHz and 10.63 GHz the gain is 4.52 dBi and 5.40 dBi, respectively. Furthermore, the technique eliminates poor front-to-back ratio encountered in other decoupling methods. MTM-DS is also relatively simple to implement. Assuming adequate space is available between adjacent radiators the MTM-DS can be fixed retrospectively on existing antenna arrays, which makes the proposed method versatile. / Partially supported by innovation programme under grant agreement H2020-MSCA-ITN-2016 SECRET- 722424 and the financial support from the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under grant EP/E022936/1.

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Au cours de ces dernières années, les chercheurs ont démontré l’importance de l’accordabilité dans les systèmes de télécommunications fonctionnant pour des multiples bandes de fréquences, afin de réduire leur complexité et leur coût. Ce travail se focalise sur des filtres innovants accordables optiquement et propose ainsi une solution alternative aux méthodes plus classiques comme les MEMS ou les diodes. Cette thèse retrace la conception de trois résonateurs pouvant être de bons candidats à intégrer dans le système accordable optiquement développé au travers du manuscrit. Ces éléments sont conçus par le biais de différentes technologies comme : la technologie « Substrate Integrated Waveguide » combinée avec un effet dit métamatériau et la méthode de cavité chargée par un plot capacitif. Tous ces résonateurs ont été créés dans le but d’avoir des performances intéressantes pour trois critères : le facteur de qualité à vide (Q0), la plage d’accord (TR) et la taille. La dernière partie, quant à elle, se consacre au système d’accordabilité basé sur l’utilisation de capacité CMS et de switches RF contrôlés optiquement et fabriqués à l’aide de la technologie silicium CMOS. Plusieurs méthodes ont été utilisées afin d’améliorer les pertes d’insertion des switches RF et par conséquent les performances du système global, démontrant la faisabilité de ce concept innovant accordable optiquement. / Researchers have demonstrated over the last decade the importance of tunability to reduce the complexity and the cost of telecommunication systems operating at multiple frequency bands and standards. This work focuses on novel optically tunable filters for microwave applications and therefore proposes alternative solution to commonly used tuning methods such as MEMS or diodes. The thesis has investigated different resonators for having good candidates for the novel optically tunable system developed throughout this manuscript. Different technologies are used to design such components, namely: Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology combined with metamaterial effect and cavity loading. All manufactured resonators are designed to be balanced between three features: the unloaded quality factor (Q0), the tuning range (TR) and the size. The last part deals with the tuning system based on SMT capacitance and optically controlled RF switches based on Si CMOS technology. Several methods have been used to improve the insertion loss of manufactured switches and therefore the performance of the whole system, demonstrating the feasibility of this novel optically based tunable concept.

Dans cette thèse, nous étudions un métamatériau inspiré de la paille de blé pour l'absorption parfaite du son. Une botte de paille estidéalisée comme un milieu poreux anisotrope, composé d’un arrangement périodique très concentré de tubes creux cylindriques. L’approche théorique de ce métamatériau repose sur l'homogénéisation asymptotique à deux échelles d'un réseau perméable de résonateursparfaitement rigides dont la physique est enrichi par des résonances internes. Les principales caractéristiques de ce milieu poreux sont lacompressibilité effective négative autour de la résonance du tube et la réduction drastique de la vitesse de propagation du son (slowsound) à très basse fréquence. Une configuration optimale est conçue, basée sur la condition de couplage critique, pour laquelle la fuited’énergie du système résonnant ouvert est parfaitement compensée par les pertes intrinsèques induites par les pertes viscothermiques.Des mesures en tube à impédance sont effectuées sur des échantillons fabriqués par impression additive pour valider les résultatsthéoriques. Nous montrons que ce métamatériau est un absorbeur sub-longueur d'onde capable d’une absorption parfaite à très bassefréquence et d'introduire une quasi-bande interdite autour de la résonance du tube. De plus, la nature anisotrope de ce matériau conduit àune absorption globalement élevée à basse fréquence et ce pour toutes les incidences. Cette étude offre la possibilité de concevoir unabsorbeur acoustique sélectif en angle et en fréquence. Pour conclure, les résultats de cette thèse montrent que la paille est un boncandidat pour une absorption acoustique parfaite. / Straw-inspired metamaterials for sound absorption are investigated in this Thesis. A straw stack is idealized as a highly concentratedresonant anisotropic porous medium constituted of a periodic arrangement of densely packed cylindrical hollow tubes. The approach tothis metamaterial relies on the two-scale asymptotic homogenization of a permeable array of perfectly rigid resonators, where the physicsis further enriched by tailoring inner resonances. The main features of such sound absorbing medium are the possibility for the effectivecompressibility to become negative around the tube resonance and the drastic reduction of the effective sound speed (slow sound) at verylow frequency in the system. Moreover, an optimal configuration for sound absorption is designed, based on the critical couplingcondition, in which the energy leakage out of the open resonant system is perfectly compensated by the intrinsic losses induced by thevisco-thermal losses both in the anisotropic matrix and in the resonators. Impedance tube measurements are performed on 3-D printedsamples with controlled parameters to validate the theoretical results. This metamaterial is a sub-wavelength absorber that can achievetotal absorption at a very low frequency and possesses a quasi-band-gap around the tube resonance. Furthermore, the anisotropic nature ofthe configuration gives rise to high absorption at low-frequency range for all incidences and diffuse field excitation. It paves the way tothe design of angular and frequency selective sound absorber. To conclude, the results of this Thesis show that straw is a good candidatefor perfect sound absorption.

Les enjeux majeurs des dispositifs hyperfréquences utilisés dans les systèmes de télécommunication modernes sont la montée en fréquence de fonctionnement, la miniaturisation des circuits et l’intégrabilité des composants.Grâce à l’émergence des métamatériaux et à la maîtrise des propriétés des ferrites, il est possible de développer nouveaux dispositifs répondant à ces nouvelles exigences de l’électronique embarquée.Cette thèse développe, à partir d’une ligne métamatériau HIW coplanaire basée sur un substrat de ferrite, un nouveau dispositif hyperfréquence non réciproque de faible encombrement, opérant à des fréquences situées entre 13 et 15 GHz.Les prototypes fabriqués et caractérisés sous de faibles valeurs de champ magnétique, présentent les performances caractéristiques d’un isolateur bande étroite: isolation supérieure à 30 dB, pertes d’insertion inférieures à 1 dB. / The main challenges of microwave devices used in modern telecommunication systems are the increase of the operating frequency, the circuit’s miniaturization and the integration of components.Thanks to the emergence of metamaterials and the control of the properties of ferrites, it is possible to develop new circuits that meet these new requirements for embedded electronics.This thesis investigates, from a coplanar HIW metamaterial line based on a ferrite substrate, a new non-reciprocal microwave device, operating in frequency range between 13 and 15 GHz.Prototypes were fabricated and characterized under low magnetic field. They achieved the characteristic performances of a narrow band isolator: isolation over 30 dB and insertion losses of less than 1 dB.