L'objectif de cette thèse est d'exploiter les phénomènes des ondes de fuite pour améliorer les performances des antennes classiques à ouverture pour les applications spatiales. Ici, nous considérons des configurations planaires où les ondes de fuite sont excitées entre un plan de masse et un superstrat partiellement réfléchissant. Des réseaux de petites ouvertures sur le plan de masse sont utilisés pour alimenter les antennes considérées. Les structures avec superstrat sont développées en configuration réseaux simples ou réseaux à commande de phase, considérées intéressantes en termes de flexibilité du système pour des liens satellitaires de nouvelle génération.Pour étudier efficacement ces antennes, nous avons développé un outil d'analyse basé sur une approche spectrale avec fonction de Green. Cet outil permet d'analyser les structures proposées en prenant en compte l'impact du couplage mutuel entre les éléments sur les performances de rayonnement avec une réduction du temps de calcul et d'utilisation de mémoire.L'augmentation du gain des structures à ondes de fuite peut ouvrir la voie à la réduction du nombre d'éléments des réseaux associés, et donc des commandes en amplitude et phase. Dans une configuration à ondes de fuite, chaque élément du réseau rayonne avec une ouverture équivalente plus grande, augmentant ainsi l'espacement entre les éléments sans affecter le gain global de la structure. Comme largement expliqué dans le manuscrit, les solutions à ondes de fuite représentent par conséquent un avantage majeur pour les antennes du segment utilisateur.En plus de l'amélioration du gain, la technologie à ondes de fuite peut être efficacement exploitée pour synthétiser le diagramme de rayonnement, en choisissant correctement les paramètres de conception de l'antenne. Cette caractéristique peut être utilisée dans les réseaux à commande de phase, pour produire un diagramme d'élément qui minimise les pertes par dépointage et qui filtre les lobes de réseaux. Une procédure de synthèse pour des antennes réseaux raréfiés à ondes de fuite est ainsi présentée dans le manuscrit, ainsi qu'une nouvelle configuration de réseaux avec superstrat irrégulier. Ce dernier permet de réduire les lobes secondaires de l'antenne en utilisant une excitation uniforme. Cette dernière configuration montre clairement que la capacité de modifier le diagramme de rayonnement est la caractéristique la plus attrayante des antennes planaires à ondes de fuite, pour être utilisée dans des solutions de réseaux à commande de phase. / The objective of this thesis is to exploit the leaky-wave phenomena to enhance the performance of classical aperture antennas for space applications. Here, we consider planar configurations where the leaky modes are excited between a ground plane and a partially reflective superstrate. Arrangements of small apertures opening on the ground plane are used to feed the antennas under study. The superstrate-like leaky-wave structures are developed in array or phased array configurations, considered of interest in terms of flexibility of the system for next generation satellite links. In order to efficiently study planar leaky-wave arrays, we have developed an analysis tool based on a Green's function spectral approach. The developed tool allows to precisely analyze the proposed structure by taking into account the impact of the mutual coupling among the elements on the radiation performance of the whole antenna. In addition, it can handle extremely large structures in terms of wavelengths with a small computational effort with respect to commercial tools. In particular, the gain enhancement of leaky-based structures can pave the way to the reduction of the number of elements of the associated phased arrays. In a leaky-wave configuration each element of the array will radiate with a larger equivalent aperture allowing a larger spacing among elements without affecting the final gain of the whole structure. This aspect is particularly important in the case of phased arrays, where phase shifters and control cells are, typically, the most expensive components of the system. As extensively explained in the manuscript, antennas for user segment might find the highest benefit by using leaky-wave solutions. Besides the gain enhancement, the leaky-wave technology can be effectively exploited to conveniently shape the radiation pattern by properly engineering the design parameters of the antenna. This capability can be used in phased arrays to generate a convenient element pattern to minimize the scan losses and filter the grating lobes appearing in the visible space when dealing with periodicities larger than a wavelength. Therefore, a synthesis procedure for thinned leaky-wave arrays is presented in the manuscript. Also, a novel array configuration, the irregular superstrate array, is presented. The irregular superstrate allows the reduction of the side lobes of the antenna below -20 dB in the considered 2.5 % band, using a uniform excitation. This last configuration clearly shows that the shaping capability of leaky-wave antennas is the most appealing feature to be used in phased array solutions.

Ce mémoire de maîtrise traite des circuits actifs amplificateurs dont la conception est faite spécialement pour qu'ils soient intégrés aux métamatériaux électromagnétiques, en particulier à une antenne à ondes de fuite CRLH (Composite right/left-handed). Cette antenne a la particularité de pouvoir varier la direction de son rayonnement sur près de 180 degrés, en changeant simplement la fréquence du signal émis. Par conséquent, elle est une candidate de choix pour les applications radars. Toutefois, étant donné que son gain est relativement faible, des amplificateurs ont été ajoutés entre certaines de ses sections pour créer une antenne active CRLH [Casares-Miranda et al. , 2006]. Malheureusement, cette dernière n'est optimisée que pour une seule fréquence, donc pour un rayonnement dans une seule direction. Lobjectif de ce projet est donc la conception d'amplificateurs qui permettraient que cette antenne active ait un rayonnement optimal à toutes les fréquences. Dans ce texte, la théorie générale des métamatériaux est expliquée pour ensuite se concentrer sur les caractéristiques de l'antenne à ondes de fuite CRLH. Une étude de celle-ci est complétée de manière a déterminer les spécifications nécessaires des circuits amplificateurs qui y seront intégrés. Il est ainsi indiqué que pour fabriquer une antenne à ondes de fuite active idéale, les amplificateurs devraient avoir un gain constant sur toute la bande. Aussi, le déphasage introduit par ceux-ci doit être le plus constant possible sur toute cette bande, donc le délai de groupe de ces circuits doit être minimum. Cependant, un fait intéressant qui est amené par cette étude est qu'en intégrant des déphaseurs dans les circuits amplificateurs, il est possible de fabriquer une antenne à ondes de fuite CRLH active dont on peut obtenir une grande variété de diagrammes de rayonnement sur toute la plage de fréquences. Par conséquent, l'étude, la conception et la fabrication de circuits amplificateurs et déphaseurs sont discutées. Ces circuits sont faits avec des MESFET.

Dans ce rapport, une méthode pour l'implémentation de distributions de champ arbitraires utilisant des metasurfaces tensorielles est présentée. Les metasurfaces modulées sinusoïdalement sont utilisées afin de générer des ondes de fuite avec un contrôle de l'amplitude et de la phase. La distribution de phase du champ d'ouverture désirée est obtenue en utilisant une nouvelle formulation locale du principe de l'holographie. D'autre part, la distribution d'amplitude est contrôlée en faisant varier les indices de modulations ainsi que l'impédance moyenne en fonction de la position. Un contrôle indépendant de l'amplitude et de la phase est obtenu en modulant séparément les composantes du tenseur d'impédance. La formulation théorique est présentée en détails en prenant en compte la méthode d'implémentation ainsi que les contraintes d'adaptation. La méthode proposée est appliquée afin de générer plusieurs types de diagrammes de rayonnement aussi bien en champ lointain qu'en champ proche. La procédure de design a été validée numériquement avec des simulations pour une fréquence de travail de 20GHz. Les résultats obtenus sont en concordances avec les résultats théoriques attendus. Différentes metasurfaces ont ensuite été fabriquées et mesurées pour des fréquences de travail de 10GHz, 12.25GHz et 20GHz. Les résultats de mesures et de simulations démontrent qu'une large variété de distribution d'ouverture avec un contrôle d'amplitude et de phase peut être réalisée avec la méthode proposée. / In this thesis, a method for the implementation of arbitrary aperture field distributions using tensorial metasurfaces is introduced. Sinusoidally modulated metasurfaces are used in order to generate leaky waves with control on both phase and amplitude. The desired aperture phase distribution is obtained using a new local holography formulation. On the other hand, the amplitude distribution is controlled by varying modulation indices and average impedance depending on the position. A separate control of the aperture field components is achieved by modulating the impedance tensor elements independently. The theoretical formulation of the method is presented in details by taking into account the implementation method and antenna adaptation issues. The method is applied to design a wide range of radiation patterns examples both for far-field and near-field applications. The design procedure was first validated with simulations results for a working frequency of 20GHz giving a good agreement with the theoretical results. Several metasurfaces were then manufactured and measured for working frequencies of 10 GHz, 12.25 GHz and 20GHz. The consistency of the measurements and the simulation results proves that a good control of the aperture field phase and amplitude distributions is achieved using the proposed method.

Depuis plusieurs années, des travaux en collaboration avec le Département Electromagnétisme et Radar de l'ONERA et le Groupe de Recherche en Electromagnétisme du LAPLACE ont permis l'élaboration d'un modèle basé sur les faisceaux gaussiens traitant l'interaction de champs électromagnétiques avec des structures complexes de grande taille. Dans ce formalisme asymptotique le champ incident est représenté comme une somme de faisceaux élémentaires. Il permet ainsi de ramener le calcul de l'interaction globale du champ avec la structure à une somme d'interactions plus simples. En outre, la distribution gaussienne des faisceaux et la forme canonique des portions d'objets interceptées permettent l'obtention de formulations analytiques des champs rayonnés. Toutefois, ce modèle nécessite la décomposition du champ incident sur une surface courbe présentant une amplitude nulle du champ sur ses bords. Cette contrainte n'est pas limitante dans de nombreux cas sauf celui, par exemple, d'une antenne posée sur un support. En effet, le champ rasant de part et d'autre de l'antenne peut alors être non nul et même interagir fortement avec le support en excitant des ondes de surface. Cette configuration fait apparaître au niveau du modèle un problème de fermeture du domaine de décomposition et de prise en compte des ondes de surface. Ces dernières revêtent un intérêt croissant lié d'une part à l'objectif de miniaturisation des systèmes micro-ondes et d'autre part, au développement récent des métamatériaux. Dans les deux cas les ondes de surface sont soit subies soit utilisées. Cependant, la définition même des ondes de surface et de leurs variantes telles que les ondes de fuite est peu connue et apparaît de manière confuse dans la littérature. Ainsi, l'objectif de cette thèse est double. Il s'agit d'une part, de faire une synthèse la plus claire possible sur les différents types d'ondes de surface et, d'autre part, de proposer une adaptation du modèle faisceaux gaussiens permettant leur prise en compte pour le calcul du couplage antenne-structure. Dans un premier temps, nous étudions les propriétés modales et l'excitation des ondes de surface et de fuite. Puis, nous adaptons des travaux de la littérature afin de modéliser, en deux dimensions, l'excitation de ces ondes par des courants de surface équivalents. A cette occasion nous proposons une formulation analytique, valable à grande distance, de l'interaction d'un faisceau gaussien avec une lame de métamatériau sur métal. Dans la deuxième partie du travail, nous proposons, en deux dimensions, une méthode d'hybridation entre la décomposition en faisceaux gaussiens et la décomposition en courant équivalents de surface. Cette méthode est appliquée au cas d'une antenne placée sur une lame de diélectrique sur métal Nous définissons alors les paramètres pertinents pour décrire l'hybridation des deux méthodes. Après une étude de leur influence sur la qualité des résultats, nous proposons un réglage par défaut donnant de bons résultats dans le cas général.