Les études montrent généralement que la partie radio est l'une des plus grandes sources de consommation d'énergie dans un nœud de capteur. Cette source de consommation est directement liée au type d’antenne utilisé sur le module radio du nœud. Or, nombre de nœuds de capteurs sans fil sont généralement équipés d'antennes omnidirectionnelles provoquant ainsi un gaspillage de l'énergie dû à leur rayonnement. Face à un tel constat, ce mémoire présente des systèmes d'antennes directives et reconfigurables dédiés à ces nœuds capteurs en lieu et place des antennes omnidirectionnelles pour pallier à cette perte d’énergie. Il s’agit de petites antennes qui doivent respecter pleinement la gamme de fréquences nécessaire pour fonctionner correctement, mais aussi, dont le rayonnement peut être modifié en utilisant des composants actifs peu gourmands en énergie avec un contrôle actif qui doit également être simple. La première solution proposée est une solution antennaire directive inspirée d'une antenne imprimée Yagi/Uda dans la bande ISM-2,4 GHz. Elle offre, en simulation, un gain élevé avec une valeur de 7,3dB et un angle d’ouverture à -3dB de 57 ° dans le plan azimutal. La deuxième solution proposée est une antenne à plusieurs faisceaux (six) possibles dans le plan azimutal. Celle-ci se compose de six monopôles identiques, ayant chacun un port d’alimentation. De par la sélection du port alimenté, un diagramme directif de gain simulé de 4,6 dB et d’angle d’ouverture à -3dB de 55° est obtenu, permettant ainsi une couverture globale du plan azimutal. De plus, une carte électronique dotée d’un switch de type SP6T dédiée à cette antenne a été conçue pour contrôler ces six diagrammes de rayonnement de manière automatique. Afin de réduire le nombre d'éléments rayonnants tout en améliorant les performances radio électriques obtenues, une troisième solution a été proposée. Elle se compose d'un monopôle alimenté et d'un monopôle parasite chargé par une inductance de 9,6 nH. La nature et la valeur de la charge ont été obtenues en utilisant les équations d'Uzkov qui permettent de calculer les coefficients de pondérations dans le cas de deux antennes monopôles alimentées séparément afin de maximiser le gain et la directivité dans une direction privilégiée. Contrairement à l’usage de la carte électronique pour le contrôle de diagramme de rayonnement dans le cas de la structure antennaire à six monopôles, l’aspect reconfigurable en diagramme est obtenu dans ce cas en utilisant des éléments réflecteurs et directeurs activés par des diodes PIN. Elle procure en simulation un gain maximal de 5,2 dB en azimut pour un angle d’ouverture à -3dB de 52°, dans les directions 90° et 270° selon les diodes sélectionnées. Enfin, une application directe de cette structure est proposée pour couvrir plus de deux directions en azimut. Elle consiste en un ensemble de quatre monopôles dans lequel deux d’entre eux sont alimentés et les deux autres sont chargés par des inductances identiques. Il est capable de diriger son rayonnement dans le plan azimutal couvrant des directions sur 360 ° (0 °, 90 °, 180 ° et 270 °). Le gain total réalisé simulé est de 4 dB pour chaque diagramme de rayonnement dans le plan azimutal avec un angle d’ouverture à 3dB d’environ 60°. Des campagnes de mesures ont été effectuées pour chacune des antennes présentées dans ce mémoire. L’indicateur de la puissance du signal reçu (RSSI) a été la grandeur métrique utilisée pour quantifier les performances des antennes proposées. Suite à ces campagnes, nous avons pu remarquer que l’utilisation d’antennes directives seules, améliorant la portée de communication entre deux nœuds de capteurs s’avère insuffisante dans le cas d’un déploiement aléatoire de nœuds capteurs. / Studies have shown that the communication subsystem is one of the greatest sources of energy consumption in wireless sensor networks. This subsystem is directly bounded to the type of antenna used on the radio module. Several sensor nodes are equipped with omnidirectional antennas leading to a waste of energy due to the shape of their beam. Instead of using omnidirectional antennas, directive and reconfigurable antennas system dedicated to wireless sensor networks are presented in this work so as to alleviate the waste of energy. On one hand, such dedicated antennae should be small in size and particularly designed by taking into consideration the frequency bandwidth of the node. On the other hand, their radiation pattern should also be reconfigurable by using powerless active components with a simple active control. To reach these objectives, we have in a first time proposed a directive solution inspired of a Printed-Yagi antenna in the ISM band (2.4-2.485) GHz. It provides high gain with a value of 7.3dB and a half power beam width BW−3dB of 57° in the azimuth plane. Secondly, we have proposed a multiple directional antenna in the ISM band. This antenna consists of six identical monopole antennas arranged in the same structure, having each one feeding port. Due to the selection of each feeding port, the proposed antenna covers the whole azimuthal plane with a simulated beam of 4.6 dB along with a half power beam width BW−3dB of 55°. Moreover, an electronic card equipped with an SP6T switch dedicated to that antenna has been developed to control the radiation pattern of the six identical antennas automatically. Willing to reduce the number of radiating elements while enhancing the radio performance, a third antenna has been proposed. It consists of a fed monopole and a loaded parasitic one having an inductance component of 9.6nH. The nature and the value of this inductance are obtained using the Uzkov equations that calculate the current weighting coefficients in the case of two separately fed antennas to maximize the gain and the directivity in the desired direction. Contrary to the use of electronic card in the control of radiation pattern prior to the conception of the third antenna, the reconfigurable aspect is obtained by using reflectors and director’s elements activated by PIN diodes. It offers a maximum gain of 5.2 dB in simulation at 2.4GHz along with a half power beam width BW−3dB of 52°, in both the 270° and +90° azimuthal directions depending on the selection of the set of PIN diodes. Finally, a straight application of this structure has been proposed in order to cover more than two directions in the azimuth plane. It is an array of four monopole antennas in which two of them are fed and the two others are loaded. Such antenna is capable to steer its radiation pattern in the azimuth plane covering 360° directions (0°, 90°, 180° and 270°). The achieved simulated realized total gain is 4 dB for each radiation pattern in the azimuth plane along with a half power beam width of about 60°. Measurement campaign test has been carried out for each proposed antenna in this work. During these measurements, the received signal strength indicator (RSSI) has been the paramount value to estimate the antenna performance in connection with the sensor node. Following this measurement campaign, we have been able to notice that the use of only directive antennas is not sufficient in a random deployment of sensor nodes. Hence, the reconfigurable aspect of the beam pattern by use of powerless active components should be taken into consideration. Such kind of antennas provide an improvement of the RSSI, which is a key factor in the reduction of collisions drastically on one hand, and on the other hand related to a reduction of power consumption

La radiogoniométrie joue un rôle crucial dans diverses applications, aussi bien civiles que militaires, liées soit à la radionavigation ou à la radiolocalisation. La plupart des antennes de goniométrie opèrent sur une large bande de fréquences, mais seule une minorité d’entre elles permettent l'estimation de la direction d’arrivée d’un champ électromagnétique incident sur une couverture angulaire 3-D (c.-à-d., l’estimation à la fois des angles d’azimut et d’élévation). Une approche originale permettant d’obtenir une couverture angulaire 3-D consiste à mesurer les six composantes d’un champ électromagnétique incident à l’aide d’une antenne dite vectorielle. L'objectif de cette thèse est de concevoir une antenne vectorielle passive, compacte et large bande afin de couvrir un maximum d'applications. Deux antennes vectorielles ont été conçues, fabriquées et caractérisées expérimentalement. \`A la différence d'une topologie conventionnelle, elles permettent de mesurer les composantes d'un champ électromagnétique incident grâce à la reconfigurabilité en diagramme de rayonnement d'un arrangement original d'antennes Vivaldi. Le premier prototype est monté sur un support métallique fini et permet l'estimation de la direction d'arrivée de champs électromagnétiques polarisés verticalement sur une bande passante de 1.69:1 tandis que le second peut être utilisé quelle que soit la polarisation des champs électromagnétiques incidents sur une bande passante de 8:1. De plus, les performances de goniométrie de ces antennes vectorielles ont été améliorées du point de vue de la précision, de la sensibilité, de la robustesse face aux ambiguïtés angulaires et aux erreurs de dépolarisation en synthétisant de nouveaux diagrammes de rayonnement dans le processus d'estimation. Une méthode basée sur la borne de Cramer-Rao a été élaborée afin de sélectionner efficacement et rapidement les diagrammes de rayonnement supplémentaires. / Direction finding plays a crucial role in various civilian and military applications, related to either radionavigation or radiolocation. Most of the direction finding antennas operate over a wide frequency band, but only a minority of them enable the direction of arrival estimation of an incoming electromagnetic field over a 3-D angular coverage (i.e., estimation of both azimuth and elevation angles). An original approach to obtain a 3-D angular coverage consists in measuring the six components of the incident electromagnetic field through a so-called vector antenna. The aim of this Ph.D. is to design a passive, compact and wideband vector antenna in order to cover a maximum of applications. Two vector antennas have been designed, manufactured and experimentally characterized. Unlike conventional topology, they enable the measurement of the components of an incoming electromagnetic field thanks to the radiation pattern reconfigurability of an original arrangement of Vivaldi antennas. The first prototype is mounted over a finite metallic support and enables the direction of arrival estimation of vertically-polarized electromagnetic fields over a 1.69:1 bandwidth while the second one can be used regardless of the polarization of the incoming electromagnetic fields over a 8:1 bandwidth. Moreover, the direction finding performances of these vector antennas have been improved in terms of estimation accuracy, sensitivity, robustness to angular ambiguity and polarization mismatch by synthesizing new radiation patterns in the estimation process. A method based on the Cramer-Rao lower bound has been proposed to select efficiently and rapidly the additional radiation patterns

No description available.

[ES] La Teoría de los Modos Característicos, formulada originalmente en 1968, permite obtener un conjunto de valores propios reales y modos de corriente reales que se pueden utilizar para expandir la corriente total en un cuerpo conductor o dieléctrico. La información proporcionada por las corrientes características (modos) y los valores propios se puede utilizar para realizar el diseño de la antena de una manera sistemática. La gran ventaja de la Teoría de los Modos Característicos sobre otros métodos de diseño tradicionales es la clara visión física que se proporciona sobre los fenómenos que contribuyen a la radiación de la antena. Esta visión física permite comprender mejor el funcionamiento de la antena, de modo que el diseño y la optimización de la misma se pueden llevar a cabo de forma rápida y coherente. El objetivo de esta Tesis es extender el uso de la Teoría de los Modos Característicos al diseño de antenas reconfigurables de manera sistemática. El uso de antenas reconfigurables se ha vuelto cada vez más importante en los últimos años, como una forma de cumplir con los requisitos impuestos y el rendimiento deseado en los nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricas. El enfoque de hacer una antena reconfigurable implica la capacidad de una antena para ajustar sus características, como la frecuencia de operación, el diagrama de radiación y la polarización. Diversos componentes activos como diodos varactor, diodos PIN, MEMS, interruptores de RF, elementos fotoconductores o materiales inteligentes pueden usarse para cambiar estas características básicas de la antena. La reconfiguración dinámica de los parámetros operativos de una antena conduce a un sistema de comunicación flexible. Las antenas reconfigurables por frecuencia permiten el mantenimiento de múltiples estándares mientras se mantienen las mismas características físicas de las antenas. La antena reconfigurable por radiación y la diversidad de polarización permiten aumentar la eficiencia de las comunicaciones interiores al reducir significativamente el nivel de interferencia. En esta tesis, la investigación gira en torno al análisis y diseño de estructuras de antenas con la Teoría de los Modos Característicos de manera que los parámetros de las antenas sean sintonizables, por lo que el diseño final de la estructura es una antena reconfigurable que modifica dinámicamente su rendimiento de una forma razonada y coherente. Se analizarán los modos característicos y sus propiedades para diseñar antenas reconfigurables, que combinarán diferentes modos y producirán diferentes características de radiación. En este trabajo se implementará un método sistemático para obtener las características requeridas de la antena. Además, se analizarán y evaluarán diferentes técnicas de conmutación para evaluar su efecto real en la antena y en los modos característicos. El trabajo se centrará en el diseño de pequeñas antenas reconfigurables para aplicaciones IoT y sistemas 5G. / [CA] La Teoria dels Modes Característics, formulada originalment el 1968, permet obtenir un conjunt de valors propis reals i modes de corrent reals que es poden utilitzar per expandir el corrent total en un cos conductor o dielèctric. La informació proporcionada pels corrents característics (modes) i els valors propis es pot utilitzar per fer el disseny de l'antena d'una manera sistemàtica. El gran avantatge de la Teoria dels Modes Característiques sobre altres mètodes de disseny tradicionals és la clara visió física que es proporciona sobre els fenòmens que contribueixen a la radiació de l'antena. Aquesta visió física permet comprendre millor el funcionament de l'antena, de manera que el disseny i l'optimització de la mateixa es poden dur a terme de forma ràpida i coherent. L'objectiu d'aquesta Tesi és estendre l'ús de la Teoria dels Modes Característics al disseny d'antenes reconfigurables de manera sistemàtica. L'ús d'antenes reconfigurables s'ha tornat cada cop més important en els darrers anys, com una forma de complir amb els requisits imposats i el rendiment desitjat en els nous sistemes.temes de comunicacions sense fil. L'enfocament de fer una antenna reconfigurable implica la capacitat duna antena per ajustar les seves característiques, com la frequ¿ència d'operació, el diagrama de radiació i la polarització. Diversos components actius com va donar dos varactor, díodes PIN, MEMS, interruptors de RF, elements fotoconductors o materials intel·ligents poden utilitzar-se per canviar aquestes característiques bàsiques de l'antena. La reconfiguració dinàmica dels paràmetres operatius duna antena condueix a un sistema de comunicació flexible. Les antenes reconfigurables per frequ¿ència permeten el manteniment de múltiples estàndards mentre es mantenen les mateixes característiques físiques de les antenes. L'antena reconfigurable per radiació i diversitat de polarització permeten augmentar l'eficiència de les comunicacions interiors en reduir significativament el nivell dinterferència. En aquesta tesi, la investigació gira al voltant de l'anàlisi i el disseny de estructures d'antenes amb la Teoria dels Modes Característics de manera que els paràmetres de les antenes siguin sintonitzables, per això que el disseny final de lestructura és una antena reconfigurable que modifica dinàmicament el seu rendiment d'una forma raonada i coherent. S'analitzaran els modes característics i les propietats per dissenyar antenes reconfigurables, que combinaran diferents maneres i produiran diferents característiques de radiació. En aquest tractament baix s'implementarà un mètode sistemàtic per obtenir les característiques requerides de l'antena. A més, s'analitzaran i avaluaran diferents tècniques de commutació per avaluar el seu efecte real a la antena i en les maneres característiques. El treball se centrarà en el disseny de petites antenes reconfigurables per a aplicacions IoT i sistemes 5G. / [EN] The Theory of Characteristic Modes, originally formulated in 1968, allows to obtain a set of real eigenvalues and real current modes that can be used to expand the total current on a conducting or dielectric body. The information provided by characteristic eigencurrents (modes) and eigenvalues can be used to perform antenna design in a systematic way. The great advantage of the Theory of Characteristic Modes over other traditional design methods is the clear physical vision provided about the phenomena that contribute to the radiation of the antenna. This physical vision allows to better understand the operation of the antenna, so that the design and the optimization of it can be carried out quickly and coherently. The objective of this Thesis is to extend the use of the Theory of Characteristic Modes to the design of reconfigurable antennas in a systematic way. The use of reconfigurable antennas has become more and more important during the last years, as a way to meet the imposed requirements and desired performance of novel wireless communication systems. The approach of making an antenna reconfigurable implies the capability of an antenna system to adjust its characteristic such as operating frequency, radiation pattern and polarization. Active components such as varactor diodes, PIN diodes, MEMS, RF switches, photoconductive elements or smart materials can be used to change these base characteristics. The dynamic reconfigurability of the operating parameters of an antenna leads to a flexible communication system. Frequency reconfigurable antennas enable multi-standard performances to be maintained while preserving the same physical characteristics of the antennas. Radiation reconfigurable and polarisation diversity antennas enable to increase the efficiency of indoor communications by significantly decreasing the level of interference. In this thesis, the research is turning around the analysis and design of antenna structures with the Theory of Characteristic Modes in a way that the antenna parameters will be tuneable, so the final design of the structure is a reconfigurable antenna that modifies dynamically its performance in a reasoned and coherent way. Characteristic modes and their properties will be analysed in order to design reconfigurable antennas, which combine different modes and produce different radiation characteristics. A systematic method to obtain the required characteristics of the antenna will be implemented during this work. Moreover, different switching techniques will be analysed and evaluated in order to asses their real effect on the antenna and on the characteristic modes. In this work, small reconfigurable antenna prototypes will be designed for IoT applications and 5G systems. / This study was supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation (Ministerio Ciencia e Innovación) under project no. PID2019-107885GB-C32 and Generalitat Valenciana under project no. AICO/2019/018. This work has also been supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities (Ministerio Ciencia, Innovación y Universidades) under the project TEC2016- 78028-C3-3-P and by “Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique (CNRST, Maroc)” as part of the research excellence scholarships program / Mahlaoui Boudallaa, Z. (2023). Analysis and Design of Reconfigurable Antennas Using the Theory of Characteristic Modes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201555

Plasma is the 4th state of matter with complex permittivity that can be exploited to give advantages in communication system. Its negative permittivity has been studied in many research papers and it was proven to have similar characteristics as metal material in terms of electrical conductivity. While keeping permeability in the positive region, plasma will respond to electromagnetic waves in the similar manner as metal. Therefore, this thesis aimed to use plasma as an alternative to metal in the construction of reconfigurable antennas. The first part of this thesis is dedicated to characterize a plasma model based on the commercially available plasma source. Since there are many type of plasma source in terms of their electrical properties and physical shapes, it is important to characterize a particular plasma source so that it can be modeled in simulations to construct other types of plasma antennas. The second part presents the realization of plasma reflector antennas. Two types of plasma reflector antennas have been simulated, fabricated and measured at 2.4 GHz. The first one is are round reflector antenna (RRA) and the second one is corner reflector antenna (CRA). The performances of RRA have been validated and it was proven to provide beam shaping and beam scanning capability. The measured radiation patterns are in a good agreement with simulation ones. The capability of RRA is exceptional since it can steer its main beam from 0° up to 360°. Moreover, the scanning gain remains the same as the main beam is being moved from one direction to another. The CRA that has been introduced in this thesis is a novel design since it integrates two corner-reflector antennas on a single ground plane. The CRA offers three beam shapes which are electrically switchable from one shape to another. The CRA was simulated, fabricated and finally its performances were validated throughout a series of agile measurements. The measured reflected radiation patterns are in good agreements with the simulation ones. The measured gains of the RRA and CRA are 5 dB higher than the gain of classical monopole antenna with an identical size of finite ground plane. The fourth part deals with plasma as radio waves radiator. Two plasma antennas using commercially available U-shaped compact fluorescent lamp (CFL) have been fabricated and measured and it was proven that these antennas can be to radiate radio signal. The last part discusses about radar cross section performance of the plasma reflector antennas. The two plasma reflector antennas (RRA and CRA) were tested and measured for their RCS performance.