Les communications sans fil de nouvelle génération exigent des architectures et des systèmes d'antennes innovants pour atteindre des débits de données plus élevés, une faible consommation d'énergie et une couverture radio plus large. L'exploitation de la bande THz s'est avérée être le meilleur choix pour surmonter ces défis. Avec une bande passante intrinsèque de plusieurs dizaines de GHz, elle se présente comme le candidat le plus adapté. De plus, le passage des normes de télécommunications à des fréquences plus élevées permet d'atténuer la saturation du spectre qui se produit jusqu'à la gamme des ondes millimétriques. D'autre part, l'exploitation de fréquences élevées dois faire face aux importantes pertes de propagation dans l'espace libre, ce qui rend les liaisons radio en champ proche plus exploitables. Par conséquent, les réseaux sans fil du futur fonctionneront probablement dans la région de rayonnement du champ proche. L'ensemble de ces facteurs pousse à la nécessité d'antennes efficaces large bande et focalisant en champ proche. À ces fréquences, les caractéristiques de conception sont très petites, et les contraintes de fabrication limitent souvent les performances réalisables, nécessitant l'utilisation de technologies plus coûteuses et à haute résolution. Les réseau transmetteurs (Transmitarrays, TAs) ont émergé comme une solution particulièrement prometteuse et polyvalente pour la formation de faisceaux en trois dimensions. Ils résolvent efficacement la limitation en bande passante, inhérente aux antennes résonnantes et parent efficacement les systèmes d’alimentation dissipatif que l'on trouve couramment dans les réseaux phasés. De plus, les TAs peuvent être facilement intégrés dans des processus de fabrication planaire, tels que les cartes de circuits imprimés standard (PCB). Ces caractéristiques permettent le développement d'antennes à faible coût et à profil réduit offrant des capacités impressionnantes de mise en forme des faisceaux en champ proche dans la région sub-THz. Cette thèse présente, pour la première fois, un cadre mathématique complet conçu pour la détermination précise du rayonnement en champ proche émis par un transmetteur. Cet outil numérique innovant permet de prédire les amplitudes du champ électrique en tenant compte de toutes les caractéristiques des blocs élémentaires du système. Cela inclut la puissance injectée, le gain de la source focale, la distance entre la source focale et chaque cellule unitaire, ainsi que la directivité des cellules unitaires et leurs coefficients de transmission en phase et en amplitude. Une variété de schémas de focalisation en champ proche est obtenue, permettant de contrôler à la fois les distributions focales et longitudinales, qu'elles soient sur ou hors de l'axe de propagation. Les TAs correspondants sont fabriqués à l'aide d'un processus PCB standard et caractérisés expérimentalement à 300 GHz dans une grande variété de scénarios. Les résultats empiriques valident l'approche d'analyse et de conception proposée.

Dans ce travail de thèse, on se proposait d’explorer les synergies inhérentes entre services de radiolocalisation et de communication au sein de systèmes sans fil en bandes millimétriques (mm-Wave). Ces derniers sont actuellement pressentis pour couvrir les besoins de la cinquième génération (5G) de réseaux en termes de débits et de charges utiles. Un objectif général consistait alors à montrer comment ces deux fonctions pouvaient s’avérer mutuellement bénéfiques. Tout d'abord, nous avons étudié comment la formation de faisceau (au sens du pré-codage) pouvait contribuer à améliorer les performances de localisation, pour des systèmes multi-porteuses mono- et multi-utilisateurs. En particulier, en s’appuyant sur les performances théoriques de localisation au sens de la limite inférieure de Cramér-Rao (CRLB), nous avons montré qu'il était possible, au moyen d’une formation de faisceau optimisée, d’améliorer l'estimation de variables radio intermédiaires, telles que le délai, l'angle de départ (AoD) et/ou l'angle d'arrivée (AoA) du signal transmis, et in fine, l’estimation de la position et/ou de l’orientation du mobile. Nous avons ensuite considéré le problème de la coexistence des deux services, en envisageant différentes stratégies de budgétisation et de partage de ressources, en temps et en fréquence. A cette occasion, nous avons illustré la présence de compromis non-triviaux entre les performances de localisation et de communication. Nous avons alors proposé des schémas d’allocation de ressources et d’optimisation des faisceaux (en termes de largeur et/ou d’alignement), permettant d’assurer conjointement le meilleur niveau de performances pour les deux services. Nous avons enfin étudié la possibilité d’exploiter explicitement l’information de localisation ainsi acquise, en particulier pour l'accès initial, l’estimation de canaux multi-trajets, ou encore la localisation et la cartographie simultanées (SLAM). En comparaison d’approches plus conventionnelles, nous avons montré comment les performances de telles applications pouvaient être améliorées en termes de précision, de latence et/ou de complexité calculatoire.