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.

La radiogoniométrie consiste à mesurer l’angle d’incidence de signaux électromagnétiques, et a pour applications la guerre électronique et le contrôle du spectre. Parmi les différentes méthodes existantes, l’interférométrie corrélative, reposant sur l’analyse du déphasage entre antennes, a été retenue. Toutefois cette méthode soulève diverses problématiques, telles que la compacité et la largeur de bande. Ce travail de thèse a consisté en premier lieu à concevoir des antennes compactes dans les bandes [1-6 GHz] et [6-18 GHz], tout en assurant une bonne adaptation d’impédance. Ces antennes présentent une diversité de polarisation horizontale et verticale, et sont co-localisées afin d’assurer la compacité du système. Ces antennes en bande [1-6 GHz] et [6-18 GHz] ont été réalisées, avec comme dimensions respectives 86.4 mm x 88 mm x 86.4 mm (0.288λ x 0.293λ x 0.288λ), et 30 mm x 22 mm x 30 mm (0.6λ x 0.44λ x 0.6λ). Un réseau de trois antennes par bande et par polarisation a été conçu en reprenant les topologies des antennes précédentes, de dimensions 329.4 mm x 88 mm x 86.4 mm pour la bande [1-6 GHz], et 105.2 mm x 22 x 30 mm pour la bande [6-18 GHz]. Des mesures en conditions réelles d’utilisation ont été effectuées en chambre anéchoïque via l’interférométrie corrélative, et permettent d’obtenir une bonne précision d’estimation d’angle d’arrivée. Par ailleurs, une méthode permettant d’améliorer la compacité d’antennes à onde progressive en les ondulant a été développée, ainsi qu’une technique modifiant la forme et la largeur du diagramme de rayonnement en plan H via un réseau d’antennes courbées selon un profil Vivaldi.

Cette thèse explore l’utilisation des métasurfaces programmables (MP) dans le cadre de deux applications de communications sans fil. Dans la première partie, nous concevons et fabriquons un prototype de métasurface programmable massive, utilisé pour ajuster le facteur K des canaux de Rice dans une chambre réverbérante afin d’émuler des environnements de test réalistes. Nous mettons en évidence les limites des MP pour réduire la quantité d’énergie non brassée, essentielle à l’émulation des évanouissements de type Rayleigh, un aspect clé des tests de compatibilité électromagnétique (CEM). La seconde partie de la thèse se concentre sur l’analyse des origines de cette énergie non brassée et propose des solutions pour l’éliminer. Enfin, la dernière partie porte sur une application de communication par rétrodiffusion assistée par MP, où, cette dernière sert à encoder l’information numérique. Nous démontrons l’importance de la diffusion dans l’environnement pour améliorer la focalisation à une échelle sub-longueur d’onde et réduire le taux d’erreur binaire (BER).

Les antennes modernes des stations de base pour les réseaux 5G doivent fonctionner sur les bandes K et Ka et couvrir de grands angles de balayage, jusqu’à 70 degrés, et ceci à faible coût. Les réseaux phasés répondant à ces exigences avec un minimum d’éléments actifs constituent une solution attractive. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie complète pour concevoir de nouveaux réseaux de fentes connectées lacunaires, ainsi que des architectures permettent de supprimer les lobes de réseau, tout en répondant aux besoins précités. Notre approche de synthèse consiste en la combinaison d’une procédure itérative convexe avec un solveur efficace basé sur la méthode des moments, tous deux développés en interne. Ainsi, la structure du réseau et le couplage mutuel sont pris en compte lors du processus de synthèse, aboutissant à des conceptions réalistes et optimales. De plus, nous avons développé un outil numérique pour la conception efficace des cellules unitaires des réseaux de fentes connectées. Enfin, les limites de performance inexplorées jusqu’à présent de la cellule unitaire à fentes connectées sont systématiquement étudiées, tandis qu’un cadre de conception pour les réseaux connectés lacunaires est formulé pour la première fois.

Les produits portables sont devenus de plus en plus omniprésents dans notre vie quotidienne. Ils sont des outils utiles pour les soins de santé et la sécurité, comme les aides à la navigation pour les personnes malvoyantes, et offrent de la sécurité aux professionnels comme les pompiers en fournissant respectivement la détection et le suivi. Plusieurs dispositifs portables peuvent être utilisés pour former un réseau et transmettre des paramètres utiles de surveillance de la santé aux professionnels médicaux. Pour accroître l'adoption des produits portables, ils doivent être confortables, légers et ne pas entraver le mouvement de l'utilisateur. Les applications sur le corps sont soumises à des conditions variables en raison des changements de l'environnement, des mouvements du corps et de différentes courbures dues au placement sur les différentes positions sur l'utilisateur. Les structures à ondes progressives, telles que les antennes à ondes de fuite, peuvent être utilisées comme une solution viable pour réaliser la reconfigurabilité aux fréquences millimétriques tout en respectant les exigences des antennes portables sur le corps. Dans la thèse, il est montré que les antennes à ondes de fuite basées sur des microbandes peuvent être efficacement sinueuses pour afficher une polarisation diversifiée et des caractéristiques double bande dans la bande millimétrique.

Les dispositifs miniaturisés de biosurveillance implantables et ingérables offrent une surveillance en temps réel des paramètres physiologiques à l'intérieur des corps humains et animaux de manière peu invasive, ouvrant la voie à de nouvelles méthodes pour faire progresser le domaine de la bioélectronique sans fil. Ces dispositifs s'appuient sur des antennes pour effectuer leurs fonctions de détection et communiquer avec des appareils externes. Cette thèse présente des conceptions d'antennes conformes ingérables destinées à détecter différents tissus gastro-intestinaux. À cette fin, elle examine la faisabilité d'utiliser le désaccord d'impédance des antennes ingérables pour différencier les tissus gastrointestinaux en fonction de leurs propriétés électromagnétiques. Elle propose également une analyse des capacités de détection et de transmission de différents types d'antennes ingérables. À cette fin, la thèse démontre la modélisation numérique de ces antennes, leur fabrication et leurs mesures. De plus, elle présente des fantômes numériques et physiques ainsi que le dispositif de mesure ex vivo utilisant un modèle porcin pour les mesures. Elle partage et compare les résultats des simulations et des mesures en fonction des objectifs de l'étude. En conclusion, cette thèse contribue au développement d'antennes ingérables destinées à des applications de détection dans le tractus gastro-intestinal. Les résultats présentés dans cette recherche offrent des informations précieuses et des lignes directrices essentielles pour les ingénieurs visant à concevoir des antennes de biosurveillance multiplexées pour des applications intra-corporelles.

Cette thèse aborde, tout d'abord, la synthèse et la fabrication de céramiques oxydes SrTa2O6 pour une utilisation potentielle dans des antennes à résonateur diélectrique miniatures (DRA) conçues pour des applications 5G en bande moyenne. Deux polymorphes SrTa2O6 ont été synthétisés : la phase β orthorhombique et la phase β' bronze de tungstène quadratique. À ~ 5 GHz, les céramiques β-SrTa2O6 ont montré une permittivité plus faible et des pertes diélectriques plus élevées (eeff ≈ 22, tand ≈ 1x10-2) comparé à β'- SrTa2O6 (eeff ≈ 79, tand ≈ 5x10-3). Le coefficient de température de la fréquence de résonance ‘tf’ se situe aux environs de +260 ppm/°C pour β et jusqu’à +319 ppm/°C pour β'. Un prototype de DRA utilisant β'-SrTa2O6 a démontré une excellente concordance avec les simulations, confirmant les propriétés diélectriques du matériau. La seconde étude porte sur le dépôt de films minces à partir d'une cible stoechiométrique (Sr2Ta2O7)0.98(La2Ti2 O7)0.02 (STLTO). La pulvérisation RF a produit des films déficients en Sr, identifiés comme SrTa2O6, présentant une accordabilité qui augmente avec la puissance RF et la température du substrat. Les films sur substrat Nb:SrTiO3 ont une permittivité d'environ 100, des pertes autour de 0,005 et une accordabilité allant jusqu'à 12 % à ~ 400 kV/cm, 100 kHz et température ambiante. Aucune accordabilité n'a été observée à des fréquences plus élevées (1 - 40 GHz). Une deuxième cible STLTO enrichie en strontium,(Sr1.4Ta0.6O2.9)0.9835(La2Ti2O7)0.0165, n'a pas permis d’atteindre des films monophasés. Les échantillons présentent des rapports Sr/Ta variables (0,9-1,2), une permittivité et des pertes incohérentes, et aucune accordabilité.

Les troubles de spectre de l'autisme (TSA) touchent entre 1 et 2 % de la population mondiale, causant notamment des difficultés de communication et d'interaction chez les personnes concernées. La plupart des personnes touchées par un TSA développe au cours de sa vie une passion profonde pour un objet ou un sujet (il peut s'agir aussi bien de la physique des particules que de cagettes en carton) qui prend une place très importante, venant jouer un rôle rassurant dans les situations génératrices d'angoisse. Cette passion est communément appelée intérêt électif, ou encore affinité. Si son rôle positif et son importance dans la vie des personnes autistes ont été largement décrits dans des témoignages de patients et de spécialistes, d'autres psychologues et psychiatres considèrent l'affinité comme une obsession qui empêche les personnes ayant un TSA de s'ouvrir au monde. Pour le moment, il n'existe aucune preuve objective en faveur de l'une ou l'autre de ces théories. Le but de cette thèse est d'utiliser l'oculométrie pour mesurer l'attention visuelle des personnes atteintes de TSA en présence de leur affinité, mais aussi face à des stimuli neutres, afin de détecter d'éventuelles différences. Des analyses croisées avec celles de psychologues ont permis de mettre en lien les caractéristiques autistiques des personnes ayant un TSA et leurs comportements visuels face à l’affinité.

Le manuscrit présente des considérations théoriques et des réalisations pratiques pour la lentille réfléchissante de Luneburg (RLL), un nouveau type de formateur de faisceau. La thèse se concentre sur ses applications potentielles pour les systèmes multifaisceaux et les systèmes à balayage de faisceaux. Une distinction est faite entre ces systèmes, basée sur la nature des faisceaux produits : les solutions à balayage de fréquence et les solutions à faisceau fixe. Les premières se concentrent sur la fourniture de solutions large bande, tandis que les secondes visent à combiner le formateur de faisceau RLL avec une ouverture à onde de fuite pour obtenir une large plage de balayage avec une structure compacte. Trois prototypes, qui constituent des premières mondiales, ont été fabriqués et mesurés, avec des résultats qui valident les prédictions théoriques et soulignent l'efficacité de conception. La contribution de ce travail est la démonstration réussie d'un formateur de faisceau RLL qui répond non seulement aux exigences rigoureuses des systèmes de communication par satellite, mais illustre également une solution évolutive pour les futurs déploiements SATCOM et les antennes pour les réseaux satellites-terrestres intégrés vers la technologie sans fil 6G.

Les futures générations de satellites de télécommunication doivent répondre à la possibilité de relocaliser dynamiquement les ressources embarquées dans le temps et l'espace. Les antennes actives à rayonnement direct sont considérées comme les candidates idéales pour répondre à ces nouveaux besoins. Toutefois, leurs architectures ouvrent de nouveaux défis en matière de conception d'antennes. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et de développer des formateurs de faisceaux quasi-optiques capables d'alimenter avec de multiples faisceaux et sur de larges champs de vision un grand nombre d'éléments rayonnants tout en maintenant la complexité et la consommation d'énergie à des niveaux acceptables. Des outils hautes fréquences sont développés pour analyser les formateurs de faisceau quasi-optiques basés sur des miroirs façonnés et intégrés à l’intérieur d’un empilement de guides d'ondes à plaques parallèles. Ces outils permettent de synthétiser des formateurs de faisceaux quasi-optiques à double miroirs adressant de larges secteurs angulaires. Ces formateurs sont ensuite mis en œuvre sur carte PCB multicouches afin d'alimenter des réseaux d'antennes LEO. Le design du prototype et les résultats expérimentaux sont détaillés. Le démonstrateur représente des avancées significatives en termes de champ de vision, de nombre de faisceaux adressés et de mise en œuvre à faible coût.