Ce travail de thèse est composé de deux partie distinctes. La première partie est consacrée à l'étude et la modélisation des métamatériaux et tout particulièrement à leur caractérisation. Il s'agit donc de proposer des paramètres constitutifs équivalents (permittivité, perméabilité et couplage magnéto-électrique) qui permettent de remplacer les métamatériaux, composés à l'origine de réseaux périodiques de cellules discrètes, par des milieux homogènes et continus. Deux régimes sont considérés : sub-longueur d'onde et longueur d'onde. Dans le premier régime, les dimensions de la cellule de base, en particulier la période du réseau, sont très faibles devant la longueur d'onde. Le métamatériau est alors modélisé par un milieu bi-anisotrope continu. Pour le deuxième régime, les dimensions et la période sont comparables à la longueur d'onde. Les paramètres constitutifs sont alors définis au sens "local" qui prend en compte le caractère discret et périodique de la structure. Enfin, la caractérisation consiste à extraire les paramètres constitutifs à partir des coefficients de réflexion et de transmission d'une lame de métamatériau. Pour cela, nous appliquons la méthode d'inversion sous sa forme classique pour le régime "sub-longueur d'onde" et son extension aux structures périodiques pour le régime "longueur d'onde". L'une des contributions majeure de ce travail est l'application des incidences obliques (à l'interface air-métamatériau) pour extraire les paramètres constitutifs longitudinaux. La seconde partie de ce travail de thèse concerne le développement d'antennes directives à partir de sources rayonnantes à modes orthogonaux. Il est bien connu que la directivité est directement limitée par les dimensions de l'antenne ou par le nombre de sources dans un réseau. L'objectif est de mettre en œuvre une méthode alternative qui, tout au moins sur le plan conceptuel et théorique, ne relie pas la directivité à la taille de l'antenne. Nous utilisons donc la combinaison de modes rayonnants orthogonaux pour maximiser la directivité d'antennes tout en minimisant les dimensions du réseau et en limitant le couplage. Chaque source du réseau se doit rayonner un mode propre et unique qui, combiné avec une autre source, permet d'augmenter la directivité. Pour cette étude, le développement théorique des modes sphériques puis cylindriques est tout d'abord présenté afin de mettre en évidence le lien entre la directivité et les modes. En pratique, la mise en œuvre de modes sphériques a révélé des difficultés de conception, si bien que des solutions d'antennes basées sur l'anneau rayonnant sont proposées pour réaliser des sources à modes orthogonaux "cylindriques". Les topologies de structures rayonnantes directives proposées associant des antennes anneaux sont validées en simulation et par la conception puis la mesure de prototypes.