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Today, the development of very low consumption IoT sensors with long range features (telemetering, logistic application) requires very compact form factor and covers low frequency bands (ex. LTE 800 for NB IoT). However, reducing the size of the antenna leads to fundamental physical limits (drop in efficiency and bandwidth). For such antenna miniaturization challenge, frequency agile antennas present an innovative design strategy that makes it possible to maintain the performance of the small antenna on a sub-band, which can be tuned on a larger frequency excursion. This technique is studied in this thesis for an inverted F antenna in order to find the best compromise between the small antenna size, its bandwidth and its efficiency.In this thesis, an analytical model is first developed to predict the impedance and the radiation efficiency of the IFA antenna without resorting to electromagnetic simulators. This model aims to better understand and interpret the loss phenomena in miniature antennas while constituting a tool to aid in the optimized design of miniature antenna. The second part aims to test the model to assess its adequacy with the physical limitations brought by the introduction of miniaturization techniques. Antenna loading optimization is studied with the developed model. The electrical dimensions of the loaded small antenna are reduced to λ/9 × λ/22 at 863 MHz. Miniature printed antenna prototypes are made to experimentally verify model validity domain and the fullwave simulated results. Finally, the frequency reconfiguration capability with the study and development of an active compact antenna covering the 868 MHz and LTE 800 bands are addressed. The antenna is matched at -10 dB across the entire band with a relative instantaneous band of 0.25 % and a maximum total efficiency of 52 %. Different performance criteria are discussed with regard to the miniaturization and frequency agility of the antenna., Aujourd'hui, les besoins des futurs nœuds communicants pour l’Internet des Objets très basse consommation exigent un effort de miniaturisation de l’antenne. En fonctionnant sur des bandes de fréquences inférieures à 1 GHz pour une meilleure propagation, la longueur d’onde devient largement supérieure à la taille du capteur. Cependant, la théorie sur la miniaturisation des antennes prédit que l’efficacité de rayonnement d’une antenne miniaturisée peut être conserver si sa bande passante est également réduite. De ce fait, la technique d’agilité fréquentielle est une des stratégies de conception qui permet de maintenir les performances de l’antenne miniaturisée sur une sous bande qui peut être pilotée sur une excursion en fréquence plus large. Cette technique est évaluée dans ce travail pour une antenne F inversée afin de repousser les limites liées à la miniaturisation des antennes.Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle analytique prédisant l’impédance et l’efficacité de rayonnement de l’antenne IFA sans avoir recours à des simulateurs électromagnétiques. Ce modèle vise à mieux comprendre et interpréter les phénomènes de pertes dans les antennes miniatures tout en constituant un outil d’aide à la conception optimisée d’antenne miniature. La deuxième partie vise à tester le modèle pour évaluer son adéquation avec les limitations physiques apportées par l’introduction de techniques de miniaturisation. L’optimisation du chargement de l’antenne est étudiée avec le modèle développé. Les dimensions électriques de l’antenne chargée se réduisent à λ/9 × λ/22 à 863 MHz. Des prototypes d’antenne imprimée miniature sont réalisés pour vérifier expérimentalement les résultats du modèle et des simulations. Une troisième partie aborde la capacité de reconfiguration en fréquence avec l’étude et la mise au point d’une antenne compacte active couvrant la bande 868 MHz puis LTE 800. L’antenne est adaptée à -10 dB sur toute la bande avec une bande instantanée relative de 0.25 % et une efficacité totale maximale de 52 %. Différents critères de performance sont discutés au regard de la miniaturisation et de l’agilité fréquentielle de l’antenne.

In this work, we solve time-domain effective inverse problems to shape the electromagnetic fields in linear and nonlinear media. Electromagnetic active shaping is essential for imposing predefined fields at fixed positions or suppressing undesired radiations and replace them with intentional ones. In linear media, we improve and generalize the Linear Combination of Configuration Field (LCCF) method to identify the temporal sources that shape voltage/current or fields at one or more spatial points. In nonlinear media, we propose alternative methods, namely Newton’s method and the nonlinear least-squares solver, to shape electromagnetic fields after showing the inefficiency of the LCCF in the presence of nonlinear elements. Particularly, we apply these ideas in linear and nonlinear defective wiring networks to introduce a new paradigm called the Software Correction (SC). The SC cancels the unintentional perturbations resulting from both faults inherent in the network lines and coupling external defects. It compensates for their effects regardless of their number, position, and nature. With a view to consider experimental tests in the linear case, constraints are added to the LCCF problem to comply with some physical limitations encountered during experiments. Practically, two main applications are conducted. The SC process is first tested in faulty networks, then a three-dimensional application for shaping electromagnetic fields is conducted to control the nanosecond microwave plasma in a reverberant cavity., Dans ce travail, nous résolvons des problèmes inverses non triviaux dans le domaine temporel pour contrôler les champs électromagnétiques dans des milieux linéaires et non linéaires. Le contrôle actif électromagnétique est essentiel pour imposer des champs prédéfinis à des positions fixes ou supprimer les radiations indésirables et les remplacer par des radiations intentionnelles. Dans les médias linéaires, nous améliorons et généralisons la méthode Linear Combination of Configuration Field (LCCF) pour identifier les sources temporelles qui contrôlent la tension/courant ou les champs en un ou plusieurs points spatiaux. Dans les milieux non linéaires, nous proposons des méthodes alternatives, à savoir la méthode de Newton et le solveur des moindres carrés non linéaires, pour contrôler les champs électromagnétiques après avoir illustré l'inefficacité de la LCCF en présence d'éléments non linéaires. En particulier, nous appliquons ces idées dans des réseaux de câbles défectueux linéaires et non linéaires pour introduire un nouveau paradigme appelé Software Correction (SC). Le SC annule les perturbations non intentionnelles résultant à la fois des défauts inhérents aux lignes du réseau et du couplage des défauts externes. Il compense leurs effets quels que soient leur nombre, leur position et leur nature. En vue d'envisager des tests expérimentaux dans le cas linéaire, des contraintes sont ajoutées au problème LCCF pour se conformer à certaines limitations physiques rencontrées lors des expérimentations. En pratique, deux applications principales sont menées. Le procédé SC est d'abord testé dans des réseaux défectueux, puis une application tridimensionnelle de contrôle actif des champs électromagnétiques est conduite pour contrôler le plasma micro-onde nanoseconde dans une cavité réverbérante.

This paper presents an application of a modified field-to-transmission-line-model inspired from Agrawal's model. In this model the field applied as a source term includes the tangential incident electric field as well as surrounding tangential scattered electric fields due to the current induced on the transmission-line. This weak domain decomposition approach allows one to calculate currents accounting for the reaction of those currents on the EM incident fields. The theoretical development is made on the basis of a two-wire transmission line; it is then extended to any transmission-line geometry. A numerical validation is made on several configurations of excitations of single wire transmission line networks. Particularly the results show that this model is able to predict the EM radiation of the cable. The paper concludes on future possible applications of this modified field-to-transmission-line approach in real applications of cable bundles in 3D structures of industrial complexity., Ce papier présente une application d'un modèle champ-câble modifié et inspiré du modèle d'Agrawal. Dans ce modèle le champ appliqué comme terme source inclue le champ électrique tangentiel incident ainsi qu'un champ moyen composé de champs diffractés autour de la ligne de transmission et provenant des courants induits sur la ligne. Cette technique de décomposition par domaine faible permet de calculer les courants sur les fils en tenant compte de la réaction de ces courant sur le champ total. Le développement théorique repose sur la géométrie d'une ligne de transmission à deux fils ; il peut être ensuite étendu à des modèles de lignes multiconducteurs quelconques. La validation numérique est faite sur plusieurs configurations d'excitation d'une ligne de transmission à un conducteur sur un plan de masse. Plus particulièrement, les résultats montrent que c modèle est capable de calculer le rayonnement du fil. Le papier conclut finalement sur les applications possibles d'un tel modèle de couplage champ-câble dans des configurations réalistes de faisceaux de câbles dans des structures3D de complexité industrielles.

Object: To demonstrate the possibility to model the power deposited at the electrode of an insulated cable in gel at 64MHz with a transmission line model with a strictly passive electrode model. This offers a more related to physics alternative to the transfer function model. The equivalence between both models is shown.Materials and Methods: In a first step, the possibility of modeling an insulated cable with a transmission line model was analyzed through full-wave numerical simulations. An electrode model that has a physical meaning was proposed. The transmission line model predictions were confronted to experimental and simulated data of the transfer function of a cable and of the resonant behavior as a function of length of cables with different termination conditions.Results: The assumption of a transmission line model which underlies the transfer function model is right for a simple cable embedded in tissue imitating gel. A transmission line model extracted from a transfer function allows to predict the resonant behavior of two cables with different termination conditions.Conclusion: A transmission line model of an insulated cable embedded in tissue imitating gel offers a more directly related to physics alternative to the transfer function model.

The use of electric cables in electrical systems has been significantly increasing over the last decades. However, the reliability of these systems is partially based on the reliability of electrical networks. Current practices show that a significant number of failures and malfunctions of these systems come from faults in wired links and not from electrical devices. Therefore, the knowledge of the state of wire networks and particularly the detection of their faults is important. Several methods have been developed to test the status of cables. Among them, reflectometry methods are widely used and easily embeddable. Generally, these methods are appropriate to detect and locate hard faults but soft faults are virtually transparent to them because this kind of fault has very low electrical consequences. Improvements in measurement and treatment are necessary to overcome the limitations of these methods. In this respect, three new methods for wire diagnosis have been studied and developed to improve and ease the detection and location of soft wire faults. Each of these methods circumvents one or more of the barriers encountered during this research’s duration. First barrier, the phenomenon of signal dispersion in cables makes the detection of faults and of cable aging difficult or imprecise. Another barrier, the detection of soft faults, represents currently a major issue of wire diagnosis because the amplitude of soft faults signatures is very small and sometimes noisy or masked by the proximity of higher pulses. The three methods can briefly described as follows : – The first method, called "adaptive correlation", provides a new algorithm to compensate signal’s dispersion. It improves fulat’s location and the detection of singularities on cables regardless their lengths. – The second method, called TRR (Time Reversal Reflectometry), is based on the principle of reflectometry and time reversal. It allows the characterization of aging of electrical cables. – The third method, called RART (Reflectrometry combined with a time reversal process), is also based on the principle of reflectometry and time reversal. It improves the detection of electrical faults related to degradation of insulation.This research illustrates the efficiency and applicability of the proposed methods. It also demonstrates the potential of the proposed methods to improve safety in operation of electrical systems whether in transport, construction, or even communication networks., L’utilisation de câbles électriques et leurs longueurs dans certains systèmes électriques ont fortement augmenté au cours des dernières années. Or, la fiabilité de ces systèmes repose en partie sur la fiabilité des réseaux électriques. On constate en pratique qu’une part non négligeable des pannes et des dysfonctionnements de ces systèmes proviennent des défauts dans les liaisons filaires et non des équipements électriques. La connaissance de ces réseaux filaires et en particulier la détection de leurs défauts est donc importante. De nombreuses méthodes ont été développées pour tester l’état des câbles. Parmi ces méthodes on peut distinguer les méthodes de réflectométrie largement utilisées et facilement embarquables. Généralement ces méthodes sont très bien adaptées pour détecter et localiser les défauts francs mais les défauts non francs sont pratiquement transparents à ces méthodes car ils ont des conséquences électriques très faibles. Pour s’affranchir de ces limitations des améliorations en termes de mesure et traitement sont nécessaires. Dans cette thèse, trois nouvelles méthodes de diagnostic filaire ont été développées pour améliorer et faciliter la détection et la localisation de tous types de défauts filaires. Chacune des ces méthodes répond à un obstacle que nous avons rencontré pendant les trois années de recherche. Un premier obstacle concerne le phénomène de dispersion du signal dans les câbles qui rend la détection des défauts et du vieillissement des câbles très difficile. Un autre obstacle lié à la détection des défauts non-francs présente un enjeu actuel majeur du diagnostic filaire car leurs signatures sont très faibles et parfois noyées dans le bruit ou masquées par la proximité d’une autre impulsion d’amplitude plus importante. Les trois méthodes sont les suivantes : – La première méthode proposée, baptisée « corrélation adaptative » fournit un nouvel algorithme pour compenser la dispersion du signal. Elle permet de mieux localiser et mieux détecter les singularités sur des câbles de n’importe quelle longueur. – La deuxième méthode proposée, baptisée TRR (en anglais Time reversal Reflectometry) est basée sur le principe de la réflectométrie et du retournement temporel. Elle permet de caractériser le vieillissement des câbles électriques. – La troisième méthode proposée, baptisée RART (Réflectométrie associée à un processus de retournement temporel) est basée sur les principes de la réflectométrie et du retournement temporel et permet d’améliorer la détection des défauts électriques liés à une dégradation de l’isolant.Ces travaux de thèse ont montré les performances et la facilité de ces méthodes visant à assurer la sureté de fonctionnement des systèmes électriques que ce soit dans des moyens de transport, un bâtiment ou même des réseaux de communication.

Ethernet network connections are becoming more numerous in the domestic domain. In this work, the transmission on the power grid is preferred. This is the principle of powerline communication (PLC). This concept allows for transmission rates that can be higher Wifi transmissions. However, the performance can be degraded by environmental electrical and electromagnetic domestic housing. This thesis aims to model the electrical house environment and behavior of equipment that are deployed. Different types of noise present in the domestic environment were modeled to estimate their influence on the transmission quality CPL. Modeling of power lines was realised in the form of electrical circuits suitable for integration into simulation SPICE tools. The modeling of a two-wire cable has been extended to a three-conductor cable. The presence of electrical equipment has a significant impact on the PLC communication. This thesis presents two approaches to model the effects induced. The periodic and aperiodic impulsive noise is modeled to complete the analysis tool developed., Les connexions au réseau Ethernet deviennent de plus en plus nombreuse dans le domaine domestique. Dans ce travail, la transmission par le réseau électrique domestique est privilégiée. C'est le principe des courants porteurs en ligne (CPL). Ce concept permet d'obtenir des débits de transmission pouvant être supérieurs aux transmissions Wifi. Cependant les performances peuvent être dégradées par l'environnement électrique et électromagnétique de l'habitat domestique. Ce mémoire a pour objectif de modéliser l'environnement électrique domestique et le comportement des équipements qui y sont déployés. Les différents types de bruit présents dans l'environnement domestique ont été modélisés afin d'estimer leur influence sur la qualité de transmission CPL. Une modélisation des lignes électriques a été effectuée sous la forme de circuits électriques propices à l'intégration dans les outils de simulation numérique de type SPICE. La modélisation d'un câble à deux conducteurs a été étendue un à trois câble à conducteurs. La présence des appareils électriques a un impact important sur la communication CPL. Ce mémoire présente deux approches pour modéliser les effets induits. Les bruits impulsifs périodiques et apériodiques sont modélisés pour compléter l'outil d'analyse développé.

Electromagnetic material characterization is constantly increasing due to many industrial applications in microelectronics, aeronautic, geology, medicine, automobile, civil engineering, etc. In the same time, dimensions are shortened as high frequencies are required for high-speed and microwave communication devices. In this work, we developed different techniques to characterize thin layer materials in a broadband frequency range without lithography. A coaxial test fixture has been developed and applied to soft materials such as 900MHz liquid. The use of two transmission line techniques permitted to correct discontinuity effects occurring in the connector areas. It has also been applied successfully to microstrip configuration with a FR-4 substrate. Among different methods developed in this work, applicators based on coaxial probes in reflection (SCR) and/or transmission (SCT) have been specially developed for microelectronic substrate: Silica, Alumina, and Silicon. Using SMA connector, loss tangent inferior to 10-2 has been measured up to 14GHz, and relative permittivity has been measured with an error of 3% up to 18GHz. The extension of the SCR technique to multilayer substrates such as doped silicon permitted to measure bi-layer material provided the good knowledge of electrical parameters and dimensions of one layer. Finally, electromagnetism simulations showed that best results can be obtained by using the K connectors and frequency becomes higher., Dans ce travail nous avons développé trois techniques pour la caractérisation électrique des matériaux pour les applications radiofréquences. La caractérisation électromagnétique de matériaux est une activité croissante avec de nombreuses applications industrielles tels que la microélectronique, l'aéronautique, la médecine, etc. Une monture coaxiale a été réalisée pour la caractérisation de matériaux mous et appliquée au gel fantôme dans une bande de fréquence allant jusqu'à 2GHz. Une méthode de deux lignes de transmission a été développée afin de s'affranchir de l'influence des discontinuités au niveau des connecteurs. Cette méthode a également été appliquée avec succès à la configuration microruban sur un substrat de type FR-4. Parmi les méthodes développées, les techniques affleurantes comme celles des sondes coaxiales en réflexion (S.C.R) et/ou en transmission (S.C.T) ont permis la caractérisation de la silice, de l'alumine 99,9% et du silicium. En utilisant un connecteur SMA, nous avons extrait une tangente de perte inférieure à 10-2 dans la bande allant de quelques MHz à 14GHz et des permittivités relatives jusqu'à 18GHz pour une erreur relative de 3%. L'utilisation de la sonde coaxiale en réflexion pour caractériser des matériaux bicouches a donné des résultats très satisfaisants. L'application aux substrats Silicium dopés a démontré la faisabilité de la caractérisation de substrats bicouches dans le cas où l'on connaît les paramètres électriques et l'épaisseur de l'une des couches. Enfin les simulations électromagnétiques ont montré qu'utiliser les connecteurs K serait une meilleure solution pour la montée en fréquence et la précision.

As part of the deployment of new transmission systems based on xDSL (x Digital Subscriber Loop) and PLC (Powerline Communication). These techniques, implemented on existing infrastructure (electric or telephone network) to transmit high speed data, and offer new services with access to information which becomes unlimited. However, the growth rates of transmission paths increasingly diverse, and using higher frequencies require severe constraints on electromagnetic compatibility. These frequencies may cause interference phenomena associated electromagnetic characteristics of the equipment deployed and used physical links. It is therefore appropriate to consider these problems of electromagnetic emission during the deployment of broadband services in order to avoid possible effects on radio systems, or between wired broadband systems occupying the same frequency bands. This thesis is part of that framework and is oriented towards the development of predictive methods to apply to transmission systems encountered in the broadband access network. This is a theory of selecting effective for determining the radiation found in the vicinity of electrical or telecommunications lines, crossed by high frequency signals. The second thrust of this work is devoted to seeking ways to reduce the electromagnetic emissions of these new services, Dans le cadre du déploiement de nouveaux systèmes de transmission basés sur les technologies xDSL (x Digital Subscriber Loop) et PLC (PowerLine Communication). Ces techniques, mises en oeuvre sur l'infrastructure existante (réseau téléphonique ou électrique) afin de transmettre des données haut débit, et offrent de nouveaux services avec un accès à l'information qui devient illimité. Cependant, cette augmentation des débits sur des voies de transmission de plus en plus variées, et l'utilisation de fréquences élevées exigent de sévères contraintes de compatibilité électromagnétique. Ces fréquences susceptibles d'engendrer des phénomènes d'interférences électromagnétiques associés aux caractéristiques des équipements déployés et des liens physiques utilisés. Il convient donc de prendre en compte ces problèmes d'émission électromagnétique lors du déploiement des services haut débit afin d'éviter d'éventuelles conséquences sur les systèmes radioélectriques, ou entre systèmes filaires hauts débits occupant les mêmes bandes de fréquences. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre général et est orienté vers le développement de méthodes prédictives en vue de les appliquer à des systèmes de transmission haut débit rencontrés dans le réseau d'accès. Il s'agit de sélectionner une théorie efficace, permettant de déterminer le rayonnement trouvé à proximité de lignes de télécommunications ou électriques, parcourues par des signaux de hautes fréquences. Le second axe de ce travail est consacré à la recherche de méthodes permettant de diminuer les émissions électromagnétiques de ces nouveaux services