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.