New types of reconfigurable orbital angular momentum antennas for intelligent wireless systems.

Naseri Gheisanab, Hassan (2025). New types of reconfigurable orbital angular momentum antennas for intelligent wireless systems. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences des télécommunications, 96 p.

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Résumé

Traditionnellement, afin d’augmenter la capacité des canaux dans les systèmes de communication sans fil, tous les efforts ont été concentrés sur l’amélioration de la Bandwidth (BW) et du Signal to Noise Ratio (SNR). En effet, pour atteindre un débit élevé de transmission de données, une large bande d’impédance et un niveau de SNR acceptable sont requis. Toutefois, les systèmes actuels ne parviennent plus à répondre à la demande croissante des utilisateurs en matière de communications à haute vitesse, en raison des limitations liées à la BW et au SNR : la BW est parfois limitée par la bande passante du gain ou de l’Axial Ratio (AR), et le SNR chute à cause des variations environnementales ou d’autres paramètres incontrôlables. Ainsi, dans ce contexte, de nouvelles conceptions d’antennes doivent être envisagées pour améliorer la capacité des canaux.

Les antennes à Orbital Angular Momentum (OAM) peuvent générer plusieurs faisceaux orthogonaux en forme de “donut” à partir d’une seule ouverture. Cette orthogonalité provient des fronts de phase hélicoïdaux. Il est ainsi possible de transmettre simultanément plusieurs flux de données à la même fréquence.

Les antennes OAM reconfigurables jouent un rôle essentiel dans les systèmes sans fil avancés. Leur reconfigurabilité peut concerner les numéros de mode, la polarisation ou la fréquence de fonctionnement. Cette thèse vise principalement à développer de nouveaux systèmes d’antennes capables d’offrir ces types de reconfigurabilité. L’application principale de ces antennes se situe dans les systèmes intelligents basés sur l’OAM.

Le premier chapitre présente une introduction approfondie aux principes fondamentaux des modes OAM et à leurs mécanismes de génération. Elle décrit également trois méthodes couramment utilisées pour l’excitation des modes OAM.

Dans le deuxième chapitre, notre première conception d’antennes OAM reconfigurables en modes est discutée. Le design est basé sur une Uniform Circular Array (UCA) et un réseau d’alimentation 1 × 4. Grâce aux déphaseurs intégrés dans le réseau d’alimentation, il est possible de générer les modes OAM +1 ou −1. Le système proposé utilise des antenne patch comme éléments rayonnants, ce qui limite le contrôle de la polarisation après fabrication. De plus, comme le système ne comporte qu’un seul port d’entrée, il ne peut générer qu’un seul mode OAM à la fois. Cette limitation empêche l’utilisation simultanée de plusieurs modes, réduisant ainsi le potentiel des antennes OAM à améliorer la capacité du canal.

Dans le troisième chapitre, un nouveau système d’antenne est présenté, permettant le contrôle à la fois de la polarisation de chaque mode OAM et de la fréquence de fonctionnement. Le système proposé peut en effet exciter simultanément plusieurs modes OAM avec des polarisations spécifiques, tout en offrant une capacité de syntonisation en fréquence. Une version modifiée de cette conception est évaluée dans le chapitre 4. Ce nouveau design permet non seulement la propagation simultanée des modes, mais aussi la reconfiguration des numéros de mode assignés à chaque polarisation. La capacité de syntonisation en fréquence est également préservée. Ce système d’antenne répond à l’objectif principal de cette thèse : proposer des antennes OAM reconfigurables en modes, polarisation et fréquence.

Plus le nombre de modes OAM disponibles est élevé, plus les avantages liés à cette technologie sont importants. Dans cette optique, le chapitre 5 présente un nouveau système capable de générer trois modes OAM (0, −1, +1). Chaque mode peut se propager avec une polarisation verticale ou horizontale (sélectivité de polarisation), augmentant ainsi le degré de reconfigurabilité.

Après avoir exploré la conception d’antennes OAM reconfigurables pour des systèmes de communication intelligents, notre recherche a été étendue au développement d’antennes à gain élevé et multimodes. Ces antennes sont essentielles pour les communications OAM à longue portée. Une présentation détaillée de ce travail est proposée également dans le chapitre 6.

Enfin, le chapitre 7 présente les conclusions tirées de quatre années de recherche dans le domaine des antennes OAM. Des pistes potentielles pour des travaux futurs y sont également proposées.


Traditionally, in order to increase the channel capacity of wireless communication systems, all attention has been on the enhancement of Bandwidth (BW) and Signal to Noise Ratio (SNR). In fact, to achieve a high-data transfer rate, a wide impedance BW and acceptable SNR level are required. However, nowadays, current systems are not able to satisfy user’s growing demand for high-speed communications due to the fact that there are limitations regarding BW and SNR; the BW sometimes is restricted by gain or Axial Ratio (AR) BWs, and SNR drops as a result of change in environment conditions or other uncontrollable parameters. Therefore, with all this in mind, it should be a new antenna designs for improving the channel capacities.

Orbital Angular Momentum (OAM) antennas can generate various orthogonal donut-shaped beams from a shared aperture, orthogonality stems from helical phase fronts. Thus, it is possible to transfer several streams of data at the same frequency simultaneously.

Reconfigurable OAM antennas play a crucial role in advanced wireless systems. Their recon-figurability may involve mode numbers, polarization, or operating frequency. This thesis primarily aims to develop novel antenna systems capable of offering these types of reconfigurability. The main application of such antennas would be intelligent OAM systems.

The first chapter provides a comprehensive introduction to the fundamentals of OAM modes and their generation mechanisms. It also outlines and explains three commonly used methods for exciting OAM modes.

In the second chapter, our initial design focused on the mode reconfigurable OAM antennas are discussed. The design consists a Uniform Circular Array (UCA) and a 1 × 4 feeding network. Using the phase shifters embedded in the feeding network, there is a possibility to generate OAM mode +1 or -1. The proposed work has utilized patch antennas as the radiators, limiting the control on the polarization of system after fabrication. Additionally, since the system has only a single input port, it can generate only one OAM mode at a time. This limitation prevents the simultaneous use of multiple modes, thereby restricting the potential of the OAM antennas to enhance channel capacity.

In the third chapter, we provided a new antenna system with both control on polarization of each OAM mode as well as the operating frequency. In fact, the proposed system can simultaneously excite OAM modes with specific polarization and frequency-tunability capability. The modified ver-sion of this work has been evaluated in chapter 4. The new design not only has the benefit of simultaneous mode propagation but also can change the mode numbers assigned for each polari-zation. Frequency-tunability has preserved in the work as well. This antenna system has enabled us to reach the main goal of this thesis; OAM antenna systems with reconfigurability of modes, polarization and frequency.

The more we can increase the number of OAM modes, the more we can take advantage of their feature. To that end, we came up with a new system in chapter 5 which can generate three OAM modes (0,-1 and +1). Each mode can propagate with vertical or horizontal polarization (polarization selectivity), thus resulting in further increment of reconfigurability degree.

After completing our investigation into reconfigurable OAM antenna design for intelligent wire-less communication systems, we extended our research to the development of high-gain, multimode antenna systems. These antennas are crucial for enabling long-distance OAM communication. In chapter 6, detailed explanation on this work has been provided.

Finally, in chapter 7, the conclusions drawn from four years of research in the field of OAM antennas are presented. Furthermore, potential directions for future research are discussed.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb A.
Mots-clés libres:	Antennes OAM reconfigurables ; Systèmes sans fil intelligents ; Polarisation ; Réseau d’alimentation ; Reconfigrable OAM antennas ; Intelligent wireless systems ; Polarization ; feeding network.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	01 mai 2026 19:14
Dernière modification:	01 mai 2026 19:14
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17156

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