Study and design of reconfigurable metasurface-based antennas at mm-wave frequency bands.

PourMohammadi, Peyman (2025). Study and design of reconfigurable metasurface-based antennas at mm-wave frequency bands. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences des télécommunications, 94 p.

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Résumé

Les systèmes de communication mobile évoluent rapidement, ce qui engendre une demande croissante de débits de données plus élevés et de latence réduite, notamment pour les services multimédias. Les fréquences millimétriques représentent une solution prometteuse, car elles offrent une large bande passante disponible et permettent la conception de composants RF compacts et économiques. Malgré ces avantages, les signaux haute fréquence présentent des limitations en termes de portée de propagation et de capacité de pénétration. Ces limitations peuvent être surmontées grâce aux antennes à formation de faisceau (beamforming). L’intégration des capacités de commutation de faisceau avec d’autres fonctions dans une structure d’antenne reconfigurable améliore les performances du système tout en réduisant l’encombrement et les inter-férences. L’un des objectifs clés de la recherche pour les systèmes 5G futurs est de développer des antennes de formation de faisceau à faibles pertes, compactes et économiques grâce à l’intégration de métasurfaces. Dans ce contexte, cette thèse présente une conception et une analyse complètes d’antennes transmitarray reconfigurables fonctionnant aux fréquences millimétriques.

Les systèmes d’antennes à balayage de faisceau se composent généralement de deux composants principaux : une antenne d’alimentation et un panneau de métasurface. Une antenne à fentes à guide d’ondes intégré au substrat (SIW) est d’abord proposée comme source rayonnante en raison de son gain élevé, de ses faibles pertes et de sa grande capacité d’intégration. En parallèle, une antenne cornet imprimée en 3D est également conçue et évaluée comme une solution alternative bien connue et facilement simulable. Ces deux options d’alimentation offrent une flexibilité de conception : l’antenne SIW est adaptée à une mise en œuvre finale, tandis que l’antenne cornet est privilégiée pour les simulations et les prototypes de première étape en raison de sa géométrie simplifiée et de ses temps de simulation plus courts. Les deux antennes sont destinées à fonctionner avec des panneaux de métasurface composés de cellules unitaires à phase reconfigurable.

Le panneau de métasurface, deuxième composant principal, est réalisé à l’aide de cellules unitaires basées sur deux concepts fondamentaux : l’utilisation du couplage mutuel de manière constructive avec la technique d’inversion de courant, et le principe de Huygens. Pour chaque méthodologie de conception, le processus débute par une cellule unitaire passive. Après validation réussie, une version active est développée afin de permettre une modulation de phase dynamique et une reconfiguration du faisceau en temps réel.

Pour chaque type de cellule unitaire, une antenne transmitarray complète, constituée d’un réseau des cellules proposées, est simulée pour démontrer les performances de formation de faisceau. La distribution de phase simulée et les diagrammes de rayonnement en champ lointain confirment la formation de faisceaux directionnels aux angles souhaités, avec un gain élevé et un niveau de lobes secondaires acceptable. Une analyse comparative met en évidence l’efficacité des structures proposées à fournir des performances élevées avec une complexité relativement faible.

En résumé, les résultats valident les antennes transmitarray reconfigurables proposées comme une solution viable pour les applications aux fréquences millimétriques, offrant une plateforme à faible coût, compacte et à haute efficacité, adaptée aux réseaux de communication sans fil 5G et au-delà.


Mobile communication systems are advancing quickly which creates demand for faster data speeds and reduced latency especially for multimedia services. Millimeter-wave frequencies re-present a promising solution because they provide large available bandwidth and allow the creation of compact and cost-effective RF components. Despite their advantages high-frequency signals struggle with short propagation distances and weak penetration abilities which beamforming antennas help to overcome. Combining beam-switching capabilities with other functions in one reconfigurable antenna structure boosts system performance and saves space while reducing interference. A key research objective for future 5G systems is to develop low-loss, compact, and cost-effective beamforming antennas through the integration of metasurfaces. In this context, this thesis presents comprehensive design and analysis of reconfigurable transmitarray antennas operating at mm-wave frequencies.

Beam-steering antenna systems generally consist of two primary components: a feeding antenna and a metasurface panel. A Substrate Integrated Waveguide (SIW) slot antenna is first pro-posed as the radiating source due to its high gain, low loss, and high integration capability. In parallel, a 3D-printed horn antenna is also designed and evaluated as a well-understood and easily simulated alternative. These two feed options offer design flexibility: the SIW antenna is suited for final implementation, while the horn antenna is employed in simulations and early-stage proto-typing due to its simpler geometry and faster simulation times. Both feeds are intended to operate in conjunction with metasurface panels composed of phase-reconfigurable unit cells.

The metasurface panel, the second main component, is realized using unit cells based on two core concepts: using mutual coupling in a constructive way with current reversal technique and Huygens’ principle. For each design methodology, the process begins with a passive unit cell. Fol-lowing successful validation, an active version is developed to enable dynamic phase modulation and real-time beam reconfiguration.

For each unit cell type, a complete transmitarray antenna comprising an array of the proposed unit cells is simulated to demonstrate beamforming performance. The simulated phase distribution and far-field radiation patterns confirm directional beam steering at desired angles, accompanied by high gain and acceptable side lobe levels. Comparative analysis highlights the effectiveness of the proposed structures in delivering high performance with relatively low complexity.

In summary, the results validate the proposed reconfigurable transmitarray antennas as the viable solution for mm-wave applications, offering a low-cost, compact, and high-efficiency platform suitable for future 5G and beyond wireless communication networks.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb A.
Mots-clés libres:	Reconfigurable Antennas, Transmitarray Antennas, Beamforming Antennas ; Millimeter-wave Frequencies ; Substrate Integrated Waveguide ; Metasurface.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	01 mai 2026 19:33
Dernière modification:	01 mai 2026 19:33
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17158

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