Design and Analysis of Dual-Band Mode-Switchable OAM Antenna for Integrated Microwave and Millimeter-Wave Systems

Wu, Huifang (2025). Design and Analysis of Dual-Band Mode-Switchable OAM Antenna for Integrated Microwave and Millimeter-Wave Systems Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maitrise en sciences des télécommunications, 63 p.

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Résumé

Avec l’avancée rapide des technologies de communication sans fil, en particulier avec le développement de la 5G et des générations suivantes, la demande en transmission à haute capacité et en efficacité spectrale accrue a considérablement augmenté. L’intégration des bandes de fréquences micro-ondes et millimétriques (mm-wave) s’avère essentielle pour les systèmes de communication de nouvelle génération, car elle permet une transmission de données à haut débit et une amélioration des performances réseau. Les antennes capables de générer des modes à moment angulaire orbital (OAM) suscitent un grand intérêt en raison de leur capacité à améliorer l’efficacité spectrale et à accroître la capacité de transmission en exploitant des modes d’onde spatiaux orthogonaux. Toutefois, les conceptions d’antennes multi-bandes classiques, y compris celles fonctionnant à la fois dans les bandes micro-ondes et millimétriques, peinent souvent à assurer un fonctionnement multi-bande efficace tout en restant compatibles avec les modes OAM. Par conséquent, la conception d’antennes capables à la fois de générer des modes OAM et de fonctionner efficacement sur plusieurs bandes de fréquences représente un enjeu de recherche majeur, car elle peut considérablement améliorer la capacité des systèmes sans fil et leur efficacité spectrale.

Pour répondre à ces défis, ce mémoire présente la conception, l’optimisation, la fabrication et la validation expérimentale d’une antenne OAM bi-bande à commutation de mode, capable de fonctionner à 5.8 et 28 GHz. Le système d’antenne proposé est composé de deux réseaux circulaires uniformes (UCAs), chacun utilisant une configuration à double port. En excitant sélectivement un port tout en adaptant l’autre par une charge de 50 Ω, une génération stable et efficace de modes OAM de charges topologiques l = ±1 est obtenue. Cette configuration permet la commutation des modes OAM sur deux bandes sans nécessiter de circuits de déphasage externes. Le schéma simplifié à double port facilite non seulement la commutation de mode, mais permet également d’ajuster la fréquence de fonctionnement en adaptant les dimensions physiques de l’antenne, ce qui démontre la scalabilité du concept proposé. Dans l’ensemble, cette approche répond aux limites des antennes OAM multi-bandes traditionnelles et démontre la faisabilité d’intégrer les fonctionnalités OAM dans les futurs systèmes de communication sans fil.

Afin de valider l’efficacité de l’antenne proposée, des simulations numériques ont été réalisées à l’aide de CST Microwave Studio pour analyser les paramètres clés, notamment les paramètres S, les fronts de phase, l’amplitude et les diagrammes de rayonnement en champ lointain. Les résultats de simulation confirment que l’antenne permet une génération stable de modes OAM sur les deux bandes de fréquences. Pour valider davantage la faisabilité pratique, un prototype a été fabriqué et testé expérimentalement. Les mesures des paramètres S ont été effectuées à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA), tandis que les caractéristiques de rayonnement — incluant les fronts de phase, les amplitudes et les diagrammes en champ lointain — ont été évaluées en chambre anéchoïque. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les simulations, démontrant la capacité de l’antenne à prendre en charge la commutation de mode OAM à la fois dans les bandes micro-ondes et millimétriques.

Ainsi, ce travail établit une base solide pour le développement futur d’antennes OAM multi-bandes à commutation de mode, contribuant au développement de systèmes de communication sans fil à haute capacité et à efficacité spectrale optimisée.


With the rapid advancement of wireless communication technology, especially with the development of 5G and beyond, the demand for high-capacity transmission and enhanced spectral efficiency has significantly increased. The integration of microwave and millimeter-wave (mm-wave) frequency bands is essential for next-generation communication systems, enabling high-speed data transmission and enhanced network performance. Antennas capable of generating orbital angular momentum (OAM) modes have attracted significant attention due to their ability to improve spectral efficiency and increase data transmission capacity by utilizing orthogonal spatial wave modes. However, conventional multi-band antenna designs, including those operating at both microwave and mm-wave frequencies, often struggle to effectively support multi-band operation while maintaining compatibility with OAM modes. Therefore, the design of antennas that not only support OAM modes but also operate efficiently across multiple frequency bands is of great research interest, as they have the potential to enhance the capacity of the wireless system and spectral efficiency.

To address these challenges, this thesis presents the design, optimization, fabrication, and experimental validation of a mode-switchable dual-band OAM antenna capable of operating at 5.8 and 28 GHz. The proposed antenna system comprises two uniform circular arrays (UCAs), each utilizing a dual-port feeding configuration. By selectively exciting one port while terminating the other with a 50 Ω matched load, stable and efficient generation of OAM modes with topological charges of l = ±1 is achieved. This configuration enables dual-band OAM mode switching without the need for external phase-shifting networks. The simplified dual-port scheme not only facilitates mode switching but also allows the operating frequency to be flexibly adjusted by scaling the antenna’s physical dimensions. This demonstrates the scalability of the proposed design and its potential to be adapted for various frequency bands. Overall, the proposed approach addresses the limitations of conventional multi-band OAM antennas and demonstrates the feasibility of integrating OAM functionality into next-generation wireless communication systems.

To verify the effectiveness of the proposed antenna, extensive numerical simulations were conducted in CST Microwave Studio to analyze key performance metrics, including S-parameters, phase wavefronts, amplitude, and far-field radiation patterns. The simulation results confirm that the antenna achieves stable OAM mode generation across both frequency bands. To further validate the practical feasibility of the design, a prototype was fabricated and experimentally tested. Measurements of S-parameters were conducted using a vector network analyzer (VNA), while radiation characteristics—including phase wavefronts, amplitude, and far-field patterns—were evaluated in an anechoic chamber. The experimental results exhibit good agreement with simulations, demonstrating the antenna’s capability to support OAM mode switching in both microwave and mm-wave bands.

Therefore, this research provides a foundation for future advancements in mode-switchable, multi-band OAM antenna design, contributing to the development of high-capacity, spectrum-efficient wireless communication systems.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb A.
Mots-clés libres:	antenne double bande ; intégration micro-ondes et ondes millimétriques ; moment angulaire orbital (OAM) ; réseau circulaire uniforme (UCA) dual-band antenna ; microwave and millimeter-wave integration ; orbital an-gular momentum (OAM) ; uniform circular array (UCA)
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	26 mai 2026 14:23
Dernière modification:	26 mai 2026 17:44
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17198

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