Design and development of new dual-band antennas dielectric resonator-based for microwave and millimeter-wave applications.

Bizan, Mohamed Sedigh (2025). Design and development of new dual-band antennas dielectric resonator-based for microwave and millimeter-wave applications. Thèse. Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences des télécommunications, 106 p.

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Résumé

Avec l’évolution rapide des technologies sans fil, les systèmes de communication modernes exigent des solutions d’antennes capables de fonctionner efficacement sur plusieurs bandes de fréquences. Les antennes double bande sont devenues indispensables dans les réseaux 5G et au-delà, assurant une connectivité fluide en prenant simultanément en charge les fréquences micro-ondes et millimétriques. Cette capacité bimode permet à la fois une couverture étendue et des débits de données ultra-rapides. Les antennes à résonateur diélectrique (DRA), reconnues pour leurs faibles pertes, leur efficacité de rayonnement élevée et leur compacité, constituent une plateforme idéale pour ces systèmes. Leur aptitude à supporter un gain élevé et divers modes résonants les rend particulièrement adaptées aux applications multibandes avancées, où l’isolation et la sélectivité fréquentielle sont des critères essentiels.

Cette thèse présente une étude approfondie sur la conception et le développement d’antennes DRA double bande à haute performance, destinées aux futurs systèmes de communication sans fil 5G et au-delà. La recherche vise le fonctionnement simultané dans les bandes micro-ondes (sous-6 GHz) et millimétriques (mm-wave), en mettant l’accent sur un gain élevé, une large bande passante, la suppression des harmoniques et une excellente isolation entre les bandes.

La première contribution concerne une architecture à double CDRA utilisant deux matériaux diélectriques de permittivités différentes, permettant la suppression des harmoniques et le découplage fréquentiel. Des gains de 6,7 dBi et 15,2 dBi ont été atteints à 2,4 GHz et 28 GHz respectivement, avec une isolation mesurée dépassant 70 dB. Le second article propose une DRA cylindrique hybride intégrant un patch en série et des mécanismes de filtrage avancés, offrant un contrôle fréquentiel indépendant, des gains réalisés de 12,3 dBi et 17,2 dBi à 5,8 GHz et 28 GHz respectivement, et une isolation supérieure à 50 dB. La troisième étude explore un nouveau concept de « filtenna », combinant une antenne patch à 5,2 GHz avec un réseau DRA à 28 GHz, enrichi d’un filtre passe-bas et étendu en un réseau mm-wave de 16 éléments. Cette conception améliore significativement le gain (jusqu’à 19 dBi) et assure une isolation inférieure à 70 dB, tout en maintenant une compacité élevée.

Ces contributions établissent collectivement une base solide pour des systèmes d’antennes double bande dotés de résonances réglables indépendamment, de capacités de filtrage améliorées et de configurations à gain élevé et évolutives. Les résultats obtenus représentent une avancée significative vers des solutions d’antennes intégrées, efficaces et compactes, adaptées aux normes de communication multibande émergentes.


With the rapid evolution of wireless technologies, modern communication systems require an-tenna solutions that can efficiently operate across multiple frequency bands. Dual-band antennas have become essential in 5th Generation Mobile Network (5G) and beyond networks, enabling seamless connectivity by simultaneously supporting microwave and millimeter-wave frequencies. This dual-band capability allows for both broad coverage and ultra-fast data rates. DRAs, known for their low loss, high radiation efficiency, and compact form factor, offer an ideal platform for such systems. Their ability to support high-gain and diverse resonant modes makes them particularly suitable for advanced multi-band applications, where isolation and frequency selectivity are critical.

This thesis presents a comprehensive study on the design and development of high-performance dual-band dielectric resonator antennas aimed at next-generation 5G and beyond wireless com-munication systems. The research addresses the simultaneous operation in both the microwave (sub-6 GHz) and Millimeter Wave (mm-wave) frequency bands, emphasizing high gain, wide band-width, harmonic suppression, and superior inter-band isolation.

The first contribution involves a dual-CDRA architecture using two dielectric materials with different permittivities, enabling harmonic suppression and frequency decoupling. Gains of 6.7 dBi and 15.2 dBi were achieved at 2.4 GHz and 28 GHz, respectively, with measured isolation surpassing 70 dB. The second paper introduces a hybrid cylindrical DRA integrated with a serial-patch and advanced filtering mechanisms, achieving independent frequency control, realized gains of 12.3 dBi and 17.2 dBi at 5.8 GHz and 28 GHz, respectively, and isolation levels exceeding 50 dB. The third study explores a novel “filtenna” concept, merging a 5.2 GHz patch antenna with a 28 GHz DRA array, enhanced with a low-pass filter and expanded into a 16-element mm-wave array. This design significantly improves gain (up to 19 dBi) and isolation of less than 70 dB, while maintaining a compact footprint.

Collectively, these contributions establish a robust framework for dual-band antenna systems with independently tunable resonances, enhanced filtering capabilities, and scalable high-gain configurations. The findings offer a significant advancement toward integrated, efficient, and com-pact antenna solutions suitable for emerging multi-band communication standards.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb A.
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	26 mai 2026 18:52
Dernière modification:	26 mai 2026 18:52
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17204

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