Design and development of cost-effective 3-D printable millimeter wave reconfigurable components for next-generation wireless systems.

Faisal, Fadoq (2025). Design and development of cost-effective 3-D printable millimeter wave reconfigurable components for next-generation wireless systems. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences des télécommunications, 99 p.

PDF - Version publiée Document sous embargo jusqu'à 2 décembre 2026. Télécharger (9MB)

Résumé

La croissance rapide des technologies sans fil, telles que la cinquième (5G) et la sixième génération (6G), ainsi que les dispositifs de l’Internet des Objets (IoT) de nouvelle génération, impose le développement de composants à hautes performances, à faible coût et capables d’opérer dans le spectre des ondes millimétriques (mm-wave). Les techniques de fabrication conventionnelles demeurent toutefois coûteuses, longues et peu flexibles pour le prototypage rapide, tandis que les approches classiques de reconfigurabilité, telles que les dispositifs MEMS, les cristaux liquides ou les diodes p-i-n, présentent des limitations importantes à ces fréquences.

Afin de surmonter ces contraintes, cette recherche exploite les techniques d’impression 3D combinées à des matériaux ferromagnétiques pour développer une nouvelle classe de composants reconfigurables basés sur les guides diélectriques, reconnus pour leurs faibles pertes et leur excellent confinement de champ. Les dispositifs proposés sont réalisés à l’aide d’imprimantes stéréolithographiques (SLA) commerciales et de procédés simples de métallisation, tels que le placage au ruban de cuivre, permettant une réduction significative des coûts de fabrication sans compromettre les performances électriques.

Les principales contributions de cette recherche se déclinent en plusieurs réalisations innovantes. Tout d’abord, un croisement large bande basé sur un guide diélectrique d’image (IDG) imprimable en 3D a été conçu, offrant une isolation accrue entre les canaux et une dispersion minimale du délai de groupe. Ensuite, un coupleur compact de 3 dB a été développé, reposant sur une structure à fente inspirée du mode évanescent, permettant une division de puissance équilibrée et une forte isolation. Sur la même plateforme IDG, un coupleur accordable a été proposé, intégrant une dalle diélectrique mobile assurant la syntonisation en fréquence et la reconfigurabilité de la division de puissance, offrant ainsi une solution flexible pour les circuits adaptatifs en ondes millimétriques. Par ailleurs, une antenne reconfigurable en polarisation (PRA) a été élaborée à partir d’un double guide diélectrique d’image (DIDG) et de résonateurs ferrites, exploitant un biais magnétique externe pour commuter entre des états de polarisation linéaire et circulaire. Enfin, un filtre coupe-bande non réciproque imprimable en 3D a été conçu, utilisant un résonateur ferrite inséré dans un guide diélectrique non rayonnant afin d’accorder les zéros de transmission dans les directions directe et inverse, grâce à la variation de l’angle de biais magnétique.

L’ensemble des dispositifs a été modélisé, fabriqué et validé expérimentalement, démontrant que la fabrication additive à faible coût, combinée à une conception optimisée, peut atteindre des performances comparables à celles des technologies conventionnelles. Cette thèse établit ainsi un cadre pratique et évolutif pour la conception de composants mm-wave reconfigurables et imprimables en 3D, adaptés aux futurs systèmes sans fil flexibles, performants et économiques.


The rapid growth of wireless technologies such as fifth- (5G) and sixth-generation (6G) net-works, as well as next-generation Internet of Things (IoT) devices, demands the development of high-performance, low-cost components capable of operating efficiently in the millimeter-wave (mm-wave) spectrum. Conventional fabrication techniques, however, remain expensive, time consuming, and offer limited flexibility for rapid prototyping, while traditional reconfigurability approaches, such as MEMS devices, liquid crystals, or p-i-n diodes, exhibit significant limitations at these frequencies.

To overcome these constraints, this research leverages 3D printing technologies combined with ferromagnetic materials to develop a new class of reconfigurable components based on dielectric waveguides, which are known for their low losses and excellent field confinement. The proposed devices are fabricated using commercial stereolithographic (SLA) 3D printers and simple metallization techniques, such as copper tape plating, allowing a substantial reduction in manufacturing cost without compromising electrical performance.

The main contributions of this work encompass several innovative designs. First, a broadband crossover based on a 3D-printable image dielectric guide (IDG) was developed, providing enhanced channel isolation and minimal group delay dispersion. A compact 3 dB coupler was then designed using an evanescent-slot structure, achieving equal power division with high isolation. On the same IDG platform, a tunable coupler was proposed, incorporating a movable dielectric slab to enable frequency tuning and reconfigurable power division, thus offering a practical solution for adaptive mm-wave circuits. Furthermore, a polarization reconfigurable antenna (PRA) was developed using a dual image dielectric guide (DIDG) configuration with ferrite resonators, allo-wing switching between linear and circular polarizations under an external magnetic bias. Finally, a nonreciprocal 3D printable bandstop filter was designed, employing a ferrite resonator embedded in a nonradiative dielectric (NRD) waveguide to control the transmission zeros in the forward and reverse directions through the variation of the magnetic bias angle.

The proposed devices were fully modeled, fabricated and experimentally validated, demons-trating that low-cost additive manufacturing, when combined with optimized dielectric waveguide design, can achieve performance comparable to conventional mm-wave technologies. This thesis therefore establishes a practical and scalable framework for the design and development of low-cost, 3D-printable, and reconfigurable mm-wave components, paving the way for future flexible, high-performance, and energy-efficient wireless communication systems.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Djerafi, Tarek
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Chaker, Mohamed
Mots-clés libres:	Composants à ondes millimétriques ; impression 3D ; guide diélectrique à image (IDG) ; guide diélectrique à double image (DIDG) ; antennes reconfigurables ; fabrication économique ; coupleurs accordables ; fabrication additive en radiofréquence (RF) ; Millimeter-wave components ; 3-D printing ; image dielectric guide (IDG) ; dual-image dielectric guide (DIDG) ; reconfigurable antennas ; cost-effective fabrication ; tunable couplers ; additive manufacturing in RF
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	29 mai 2026 14:12
Dernière modification:	29 mai 2026 14:12
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17212

Gestion Actions (Identification requise)

Modifier la notice