Study and design of reconfigurable antenna using Metamaterials for wireless communication systems, operating at mm-wave frequency band.

Noureddine, Melouki (2025). Study and design of reconfigurable antenna using Metamaterials for wireless communication systems, operating at mm-wave frequency band. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences des télécommunications, 128 p.

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Résumé

Cette thèse présente une étude complète sur la conception, l’optimisation et la validation expérimentale d’antennes transmitarray et lentilles conformes 3D destinées aux applications de formation de faisceaux et de frontaux reconfigurables à ondes millimétriques. Le travail établit une continuité entre les structures passives optimisées par algorithme, les lentilles diélectriques imprimées en 3D, et les architectures reconfigurables basées sur la transition CPW-vers-slotline, permettant un contrôle de faisceau agile et efficace dans la bande Ka.

La première partie met en évidence les limites des systèmes à commande mécanique ou entièrement active en termes de complexité et de rendement. Une transmitarray multi-bits à commande indépendante de phase et d’amplitude est ensuite proposée et optimisée au moyen d’un algorithme génétique (GA). Grâce à une cellule unitaire bicouche et à une pondération d’amplitude adaptée, l’antenne atteint des lobes secondaires réduits tout en conservant un gain élevé et une large bande passante, confirmés expérimentalement sur un prototype de 20×20 éléments.

La deuxième partie introduit des lentilles diélectriques conformes imprimées en 3D exploitant le principe hauteur-phase pour un pilotage de faisceau entièrement passif et la génération de modes à moment angulaire orbital (OAM). Réalisées en filament PLA à faibles pertes, ces lentilles démontrent des fonctions de bipolarisation, de double faisceau et de balayage mécanique sur 360°, adaptées aux communications embarquées sur drones et aux plateformes légères.

Enfin, la recherche se concentre sur une cellule unitaire CPW-vers-slotline assurant une inversion binaire de phase (0°/180°) grâce à la symétrie intrinsèque du champ. Cette approche évolue d’une structure bicouche compatible PIN-diodes vers une architecture uniplanaire à simple métal, maintenant une transmission stable et uniforme. Une extension géométrique à 3 bits améliore encore la résolution sans complexité supplémentaire, ouvrant la voie à des arrays reconfigurables efficaces et industrialisables.

Dans son ensemble, cette thèse propose un cadre complet reliant optimisation algorithmique, fabrication additive et reconfigurabilité électronique, offrant une solution évolutive, performante et à faible coût pour les systèmes mm-wave de communication, de détection et de véhicules intelligents.



This dissertation presents a comprehensive investigation into the design, optimization, and experimental realization of millimeter-wave (mm-wave) transmitarray and lens antennas for advanced beam-forming and reconfigurable front-end applications. The research establishes a unified progression from passive, algorithmically optimized apertures, through 3D-printed conformal dielectric lenses, to electronically reconfigurable CPW-to-slotline transmitarrays that enable agile and efficient beam control at Ka-band frequencies.

The study begins by revisiting conventional beam-steering techniques and identifies the inherent trade-offs between efficiency, complexity, and cost in mechanical and fully active phased arrays. Building on this foundation, a multi-bit wideband transmitarray with independent phase and amplitude control is proposed and optimized using a Genetic Algorithm (GA)-based synthesis framework. By coupling a dual-layer unit-cell topology with algorithmic amplitude tapering, the array achieves markedly lower sidelobe levels and broadband high-gain performance, validated experimentally through 20×20 prototypes.

Expanding this concept into spatially continuous designs, the next stage introduces 3D-printed conformal dielectric lenses that exploit the height-to-phase conversion principle for fully passive beam steering and orbital angular momentum (OAM) generation. Fabricated using low-loss PLA substrates, these lenses demonstrate single- and dual-beam steering, multi-mode OAM forma-tion, and mechanical 360° scanning for UAV-assisted communication scenarios, bridging the gap between rigid planar antennas and lightweight conformal architectures.

The final stage focuses on a CPW-to-slotline-based unit-cell architecture, enabling binary (0°/180°) phase inversion through intrinsic mode symmetry rather than external networks. This topology evolves from a dual-layer diode-ready configuration to a uniplanar single-metal implementation, maintaining high transmission magnitude and scalability. A 3-bit geometric extension further enhances resolution without added complexity, paving the way for electronically steerable and manufacturable arrays.

Collectively, this work delivers a complete framework—from algorithmic optimization to additive manufacturing and electronic reconfiguration—for efficient, low-cost, and scalable mm-wave front-ends applicable to future vehicular, satellite, and 5G/6G communication systems

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Denidni, Tayeb A.
Mots-clés libres:	ondes millimétriques ; antenne réseau transmetteur ; lentille 3D imprimée ; transition CPW-slotline ; optimisation phase-amplitude ; algorithme génétique ; commande de faisceau ; bande Ka ; millimeter-wave ; transmitarray ; 3D-printed lens ; CPW-slotline transition ; phase–amplitude optimization ; genetic algorithm ; beam steering ; Ka-band.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	10 juill. 2026 18:38
Dernière modification:	10 juill. 2026 18:38
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17251

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