A 3D Printed 22 Circular Planar Antenna Array for Wireless Communications Applications

Abstract

У роботі була розроблена кругла плоска антенна решітка 2 x 2, надрукована на 3D принтері, для пояснення зручності використання технології 3DP для радіочастотних систем. Впроваджено інноваційний процес з травленням підкладки в діелектрику PLA. Спроектована плоска антенна решітка складається з чотирьох круглих антенних елементів у поєднанні з дільником потужності на верхньому шарі підкладки з PLA, а заземлювач встановлюється на нижньому шарі підкладки. І патч, і заземлювач виготовлені з червоного мідного листа товщиною 1 мм і загальним розміром 133,14 x 146,5 x 2 мм3. У запропонованій антенній решітці використовували матеріал підкладки PLA з відносною діелектричною проникністю 3,1 і тангенсом кута втрат 0,001, а всі частини антени закріплювали гвинтовими цвяхами. Нова кругла плоска антенна решітка працює з одним входом, який живиться від коаксіального роз'єму, підключеного безпосередньо до лінії електропередачі, яка об'єднана з розробленим дільником потужності. Кінцевий дільник потужності складається з двох секцій, об'єднаних разом і змодельованих індивідуально для дослідження їх характеристик через коефіцієнт відбиття та ізоляцію між портами. Змодельовано круглу плоску антенну решітку, надруковану на 3D принтері, і отримано результати, такі як S11, що сягає до – 15,69 дБ на частоті 2,63 ГГц, і загальний коефіцієнт підсилення 6,73 дБі, у досягнутому діапазоні; також генеруються інші смуги, що підтверджує придатність запропонованої антенної решітки для різних бездротових додатків.

In this work, a 3D printed 2 x 2 circular planar antenna array was designed to explain the usability of 3DP technique for RF systems. An innovative process with etching substrate in PLA dielectric is implemented. The designed planar array antenna consists of four circular antenna elements combined with power divider on the top layer of PLA substrate and the ground plane is mounted on the bottom layer of substrate, both the patch and the ground are made of red copper sheet with a thickness of 1 mm and an overall size of 133.14 x 146.5 x 2 mm3. The proposed array used PLA substrate material with relative permittivity of 3.1 and loss tangent of 0.001, and all parts of the antenna are fixed by screw nails. The novel circular planar antenna array operates with one input feeding by a coaxial connector connected directly to transmission line, which is merged with the designed power divider, the final power divider consists of two sections combined together and simulated individually to investigate their performance through the reflection coefficient and isolation between ports. The 3D printed circular planar array is simulated and the obtained results, such as S11 reached up to – 15.69 dB at 2.63 GHz and the total gain of 6.73 dBi, are obtained at the achieved band, and also other bands are generated which confirms the suitability of the proposed array for various wireless applications.