Bandwidth Enhanced Miniaturized Fractal Antenna Using Giuseppe Peano and Sierpinski Carpet for UWB and Satellite Applications

Abstract

У роботі нова мікросмужкова монопольна компактна антена розроблена з використанням двох фрактальних структур: Джузеппе Пеано і килима Серпінського для надширокосмугових (UWB) додатків та супутникового зв'язку. Вона складається з квадратного патчу з двома сходинками та прямокутної щілини на площині заземлення. Антена моделюється за допомогою мікросмужкової лінії живлення та діелектричної підкладки FR-4 з ԑr = 4,3 та tanδ = 0.025. Перша ітерація фракталу Джузеппе Пеано та дворівневі ітерації фракталів килима Серпінського були застосовані до патчу. Змодельовані результати, проведені CST Microwave Studio Simulator, показують розумне узгодження з результатами вимірювань. Діапазон частот, отриманий для S11 < – 10 дБ, становить 3,1-12,2 ГГц або 118,95 % із розширенням смуги пропускання приблизно на 63,51 % порівняно з основною антеною. Сконструйована антена демонструє діаграми спрямованості в усіх напрямах та гарне підсилення по всьому діапазону з піком 5,2 дБ на частоті 12 ГГц, задовільну ефективність випромінювання, компактні розміри та простоту виготовлення, що дозволяє її широко застосовувати UWB та супутникового зв'язку.

In this paper, a new microstrip monopole compact antenna is designed by using two fractal structures: Giuseppe Peano and Sierpinski carpet for ultra-wideband (UWB) applications and satellite communications. It consists of a square patch with two steps, and a rectangular slot on the partial ground plane. The antenna is simulated using a microstrip feed line and an FR-4 dielectric substrate with ԑr = 4.3 and tanδ = 0.025. The first iteration of the Giuseppe Peano and two-level iterations of Sierpinski carpet fractals have been applied on the patch. The simulated results conducted by the CST Microwave Studio Simulator show reasonable agreement with the measured results. The frequency range obtained for S11 < – 10 dB is 3.1-12.2 GHz, relatively 118.95 % with a bandwidth enhancement of approximately 63.51 % compared to the basic antenna. The stated antenna is also compared with the related literature reviews to differentiate its performance. The designed antenna exhibits omnidirectional radiation patterns and a good gain over the entire band with a peak of 5.2 dB at 12 GHz. The proposed antenna shows satisfactory radiation efficiency, compact size, and easiness to manufacture which makes it a strong candidate for practical UWB applications and satellite communications.