Design and Analysis of a Dual-Band 27/38 GHz Elliptical-Shaped Patch Antenna for 5G Applications

Abstract

У роботі описується конструкція патч-антени еліптичної форми для додатків 5G на недорогій підкладці Rogers RO4003C з діелектричною проникністю 3,55 і розміром 14 x 6 x 0,2 мм3 в двох діапазонах (27 ГГц і 38 ГГц). Запропонована антена складається з ділянки з п’ятьма еліпсами та щілинами однакової форми, а також часткової площини заземлення для збільшення смуги пропускання. На обох діапазонах антена демонструє чудове узгодження. Результати вказують на наявність двох резонансних частот 27 ГГц і 38 ГГц, які визначають дві різні смуги пропускання зворотних втрат 10 дБ, рівних відповідно 0,490 ГГц і 0,420 ГГц. Крім того, результуюче підсилення має гарне значення та є особливо вражаючим, враховуючи невеликий розмір структури, з піковим значенням 5,731 дБ на частоті 26,75 ГГц і піковим значенням 4,75 дБ на частоті 38 ГГц. Ця антена була досліджена за допомогою Computer Simulation Technology-Microwave Studio (CST). Для отримання оптимальних результатів було проведено параметричний аналіз, щоб з’ясувати вплив довжини заземленої поверхні, вплив радіуса щілин та положення щілин на характеристики запропонованої антени. Достатня смуга пропускання імпедансу, бажані односпрямовані стабільні діаграми спрямованості, задовільний коефіцієнт підсилення, ефективність випромінювання, а також мініатюрний розмір роблять запропоновану антену придатним кандидатом для майбутніх застосувань 5G.

This work describes the design of an elliptical shape patch antenna for 5G applications on a low-cost Rogers RO4003C substrate with a permittivity of 3.55 and a dimension of 14 x 6 x 0.2 mm3 in both bands (27 GHz and 38 GHz). The suggested antenna is made up of a patch with five ellipses and slots of identical shape, as well as a partial ground plane for increased bandwidth. At both bands, the antenna exhibits excellent matching. The results indicate the presence of two resonance frequencies at 27 GHz and 38 GHz that defines two distinct 10 dB return loss bandwidths of 0.490 GHz and 0.420 GHz, respectively. Furthermore, the resulting gain has a good value and is particularly impressive given the structure's small size, with a peak value of 5.731 dB at 26.75 GHz and a peak value of 4.75 dB at 38 GHz. This antenna was studied with the help of Computer Simulation Technology-Microwave Studio (CST). Parametric analyses have been carried out to find out the effect of ground plane length, effect of slot radius and effect of slot position on the performance the proposed antenna in order to provide optimal results. Sufficient impedance bandwidth, preferred unidirectional stable radiation patterns, satisfactory gain, radiation efficiency as well as a miniaturized size make the proposed antenna a suitable candidate for future 5G applications.