A Compact Multi-resonant Wide Band MIMO Antenna for 5G Communication Systems at mm-wave Band

Abstract

У цій статті представлено конструкцію нову компактну двосмугову антенну систему з багатьма входами і виходами (MIMO) з кращою продуктивністю для систем зв’язку 5G на частотах міліметрових хвиль (28/38 ГГц). По-перше, один елемент був розроблений і деталізований для резонанса на частотах мм-хвиль (28/38 ГГц). Основна антена - це проста кругла ділянка, яка резонує на частоті 38 ГГц. Для генерації другої робочої частоти запропонованої антени введено два прямокутних перевернутих Lподібних щілини (Ant II). Крім того, щоб покращити узгодження імпедансу на бажаних частотах, на випромінювальному елементі введено круглий проріз (Ant III). Два перевернутих F-подібних і прямокутних DGS вставлені на заземлену площину для покращення робочої смуги пропускання антени. У цій конструкції використовується недорога підкладка FR4-епоксидна смола з відносною константою 4,4, тангенсом втрат 0,02 і товщиною 0,74 мм. Змодельований результат показує, що запропонована одна антена має кращі характеристики. Одинарна антена має компактні розміри 7×6,8×0,74 мм3 . Крім того, два окремих елемента перетворюються на 2-портову конфігурацію MIMO для додатків 5G MIMO міліметрових хвиль. Для досягнення покращених характеристик ізоляції антени MIMO, у центрі заземленої площини введено прямокутний DGS. Результат показує, що ця антена демонструє коефіцієнт відбиття нижче -10 дБ у діапазоні від 26,82 ГГц до 38,16 ГГц із смугою пропускання 11,34 ГГц (FBW 34,90%). Коефіцієнт посилення антени становить понад 5 дБ у всій робочій смузі. Антена MIMO також характеризується хорошою ізоляцією в діапазоні від 19 до 56 дБ. Крім того, антена MIMO має компактний розмір 15,5×6,8×0,74 мм3 . Запропонована антена MIMO може бути потенційним кандидатом для додатків MIMO 5G міліметрових хвиль.

In this paper, a novel compact dual-wide band multiple input multiple output (MIMO) antenna system with a better performance for 5G communications systems at mm-wave frequencies (28/38 GHz) is presented. Firstly, a single element was designed and detailed to resonate at mm-wave band frequencies (28/38 GHz). The basic antenna is a simple circular patch that resonates at 38 GHz. In order to generate the second operating frequency of the proposed antenna, two rectangular inverted L-shaped slots are introduced (Ant II). Furthermore, to improve the impedance matching at desired frequencies, a circular slot is introduced on the radiating element (Ant III). Two inverted F-shaped and rectangular DGS are inserted on the ground plane to improve the operating bandwidth of the antenna (proposed single element antenna). A low-cost substrate FR4- epoxy having a relative constant 4.4, loss tangent of 0.02 and thickness of 0.74 mm is used in this design. The simulated result shows the proposed single antenna has the better performances. The single antenna has a compact size of 7 x 6.8 x 0.74 mm3. Furthermore, the two single elements are transformed into 2-port MIMO configuration for mm-wave 5G MIMO applications. To achieve the improved isolation characteristic of the MIMO antenna, a rectangular DGS is introduced in the center of the ground plane. The result indicates that this antenna shows a reflection coefficient under – 10 dB over a range from 26.82 GHz to 38.16 GHz with bandwidth of 11.34 GHz (F.B.W 34.90 %). The gain of the antenna is found more than 5 dB in the whole operating band width. The MIMO antenna is also characterized by good isolation ranging from 19 to 56 dB. Additionally, the MIMO antenna has a compact size of 15.5 x 6.8 x 0.74 mm3. Due to these superior results, the proposed MIMO antenna could be a potential candidate for MIMO 5G mm-wave applications.