Design of an Integrated mm-Wave and Sub 6GHz Antenna for 5G Mobile Devices

Abstract

У додатках 5G антенна система відіграє важливу роль для підтримки ефективності покриття сигналу під час передачі. Діапазони міліметрового діапазону і суб-6 ГГц інтегровані в нову антенну систему, яка пропонується для портативних пристроїв 5G. Запропонована конструкція з однією антеною, яка охоплює смугу частот 32,4 ГГц від 5,8 ГГц до 38,2 ГГц. Передбачувана структура антени була отримана шляхом введення Т-подібних прорізів у накладку разом із присутністю паразитних елементів з обох боків. Підкладка FR-4 антени розроблена з розмірами 30 x 28 x 1,6 мм2. Коефіцієнт підсилення змінюється від 5 до 32 дБі на робочій частоті. Паразитні компоненти розроблені та з’єднані з патчем для підтримки здатності патча випромінювати з кількома резонансами в широкому робочому діапазоні. Оптимальна антена включає шість резонансних частот 11 ГГц, 18,2 ГГц, 20,3 ГГц, 21,7 ГГц, 23,2 ГГц і 27 ГГц. Протягом усієї робочої частоти коефіцієнт стоячої хвилі напруги (КСХВ) становить менше 2, що означає добре узгодження імпедансу. Антена має ефективність щонайменше 65 %, що робить дає змогу використовувати її для пристроїв 5G. Нова геометрія антени з компактним розміром, широка робоча смуга з кількома ефективними резонансними частотами, високий коефіцієнт підсилення, хороша ефективність випромінювання, всенаправлена стабільна діаграма спрямованості є основними перевагами даної конструкції, що представлена в цій роботі.

In 5G applications, the antenna system plays a vital role to maintain the efficiency of the signal coverage during transmission. The millimeter-wave (mm-wave) and sub-6 GHz bands are integrated into the new antenna system which is suggested for the 5G handheld devices. The suggested antenna is a single antenna system that covers a 32.4 GHz bandwidth from 5.8 GHz to 38.2 GHz. The intended antenna structure has been obtained by introducing T-Shaped slots in the patch along with presence of parasitic elements on either side. The antenna's FR-4 substrate is developed with dimensions of 30 x 28 x 1.6 mm2. The gain varies between 5 and 32 dBi across the operating frequency. The parasitic components are designed and connected with the patch to support the patch's ability to radiate with multiple resonances over a wide operating band. The optimal antenna includes six resonant frequencies 11 GHz, 18.2 GHz, 20.3 GHz, 21.7 GHz, 23.2 GHz, and 27 GHz. During the entire working frequency, the Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) is obtained below 2, which signifies well impedance matching. The antenna maintains an efficiency of at least 65 % throughout, making it a strong candidate for 5G devices. The novel antenna geometry with compact size, wide operating band with multiple fruitful resonant frequencies, high gain, good radiation efficiency, omnidirectional stable radiation patterns are the major findings reported in this article.