Bandwidth Enhanced and Gain Improvement of Compact Patch Antenna Using Metamaterials for UWB applications

Abstract

Запропоновано нову компактну надширокосмугову (UWB) антену з використанням плоских структур з метаматеріалу (MTM). Антена розроблена з двосторонньою плоскою періодичною осередковою структурою. Запропонована тривимірна елементарна комірка демонструє штучне середовище з негативною електричною проникністю та широку електромагнітну заборонену зону, створену шляхом гравування чотирьох L-подібних прорізів на головній квадратній ділянці та хрестоподібних прорізів на площині землі. Запропонована антена, виготовлена на недорогій підкладці Rogers RO4003C діаметром 1,52 мм, є компактною, має розміри 22,4 × 25,6 мм2, з відносною діелектричною проникністю 3,38 і тангенсом втрат 0,0027. Він має широку смугу пропускання від 3,8 до 17,7 ГГц, що становить 129%. Середнє посилення по всій смузі частот становить 5,44 дБ з піковим значенням 8,55 дБ на 15,5 ГГц. Проектування та моделювання проводилися за допомогою мікрохвильової студії CST на основі методу кінцевої інтеграції (FIT). Виміряні зворотні втрати прототипу добре узгоджувалися з результатами моделювання. Пропонована антена демонструє задовільну ефективність випромінювання, досягаючи від 80 до 93% по всьому діапазону. Коефіцієнт підсилення тестової антени демонструє сприятливі характеристики випромінювання та стабільність діаграм спрямованості на низьких частотах. Порівняльне дослідження з нещодавно опублікованими оглядами відповідної літератури підкреслює компактність нашої конфігурації антени MTM, демонструючи коефіцієнт зниження від 43,13 до 56,25%. Завдяки своїй видатній продуктивності запропонована конструкція позиціонується як сильний кандидат для різноманітних додатків UWB, а також може використовуватися для супутникового зв’язку та радіолокації.

A compact new ultra-wideband (UWB) antenna using planar metamaterial (MTM) structures is proposed. The antenna is designed with a double-side planar periodic cell structure. The proposed 3-D unit cell show an artificial negative electric permittivity medium (NEPM), exhibiting a wide electromagnetic bandgap (EBG) created by etching four L-shaped slots on the main square patch and crossed-shaped slots on the ground plane. The proposed antenna fabricated on a 1.52 mm low-cost Rogers RO4003C substrate, is compact, measuring 22.4 × 25.6 mm2, with a relative permittivity of 3.38 and a loss tangent of 0.0027. It has a broad bandwidth covering 3.8 GHz to 17.7 GHz, relatively 129%. The average gain over the entire bandwidth is 5.44 dB, with a peak value of 8.55 dB at 15.5 GHz. Design and simulation were carried out using the finite integration technique (FIT)-based CST microwave studio. The measured return loss (S11) of the prototype was in good agreement with the simulated results. The proposed antenna shows satisfactory radiation efficiency, achieving between 80% and 93% over the whole band. The measured gain of the test antenna demonstrates favorable radiation characteristics and shows the stability of radiation patterns at low frequencies. A comparative study with the related literature reviews recently published highlights the compactness of our MTM antenna configuration, presenting a reduction factor between 43.13% and 56.25%. Due to its outstanding performance, the proposed design is positioned as a strong candidate for various UWB applications, and also can be used for satellite communications and radar applications.