Wideband DGS Slot Loaded Patch Antenna for High-Speed mm-wave 5G Applications

Abstract

Широкосмугова антена характеризується майже постійними робочими параметрами в дуже широкому діапазоні частот (пасбенді). Вона відрізняється від широкосмугових антен тим, що хоча пасбенд є значним, силу сигналу та/або діаграму випромінювання не обов’язково зберігати незмінними в усьому діапазоні. DGS (Defected Ground Structure) – це щілини або вирізи в опорному (земляному) шарі мікрохвильових планарних структур. Така структура використовується для покращення характеристик пристроїв та розширення смуги пропускання. У даній роботі представлено високошвидкісну широкосмугову мікросмужкову антену з DGS, призначену для застосування в міліметровому діапазоні 5G у частотному діапазоні 24 – 27 ГГц, з коефіцієнтом зворотних втрат – 28,09 дБ, що вказує на добру узгодженість. Проєктування й моделювання антенних параметрів проводилося в Ansys HFSS v15 з використанням дешевого підкладкового матеріалу FR4 (діелектрична проникність 4,4, товщина 0,8 мм). Розміри запропонованої антени складають 7 мм  7 мм  0,8 мм. Отримані експериментальні та симульовані результати узгоджуються. Встановлено, що коефіцієнт підсилення становить 2,01 дБ, а ефективність випромінювання перевищує 90% у діапазоні 24 – 27 ГГц. Антена ефективно покриває спектр 5G, зокрема діапазони n257, n258 та n261. Широкосмугова характеристика досягається за рахунок щілин на патчі антени, а збільшення підсилення забезпечується завдяки специфічним вирізам на опорній площині.

A wideband antenna has almost or precisely the same operating parameters throughout a very large Passband. It differs from broadband antennas in that the passband is extensive, but the antenna strength and/or emission pattern do not have to remain constant across the passband. DGS refers to the faults or slots on the ground plane of microwave planar circuits. DGS has been designed to improve the performance of numerous devices and increase bandwidth. Current work presents a high-speed DGS-loaded wideband microstrip antenna that can be used in the 5G millimeter wave application in the band of frequency between 24 – 27 GHz having a return loss value of – 28.09 dB with wideband characteristic. The Ansys HFSS v15 has been used to design and measure antenna parameters. The simulation process has been done using low-cost substrate material FR4 whose dielectric constant is 4.4 and has a thickness of 0.8 mm. The designed antenna structure has dimensions of 7 mm  7 mm  0.8 mm. Both measured and simulated results are found to be similar. The gain of the proposed antenna is found to be 2.01 dB while radiation efficiency is measured to be greater than 90 % in the range of frequency (24 – 27 GHz). The designed antenna covers the 5G spectrum and effectively operates in n257, n258 and n261 bands. In this structure wideband has been achieved by making slots onto the patch antenna and a large gain has been achieved by different dimensions of slots onto the ground plane.