A Triple Band Square Shape Multi-slot Defective Ground Structure Patch Antenna for C-, X-, and Ku-band Applications

Abstract

У цій статті пропонується багатощілинна мікросмужкова патч-антена зі структурою дефектної землі квадратної форми для різних застосувань з літерними діапазонами. Запропонована структура була розроблена з використанням поліімідного діелектричного матеріалу товщиною 2 мм, який має діелектричну проникність 3,5. Загальний розмір антени становить 20 × 20 × 2,07 мм3. Запропонована антена забезпечує роботу в трьох діапазонах, зберігаючи при цьому компактний розмір випромінювача. Розроблений випромінювач має можливість працювати в трьох окремих частотних діапазонах: від 4,2 до 5 ГГц, від 9,3 до 9,9 ГГц та від 12,7 до 13,4 ГГц, з трьома окремими резонансними частотами 4,6, 9,6 та 13,1 ГГц відповідно. При резонансі досягається піковий коефіцієнт посилення 8,2, 6,8 та 7,4 дБі, а також ефективність випромінювання 91, 83 та 89 %. Було проведено комплексний параметричний аналіз з використанням симулятора CST для покращення продуктивності в робочому діапазоні частот щодо коефіцієнта відбиття (S11). Крім того, ми досліджуємо вплив різних провідних матеріалів (алюміній, золото, залізо та мідь) та діелектричних матеріалів (FR-4, Topas, кварц з втратами та поліімід) на характеристику запропонованої антени. Представлено методологію проектування антени, а також аналіз розподілу поля та струму. Запропонована тридіапазонна патч-антена з дефектною заземлювальною структурою може бути використана для застосувань у C-, X- та Ku-діапазонах.

In this article, a multi-slot defective ground structured microstrip patch antenna with a square shape for various letter band applications is proposed. The proposed structure was designed using a polyimide dielectric material with 2mm thickness, which has a dielectric constant of 3.5. The total size of the antenna is 20  20  2.07 mm3. The proposed antenna achieves triple band operation while preserving a compact radiator size. The designed radiator has the capability to operate across three separate frequency bands, spanning from 4.2 to 5 GHz, 9.3 to 9.9 GHz, and 12.7 to 13.4 GHz, with three separate resonance frequencies of 4.6, 9.6, and 13.1 GHz, respectively. A peak gain of 8.2, 6.8 and 7.4 dBi, radiation efficiency of 91, 83 and 89 % are attained at resonance. A comprehensive parametric analysis was conducted utilizing the CST simulator to improve performance over the operational frequency range with respect to reflection coefficient (S11). Additionally, we examine the impacts of various conductive materials (aluminum, gold, iron and copper) and dielectric materials (FR-4, Topas, Quartz Lossy and Polyimide) on the response of the suggested antenna. The antenna design methodology, as well as the analysis of field and current distributions are presented. The prescribed triple band defective ground structure patch antenna can be used for C-, X- and Ku-band applications.