Design and Development of Four Element Multiband MIMO Microstrip Antenna for LTE/5G Applications

Abstract

Для застосувань LTE та 5G розроблено багатодіапазонну антену MIMO (Multiple Input Multiple Output) з чотирма елементами. Антена складається з чотирьох планарних елементів з вбудованим живленням, що забезпечує компактність та ефективність. Вона виготовлена на підкладці FR-4 з діелектричною проникністю 4,4, товщиною 1,6 мм та загальними розмірами 150 × 150 × 1,6 мм³. Конструкція підтримує кілька частотних діапазонів, що працюють на частотах 2,4 ГГц, 3,7 ГГц та 4,5 ГГц, з |S11| ≤ –10 дБ. Ці діапазони відповідають діапазону LTE 40 (2300-2400 МГц), діапазону LTE 43 (3600-3800 МГц) та середньому діапазону 5G (4500-4900 МГц), що забезпечує широке покриття для сучасних систем бездротового зв'язку. Антена демонструє чудове рознесення діаграм спрямованості, забезпечуючи стабільний прийом і передачу сигналу з мінімальними перешкодами. Вона досягає низького коефіцієнта кореляції обвідної (ECC), що забезпечує ефективну роботу MIMO з мінімальним погіршенням сигналу. Крім того, конструкція підтримує хороший коефіцієнт посилення, спрямованість та ізоляцію між портами понад 33 дБ, що зменшує міжканальні перешкоди та покращує загальну продуктивність системи. Результати підтверджують високу ефективність антени та її придатність для застосувань LTE/5G. Крім того, конструкція проста у виготовленні, що робить її практичним вибором для сучасних систем бездротового зв'язку, які вимагають високої продуктивності, компактності та економічно ефективного виробництва.

A multiband Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna with four elements has been designed for LTE and 5G applications. The antenna consists of four planar elements with inset feeding, ensuring compactness and efficiency. It is constructed on an FR-4 substrate with a dielectric constant of 4.4, a thickness of 1.6 mm, and overall dimensions of 150  150  1.6 mm³. The design supports multiple frequency bands, operating at 2.4 GHz, 3.7 GHz, and 4.5 GHz, with |S11| ≤ – 10 dB. These bands correspond to LTE band 40 (2300-2400 MHz), LTE band 43 (3600-3800 MHz), and the 5G mid-band (4500-4900 MHz), ensuring broad coverage for modern wireless communication systems. The antenna exhibits excellent pattern diversity, providing robust signal reception and transmission with minimal interference. It achieves low Envelope Correlation Coefficient (ECC), ensuring efficient MIMO performance with minimal signal degradation. Additionally, the design maintains good gain, directivity, and over 33 dB isolation between ports, reducing cross-channel interference and improving overall system performance. The results confirm the antenna’s high efficiency and suitability for LTE/5G applications. Moreover, the structure is simple to fabricate, making it a practical choice for modern wireless communication systems that demand high performance, compactness, and cost-effective manufacturing.