Compact Broadband Microstrip Patch Antenna for 5G Communication Applications

Abstract

Останнім часом мікросмужкова патч-антена (MPA) набула популярності в різних системах бездротового зв’язку, а також у зв’язку 5G. Незважаючи на різні переваги, основним недоліком MPA, який обмежує її застосування, є низька пропускна здатність. У даному дослідженні реалізовано широкосмугову антену із задовільним коефіцієнтом посилення, використовуючи скорочену заземлювальну площину та додавши кілька слотів у випромінювальну площину. Для досягнення численних частотних смуг до патча додаються слоти. Розміри слотів вибрані таким чином, щоб враховувати ефект коливання близько розташованих частотних смуг, що призводить до широкосмугових властивостей. Для забезпечення належного узгодження імпедансу заземлювальну площину змінено. Запропонована антена забезпечує широку смугу пропускання імпедансу 4 ГГц (3-7 ГГц) з частковою смугою пропускання 80 %, резонуючи на частотах 3,6 та 5,5 ГГц. У цьому діапазоні частот запропонована антена демонструє піковий коефіцієнт посилення від 2,2 до 3,2 дБі, а також максимальну ефективність випромінювання 90 %. Крім того, для запропонованої антени досягається адекватне розділення кополяризації та крос-поляризації у всіх напрямках. Представлена широкосмугова антена має симетричну діаграму спрямованості. Розроблена антена є компактною та легкою, демонструє стабільний коефіцієнт посилення та сумісна з обладнанням бездротових систем. Антена сконструйована на діелектричній підкладці Rogers RO473G3 товщиною 1,542 мм, що має тангенс кута втрат 0,0022 та відносну діелектричну проникність 3. Запропонована антена підходить для застосувань зв’язку 5G n77, n78 та n79, оскільки вона є частиною бездротової технології UWB, що характеризується своїми широкосмуговими можливостями, високою ефективністю випромінювання та задовільною діаграмою спрямованості. Антена розроблена, оптимізована та змодельована за допомогою програмного забезпечення Microwave Studio Suite від Computer Simulation Technology (CST).

Recently, the Microstrip Patch Antenna (MPA) has gained prominence in different wireless communication systems as well as in 5G communication. Despite various advantages, a primary disadvantage of MPA that limits its applications is its low bandwidth. This research implements a broadband antenna with satisfactory gain by utilizing a shortened ground plane and incorporating several slots in the radiating plane. In order to achieve numerous frequency bands, slots are added to the patch. The dimensions of the slots are selected to allow for the staggering effect of the closely spaced frequency bands, which results in broadband properties. To ensure appropriate impedance matching, the ground plane is altered. The suggested antenna provides a wide impedance bandwidth of 4 GHz (3-7 GHz) with a fractional bandwidth of 80 %, resonating at 3.6 and 5.5 GHz. Within this frequency range, the proposed antenna exhibits a peak gain between 2.2 and 3.2 dBi, alongside a maximum radiation efficiency of 90 %. Additionally, adequate co-polarization and cross-polarization separation are attained in all directions for the proposed antenna. The exhibited broadband antenna features a symmetrical radiation pattern. The designed antenna is compact and lightweight, exhibits consistent gain, and is compatible with wireless system equipment. The antenna is designed on a 1.542 mm-thick Rogers RO473G3 dielectric substrate, featuring a loss tangent of 0.0022 and a relative permittivity of 3. The proposed antenna is suitable for n77, n78, and n79 5G communication applications since it is part of UWB wireless technology, characterized by its broadband capabilities, high radiation efficiency, and satisfactory radiation pattern. The proposed antenna is developed, optimized, and simulated with Computer Simulation Technology's (CST) Microwave Studio Suite software.