Hybrid Shaped Miniaturized Ultra-Wideband Microstrip Patch Antenna for Various 5G and Remote Sensing Application

Abstract

У роботі описується друкована мікросмужкова патч-антена (MPA) для дистанційного зондування, яка працює в надширокосмуговому (UWB) спектрі. Шляхом перетворення верхньої сторони традиційної прямокутної патч-антени на напівкруглу форму, а нижньої сторони – на форму сходів, створюється запропонована випромінювальна патч-антена. Фізичний та електричний об’єм представленої антени становить 33  24  1,6 мм3 та 0.2530  0.1840  0.0120 відповідно. Запропонована антена розроблена, оптимізована та змодельована за допомогою програмного забезпечення Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio Suite. Антена розроблена на діелектричній підкладці FR4 товщиною 1,6 мм, має тангенс кута втрат 0,09, відносну діелектричну проникність 4,4 та виміряна за допомогою стандартного випробувального стенду для мікрохвильових хвиль. Параметри запропонованої антени підтверджують широку смугу пропускання імпедансу 13,7 ГГц (2,3-16 ГГц) з частковою смугою пропускання 149,7 % та коефіцієнтом розмірності смуги пропускання (BDR) 3215. У цьому діапазоні частот запропонована антена демонструє піковий коефіцієнт посилення 3,9 дБ. Крім того, для запропонованої антени досягається адекватне розділення кополяризації та крос-поляризації у всіх напрямках. Розроблена антена є компактною та легкою, демонструє стабільне посилення та сумісна з обладнанням бездротових систем. Антену надширокого діапазону (UWB) можна використовувати з поверхневим радіолокатором для виявлення вибухонебезпечних та небезпечних об'єктів під землею.

In this paper, shaped printed Microstrip Patch Antenna (MPA) for a remote sensing application that operates in the ultra-wide band (UWB) spectrum is reported. By converting the upper side of a traditional rectangular patch into a semi-circular shape and the lower side into a shape like a staircase, the suggested radiating patch is created. Physical and electrical volume of the presented antenna is 33  24  1.6 mm3 and 0.253 0  0.1840  0.0120 respectively. The proposed antenna is developed, optimized, and simulated with Computer Simulation Technology's (CST) Microwave Studio Suite software. The antenna is developed on a 1.6 mm-thick FR4 dielectric substrate, featuring a loss tangent of 0.09, relative permittivity of 4.4 and measured using standard microwave test bench. Measured outcome of the suggested antenna confirms a wide impedance bandwidth of 13.7 GHz (2.3-16 GHz) with a fractional bandwidth of 149.7 % and Bandwidth Dimension Ratio (BDR) of 3215. Within this frequency range, the proposed antenna exhibits a peak gain of 3.9 dBi. Additionally, adequate co-polarization and cross-polarization separation are attained in all directions for the proposed antenna. The designed antenna is compact and lightweight, exhibits consistent gain, and is compatible with wireless system equipment. The UWB antenna may be used with Surface Penetrating Radar to detect explosive and dangerous things underground.