Design and Simulation of a Compact Microstrip Antenna for 5G Applications at the (37 – 40) GHz Band

Abstract

У цій роботі описано просту, низькопрофільну прямокутну мікросмужкову антену для додатків 5G у діапазоні 37-40 ГГц. Початкова конструкція передбачала базову прямокутну мікросмужкову антену, яка була модифікована для ефективної роботи в цільовому діапазоні частот. Ефективність антени була покращена завдяки регулюванню S11 і VSWR за допомогою вставного каналу для покращення узгодження між живильною мікросмужковою лінією та випромінюючим елементом. Подальші вдосконалення були зроблені шляхом вставки двох щілин, що призвело до резонування на 37,9 ГГц і 39,68 ГГц і розширення смуги пропускання імпедансу. Антена була розроблена з використанням підкладки Rogers RT/Duroid5880 товщиною 0,381 мм з діелектричною проникністю 2,2 і тангенсом втрат 0,0009. Остаточна конструкція виміряла 6,11 x 6 x 0,381 мм3 і досягла мінімальних значень S11 – 32,14 дБ і – 17,8 дБ на 37,9 ГГц і 39,68 ГГц відповідно. Антена також досягла значень КСВ 1,05 і 1,3 на резонансних частотах. Крім того, була досягнута смуга пропускання імпедансу 3,57 ГГц, що розширюється від 36,65 ГГц до 40,22 ГГц. Запропонована антена досягла максимального посилення приблизно 7,98 дБі на частотах від 37,8 ГГц до 38,6 ГГц і мінімального 6,2 дБі на 40,2 ГГц. Крім того, антена реалізувала ефективність випромінювання понад 96 % у робочому діапазоні. Конструкція антени, моделювання та оптимізація були виконані з використанням HFSS, тоді як CST використовувався для перевірки результатів моделювання. Результати моделювання з обох програмних симуляторів показали високий рівень узгодженості.

This paper proposes a simple, low-profile rectangular microstrip patch antenna for 5G applications in the 37-40 GHz band. The initial design involved a basic rectangular microstrip patch antenna, which was modified to operate efficiently in the target frequency band. The antenna's performance was improved by adjusting the S11 and VSWR through an inset feed to improve the matching between the feeding microstrip line and the radiating element. Further improvements were made by inserting two slits, leading to resonating at 37.9 GHz and 39.68 GHz and expanding the impedance bandwidth. The antenna was designed using a 0.381 mm thick Rogers RT/Duroid-5880 substrate with a dielectric constant of 2.2 and a loss tangent of 0.0009. The final design measured 6.11 x 6 x 0.381 mm3 and achieved minimum S11 values of – 32.14 dB and – 17.8 dB at 37.9 GHz and 39.68 GHz, respectively. The antenna also achieved VSWR values of 1.05 and 1.3 at the resonance frequencies. Moreover, an impedance bandwidth of 3.57 GHz extending from 36.65 GHz to 40.22 GHz was achieved. The proposed antenna achieved a maximum gain of approximately 7.98 dBi over frequencies ranging from 37.8 GHz to 38.6 GHz and a minimum of 6.2 dBi at 40.2 GHz. Additionally, the antenna realized a radiation efficiency above 96 % across the operational band. The antenna design, simulations, and optimizations were performed using HFSS, while CST was used to validate the simulation results. The simulation outcomes from both software simulators indicated a high level of agreement.