Design and Analysis of a Concentric Ring Based Split Ring Monopole Antenna with Characteristic Mode Analysis (CMA) for IoT Communication Applications

Abstract

За останнє десятиліття в галузі сучасних комунікаційних технологій спостерігався значний прогрес. Кілька бездротових систем, таких як Wireless LAN, Wireless Fidelity (Wi-Fi) тощо, популярні для підключення пристроїв для полегшення зв’язку між ними за допомогою інтернет-технологій. Щоб отримати доступ до набагато швидшого зв’язку, у зв’язку з оновленням поколінь мобільного зв’язку (1G до 5G) дуже потрібні вищі швидкості передачі даних. Широкосмугові/багатосмугові антени зазвичай підтримують кілька пристроїв для підключення в широкому діапазоні зв’язку. Як еталон комунікаційної технології наступного покоління, Інтернет речей (IoT) набуває величезної популярності у сфері бездротових мереж. Це забезпечує швидший і безпечний зв’язок між пристроями та хмарою з високою швидкістю передачі даних. З цією метою ми запропонували нову монопольну антену для додатків IoT. Конструкція складається з нової накладки розділеного кільця на основі концентричного кільця та часткової заземленої площини. Реалізується з аналізом характеристичного режиму. Розроблена антена працює в надширокосмуговій області з багатодіапазонними характеристиками в чотирьох діапазонах (1,5-1,9 ГГц), (3,9-4,2 ГГц), (5,9-6,9 ГГц) і (7,4-11,8 ГГц), щоб охопити різні комунікаційні програми IoT. Запропонована конструкція перевіряється за допомогою аналізу характеристичного режиму, характерного кута, власних значень і модального значення. Розподіл поверхневого струму для запропонованої патч-антени круглої форми аналізується на спосіб поширення за допомогою теорії характерних мод (CMA).

Significant advancement has been witnessed in the field of modern communication technology in last decade. Several wireless systems such as Wireless LAN, Wireless Fidelity (Wi-Fi) etc. are popular to connect devices to facilitate communication between them through internet technology. To access much faster communication, higher data rates are highly sought after with the upgradation of mobile communication generations (1G to 5G). Wideband/multiband antennas usually support multiple devices to get connected over a broad range of communication. As a benchmark of next generation communication technology, Internet of Things (IOT) is gaining a huge popularity in the field of wireless network. It ensures faster and secure communication among devices and cloud with high data rate. With this aim, we have proposed a new monopole antenna for IOT applications. The design consists of a new concentric ring based split ring patch and partial ground plane. It is implemented with characteristic mode analysis. The designed antenna operates in the ultra-wideband region with multiband characteristics at four bands of (1.5-1.9 GHz), (3.9- 4.2 GHz), (5.9-6.9 GHz) and (7.4-11.8 GHz) to cover for various IoT communication applications. The suggested design is inspected using analysis of characteristic mode, characteristic angle, eigen values, and modal significance. The distribution of surface current for the proposed circular shaped patch antenna is analyzed for mode of propagation by the theory of characteristic modes (CMA).