Hybrid Shaped Multiband Microstrip Patch Antenna for Wireless Communication Applications

Abstract

У цій статті автори представляють дизайн, аналіз і розробку гібридної багатодіапазонної мікросмужкової антени для різних програм бездротового зв’язку. Багатодіапазонні характеристики пропонованої антени досягаються шляхом модифікації звичайної круглої випромінюючої ділянки в гібридну геометрію зони у формі «ГАНТЕЛІ» разом із щілинною зменшеною кінцевою площиною заземлення. Еталонний патч круглої форми змінюється на патч у формі гантелі шляхом завантаження іншого патча круглої форми. Початкова площина заземлення того самого розміру, що й підкладка, спочатку зменшується в ширину, а чотири прямокутні слоти завантажуються у відповідних місцях для побудови остаточної площини заземлення. Фізичні та електричні розміри запропонованої антени становлять 24 мм x 40 мм x 16 мм і 0,18λ x 0,3λ x 0,12λ, де λ представляє довжину хвилі, що відповідає найнижчій робочій частоті 2,3 ГГц. Запропонована антена розроблена з використанням підкладки FR-4 (товщина 1,6 мм, тангенс втрат (tanδ) 0,02, діелектрична проникність (εr) 4,4) і змодельована програмним забезпеченням CST Microwave Studio. Прототип антени виготовляється, вимірюється та порівнюється з результатами моделювання. Запропонована гібридна антена має багатодіапазонні характеристики (2,3-2,5 ГГц, 2,6-3 ГГц і 6,9-7,1 ГГц) із центральною частотою 2,4, 2,7 і 7 ГГц. Спостережуваний коефіцієнт відбиття, ефективність, пікове підсилення та діаграми спрямованості антени в площині E та H дуже близькі до результатів моделювання. Антену також можна використовувати для додатків Wi-Fi і Bluetooth на частоті 2,4 ГГц, середніх частот 5G (3 ГГц) і VSAT на 7 ГГц.

In this proposed article authors present the design, analysis and development of the hybrid shaped multiband microstrip patch antenna for various wireless communication applications. Multiband characteristics of the proposed antenna is achieved by modifying the conventional circular radiating patch into “DUMBBELL” shaped hybrid patch geometry along with slotted reduced finite ground plane. A circular shaped reference patch is modified into dumbbell shaped patch by loading another circular shaped patch. Initial ground plane of same dimension as substrate is first decreased in width and four rectangular shaped slots are loaded in the appropriate locations to construct the final ground plane. Physical and electrical dimension of the proposed antenna are 24 mm x 40 mm x 16 mm and 0.18λ x 0.3λ x 0.12λ where λ represents wavelength corresponding to lowest operating frequency of 2.3 GHz. Proposed antenna is designed using FR-4 substrate (1.6 mm thick, loss tangent (tanδ) of 0.02, dielectric constant (εr) of 4.4) and simulated by CST Microwave Studio software. Antenna prototype is fabricated, measured and compared with the simulated results. The proposed hybrid shaped antenna exhibits measured multiband characteristics (2.3-2.5 GHz, 2.6-3 GHz, and 6.9-7.1 GHz) with centre frequency at 2.4, 2.7 and 7 GHz. Observed Reflection Coefficient, efficiency, peak gain and E plane and H plane radiation pattern of the antenna are very close to simulation result. Antenna can be suitably used for 2.4 GHz Wi-Fi and Bluetooth application, 5G mid band spectrum (3 GHz) and 7 GHz VSAT applications as well.