A FSS Loaded High Gain Semi-Circle Monopole Antenna for 5G Applications

Abstract

У статті пропонується плоска монопольна антена у формі півкола для програм 5G з метою покращеного підсилення. Коефіцієнт підсилення запропонованої антени збільшується шляхом навантаження на площину заземлення шаром FSS. Для побудови шару FSS пропонується елементарна комірка шестикутної форми. У роботі також представлено склад архітектурних рівнянь для створення смугового гексагонального відбивача з використанням гексагональної геометрії та планарного монопольного випромінювача. Розмір запропонованої антени компактний 20 x 18 мм2. Підкладки монополя та FSS виготовлені на підкладці FR4 (εr = 4,4) висотою 1,6 мм. Шестикутні накладки розміщені з відстанню 0,6 мм і 14 мм нижче головного випромінювача. Шестикутний рефлектор і друкована форма монопольної антени розроблені для діапазонів n77 і n78 NR. Для виконання моделювання використовується програмне забезпечення ANSYS HFSS. Прототип виготовляється, а результати перевіряються шляхом вимірювання S-параметра, посилення та діаграми спрямованості. Результати перевіряються шляхом проведення вимірювань у безеховій камері за допомогою VNA з відстанню між елементами 0,6 мм. Виміряна/змодельована фракційна смуга пропускання антени становить 19,14 %, з піковим посиленням 6 дБ та максимальною спрямованістю 6,2 дБ. Запропонована гексагональна структура FSS забезпечує краще підсилення (покращення майже на 6 дБ) і узгодження імпедансу від 3,9 до 5,04 ГГц, що ефективно може використовуватись для програм 5G.

In this article, a semi-circle shaped planar monopole antenna is proposed for 5G applications for improved gain. The gain of the proposed antenna is increased by loading the ground plane with a proposed FSS layer. The hexagonal shaped unit cell is proposed to construct the FSS layer. This article presents the composition of architectural equations for creating the band pass hexagonal reflector employing hexagonal geometry and planar monopole radiator. The proposed antenna dimension was in compact size of 20 x 18 mm2. The monopole and FSS substrates both fabricated on FR4-substrate (εr = 4.4) with a height of 1.6 mm. The hexagonal patches are placed with the spacing of 0.6 mm and 14 mm below the main radiator The hexagonal reflector and printed monopole antenna shapes are designed for n77 and n78 NR bands. The ANSYS HFSS software is used to execute the simulations. The prototype is fabricated and the results are validated by measuring the S parameter, Gain and Radiation pattern. The results are validated by taking measurements in Anechoic chamber with the aid of VNA with 0.6 mm spacing between the elements. The measured/simulated fractional bandwidth of the antenna is 19.14 %, with a peak gain of 6 dBi and a maximum directivity of 6.2 dBi. The proposed hexagonal FSS structure provides better gain (nearly 6 dB improvement) and impedance matching from3.9 GHz to 5.04 GHz and well suited for 5G applications.