Multi-Сircled Planar MIMO Antenna on Flexible Substrate for 5G Applications

Abstract

Розроблено та перевірено планарну мікросмужкову антену на гнучкій підкладці (Kapton). Антена має низький профіль і має висоту лише 125 мкм. Антена охоплює всі середні діапазони 5G від 3,17 до 6,42 ГГц, демонструючи майже VSWR = 1 на 3,6 ГГц. Для біомедичного застосування антена була реалізована на моделі фантома біотканини людини. Розрахунковий питомий коефіцієнт поглинання (SAR) знаходиться в межах стандартів із найвищим значенням 1,31 Вт/кг на частоті 6 ГГц. Крім того, для перевірки сумісності мобільних додатків розроблено та перевірено 4 (4 x 4) та 6 (6 x 6)-елементні масиви MIMO. Обидва результати MIMO показують ізоляцію між портами (P2P) нижче 18,7 дБ. Ефективність завжди вище 90 % по всій смузі пропускання (BW). Інші параметри MIMO, наприклад ECC і DG, завжди нижче 0,002 і майже 10 відповідно. Результати випромінювання в дальньому полі показують, що масив може випромінювати в усіх напрямках. Крім того, 6 x 6 експонується за допомогою воксельної фантомної моделі руки та голови для оцінки SAR. У кожному випадку значення SAR знаходяться в межах стандартного діапазону.

In this article a planar microstrip multi-circle shaped antenna on flexible substrate (Kapton) has been designed and validated. The antenna is low profile with only 125 µm in hight. The antenna covers all 5G mid-bands from 3.17-6.42 GHz while exhibiting almost VSWR = 1 at 3.6 GHz. For biomedical application, the antenna has been realized on the human bio tissue fantom model. The estimated specific absorption rate (SAR) is within the standards with the highest value of 1.31 W/Kg at 6 GHz. Furthermore, to check the mobile application compatibility, 4 (4 x 4) and 6 (6 x 6)-element MIMO arrays are designed and validated. Both MIMO results show port to port (P2P) isolation of below – 18.7 dB. The efficiency is always above 90 % throughout the entire bandwidth (BW). Other MIMO parameters i.e., ECC and DG are always below 0.002 and almost 10, respectively. The far-field radiation results show that the array can radiate in all directions. In addition, the 6 x 6 is exposed with the hand and the head voxel phantom model to estimate the SAR. In each cases, the SAR values are well within the standard range.