Design and Development of Compact High Bandwidth Microstrip Patch Antenna for Wireless Communication

Abstract

У цьому дослідженні представлено низькопрофільну компактну мікросмужкову патч-антену (MPA) з високою пропускною здатністю для застосувань 5G, що складається з щілинного заземлення та стандартного прямокутного патча. Заземлювальна площина звичайної дипольної MPA була модифікована шляхом додавання двох однакових пазів в оптимальному положенні. Ці пази подовжують шлях струму, і, отже, досягається нижча резонансна частота, а також компактна структура. Представлена MPA досягає високої пропускної здатності 0,44 ГГц (2,16 – 2,6 ГГц) з частковою пропускною здатністю 18,48%, що резонує на частоті 2,2 ГГц. Запропонована MPA налаштована на діелектричній підкладці Rogers RO473G3 товщиною 1,542 мм, що характеризується тангенсом кута втрат 0,0022 та відносною діелектричною проникністю 3. Покращене узгодження імпедансу та пропускна здатність забезпечуються щілинною заземлювальною площиною. У досягнутому діапазоні частот піковий коефіцієнт посилення запропонованої антени коливається від 2,7 дБі до 3,2 дБі, з максимальною ефективністю випромінювання близько 90%. Також для представленої антени досягнуто ізоляції між копольною та крос-польною складовими в діаграмі спрямованості. Запропонована антена має симетричну діаграму спрямованості, є невеликою та легкою, має стабільний коефіцієнт посилення та добре працюватиме з обладнанням бездротових систем. Запропонована антена вимагає компактності 89,29% порівняно зі звичайною антеною. Запропоновану антену можна вважати придатною для застосування в зв'язку NR n77, n78 5G, частини бездротового застосування в діапазоні C завдяки її дуже компактній структурі, високій ефективності випромінювання та прийнятній діаграмі спрямованості. Запропонована антена розроблена та оптимізована за допомогою програмного забезпечення Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio Suite.

In this study, a dipole low-profile, high bandwidth compact Microstrip Patch Antenna (MPA) consisting of slot loaded ground and a standard rectangular patch is introduced for 5G applications. Ground plane of conventional dipole MPA has been modified by incorporating two identical slots at optimum position. These slots lengthen the current path and hence lower resonance frequency as well as compact structure is achieved. Presented MPA attains a high bandwidth of 0.44 GHz (2.16 – 2.6 GHz) with fractional bandwidth of 18.48% resonating at 2.2 GHz. The proposed MPA is configured on 1.542 mm-thick Rogers RO473G3 dielectric substrate, featuring loss tangent of 0.0022 and relative permittivity of 3. Improved impedance matching and bandwidth are provided by the slotted ground plane. Within achieved frequency range, the suggested antenna's peak gain ranges from 2.7 dBi to 3.2 dBi, with a maximum radiation efficiency of around 90%. Also isolation between co-pol and cross-pol component in radiation pattern is also attained for the presented antenna. The suggested antenna has a symmetric radiation pattern, is small and lightweight, has a steady gain, and would work well with wireless system equipment. The proposed antenna requires 89.29% compact compare to conventional antenna. The suggested antenna can be considered suitable for NR n77, n78 5G communication applications, part of C band wireless application due to its highly compact structure, high radiation efficiency and acceptable radiation pattern. Suggested antenna is developed, optimized with Computer Simulation Technology's (CST) Microwave Studio Suite software.