Design and Analysis of a New Fractal Compact Antenna for Ultra-Wideband Applications

Abstract

У статті повідомляється про нову компактну фрактальну друковану монопольну антену, яка нагадує трикутну серветку Серпінського, для надширокосмугових (UWB) застосувань. Запропонована антена розроблена за допомогою нової математичної моделі та нової ітераційної процедури для створення фрактальної геометричної форми модифікованої серветки Серпінського (MSG). Рекурсивна процедура формування MSG як випромінювального елемента заснована на рівнобічній трикутній сітці вузлів, яка побудована з використанням рекурсивної послідовності. Для узгодження імпедансу 50 Ом випромінюючий монополь MSG живиться від компланарного хвилеводу (CPW) із трапецієподібною заземлюючою площиною. Моделювання та оптимізація різних параметрів запропонованої фрактальної антени виконано за допомогою CST Microwave Studio. Результати моделювання показують, що запропонована антена має помірне посилення у всьому діапазоні з піком 4,77 дБі на частоті 9,8 ГГц. Зазначену антену також порівнюють з аналогами у відповідній літературі, щоб диференціювати її продуктивність. Загальний розмір представленої антени, яка розроблена на підкладці Rogers RO4003C (tanδ = 0.0027 та Er = 3.38), становить 19×20×1,52 мм3. Крім того, реалізовано і протестований компактний прототип антени. Результати вимірювань коефіцієнта відбиття показують гарну узгодженість з результатами моделювання. Сконструйована антена демонструє діаграми спрямованості в усіх напрямах та охоплює діапазон частот 2,22-10,7 ГГц, що робить її придатною для бездротових та UWB додатків.

In this paper, a compact new fractal printed monopole antenna, inspired of Sierpinski gasket, for ultrawideband (UWB) applications is reported. The proposed antenna is designed by developing a novel mathematical model and a new iterative procedure to generate a fractal geometric shape of the modified Sierpinski gasket (MSG). The recursive procedure to form an MSG as a radiating element is based on an equilateral triangular grid of nodes which is constructed by using a recursive sequence. The MSG radiating monopole is fed by coplanar waveguide (CPW) to achieve a 50 Ω impedance matching with a trapezoidal ground plane. Simulation and optimization of various parameters of the proposed fractal antenna are performed using CST Microwave Studio. The simulated results indicate that the proposed antenna possesses a moderate gain over the entire band with a peak of 4.77 dBi at 9.8 GHz. The stated antenna is also compared with the related literature reviews to differentiate its performance. The total size of the presented antenna is 19×20×1.52 mm3, which is designed on Rogers RO4003C substrate (tanδ = 0.0027 and Er = 3.38). Moreover, a compact prototype is implemented and tested. The measured results of the reflection coefficient characteristics show good agreement with the simulated results. The designed antenna exhibits omnidirectional radiation patterns and covers the frequency range 2.22-10.7 GHz, making it suitable for wireless and UWB applications.