Study and Design of Printed Rectangular Microstrip Antenna Arrays at an Operating Frequency of 27.5 GHz for 5G Applications

Abstract

У роботі автори спроектували та дослідили просту патч-антену прямокутної форми та використали її для створення масиву, утвореного двома паралельними антенами, та ще одного масиву, утвореного чотирма паралельними антенами, в міліметровому діапазоні 5G з робочою частотою 27,5 ГГц. Дане дослідження спрямоване на отримання кращих характеристик антени, таких як підсилення, спрямованість, S11, пропускна здатність та ефективність. У роботі ми використовуємо поліамідну підкладку з відносною діелектричною проникністю εr = 4,3, товщиною hs = 0,15 мм, шириною Wg = 3,77 мм і довжиною Lg = 4.55 мм, яка є відповідним матеріалом для антенних конструкцій, запропонованих в роботі. Загальний розмір запропонованої друкованої антени становить 2,578×3,35×0,15 мм3. Одиночна патч-антена резонує на частоті 27,0787 ГГц із значенням зворотних втрат (S11), рівним – 28,1548 дБ, пропускною здатністю 1,03 ГГц, значенням параметру VSWR, рівним 1,081, підсиленням 6,3 дБ, спрямованістю 6,7 дБ, та ефективністю випромінювання 92,64 %. Запропонований масив антен 1×1 працює на частоті 27,42 ГГц і покращує характеристики розглянутої одиночної патч-антени наступним чином: S11 зменшується до – 30 dB, підсилення складає 7,3 дБ, а спрямованість дорівнює 7,8 дБ. Аналогічно, запропонований масив антен 2×2 успішно покращує S11 до – 31,7 дБ, підсилення до 10,6 дБ, пропускну здатність до 1,07 ГГц і спрямованість до 11,2 дБ на резонансній частоті 27,078 ГГц. Конструкції антен, представлені в роботі, виконані за допомогою інструменту моделювання високочастотних структур (HFSS). Крім того, антени, запропоновані в роботі, адаптовані до діапазону частот 27,5 ГГц, а також застосовуються до системи мобільного зв’язку 5G.In this paper, the authors studied and designed a simple patch antenna with a rectangular shape and exploited it to construct an array formed by two antennas in parallel and another one formed by four antennas in parallel in the 5G millimeter band with an operating frequency of 27.5 GHz. This study aims to obtain better antenna performances like gain, directivity, S11, bandwidth, and efficiency. In this paper, we use a polyamide-type substrate with relative permittivity εr of constant value equal to 4.3, thickness hs of constant value equal to 0.15 mm, width Wg = 3.77 mm and length Lg = 4.55 mm, which represents a suitable material for antenna designs proposed in this paper. Furthermore, in this paper, the total size of this single printed antenna is equal to 2.578 x 3.35 x 0.15 mm3. The single patch antenna resonates at 27.0787 GHz with a return loss (S11) measurement value equal to – 28.1548 dB, a bandwidth value equal to 1.03 GHz, a VSWR of 1.081, a gain value equal to 6.3 dB, a directivity value equal to 6.7 dB, and radiation efficiency of 92.64 %. The proposed 1 x 1 antenna array operates at 27.42 GHz and improves the performance achieved with a previous single antenna as follows, including S11 (down to – 30 dB), gain (7.3 dB), and directivity (7.8 dB). Similarly, the proposed 2 x 2 antenna array successfully improves S11 down to – 31.7 dB, gain up to 10.6 dB, bandwidth up to 1.07 GHz, and directivity up to 11.2 dB at a resonant frequency of 27.078 GHz. The antenna designs presented in this paper are performed using the highfrequency structure simulation (HFSS) tool. In addition, antennas proposed in this paper are adapted to the 27.5 GHz frequency range as well as applied to the 5G mobile communication system.