proximity coupled microstrip antenna

8/10/2019 proximity coupled microstrip antenna

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P r o x i m i t y - C o u p l e dM i c r o s t r i pP a t c hA n t e n n aM i n i a t u r i z a t i o nU s i n gNewF r a c t a lG e o m e t r y

S .S a d a t * ,M .F a r d i s ,G h .D a d a s h z a d e h ,R . K B a e eI r a nTe l e c o m m u n i c a t i o nR e s e a r c hC e n t r e

s s a d a t @ i t r c . a c . i r

A b s t r a c tI nt h i sp a p e r , f o rm o r ea n t e n n am i n i a t u r i z a t i o n ,we p r e s e n ta n o v e lf r a c t a lg e o m e t r yt h a ta l l o w sd e c r e a s ei n t h er e s o n a n c ef r e q u e n c yw i t h o u to c c u p y i n gm o r es p a c e ,w h i l er e m a i n i n gr a d i a t i o np a t t e rn s i m i l a rt ot h a to f n or m a ls q u a r ep a t c h .A l s of o ri m p r o v i n gt h ei n h e r e n t l yn a r r o wb a nd w id t h o fp a t c hf r a c t a la n t e n n aa p r o x i m i t y - c o u p l e df e e di si m p l e m e n t e d .T h ep e r f o r m a n c ei sd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o nb a s e do na n u m e r i c a la n a l y s i sw i t ht h eF i n i t eE l e m e n tM e t h o d( F E M )a n da p r a c t i c a la p p l i ca t io n t oP e r s o n a lC o m m u n i c a t i o nS e r v i c e s( P C S ) .K e y w o r d s :F r a c t a l ,M i c r o s t r i pA n t e n n a ,B a n d w i d t h ,3 / 2C u r v e .

I n t r o d u c t i o n

Whent h es i z eo f a n a n t e n n ai sm a d em u c hs m a l l e rt h a nt h eo p e r a t i n gw a v e l e n g t h ,i t b e c o m e sh i g h l yi n e f f i c i e n t .I t sr a d i a t i o nr e s i s t a n c ed e c r e a s e s ,w h i l ep r o p o r t i o n a l l y ,t h er e a c t i v ee n e r g ys t o r e di na n t e n n an e i g h b o r h o o dr a p i d l yi n c r e a s e s .B o t hp h e n o m e n am a k es m a l la n t e n n a sd i f f i c u l tt om a t c ht o t h ef e e d i n gc i r c u i t ,a n dt h e yd i s p l a ya h i g hQ w i t hv e r yn a r r o wb a n d w i d t hw h e ni t sm a t c h e d[ 1 ] .T h e r ea r ev a r i o u ss o l u t i o n st o o v e r c o m et h i sp r o b l e m .T h eb e s tw a ym a k i n gs m a l la n t e n n ai s a p p l i c a t i o no f f r a c t a lg e o m e t r y[ 2 ] ,[ 3 ] .I n r e c e n ty e a r s ,t h ef r a c t a ls h a p ea n t e n n ae l e m e n t sh a v ed r a w ni n t e r e s t so f m a n ya n t e n n ad e s i g n e r s .F r a c t a lg e o m e t r i e sa r ef e a t u r i n gt w oc o m m o np r o p e r t i e s :f r a c t a l s a r es p a ce - f i l l in g c o n t o u r s ,m e a n i n ge l e c t r i c a ll e n g t h sp l a ys u c ha s av i a b l e m i n i a t u r i z a t io nt e c h n i q u ea n ds e l fs i m i l a r i t yp r o p e r t y .F r a c t a ls h a p e da n t e n n ah a v ev a r i o u sa d v a n t a g e s ,s u c ha s w i d e b a n d ,m u l t i b a n da n d r e d u c e ds i z ei n w i r ea n t e n n a s[ 2 ] ,[ 3 ] ,b u ti nm i c r o s t i pp a t c ha n t e n n a st h eg a i na n di m p e d a n c eb a n d w i d t hd e c r e a s e ss e r i o u s l y,s o we s h o u l ds o l v et h i sp r o b l e mu s i n gt h em e t h o d so f b r o a d b a n d i n go f a p a t c ha n t e n n a .F o r i m p r o v i n gt h ei n h e r e n t l yn a r r o wb a n d w i d t ho fa m i c r o s t r i pa n t e n n a ,i t i sv e r ye f f e c t i v et ou s ea ne l e c t r i c a l l yt h i c ks u b s t r a t e[ 4 ] .S e v e r a ls t u d i e sf o rf e e d i n gt h em i c r o s t r i pa n t e n n aw i t ha t h i c ks u b s t r a t eh a v eb e e nr e p o r t e d ,s u c ha st h eL - s h a p e dp r o b e[ 5 ]a n dt h ec a p a c i t i v e l yp r o b e - f e ds t r u c t u r e[ 6 ] .R e c e n t l yt h ep r o x i m i t y - c o u p l e dm i c r o s t r i pa n t e n n aw i t ha l i n e a rs l ot i ng r o u n dp l a n eh a sa l s ob e e np r o p o s e d[ 6 1 ,[ 7 ] .I t s h o u l db e n o t e dt h a tt h ep r o x i m i t y - c o u p l e dm i c r o s t r i pa n t e n n aw i t h o u ta s l o ti n t h eg r o u n dp l a n ei s h a r dt o a c h i e v ei m p e d a n c em a t c h i n g .I nt h i sp a p e r ,we m i n i a t u r i z ea m i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aw i t h s u i t a b l eg a i na n d i m p e d a n c eb a n d w i d t h .F o r i n c r e a s i n gt h ef r e q u e n c yb a n d w i d t h ,a p r o x i m i t y - c o u p l e df e e di su s e da n da nH - s h a p e ds l o ti sp l a c e di na l o n gt h ed i a m e t e r

o ft h es q u a r ep a t c h .I no r d e rt o v a l i d a t e ,we c o m p a r et h ep r o p o s e dm o d e lw i t hM i n k o w s k ia n dk o c hg e o m e t r i e s .

P r o p o s e dG e o m e t r yD e s c r i p t i o n

T h ep r o p o s e dm o d e li sa n i t e r a t i v em o d e lt o a n o r m a ls q u a r ep a t c hw i t ha g e n e r a t o ro f s h a p ei sc a l l e d3 / 2c u r v e ,s h o w ni nf i g .1 ;s u b s t i t u t i n gb o t hl e n g t ha n dw i d t h o ft h ep a t c ha n t e n n as t r u c t u r ew i t hg e n e r a t o r s h a p e .

F i g .1 G e n e r a t o rf o r3 / 2c u r v ef r a c t a l

0 - 7 8 0 3 - 8 8 8 3 - 6 / 0 5 / 2 0 . 0 0 2 0 0 5I E E E2 6 2


2/4

On t h eb a s eo fa b o v ef i g u r e ,t h ef r a c t a ld i m e n s i o nc a n b e d e t e r mi ne da s :

4 1 /4 ) 4 ( 1 /4 ) D=1 1 )W h e r eD i s3 / 2f r o me q u a t i o n( 1 )a n d :

P e r i m e t e r ,= 2 ' . P e r i m e t e r o ( 2 )

W h i c hn i s t h en u m b e ro f i t e r a t i o n .T h ee q u a t i o n( 2 )s h o w st h a tt h ep e r i m e t e ra t e a c hi t e r a t i o ni sd o u b l e d .

A n t e n n aC o n f i g u r a t i o n

F i g .2 s h o w st h eg e o m e t r yo f s u b s t r a t ea n df e e dl i n eo f m i c r o s t r i pa n t e n n a .T h es t r u c t u r ec o n s i s t so f a t w ol a y e r ss u b s t r a t e ,S q u a r ep a t c hi sm o u n t e do n a u p p e rl a y e rs u b s t r a t ea n df e e dl i n ei s t h eb e t w e e nt w ol a y e r s .T h es u b s t r a t ec o n s i s t so f f o a mm a t e r i a l( l o wd i e l e c t r i cc o n s t a n t =1 . 0 5 )i n t h eu p p e rl a y e ra n dFR 4 g l a s s - e p o x y( d i e l e c t r i cc o n s t a n tF, 4 . 4a n dl o s st a n g e n t = 0 . 0 1 4 )i n t h el o w e r

l a y e r .T h em i c r o s t r i p - l i n ef e e di sd e s i g n e da sa 5 0 Q 1l i n ea n ds y m m e t r i c a l l yl o c a t e da b o v ea n H -s h a p e ds l o t .F o rt h ep u r p o s eo f a n a l y z i n gt h e a n t e n n a ,f i x e ds q u a r ep a t c hi s 4 0 m m x 4 0 m ma n df i n i t eg r o u n dp l a n ei s lOOmmx1 2 0 m m .T h eo p e n - c i r c u i t e dt u n i n gs t u b( D ) ,s l o tp a r a m e t e r s( Sa n dT ) ,a n ds u b s t r a t et h i c k n e s sH a n dh i sd e f i n e da sf o l l o w :D=8mm,T = 5 m m ,S = 2 0 m m ,H = 1 0 . 2mma n dh = 1 . 6mm. t h e s ep a r a m e t e r sd o m i n a t et h ei m p e d a n c ea n d r a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ea n t e n n a .

Slot o h e r o G r o u n d n

2~~~~~~

M L e r o s t r i pL i n eF e e d HT o pV i e w S i d eV i e w

F i g .2 G e o m e t r yo fm i c r o s t i pf e e dl i n ea n ds u b s t r a t e

N u m e r i c a la n a l y s i s

T h en u m e r i c a la n a l y s i si s d e r i v e da s a s a m p l e dd a t af r o mm i c r o s t r i pp a t c hf r a c t a la n t e n n au s i n gA n s o f t - H F S Sw h i c hi s u s e df o rF E M ;F i g .3 s h o w sf r a c t a ls q u a r ep a t c hg e o m e t r i e s .I no r d e rt oc o m p a r i s o na n dv a l i d a t et h ep r o p o s e dm o d e l ,M i n k o w s k ia n dK o c hm o d e la r ea l s os i m u l a t e d .T oi m p r o v et h ei m p e d a n c em a t c h i n g ,t h eH - s l o ti sp l a c e da l o n gt h ep a t c hd i a m e t e r ,w i t h o u tc h a n g i n gt h em a i nb e a md i r e c t i o no r c u r r e n td i s t r i b u t i o n .F i g .4 s h o w st h er e t u r nl o s so f n o r m a la n df r a c t a lg e o m e t r i e s .T h e p r o p o s e dm o d e lr e d u c e st h e r e s o n a n tf r e q u e n c ym o r et h a no t h e rf r a c t a lg e o m e t r i e sa n d i t sc o n c l u d e dt h a tt h em i I n i a t u r i z a t i o ni s b e t t e rd o n e , a l t h o u g ht h eb a n d w i d t hi m p e d a n c er e d u c e sb u ti t c o u l db e c o m p e n s a t e db yp a r a m e t e r sw h i c hh av e b e e ns t a t e d i na n t e n n ac o n f i g u r a t i o ns e c t i o n .T h ep r o p o s e dm o d e lc a np o t e n t i a l l yb e u s eda s a b a s es t a t i o na n t e n n af o r( P C S )w i t hr e s p e c tt o r e s o n a n tf r e q u e n c y .F i g .5 s h o w st h er a d i a t i o np a t t e mo f f r a c t a lp a t c hg e o m e t r i e s .T h em a i nb e a md i r e c t i o nh a sn o tb e e nc h a n g e d ,b u tt h ea n t e n n ag a i nr e d u c e s .Ta b l e

s h o w st h ep e r c e n to f m i n i a t u r i z a t i o na n dg a i no f f r a c t a lg e o m e t r i e s .M i n k o w s k ig e o m e t r yh a s t h eminimumg a i na n dt h ep r o p o s e dm o d e lh a s l o s t2 d Bi n g a i n .3 / 2c u r v eg e o m e t r ym i n i a t u r i z e st h ep a t c ha n t e n n aa b o u t3 7 , w h i l eK o c hg e o m e t r yc o u l do n l ym i n i a t u r i z el e s st h a n1 5 . Due t o

2 6 3


3/4

p r o x i m i t y( e l e c t r o m a g n e t i c a l l y )c o u p l e ds t r u c t u r ewhen t h ef r a c t a la r ea p p l i e dt om i n i a t u r i z a t i o n ,t h ei m p e d a n c ea n dg a i nb a n d w i d t ha r es u i t a b l ev a l u ea n di t c o u l db e a p p l i e di nt h ea r r a ya n t e n n ad e s i g n .

C o n c l u s i o n s

T h en o v e lf r a c t a lp a t c hg e o m e t r yw a sd e v e l o p e dw i t ha d e q u a t eb a nd w i d t h a n dg a i na n dv e r i f i e db ys i m u l a t i o n .T h i ss t r u c t u r er e d u c e st h er e s o n a n tf r e q u e n c yc o n s i d e r a b l yw i t ha f e wd e c r e a s e si ng a i n .A l s of o ri m p r o v i n gt h ei n h e r e n t l yn a r r o wb a n d w i d t ho f p a t c hf r a c t a la n t e n n a ,a p r o x i m i t y -c o u p l e df e e di s i m p l e m e n t e d .D u e t o t h ea d v a n t a g eo f s i m p l i f i e dc o n f i g u r a t i o n ,s u i t a b l eb a n d w i d t ha n dd e c r e a s et h em u t u a lc o u p l i n gd u et o i n c r e a s es p a c i n gb e t w e e ne l e m e n t s ;t h e nt h ep r o p o s e da n t e n n ai s s u i t a b l ei n t h e a r r a ya n t e n n ad e s i g na n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o nt o PCSn e t w o r k s .

R e f e r e n c e s

[ 1 ]D .H . Wemera n dR . M i t t r a ,F r o n t i e r si nE l e c t r o m a g n e t i c s ,I E E Ep r e s ss e r i e so nm i c r o w a v e

t e c h n o l o g ya n dR F ,NewY o r k , 2 0 0 0 .[ 2 ] F . A r a z m ,R . K a r i m z a d e hB a e e ,C h .G h o b a d i ,J . N o r i n i a , S q u a r eL o o pA n t e n n aM i n i a t u r i z a t i o nU s i n gNew F r a c t a lG e o m e t r y ,I E E ET r a n s .o n A d v a n c e dC o m m u n i c a t i o nT e c h n o l o g y ,6 t hI n t e m a t i o n a lC o n f e r e n c e ,Vo l .1 ,p p .1 6 4- 1 6 9 ,2 0 0 4 .[ 3 ]J .P. G i a n v i t t o r i oa n dY .R a h m a t - S a n m i , F r a c t a lA n t e n n a s :A N o v e lA n t e n n aM i n i a t u r i z a t i o n

Te c h n i q u ea n dA p p l i c a t i o n s ,I E E EA n t e n n a s P r o p a g a t l i o nM a g a z i n e , Vo l .4 4 ,N o . 1 ,F e b r u a r y2 0 0 2 .[ 4 ] C .L .M a k ,K . M .L u k ,K . F .L e e ,a n dY .L . C h o w, E x p e r i m e n t a lS t u d yo fa M i c r o s t r i pP a t c hA n t e n n aw i t h a nL - s h a p e dP r o b e ,I E E E T r a n s .o nA n t e n n a s P r o p a g a t i o n ,Vo l .4 8 ,p p .7 7 7 -7 8 3 ,May2 0 0 0[ 5 ] R .G a r gP . B h a r t i a ,I B a h la n dA . I t t i p i b o n ,M i c r o s t r i pA n t e n n aD e s i g nH a n d b o o k ,A r t e c hH o u s e ,B o s t o n ,L o n d o n ,2 0 0 1 .[ 6 ] M . A . G o nz a l e z d eA z a ,J Z a p a t a ,a n d J . A . E n c i n a r , B r o a d - b a n dC a v i t y - B a c k e da n dC a p a c i t i v e l yP r o b e - F e dM i c r o s t r i pA n t e n n aP a t c hA r r a y s ,I E E ET r a n s .o n A n t en n a s P r o p a g a t i o n ,Vo l .4 8 ,p p .7 8 4 - 7 8 9 ,May2 0 0 0 .[ 7 ]S .Y . K e , B r o a d b a n dP r o x i m i t y - C o u p l e dM i c r o s t r i pA n t e n n aw i t ha n H - s h a p e dS l o ti n t h eG r o u n dP l a n e ,I E E ET r a n s .o nA n t e n n a s P r o p a g a t i o n ,Vo l . 4 3 ,p p .5 3 0 - 5 3 3 ,2 0 0 2 .

a )F i r s t - o r d e ro fK o c h ,M i n k o w s k ia n d3 / 2c u r v en i i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a

h )S e c o n d- o r d e r o fK o c h ,M i n k o w s k ia n d3 / 2c u r v eM s c r o s t n i pp a t c ha n t e n n a

F i g j3 F i r s ta n ds e c o n do r d e ro fs i m u l a t e df r a c t a lp a t c ha n t e n n a

2 6 4


4/4

vu _ . _ . s _

ve g r e e t y p eo f F . D i m e n s i o no fe q u i v a l e n t P e rc e nt o f G a i n( d B )

F r a c t a l G) M i c r o s t r i pP a t c h( m m ) M i n i a t u r i z a t i o n_N o r m a lP a t c h 0 2 . 7 4 0 0 8

Koch 1 2 . 3 4 6 . 9 5 6 1 4 . 8 1 3 8 7 . 12 2 . 3 4 6 . 9 5 6 1 4 . 8 1 3 8 6 . 9M i n k o w s k i

3 t 2C u r v e- 2

i ?_i LL A rX

2 . 22 . 1

4 9 . 0 9 15 1 . 4 2 8 6

1 8 . 5 1 8 62 2 . 2 2 9

4 . 94 . 5

2 9 . 6 3 6 . 2 5l 3 7 5 . 9

II ~ ~ ; ; _ - I I

I

25 1 . 5 1 . 7 5 2 225 2 5 75 3,5 75 4 . 2 5 1 . 5 ? 5 2 2 . 2 5 2 . 5 2 . 7 5 3 3 . 2 5 3 I S 3 . f 5 1

yq y ( G M ) ( C F k )

M i c r o s t r i p p a t c hA n t e n n aa n df i r s t - o r d e ro f M i c r o s t r i pp a t c hA n t e n n aa n ds e c o n d - o r d e rK o c h ,M i k o w s k ia n d3 / 2c u r v e o f K o c h .M i k o w s k ia n d3 / 2c u r v e

F i g .4 R e t u r nl o s so fs q u a r ep a t c h ,f i r s ta n ds e c o n do r d e ro fs i m u l a t e df r a c t a lp a t c ha n t e n n a s

( a )P a t t e mo f f i r s t - o r d e ro f K o c h ,M i n k o w s k ia n d3 / 2c u r v eM i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n a

( b )P a t t e r no f s e c o n d - o r d e ro fK o c h ,M i n k o w s k ia n d3 / 2c u r v eM i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aF i g .5 P at t e mo fF i r s ta n ds e c o n do r d e ro fs i m u l a t e df r a c t a lp a t c ha n t e n n a

2 6 5

T.hId- I . . - _ff . ' f . 1 -Ath .--.I -*,h

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