DESIGN OF A PATCH ARRAY ANTENNA FOR 5G APLICATION

Abstract

ABSTRACT

Microstrip patch antennas play a major role and commonly used in modern communication systems because of their small size, low profile, and simplicity of integration.

This research presents optimized designs for a single element microstrip patch and patch array antenna for 5G applications operating at 3.6 GHz. The patch is constructed of copper and is built on a low-cost Rogers RT5880 substrate with a dielectric constant of 2.2 and a loss tangent of 0.009. The proposed design focuses on achieving a broad bandwidth, high gain, and efficient radiation patterns. The antenna's geometry is carefully selected to resonate at the desired frequency, and the design is optimized using electromagnetic simulation CST microwave studio. The impact of various parameters, including patch dimensions and substrate properties, on the antenna's performance is systematically analyzed. Special attention is given to achieving a low VSWR to guarantee efficient power transfer.

Simulated results demonstrate that the proposed microstrip patch antenna meets the design objectives, offering a wide bandwidth of 160 MHz with a return loss of about -39 dB, a peak gain of 10.14 dBi, an efficiency of 0.98, and excellent radiation characteristics for the patch array antenna (1×2) with a size of 99.454 × 48.84 × 2.424 mm3. Furthermore, the single-element patch provides 100 MHz bandwidth with a return loss of about -42 dB and a peak gain of 7.311 dBi with excellent radiation characteristics with an efficiency of 0.85 and a size of 64.4 × 81.25 × 2.572 mm3.

ÖZET

Mikroşerit yama antenleri, küçük boyutları, düşük profilleri ve entegrasyon kolaylıkları nedeniyle modern iletişim sistemlerinde önemli bir rol oynar ve yaygın olarak kullanılır.

Bu araştırma, 3.6 GHz'de çalışan 5G uygulamaları için tek elemanlı bir mikroşerit yama ve yama dizisi anteni için optimize edilmiş tasarımlar sunmaktadır. Yama bakırdan yapılmıştır ve dielektrik sabiti 2.2 ve kayıp tanjantı 0.009 olan düşük maliyetli bir Rogers RT5880 alt tabakası üzerine inşa edilmiştir. Önerilen tasarım, geniş bir bant genişliği, yüksek kazanç ve verimli radyasyon modelleri elde etmeye odaklanmaktadır. Antenin geometrisi, istenen frekansta rezonansa girecek şekilde özenle seçilir ve tasarım, elektromanyetik simülasyon CST mikrodalga stüdyosu kullanılarak optimize edilir. Yama boyutları ve alt tabaka özellikleri dahil olmak üzere çeşitli parametrelerin antenin performansı üzerindeki etkisi sistematik olarak analiz edilir. Verimli güç aktarımını garanti etmek için düşük bir VSWR elde etmeye özellikle dikkat edilir. Simüle edilmiş sonuçlar, önerilen mikroşerit yama anteninin yaklaşık -39 dB'lik bir geri dönüş kaybı, 10.14 dBi'lik bir tepe kazancı, 0.98'lik bir verimlilik ve 99.454 × 48.84 × 2.424 mm3 boyutunda yama dizisi anteni (1×2) için mükemmel radyasyon özellikleri ile 160 MHz'lik geniş bir bant genişliği sunarak tasarım hedeflerini karşıladığını göstermektedir. Ayrıca, tek elemanlı yama -42 dB civarında bir geri dönüş kaybı, 7311 dBi'lık bir zirve kazancı ve 0.85 verimlilik ile mükemmel radyasyon özellikleri ile 64.4 × 81.25 × 2.572 mm3 boyutunda bir bant genişliği sağlar