Wideband Microstrip Patch Antenna Modeling, Substrate Selection and Realization for 5g Communication

Abstract

Covid-19 pandemisinden sonra, ticaretten eğitime kadar birçok ihtiyacın internet ile sanal ortama taşınmasıyla veri hızına olan ihtiyaç artmış ve mevcut en hızlı 4G LTE standardından 100 kat daha hızlı olacak şekilde her ülke kendi 5G kablosuz haberleşme standartlarını belirlemiştir. Cep telefonları için yeni uygulamaların geliştirilmesi, daha hızlı veri aktarımı ihtiyacını daha da artırmıştır. Radyasyon elemanları ve besleme ağını eş-düzlemsel kullanan Mikroşerit Yama Antenler (MYA), üretim karmaşıklığı ve performans dengesi sağladığı için 5G uygulamalarında uygun bir fonksiyonel eleman elde etmek için iyi bir seçimdir. Yüksek frekanslı antenlerin kazanç, verimlilik ve bant genişliği gibi performans kriterlerinin dielektrik alttaşın fiziksel ve elektriksel parametrelerine bağımlılığı, düşük frekanslı antenlerden çok daha hassastır. Bu nedenle, 5G haberleşmede kullanılacak milimetre dalga antenleri için en uygun boyuta ve karakteristiğe sahip bir alt tabaka seçmek önemlidir. Bu çalışmada 5G haberleşme için yeni bir mikroşerit anten tasarımı, simülasyonu ve gerçeklemesi yapılmıştır. Önerilen bu anten için kullanılacak alttaşın elektriksel ve fiziksel boyutlarının bant genişliği ve kazanç gibi anten performansına etkileri 4 farklı alttaş kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar bant genişliği, kazanç, verimlilik gibi kriterler açısından analiz edilmiştir. 5G frekans bandında 5.65 GHz çalışma frekansı için optimum alttaş değerleri bulunmuş ve bu alttaş kullanılarak antenin fabrikasyonu yapılmıştır. Bu anten prototipinin laboratuvar ölçümleri Akdeniz Üniversitesi Endüstriyel ve Medikal Uygulamalar Mikrodalga Araştırma ve Uygulama Merkezi (EMÜMAM)'nde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçların büyük ölçüde simülasyon sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür.Nowadays, especially after the Covid-19 pandemic, the demand for data speed has increased with the transfer of many needs from trade to education to the virtual environment via internet and each country has set its own 5G wireless communication standards that are 100 times faster than the fastest 4G LTE standard available. The development of new applications for mobile phones has further increased the need for greater bandwidth and faster data transfer. Microstrip Patch Antennas (MPA) using coplanar radiation elements with the feeding network are a good choice for obtaining a suitable functional element in 5G applications as it provides a balance of production complexity and performance. The dependence of performance criteria such as gain, efficiency and bandwidth of high frequency antennas on the physical and electrical parameters of the dielectric substrate is much more sensitive than low frequency antennas. For this reason, it is important to choose a substrate with the most suitable size and feature for millimeter wave antennas to be used in 5G communication. In this study, a new microstrip antenna for 5G communication has been designed, simulated and fabricated. The effects of electrical and physical dimensions of the substrate on antenna performance such as bandwidth and gain have been studied using 4 different substrates. The results obtained were analyzed in terms of criteria such as bandwidth, gain and efficiency. Optimum substrate values were obtained for an operating frequency of 5.65 GHz in the 5G frequency band, and then the antenna was fabricated using this selected substrate. Laboratory measurements of this antenna prototype were carried out at Akdeniz University Industrial and Medical Applications Microwave Research and Application Center (EMÜMAM). It has been observed that the results are in a good agreement with the simulation results.