Analysis of UWB band-notch antenna with characteristics slots and MIMO antenna with resonating structure

Abstract

The demand of various service applications within the same antenna, such as a multi-notch frequency band for mitigating interference with other narrowband communication systems, to overcome multipath fading, improve channel capacity and ensure link quality, has inspired the development of miniaturized antennas that are compact and simple in design complexity. However, because of the many wide bands working under the ultra-wideband (UWB) system, collision of these narrow bands is inevitable. Similarly, decoupling and coupling elements are introduced to enhance the isolation in between the two antennas where size compactness and isolation minimization are the main challenges in the design of multiple-input, multiple-output (MIMO) antenna for UWB communication. The proposed work in this thesis is to present a new design approach of adding formulated slots for multiband rejection to the UWB antenna without any increase in size or additional expenses. Similarly, high isolation UWB MIMO antenna is designed introducing the parasitic resonator below the radiating patch in MIMO antenna helps to improvise the Isolation of the antenna without using any coupling or decoupling structure. In present work two different type of antenna has been discussed: Firstly, the design of a compact ultra-wideband U-shaped slot etched on a circular patch antenna exhibiting notch band characteristics for UWB applications. Four U-shaped slot structures are introduced based on a theoretical formulation where the formulation is validated with the equivalent LC lumped parameters responsible for yielding the notched frequency. A novel feature of this approach is that the frequency notch can be adjusted to desired values by changing the radial length based on the value calculated using a derived formula for each semi-etched U-slot, which is very simple in structure and design. Additionally, by introducing the rectangular notch at the ground plane, the upper passband spectrum is suppressed while maintaining the wide impedance bandwidth of the antenna applicable for next-generation wireless communications, 5G. The measured result shows that the antenna has a wide impedance bandwidth of 149% from 2.9 to 20 GHz, apart from the four-notched frequencies at 3.49, 3.92, 4.57, and 5.23 GHz for a voltage standing wave ratio (VSWR) < 2 rejecting the Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) band at (3.38⁓3.7 GHz), the European C-band at (3.84⁓4.29 GHz), the Indian national satellite (INSAT) at (4.47⁓4.92 GHz) and wireless local area networks (WLANs) at (5.09-5.99 GHz). The LC equivalent notched frequency has been proposed by analyzing the L and C equivalent formula, and it has been validated with simulated and measured results. The measurement and simulated results correspond well at the LC equivalent notch band rejecting the existing narrowband systems. Secondly, the design of compact high isolation UWB MIMO antenna with a circular parasitic element at back side of the radiating patch thereby creating the reverse coupling helping to reduce the mutual coupling at upper part of the frequency bands and a small rectangular notch at the ground plane to extend the impedance bandwidth of monopole antenna. This approach eliminates the use of complex coupling or decoupling structure and complex feeding network. A novel feature of this design is that the MIMO antenna exhibits a very low envelope correlation coefficient (ECC < 0.007) with high diversity gain (DG > 9.99) and wide impedance bandwidth of 139 % from 3.1 to 17.5 GHz applicable for not only UWB application but also for next generation wireless communication, 5G. The high peak gain over the entire UWB and the upper part of the overall frequency band ensure that the antenna can be used in MIMO applications owing to the close agreement between the simulated and measured results. The antenna is designed using finite element method based High Frequency Structure Simulator (HFSS) and their performance is analyzed on the basis of the reflection coefficient, VSWR, radiation patterns, gain, efficiency, ECC and DG. |기존 협대역 통신 시스템 간의 간섭을 줄이기 위해 다중 노치(multi-notch) 대역을 갖는 안테나 외에 다양한 어플리케이션 환경에서 다중 경로 페이딩의 극복, 채널 용량의 향상 및 링크 품질을 보장하기 위한 안테나 설계가 요구되어지고 있다. 그러나, UWB 시스템의 넓은 대역폭으로 인하여 기존 협대역 통신 시스템과의 충돌은 불가피하다. 또한, UWB 통신에 사용되는 MIMO 안테나의 경우 소형화가 주요 과제이며, 다수의 안테나 간의 격리 특성을 향상시키기 위해 디커플링(decoupling) 및 커플링(coupling) 소자가 도입되었다. 본 논문에서 제안한 UWB 안테나는 다중 대역 노치 특성을 갖는 슬롯을 추가하여 구조적 증가 및 추가 비용 없이 새로운 설계 접근 방식을 제안하였다. UWB MIMO 안테나의 경우 복사 패치의 후면에 기생 공명기를 추가하여 디커플링 및 커플링 구조 없이 우수한 격리 특성을 갖도록 설계하였다. 본 논문에서는 두 가지 유형의 안테나를 설계하여 분석하였다. 첫 번째 UWB대역 노치 안테나는 UWB 어플리케이션 시스템에서 동작하는 원형 패치 안테나에 노치 밴드 특성을 갖는 U 형 슬롯을 추가하여 설계하였다. 4개의 U 형 슬롯 구조는 LC 등가회로와 이론에 기반하여 검증하였다. 제안한 U 형 슬롯은 구조적으로 단순하며, 유도된 공식을 기반으로 하여 방사형 길이를 조절함으로써 원하는 주파수 대역을 조정하였다. 또한, 접지면에 직사각형 노치를 삽입함으로써 차세대 무선 통신인 5G에 적용할 수 있는 넓은 임피던스 대역폭을 유지하면서 상위 통과 대역 스펙트럼을 억제하였다. 측정 결과, 2.9∼20 GHz까지 전압정재파비(VSWR)<2를 달성하여 149%의 넓은 임피던스 대역폭을 보이며, 3.49, 3.92, 4.57, 5.23 GHz의 4개 노치 주파수 대역을 통해 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)의 3.38∼3.7 GHz 대역, 유럽의 C 대역인 3.84∼4.29 GHz 대역, 인도 국가 위성의 4.47∼4.92 GHz 대역, WLAN (Wireless Local Area Networks)의 5.09∼5.99 GHz 대역을 억제할 수 있었다. LC 등가 회로 노치 주파수는 L 및 C의 등가 공식을 통해 제안하였으며, 시뮬레이션 및 실제 측정 결과와 비교하여 검증하였다. 시뮬레이션 및 측정 결과, 노치 대역이 기존의 협대역 시스템의 대역과 일치함을 확인할 수 있었다. 두 번째 MIMO 안테나는 복사 패치 후면에 기생 공명기를 갖는 UWB 용 MIMO 안테나로서 고주파수 대역에서의 상호결합과 직각 노치로 확장되는 역방향 결합이 가능하다. 이러한 접근 방식은 기존의 디커플링 및 커플링 구조와 복잡한 공급 구조를 사용하지 않아도 된다. 제안한 안테나는 DG>9.99의 높은 다이버시티 이득을 가지며, ECC<0.007의 매우 낮은 포락성 상관 계수를 보인다. 제안한 주파수 대역 내에 시뮬레이션 및 실제 측정 결과에서 높은 이득이 관찰되어 MIMO 어플리케이션에 요구되는 성능에 일치됨을 확인할 수 있었다. 제안한 두 안테나는 HFSS (High Frequency Structure Simulation) 툴을 사용하여 설계되었으며, 반사계수, VSWR, 방사패턴, 이득, 효율, ECC 및 DG 등을 통해 성능을 분석하였다.