5G microstrip patch array antenna using corporate-series-feed network

Abstract

Technology has become an essential part of human life and in today’s world; technology poses many new challenges, as it keeps on getting better, smarter and faster. Fourth generation (4G) mobile communication has been deployed in many countries and now the world is looking on to 5th generation (5G) for the future. Moreover, it is believed that 5G communication will bring larger bandwidth and coverage, faster speed, high data rate, and huge device density, meeting the current demands of the wireless technology. One of the basic part of a communication system is its antenna, and to develop a system working on 5G, an antenna suitable for 5G application should be designed first. The proposed work in this thesis presents microstrip patch array antenna producing wide bandwidth with operating frequency band at 28GHz, suitable for 5G application. A simple microstrip patch array antenna with a corporate-series feed network is designed and presented for 5G applications. The array uses the elements of a rectangular microstrip patch with two insets and two slots on both sides, three director elements on top, and two reflector elements on each side of the patch. First, series- and corporate-fed array antennas are designed and tested separately. In array antenna with series feed network, director elements are placed only on top of the top most patch, while the reflector elements are placed only below the patch connected to the feedline. In array antenna with corporate feed network, director elements are placed above every patch, while only one reflector element is placed on the lower open side of the patch. Both antennas operate in the frequency band around 28GHz, with wide bandwidth of 25.67~30.34GHz and 24.85~30.32GHz respectively. Series-fed array antenna has highest peak gain of 7.98 dB at 29.3GHz. Similarly, corporate-fed array antenna has highest peak gain of 8.8 dB at 26.7GHz. In the final proposed design, both series and corporate feeding techniques are combined to obtain a corporate-series-fed array antenna. Yagi elements are also placed in similar manner as in series- and corporate-fed array antennas. Finally, microstrip patch array antenna with a corporate-series feed network, suitable for 5G application, is compared with series- and corporate-fed array antennas. The results indicate that the proposed array antenna achieved a wide operating frequency bandwidth of 25.04~30.87GHz. In addition, proposed array antenna’s gain over the operating frequency band is higher; achieving highest peak gain of 9.49 dB at 26GHz. Addition of Yagi elements improved the gain throughout the frequency band. The antennas are designed using two different substrates: Taconic and FR4. Both substrates are easily available. Based on the performance of the antennas, the final proposed antenna is built on Taconic substrate. The antennas are designed using finite element method based High Frequency Structure Simulator (HFSS) and their performances are analyzed on the basis of the reflection coefficient, VSWR, radiation patterns, antenna efficiency and antenna gain. |최근 이동통신 기술은 점점 더 스마트 해지고 빨라지면서 우리들의 삶속에서 필수적인 부분이 되었다. 많은 국가에서 4세대 (4G) 이동통신을 활용하고 있으며, 보다 나은 미래를 위하여 5 세대 (5G) 이동통신에 대해 활발히 연구하고 있다. 특히, 5G 통신은 초고속, 초연결, 저지연 고신뢰성이라는 현재 무선통신의 요구를 충족시킬 것으로 판단된다. 5G 이동통신과 이를 응용하기 위하여 5G 안테나를 설계해야 하며, 본 논문에서는 5G 애플리케이션에 적합한 28GHz주파수 대역의 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제안하였다. 본 논문에서 5G 애플리케이션을 위하여 제안한 4소자 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 양쪽에 2개의 삽입구와 2개의 슬롯, 상단에 3개의 도파기 및 패치의 각 측면에 반사기를 추가하였다. 직렬 및 병렬 급전 배열 안테나를 각각 설계하고 시뮬레이션을 수행하였으며, 직렬 급전 배열 안테나에서 도파기는 최상위 패치 위에만 배치하고 반사기는 피드 라인에 연결된 패치 아래에만 배치하였다. 병렬 급전 배열 안테나에서는 도파기를 모든 패치 위에 배치하고 반사기는 패치 아래에만 배치하였다. 두 안테나는 각각 28.67~30.34GHz 및 24.85~30.32GHz 주파수 대역에서 활용할 수 있다. 직렬 급전 배열 안테나는 29.3GHz에서 7.98dB의 최고 이득을 가지며, 병렬 급전 배열 안테나는 26.7GHz에서 8.8 dB의 최고 이득을 갖는다. 최종적으로 직렬 급전 방식과 병렬 급전 방식을 결합하였으며, Yagi 요소는 직렬 및 병렬 급전 배열 안테나와 유사한 방식으로 배치하였다. 제안한 직•병렬 급전 네트워크를 활용한 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 직렬 및 병렬 급전 배열 안테나와 비교한 결과, 제안한 배열 안테나가 25.04~30.87GHz의 주파수 대역에서 동작함을 확인할 수 있었으며, 제안한 배열 안테나의 이득은 동작 주파수 대역 내 26GHz에서 9.49 dB의 최고 이득을 갖고, Yagi 요소를 추가함으로써 이득이 향상됨을 확인할 수 있었다. 제안한 안테나는 유한 요소 방법 기반 고주파 구조 시뮬레이터 (HFSS)를 사용하여 설계되었으며, 반사계수, VSWR, 방사패턴, 안테나 효율 및 안테나 이득 등의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 비교적 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 Taconic과 FR4 기판을 사용하여 제작하였다.