Published May 10, 2024 | Version v1
Publication Open

Pattern Diversity Based Four-Element Dual-band MIMO Patch Antenna for 5G mmWave Communication Networks

Creators

  • 1. Ghulam Ishaq Khan Institute of Engineering Sciences and Technology
  • 2. Istanbul Medipol University
  • 3. Prince Sultan University
  • 4. Universidad Publica de Navarra
  • 5. Northern University

Description

Abstract This study presents a planar dual-band multiple-input multiple-output (MIMO) antenna design for the prospective fifth-generation (5G) frequency bands of 28 and 38 GHz. The antenna element is designed by utilizing a rectangular patch with an offset microstrip feeding technique. A dual-band response is achieved by placing semi-circular slots on each side of the patch element. To tune the frequency response and improve impedance matching, vertical rectangular slits are etched in the rectangular patch and the ground plane, respectively. The results show that the single antenna element offers an impedance bandwidth of 2.52 GHz (26.32–28.84 GHz) and 7.5 GHz (34–41.5 GHz). In addition, a MIMO configuration based on pattern diversity using four antenna elements is designed and fabricated. The designed MIMO configuration achieves an impedance bandwidth of 3 GHz (27–30 GHz) and 5.46 GHz (35.54–41 GHz) at operating bands of 28 and 38 GHz. The peak realized gain for the single element at 28 and 38 GHz is noted to be 7.4 dBi and 7.5 dBi, respectively. Furthermore, the polarization diversity configuration illustrates an isolation of > 15 dB and > 25 dB for the 28 and 38 GHz frequency bands, respectively. Moreover, the MIMO configuration attains appropriate values for the envelope correlation coefficient (ECC) and diversity gain (DG), Total Active Reflection Co-efficient (TARC), Channel Capacity Loss (CCL) and Mean Effective Gain (MEG) for the operating frequency bands. The proposed MIMO system based on results seems to be potential choice for mmwave Ka Band Applications.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

ملخص تقدم هذه الدراسة تصميم هوائي متعدد المدخلات متعدد المدخلات (MIMO) مستوٍ ثنائي النطاق لنطاقات تردد الجيل الخامس (5G) المحتملة التي تبلغ 28 و 38 جيجاهرتز. تم تصميم عنصر الهوائي باستخدام رقعة مستطيلة مع تقنية تغذية شريط إزاحة دقيق. يتم تحقيق استجابة مزدوجة النطاق عن طريق وضع فتحات شبه دائرية على كل جانب من عناصر التصحيح. لضبط استجابة التردد وتحسين مطابقة المعاوقة، يتم حفر شقوق مستطيلة عمودية في الرقعة المستطيلة والمستوى الأرضي، على التوالي. تظهر النتائج أن عنصر الهوائي الفردي يوفر عرض نطاق معاوقة يبلغ 2.52 جيجاهرتز (26.32-28.84 جيجاهرتز) و 7.5 جيجاهرتز (34–41.5 جيجاهرتز). بالإضافة إلى ذلك، تم تصميم وتصنيع تكوين MIMO بناءً على تنوع الأنماط باستخدام أربعة عناصر هوائي. يحقق تكوين MIMO المصمم عرض نطاق معاوقة يبلغ 3 جيجا هرتز (27–30 جيجا هرتز) و 5.46 جيجا هرتز (35.54–41 جيجا هرتز) عند نطاقات تشغيل تبلغ 28 و 38 جيجا هرتز. لوحظ أن ذروة الكسب المحقق للعنصر الواحد عند 28 و 38 جيجا هرتز هي 7.4 ديسيبل و 7.5 ديسيبل على التوالي. علاوة على ذلك، يوضح تكوين تنوع الاستقطاب عزل > 15 ديسيبل و > 25 ديسيبل لنطاقات التردد 28 و 38 جيجاهرتز، على التوالي. علاوة على ذلك، يحقق تكوين MIMO القيم المناسبة لمعامل ارتباط المغلف (ECC) وكسب التنوع (DG)، وكفاءة الانعكاس النشط الكلي (TARC)، وفقدان سعة القناة (CCL) ومتوسط الكسب الفعال (MEG) لنطاقات تردد التشغيل. يبدو أن نظام MIMO المقترح بناءً على النتائج هو خيار محتمل لتطبيقات النطاق الترددي mmwave Ka.

Translated Description (French)

Résumé Cette étude présente une conception d'antenne double bande à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) pour les bandes de fréquences prospectives de cinquième génération (5G) de 28 et 38 GHz. L'élément d'antenne est conçu en utilisant un patch rectangulaire avec une technique d'alimentation en microruban décalée. Une réponse à double bande est obtenue en plaçant des fentes semi-circulaires de chaque côté de l'élément de patch. Pour régler la réponse en fréquence et améliorer l'adaptation d'impédance, des fentes rectangulaires verticales sont gravées dans la pastille rectangulaire et le plan de masse, respectivement. Les résultats montrent que l'élément d'antenne unique offre une bande passante d'impédance de 2,52 GHz (26,32-28,84 GHz) et 7,5 GHz (34-41,5 GHz). En outre, une configuration MIMO basée sur la diversité de motifs utilisant quatre éléments d'antenne est conçue et fabriquée. La configuration MIMO conçue atteint une largeur de bande d'impédance de 3 GHz (27–30 GHz) et 5,46 GHz (35,54–41 GHz) dans les bandes de fonctionnement de 28 et 38 GHz. Le gain réalisé de crête pour l'élément unique à 28 et 38 GHz est noté à 7,4 dBi et 7,5 dBi, respectivement. En outre, la configuration de diversité de polarisation illustre une isolation de > 15 dB et > 25 dB pour les bandes de fréquences 28 et 38 GHz, respectivement. En outre, la configuration MIMO atteint des valeurs appropriées pour le coefficient de corrélation d'enveloppe (ECC) et le gain de diversité (DG), le coefficient de réflexion active totale (TARC), la perte de capacité de canal (CCL) et le gain effectif moyen (MEG) pour les bandes de fréquences de fonctionnement. Le système MIMO proposé basé sur les résultats semble être un choix potentiel pour les applications de bande Ka à ondes millimétriques.

Translated Description (Spanish)

Resumen Este estudio presenta un diseño de antena plana de doble banda de entrada múltiple y salida múltiple (mimo) para las bandas de frecuencia prospectivas de quinta generación (5G) de 28 y 38 GHz. El elemento de antena está diseñado utilizando un parche rectangular con una técnica de alimentación de microtira desplazada. Se logra una respuesta de doble banda colocando ranuras semicirculares a cada lado del elemento de parche. Para ajustar la respuesta de frecuencia y mejorar la adaptación de la impedancia, se graban ranuras rectangulares verticales en el parche rectangular y el plano de tierra, respectivamente. Los resultados muestran que el elemento de antena único ofrece un ancho de banda de impedancia de 2,52 GHz (26,32-28,84 GHz) y 7,5 GHz (34-41,5 GHz). Además, se diseña y fabrica una configuración mimo basada en la diversidad de patrones utilizando cuatro elementos de antena. La configuración mimo diseñada logra un ancho de banda de impedancia de 3 GHz (27–30 GHz) y 5,46 GHz (35,54-41 GHz) en bandas operativas de 28 y 38 GHz. Se observa que la ganancia máxima realizada para el elemento individual a 28 y 38 GHz es de 7,4 dBi y 7,5 dBi, respectivamente. Además, la configuración de diversidad de polarización ilustra un aislamiento de > 15 dB y > 25 dB para las bandas de frecuencia de 28 y 38 GHz, respectivamente. Además, la configuración mimo alcanza valores apropiados para el coeficiente de correlación de envolvente (ECC) y la ganancia de diversidad (DG), el Coeficiente de Reflexión Activa Total (TARC), la Pérdida de Capacidad de Canal (CCL) y la Ganancia Efectiva Media (MEG) para las bandas de frecuencia de operación. El sistema mimo propuesto basado en los resultados parece ser una opción potencial para las aplicaciones de banda Ka de ondas milimétricas.

Files

s10762-024-00983-0.pdf.pdf

Files (2.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b6f651a66a72061d4449f85ed28e2c2a
2.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
هوائي تصحيح MIMO رباعي العناصر ثنائي النطاق قائم على تنوع الأنماط لشبكات اتصالات 5G mmWave
Translated title (French)
Antenne patch MIMO bi-bande à quatre éléments basée sur la diversité de motifs pour les réseaux de communication 5G mmWave
Translated title (Spanish)
Antena de parche mimo de doble banda de cuatro elementos basada en diversidad de patrones para redes de comunicación 5G de ondas milimétricas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396806874
DOI
10.1007/s10762-024-00983-0

Is supplement to
https://openalex.org/W4280583466 (Other)
https://openalex.org/W3160921700 (Other)
https://openalex.org/W3081127171 (Other)
https://openalex.org/W2984621842 (Other)
https://openalex.org/W2909520695 (Other)
https://openalex.org/W2608366722 (Other)
https://openalex.org/W2272022466 (Other)
https://openalex.org/W2117573823 (Other)
https://openalex.org/W2027780375 (Other)
https://openalex.org/W2019843762 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W2343840042
  • https://openalex.org/W2759986576
  • https://openalex.org/W2901071283
  • https://openalex.org/W2944835099
  • https://openalex.org/W2969616928
  • https://openalex.org/W2997577809
  • https://openalex.org/W2998094502
  • https://openalex.org/W2999381948
  • https://openalex.org/W3043779764
  • https://openalex.org/W3174520390
  • https://openalex.org/W3207741160
  • https://openalex.org/W4200261936
  • https://openalex.org/W4206556022
  • https://openalex.org/W4211082346
  • https://openalex.org/W4213139004
  • https://openalex.org/W4281262252
  • https://openalex.org/W4292261935
  • https://openalex.org/W4307957576
  • https://openalex.org/W4308440829
  • https://openalex.org/W4312311124
  • https://openalex.org/W4380205026
  • https://openalex.org/W4385443992
  • https://openalex.org/W4386566064
  • https://openalex.org/W4386824712
  • https://openalex.org/W4387667533
  • https://openalex.org/W4389839558
  • https://openalex.org/W4392436544