TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 2, Februa ry 20 15, pp. 203 ~ 208   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i2.697 6          203     Re cei v ed  No vem ber 5, 20 14; Re vised  De cem ber 2 6 ,  2014; Accep t ed Jan uary 1 4 , 2015   A Compact Multiple Band-Notc hed Planer Antenna with  Enhanced Bandwidth Using Parasitic Strip Lumped  Capacitors and DGS-Technique       Ahmed Boutejdar* 1 , Ahm e d A. Ibrahim 2 , Edmund  Burte 1 Micro w ave E n gin eeri ng D epa rtment, Univers i t y  of Mag deb u r g, 3910 6 Mag deb urg, Germa n y   2  Electronic an d commun i cati on Eng i n eeri n g  Dep, El-Min i Univers i t y , Min i a Eg ypt,   3 Institute of Micro and Se nsor  S y stems, Univ ersit y  of Ma gd ebur g, 391 06  Magd ebur g, German y Corresp on din g  author, e-mai l : ahmed.b oute j dar@ov gu.d e *1 , ahmeda bd el_ m onem@m u.e du.eg 2 edmu nd.b u rte @ ovg u .de     A b st r a ct  UW B antenn w i th dual n o tch ed char acteristi cs fed  by micr o s trip transmissi on li ne is pres e n ted in   this p a p e r. T h e  taper ed  con n e c tion  betw een   the recta n g u lar  patch  a n d  the  feed  li ne  is  us ed to  pr oduc a   goo d i m p eda n c e matchin g  from  2.3 to 11.5  GH z .   A d u a l  ban d frequ enc y notches ar e achi eved  usin g  U - DGS loa ded w i t h lu mp ed ca p a citors. T he fir s t notch frequ e n cy ba nd is  ac hiev ed us in g D G S to reduce t h e   interfere n ce w i th W I MAX from 3.3 to 3.7 Gh z .  T he second n o tch freque ncy  band is a l so a c hiev ed usi ng  U- paras itic strip plac ed in th e grou nd p l an to  eli m i nate  the  interfere n ce w i th W L AN from 5.2 to 5.9 GH z .   Lu mp ed c a p a ci tors are c o mb i ned  w i th the  sl ot du e to  mini a t uri z e  th e sl ot s i z e .  T h e  si z e   of  the r e son a tor  i s   reduc ed  by more  than 40% w hen  lu mp ed capac itor s are  used. T he pr opos ed a n ten n a  hasVSW R <  2   except the n o tched b a n d s. T he simul a ted res u lts conf ir m tha t  the antenn a i s  suitabl e for UW B applic ation s .      Ke y w ords : ultr a w i de ba nd an tenna, p a rasitic  stri p lumpe d  capac itors, DGS-T e chni que       Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The  comm ercial  ope ratio n  of UWB  within the  ra nge  3.1-1 0 .6  GHz i s   rele ase d  by  Fede ral Com m unication  Commissio n (F CC) [1]. Si nce then, the d e sig n  and i m plementatio o f   UWB  system s have  bee n  attracte d m u ch  att e n t io n fo r  co mmunic a tio n   s y s t ems .  T h e UWB   system s h a ve several  ad vantage su ch a s  hig h   d a ta rate s, lo power  co nsu m ption, lo cost  and simpl e  hard w a r e co nfiguratio i n   practi cal appli c ation s  [2].  Printed monop ole UWB  antenn as h a s  attra c ted n o wa days b e cause pri n ted  antenn as h a v e advantag es such a s  e a sy  fabrication,  small si ze, lo w co st and  the y  can b e  ma d e  co mpatible   to the RF  co mpone nts  an d be   impleme n ted  on the sam e  PCB circui try [3-7].H owever, There exist some n a rrow b and s for  ot her co mmu nicat i o n  sy st e m s su ch as  WiMA X   ( 3 . 3  t o  3.7  GHz) a nd  WLAN (5. 15 to 5.8 25  G H z)   over the  de si gnated  UWB  frequ en cy b and that  c a u s e s  ele c trom agneti c  inte rferen ce  with t h e   UWB  syste m s. In orde r to  red u ce the i n terfer en ce,  the  ante nna h a to exhibit freque ncy ba nd   notch  in th ose fre quen cy  band s.  Re se arche r s have   pro p o s ed  se veral te chni q ues to d e si gn  the  band  notched  antenn a. Th e co nvention a l metho d  to   achi eve a n o tche d ba nd  ca n be  reali z e d   by  etchin g a  suitable  stru ctu r e  in a  UWB a n tenna  [8-1 3]. Another wa y is to  put p a r asiti c  el eme n ts  near th e prin ted mono pol e, playing a role as filt ers  to reje ct the limited band [ 14, 15]. In this  pape r, UWB  antenn a with dual not ched  cha r a c teri st ics is presente d . First, a referen c e a n ten n a   is de signe d, which exhib i ts radiatin g cha r a c teri stics in the fre quen cy band  2.3-11.5 G H z.   Secon d , pa ra sitic  strip in  a ddition to d e fected  gr o und  stru cture loa ded  with lum ped  cap a cito r is  use d  to  achie v e the b and -notch ed  ch aracteri stics. T he first n o tch   is a c hi eved  a t  frequ en cy b and  (3.3-3.7 GHz). The se co n d  notch i s  a c hieve d  at freque ncy ba n d  (5.2-5.9 G H z). The det ail  desi gn of the antenn a is int r odu ce d.       2. UWB An te nna De sign and Con f igu r ations   The 2-D layout of the propos ed antenna is illustrat ed in Fi gure  1. The antenna is fed  with a  50 -mi c ro stri p fee d  line. Th e rectan gula r  m onop ole a n te nna i s  p r inte d on  su bst r a t e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  203 – 208   204 RO4 003  with  relative pe rmittivity = 3.38, a diel e c tri c  loss tang ent  = 0.00 27 a n d  thickne s s (h) =   0.813 mm. T o  improve th e band width  of the ant en na, the tapered co nne ctio n betwe en the   recta ngul ar  p a tch a nd the  feed line i s   use d  a s  sho w n in  Figu re  1(a ) . The  di mensi o n s  of  the   patch an d the  antenna a r e optimize d  to achi eve maxi mum band wi dth. Also from Figure 1 ( b )  it is   obviou s  that, the du al ba nd fre que ncy  notch es ar e  achi eved  by usin g first, p a ra sitic  U-sh ape   strip  which  i s  pla c ed  ab ove the  re so nat or  at a  dista n c d1. Se co n d , two  DGS slots lo ade d   with   lumped  ca pa citors which they act a s  a  half wave   re sonator  co uple d  to mono pol e antenn a.  T h e   simulate ret u rn l o ss  of th e ante nna  wit hout u s in g p a r asiti c   strip  a nd the  DGS slots i s  illu strat e d   in Figure 2. From Fig u re 2 it is clea that, the UWB monopol e antenn a ha s a good m a tche d   band width fro m  2.3 GHz to 11.5 GHz wh ic h is  suitabl e  for UWB ap p lication s .           Figure 1. Geo m etry of prop ose d  UW B antenna (a) To p view (b )ba c k view          Figure 2. Simulated retu rn l o ss of UWB a n t enna  witho u t using p a ra sitic st rip and  DGS sl ots      3. Parametri c  Resul t s   The U-shap e d  parasiti c  strip is de sig n e d  to  provide  notch ed ba nd  at 5.4 GHz for WLAN  system. Th e U-sha ped  stri p behave s   a s  a filter to eliminate t he de sire d ba nd. T he notched  b and  freque ncy  is  adju s table  by  varying  the  length  and   lo cation of  the  p a ra sitic stri above th gro und  plane d 1 . In orde r to kno w  the effect  of t he U-sha p ed st rip on  the antenn perfo rman ce,  a  para m etri c st udy of the UWB anten na  with U-shape parasiti c  strip only is con d ucte d. Basi cally,  the len g th of   the resonato r  act s   as the i ndu ctan ce. T h erefo r e,  wh en the  len g th  of the  reso n a tor  increa se s the  re sona nce freque ncy of th e notch de cr e a se s. First, the length  of U-sha ped  strip i s   optimize d  to  operate at cente r ed fre quen cy of 5.4 GHz a s  d e mon s trate d  on Figu re 1 ( b).  Secon d , the  effect of the  p o siti on  of the  resonato r  a b o ve the g r ou n d  plan e o n  th e anten na  ret u rn   loss is stu d ie d as sho w n i n  Figure 3. From Figu re  3  it is obvious that, when the dista n ce d 1 is  increa sed a b o ve the gro u nd plan e the  effect of  the U-sha ped  strip on the  ret u rn lo ss wa sn’t  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Com pact M u ltiple Band -Notched Plan er An tenn a wi th Enhanced … (Ahm ed Boutejda r)  205 appe ar. The r efore, the opt imized pl ace to the  U-shap ed strip  wa s 1 mm above  the grou nd pl an  to achieve th e requi red  no tched  fre quen cy ba nd. T he  two DGS slot al so   play s role  of a  filter as  U-sha ped  st ri p. The  two  DGS sl ots  dim ensi o n s  a r o p timized  to  o perate  at  ce n t er fre q ue ncy  o f   5.2 GHz as shown in Figure 1(b ) . Several param etri c analyses a r carrie d out on the DGS sl ots  positio n. First ,  the effe ct of  the  dista n ce   of t he t w DGS sl ots  belo w  the  top  of  grou nd  plan e  d2  on the ante n na retu rn lo ss is  con d u c te d as illu stra te d in Figu re 4.  It is clear th at, when the  two  slots  are  mov ed a w ay from  the top of th e gro und  pla ne the n o tch ed freq uen cy  is vani she d . So,  the distan ce  d2 is o p timized to be at th e distan ce  eq ual to 1 mm  belo w  the top  of groun d pl ane.  Secon d , the  effect of the d i stan ce b e twe en the tw o sl ots d3  on the   antenn a retu rn loss i s  carri e out as shown in Figure  5 .It is noticed that, w hen the  distance   between two ante nna i s  increased  from 3m m th e not ch l e vel  is d e crea se  a nd the  ba nd width of the  not ch i s   also d e crea sed  .So th e   distan ce d 3  is optimized to  be 3 mm to achieve the b e s t perfo rman ce.            Figure 3. Simulated retu rn l o ss of UWB  antenn a at different dista n ces ab ove gro und  plane (d1 )   Figure 4. Simulated retu rn l o ss of UWB  antenn a  at different dista n ces (d 2)            Figure 5. Simulated retu rn l o ss of UWB  antenn a at different dista n ces bet wee n  sl ots  (d3 )   Figure 6. Simulated retu rn l o ss of UWB  antenn a at different value o f  lumped  cap a cit o rs (C )       Finally, the e ffect of the  capa citan c of t he  lumped c a pac i tor C  on  the antenna  return  loss is studied as illust rat ed in Figure 6. The  lumped capacitors  are inserted in the two DGS  slots at the p l ace  whi c h h a s maximu m  electri c  field.  The maximu m electri c  fiel d in the slot s is   con c e n trated  arou nd the  arm o ppo site  to the ope n  end a s   sho w n in Fi gu re  1(b ) . So, when  lumped  ca pa citor i s  in se rted in thi s  pla c e the total  capa citan c e of  the re so nato r  in cre a ses  which   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  203 – 208   206 lead s to decreases in the  resona nce freque ncy of the notch. Fro m   Figure 6 it  is clea r that, th e   resona nce fre quen cy of the notch  is d e creased from 5. 2 GHz witho u t  capa citor to 2.8 GHz wh e n   the lump ed  capa citor  with  C  equ al to  0.5 pF  is  use d .  T h is  me an s ,  th e lu mpe d   c a pa c i tor   c a use d  to mini a t urize  the le n g th of the t w o  slot s by  mo re than  40%.  So, the value  of C i s  optimi z ed  to be equal to  0.3 pF.      4. UWB An te nna  w i th  Du al Band Notc hed Filter   The p e rfo r mance of t he de sig n e d  anten na  has be en  validated  usin g the  electroma gne tic  full  wave  simulatio n s. The co mm ercial  softwa r e  CST mi crowave studi o  was  employed i n  the full wave  simulatio n s.  The di stan ces d 1 , d2, d 3  and the  ca pacita nce of the  lumped  capacitors are opti m ized dep end on the previous di scussi on in Section III to achieve the   requi re d two  notch es  at the de sire d fre quen cy ba nd.  The  simulate d retu rn lo ss  of the propo sed   antenn a i s  ill ustrate d  i n  F i gure  7. It i s  obviou s  th a t, there  are   two n o tch e at the d e si re d   freque ncy  ba nd. The  first  notch   i s   cau s ed  by  the t w o DGS sl ots l o ade with lu mped  ca pa citors  whi c h i s  u s e d  for  reje ctin g freq uen cy  band  of WIM AX from (3.3  GHz -3.7 G H z). A s  well a s  the   para s itic  strip  that is used  for  rej e cting f r equ en cy ban d of WLA N  from (5.2  GHz  -5.9 G H z). T h VSWR  of the  antenn a i s  d e mon s trate d  i n  Figu re  8. It is noti c ed  tha t, the pro p osed ante nna  h a VSWR  < 2.  Ho wever,  the  anten na  sh o w s an  imp e d ance mi smat ch i n  the  fre q uen cy ba nd 3.3   GHz-3. 7 GHz and from 5.2  GHz-5.9 G H z as the VSWR > 2 in the s e band s.             Figure 7. Simulated retu rn l o ss of the  prop osed  UWB antenn a   Figure 8. Simulated VSWR of the propo sed   UWB a n tenn a             Figure 9. Simulated surfa c e curre n t distribution s  of propo sed  UWB (a) at f=3.4 G Hz (b ) at  f=5.4G Hz     In ord e r to  u nderstan d th e beh avior  of the  ba nd-not che d  cha r a c teristi cs, th simulated  curre n t dist rib u tions  at 3.4  and 5.4  GHz  for the  p r op o s ed  anten na  are inve stigat ed a s  sho w in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Com pact M u ltiple Band -Notched Plan er An tenn a wi th Enhanced … (Ahm ed Boutejda r)  207 Figure 9. It i s  noticed th at  from Fi gure 9 ( a) t he  su rface current i s   concentrate arou nd th e t w slots with  lu mped cap a cit o rs at  3.4  G H z whi c i s  t he center  of WIMAX frequ ency b and. A l so   from Figure 9 ( b) it is obvio us  that the surface cu rren t is conc entra t ed arou nd the para sitic st rip   at 5.4  GHz  which  is the  ce nter  of the  WLAN fr equ en cy ba nd. F r o m  two  figu re s it is con c lud e that the ante nna di dn’t ra diate at the s e freq uen cy  band s. Th e E - plan e (x -z  pl ane) an d H-p l ane   (y-z pla n e )  ra diation patterns are pre s e n ted at  three freque nci e s;  3 GHz, 7 GHz, and 9 GHz as  sho w n in Fi g u re 1 0 . The p a tterns  obtain ed The E-pattern  seem s to  be bi-dire c tio nal whil e the  H- pattern seem s to be omni -dire c tional. T he reali z e d   g a in of the pro posed with freque ncy is  sh own  in Figure 11.  From Fig u re 11 it is obvio us tha t, The  averag e pea k  gain of the p r opo se d ante nna  is a r oun d 3.3  dB over th all ope rating f r equ en cy ban d exce pt the  two fre quen cy band n o tch e whi c h ha s re ductio n  on its gain.                  Figure 10. Simulated di re ctive gai n of the prop osed a n tenna at different fre que n c ie s (a ) E-pla n   at 3GHz (b ) H-pl an at 3G Hz  (c)E-pl an  at7GHz  (d) H-plan at 7G Hz(e ) E-pl an at  9GHz (f) H-p l an  at 9GHz  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 2, Februa ry 2015 :  203 – 208   208     Figure 11. Simulated gai n of the  propo sed  UWB a n tenna  with not c he d ban ds.       5. Conclusio n    Ultra  wid e  ba nd ante nna   with du al b a n d  not ch  cha r acteri stics  ha s b een i n trod uce d . A  dual b and freque ncy n o tche s h a ve b een a c hi eve d  by usi n U-sha ped  pa rasiti c st rip  and  defecte d gro und structu r e  loaded with  lumped  cap a c itors. The first notch fre q u en cy band  has  been a c hi eve d  usin g defe c ted g r ou nd  stru cture loa ded with lu m p ed capa citors  to redu ce  the   interferen ce  with WIMAX from 3.3 G H z to3.7 GH z. T he se co nd no tch freq uen c y  band  ha s be en    achi eved usi ng U-sh aped   pa ra sitic stri  whi c h     i s   placed   ab ove the  groun d  plan  to  elimi n ate   the interferen ce with  WLA N  from 5.2 G H z to  5.9 GHz. The propo s ed a n tenna  operated at the  rang e from  2 . 3 GHz to11. 5 G H with  VSWR  < 2  e x cept the  n o tche d b a nd s.  The  simul a te d   results  confirm that the propo sed a n te n na is suitable  for UWB appl ication s .       Referen ces   [1]    F i rst Rep o rt a nd  order.  Rev i sion  of p a rt 1 5  of th e c o m m ission' Ru le  Re gard i n g  U l tra-W i deb and   T r ansmission  S y stem F CC 0 2 -48.  F eder al Co mmun icati o ns  Co mmissi o n .  2002.   [2]    F ontana  RJ.  Rece nt s y ste m  app licati ons  of  short-p u lse  ultra-  w i d eba nd (UW B ) tec hno log y IEEE   Tra n s . MTT.   2004 ;  52( 9): 208 7-21 04.   [3]    T aheri MMS, Hassa ni  HR,  Nezh ad SMA.  UW B print ed s l ot a n ten na  w i t h  Bl ueto o th a n d  d ual  n o tc h   ban ds.  IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.,  2011; 10: 25 5-25 8.   [4]    Z han K, G u o Q ,  Hua ng K.  A  miniat ure  pla n a r a n ten na for   Blueto o th  and   UW B ap plic ati ons.  Jo urn a l of  Electro m a gneti c  W a ves and A pplic atio ns.  20 10; 24(1 6 ): 229 9-23 08 .    [5]    Azim R, Islam  MT , Misran  N. G r ound  mo difi e d  d oub le-  side d pri n ted   compact UW B  ante nna.  IET   Electron ics Let ters.  2011 47( 1): 9-11.   [6]    Z hang   X,  Xi YY, Che n  J,  L i  W T . Compac t mi crostrip-fe d  ante n n a  for  u l tra- w i d e b and   app licati ons.   Progress In El ectromag netics  Researc h  Letters.  2009; 6: 1 1 -16.   [7]    Su M, L i u  YA,  Li S L , Yu  CP.  A comp act o p en s l ot  anten n a  for  UW B a p p licati ons   w i th   ban d-notc hed   character i stic.  Journ a l of Elec troma g n e tic W a ves an d App l i c ations.  20 10; 24(1 4 -15):  2 0 0 1 -20 10.   [8]    Hon g  CY, Li ng  CW T a rnand  IY, Chung SJ.  Desig n  of a  p l an ar ultra- w i d eba nd a n ten n a   w i t h  a n e w   ban d-notc h  structure.  IEEE Transactions on Ant ennas and Pr opagation.  2 007; 55( 12): 33 91-3 396.   [9]      T homas KG Sreen ivasa n  M. A simple ultra- w i d e b a n d  pl anar recta ngu l a r printe d ante nna  w i t h  ban d   disp ensati on.  IEEE T r ansacti ons on Ant enn as and Pro p a g a tion.  20 10; 58 (1): 27-34.   [10]    Abbos h AM, Bialko w s k i  ME. Desig n  of UW B pl an ar ban d- notche d  ante n na us i ng par as itic Elements.  IEEE Trans. A n tenna Propag . 2009; 57( 3): 796-7 99.   [11]    Boutej dar A, Batmanov A, A w i da MH, Burte  EP. O m ar A. D e sig n  of a ne w band pass filte r    w i th sh ar p   transitio n b a n d  usi ng m u ltil a y er-tech n iq ue  and  U-d e fec t ed gr oun d st ructure.  IET  micr ow aves ,   anten nas & pro pag atio n.  201 0 ;  4(9): 1415-1 4 20.   [12]    Boutej dar  A, Rama dan A,  Makke y  M, O m ar A.  Design  of comp act Microstrip low pas s filters using  a   U-sha ped d e fe cted grou nd structure an d compe n sate d micr ostrip li ne .  36th Europ e a n  Micro w av e   Confer ence. 2 006: 26 7-2 70.   [13]    Z hang P, Li A .  A Novel Co mpact Microstrip  Lo w p ass F i lter  w i t h  Shar p T r ansition a nd Improve d   Stopba nd.  T E L K O M NIKA Indones ian J ourn a l of  Electrica l  Engi neer in g.  2015; 13( 1).     [14]    Kim KH, Park  SO . Anal ysis  o f  the smal l b a n d rej e cted  ante nna  w i th th e p a rasitic stri p fo r UW B.  IEEE   T r ans. Antenn a Propa g . 200 6; 54(6): 16 88- 169 2.  [15]    Rafiq ue U, Ali SA Ultra-W i de ban d Patch An tenna for K-Ba nd App licati ons T E LKO M NIKA Indones ia n   Journ a l of Elec trical Eng i ne eri ng.  201 4; 12(1 2 ).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.