TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 82 5 2  ~ 825 6   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.65 20          8252     Re cei v ed  Jul y  25, 201 5; Revi sed Septe m ber  14, 201 4; Acce pted  Octob e r 8, 20 14   Ultra-Wideband Patch Antenna for K-Band Applications      Um air Ra fiq u e *,  Sy ed  Ahsan Ali   Dep a rtment of Electron ic Engi neer i ng, Mo ha mmad Ali Ji nn ah Un iversit y ,   Islamab ad E x p r ess w a y , Ne ar Kaakp u l, Z one  V, Sihala, Isla mmaba d, 440 0 0 , Pakistan   *Corres p onding author, e-mail : umair-rafique@hotmail.com       A b st r a ct  An u l tra-w i de b and  p a tch  ant enn a is  pr ese n t ed for  K-b a nd c o mmun ic ation. T h e  ant enn a is   desi gne d by e m p l oyi ng stack ed ge o m etry a nd ap ertu re-co upl ed techn i q u e . T he rectang ular p a tch sha p e   and  coax ial  fed  confi gurati on  i s  use d  for p a rti c ular  des ign. T he  ultra-w i de b and  char acteri stics are  achi e v ed   by ap ply i ng  a  specific s u rfac e resista n ce  of  75 Ω /sq uare  to the  up per r e ctangu la r  patc h  an d it  is exc i ted   throug h a rect ang ular sl ot made o n  the lo w e r pat ch ele m e n t (ma de o f  copper). T h e  propos ed p a tc h   anten na  is  abl e to  oper ate i n  the  frequ enc y rang e  of  12- 27.3 GH z   w h ic h is  use d  i n  r adar  an d sat e l lit e   communic a tio n ,  commo n ly n a med  as K-ba nd. By e m pl o y ing a tec h n i q ue of thick e r substrate a n d  b y   app lyin g a sp e c ific surface re sistance to the  upper  patch e l e m e n t, an i m p eda nce b a n d w i dth of 77.8 %  i s   achi eved  hav i ng VSW R  ≤  2 .  It is noted th at the g a in  of  prop os ed  ant e nna  is li ne arly  incre a sed  in t h e   freque ncy r ang e of  12- 26 GH z   a n d   after th at the  ga in  is   decre ased  u p   to 6  dBi. S i mu latio n  res u lts  a r e   prese n ted to d e monstrate th e  performanc e o f  pr opose d  ultr a-w i deb an d mi crostrip patch  anten na.     Ke y w ords :  ultr a-w i deb an d, aperture-c oup le d, K-Band,  surface resista n ce,  thicker substra t e    Copy right  ©  2014 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  Since many years, micro s trip  pat ch ant enna s  are  po pular be ca use of thei r  sm all an d  c o mpac t  s i ze, low profile, light weight, cos t  effec t iv en ess, ea sy to fabri c ate a nd  easy to in stall  in  many porta bl e device s  [1]. These  small  miniature  dev ice s  are in cre a sin g ly beco m ing pop ular  for  a numb e r  of medical ap plicatio ns. T hey ca n be  use d  in d e vice s to monit o r patie nt he alth   remotely a nd  provide  them  help in  the  e m erg e n c y  sit uation s . The r efore, the  re search i n   smal ler  size p a tch  a n tenna s  with  high  ba nd wi dth an d g o o d  efficie n cy  has gai ned   a lot of i n terest.  Ho wever,  red u cin g  the  si ze of pat ch a n tenna  ha s l o ts of  chall e n ges. F o r  exa m ple, on e m a jor  limitation of simple structu r ed patch ant enna i s  t hat it provide s  na rrow  band widt h and lo w gai n .   This  re stri cts the u s e  of patch ante nna s in  ma ny intere stin g appli c atio n s . Mo st of t he  comm uni cati on system s requi re   the antenn as  wh ic h  are  smal l in  size an d  provid e la rg est  band width. Both of these d e sig n  req u ire m ents, in  mo st of the case s, are  contrad i cting. Ho wev e r,  wide band  an d ultra - wide b and  (UWB)  communi catio n  sy stem s a r e be comi ng  popul ar fo r  short  rang e and hi gh ban dwidt h  ( ≥ 50% ) appl ication s , the use of pat ch  antenna s is  also in crea si ng  day-by-day.  Many researche r s p r e s en ted an d p r o p o se d diffe ren t  types  of pa tch a n tenn as for  high ba ndwi d th.  In [2], a  microstrip p a tch a n tenna which  fed  through  a microstri p  line wa s pre s e n ted for  ultra-wid eban d comm uni cation. The a u thors  used  modified ground pl ane  whi c h tend s to   radiatio n loss which is not  useful for th e perfo rman ce of patch a n tenna. Also,  such kin d  o f   config uratio n  is related  to  monop ole  an tenna  de sign.  Abolfazl  Aza r i p r op osed  a  fra c tal  shap e   microstri p  ant enna for  wid eban d appli c ations [3].  An iterative octagon  shap e wa s de signe d to  achi eve a large ban dwi d th . According t o  the re su lts  and 8 dB ba n d width  crite r i a , the pre s en ted   desi gn was  a b le to ope rat e  in the freq u ency rang e o f  10-50  GHz.  But 8 dB ba ndwi d th criteria   lead to  a po wer lo ss g r eate r  than  10%.  Also, the g a in  of an a n tenn a is l e ss tha n  5 dBi at hi gh er  freque nci e s.  In [4, 5],  an ult r a-wid eban d a n ten na d e si gn s  were  pre s e n t ed for wi rel e ss  comm uni cati ons. An  ave r age im ped an ce  ban dwidth  of 98%  wa s  achi eved th ro ugh th e de sig n s.  But, these  de sign s  suffer f r om difficult fa bricati on  by the u s e  of sh orting  wall s a nd folde d  p a tch   feed.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ultra -Wi deb a nd Patch Ant enna for K-B and Appli c ati ons (Um a ir Rafique)  8253         Figure 1. (a)  Geomet ry of the pro p o s ed  ul tra-wid eban d microst r ip p a tch ante nna;  (b)  Dimen s io ns o f  the lower pa tch and  recta ngula r  slot        A micro s trip   patch  ante n n a  which  wa s mad e  by  u s ing  inve rted  L-slot  edg e  (ILSE)   stru cture was pre s ente d  fo r wi rele ss co mmuni cation  [6]. The main  advantag e o f  the antenn a  wa s, with th e  increa se i n  f r equ en cy, the gain  of  an   antenn a is lin early in crea sed which i s  very  useful  at hi g her  micro w av e freq uen cie s . In [7 ], a reconfigurable   microstri p  p a tch  anten na  wa s  pre s ente d  for wideb and a pplication s . The anten na  wa s de sign e d  by using P I N diode s wh ich   wa s u s eful fo r re co nfigura b le appli c atio ns. T he  pre s ented ante n n a  wa s abl e to ope rate in  two  freque ncy ba nds, i.e., 7.5-12 GHz an d 9-15 G H z, re spe c tively.  In this pape r, we pre s e n t an ultra-wide band mi cro s tri p  patch antenna f o r K-ba nd   appli c ation s . The center freque ncy ( f 0 )   of the prop osed anten na i s  16 G H z. A modificatio n  is  made to  the  previously  pre s ente d  d e s ign  [8].  The  propo sed  d e sig n   con s i s ts of  a  stacked   geomet ry an d slot-co uple d  feed.  The  resi stive mat e rial  whi c h is made of  co pper i s  u s e d  to   increa se the  band width of prop osed ant enna.  Also  we have used optimize d  values of  h 1  an d  h 2  to broad en the band widt h of the pro posed de sig n . Recently, resi stive mat e rial s are u s ed to   desi gn F r e q u ency Sel e ctiv e Surfa c e  (F SS) ab so rbe r s fo r  WLAN  se curity a ppli c ation s  [9,  1 0 ].  The resi stive  material  allo ws th e move ment of ele c tric  cha r g e  on  con d u c ting  surfa c e. So,  by  applying  a  spe c ific surf ace  resi stan ce to  the  rectan gula r  p a tch  elem ent , an im ped a n ce   band width  of 77.8% i s  a c hieved in  the  frequ en cy  range  of 12 -2 7.3 G H z. T h i s  b and width  is  greate r  than  the previou s ly pre s ente d  data in  [8], therefore,  we u s ed a  particula r su rface  resi stan ce  fo r the  p r opo sed d e si gn. A l so, it i s   note d  that th e g a i n of  pro p o s ed a n tenn a  has  linearly in cre a se d in the  whol e ban d  of intere st. This ma ke s o u r p r opo se d  desi gn furth e r  use able in m any appli c atio ns.   The re st of  the pape r  is organi zed  as follo ws.  Section II pre s ent s de sign and  configuration of the proposed  ultra-wideband pat ch antenna.  Se ction III presents  simul a ted   results an d di scussio n  on the re sults.  Fi nally, Section  IV conclud e s the paper.       2. Design an d Config uration of Patch  Antenna   The de sig n   and  configu r ation of prop ose d  pat ch a n tenna i s  sh own in  Figu re 1. The   antenn a g e o m etry con s ist s  of  two  diel ectri c   l a yers, two  pat ch  el ements a nd  a coaxial  pro be  whi c h is  con necte d to the lower p a tch  element to provide excitati on as  sho w n  in Figure 1 ( a).  The lo we r  substrate h a ving dim e n s io ns  50 _ 50  mm 2  con s ist s  of  a re ctang ular patch whose   d i me ns io ns  ar e  38 _ 34  mm 2  and a  re cta ngula r  sl ot is etche d  fr om  it which i s  shown in Fi gu re   1(b ) . The di m ensi o n s  of th e slot a r e   =  18 mm (alon g  y-axis) an d    = 2 mm  (al ong x-axi s ),  respe c tively. The di ele c tric used fo r the  lower  patch  desi gn i s   Ro gers  RT/du r o i d 58 70 h a ving   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8252 – 82 56   8254 relative p e rm ittivity   2.33  and  thickn e s s   1.57 m m . The  upp er  patch  with same  dimen s ion s  i s  pla c ed o n  the uppe r su bstrate  whi c h  has a  spe c i f ic su rface resi stan ce. T h e   sub s trate u s e d  for the upp er patch de sign is FR-4 ha ving relative permittivity   and thickne s s   0.8 mm. This desi gn conf iguratio n follo ws t he p r inci ple of apertu re/slot-cou p le d techniq ue  [1]. By using resi stive material an d slot-cou pl ed tech nique, one  ca n obtain ultra - wid e  ban dwi d th  and hi gh gai n of patch a n tenna. Th e  dimen s ion s   o f  rectan gula r  patch  ca n b e  cal c ul ated  by  usin g the de sign equ ation s  given in [1].        Figure 2. Ret u rn lo ss of UWB patch ant enna fo r diffe rent value s  of surfa c e resi stance       One thing is t o  be noted th at the relative permittivity    and thickne s s ( h 1 ) is u s ed  for  the desi gn p u r po se. Th e propo sed p a tch  antenna i s   fe d throu gh a  coaxial probe.  The po sition  of  the pro be i s   maintaine d  at   X f  = 8 m m  a nd  Y f  = 0 to  get maximum  impeda nce  matchin g , i.e., to   match the inp u t impedan ce  ( Z in ) to the chara c te risti c s impedan ce  ( Z o ) and it ca n  be cal c ulate d   by using the  desi gn eq uati ons give n in [1, 8].      3. Results a nd Discu ssi on  This se ct ion  des cri b e s   t h e   simul a t i on r e sult s  of  the  prop osed pat ch antenn a. Firstly,  a   para m etri c  study is ta ke n  from th e de sign  by  chan ging the  surf ace  re si stan ce of the  upp er  patch. Fi gure  2 sho w s th e  input return  l o ss results  fo r differe nt val ues  of surfa c e re si stan ce.  It is   noted that fo r lowe r value s  of su rface re sista n ce, i.e., 25 Ω /squa re, 50 Ω /squa re a nd 75 Ω /sq uare  the propo se d de sign  gives la rg est b and width.  As the surfa c e  re sista n ce i n crea sed, th e   band width of  the antenn a  grad ually de crea se s. This i s  be cau s e  of the fact that most of the in put  sign al is  refle c ted b a ck  at the input te rminals incre a s ing th e po wer lo ss. Thi s   is not  a de sired  ca se  as in m o st of th e a p p licatio ns,  on e likes  to tra n s mit the  maxi mum am ount  of the  power in   the de sired  di rectio n. F r om  Figu re  2, an  optimi z ed  va lue of  su rfa c e  re si stan ce i s  ch osen  whi c h   gives hig h  ba ndwi d th and  gain, i.e., 75 Ω /squ are. Th e study de mo nstr ate d  that  the band widt h of  an anten na can be maximi zed by u s ing l o we r value s  of surfa c e resistan ce.   Figure 3  sho w s inp u t retu rn l o ss  of the  propo sed   UWB p a tch  an tenna. An  im peda nce   band width  of  77.8% i s  ob tained i n  the  freq uen cy ra nge of  1 1 .96 - 27.3   G H z. F our  re so nan ces  occurre d  in the whole b and  at 12.5 GHz,  16.3  GHz, 2 0 -22 G H z an d 25 GHz, re spe c tively. From  Figure 3, it is clear evid ent  that  the use of resi stive material  shoul d  incre a se the band width of a   patch a n tenn a. The band width of the antenna i s  cal c ul ated as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Ultra -Wi deb a nd Patch Ant enna for K-B and Appli c ati ons (Um a ir Rafique)  8255     Figure 3. Input return lo ss of  the propo sed UWB patch antenn a.                   ( 1 )     Whe r e,    and    are the hig h e s t and lo we st freque nci e s o f   the band. It is esse ntial to kno w  the  VSWR of an  antenn a so th at an optimized input po wer loss can b e  achi eved. The VSWR  ca n be  cal c ulate d  as  follows:              ( 2 )     Whe r e,    is th e ab solute va lue of reflecti on coefficie n t at the input t e rmin als. It is evident that  the ideal p a tch with no  refl ection s at the  input  provid es maxim u m  power transf e r whi c h  ca n be   use d  in many  important ap plicatio ns. Ho wever, in  p r a c tical d e si gns there is al wa ys some p o wer  loss at  the i n put termi nal s of the  pa ct  antenn a.  Th e  po we r lo ss  at the in put t e rmin als can  be   cal c ulate d  as:            ( 3 )     In patch ante nna de sign,  VSWR is co nsid ere d  ba sed on two cri t erion s  of ba ndwi d th .  Acco rdi ng to  10 dB ba nd width  crite r ia,  the VSWR i s  le ss th an  2 whi c h m e a n s a  10% in put  power l o ss. If  we  want le ss in put p o wer loss,  we  hav e to  cal c ulate  the b and widt h a c cordi ng t o   15 dB ban dwidth crite r ia.  The VSWR a c cordi ng  to the 15 dB b a ndwi d th criteria must be  ≥   1.5.  But, if we want larg est  b and width, so  we h a ve to  make  a tra d e -off bet wee n  po wer l o ss and   band width. Al so, the p o wer loss can be  altered  or  m a i n tained by  ap plying  a  hig h  power sign al a t   the input port.           Figure 4. Gai n  of the prop ose d  UWB patch ante nna   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8252 – 82 56   8256 Figure 4  sho w s th e  simul a ted results f o r t he  gain  of the propo se d anten na. It is note d   that the  gain  l i nearly i n cre a s e s  from  11.9 6 -27.3  G H z  a nd afte r that t he g a in i s  slig htly decre ase d   up to 6 dBi. Also, the min i mum gain n o ted fo r the  prop osed ant enna i s  4 dBi  in the freque ncy  rang e of 1 2 -14 G H z. It is clea r fro m  F i gure  4  that t he gai n of th e propo sed  p a tch a n tenn a  is   related to th e  input retu rn l o ss. It is also  con c lu ded from this  re sult that  the gain  of the anten na   is inversely prop ortio nal to the input return  lo ss a nd su rface resi stan ce of the antenn a. As  surfa c e  re si stance in crea ses the  gai n  decrea s e s   b u t the ba nd width incre a se s. So the r e i s  a   trade -off between the in cre a se d ban dwi d th and the a c hieve d  gain.       4. Conclusio n   An ultra-wid e band mi cro s trip pat ch a n tenna i s  d e si gned  and  prese n ted for  K-ban d   comm uni cati ons. A simpl e  and novel  desi gn is m a de to enha nce the band wi dth of a microstrip   patch  anten n a . By the use  of slot-co upl ed tec hniq u e  and  by appl ying the  surf ace  re si stan ce to   the patch el e m ent, an im p edan ce  ban d w idth of  77. 8 %  (11.96 -2 7.3 GHz) is a c hieved at  10  d B   return lo ss  with a VSWR l e ss than  2. The gai n  of the ante nna i s  line a rly in creased a nd it is  noted th at, at high er K - band  freq ue ncie s, the  a v erage  gai n  is 8  dBi. Also, the d e si g n  is  demon strated  that the  use  of sta c ked  patch   configu r ation with re si stive m a teri al is u s eful t o   increa se th e  band width  an d gain  of pat ch a n t enn a.  Presented  re sults dem on strated that th e   proposed design is suitable for r adar and satellite com m unication.       Referen ces   [1]  CA Bala nis. An tenna T heor y a nd Des i gn, 3 rd   Editio n.  [2]  AA Eldek,  Ultr a w i d e b a n d  d o ubl e rh ombus  anten na  w i th  stable r a d i atio n patter n s for  phas ed  arra y  app licati on,  IEEE Transactio n s on Ante nna s and Prop ag ation . 20 07; 55( 1 ) : 84-91.   [3]  A  Azari.  A ne w  sup e r  w i d e ban d  fractal  microstrip ante nna.  IEEE Transactions on  Antennas  and  Propa gati o n . 2 011; 59( 5): 172 4-17 27.   [4]  MT  Islam, et a l . Compact p a tch ante nna  w i t h  folde d  fee d  for ultra w i d e b a nd ap pl icatio n.  Asia Pacif i c   Microw ave Co nferenc e . 200 8 ;  1-4.  [5]  MT   Islam, et al. Design of compact ultr a w i d eba nd p a tch a n tenn a for  w i r e less commu nic a tions.  IE EE  Internatio na l W o rksho p  on Ant enn a T e chn o lo gy . 2009; 1- 4.  [6]  F C  Ren, et a l . Comp act taper ed sl ot ante n n a  for  w i deb an d  app licati ons.  2 011 IEEE ICE  Internatio na l   Confer ence on   Radar . 20 11;  116 1-11 63.   [7]  BZ  W ang, et al. Reconfig ura b l e  patch-a nten n a   desi gn for  w i deb an d  w i re les s  communic a ti on s y stems,”   IET  Micow a ve, Antennas  and  Propa gati o n . 2 007; 1(2): 4 14- 419.   [8]  U Rafiq ue, e t  al. A  w i d e ban d slot-co u p le d inv e rted  microstrip p a tch ante n n a  for  w i rel e s s   communications. 8 th IEEE Internationa l Conferenc e on E m erging technologies . 20 12; 1-4 .   [9]  GI Kiani, et a l . Obliq ue i n ci de nce p e rforma n c e  of a n o ve l frequ enc y s e lect ive surfac e a b s orber.  IEEE   T r ansactio n s o n  Antenn as an d Propa gati o n . 200 7; 55(1 0 ): 2931- 293 4.   [10]  U Rafiq ue, et al. F r eque nc y  selectiv e surfa c e absor ber fo r W L AN securi t y . 5 th Euro pe an Co nfere n ce   on Anten nas a nd Prop ag ation . 2011; 87 2-87 5.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.