Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 1, No. 2,  February 20 1 6 , pp. 365 ~  370   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v1.i2.pp36 5-3 7 0        365     Re cei v ed O c t ober 4, 20 15;  Revi se d Ja n uar y 11, 201 6 ;  Accepte d  Ja nuary 29, 20 1 6   Inset Feed Toppled H-Shaped Microstrip Patch Antenna  for PCS/WiMAX Application       Mohammad Anee sh* 1 , Mohd Gulman Siddiqui 2 , J.A Ans a ri 3 , Ashish Singh 4 , Kamakshi 5   1,2, 3,5 Department of Electronic s  & Communic a tion U n ivers i ty of All aha ba d,   Alla hab ad- 211 002, Indi a   4 Departme n t of Electronics a n d  Commu nicati on Ra gh u Engi neer ing C o ll eg e,   Visakh apat na m - 53116 2, India   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : anees ha u14 @gmai l .com       A b st r a ct   In this pap er, an ins e t feed topp led H-s h a p ed  mi crostri p  p a tch ante nna  w i th groun ded  pla ne i s   investi gate d  fo r triple b a n d  o perati on. T he s i mu lati on  of pr opos ed a n ten n a  ge o m etry ha s bee n perfor m e d   usin g IE3D  si mu lati on s o ftware  base d   on   meth od  of  mo me nt. T he  prot otype  of the  pr opos ed  ante n n a  h a s   bee n fa bricate d  a nd test ed  to val i date  the  si mul a tio n  w o rk. T he  mea s ured  resu lts i ndic a te th at t h e   reflectio n  co efficient  is better  than -1 0dB fo r 1.8 GH z   (PC S ), 3.5 GH z  ( W iMAX), and  5.5 GH z   (W iMAX )   freque ncies.      Ke y w ords : Inset feed, T oppl e d , Persona l co mmu n icati on S ystems, Multib and         Copy right  ©  2016 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  With the bloo ming of recen t  communi cat i on  system s, microstri p  pat ch anten na s (MSAs)  gaine d utmo st attention of  antenn a d e ve lopers  be cau s of its  stri ki ng featu r e s   such  a s  lo co st,  easy inte gration, ea sy fab r icatio n, light  weig ht  an omni di re ctio nal radiation   pattern. T hese   antenn as are  in ma ssive  deman d d u e  to its a ppli c ations in  sev e ral fiel ds su ch  as pe rson a l   comm uni cati on sy stems  (PCS), and  world w ide i n teroperability for microwave a c cess (WiMA X )   etc. [1-3]. M SAs be come  more  admi r ed when  a single a n tenn a ca n be  used to op erat e the   sign als fo r d ual and t r iple  freque ncy b and s. The s rema rkable f eature s  of a n t enna s pe rsu ade  the research ers to de sign  MSAs for multiband op eration so that a single MSA  can be used  for  multiple freq u ency ba nd s.  Nume ro us lit eratu r e s  are  pre s ente d  on  the de sign o f  MSA for du al and tri p le f r equ en cy  band s [4 -12].  Subsequ entl y , plethora s   of multi ban MSAs have   been  re po rte d  [13-26] d u e  to   recent  advan ceme nt in  th ese  ante nna s. In [ 15],  a  revie w   has  been  re po rte d  for du al a n d   multiband  de sign of MSA s . In [1 6-1 7 ],  stacke d a nd f r actal  p a tch  a n tenna we re  propo sed  a n d   they obtain e d  triple  ban d f o appli c ation  of ce llula r p hone,  GPS, satellite  com m unication. T w o   integrate d  p a t ch ante nna s wa s inve sti gated in   [18]  with resona ting freq uen cies 2.4 5  G H z   (WLAN),  3.5  GHz (WiMAX ) an d 5.5 G H (WiMAX)  appli c ation s  usin gla s s epoxy  su bst r ate .   Few  othe r te chni que su ch a s  u s ing  m e tamateri al [19], defe c ted  gro und  plan e [20], pa ra si tic   element s [21], and vara cte r  diode s [22]  were im plem ented on the  desi gn of MSAs for achievi ng  multi band  freque nci e s fo r differe nt va luable  appli c ations. T here a fter a  crescent-shap ed  wa s   repo rted  by  See et al. [ 23] an d the y  achi eved  multiband  re spo n se of  p r opo se d a n tenna   geomet ry for mobile wi rel e ss appli c ati ons. A triple  band  sola r cell stacke d MSA loaded  with  multiple L-slo t  was re po rted by Yurdu s even et  al [24] and this antenna  wa s re son a ting  at  freque nci e 2 . 5/3.3/5.8 GHz. Fu rth e r fe w mo re p a tch anten na s b a se d on  sin g le feed  stacked  patch ante n n a  [25], and C-slot pat ch a n tenna [26]  were rep o rte d . Most of th e above rep o rted   patch   ante n n a s ope rate   in  dual and trip le band freq u ency ope ratio n  and lack b e tter efficien cy  and fre que ncy ratio. This wo rk i s  hi g h ly mo tivated from the  above repo rt ed literatu r and   devoted to  de sign  a tri p le b and p a tch  ant enna fo r P C S  and  WiMAX  appli c ation s   so that a  sin g l e   antenn a ca n operate for m u ltiband fre q u enci e with b e tter efficien cy and freque n c y ratio.   In this  pap er,  an i n set fee d  toppl ed  H-sha ped  micro s trip  patch a n tenna  with   grou nde plane i s  p r o p o se d for t r iple  band s frequ enci e s. T he p r opo se d ante nna o perates  at 1.8, 3.5, a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  365 – 370   366 5.5 GHz freq uen cie s . The novelty of this wo rk i s  that, we have achieved triple f r equ en cy ban ds  with  sufficie n t ban dwi d th  without u s ing  a n y, thic k sub s trate  such a s  foa m , shorti ng pi n, sta cked  patch o r  wit hout modification in the feed.  The prop osed an tenna is de sign ed with  thin  inexpen sive, low diel ectri c   con s tant F R 4  sub s trate.    This pa per is organi zed  a s  follo ws; Se cti on  2 d eal s with  de sign   of propo sed   antenn geomet ry an d its fab r i c ati on. Sectio n 3  hold s  th e  re sult an d di scussion; a nd f i nally Sectio n  4   puts the con c lusio n  of entire study.      2. Ante nna Design   This  se ction  sh ows the  geom etry format io n p r o c e s s of p r o posed a n ten na. Th e   prop osed a n tenna  of dime nsio L g × W g  i s  de sig ned o n  FR4  su bst r ate with di ele c tri c  co nsta nt  ε r 4.4 an d h e ig ht  h  =  1.6 0  mm  a s  sho w in Figu re 1 ( a). For  the  f o rmatio of p r opo se a n te nna   geomet ry, firstly two strips  of dimen s ion s   L 1 × W  an L 2 × W   are et ched on the u pper  side  of the  recta ngul ar p a tch at coord i nate (0, 0 ) . Furt he r, two  vertical  strip s  of dimensi o L 3 × W  and t w o   hori z ontal  st ri ps  of dime nsi on  L 4 × W  are  etche d  at th e  co ordi nate  (+ 10, 0), (-1 0,  0) and   (0,   +1 0),  (0, -1 0) resp ectively. In the next step , six vertical  strip s  of di mensi on  L 5 × W  are etche d  at  coo r din a tes (5, 10),  (-5,  10 ), (5, -10 ) , (-5 ,  -10),  (15,  0)  and  (-1 5, 0)  resp ectively o n  the u ppe r si de  of the patch.  Although the   lowe r po rtion  of the patch  i s  fully groun d ed an d covers dim ensi o n s  o f   L g × W g , th microstri p  lin e feed  is u s ed fo r the  e x citation of  the p r o posed  anten na. T h e   necessa ry nu meri cal a naly s is  and  suita b le ge om etri cal pa ramete rs of the p r op o s ed  anten na  are   obtaine d with  the aid  of the ele c troma gnetic  si m u la tion soft ware  IE3D, an d the be st d e si gn   para m eters a r e reveal ed i n  Table 1. The fabri c ated  design of propo sed ante nna is sho w n  in  Figure 1(b ) .           Table 1. De si gn sp ecifi c ati ons  Parameter  Value   Parameter   Value   L g   40 mm  L 5   10 mm  W g   40 mm  2 mm  L 1   40 mm  1.60 mm   L 2   40 mm  ε r   4.4  L 3   20 mm  tan   0.002   L 4   20 mm            L g W g h Y X L 1 L 2 L 5 L 4 L 4 L 3 L 3 L 5 L 5 L 5 L 5 W W L 5   (a)       (b)   Figure 1. (a) I n set feed top p led H-shap e d  micros t r ip p a tch ante nna  stru cture; (b)  Fabri c ate d   inset feed top p led H-shap e d  microst r ip p a tch ante nna       3. Results a nd Discu ssi on  For tri p le  ban d op eratio n, the p r op osed  antenn is fe d by in set fee d ing. Th sim u lation   of pro p o s ed  antenn a ha s been  pe rformed u s in method  of m o ment b a sed  IE3D  simula tion  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Inset Fee d  Topple d  H-S h a ped Micro s tri p  Patch Ante nna for…  (Mo ham m ad Aneesh )   367 softwa r e [27].  The pro p o s e d  antenn a de sign h a s b e e n  fabri c ated f o r the validati on of simul a tion   work. An SM A conn ecto of 50 ohm im peda nce is  conne cted fo r the excitation  of the propo sed   antenn a geo metry. The reflection  coef ficient  of pro posed ante n na ha s be en  measured u s ing   N52 30 netwo rk an alyze r . The detail in format ion ab out desig ned  antenna ch ara c teri stics  are  discu s sed in this sectio n.  The  cu rre nt d i stributio n of t he p r op osed  antenn is sh own i n  Fig u re s 2 ( a ) -(b) an d (c)  at  freque nci e s 1 . 8 GHz,  3.5  GHz, an d 5. 5 G H z resp e c tively. From  these Fi gure s , it i s  o b served  that a go od  amount  of current with  d i fferent  len g th app ea rs  o n  the p a tch   of the p r opo sed   geomet ry. This differe nt le ngth of cu rre n ts is  re spo n s ible fo r ge n e rating t r iple  band  re son a n ce   freque nci e s.  The  cu rre nt  flowing i n  th ree  dire ction s  o n  the  pa tch d ue to  whi c h a n ten n a   cha r a c teri stics improves in  good ra diatio n mode.         (a)     (b)       (c )     Figure 2. Simulated current  distributio a t  (a) 1.8 GHz  (b) 3.5 G H z (c) 5.5 G H     Figure 3  sho w s the va riati on of  refle c tio n  coefficie n t for diffe rent  di electri c   materials. It is  observed that  with decre asing the  value  of dielectri c   sub s trate fro m  FR4 to foa m , the reso n ant  freque nci e a r e shifted to wards  high er resona nce side and th e value of refle c tion coeffici e n ts   increa se s. Th is hap pen s b e ca use the di electri c  con s tant of the su bstrate i s  dire ctly propo rtio nal  to the resona nt frequen cy of patch ante nna.   Figure 4  sho w s th e vari ation in  refle c tio n  co e fficient f o r different h e ights  of the  material.  It reveals tha t, with de cre a sin g  the  hei ght from  h =1 .60 mm to  h =0.13  mm, seco nd, an d t h ird   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  365 – 370   368 band a r shif ted towa rd th e highe r re so nan ce si de where a s first b and is  shifted  towards lo wer  resona nce si de.  Figure 5  sho w s th e comp arison of  sim u lated  a nd m easure d  refle c tion  coeffici ents at  variou s fre q u enci e s. It is o b se rved that t he propo se antenn a op erates in tri p le f r equ en cy ban ds  at 1.8 GHz  (1.743 G H z –  1.857  G H z),  3.5 GHz  (3. 294 G H z – 3 . 7 GHz), a n d  5.5 GHz  (5. 205  GHz – 5.94  GHz) a nd thi s  hap pen s be cau s e the  a d d ing of gro u n d  plane o n  propo sed a n ten na,  a coupli ng  ca pacita n ce i s   gene rated  be tween  the  up per  patch a n d  groun d pl a ne  sin c radi ating  stru cture imp r oves. The s e  operatin g fre quen cy band s meet the demand s for PCS and WiM AX  appli c ation s .  From this f i gure it al so  rev eals th a t  the simulat ed and m e a s ured reflecti o n   coeffici ents (S 11   -10 dB) of propo se antenn a are in  good  agree ment, only minor di scre pan cy  occurs  be cau s e of th e irre gular fabri c at ion an sold ering  joint lo sses  whi c h   wa s not i n cl u ded  durin g sim u la tion.  Figure 6   sho w s the  plot f o r m e a s u r ed  gai n  a nd  efficien cy of  propo sed  ante nna  at   variou s fre q u enci e s. T he  gain of th e p r opo se a n te nna at  ope rat i ng fre que nci e 1.8, 3.5, a nd  5.5 GHz are f ound 4.4 4 , 6.15, and 6.57  dBi respe c ti vely. The efficiency of pro p o se d anten na  is   found 69.5 3 % , 95%, and 88.15% at re son a ting freq uen cie s  1.8, 3.5, and 5.5 GHz re spe c ti vely.          Figure 3. Refl ection  coeffici ent variation for  several diele c tric mate rials  Figure 4. Refl ection  coeffici ent variation for  several heig h t s of dielect r ic material           Figure 5. Co mpari s o n  ofsi mulated an measuredreflection coe ffici ent variation  at  variou s freq u enci e s   Figure 6. Measu r ed g a in a nd efficien cy of  prop osed ant enna at vario u s freq uen cie s         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Inset Fee d  Topple d  H-S h a ped Micro s tri p  Patch Ante nna for…  (Mo ham m ad Aneesh )   369   (a)     (b)       (c )     Figure 7. Co mparative plo t  for radiation  pattern  at fre quen cie s  (a 1.8 GHz (b ) 3 . 5 GHz  (c) 5.5  GHz      Radi ation pat tern of propo sed a n tenn a is sh own in Fi gure  7 (a )-(b ) and (c). It sh ows the  comp arative plot for  E - H  plane radi atio pattern  of prop osed  a n tenna  at freq uen cie s  1.8,  3.5,  and  5.5 G H z re spe c tively. From  the s e  figure s , it i s  ob serve d  th at the p r op o s ed  ante nna  is  radiatin g ma ximum po we r in b r oa dsi de dire ctio n  within the  operating b a nds. T he 3  dB  beam width of  pro p o s ed  an tenna a r cal c ulate d  a s  58 ˚ , 58.3 ˚ , 52.7 ˚  for  E -pl ane ( E- θ φ =0 ˚ )  and   48 ˚ , 49 ˚ , 45 ˚  for  H -pla ne ( E- θ φ =9 0 ˚ at frequ enci e s 1.8, 3.5,  a nd 5.5 G H respe c tively. It  mean s that, at 1.8, 3.5, a nd 5. 5 GHz, antenn a radi ates mo st of  the power at  these spe c ified   beam width s     4. Conclusio n   An in set fee d  toppl ed  H-sha ped  microstr ip  p a tch   antenn a h a ve be en  presented. T he  prop osed a n tenna  ha s three differ ent reso nant freq uen cie s  which  offer at 1.8 / 3.5/5.5 GHz for  triple ba nd o peratio n with  the ce nter f r eque ncy ratios of  F c2 / F c1 =1.94, a n d  F c3 / F c2 =1.57 which   provide s  le ss interfere n ce  with other  coexis ting a p p lication b and s. The propo sed a n tenn a  is   expecte d to  be a  goo candid a te for  PCS/WiMAX  appli c ation s   due to it s hi gher gai n, b e tter   efficien cy, and good radiati on ch ara c te ri stics.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752                   IJEECS  Vol.  1, No. 2, February 201 6 :  365 – 370   370 Referen ces   [1]  Elbert BR. T he Satellite C o m m unic a tion Ap plicati ons H a n dbo ok. Nor w o o d , MA: Artech  Hous e. 199 7.  [2]  Kumar R,  Nai du VP, K a mbl e  V, Ram  Kri s hna  R VS. Si mulati on, d e si gn of c o mp ac t multi-ba n d   microstrip slot  anten nas for W i MA X/W L AN a nd UW B app lic ations. 20 14.   [3]  Dang L, Lei  ZY, X i e YJ,  Ning G L , Fan J. A co mp act mi cro s tri p   sl o t  tri p l e -b and  a n t en na  fo W L AN/W iMAX app licati ons.  IEEE Transactio n s on Ante nn a s  and Wirel e ss  Propag atio n L e tters . 2010;   9: 1178- 11 81.   [4]  W ang B, Lo Y.  Microstrip a n tenn as for du al  freque nc y op er ation.  IEEE Transactions on  Antennas and  Propa gati o n . 1 984; 32: 9 38-9 34.   [5]  Hua ng CY,  Lin g  CW , Ku o JS. Dua l -b and  micr ostrip  anten na  us ing  capac itive l oad ing.  IE EE  T r ansactio n s o n  Antenn as an d Propa gati o n . 200 3; 150: 40 1 - 404.   [6]  Polivk a  M, Drahovz a l M, Mazan e k M.  Synthesis of d u a l ba nd br oads id e radi ated  mic r ostrip pat c h   anten na  op era t ing w i th T M 1 0  an d T M 21   modes . IEEE A n tenna  Pro pag a t. Soc. Int. S y mp. 20 04; 1:   245- 248.   [7]  H w an g SH, K w a k  W ,  Moon  JI, Park SO. An intern al d ual ban d pri n te d ante nna for  CDMA/PCS   han dsets.  Microw ave an d Optical T e ch nol og y Letters . 2005 ; 45: 537-5 40.   [8]  Lau KL, Ko ng  KC, Luk KM. Dual- b a nd sta cked fold ed p a t ch anten na.  Electron ic Letter s . 2007; 43:   789- 790.   [9]  W ahab A,  Xu  J. U-slot Circ u lar Patc h Ant enn a for W L A N  Appl icati on.   T E LKOMNIKA Indon esia Journ a l of Elec trical Eng i ne eri n g . 201 5; 14(2) : 323-32 8.  [10]  Peng L, R uan  CL, W u  XH. D e sig n  an d op eration  of d ual/tri p le- ban d as ym metric M-shap ed microstri p   patch ant enn a s IEEE  Transactions on Ant ennas an d Wireless Propagat ion Letters,  20 10;   9: 106 9- 107 2.  [11]  Lee  KF , Luk  K M , Mak KM, Y ang  SLS. On  t he  use   of  U-sl ots in  the  d e si gn  of d ual- a n d  tripl e -ba n d   patch ant enn a s IEEE  Transa c tions on Ant e nnas Pro p a gati on Mag a z i n e . 201 1; 53: 60-7 4 [12]  F a lad e  OP, Gao  Y, Chen   X,  Parini  C. Stacke d-patch  du al-p olar iz ed  ante n na for trip le- b a nd h a n dhe l d   terminals.  IEE E  T r ansactions  on Anten nas a nd W i rel e ss Propa gati on Lett e rs.  2013;   1 2 : 202- 205.   [13] Boutej dar A, Ib rahim AA, Burt e E. A Comp a c t Mu ltipl e  Ban d -Notch ed Pl a ner Ante nn w i th Enha nce d   Band w i dth  Usi ng Paras i tic Strip Lum ped  Ca pacitors a nd D G S-T e chniq ue.   T E LKOMNIKA Indon esia n   Journ a l of Elec trical Eng i ne eri n g . 201 5; 13(2) : 203-20 8.  [14]  Kumar P, T r ipath y  MR, Sin h a  HP. W i de  B and  CPW  F e d  Slotted Micr o s trip Anten na.  TELKOMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2015; 1 5 (1): 1 14-1 19.   [15]  Lee  KF , T ong  KF Microstrip patch ante nna s-basic  c har ac teristics and som e  recent adv ances . IEEE  Procee din g s. 2 012; 10 0: 216 9 - 218 0.  [16]  R y u H C , Ah HR, Le e S H , P a rk W S . T r ipple-sta cked  micr ostrip  patch  an tenna  for mu lti ban d s y stem.   Electron ics Let ters . 2002; 38:  149 6-14 97.   [17]  Prasad RV H, Purshottam Y, Mishra VC, Ashok  N. Micr ostrip fractal p a tch ante nna f o r multib an d   communic a tio n .   Electronics L e tters . 2000; 3 6 : 1179- 11 80.   [18]  Jhamb K, L i  L ,  Ramba bu K.  Novel- inte grat ed p a tch a n te nnas  w i th mu lti-ba nd ch aract e ristics.  IET  Microw aves, Antenn as & Pro pag atio n . 201 1 ;  5: 1393-1 398.   [19]  F e rdous S, H o ssai n  A, Cho w d h a r y  SM H, M ahd y MR C, Abdu l M. Red u ced  and c o n v entio nal s i z e   multi-ba nd cir c ular p a tch a n tenn as lo ad e d   w i th meta materials.  IET  Microw aves, Antenn as  &   Propa gati on.  2 003; 7: 76 8-77 6.  [20]  Liu W C , W u  CM, Dai Y. Desi gn of tripp l e frequ enc y micro s trip fed mon o pol e ante n n a  u s ing d e fecte d   grou nd structur e . IEEE Transactions on Ant e nnas a nd Pro p agati o n . 20 11; 59: 245 7-2 463.   [21]  Kim JW , Jung  T H , Ryu HK,  W oo JM, Eun  CS, Lee  DK. C o mpact mu ltib and m i crostrip   anten na  usi n g   inverte d -L- a n d   T - shaped  para s itic elem ents.  IEEE Antennas  and Wirel e ss Propa gati on L e tters . 2013 ;   12: 129 9-1 302.   [22]  Anees h M, An sari JA, Sing A, Kamakshi.  Effe ct of shorting  w a ll  on co mpact 2 x 4 MS A arra y usi n g   artificial  n eura l  net w o rk.  T E L K OMNIKA Ind ones ian  Jo urn a of Electric al  Eng i ne eri ng.   201 5; 1 3 : 51 2- 520.   [23]  Sing h A, Kam a kshi, An eesh  M,  Ansari JA. Slots an d not ches lo ad ed  microstrip p a tch ante n n a  fo r   w i rel e ss comm unic a tion.  T E L K OMNIKA Ind ones ian  Jo urn a l of E l ectrica l   Engi neer in g.  2 015;  13: 5 84- 594.   [24]  Yurdus eve n  O, Smith D, Pe ar sall  N, F o rbes   I.  A  solar c e ll   stacked sl ot-lo ade d sus p e n d ed micr ostrip   patch a n ten na  w i t h  multi b a nd  reson ance c h a r acteristics for  WLAN and WiMAX  s y stems.  Progress i n   Electro m a gneti cs Researc h . 2013; 14 2: 321- 332.   [25]  F a lad e  OP, R ehma n  MU, Gao Y, Chen  X, Parini  CG. Singl e feed stac ked patch circ ular po lariz e d   anten na  for tri p le  ba nd  GPS receiv ers . IEE E  T r ansacti ons  on  Ante nnas   and  Prop ag ati on.  20 12 ; 6 0 :   447 9-44 84.   [26]  Abu T a rboush  HF, Nilaval a n  R, Cheun g S W , Nasr  KM,  Peter T, Budinir D, Al-Ra w eshi d y   H. A   reconfi gura b l e  w i d eba nd an multi ban a n tenn us ing dua l-patch el e m ents  for  co mpact  w i r e les s   devic es.  IEEE  Transactions on An tennas and Propagation . 201 2; 60: 36-4 3 [27]  Zeland soft w a re. Inc. IE3D  simulati on soft w a re, versio n 14 .05 Z e lan d  softw a r e. 20 08; C A .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.