Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   13 ,  No.   2 ,  Febr uar y   201 9 , pp.  5 51 ~ 5 55   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 3 .i 2 .pp 5 51 - 5 55          551       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   A compa ct  h igh - g ain pa rasitic p atch antenn a    with el ectronic b eam - s wi tch ing       D.   Subr am an i am 1 , M.  Jus oh 2 , T.  S abap ath y 3 , M.  N. Os m an 4 , M . R.  Kam arud i n 5 ,    R.   R. Ot hm an 6 , M.  R.   Awal 7   1 ,2,3,4,6 School  of C om pute r  and   Com m unic at ion  E ngine er ing, Univ ersit i   Malay si a  P erl is ( UniMA P),  Malay s ia   5 Cent re   for Elect ronic   W arf are,  I nform at ion  and   C y ber   (EWIC),   Cranf ield  Def en ce   and  Se cur ity ,     Cranf ield  Univ er sit y ,   UK   7 School  of  O ce a n  Engi n ee ring ,   Univer siti   Malays ia   T ere ngg anu  ( UM T),   Mal a y s ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Sep   1 0 , 201 8   Re vised  N ov   11 , 2 018   Accepte d  Nov   2 5 , 201 8       A  high  bea m   stee ring  ant enn a  using  HP N D  PI N  Diode  is  proposed  with  a  ca pab il i t y   of  ste eri ng  it s  b ea m   in to  three  diffe r ent  dire c ti ons  - 40  º ,   0º   and  40  º   with  respe ctive  sw it chi ng  condition.   Th e  re con figura bl e  par asi t ic   antenna   consists  of  a  dr iv en  elem ent   an d  two  rec onfigu rab le   par asit i c  e le m ent s,  is  designe d  wit h  oper ating  ran g e   of  9. 5GH z .   T he  par asit i c  e lem ent s  ac t   as   ref lector s  or  d ir ec tor  d epe nd ing   on  the   sw itchin g  condi t ions.  B oth  par asi ti c   el ements  are  connect ed   to  ground  p la ne  v ia   sho rti ng   pins.     The   re conf igurat ion  is  cont rol le d   b y   th e  two  HP ND   PIN   Diode  sw it ch  tha t   embeds t o  the   pa rasit i c  elem ent .   An a ver age   g ai n  val ue  of  8dBi is a chieve d  a t   al l  re conf igur at i on  sce nar ios.  Al l  the   sim ula te d  design  has  bee n   ca rrie d  ou t   using CST  softw are .   Ke yw or ds:   Be a m  sw it chin g   High  gain  a nte nn a   Parasit ic  an te nna   Re config ur a bl e anten na   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed.   Corres pond in g  Aut h or :   M. Ju s oh,    School  of Com pu te r  a nd Com m un ic at ion  Enginee rin g,     Un i ver sit i M al ay sia  Per li s (U niMAP ),     Kam pu s Pa uh  Pu tra , 026 00, Ara u, Perlis,   Ma la ysi a .   Em a il :  m uza mm il @u nim ap. edu.m y       1.   INTROD U CTION     Re config ur a bl e  anten na  is  fl exibili ty   to  env ir on m ents  co nd it io ns ,  poli ci es,  netw ork  ca pab il it ie s  and  oth e r  par am eter s  [1 ] .   A  r ec onfig ur a ble  an te nn a  is  an  anten na  that  produces  an  int ern al   m echan ism   to  red ist ri bu te   t he   RF - c urren ts   over  it s  s urf ace  an d  th us   al te r  the  el ect ro m agn et ic   fie lds  ove r  the  a nten na   i m ped ance  or   rad ia ti on  pro pe rtie s  [1 ] .  T he   reconfi gurab l e  anten na  can   be  integ rates  in  var i ous  cat egories   su c h  as f re qu e ncy, r a diati on   patte rn  a nd   po l arizat ion . T his is a v ery i m po r ta nt ap proac h  f or  the a nten na  wh ic h  can  integ rate  m ul ti ple  app li cat ion s  [ 1 - 6].  More ov e r,   re c onfig ur a ble  an te nn a  is  po te nt ia l  to  i m pr ove  the  reconfi gurati on  an d  capa ble  to  be  ad justed  ind e pe nd e ntly   [1 - 5].  This  rese arch   pr opos e d  on   the  beam   s t eeri ng   anten na  with  high  beam .  The  r adiat io n  pa tt ern   rec onfi gura ble  ca n  be   achieve d  by  us in g  P I N  Diod e s  as   switc hing  te c hniq ues.   The   f un ct io n  of  the   switc h  is  t o  con t ro l  t he  R F  cu rr e nt  fl ow  to  the   desi re d  path.    By  p er form ing  as ON - sta te  or  O F F stat e c onditi on   [ 3].   This  pa per   pre sents  a  com pact  reco nfi gura ble  anten na  th at   capab le   to  ste er  the  beam   40º  an d  the   abili ty   to  m ai ntain  a  good  refl ect ion   coe ff ic i ent.  A   com pact  and   l ow   c omplexit y  anten na   has  been  pro po s e d  in  this  w ork  a s  com par ed  to   the  pr e vious  desig ne d  [ 1 - 6]  [8 ] .  O nly  two  switc hes  are  need e d  to  ste e r  thr e e   diff e re nt  direct ion s  wit h  m ax i m u m   bea m   tilt   ang le   of   40º .Apart  f ro m   that,  hig h  gain  i s  ob ta ine d  at   each  ste ered   di recti on   wh il e  opera ti ng   at   9.5  G H z.  In   pr e vious  work   [1 ] ,  [ 6],  m os t  of   the  bea m   ste ering   an te nn a   faced  t he  pro ble m   to  achieve   ti lt   ang le   m or e  than   30º  w here  the  ste eri ng  beam   is  in  the  r an ge  of  - 30º  t o  + 30º.  On ly  a  fe w works ha ve  a ble t o  ac hieve  t he b ea m  steering c apab il it ie s is m or e  tha n  ± 30º  [ 2], [5].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   2 ,  Fe bru ary 2 019   :   5 5 1   –   5 5 5   552   Howe ver,  the   m entioned  wor k  has  high   co m plexit y  in  te r m s  of   desi gn  t echn i qu e s  a nd  the  am ou nt  of  switc hes.  To   the  a uthor ’s  be st  knowle dge,   none  of  beam   ste ering  ante nna  has  ac hieve d  lo w  c om plexity   and  has  a  co ns ta nt  ref le ct io n  coe f fici ent.  Th ere f or e ,  this  resea r ch  pro pose d  a  com pact  reco nfi gura ble  ante nna  to  achieve  both  m otivati ons.       2.   DESIG N ST R UC T UR E   Figure   1  s how s  the  structu re   of   the  pro pos ed  anten na  de sign.  The  ante nn a  c on sist s  of  a  ci rcu la r   patch  dr i ven   el e m ent  locat ed  at   the  centre  a nd   pa rasit ic   el em ents  on   t he  ri gh t  a nd  le ft  of  dr i ven   el em ent  with  sli gh tl y  sm alle r  r adi us .   The   pro posed   a nten na   has   dim ension   of  25   m m   x  50  m m   and   de sign e d  us i ng  T acon ic   diele ct ric  subst rate  with   a  t hickn e ss  of  1.6 m m   and   diele ct ric  co ns ta nt  of   2.2.  T he  dr i ve n  el em ent  is  fe d  with   an  SM A  pro be   from   the  back  of  t he  a nten na   with   an   a ppropr ia te   50  Ω  m at ching  po i nt.  The  fee d  loc at ion  is   base d  on  t he  sign ific a nt  i m ped a nce  m at c hing  a nd   bette r  ante nn a   ef fici ency.  Th e  dri ve n  patc h  ra diu s  is   5.5m m ;  m eanw hile  the   e ntire  pa rasit ic   el em ents  rad i us   is   5.4m m .  This  le ad  to   the   pus h  an d  pu ll   facto r  of   t he   EM  wav e  by  changin g  a n  el ect rical   wav el eng t h  that  co nt ro ll ed  by  the   swi tc hes.   T he   gap s  betwee n  th e   par asi ti c a nd drive n  el em ents are kept at  3  m m   to en s ur e  an  op ti m iz ed  ti lt  a ng le .     Tw o  Pin  diod e  switc hes  a re   locat ed  at   the   par asi ti c  el em ents  w hich  are   connecte d  to  the  gro un d  plane  via  sho r ti ng   pin s .  The   locat ion   of   t he  PIN  d io de   is  cru ci al   det erm ining   the  t il t  ang le .  Mor eov e r,    the  switc hing  locat ion   is  to  ens ur e  the  c urren ts  fl ow   fro m   the  par asi ti c  el e m ents  to  the  gro und.   Pa rasit ic   el e m ents  in  the  On   sta te   act   as  ref le ct or ,  wh il e  in  the  O ff   sta te   act   as  directo r  that  w il l  pu sh   an d  pull   the  rad ia ti on  patte rn,  res pecti vel y.  In   the  sim ulati on ,  the  On   sta te   of   the  PIN  di od e  is  re presente d  as  ser ia l  RL   ci rcu it   with  4.7   oh m s  series  resist or   an d  the  OF F  sta te   is  sim ula te d  as  0.0 17pF   par al le l  capaci tor  as  s ug geste d  in  the  m anu fa ct ur e r' s  datash eet   [7 ] .  Tw o  inducto rs  (L )  with  value  of   39nH  are  inte gr at e d  on  each  of  the   par asi ti c  el em ent.  T hese  to  ens ur e  sm oo th   biasing   direc t  to  flow   t o  the  switc he s  thr ough  the  pa rasit ic   el e m ents an d a ct s as RF c hoke .           Figure  1.  Ge om et ry o f  the   a nt enn a,  ( a )  T op  view, ( b) P IN  Diode  prototyp e, ( c ) DC  biasing p r oto ty pe       Be low  a re th e   desig n form ulas u se d  t o  cal cul at e the d im ension s  of t he  c onve ntion al   ci rcu l ar  patch:                 (1)                     (2)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A com pa ct   High - Ga i n p ar as it ic  p atc h an te nna w it h  el ect ronic  Be am - Swit chin g  ( D . Subr ama niam )   553   The  pe rfor m ance  of   P IN   di od e  is  base d  on   the  inser ti on   an d  isolat ion   loss  of  the  switc h.    Each  c onditi ons  of   t he  P IN  diode  is  c hanges  the   pe rform ance  of  re flect ion   c oeffici ent  an d  tra nsm issi on   coeffic ie nt.  Th e  act ivati on   of  switc h  in  O N - co ndit ion   le ad s  to  the  m axim u m   of   the  power   tra ns m issio n  a nd   transm issi on   c oeffici ent.  Iso l at ion   lo ss  def i nes  OF F - c ondi ti on s  wh e re  t he   w ho le   syst e m   is  disco nn ec te d  f ro m   powe r po i nts.   The  i ns erti on a nd isolat io n  los s can  b e  calc ul at ed  usi ng:                     (3)                   (4)       3.   RESU LT S   A ND  DI SCUS S ION   T he  interact io n  betwee n  dri ve n  an d  par a sit ic   el e m ents  is   t he  key  for  good  m utu al   cou pl ing .  I n  this   work  the   m utu al   couplin g  e ffec t  is  us e d  t o  achieve   bette r  beam   switc hing  a pp li cat io ns .   Fig ur e   2  sho ws  t he   ref le ct io n  coe f fici ent  res ult  as   res pect  to  the  beam   patte rn   recon fig urat ion .  It  can  be  ex pecte d  that  the   config ur at io n  r esult  f or   beam   ste er  40º  an d  -   40º   is  sim i la r  due  to  t he  sy m m e tric al   locat ion   of   t he  s witc hes .     It  can   be   noti c ed  that   the  sim ulati on  res ults  is  able  to   achi eve  ref le c ti on  coeffic ie nt  below  - 10dB  f or   the  al l  three  switc h  config ur at io ns.  More ov e r,   the se  diff e re nt  sta ges  sh a re  a  co m m on   band width   f ro m   600M Hz  t o  700MHz . Base d on the  sta te  of  diode, t he des ired beam  steering  a re  obta ine d,  a s s how n  in   Table  1.           Figure  2.   Re fle ct ion  c oeffici ent of t he pr opose d  a nten na       Figure   3  s how s  the  sim ulate d  patte rn  of  rec onfig ur a ble  pa rasit ic   anten na.  The  a nten na  i s  capa ble  to   ste er  at   sp eci fic  ang le   of   - 40º ,  0º   an d  40º. W hen   P 1  an d  P2  are  ON ,  the  a nten na  ste er  to   0º   with  a  gain   of   7.2   dBi.  By   tur ni ng  O FF  P 1  s witc h,   t he  a ntenn a   ste er  t o  40º  with  bette r  gai n  of  8.1   dBi  com par e   to  0º.     Wh il e  tu rn i ng  OF F  P2   it   ste er  to  - 40º  with   si m il ar  gain  with  40º .T he  pro po se d  a nte nn a  has  im pr oved  t he  beam   ste ering ,   ref le ct ion   c oe ff ic ie nt  an d  ga in  fr om   pr evio us   w ork  [ 1],  [ 6].  The  s hortin g  pin   l ocati on   is  the  key r ole to i de ntify a sig nific ant stee rin g  a ngle . By s hortin g  the  p a rasit ic  ele m ents to  the  g r ound,  the  pa rasit ic ,  it   per f or m s  as  a  ref le ct or   a nd   directo r.   T he  par asi ti c  act s  as  a  ref le ct or   will   pu s h  the  beam   in  an  oppo sit e   directi on  w here  ano the r  un - s horted  par asi ti c  wo r ks   as  a  di rector .   T hese  researc hes  use   a  Yag i - U da  a nten na  con ce pt  as  a  ref ere nce  w hich  i m ple m ents  par asi ti c  el e m ent  to  reali ze  t he  rec onfig ur a ble  rad ia ti on  pa tt er n.     The  Ya gi - U da   anten na  is   c on sist in g  of  a   sin gle  dri ve n  el e m ent,  five   el e m ents  of  directo r  a nd  a   sin gle  ref le ct or.  The   m utu al   coup li ng   betwee n  the  dri ve n  el e m ent  an d  th e  pa rasit ic   el e m ents  le ads  to  th e     beam  f orward.   Figure  4   s hows  the sim ulate d  farfie ld r e su lt   f or the  p r opose d  a nten na.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   2 ,  Fe bru ary 2 019   :   5 5 1   –   5 5 5   554         Table  1.   Sw it c hing  C onfig ur a ti on   Bea m   Switch in g     An g le ( ø )   RF Switch es    Co n d itio n     P1   P2   Frequ en cy  Cen tre ,  f c ( GHz)   4 0  deg ree   OFF   ON   9 .57   0  deg ree   ON   ON   9 .47   - 4 0  deg ree   ON   OFF   9 .57         Figure  3. Ra di at ion   patte rn fo r  the  prop os e d   anten na         (a)     (b)     (c)     Figure  4. Sim ulate d  farfie ld  r esult f or the  propose d  a nten na  at (a) 4 0 de gree ( b)   0 de gr ee  and  (c)   –   40  de gr ee       4.   CONCL US I O N   A  c om pact  reco nfi gura ble  a ntenn a   with  high   beam   ste ering   us in g  HPND  P in  Di od e  is  pro po s ed  wit h  an  operati ng  frequ e ncy  of  9.5 GH z .  T he   pro pose d  a nten na  a ble  to   ste er   the   beam   to  th ree  directi ons  at   - 40º,   0º   and  +4 0º  with  an   a ver a ge  pea k  gain  of 8 dBi.   By   op ti m iz ing   the  s witc hing locati on s ,  the   pro posed   ante nna  ha s   su ccess fu ll y  ste er  the  beam   a t  the  best  ti lt   a ng le   wh il e  m ain ta inin g  the  re flect ion   c oeffici ent  at   the  op e r at ing  fr e qu e ncy  of 9. 5GHz.       ACKN OWLE DGE MENTS     This  w ork  is  par tl y  su pp or t ed  by  the  Re search   Ma na ge m ent  and   Inn ovat ion   Ce ntre  of   U niv e rsiti   Ma la ysi a Perlis, un der f unda m ental  r esearc h gr a nt sc hem e  ( FR GS   9001 - 00569),  Go vernm ent o f  Ma la ysi a.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A com pa ct   High - Ga i n p ar as it ic  p atc h an te nna w it h  el ect ronic  Be am - Swit chin g  ( D . Subr ama niam )   555   REFERE NCE S    [1]   D.  Rodrigo  and  B.   A.  Cet in er,   “ Freque nc y ,   R adiati on  Pat te rn  an d  Rec onfigur able  Antenna   Us in g  a  P ara siti c  Pixel  Lay er , ”I EE E   Tr ans. Antenna s   Propag   (2011) .   [2]   T.   Sabap at h y ,   M.  Jus oh,   R.   B.   Ahm ad,   and  A.  A.   Struct ure ,   “ W ide   Angle  Sca nnin g  Rec onfi gur able  Bea m   Ste eri n g   Antenna ” ,   The 1 2th  Europ ea n   Ra dar   Confer ence,429 – 432(2008) .   [3]   3T.   Sab apa th y ,   R.   B.   Ahm ad,  M.  Jus oh,   M.  R.   Kam aru din,   and   A.  Alom ai n y ,   “ A  Patt ern - R ec on figura bl e  Para si t ic   Patc h  Antenn a   Us ing  BAR  and  HP ND   PI N  Diode, ”  Th e  8th  Europ ean  Confer ence  on  Antenna s  a nd     Propaga ti on ,   (20 14) .   [4]   4S.  Nair   and   M.  J.  Am m ann,   "Rec onfigur abl e   Antenna   W it h  El ev at ion  an d  Azimuth  Bea m   Sw it chi ng, "  I EEE   Antenna s a n d   W ire l ess Propaga tion L e tt ers ,   9   (20 10).   [5]   5R.   O.  Ouedr ao go,   E .   J.  Rothw el l ,   and  B .   J.  Gr ee t is,  "A   Rec onf igura bl e  Microst rip  Leak y - W ave  Antenna   wi th  a   Broadly   St ee r able  Be am,"IEEE  T ran sac t ions o n  A nte nnas  and  Pro paga t ion, 59  (20 11).   [6]   6Z.   Li ,   H.  Mopi devi ,   O.  Ka y na r,  and  B.   A.  Ce ti n er,   "Be am - stee ri ng  ant enn a  b ase d  on  par asi ti c   lay er , "  E lectr oni cs   Le tters,   48  (201 2) .   [7]   "H PND - 4005  bea m   le ad   PIN   dio de,   D at ashe et,"  e d.   San   Jos e,   CA:   Avago  T ec hno l ogie s,  (2006 ) .   [8]   M.  Jus oh,   T .   Sa bapa th y ,   an d  M. R. Kam aru din  “ Rec onfigur abl e   Four - Para siti c - E le m ent s  Pat ch  A nte nna   for  High - Gain  Be am Sw it chi ng  Appl ic a ti o n, ”  I EEE  Ant enn as  W ire l .   Propag .   L et t , 13  (2014).   [9]   X.  Yuan,   Z.   Li,   D.  Rodrigo, H.  S.  Mopidevi ,   O.   Ka y nar ,   L.   Jofre,   and  B.   A.  Ce ti ner ,   “ A  Para sit ic   Lay e r - Based  Rec onfigur abl e   Antenna   Design   b y   Multi - Obj ec t i ve  Optimiz at ion , ”  IE EE T ran s .   A nte nnas  Propag ,   60  (2012).   [10]   D.  Rodrigo,   Y .   Dam gac i,   M.   Unlu,   B. A .   Ce ti ne r,   J.  Rom eu  and   L.   Jofre   “ Antenna   Rec onf igurabili t y   b ase d  on   a   Novel  Para si ti c   Pi xel   Lay er , ”   in   EuCAP,  (2011).   [11]   M.  T.   Ali , M.  N.   Ta n,   T.   A .   Rah m an,   M.  R.   Ka m aru din,   M.  F.  J amlos,  and  R.   S aul e au,   “ A  nove l  of  rec onf igura b le  pla nar   antenna   a rra y   (RPA A) with be am st ee ring   cont rol , ”   Prog. E le c tromagn.   R es.   B,   20   (2010) .   [12]   M.  Jus oh,   T.   Aboufoul,   T.   Sab apa th y ,   A .   Alom ai n y ,   and  M.  R.   Kam aru din,   "P at te rn - Re conf i gura ble   Microst rip   Patc h  Antenna   W it h  Multi direct iona l  Be am  For  W IMAX  Applic at ion ,   "  IEE E  A nte nnas  and  W ir el ess  Propaga ti o n  Le tters,   13  (201 4).   [13]   T.   Sabap at h y ,   R.   B.   Ahm ad,   M.  Jus oh,   and  M.  R.   Kam aru din,   "The   eff e ct   of  shorting  pin  loc ations  on  th e   per form anc e  of  a  pat t ern   rec onf i gura ble   Yagi - U da  pat ch  an te nn a, "  in  2nd  Inte rn at ion al   Confer en ce   on  El e ct roni c   Design  (ICED),  (2014).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.