Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   1 3 ,  No.   2 ,  Febr uar y   201 9 , pp.  7 66 ~ 7 72   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 3 .i 2 .pp 7 66 - 7 72          766       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Reflectio n ph ase  anal ysis of refle ctarr ay antenn a ba sed on  paper su bstrate  materi als       H.  I  Mali k 1 , M.  Y. Ism ail 2 , S . R  M as r ol 3 ,   Sh armiz a  A d na n 4   1 ,2,3 Univer siti   Tu n  Hus sein  Onn   Malay s ia (UTHM),   Johor,  Ma lay sia   4 Forest  Resea r ch   Instit ut e  Ma lay s ia   (FRIM ),  Sela n gor,   Mal a y s ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   N ov  1 2 , 201 8   Re vised  Dec  13 , 2 018   Accepte d  Dec  27 , 201 8       Thi s  art i cle  pre sents  an  anal y s is  of  ref lecti on   loss  and  ref lecti on  ph as e   beha vior  of  a  novel   m ic rostri p  ref lecta rr a y   a nte nna ,   embedd ed  on  paper   subs tra te   m ateri al .   Two  di ffe re nt  pap er  subs trates  were   first   a naly z ed  fo r   die l ec tr ic   m a te ri al   prop ert i es.   A  det a il ed   an aly s is  of  sca tt er ing  p a ramet ers  o f   rec t angul ar   patc h  el emen t  with  var ia b le   subs trat e  hei gh ts  has  b ee n  ca rri ed   out.   Re ct angu la r   pat ch  e le m ent s  fab ricate d  using   adhe sive  copper  ta pe  ov er   the   pap er  subs tr at e ,   show   tha t   a   wide  bandwid t h  is  ac hi eve d  c om par ed  to  ava i la bl e  conv e nti onal   subs trate   m at eri a ls.  Fabr ic a te d  pa tc h  e lem ent s  over   pape r  subs tra t e  m at eri a l  show   a   broa dband  fr eq uency   r esponse  of  340  and   290  MH z.   It  h as  al so  be en  demo nstrat ed  that  th e   m ea sured  ref lec ti on  phase   r ange s  for  bo th  the   subs tra t e  co ver   310 º   and  29 4º   a t  low  ph ase   gra die n ts  of   0. 12  and   0. 24   º / MH z  respe c ti ve l y .   Ke yw or ds:   Broa db a nd  behavio r   Pape r  s ub st rate   Re flect arr y a ntenn a s     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 :   Muh am m ad  Y us of  Ism ai l ,   Faculty  of Elec tric al  an d El ect ronic E ng i neeri ng ,   Un i ver sit i T un  Hu s sei n O nn  Ma la ysi a,   Parit R aja,  86400, Ba tu  Pa hat,  Johor Mal ay sia .   Em a il : y us of i@ut hm .ed u. m y        1.   INTROD U CTION     High  gai n  ref l ect or   ante nnas  are  a  cru ci al   c om po ne nt  of   l ong  ra nge  com m un ic at ion   syst e m s,  wh ere   perform ance  dep e nds  up on  the  fr e qu e nc y,  cov e rag e  a nd   op e rati onal   flexibili ty .  R eflect arr ay   ant enn a s   com bin e  the  ke y  featu res  of  ref le ct ors  a nd  arr ay   a nten nas,  w her e   a n  a rr a y  of  pri nte d  m i cro st rip  patch e s  on  a   thin  diele ct ric  m edium   is  illum inate d  sp at ia ll y  by  a  feed   ho r n.   T he  pri nt ed  el em ents  us e  a  su it able  phasi ng   te chn iq ue  in  order   t o  f ocus  the  incide nt  wav e  to wa rds  the  desire d  directi on  [ 1].  Howe ver   the  m aj or   consi der at io n of  m ic ro strip refle ct arr ay   a nt enn a   is  t he  int r insic  na rro w  ba ndwidt h.  A   m ic ro stri p  patch  an te nna   back e d  by  a  gro und  pla ne  can  achie ve  ba ndwidt h  of  3 - 5  %  only   [2 ] .  In   order   to  address  the  is su e  of   band width,  refl ect arr ay   ante nna  with  m ulti l a ye r  struc ture s   ha ve  been  pr opos e d  for  pr i nted  el em ents  [3 - 5].  Mult iple  la ye rs  of  pr i nted  el e m ents  are  sta cked  one   ab ov e  the  oth e r  a nd   the  w ho le   a ss e m bly  is  backe d  by  a  gro und  plane .  Howe ver   m ulti la ye r  structu r e  was  re ported   to  offer   var i ous  fabrica ti on   cha ll enges  rela te d  to   la ye rs  al ign m e nt  an d  a dju st m ents.  Increas ing   the   substr at e  thicknes s  of   pr i nted  a rray   do es  im pr ove  th e   band width   bu t  it   red uces  the  r eflect ion   phase   ran ge .  The  re f le ct ion   ph a se  r ang e  f r om   ever y  el e m ent  is  desired   to ach ie ve 3 60  deg, in  o r der  t o av oid   phase e r rors due  t o fa bri cat ion  tolera nc es [6 - 8].   The  slo pe  of   t he  phase  c urve   and   t he  ba nd width   a re  cl ose ly   relat ed  to  each  ot her.  A  gr a dual   slope   offer s   a  wide r  band width  r esp on se   com par ed   to  a   ra pi dly  rising  ph ase  cu rv e .  M or e over  a n  i nvers e  relat ion s hip   e xi sts  betwee n  th e  phase  range  and  the  ba ndw idth  of   ref le ct a rr ay   el em ents.  In c reasin g  t he  ph a se   range  re su lt s  in  ba ndwidt h  reducti on  an d  vice  ve rsa.   Addressi ng  th e  above  sta te d  key  li m i ta tio ns   of  ref le ct ar ray  an te nn as  of   l ow   band width   a nd   na r row  ph a se   range,  dif fer e nt  sin gle  la ye r  el e m ents  have  al so  been   propose d.  Sp li t  ring   squ are,  co nce ntric  ring   Ma lt a  cross  and   ph oen i x  el e m ent  and   with  i m pr ove d  ph ase   range  a nd  im p rove d  b a ndwi dt h  has   bee n  propose d  [9 - 11] .   Alth ough  an   appr opriat e  ph asi ng   te c hn i qu e  has  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       Ref le ct ion  ph ase  an alysis of r ef le ct ar ra y  ante nna b as e d on  paper  substr ate  m aterials   ( H .  I  M alik )   767   been  pr opos e d  that  im pr ov e s  the  phase  r ang e   an d  pha se  sensiti vity ,   howe ve r  the   ba ndwidt h  does  no t   i m pr oves  c onsidera bly.  T he  ba ndwidt h  sti ll   dep e nds  m ai nly  on  the  s ubstr at e  heig ht  an d  the  diele ct ric m at erial  pro per ti es.   This  pa per  pre sents  t he  p ha se   ra ng e   a nd  ba ndwi dth  analy sis  of  novel  c om bin at io n  of  cel lulose   ba sed   pap e r  s ub st rate  m at erial   an d  re flect arr ay   anten na.   Pa pe r  substrat e  m at erial s  with  con tr olled  m at erial   com po sit ion   ha ve  been   c ha ra ct erized  f or  di el ect ric  per m itti viti es  and   dissipati o n  facto r s.  Usi ng  a  nu m erical  analy sis  te chn i qu e b ase d  on  F IM  ref le ct io n  phase  a naly sis  fo r  dif fer e nt  substrat e  hei gh ts has b een  ca rr ie d  out .   In   the  en d  rect angular  pa tc h  el e m ents  wer e  fabrica te d  over   the  pap er  s ubs trat es  and   te ste d  for  their  scat te rin g  par am et ers.       2.   DIELE CTR I C MATE RIAL CH ARA CT ERIZ ATION   The pr opos e d pap e r  s ubstrat e  m at erial s w ere f irst cha racteri zed for  t he diel ect ric p r operti es. A  S pe a g  DAK  3.5  pro be   was  us e d  f or  this  purpose  t o  analy ze  the  m at erial   pr op e rtie s  at   X - ba nd   fr e qu e ncy  ra nge.  I n  order  to   obta in  reli able  c harac te rizat ion   re su lt s,  la ye rs   of   pa per  s ub st ra te   wer e   gl ued  tog et he r  a nd  pa ssed  thr ough  dry ing  process  to  re du ce  m oistur e   con te nt.  Fig ure  1  sho ws  the   com plete   m ater ia l  char act eri zat ion  set up.  Fig ur e   1( a )  s hows  the   pap e r  s ubstrat e  m at erial s  wit h  com m ercial l y  avail able  substrat e  s uch   a s   FR - 4  and  Ro ger s   D uroi d  58 80.  Fi gure  1  ( b)   s how s  the  m at erial   char act e rizat ion   set up  w her e   the  pr ob e  is   at ta che d  to a Ro dhe a nd Schwarz 14   G Hz  vect or   netw ork  an al yz er (VNA). T he  pe r m itti vity  an d  di ss ipati on   facto r  data   is handled  by s of t war e  platfo r m . F igu re 1(c)   sh ows t he  plac ing   of   paper s ubstrat e sam ples u nder t he  diel ect ric   pro be  T he VN A  is c ontrolle d rem otely  b y t he  softwa re  platfo rm  instal le d  on the la ptop.   The  c harac te rizat ion   res ults  for  bo t h  th e  pa per  substrat e   sam ples  (n a m ed  S1 :  sam ple  1  a nd  S 2:   sam ple   2)   are  pr ese nted  in  Fi gure  2.   S 1  sub strat e  m at erial  sh ows  a  diele c tric   per m i tt ivity  of   1.68   wit h  a  loss  ta ng e nt  of  0.074  w hile  S 2  ty pe   substrat e  m ater ia l  s hows   a  di el ect ric  con sta nt  of  1.74   at   a   dissipati on  fa ct or   of   0.082.  Fi gure  2  an d  Fig ur e  3  sh ows  the  perm itti vity   and   the  loss  ta nge nt  values  of  both   su bs t rates.  Bo th  the   plo ts  of  los s  ta ng e nt  a nd  the   relat ive  pe rm itti vity   sh ow  m i nor  var ia ti on  of  per m it t iv it y  and  loss   ta nge nt  over   the b a nd  of int ern et s.           (a)   (b)   (c)     Figure.   1 . Mat erial  ch a racteri zat ion   of p a pe r  substrate  (a) D iffer e nt ty pes o f  s ub st rate m ater ia ls    (b)  Ma te rial  c ha racteri zat ion  Setup (c )  Pa pe r  s u bs t rate m ater ia l u nd e r  a na ly sis             Figure  2. Re la ti ve  pe rm itti vit y resu lt s  for  m at erial   char act e rizat ion     Figure  3. Lo ss  ta ng e nt r es ults  for die le ct ric m at erial   char act e rizat ion   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.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   7 6 6   –   7 72   768   Table  1  s umm arizes  the  val ues  of  m at eria l  char act eri zat ion   param et ers   for  S 1  an d  S 2  substrat e   m at erial s.Th e  per m it t ivit y  an d  the  loss  ta ng ent  values  are  the  m ean  valu es  ov e r  the  X - band  oper at ion.  Both   sam ples  wer e  hav i ng   dif fer e nt  substrat e  hei gh ts  as   m entioned   i n  the  Tabl e  1.   S1   a nd  S 2  su bst rates  we r e  m ade   with the  s ub st r at e h ei ghts  of 1.4 0  a nd 2.30 m m  r especti vely .       Table  1 . Pape r  Substrate  Mat e rial  Char act e rizat ion   Mater i al   ε r   tan δ   Thick n ess   ( m m )   S1   1 .68   0 .07 4   1 .40   S2   1 .74   0 .08 2   2 .30       3.   EFFE CT OF   SU BST RA TE  HEIGHT  O N  SCATT ERI N G  P ARA METE RS   Eff ect   of   subst rate  heig ht  ov e r  the  scat te ri ng  par am et ers  for  the  pro po s ed  ref le ct ar ray  el em ents  wa s   m on it or ed  on  pro posed  pa per   su bst rate  m at er ia ls.  Sing le   el e m ent  desig ns   with  f our  dif fe ren t  s ubstrat e  he igh t s   wer e   sim ulated   with  per i odic   boun d ary  c onditi ons  us i ng  CST  M WSv15 ,  in   orde r  t o  m on it or   the   re flect ion  loss  an d  the  re flect ion   phase  range  of  the  el e m ents.  Figure   4  sh ows  the  s i m ulati on   resu l ts  of   ref le ct io n  loss  for  va riable  he igh ts  of  substr at e  thicknesses .  The  res onan c e  of   the  sim ul at ed  el e m ents  wer e  in  X - ba nd  of   op e rati on. W it h  a n  inc rease  i n  the   substrat e h ei ght  the r es onance   ef fect  m ov e s  to wards  l ow e r  fr e quenci es.  F or   S1   substr at e  m at erial   F igu re .  4,   as  the  thick ness  is  increas ed  from   0. 8  to  2.30   m m   the  resonan ce  of   th e  patc h  el e m ent  m ov es   from   9.40  to   8.11  G Hz.  T he   increa se  in   los s  is  du e   to   hi gh  el ect ric  fiel d  co nce ntrati on  in  the   diele ct ric  reg io n  betw een  the  patch  a nd   gro und  at   the  res on ance  [ 12 ] .  T his   is  al so   eviden t   fr om   the  ref le ct ion   loss v al ues.  T he  loss  dec rease s f r om   - 17  d B t o  - 4.0 d B wit h  su bst rate i ncr e ase from  0 .8  to  2 .30 mm . S i mil arly   for  S 2  s ubstrat e  m a te rial   as  r ect angular  patc h  el em ent  with  var ia ble  s ub st rate  hei gh ts  we re  sim ulate d.   F igure  5  sho ws  the  re flect ion   lo ss  c urves  of   the  pa tc h  el e m ent  as  the  substrat e  heig ht  is  incre ased  f ro m   0. 8  to  2.3 0  m m .  A  fr e que ncy  dri ft  of  1. 34  G Hz  ca n  be   seen   as  t he  s ub st rate  he ig ht  is  incr eased   f ro m   0.8  to   2.3 0  m m .  More ov e r  t he  r eflect ion  l os s a lso  decr eases  s ign ific a ntly  w it h from   - 14.5 to   - 3.37 dB.         e     Figure  4. Ef fec t of substrat e  he igh t  ov e r  t he r eflect ion   loss fo r  S 1  s ub strat e m at eria l     Figure  5. Ef fec t of substrat e  he igh t  ov e r  t he  ref le ct io n  los s  for  S 2  s ubstrat e m a te rial       In   t he  de sig n  of  the  ref le ct ar r ay   anten nas  a  wide  phase  ra ng e  co ver a ge  of   360  de gr ee  is  desire d.  A   wide  phase  ra ng e  c ov e ra ge  is  req ui red   in  order   to  a void   the  ph ase  e rror s  ca us e d  du e  to  the  fabrica ti on  tolerances  a nd  et ching li m it ati on s .   Figure  6  s how   the  re flect ion  ph a se  res ults  of  f our  dif fer e nt   su bs trat e  heig hts  f ro m   0.8  –   2.3 0  m m .   The  re flect ion   ph a ses  ha ve  be en  sim ulate d  fo r  bo t h  ty pes  of  pro posed  sub strat e  m at erial s   and   t he  analy s is  has  been  car ried   out  f or  X - band   operati on.   Fi gure  6  sho ws  the  re flect ion  ph a se  c urves   f or  S 1  s ubstrat e.  T he   gr a die nt  of   t he   ref le ct io n  phase  c urves  de creases  from   0.58  to  0.09   deg /M Hz  as  t he  s ub st rate  he igh t  is   increase d  f ro m   0.8  to  2.30   m m .  Moreove r  it   can  be  see n  from   the  ran ge   of   th e  phase  curves  that  with  the   increase  i n  the   su bst rate  heig ht   the  phase  ra nge  is  sac rificed .  Th e  phase   ra ng e   re duces  from   30 5  to  125  deg  as  the substrate  th ic kn ess is inc re ased fro m  0 .8  t o  2.3 0  m m .  Si m il ar tren d  wa s n otice d  i n  the  case o f  S 2  sub strat e  m at erial   Figu r e  7   in  w hic h  the  re flect ion   phase  ra nge  de creases  f ro m   29 2  t o  19 0  de g  wh e n   the  s ub strat e  heig ht  is  i ncr e ased  from   0. 8  t o  2.30  m m .  Table  2  pr ese nts  a  com par iso n  of  im po rtant  pa ram et ers  on  s ub st rate  heig ht an al ysi s .   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       Ref le ct ion  ph ase  an alysis of r ef le ct ar ra y  ante nna b as e d on  paper  substr ate  m aterials   ( H .  I  M alik )   769         Figure  6. Ef fec t of substrat e  he igh t  on the  r e f le ct ion   ph a se  of   S1 s ubstrat e m at eria l     Figure  7. Ef fec t of  substrat e  he igh t  var ia ti on  on the  ref le ct io n ph as e of S 2  s ubstra te   m at erial       Table  2  presen ts  a  detai le d  sum m ary  of   the  e ff ect   of   s ubstra te   heig ht  on  sc at te ring   par am et ers.   It  ca n  be  see n  that  th e  increase  i n  t he  s ub st rate  he igh t  inc reases  t he  band width   of   t he  el em ent.  The  10%  bandw i dt h  is  def ine d  by  m ov ing   10  %  above  th e  m axi m u m   ref le ct ion   loss  le vel.  T he  sim ulate d  com par ison   de pi ct s  that  band width  can   be  i ncr ease d  f ro m   144  t o  790  MHz   as  t he  su bst rate  heig ht   is  increase d  f ro m   0.8  to   2.3 0  m m   for  S 1  substr a te .  Si m il arly   t he  ba ndwi dth   for  S 2  substra te   al so   increas es  from   22 4  t o  98 4  MHz,  by   th e   increasin g  the  su bst rate  hei ght  from   0. 8  to   2.30   m m .  This  increase  i n  the  ba ndwi dth   com es  at   the  c os t  of   ref le ct io n  phas e  range.  S o  a  tr ade - off  is  to  be   m ade  in  the  de sign   of   ref le ct arr ay   bet ween   the  phase  ra nge  and  band width t o  a cqu i re fr uitfu l  resu lt s.       Table  2 . E ffec t o f  S ubstrat e  H ei gh t  Ov e r  t he  Scat te ring Pa ra m et ers   Su b strate S1   ( m m )   f r   GHz   RL   dB   Δf   MHz   ∆Փ   Deg   FOM   Deg /MHz   0 .80   9 .40   - 1 7 .9   144   305   0 .58   1 .40   8 .86   - 7 .20   488   241   0 .16   1 .80   8 .52   - 5 .19   664   141   0 .12   2 .30   8 .11   - 3 .90   790   125   0 .09               Su b strate S2   f r   RL   Δf   ∆Փ   FOM   0 .8   1 0 .84   - 1 4 .5   224   292   0 .34   1 .40   1 0 .30   - 6 .31   609   254   0 .13   1 .80   9 .92   - 4 .53   815   227   0 .09   2 .30   9 .50   - 3 .37   982   190   0 .07       In   orde r  to   ana ly ze  the  ref le ct ion   phase  gr a di ent  of  phase  c urves  a  Fig ur e   of   Me rit  (FO M)  has   bee n  def i ned f or co m par ison . T he   FO M i s stat e d as:      = ∆ ∆       Wh e re  ∆φ   the   sta ti c  ph ase  is  range  of  the  ph a se  cu rv e  a nd   ∆ f  is  the  frequ e ncy  cha ng e  durin g  the   li near   reg i on   of  sta ti c  ph ase.  It  can  be  seen  that  increase  in  substrat e  hei gh t  f ro m   0. 8  to  2.3 0  m m   res ults  in  decr ease  of   F O M  fr om   0. 58   t o  0.0 9  for  S1   s ub st rate.  A  F O M  of   0.58   a nd   0.34   deg /  MHz   was  achieve  f or   S 1  and   S 2  substr at e  m a te rial   re sp ect ively   at   0.8  m m   su bs trat e  thickness.   This  shows  th at   S1   ty pe  su bs trat e   m at erial   will   o ff e rs  an  el em e nt  desi gn   m or e   vu l ner a ble  to  fabrica ti on   tole ran ce  a nd  phas e  error s  c om par ed  t o  S2  s ubstrat e t ha t offer  a lo wer FOM.       4.   FABRI C A TI ON A ND ME ASURE MEN TS   In   order   t o  val idate   a  pap e r  s ub st rate  m a te rial   ref le ct arr ay   anten nas.   Un it   cel l  of   rectan gu la r  patch  el e m ents  wer e  fab ricat ed  on  bo th  S 1  an d  S2   substrat e  m at erial s.  In   order   to  ob ta i n  bette r  co nd uctivit y  perform ance  a  70  μm   adhesi ve   thick   co pper   ta pe  wa s  us e d  for  the   fa bri cat ion   of  patch  el e m ents.  T he  c oppe r  ta pe  offe rs  t he   co nductivit y  of   bulk  c oppe r   i.e.  5.8  x107  S/ m .  The  el em ents  we re  te ste d  f or  the   scat te rin g  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.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   7 6 6   –   7 72   770   par am et ers  us ing   a  ta per e d  open  e nd e d  X - ba nd   wav e guide .  The  pe rf ect   el ect ric  and   m a gn et ic   boun dari es  of   the  wav e guide   reali se  the  eff ect   of   an  infi ni te   arr ay   of   refl ect arr ay   el e m ents  [13] .  Mul ti ple  el e m ents  wer e  fabrica te d  t o  e ns ure  re peatabi li ty  o f  the  res ults.   Figure  8  sho w s  the  fa br ic at e d  sam ples  an d  the  m easur em ent  set up.   Fi gure  8( a )  a nd  8(b)  sho w  t he   fabrica te d  re ct angular  patc h  el e m ents  on   S1   an d  S2   subst rates  resp ect iv el y.  Figu re  8(c )  sh ows  the  ap ertur e  of   the  wa ve gu i de   si m ulator  w he re  the  el em e nts  are  place d  for  m easur e m ents.  The  ty pical   X - ba nd  Ag il ent  adopter  at ta che d  to  the  ta per e d  wa veguide  ha s  been   s how n  in  Figu re  8(d).  The  com plete   m easur em ent  set up   of   the  ref le ct ar ray  has  bee n  s how n  in  Fig ure  8( e)  w her e  th e  wav e gu i de  is  at ta ched   to  ve ct or   net wor k  analy ze r   and the elem ents w ere  p la ce d i n  the  wa vegui de  a per t ur e  f or   scat te ring   pa ra m et er  m easur e m ents.           Fig ure  8. Me as ur em ent setu p (a) S2  sam ple ( b) S1 sam ple (c ) Ap e rtu re  of   X - ba nd w a ve guide  sim ulator  (d)  An X - ba nd a da pter fo r wa veguide (e)  Com plete   m easur em e nt setu p wit h V NA att ached t o wa veguide   si m ulator       5.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS   A  com par iso n  between   m ea su re d   an d  sim ulate d  res ults  has  bee n  pres ented  f or   the  validat io n  of   pro po se d  pa pe r  s ubstrat e  m a te rial .  Re flect ion  phase   an d  loss  wer e   m ea su re d  f or  each   of  the   re flect arr a y   el e m ents.  Figure  9  an d  Fig ure  10   sho w  the  com par ison   be tween  m easur ed  an d  sim ulated   res u lt s.  A  sum m ary  on   c om par iso n  betwee n  m ea su re d  a nd   sim ulate d  res ults  is  ta bu la te d  in   Table  3.   As  sh ow n  in  Ta bl e  3,   su bst rates  S 1  a nd  S 2  a re  s hown  to  offe r  340  a nd  29 0  M H z  m easur ed  10 %  ba ndwi dth   r especti vely .  M or e over   the  m easur ed   ph a se  range  f or  bo t h  t he  s u bst rate  m at erials  is  310  a nd  294  de g  res pect ively .  The   m e asur e  ph a se r a nge is  ob s er ved to  be greater  tha n  si m ula te d  ra ng e   du e  to  i ncr eas e  in  lo ss  for  m e asur e d res ults.             Figure  9.   Com par is on b et wee n  m easur ed  and  si m ulate d  ref le ct ion  lo ss c urv es for  p a per s ubstrat es     Figure  10.   C om par ison   betw een m easur ed   and  si m ulate d  res ults for S1  an d S 2  s ubstrat es         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       Ref le ct ion  ph ase  an alysis of r ef le ct ar ra y  ante nna b as e d on  paper  substr ate  m aterials   ( H .  I  M alik )   771   Table  3 . C om par iso n betwee n  Me asu red  an d  Si m ulate d  Re s ults   Mater i al   f r   GHz   RL   dB   ∆ f   MHz   ∆ Փ   d eg   FOM   d eg /MHz   S1       Si m u lated   9 .96   - 7 .17   580   275   0 .07   Measu red   9 .51   - 9 .60   340   310   0 .12         S2       Si m u lated   1 0 .18   - 4 .41   680   220   0 .14   Measu red   9 .68   - 8 .85   290   294   0 .24       The  res ults  show n  in  Ta ble  3  dem on strat e  a  dev ia ti on  of  resona nce  f requen cy   f or  both   the  desig ns  fabrica te d  on  S1   an d  S 2  sub strat es.  In   t he  case  of   bo t h  the  substrat es  t he  de viati on   is   5%  of  the  sim ula te d  resona nce.  T his  ano m al y  m i gh t  be  due  to  i m pr eci se  f ab r ic at ion   process .  More ov e r  th e  resu lt s  de pic te d  in  Table  3  s how  that  the  m easur ed  ref le ct io n  ph a se  sho ws  a   good  phase  r ang e  al ong  with  an  ef fici ent   10 %   band width.  T he   FO M  val ues   cal culat ed  f or  the  m easur ed  and   sim ulate d  resu lt s  s how  a   good  ag reem e nt.  S 1  su bst rate  sho w s  an  F OM  of  0.12   w hile  S2  su bst rate  sho ws  an  FO M  of  0.2 4.   T his  s hows  t hat  the  a nten na  fabrica te d  ove r  S 2  s ubstrat e  m at erial   will   be  twic e  m or e  vu l ner a ble  to   ph a se  e rror s   c ause d  by  fa br i cat ion  lim it at ion s,  as  com par ed  to   S1   substrat e   m at erial .   The  propose d  substrat e  m at eri al s  pr ese nt  ex cel le nt  m easur ed ba ndwidths com pared to  c onve ntion al  m at erial s.  H owe ver  in or der  to  al lo w  th e long term  o per at i on   of   pap e r  s ub s trat e  m at erial   unde r  ha rsh   e nv i ronm ental   conditi ons,  pr op e r  la m inati o ns   an d  s hieldi ng   or  radom es  m us t  be  us ed .  E ff ect s  of  thin   tra ns pa ren t  la m inati on   on   m ic ro stri p  patch  a nten na   has  bee n  a na ly zed   in li te ratur e   [ 14] . T hin   poly thene  la m inati on s do no t  af fect  the r a diati o n c har act erist ic s  of m ic ro strip a nt enn a.       6.   CONCL US I O N     This  w ork  pr e s ents  a  no vel  sol ution   t o  intrin sic   narrow b an dw i dth  p r oble m   of   m ic ro strip  re flect arr a y   anten na.   T w o  dif fer e ntly   com po sed  orga nic  substrat e  m at erial   based  on  recyc le d  m at erial s  hav e   bee n  p r opos e d  a nd  analy zed  for  t heir  el ect ric  pa ram et ers  and   dissipati on  fac tors.  Th e  pr opos e d  m at erial s   show   diele ct ric  pe r m itti viti es  of   1.68  an d  1.7 4  with  l os s   ta ng e nts  of  0.0 72  an d  0.0 82.   Detai le d  a nal ysi s  of  rectan gu la r  m i cro st rip  patche s  on  bo t h  s ub s trat e  m a te rial s   with  var ia ble  su bst rate  hei ghts  ha s  bee n  c arr ie d  ou t,  m on it or i ng  the  phase,  re flect ion   loss ,  ba ndwidt h  an d  FO M  of  the  sc at te ring   pa ram et ers.   The  sim ulate d  resu lt s  s how   t hat  the   re flect ion  phase   ra nge  a nd  the   de fine d  F OM  i nc reases  with   the  decr ea s ed   in  t he  su bst rate  heig ht .  Me asur e d  re su lt s  dem on str at e  a  br oa db a nd  fr e quency  be hav i or   f or  both   su bs t rate  m at e rial s.  The  m easur ed sa m ples sh ow   band widths o f  340  an d 290 M Hz  with lo w  phase g ra dients  of   0.12  a nd   0.2 4  de g/  MHz.  T hu s  off erin g  excell ent   band wi dth   fig ur es  t o  overc om e  the  nar r ow  band width   iss ue   of   m ic ro strip   patch   ref le ct ar ray ant enn a .       ACKN OWLE DGE MENTS   The  w ork  was fu nded  by GPP S G ra nt ( V OT 466) and  RAC E G ra nt ( V OT 1119)  awa r ded b y M inist ry   of H i gh e r  E du cat ion  Mal ay sia .       REFERE NCE S   [1]   S.  D.  Ta rgonsk i,   D.  M.  Pozar ,   and  H.  D.  S y rigos ,   “ Anal y s is  and  design  of  m il li m et er  wave   m ic rostri p   ref lectarra y s, ”  I EE E   Antenna s   a nd  Propaga t ion S oci ety   Inte rn ati onal   S y m posium .   1995   Digest, v ol.   1 ,   pp .   578 – 58 1.   [2]   G.  Kum ar  and   K.  P.   Ra y ,   Broadb and  m ic rostrip   a nte nnas.   Arte ch Hous e,   2003.   [3]   J.  a.   Enc in ar,   “ Design  of  a  dual   fre quency   ref l e ct arr a y   using  m ic rostrip  stake d  p at chs  of  var ia b les   size , ”  Elec tron .   Le tt., vol .   32 ,   no .   12 ,   pp .   1049 – 1 050,   1996 .   [4]   A.  Sabban,   “ A  new  broa dband  stac ked  two - layer  m ic rostrip  an t enna , ”  i n  1983  Antenna s  and  Pr opaga t ion  Soci e t y   Inte rna ti ona l  S ym posium ,   vol.   2 1,   pp .   63 – 66 .   [5]   J.  A.  En ci nar   et  al . ,   “ Dual - Pola riz a ti on  Re flectarra y   in  Ku - band   Based  on  Two   Lay ers  of   Dip ole - Arra y s  for   a   Tra nsm it - Recei v e  Satellite  Ant en na  with  South  A m eri ca n  Cov erage , ”   2017  11th  Eur.   Conf .   Ante nnas  Propag. ,   pp .   80 – 83,   Mar .   201 7.   [6]   J.  H.  Yoon,  Y .   J.  Yoon,  W .   Le e ,   and   J.  So,   “ Square   Ring  El ement   Reflec t arr a y s  W it h  Im prove d  Radiat io n  Chara c te rist ic s  b y   R educ ing   Reflec t ion  Phase  Se nsiti vity , ”  I EEE  Tra ns.  Ant enna s   Propag. ,   v o l.   63 ,   no.   2 ,   pp .   814 – 818,   Feb .   2015 .   [7]   M.  Bozzi,   S.  G ermani ,   and  L.  Perre grini,  “ Perf orm anc e  compari son  of  diff ere n t  elem ent   shap e s  used  in  pr int e d  ref lectarra y s, ”  I EE E   Antenna s   W ire l. Propag. Lett., vol .   2,   no.   1,   pp.   219 – 222,   20 03.   [8]   H.  Raj agop al a n   and  Y.  Rahmat - Sam ii ,   “ Refle ct arr a y   antenna s:  An  int uit iv e   expl an at ion  of   ref lecti on  ph ase   beha vior , ”   in 20 11  XX Xth  URS I  Gene r al   As sem bl y   and   Sci ent if i c  S y m posium ,   2 011,   pp .   1 – 4.   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.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   7 6 6   –   7 72   772   [9]   S.  H.  Yus op,   N .   Misran,   M.  T.  Islam,  and  M.  Y.  Ism ai l,   “ Ana l y sis  of  conc en t ric   split   ring  square   ref l ec t arr a y  el ement  for  b an dwidth  enha n cem ent , ”  in  2009  Inte rna ti ona l  Co nfe ren c e  on  Spa ce   Sci enc e  and  Com m unic at ion,   Ico nSpace  -   Pro ce ed ings,  2009 ,   pp.   62 – 66 .   [10]   R.   Deng,   S.  Xu,  and  F.  Yang,   “ A   high - eff icien c y   single - l a y er  dual - band  ci rcu la r l y   po la ri ze d  ref le c t arr a y   antenn a , ”   in  2014  In te rn at i onal   S y m posium   on  Antenn as  an d  Propaga t ion  C onfe ren c e  Proc e edi ngs,  2014 ,   pp .   433 – 434 .   [11]   R.   Deng,   S.  Xu,  F.  Yang,   and  M.  Li ,   “ Single - L a yer   Dual - Band  Re fle c ta rr a y   Ant en nas  W it h  W ide   Freque nc y   Ratio s   and  High  Aper tu re  Eff ic i enc i es  Us ing  Phoenix  El ements,”  IE E E  Tr ans.   Antenn as  Propag. ,   vol .   65,   no.   2,   pp .   61 2 – 622,   Feb .   2017 .   [12]   H.  Rajagopalan  and  Y.  R ahmat - Sam ii ,   “ Loss  quant ifica ti on  for   m ic rostrip  ref lec ta rra y :   Iss ue  of  high  fields  and   cur ren ts, ” in  200 8  IEEE  Ant ennas   and  Propag at io n  Societ y   Int ern at ion al   S y m posi um ,   2008,   pp .   1 – 4.   [13]   J.  Stockmann  a nd  R.   Hodges,  “ The   use  of   wav egui de  sim ulato rs  to  m ea sure  th e  resona n t  fre qu ency   of  ku - b and   m ic rostrip  arr a ys,”   in   IE EE   Ant e nnas  and  Propag at ion   Societ y ,   AP - S  Inte rna t ional  S y m p osium   (Dige st),   2005,   vol .   1  A,  pp .   417 – 42 0.   [14]   M.  Kana gasa ba i   and  J.  Kizhe kk e  Pakkat hi ll am,  “ Perform anc e  eva luation  of  a  d ual   band  pap er  subs tra te   wire l es s   sensor ne tworks  ant enn a  ov er cur vil inear  surf ac es , ”  I ET Mic rowa ves,   Antenn as  Pr opag. ,   Jan.   2015 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.