TELKOM NIKA , Vol.12, No .2, June 20 14 , pp. 405~4 1 0   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v12i2.1833    405      Re cei v ed O c t ober 2 9 , 201 3; Revi se d March 17, 201 4 ;  Accepte d  April 3, 2014   Low Mutual Coupling Dualband MIMOMicrostrip  Antenna Parasiticwith Air Gap        Yuli Kurnia Ningsih, Ra s t an to Ha dine goro   Dep a rtment of Electrical E ngi neer ing, F a cult y  of Industri a l  T e chnolog y, T r isakti Univ ersit y   Jl. K y ai T apa N o .1 Grogol, Jak a rta 114 40, Ind ones ia,p h/fax:6 221- 566 32 32 e x t8 403/5 6 0 5 8 4 1   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l  : yuli _kn @ yah oo.com; rastan to@ y ah oo.com       A b st r a ct   Multiple Input  Multiple Output  (MIMO) system s  use multiple anten nas at both  the  trans m itter and  receiv er to i m p r ove q u a lity a n d  dat a rate  mo bile  co mm u n ic ation.In r e cent  year, vari ous  a n tenn as w o rkin g   on du al or  mu lti ban ds hav e b een d e ve lop e d .  T he increas i n g mutual co up li ng is on e of the neg ative effe ct   due to the ad ditio n  of ante nna e l e m e n t in MIMO  syste m .This pa per  prese n t a low  mutua l  cou p li n g   dua lba nd MIM O  2x2 anten na . T he pr opos e d  MIMO antenna  is abl e to w o rk in dual fr equ ency at 1.8 G H z   and  2.3 5 GH z . T o  obta i n  the  opti m u m   desi gn, th e ch ara c tertistic of  propos ed  ant en na  are  nu meri cal l y   investi gate d  th roug h th e p h is ical  par a m eter s of a n te n na.B y  par asitic  lay e r w i th a i r  gap , mutual  co upl i n g   can be d e cre a s ed unti l  50 %  and g a i n  of th e  propos ed a n te nnac an b e  i m p r oved u n til 5 0 % .   T he obtain ed  results show  th at prop osed  an tenna  has a co mp act si z e  a n d  a ban dw idth o f  100 MH z . w h i c h is suita b le f o r   LT E appl icatio n.       Ke y w ords :  MIMO, mutual co upli ng,  microstr ip du alb a n d  an tenna       1. Introduc tion    The  dema nd  for hig h e r  q u a lity  and  dat a rate  wa s g r owin g fa st in  the p a st fe w years.  One of the most promisi ng solutio n s  to this probl e m  is Multiple  Input Multiple Output (MIMO)  system [1]. The MIMO  techn o logy ma de a gr e a t brea kthroug h by satisfying  the deman d of  highe r qu ality mobile co mmuni cation  servi c e s  wit hout usi ng a n y additional  radio  re sou r ce s  [1],[2] and it  has a  significant ability to increase  data throughput  without  additional bandwidth or  transmit power (tran s mitter power). On e type  of antenna that can be u s ed  to incre a se the   cha nnel  cap a c ity of MIMO is a mi crostrip ant en na [3 ]. Various mi cro s tri p  ante nna  workin g  on   multiband f r e quen cy have  been  devel oped  and  re ported. In [4 ]-[6], dual b and o r  tri b and   antenn as hav e be en  achie v ed, but g a in  of the  anten nas is not  expl aine d. An e ffective way t o   obtain du al-b and resonant  freque ncy is  to use a fract a l mono pole  with a U-sha ped sl ot just l i ke   in [7] but the  gain re main s  above 2.0dBi.   Unfortu nately ,   in MIMO system  with  mult iband,   mutual coupli ngis  signif c a n t issue s   need  to b e   o v erco me to  e nhan ce  theef fectivene ss  o f  MIMOand  it  be com e s m o re  critical  when  inter-eleme n t spa c in g i s  very small. Achievi ng hi gh i s olatio nbet we en the  radi ating ele m ent s i s   a   chall engin g  t a sk a n d  al so i t  is  difficult to   contro l th e i s olation  over the d e si re d b a nds.  Thi s   kin d  of  situation  ca n  occu r in m obile comm un ication s , e s p e cially in  m obile p hon es, whe r e  spa c e   limitationsb e come a n  im p o rtant va riabl e.Mutual  cou p ling i s   a fu nction  of a n tenna  spa c in g,  numbe r of antenna s, and  directio n of each ray rela tive to the arrayplan e . He nce, it beco m es  difficult to match the anten na imped an ce,whi ch is  im portant for eff i cient en ergy  transfe r [2].  In this pape r, a comp act no vel MIMO micro s tri p  anten na wo rks for  a dual freq ue ncywith     low mutu al couplin g is p r opo sed to  be  applie d for  LTE appli c ati on. The p r o p o se d ante n n a  is  develop ed from a tria ng ular mi crost r i p  anten na f ed by co-pla nar  waveg u i de (CPW).  The   developm ent is done by two slots  on its  triangul ar pat ch, a co -plan a r wave guid e  feed-line, an d  para s itic  with  air ga p between the  sub s trate.By  air g ap between t he pa ra sitic a n tenna all o w  to  increa se the  gain of the prop osed ant enna. Th e  n u meri cal d e si gn is pe rformed to find the   optimum de si gn of antenn a whe r e physical pa ramete rs of anten na  such as leng th and width  of  its slots,lin e width and  wi dth of  gap in CPW feed, height of the  air gap in p a ra sitic layer is  investigate d  intensively through p a ra me trical st udy.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 2, June 20 14:  405 – 41 0   406 2.  Numerical d esign of Antenna    The g eomet ry of MIMO (2x2) i s  ba se d on  singl e patch anten n a   usi ng  two slots with  different hei g h t for dual fre quen cy ope ra tion, co-p lan a r  wave guid e  feed line. Fi gu re 1 illu strate s  a sha pe of the singl e patch dual-ban d a n tenna.         Figure 1. Shape of singl e p a tch du alba n d  antenn a       2.1. Slots of ante nna   Basically, the prop osed d u a l-ba nd a n te nna i s  modifi ed with  add t w o  slots  at a  singl e  band a n tenn a. Here, the antenn a with  the frequ en cy  reso nator  i s  a 1.8 G H z is dete r mine d  to  obtain  dual -b and  antenn a. The  slot i s  t he mo st-wi d e l y use d  meth od to  achive  more  than  o ne  freque ncy  wh ich  still m a int a ins the  com pactn ess  of t he a n tenn a [ 8 ]-[11]. Th e p r opo se d  ante nna   deploye d  on  an F R -4 E p oxy sub s trat e with p e rmi t ivity of 4.3,  thickne ss  of 1.6mman d  lo ss  tangent ( ta n  δ )  = 0.02 65. As both  the  radiating  elem ents  and th e  CPW fe edin g  mechani sm  are  impleme n ted on the same  plane; hen ce,  fabricat io n of the propo se d antenna i s  very easy usi n g   a singl e-sided meta llizationprocess.      2.2. Co-plan a r  w a v e  guide (CP W) f e d    A  CPW  fe d make s  th e  a n tenna more   suitabl e  for comp act wire less commu n i cation  becau se of its features li ke uni pla nar  structu r e, ea sil y  manufac tu red and e a sily  integrated  wi th   other mi cro w ave integ r ated circuit s .Another  im portant adva n tage of CPW-fed i s  wide r  band width th an CPS an d  microstri p  li ne. The  5 0 Ω CP W tran smissi on i s  u s ed to excitite  th e   antenn a. For  the given val ues  off su bst r ate p a ra met e rs, th e CP W dimen s io ns  of the CP W li ne  are inve stigat ed.      2.3. Parasitic  la y e r  w i th ai r gap     Several  app roache s to i m provin g the  radi ation  efficin c y and  o b taining  a hi gh-g a in   antenn a. Th e  ele c tri c  le ns  antenn a  wa s  adpted  to   ach i eve a  high -g ain a n tenn a[1 2 ]. Ho weve r,the   comm only u s ed len s  a n ten na is  co nst r u c ted u s in g an  expen sive crystal materi al  and it i s  difficult  to mount it on the MMIC pa cket. The tech niq u e  for improvin g the radi ation efficien cy  and  obtainin g  a  high-gain  by arrangi ng p a ra sitic el em ents a bove t he feedi ng  microstri p  an tenna   element s is e x amined  [13]-[16]. In this paper, to  achie v e a high-gai n, the next step in nume r ical   desi gn of MI MO ante nna  is em ploying  two p a ra siti c laye rs. F o u r   pat ch s d u a l-ba nd  elem ent  without  gro u n d  on  the first  para s itic laye r an d fo u r   pa tchs du al b a n d  elem ent  with CP W fed  o n   t he se con d  p a ra sit i c lay e r.       3.  Design o f  MIMO 2x2  Dual  Frequen c y   Antenna    The d e si gn i s  starte d from   the sin g le b a nd-n o tc h ed chara c te risti c  at  1.8GHz an d  at  2.35   GHz re spe c ti vely. Howeve r, with com b i nation sl ot pa ir from the si ngle elem ent antenn a, a dual  band -not che d  characte ri stics a n tenn a is achieved.   The slot s are carefully tuned so that the  antenn a ca n  be ope rabl e at low a nd high f r e quen cy ban ds. The  du al-ba nd n o tched   cha r a c teri stic radiato r  is co nne cted to a5 0 Ω  co plan ar  wave gui de (CPW) feed -line.   After a dual -b and fre que ncy that is expe cted t he  be st con d ition return lo ss an d  VSWR,   in ord e r to im prove g a in p e r forma n ce, a  triangul ar  pat ch i s  pla c e d   on the d ualb a nd ante nna  with   an air ga p be tween the su bstrate.T he a n tenna  con s i s ts  of two layers of sub s tra t e. The first layer  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Low Mutual Coupling Dual band MIMOMi cros tri p  Antenna .... (Yuli  Kurnia  Ningsi h)  407 r r f c a 3 2 is  a tr ia ng u l ar p a t ch  on ly an d  th e se co nd  la ye r co ns is ts   o f  tr ia ng u l a r  pa tc h w i th  C P W  fed  an d a   layer of air ga p betwe en th e two layers of sub s trate.   The g eom etry of the MIM O  2x2  dual  freque nc y ante nna with CP W  i s  sho w n   i n   Figu re  2.The ge om etry and  con f iguration  of antenn a  for singl e-b and can be  exp r essed  follo wi ng  [1].The patch  antenn a i s   cal c ulate d  by  (1 ), (2 ), (3) and  (4 ) for  desi gn a  microst r ip  anten na  sha ped tria ng ular.       (1)       For mo de TM 10  frequen cy reso nan ce by  the followin g  equatio n:      (2)       Whe r e  a e  is:         (3)         And  a  is subs tituted:        (4)       The a n tenn a  is ex cited by  a 50 mi crost r ip lin e. The   width of th e  50 Ω  mi cro s tri p  line i s   3 m m ,  and the ga p o f  the CPW lin e is  g  = 0.5 m m  and dime n s ion of groun d plane i s  ( d g ) =  6.5 mm.         (a)         (b)         (c )   Figure 2. The  propo se d MIMO 2x2 ante nna, (a ) t op view   (b)  side   view  c. Front  view  2 2 3 2 2 n mn m a c ck f r r mn r r e a c f 3 2 10 2 2 1 802 . 9 182 . 6 436 . 16 853 . 12 199 . 2 1 a h a h a h a h a h a a r r r e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 2, June 20 14:  405 – 41 0   408 For MIMO (2 x2) antenn a in Figure 2,  d is dista n ce be tween anten n a  element s a nd given by [4] :      ݀ൌ ఒ ସ    (5)       4. Simulation  Result    Simulation to ols  have  bee n u s ed  to  cal c ulate  S p a rameters, b a sed o n  th e M e thod  o f   Moment s. Th e final  optimi z ation, th e  re flection l o ss factor vs fre q uen cy is d epi cted i n  Fi gu re 3.  The reflectio n  co efficient i s  a c hieve d  b e low  -21. 1 9   dB at 1.8 GHz an d -2 1.99 dB  at 2.35  GHz.  The anten na  can p r od uce dual ba nd wit h  notch  cha r a c teri stics.           Figure 3.Simulation re sult  of the dual ba ndMIMO 2x2  Antenna pa ra sitic with ai r g a p       Whe n  the nu mber of ante nna elem ents is plac e d  in formin g the arrays, mutual  cou p ling  betwe en the  antenna  el ements i s  a  critical issu e.  Mutual co upli ng is a p o tentia l sourc e  of   performa nce d egra datio n i n  the form of  de viatio n of the  radi ation  patte rn  from the d e sire d on e, ga i n     reducti on d ue to e x citatio n  of surface  w a v e , increas ed sid e  l obe l e vels  etc.   Effect of mu tual Co uplin g al so o c cu rs in  MIMOa n tenna.  One  rea s o n  i s  the  wave   surfa c e.  It ca n chan ge  the  amo unt of  current, ph ase ,   and   the dist ribution   of ea ch elem ent so   that the  over all  antenn a  ra diation  pa ttern i s   diffe rent than  n o t having  cou p ling.  Whe n   the  distan ce  bet wee n  the  adj ace n t elem en ts a r e  not  a p p rop r iate  with  equ ation  (2 ), mutual  coupl ing   effects will increase [6].  The  m u tual couplin g simul a tion  at dista n ce s of  8 cm  is sho w n   in Fi gure 4 .  S 21  is almost   - 40 dB at 1.8GHz an d >40 dB at 2.35G Hz , which sho w s go od isol ation  betwe en ant enn a   element s and it can be see n  that thesim ulation  are in  a good ag re ement.  Figure 5 sh o w s the radiati on pattern of  t he dual-ban d - MIMO 2x2 a n tenna  with CPW fed  in  plan e .  Half-po w e r  be am width i s   122.0 at freq uen cy of 1.8GHz, and  9 7 .6  at freq u ency  2.35G Hz. T h e main lo be  has it s pe ak  power at   13  an d at 2.3 5 GHz, the m a in lob e  ha s  its  pea k po wer a t    166 .         Figure 4. The  effect mutual  coupli ng Port  1 of Port 2  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Low Mutual Coupling Dual band MIMOMi cros tri p  Antenna .... (Yuli  Kurnia  Ningsi h)  409     Figure 5. Simulated Radiati on Pattern of the dual -ban d - MIMO 2x2  a n tenna p a ra si ticwith air g a p   at 1.8 GHz a nd 2.35 G H z          Figure 6.3-D Visual of Ra d i ation Pattern  of  the dual-b and-MIMO 2x 2  antenna p a r asiti c with ai r  gapat 1.8 G H z and 2.3 5  G H z    Figure 6  is a 3 -D radiatio n  pattern at  a  fr eq uen cy of  1.8G Hz an d  2.35G Hz. It  can  be   see n  that th e anten na  ra diation p a ttern is di re ction a l whi c h l e a d s o n ly in o ne directio n  and  dire ction l o o k s g r eat  in the   reda re a. Di re ctivity  antenn a at a  fre que ncy of  1.8G Hz i s  3.6 d Bi while  the 2.35G Hz  freque ncyi s e qual to 5.3dBi .   The impa ct of para s itic with  air gap is cl e a rly notice abl e from Table  2. The impro v ement  of 89%  avera gely at th e d e sired  freq ue ncy i s   due  to  the fa ct th at  the st ru cture  of  para s itic  with   air  gap  provid ing g ood  isol ation  cha r a c teristi c s  co mp ared  to th e  structu r e  of p a racitic with out  air  gap.     Table 2 . The  effect of para s itic with ai r g ap on mutual  cou p ling an d  gain   Freque nc y  Parasitic w i thout  air gap   Parasitic w i th air  gap  Mutual Coupling   Gain   Mutual Coupling   Gain   1.8GHz   -20.07 dB   3.2 dBi  -38.67 dB   3.6  dBi  2.35GHz   -25,12 dB   2.9dBi  -47.75 dB   5.3 dBi          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 2, June 20 14:  405 – 41 0   410 5. Conclu sion      A novel con f iguration of  dual-b and  MIMO  2x2 microstrp ant enna  withstructure of   para c itic  with  air gap ha s been stu d ied  and simulat ed.  The results of this si mulation ante nna   microstri p  for freque ncy of  1.8GHz sho w s  retu rn  lo ss is  -21.19 d B  with imped ance ban dwi d th  about 1 25M Hz an d at 2.35 GHz sho w s  return lo ss   is -21.99dB with impeda nce  b and width  a b o u t    110M Hz. Structure of p a racitic  with  air gap  ca n  en han che d   the mutual cou p ling  si gnificant ly.    The result of  simulate d HP BW is  122 o at 1.8  GHz and 97.6°  at 2.35   GH z, re sp ectively.It is se e n   that the g a in  rem a in s a b o v e 3.5dBiin t he d ual  LTE band s.The r ef ore   the pro p o se d  a n tenn a  is  appli c able  a s  ne w candi d a te for  dual   freque ncy  an tenna to  ma ke MIM O  in  (2x2 ) ante n n a   microstri p  for  LTE appli c ati on in Indon esia.      Ackn o w l e dg ment  This  wo rk is sup p o r ted b y  the Prog ra m of  Research  Gra n t Ind one sia G o ve rment, Kop e rtis  Wilayah III Direktorat  Jenderal  Pendidi k an Tinggi K e menter ian  Pendidi kan dan Kebudayaan   (Contract No.  002/K3/KM/SPK/2013)        References   [1]    Hua  L, Jin g  B,  Shuj ia n L, Ju anp ing  W .  Simulati on m ode ls  for MIMO  w i r e less ch an nels.   Te l k om ni ka  Journ a l . 20 14; 11(1):1 58-1 66.    [2]  Astel y  D, an d et al. LT E: t he  evol ution of mo bile br oa db and .  C o mm un i c a t io n s  Ma ga z i ne , IEEE .  1999 ;   47(4 0 ): 44-5 1 .  [3] Weso ł o w sk i K.   Appl icati on O f  MIMO And Netw ork Cod i n g  In T w o-W a y Rel a yin g  Ap p lied  In LT E .  Proceeding of IEEE 21st Inte rnational S y mposium. Personal Indoor  and Mobile  Radio  Communications (PIMRC).   Pozna n . 201 0: 619-6 24.   [4]  Shu P, Q Feng. Com pact  tri-band mo nop ole  a n ten na  w i th a par asitic E-sha p ed strip for   W L AN/W iMAXapp licati ons.  P r ogress In Elec troma g n e tics R e searc h  C . 201 2; 32: 53-6 3 .  [5]  Sa yidm arie K H , T A  Nagem. Compact d u a l -ba nd d ual-r in g print ed mo n opo le a n ten n a s  for W L AN   Appl icatio ns.  Progressi n Elect r omag netics R e searc h  B . 201 2; 43: 313- 331.   [6]  W ang H, M Z h eng. A n  i n tern al trip le-b an d  W L ANante n n a .  IEEE Antennas and Wireless  Propagation  Letters . 201 1; 10: 569- 57 2.  [7]  Li D, F S  Z h an g, Z N  Z hao,  L T  Ma, XN L i .  A comp act CP W - F E D Koch  sno w fl ake frac tal a n tenn a   forW LAN/W i MAX a ppl icati o n s ,  Progress In Electro m a gneti cs Researc h  C .  2012; 28:1 43- 153.   [8]  Amit A, Deshmukh KP, Ra y.  Res ona nt L ength F o rm ula t ions for Du al  Band Sl ot C u t Equil a tera l   T r iangular Micr ostrip Anten n a s .  W i reless Engin eeri ng a nd  T e chno logy . 2 010; 1: 55- 63.   [9]  YC Lee, JS S un. Comp act Printed Sl ot Ant enn as for W i reless D u a l -a nd Multi-B a n d  Operations.   Progress in Electrom agnetics Research . 20 0 8 ; 88: 289 –30 5 .   [10]  Kang  L, YZ  Yi n, ST  F an, SJ W e i. A n o ve lr ectang ul ar sl ot ante n n a   w i t h   embe dde d s e lf -similar  T - shap edstrips f o r W L AN ap pli c ations.  Prog re ss In  El e c trom ag ne ti cs R e se a r ch  Le tte rs . 201 0; 15: 19- 26.   [11]   Josep h  R, T  F u kusak o . Ba nd w i dth  en ha nce m ent of circ ul a r l y  po lariz e d  sq uare s l ot  ante n na.  Progress  In Electrom agnetics Research B . 2011; 29: 3 3 -25 0 .  [12]    U Sa nga w a , T  Ura be, Y  Kud oh, A Om ote,  K T a kahash i .  A study  on  a  6 0  GH z   l o w  pr o f ile  die l ectric   lens  ante n n a  u s ing  hi gh-p e r m ittivity  cera mic s—T ow ard a l o w  profil e a n te nna . Pr ocee di n g  of  IEICE.   T o ky o. 2 002: 1 6 -11 9 .  [13].  H Le ga y, L  Sh afai.  A n e w  stacked  micr ostrip  anten na w i th  l a rge ban dw idth  and  hi gh  gai n.  Proc. IEEE  AP-S Int. Sy m p . Digest. 19 93 : 948–9 51.   [14]  SD T a rgonski,  RB W a ter h o u s e, DM P o zar.  Des i gn  of w i d e -ba n d  ap ertur e -stacked  p a tch micr ostrip   anten nas.  IEEE Trans.Antennas  Propagation.  1998; 4 6 (9): 124 5– 125 1.  [15]  RB W a terh ous e. Stacked  p a tches  usin g  hig h  a nd lo w  d i el e c tric  consta ntmateria l   com b in ations.  IEEE  T r ans. Antenn as Propa gati o n .   1999; 47( 12): 176 7– 177 1.  [16]    R Li, G De je an , M Maeng, K  Lim, S Pin e l, M M   T entzeris, J Laskar. D e sig n  of compact st acked- patch   anten nas i n  LT CC multil a y er p a ckag i ng m o d u les for  w i r e l e ss appl icati ons .  IEEE Trans.  Adv.Packag.   200 4; 27(4): 58 1–5 89.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.