T E L KOM NIKA V o l.1 6 No. 6 Dece m b e r   2 0 1 8 p p .2 5 88 ~ 25 96   IS S N: 1 6 9 3 - 6930 a c c r e d it e d   Fir s t   Gr a d e   b y   K e m e n r is t e k d i k t i,   D e c r e e   N o :   2 1 / E / K P T/ 2 0 1 8   D OI :   1 0 . 1 2 9 2 8 / TE L K OMN I K A . v 1 6 i 6 . 10193      2588       Rece ived   Ju n e   3 2 0 1 8 Revise d   A u g u s 2 8 2 0 1 8 A cce p te d   Oct o b e r  2 4 2 0 1 8   D iff e r e nt  Mult il a y e S ub s t r a t e  A pp roa c he s   t o I mprov e   A rra y  Ant e nn a  Cha r a c t e ri s t ic s   f or  R a da A p pli c a t io ns       N.   Ch a t e r * T.   M a zr i,   M.   B e n b r a h im   Laborat ory   o f   Ele c t ri c al  and   T ele c om m unic a t ion  En gineering ,   N at ional  S c hool  o f   Applied   Sc ien c es ,   Kenit ra ,   M oro c c o   * C orres ponding   aut hor ,   e - m ail nadiac ha t er1992@ gm ail . c o m       Ab s t r a c t     T he  ai m   of   t hi s   paper  i s   t inv e s t iga t deeply   i m ult i - la y er  s ubs t ra t t ec hnique  a s   w ay   of   im prov ing  t he  c harac t eris t ic s   of   pat c arra y   an t enna  f or  ele c t roni c   s c anning  radar   applic a t ion.   T he  bas i c   array   ant enna  c on s is t s   of   pa t c he s   m oun t ed  on   F R - s ubs t rat and  opera t ing  at   3   G H z   f requ enc y .     T he  f eeding  t ec hnique  is   m i c ros t rip  t e c hnology .   T hi s   s t ruc t ure  ha s   s om di s adv an t ages   a s   poor  gain   and  narrow   band w idt h .   I f a c t ,   t he  ob t ained  gain  v al ue  does   no t   e x c eed  7   dB  w hic h   c ould  be   ex plain ed  by   t he  los s y   nat ure   of   t he   F R s ub s t ra t e.   On  t he  o t her   s ide,   t he   narrow   bandw id t is   c au s ed  b y   t he  m ic ro s t rip   lim it at ion s .   F or  t his   rea s on,   t he  t e c hnique  of   m ult i - lay er  s ubs t rat i s   propos ed  in  t his   paper .   M any   approac hes   are  in v es t igat ed  and   t he  di s t an c bet w een  t he  lay er s   i s   s t udied.   T he  de s ign  and  s im ula t io ns   of   eac approac are   perf or m ed  under  t he  t ool   Adv anc ed  D es i gn   Sy s t e m   of   Key s ight   C o m pany   c om pari s on  bet w een  s i m ulat ion  re s ult s   o f   all  ap proac hes   in c luding  s i m ulat ion  re s ult s   of   t he  ba s ic   array   ant enna  w ill   be  anal y z ed .       K eywo r d s m ul t i - lay er  s ubs t rat e ,   pat c array   a nt enna,   elec t ronic   s c anning  radar,   ad v anc ed  d es ign   s y s t em ,   gain ,   band w idt h         C o p yr i g h ©  201 8   U n i ve r si tas   A h mad   D a h l a n .   A l l   r i g h ts  r eser ve d .       1 In t r o d u c t io n   E xisting  m e ch a n ical sca n n i n g  m e t h o d s a r e  in h e r e n tly slo w a n d  r e q u i r e  la r g e  a m o u n ts  o f   p o wer   in  o r d e r   t o   d e a wi th   h i g h   sp e e d   m a n e u ve r ing   ta r g e ts.   W ith   e lec tr o n ic  sca n n ing t h e   r a d a r   b e a m a r e   p o sition e d   a l m o st  ins ta n ta n e o u sly   a n d   co m p let e ly  wi th o u th e   ine r tia tim e   l a g s,   a n d   vibr a tio n   o m e c h a n ical  syst e m s   [ 1 ] E lect r o n ic  sca n n ing   r a d a r u se   a r r a a n t e n n a w h ich  b y   co m b inin g   th e ir   r a d iat ion   p r o p e r tie h e lp  t o   in cr e a se   g a in  v a lue   in  a  p a r ticu la r   d ir e cti o n In  m a n y   a p p li ca tio n it   is  d e sir a b le  t o   u se   p h a se d   a r r a a n te n n a s e sp e cially  in  a via tio n   a n d   sp a tia l   a p p li ca tio n s.  T h e   a n te n n a   typ e   co u ld  b e   r a d ia tin g   slot s,  d ipo les,   h o r n   a n t e n n a s p a tch   a n te n n a ,   e tc.   In   o u r   ca se ,   fo r   e lect r o n ic  sca n n in g   r a d a r   a p p li ca tio n   o p e r a tin g   at   3   GHz   fr e q u e n cy w e   a r e   b a se d  o n  a n  a r r a y a n te n n a  u sin g  m icr o str i p  t e ch n o log y wh ich  is a lr e a d y p r e se n te d  in  a  p r e v iou s   wor k   [2 ] .   In   fa ct,   m ic r o str ip  a n te n n a h a v e   a t tr a ctive   fe a tu r e o low  p r o file,   li g h weig h t,   e a sy  fa b r icat ion ,   a n d   c o n fo r m a b il ity  t o   m o u n tin g   h o sts  which   m a ke   th is  typ e   o a n te n n a va stly  u se d   in  th e  l ite r a tu r e   [ 3 ] .   B e side th e   a d va n ta g e o m icr o str i p   a n t e n n a s,  th e inh e r e n tly  h a ve   a   n a r r o w   band wi d th   k n o wi n g   t h a b a n d wi d th   e n h a n ce m e n t   is  u su a ll d e m a n d e d   fo r   p r a ctica l     a p p li ca tio n s   [3 ] .   In   a d d ition   to   th a t,   t h e   c h o ice   o f   th e   su b str a te   h a s   a   b ig  im p a ct   o n   th e   a n t e n n a   e ff ici e n cy.  In   o u r   wor k,  th e   low  co st  b u lo ssy  su b str a te   F R - 4   is  u se d T o   o ve r co m e   t h e se   d isad va n ta g e s,  a   n u m b e r   o t e ch n iqu e h a v e   b e e n   p r o p o se d A   p r e viou wor inve sti g a te so m e   o f   th e   d if fe r e n te ch n iqu e a n d   m a ke t h e   co m p a r ison   b e twe e n   th e m .   In   o r d e r   to   i m p r o ve   th e   a r r a y   a n te n n a   c h a r a ct e r istics,   th is  p a p e r   wi ll   fo cu o n   u sin g   m u ltil a ye r   su b st r a te   te ch n i q u e .   Di ff e r e n a p p r o a ch e wi ll   b e   inve stig a te d   a l o n g   th is  a r ticle .   T h e   p a p e r   is  o r g a n ized   a fo ll o ws:  s e ctio n   2   p r e s e n ts  b r ief ly   th e   b a sic  a r r a y   a n te n n a   d e sign   a n d   sim u lat ion   r e s u lts.  S e ctio n   3   i s   d ivi d e d   int o   3   p a r ts T h e   fir st  p a r int r o d u ce t h e   fir st  a p p r o a ch   o m u lti  laye r su b str a te   whi ch   is  co m p o se d   o 2   laye r o F R - 4   se p a r a t e d   b y   a ir   g a p T h e   se co n d   p a r t   p r e s e n ts  th e   a p p r o a c h   o f   u sing   2   laye r s   o F R - 4   se p a r a te d   b fo a m   m a te r ial  a n d   t h e   th ir d   p a r d e scr ib e s   a   sing le  l a y e r   o f   FR - 4   su p e r p o s e d   o n   fo a m   d iele ct r ic.  S e ctio n   4   p r e se n ts   a   co m p a r ison   b e twe e n   th e   a p p r o a c h e s a n d   fin a ll y se ctio n   5  d r a ws  th e  co n clusio n  a n d  t h e  f u t u r e  wo r ks.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NIKA     IS S N: 1 6 9 3 - 6930       Di ff e r e n M u ltil a ye r  S u b st r a te  A p p r o a ch e s t o  I m p r o ve   A r r a y A n te n n a ...     ( N.Cha te r )   2589   Rela te d  wo r ks   T h e   b a n d wi d th   a n d   th e   g a in  a r e   co n si d e r e d   a im p o r ta n ch a r a cte r istics  o th e   a n t e n n a .   T h e ca n   b e   im p r o ve d   sign ifican tly  b y   a p p lyi n g   te c h n iqu e a lr e a d y   m e n tio n e d   in     th e   li te r a tu r e   [4 ] T h is  se ctio n   p r e se n ts  so m e   o th e   int e r e stin g   p a p e r which   d e a wi th   th e   im p r o ve m e n o t h e   a n te n n a   ch a r a cte r istics  b u sing   th e   m u lt il a y e r   su b st r a te   te c h n iqu e .   I n  [ 5 ],   a   m u ltiple   m e ta b a ck  r e fle cto r   is  p r o p o se d   fo r   a   wi d e b a n d   slot   a n te n n a .   In   [ 6 ],   a   m e ta ll ic  c a vity  sh a p e d   is  u se d   a a   r e fle cto r   wi th   a   m a g n e to e lect r ic  d ipo l e   a n te n n a th e   p r o p o se d   a n t e n n a   e xh ibits  a   h igh   g a in  wi th   h igh   F /B   in  th e   o p e r a tin g   fr e q u e n cy  r a n g e   wi th   r e l a tive ly  lar g e   d im e n sion s.   B u in   [7 ],   r e p lacin g   m e ta wi th   s u b str a te   a a   r e fle cto r   is  p r e se n t e d   t o   im p r o v e   th e   F /B   r a d iat io n   wi th   a p e r tu r e   co u p le d   a n te n n a s In   [8 ],   t h e   a n t e n n a   is  co n str u ct e d   u sing   d o u b le - sta ck e d   su b st r a te   wi th   low  d iele c tr ic  co n st a n t.   In   [9 ],   a   s e co n d   fla m e   r e ta r d a n l a ye r   ( F R - 4 ) ,   co a te d   wi th   a n   a n n e a led   c o p p e r   o 0 . 0 3 5  m m   a b o th   side is  a p p li e d   f o r   a   sing le  m ic r o str ip   a n te n n a wi th   a n   a ir   g a p   se p a r a tin g   b o th   laye r s.   In   [1 0 ],   a n   a ir   g a p   is  in se r te d   b e twe e n   r a d ia tin g   e lem e n a n d   th e   g r o u n d   p lan e   in   o r d e r   to   i n cr e a se   th e   e ff ici e n cy  a n d   to   d e cr e a s e   th e   h igh   su b str a te  l o ss.   In   th is  p a p e r th e   m u ltil a y e r   su b str a t e   te c h n i q u e   wi ll   b e   d e ve lo p e d   b u sing   d iffe r e n t   a p p r o a c h e s m a inly in sp ir e d  f r o m  t h e  p r o p o siti o n s m e n tio n e d  a b o ve F ir st,  a n  e xt r a  la ye r  o F R - wi ll   b e   a d d e d   se p a r a te d   b a n   a ir   g a p .   A ft e r war d s,   in  o r d e r   to   f a cil ita te   th e   m a n u fa ct u r ing   p r o ce ss,  a   laye r   o fo a m   wi ll   r e p lace   th e   a i r   g a p   a n d   th u a v o ids  th e   u se   o vias.   T h e   last   p r o p o sition   co n sists   o k e e p ing   o n ly  o n e   F R - 4   laye r   su p e r p o se d   o n   a   f o a m   d iele ctr ic.   It   p e r m its   to   r e d u ce   t h e   n u m b e r   o laye r s.  T h e   m u ltil a ye r   su b str a te   te ch n iq u e   wi ll   b e   d e ve lop e d   in   th is  p a p e r  in t o  m a n y  a p p r o a ch e s in  o r d e r  t o   o p tim i ze  t h e  p e r fo r m a n ce   o th e   b a sic a r r a y a n t e n n a .       2     Bas ic   Ar r a y  An t e n n a   2 .1 .   Des i g n   T h e   b a sic  a r r a a n te n n a   is  a lr e a d p r e se n te d   in  a   p r e viou wo r [2 ].   T h e   d e sign   co n sists  o f   e igh t   p a tch e s   u sing   m icr o str ip   fe e d ing T h is  te ch n iqu e   p e r m its  to   g e t   th e   fe e d   e t ch e d   o n   th e   sa m e   su b s tr a te   th a n   th e   st r u ctu r e   a n d   g e t   a s   a   co n se q u e n ce   a   p lan a r   d e sign .   T h e   r a d iat ing   e lem e n ts  a r e   e q u ipp e d   wi th   n o tch e fo r   im p e d a n ce   m a tch ing   a n d   a r e   m o u n t e d   in   p a r a ll e l o n  F R - 4  su b str a te  with  t h e  f o ll o wi n g  ch a r a cte r istics: ( e p sil o n = 4 . 3 h = 1 .5 5 m m T g δ = 0 .0 2 ,   co p p e r   th ickne ss= 0 . 0 3 5 m m ) .Q u a r te r   wave   tr a n sfo r m e r a r e   u se d   to   e n su r e     th e   d ivi sion   o p o wer   b e twe e n   p a tch e s.  T h e a r e     4   m icr o str ip  im p e d a n c e   tr a n s fo r m e r u se d   f o r   im p e d a n ce   m a tch in g   in  o r d e r   t o   m inim iz e   t h e   r e fle ct e d   e n e r g y.  F ig u r e   1   sh o ws  t h e   a r r a a n te n n a   d e sign  a n d   T a b le  1  p r e se n ts  its  d im e n sion s.           F igu r e   1 A r r a a n te n n a  d e sign       2 .2 . 1.   S im u la t io n  Re s u l t s   T h e   si m u lat ion   r e su lts   th a wi ll   b e   stu d ied   in  th is   p a p e r   a r e   fo cu se d   o n   th e   S 1 1   p a r a m e te r   a n d   th e   g a i n   va lue .   In   o u r   ca se a il lust r a te d   in  F igu r e   2 th e   S 1 1   p a r a m e te r   a n d     th e  b a n d wi d t h  a r e  e q u a l s u cce ssively t o   - 1 7 .2 3   d B  a n d  1 6 0   M Hz.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          IS S N: 1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NIKA     V o l.  16 No.   6 Dece m b e r   2 0 1 8 :   258 8 - 259 6   2590   T a b le  1 A r r a y A n te n n a  Dim e n si o n s   P a r a m e te r s   V a l u e ( m m )   P a r a m e te r s   V a l u e ( m m )   a   7   I   52   b   3 .5   J   115   c   6 .5   K   13   d   3 .5   L   29   e   6 .5   M   13   f   2 .5   N   39   H   25   O   15   P   45   W p a tc h   2 0 .9 5 7 9   L p a tc h   1 6 .2 1 5               F igu r e   2 .   A r r a y   a n te n n a  S 1 1  p a r a m e te r  a n d  b a n d wi d th       T h e   r a d iat ion   p a tt e r n   fo r m   is  il lust r a te d   in  F igu r e   3 .   T h e   g a in  a n d   d ir e c tivity  va lue s   a cco r d ing   to   t h e ta   a n g l e   a r e   il lust r a t e d   in   F i g u r e   4 T h e   g a in  is  th e   p r o d u c o f   th e   a n te n n a ’s   e ff ici e n cy  E a n t e n n a   a n d  d ir e ctivity D  a cco r d in g  t o   ( 1 ) .     = .   ( 1 )     T h e   g a in  a n d  t h e  d ir e c tivity va lue s a r e  su cce s sively e q u a l to  6 .1 1 d B  a n d  1 5 .6 d B  a th e ta  4 °.             F igu r e   3 A r r a a n te n n a  r a d iat ion  p a tt e r n     F igu r e   4 A r r a a n te n n a  g a in  a n d  d i r e ctivity       B a se d   o n   si m u lat ion   r e su lts th is   d e sign   sh o ws  so m e   w e a kn e sse s   in  te r m s   o g a in  a n d   im p e d a n ce  b a n d wi d th T h is  is  t h e   m a in  r e a so n   to   th ink  o a   way  to   im p r o ve  o u r   st r u ctu r e I n   th is   p a p e r t he  p r o p o s e d   so lut io n   wi ll   b e   u si n g   th e   m u lti - laye r   su b st r a te   te ch n iqu e T h is  so lut ion   wi ll   be  im p r o v e d   b p r o p o sing   m a n a p p r o a c h e s   and  is  g o ing   to   b e   d e v e lop e d   in   t h e   r e st     o th e  p a p e r .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NIKA     IS S N: 1 6 9 3 - 6930       Di ff e r e n M u ltil a ye r  S u b st r a te  A p p r o a ch e s t o  I m p r o ve   A r r a y A n te n n a ...     ( N.Cha te r )   2591   3     M u lt il a y e r   S u b s t r a t e   3 .1 T h e o r y   o f  M u lt i la y e r  S u b s t r a t e  S t r u c t u r e   In   m a n a p p li ca tio n a n d   sp e cifically  in  R a d a r wi d e   b a n d   a n te n n a a r e   r e q u ir e d .     T h e   m o st  str a igh tf o r war d   way  to   im p r o ve   th e   b a n d wi d th   is  to   incr e a se   th e   se p a r a ti o n   b e t wee n   th e   p a tch   a n d   th e   g r o u n d   p lan e   b u sing   a   th i cke r   su b str a t e Howe ve r it  r e s u lts  i n   th e   lowe r ing   o th e   g a in  d u e   to   d iele ct r ic  h e igh t.   In   fa ct,   th e   losse in  a   d iele ctr ic  a r e   d u e   to   th e   su r fa ce  wa ve   e xcita tio n   r e su lting   in   lowe r   g a in  a n d   th e r e b r e d u cing   th e   e f ficien cy.  S u r f a ce   wave s   p r o p a g a te   fr o m   th e   p a tc h   d o wnwa r d   to   th e   su b str a te   a n d   a r e   r e fle c te d   fr o m   th e   g r o u n d   p lan e M o r e   su r fa ce   wave ’s  m o d e e xist  a su b st r a te   b e co m e e lect r ically  th icker A   m a jor   d r a wba ck  o f   th e se  wa ve s is  th e  co u p li n g  in tr o d u ce d  b e twe e n  t h e  a n te n n a s.   T h e r e f o r e a n   a lte r n a tive   a p p r o a c h   wou ld  b e   int r o d u cing   a n   a i r   g a p   b e twe e n   th e   a n te n n a   a n d   th e   g r o u n d   wi th o u lowe r in g   t h e   g a in.   In   o r d e r   to   ca lcula te   th e   t o ta st r u ctu r e   th ickne ss  h w e   p e r fo r m   th e   su m   o su b str a te   th ickne sse s     inclu d ing   th e   a i r   laye r ;     = = 1    wi th   n   e q u a ls  to   th e   n u m b e r   o f   laye r s T h e   a ssu m p tio n o L e e   e a l.  [1 1 ]   a r e   r e sp e cte d   in  th is  a n a lysi s.  T h e   e q u ivale n d iel e ctr ic  co n sta n o th e   m e d ium   b e low  th e   str u c tu r e   is  g iven   b A b b o u d   e a l.  [1 2 ]   a n d   is  il lust r a te d   in   F o r m u la  2 whe r e      is  th e   e q u ival e n t   d iele ctr ic  co n sta n t,     is  th e   d iele ctr ic  co n sta n o F R - 4   laye r ,       is  th e   th ickne ss  o th e   a ir   g a p   a n d  H is t h e  t h ickne ss o t h e  F R - 4  la ye r .      =   ( + ) ( + )     ( 2 )     In   ca se   o a ir   g a p   o r   fo a m   d iele ctr ic,  th e   r e lat ive  p e r m ittivity  is  a lm o st  e q u a to   o n e .   On   th e   o th e r   h a n d inst e a d   o f   u sing   a   p a tch   a r r a a n te n n a   wi th   low loss  e xp e n sive  d iele ctr ic  m a te r ials  su c h   a   T e fl o n   o r   Ce r a m ic,  t h e   ide a   is  to   ke e p   u sing   low  co st  s u b str a te   a n d   i m p r o ve   th e   g a in .   M e a n while,   it  is  kn o wn  th a in  o r d e r   to   incr e a se   th e   g a in  va lue a   r e fle ct o r   p lan e   co u ld   b e   u se d T h is  r e fle cto r   is  int r o d u ce d   a t   th e   b a ck  side   o f   th e   a n te n n a   to   r e d u ce   th e   b a ck   lob e It   is  p lace d   a a   d ista n ce   f r o m   th e   g r o u n d   p lan e   which   cr e a te a n   a i r   g a p   b e twe e n   th e   su b s tr a te   a n d   th e   r e fle c to r T h e   sa m e   a i r   g a p   co u ld  b e   a   u se d   a a   way  to   im p r o ve   t h e   b a n d wi d t h   a s   d e scr ibe d   a b o ve .   Hen ce since   t h e   u se   o a ir  g a p   lea d to   a   wi d e r   b a n d wi d th   a n d   th e   u se   o th e   r e fle cto r   a t h e   b a ck  side   o th e   a n t e n n a   h e lp to   im p r o ve   th e   g a in,   t h e   m u ltil a ye r   s u b st r a te   te ch n iqu e   s e e m s t o   b e   a   g o o d   way   to   im p r o v e   b o th  t h e   b a n d wi d th   a n d  t h e   g a in.   In   o u r   wor k,  we   p r o p o se d   d iffe r e n t   typ e s   a n d   d ispo sitio n o f   m u ltil a ye r   su b str a te   t e ch n iqu e s T h e   n e xt  s e c tio n wi ll  p r e se n in  d e t a il  t h e   d iffe r e n p r o p o sition s .     3 .2 F ir s t   P r o p o s i t io n  o f  M u lt il a y e r  S u b s t r a t e   T h is  fir st  a p p r o a ch   is  d e t a il e d   in  a   p r e vio u wor [1 3 ].   It   co n sists  o u sing   two   laye r o f   FR - 4   s e p a r a te d   b a ir   g a p   In   fa c t,   th e   se co n d   laye r   o f   F R4   a cts  a a   r e fle ct o r .   It   h e lps  t o   g e t   h igh e r   g a in  a n d   h igh e r   fr o n t o   b a ck   r a tio   b y   r e d ir e ctin g   th e   p r o p a g a tio n   d e n sity  fr o m   b a ck  lob e   to   m a in  lob e T h e   F R - 4   laye r a r e   sp a ce d   b vias  m a d e   o T e flo n   P T F E   ( p o lyte tr a flu o r o e th ylen e ) T e flo n   p e r m ittivity  i 2 .1 .   T h e   e q u iv a len d iele ctr ic   co n sta n o f   th e   m e d ium   b e low  th e   st r u ctu r e   a cco r d ing   t o   th e   fo r m u la  in  th e   th e o r e tica se ctio n   is   = 2 .3 8 .   F igu r e   5   sh o ws th e   side  vie w o f  t h e   m u ltil a ye r   su b str a te .           F igu r e   5 .   M u lti lay e r  su b s tr a te  sid e  vie w       In   o r d e r   t o   ch o o s e   th e   a ir   g a p   th ickne ss,  th e   str u ctu r e   is  im p l e m e n t e d   u sin g   a   v a r iet o f   d ista n ce   se p a r a ti o n   f r o m   th e   b o tt o m   F R - 4   l a ye r   t o   th e   to p   F R - 4   l a ye r .   T h e   g a p   th ickn e ss  is  g r a d u a ll va r i e d   fr o m   0 .1   m m   to   1 0   m m T h e   sim u lat ion   r e su lts  o th e   g a in  c o r r e sp o n d in g   to   e a ch  a ir  g a p  t h ickne ss  a r e  ill u st r a te d  in   T a b le   2.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          IS S N: 1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NIKA     V o l.  16 No.   6 Dece m b e r   2 0 1 8 :   258 8 - 259 6   2592   T a b le  2 .   A ir   G a p  V Ga in   A i r  g a p  t h i ckn e ss  ( m m )   0 .1   1   2   3   4   7   10   Ga i n  ( d B )   2 .1 6   9 .2 2   1 3 .9 4   1 5 .8 4   1 6 .6 2   1 7 .2 9   1 7 .2 1       W e   d e d u ce d   fr o m   T a b le  2   th a b incr e a sing   th e   a ir   g a p   th ickne ss,  th e   g a in  incr e a s e s   a well.  F o r   a ir   g a p   th ickne sse s   7   m m   a n d   1 0   m m ,   th e   g a in   r e m a ins   th e   sa m e ,   fo r   th is   r e a so n   we  wi ll   ke e p   th e   sm a ll e r   a ir   g a p   t h ickne ss   (7   mm) F r o m   th e   th ickne ss   2   m m th e   g a in   sta r ts  to   r e p r e se n a n  a cc u r a te  v a lue  f o r  a n  a r r a y a n te n n a  in  g e n e r a l.In   o th e r   te r m s th e  a i r  g a p  t h ickne ss   va lue   wi ll   b e   ch o se n   st a r tin g   fr o m   2   to   7   m m .   A a   tr a d e o ff   b e twe e n   th e   d e sig n   vo lum e   a n d   th e   g a in  va lue we  ch o s e  t o  wo r k with  t h e  a ir  g a p   th ickne ss 4  m m  wh ich  c o r r e s p o n d s t o   0 .0 4 x 0   a n d   which  g i ve s u s a  g a in  va lue   o 1 6 . 6 2   d B T h e   co r r e sp o n d ing  d i r e ctivity is 1 7 . 8 5   d B .     3 .2 . 1.   S im u la t io n   R e s u l t s   F igu r e   6   sh o ws  th e   sim u lat ion   r e s u lts  o S 1 1   p a r a m e te r   a n d   im p e d a n ce   b a n d wi d th   co r r e sp o n d ing   to   th e   ch o se n   a ir   g a p   th ickne s 4   m m T h e   r e s u lts  sh o th a S 1 1   p a r a m e t e r   a t   o p e r a tin g   fr e q u e n cy  a n d   th e   im p e d a n ce   b a n d wi d th   a r e   e q u a su cce ssively  to   - 17   d B   a n d     440   M Hz.   T h e se   r e su lts  r e fle ct  th a th e   b a n d wi d th   h a incr e a se d   b 2 7 8   M Hz  co m p a r i n g   to     th e   b a sic a r r a y a n te n n a .             F igu r e   6 S 1 1  p a r a m e te r  a n d  b a n d wi d th  o th e  f ir st  p r o p o sition       T h e   F igu r e   7   p r e se n ts  r a d iat ion   p a tt e r n   f o r m   a o p e r a tin g   fr e q u e n cy  fo r   a i r   g a p   th ickne ss  4   m m . T h e   F ig u r e   8   sh o ws  th a t   th e   g a in  a n d   t h e   d ir e c tivity  va lue a r e   e q u a su cce ssively  to   1 6 .6 3   d B   a n d   1 7 .8 5   d B   a t   th e ta   3 0 °.   T h e   g a in  va l u e   h a inc r e a se d   b y   1 0 . 5   d B   co m p a r in g  t o  b a sic  a r r a y a n te n n a .             F igu r e   7 .   Rad iat io n  p a tt e r n  o f  t h e  f ir s p r o p o sition     F igu r e   8 .   Ga in  a n d  d ir e ctivity o th e  f ir st  p r o p o sition   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NIKA     IS S N: 1 6 9 3 - 6930       Di ff e r e n M u ltil a ye r  S u b st r a te  A p p r o a ch e s t o  I m p r o ve   A r r a y A n te n n a ...     ( N.Cha te r )   2593   3. 3 S e c o n d   P r o p o s it io n  o f  M u l t il a y e r  S u b s t r a t e   T h e   s e co n d   a p p r o a ch   is  sim il a r   t o   th e   fi r st  o n e b u t   in   th is  ca s e t h e   a ir   g a p   is   r e p lace d   b a n o th e r   d iele ctr ic  wi th   a   p e r m ittivity  o 1 .0 5 T h is  d iele ctr ic  is  th e   f o a m A n o t h e r   a d v a n ta g e   o f   th is p r o p o sitio n  is t h e  f a c th a t h e r e  is  n o  n e e d  t o  u se  via m a d e  o f  t e flo n  sin c e  a  so li d  su b s tr a t e   se p a r a te th e  F R - 4  la ye r s .   T h e   fo a m   m a te r i a l h a s t h e  p a r ticu lar ity t o  o ff e r  lo w d iele ctr ic co n s ta n t   ( close   to   1 ) T h is  a ll o ws  d e sign i n g   a n te n n a wi th   h igh   e ff ici e n cy.  T h is  kind   o fo a m   is  co m p o se d   o b a sic  initia P V m a te r ial  int o   which   a ir   is   inje cte d   o r   sp e cial  g a s   [1 4 ] .   F o a m - li ke   m a te r ials   a r e d u e   to   th e ir   i n tr insic  st r u ctu r e ve r li g h twe igh t.   T h e se   m a te r ials  typ ically  e xh ibit   low  d iele ctr ic  co n sta n a n d   l o ss  ta n g e n t.   S u ch   p r o p e r tie m a ke   fo a m ve r a tt r a ctiv e   to   b e   u s e d   a su b str a te fo r   th e   fa b r icat ion   o a n te n n a s   in  a p p l icat ion r e q u i r ing   li g h t - wei g h t,   low - loss,   r e d u ce d   b il o m a t e r ials,  less  m e ch a n ical  co m p lexity  while  p r e se r vin g   th e   e l e ctr o m a g n e tic   p e r fo r m a n ce   [1 5 ].   T h e   f o a m   t h ickne ss  ch o s e n   in  th is  se ctio n   h a th e   sa m e   va lue   a th e   a i r   g a p   th ickne ss  4   m m   ch o se n   in  th e   p r e vio u s   se ctio n .   T h e   e q u iv a len d iele ct r ic  co n sta n o   th e  m e d iu m  b e low t h e  st r u ctu r e  a cco r d i n g  t o  t h e  f o r m u la  in  th e  t h e o r e tica l se ctio n  is     = 2 .3 8     3 .3 .1 S im u la t io n   Res u l t s   F igu r e   9   s h o ws th e  sim u lat ion  r e su lts o b o t h   S 1 1  p a r a m e te r  a n d  im p e d a n ce  b a n d wi d th .   It   sh o ws  a   v a lue   o f   S 1 1   p a r a m e t e r   a n d   a  b a n d wi d th   which   a r e   e q u a su cce ssively   to   - 12   d B   a n d   428   M Hz.           F igu r e   9 S 1 1  p a r a m e te r  a n d  b a n d wi d th  o th e  se co n d   p r o p o sition       F igu r e   1 0   sh o ws  th e   fo r m   o th e   r a d iat i o n   p a tt e r n   a 3   GHz.  F igu r e   1 1   il lust r a te b o th   th e   g a in  a n d   t h e   d ir e c tivity  va lue s.  T h e   g a in  i e q u a to   1 6 .5   d B   a n d   th e   m a xim u m   d ir e ctivi ty  is  e q u a l to  1 7 .7 6  a t  t h e ta   3 1 ° .             F igu r e   1 0 .   Rad iat i o n  p a tt e r n  o th e  2 nd   p r o p o sition     F igu r e   1 1 .   Ga in  a n d  d i r e ctivity o t h e  2 nd   p r o p o sition   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          IS S N: 1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NIKA     V o l.  16 No.   6 Dece m b e r   2 0 1 8 :   258 8 - 259 6   2594   3 .4 T h ir d   P r o p o s it i o n   o f  M u lt i la y e r  S u b s t r a t e   T h is   se ctio n   p r o p o se a   d if fe r e n d ispo sitio n   o m u lti - lay e r   su b s tr a te   te ch n iqu e   in  te r m s   o n u m b e r   o f   laye r s I n   fa c t,   t h is  p r o p o sa l   p r e se n ts  o n ly   2   laye r s;   th e   fi r st  o n e   c o n sists  o F R - su b str a te   a n d   th e   se co n d   o n e   co n sists  o fo a m   m a te r ial.  T h e   th ickne ss  o fo a m   laye r   r e m a ins   th e  sa m e   a s t h e   p r e viou p a r a g r a p h  ( 4   mm).   T h e   a d va n ta g e   o f   th is  p r o p o sa is  t h e   n u m b e r   o laye r which   is  r e d u ce d   while  ke e p ing   th e   u se   o f   low  co st   su b st r a te s.   T h is   tim e ,   th e  e q u ivale n t   d iele ctr ic   co n sta n o f   th e   m e d ium   b e low  th e   str u ct u r e   a cco r d ing   t o   th e   f o r m u l a   in  th e   th e o r e tica s e ctio n   is   = 1 .6 4 .   T h e   a r r a a n te n n a   d im e n sion h a ve   b e e n   sli g h tly  m o d ified   in  o r d e r   to   r e a li ze   im p e d a n ce   m a tch ing   a n d   a n t e n n a   tu n ing .     3 .4 .1 S im u la t io n   Res u l t s   T h e   sim u lat ion   r e su lts  i n   F ig u r e   1 2   sh o th a t   th e   S 1 1   p a r a m e te r   is  e q u a to   - 1 1 .5 2 5   d B   a n d  t h e  b a n d wi d th  is  e q u a l t o  3 7 5   M Hz.           F igu r e   12 .   S 1 1  p a r a m e te r   a n d  b a n d wi d th  o f  t h e  3 r d  p r o p o sitio n       T h e  r a d iat ion  p a tt e r n  f o r m  is sh o wn  in  F igu r e   1 3 T h e   g a in  a n d  d ir e ctivity a r e  sh o wn  i n   F igu r e  1 4   T h e  g a in  is e q u a l t o  1 6 .3   d B  a n d  t h e  m a xi m u m  d ir e ctivity is e q u a l to   1 7 .8 6   dB   a th e t a  2 5 °.             F igu r e   1 3 .   Rad iat i o n  p a tt e r n  o th e  3 rd   p r o p o sition     F igu r e   1 4 .   Ga in  a n d  d i r e ctivity o t h e  3 rd   p r o p o sition       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NIKA     IS S N: 1 6 9 3 - 6930       Di ff e r e n M u ltil a ye r  S u b st r a te  A p p r o a ch e s t o  I m p r o ve   A r r a y A n te n n a ...     ( N.Cha te r )   2595   4 Co m p a r is o n   An d   Dis c u s s i o n   T h e   p r e viou s e ctio n p r e se n d iffe r e n p r o p o sition s   to   i m p r o ve   a r r a a n te n n a   ch a r a cte r istics  u sing   m u ltil a y e r   su b str a te   t e ch n iqu e T h e   d e sign   a n d   sim u lat i o n a r e   d o n e   u n d e r   A DS   to o l.  T a b le  3   co m p a r e th e   d if fe r e n sim u lat ion   r e su lts  r e lat e d   t o   th e   g a in   a n d     th e   b a n d wi d th   fo r   th e   b a sic  a r r a a n te n n a   a n d   a lso  th e   p r o p o sition   o m u lti  laye r   su b s tr a t e   te ch n iqu e .       T a b le  3 C o m p a r ison   b e tw e e n  Diffe r e n P r o p o sition s   D e si g n   Ga i n  ( d B )   B a n d w i d th  ( M H z)   B a si a r r a a n te n n a   6 .1 1   160   F R 4  la ye r +  a i r   g a p +  F R 4  la y e r   1 6 .6 2   440   FR - 4  la ye r  +  f o a m +  F R 4  la y e r   1 6 .5   428   F R 4  la ye r   + fo a m   1 6 .1 7   375       T h r e e   d ispo sition we r e   inve stig a te d T h e   fir st  o n e   co n sists  o u sing   two   F R - 4   laye r s   sp a ce d   b y   V ias  m a d e   o T e flo n ,   th e   s e co n d   o n e   co n sists   o u si n g   2   F R - 4   laye r se p a r a t e d   b a   laye r   o fo a m   a n d   th e   th i r d   o n e   co n sists   o n   u sing   a   sing le   laye r   o F R - 4   su p e r p o se d   o n   a   f o a m   laye r A m o n g   th e se   p r o p o sitio n s th e   o p tim i ze d   te ch n i q u e   in   te r m o n u m b e r   o f   laye r s   a n d   ind u str ial  p r o ce ss   is  th e   th ir d   o n e F r o m   T a b l e   3 ,   we  c a n   n o tice   th a t   th e   g a in   a n d   th e   b a n d wi d th   va lue r e m a in  a lm o s th e   s a m e   fo r   a ll   th e   th r e e   p r o p o sitio n since   th e   d iffe r e n ce   co u ld  b e   n e g lect e d .   In   g e n e r a l,  t h e   g a in  h a im p r o ve d   b 1 0   d B   a n d   th e   b a n d wi d th   h a s   incr e a se d   b y   m inim u m   o 2 1 5   M Hz.     T o   su m   u p fo r   a ll   a p p r o a ch e s,   g o o d   r e su lt in  te r m o g a in  a n d   b a n d wi d th   wer e   o b ta ine d   wi th   sm a ll   d iffe r e n c e a n d   m e a n w h il e th e   th ir d   a p p r o a c h   p r o p o se a n   o p ti m ized   n u m b e r   o laye r s.  T h e   a v a il a b le  e vide n ce   s e e m to   su g g e st  th a th e   b e st  d ispo sitio n   to   b a d o p te d   is  th e   th ir d   o n e   which   co n sists  o u si n g   a   l a ye r   o F R4  su p e r p o s e d   o n   a   laye r   o f   f o a m .   Neve r th e less,   in  th e   th ir d   a p p r o a ch ,   S 1 1   p a r a m e te r   is   e q u a l   to   - 1 1   d B   a t   r e so n a n ce   fr e q u e n cy.  T h is  va lue   is  less  th a n   - 10   d B   which   e n su r e th e   r e so n a n ce .   N e ve r th e less,   it  is  p r e fe r a b le  to   o p tim ize  th is  va lue   to   e n su r e   th e   r e s o n a n ce   a ft e r   th e   r e a li za tio n   o t h e   str u ct u r e T h e   v a lue   co u ld  b e   e xp lain e d   b th e   fa ct  th a a   d e c r e a s e   in  th e   d yn a m ic  p e r m ittivity  a ca lcula te d   in  e a ch   p r o p o sition r e su lts  in  a n   u p wa r d   sh ift  in  th e   r e so n a n ce   fr e q u e n cy.  T h is  fla wi ll   b e   im p r o v e d   in   a  f u tu r e  wo r k.       5 Co n c lu s i o n   In   th is  p a p e r th e   m u ltil a y e r   su b st r a te   te ch n iqu e   was  a p p li e d   o n   a   m icr o st r ip  a r r a y   a n te n n a   in  o r d e r   to   e n h a n c e   its  ch a r a cte r isti cs.  Di ff e r e n a p p r o a ch e wer e   p r o p o se d   b t a king   int o   co n side r a tio n   th e   n u m b e r   o f   laye r a n d   th e   n a tu r e   o su b st r a te   m a te r ial.  T h e   fir s se ctio n   d e scr ibe d   b r ief ly   th e   b a sic   a r r a a n te n n a   a n d   its   sim u lat ion   r e su lts.  A   th e o r e tica se ctio n   il lust r a te d   th e   r e a s o n  o ch o o sing   th e   m u ltil a y e r   su b s tr a te   te c h n iqu e   a n d   h igh li g h te d   th e   b e n e fits   o u sing   a   laye r   wi th   d iele c tr ic  co n sta n clos e   to   1 T h e   se c o n d   se ctio n   inv e stig a te d   t h e   fir st  p r o p o sition   o m u ltil a ye r   s u b str a te   which   c o n s iste d   o two   FR - laye r s   se p a r a te d   b a ir   g a p   a n d     u sing   vias  a sp a ce r s.  T h e   th i r d   se ctio n   d e sc r ibe d   th e   se co n d   p r o p o sition   which   co n sist e d   a lso  o two   FR - laye r s   but   s e p a r a te d   th is tim e   b y  a   fo a m  d iele ctr ic. T h e   f o u r th   se ctio n  d e scr ibe d   th e   last   p r o p o sitio n   which   co n sist e d   o u si n g   o n l a   sing le  FR - laye r   s u p e r p o se d   o n   a   d iele ctr ic   fo a m .   T h e   sim u lat ion   r e su lts  o a ll   th e se   p r o p o sition h a ve   b e e n   p r e s e n te d   a n d   a   co m p a r ison   b e twe e n   th e m   h a b e e n   il lust r a t e d W e   d e cide d   to   co n side r   th e   last   p r o p o si tio n   since   it  u se d   r e d u ce d   n u m b e r   o laye r while  ke e p ing   a l m o st  th e   sa m e   sim u la tio n   r e su lts  a th e   p r e viou m e th o d s.  T h e   inco n ve n ien c e   o th is  p r o p o siti o n   was   th e   r e tu r n   loss  S 1 1 = - 11   d B   which   sh o u ld   b e  im p r o v e d  t o   g e b e t te r   r e so n a n ce .       Ref e r e n c e s   [ 1] .   Pay ne,   C raig  M . ,   ed .   Prin c iples   of   nav al   w eapon  s y s t em s .   N a v al  I ns t it u t Pre s s ,   2006 .   [ 2] .   C hat er,   N . ,   T .   M a z ri,   and  M .   Benbrahi m .   D e s ign  a nd  s im ula t ion  o f   m i c ros t rip  pa t c arra y   an t enna  f or   elec t ro nic   s c anning   R adar   applic a t ion .   In   W ireles s   T ec hnologies ,   Em bedded   and  I nt elligen t   S y s t em s   (W I T S) ,   20 17  I n t ernat ional   C on f erenc e   on.   I EEE .   2 017 :   1 - 5.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          IS S N: 1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NIKA     V o l.  16 No.   6 Dece m b e r   2 0 1 8 :   258 8 - 259 6   2596   [ 3] .   Vijay alax m i ,   S .   W . ,   and  A .   Sreeniv a s an.   D es ign  a nd  s im ula t ion  of   ir c ular  M ic ros t rip  pat c ant enna In   I nno v at i v e   M e c hanis m s   f or  I ndus t ry   Appli c at io ns   ( I C I M I A),   2017   I nt erna t ional  C onf eren c e   on .   I EEE,   2017 :   548 - 551 .   [ 4] .   Lak rit ,   Souf ian ,   H as s an  A m m or ,   Souf iane  M at ah ,   R adouane   Karli,   Adil  Saadi ,   J aouad  T erhz a z ,   an d   Abdelw ahed  T ribak .   ne w   s m all  high - gain  w ideba nd  rec t angular  pa t c an t enna  f or   and  Ku  band s   a pplic at ions .   J ournal  o f   T aibah  U niv er s it y   f or  S c ien c 12.   2018 ;   2 :   202 - 207.   [ 5] .   Gao,   Xuey i,   Yihong  Qi,   and  Yong - C hang  J iao .   D e s ign  of   m ul t iplat ba c k - re f lec t or  f or  w ideband  s lo t   ant enna.   I EEE  An t ennas   and  W ireles s   Propagat ion   Let t er s   12 2013 :   773 - 776 .   [ 6] .   Ge,   Lei,   and  K w ai  M an  Luk .   lo w - prof ile  m agne t o - elec t ri c   dipole  an t enna.   I EEE  T rans ac t ions   on   Ant ennas   and   Propagat ion   60 .   2012;   4 :   1684 - 1689 .   [ 7] .   R ao,   Qinjiang,   T a y eb  A .   D enidni ,   and   R on ald  H .   J ohns t on.   D ielec t ri c   ref le c t or   bac k e d     apert ure - c oupled  ant enna s   f or  redu c ed  bac k   r adiat ion.   I EEE   t rans a c t ion s   on  elec t rom agne t ic   c om pat ibili t y   48,   2006 ;   2 :   287 - 291.   [ 8] .   Sant os a,   C ahy a   Edi,   J os apha t   T e t uk Sri   Sum ant y o,   Ka t ia  U ra t a,   M ing  Yam   C hua ,   Koic hi  I t o ,   an d   St ev en   Gao.   D e v elopm ent   o f   a   Low   Prof ile   W ide - Bandw i dt h   C ir c ularly   Polariz ed   M i c ros t rip  An t enna   f or  C - Band   Airborne  C P - SAR   Sens or .   Progre s s   I n   Elec t rom agne t ic s   R es ear c h   81 2018 :   77 - 88.   [ 9] .   M ek k i ,   An w er  Sabah,   M ohd   N i z ar  H a m idon,   Aly ani  I s m ail ,   and  Ada m   R H   Alha w ari.   "Gain   enhanc em ent   o f   a   m i c ros t rip   pat c an t enna   us ing   ref le c t ing   la y er.   I nt erna t ional  J ournal   of   An t ennas   and  Propagat ion .   2015 .   [ 10] .   Singh,   Sur y Se v ak ,   and  Shee t al   R .   Bhujade .   D e s ign  and   ev alua t ion   of   high   gain  m ic ro s t rip   pa t c h   ant enna  u s ing   double  lay er   w i t air  gap .   I nt erna t i onal  J ournal  on  R ec en t   and   I nnov a t ion  T rends   in   C om put ing   and  C om m unic a t ion   3 .   2015 ;   3:   1678 - 1 681.   [ 11] .   Lee,   K ai - F ong ,   K .   H o,   and  J .   D ahele .   C irc ular - dis k   m i c ros t rip  an t enna  w i t an   air   gap.   I EE E   T rans ac t ions   on  An t ennas   and  Propagat ion   32.   19 84 ; 8 :   880 - 884.   [ 12] .   Abboud ,   F . ,   J .   P.   D a m iano,   and  A .   Papierni k .   new   m odel  f or  c alc ula t ing  t he  inpu t   i m pedanc e   of   c oax - f ed   c ir c ular  m i c ros t rip  an t e nnas   w it and  w it h out   air  gaps .   I EEE  T rans ac t ions   on  Ant enna s   an d   Propagat ion   38 .   1990 11:   1882 - 1885.   [ 13] .   C hat er,   N adia ,   T o m ader  M a z ri,   and  M oha m m ed  Benbrahim .   Array   an t enna  c harac t eri s t i c s   enhanc em ent   f or  ele c t roni c   s c anning  radar  appli c a t ion:   Para s it i c   pat c hes   and  m ul t lay er   t e c hniques .   In   I n t elligent   Sy s t e m s   and  C om pu t er  Vi s ion  ( I S C V),   2018  I n t ern at ional   C on f erenc e   on,   I EEE ,     2018:   1 - 5.   [ 14] .   Bor,   J ona t han,   Oliv ier   Laf ond ,   H erv é   M erle t ,   Phili ppe  Le  Bars ,   and   M oha m ed  H im di .   T ec hnologi c al   proc es s   t o   c on t rol  t he   f oa m   dielec t ric   c on s t a nt   applic a t ion  t o   m i c row a v c om ponent s   and   ant ennas .   I EEE  T rans a c t ion s   on  C o m ponent s ,   Pac k aging  and  M anuf ac t uring  T e c hnology   4 .     2014 ; 5 :   938 - 942.   [ 15] .   Anguera,   J au m e,   J ean  Pierre  D aniel,   C arm en   Borj a,   J o s ep  M u m bru,   C arle s   Puent e ,   T iphaine  Leduc ,   Khalid  Say egrih ,   and  Pe t er   Van  R oy M e t alliz ed   f oam s   f or   ant enna   des ign :   applic a t ion  t o   f ra c t al - s haped  s ierpin s k i - c arpet   m onopole Progre s s   I El ec t rom agne t ic s   R es ear c h   104 2010 :   239 - 251 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.