TELKOM NIKA , Vol.16, No .4, August 20 18, pp. 1515 ~15 2 1   ISSN: 1693-6 930,  accredited First Grade by  Kemenristekdikt i , Decree No: 21/ E/KPT/2018   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v16i4.9057    1515      Re cei v ed Fe brua ry 23, 20 18; Re vised  Ma rch 28, 20 18; Accepted  Jun e  10, 201 Bi-directional Beams W aveguid e  Slotted Antenna at  Millimeter Wave       Muataz  W.  Sabri* 1 , Noor  A. Murad 2 , Mohammed K. A. Rahim Dep a rtment of Commun i cati o n s Engi ne erin g ,  F a cult y  of Ele c trical Eng i ne e r ing,   Univers i t y  T e chno log y  Ma la ysia   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l wssm uata z 2@live.utm.m y , asniza @fke.utm.my       A b st r a ct   T h is pa per foc u sed  on  desi g nin g  a  bi-d irect i on al  be am s w a ve gu i d e  slo tte d  a n t en na  a t   m i l l i me tre  w a ve spectru m . W a ve gu ide  slotted  a n ten na  is k now n f o r its  hig h ly  d i rectio nal  p a ttern. By h a vi ng  bi - directional patt e rn, the ca pacity of system  coverage  can be expanded.  The  design  is implemented by us ing  anten na s l ot theory  on  a w a veg u id struc t ure. T he slott ed ar ma de  on tw o w a ll s u rfaces a nd t h e   perfor m a n ce  i s  co mpar ed  to  the sl otted  o n  sin g l e  w a ll.  T he tw o mod e l s des ig ns ar e  si mul a ted  usi ng  Co mp uter Simulati on T e chn o lo gy (CST ) micr ow ave so ftw are. T he si mu lati on resu lts show  that b o t h   mo de ls o per ate at  30  GH z  w i th  mi ni mu m re flection  c oeffici ent of - 24.6 3  a nd - 25.0 1  dB  r e spectiv e ly. T h e   tw o mo dels  ac hiev ed  a fa ir  h i gh  ga in  at  15. 5 dB  a nd  13.3  dB w i th  dir e ction a b e a m w i dth  of 8.9 de gre e .     T he pro pose d  bi-dir ection al  bea ms struct ure ach i ev ed  a co mpar ab le  gain  in b o th  directio ns w hen   compar ed to th e sing le dir e cti on.     Ke y w ords : W a veg u id e slotte d anten na, Bi-d irectio nal b e a m s, Mm-w ave, 5G       Copy right  ©  2018 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Millimeter  wa ve (Mm  wave ) technol ogy  has be en p r e s ente d  in th last d e cade  a s  a  ne innovative sol u tion to allow searchi ng for an optim al answe r to the incre a si ng d e mand of traf fic  cap a city users, highe r g a in, highe r dat a rate s,  and  power effici e n cy e s pe ciall y  in the prop ose d   fifth generation (5G )  [1].  The b a ckb o n e  of the  prop ose d  5 G  te chnolo g y will  be  cha nged  from   usin g optical fiber to mm-wave wi rele ss co nne cti on,  allowe d a m o re u s in g of greate r  spe c tru m   at mm-wave frequ en cie s  [2 ], another a d venturo u of  m m -wave tech nology ove r  5 G  is all o win g   a   rapid d e velop m ent and con nectio n  with coope ration b e tween the b a s e statio ns [3 -5].  Traditio nally, mm-wave  spe c tru m  ha s be en a d d r essed fo r o u tdoor point  to point   backh aul lin k due to high  path loss at h i gher frequ en cie s , co st effective co mpo nents, an d ot her  related factors. However,  a promi s ed utilization  for t h is  spect r um  in  m obile sy stem  has been  introdu ce d in  [6-7]. Mm -wave te ch no logy on  oth e hand   suffers fro m   se vere  chall e n ges,   inclu d ing l a rg e propag atio n loss,  signal  absorbing,  l o w g a in of th e propo sed  a n tenna, a nd l o transmitted p o we r. Lo g a in for ante n na at  ba se  station (BS) in  mm-wave  can b e   solved  by  desi gning  a suitabl e ante nna u s ing  o ne of the av ailable tran smissi on line s  theory su ch  as  waveg u ide, sl otted antenn a ,  and microst r ip antenn a.  In mm-wave  BS infrast r ucture, a  high-densi ty base station w ill  be used. Connecting  these  BS via  wire stru ctu r e will  be  costl y , one  so lutio n  is to  co nne ct mm -wave base station with   backh aul lin [8] and u s e a  type of ante nna a r ray wit h  high er g a in  and tran smitting the p o wer in  two di re ction s , to redu ce  the cost of th e compo nent s, an d in crea se th e capa city of the traf fic  use r s. At Ba se Station si de , an array of  antenn a o r  b eamformi ng t e ch niqu e whi c com b ined   the   power tra n smitted and i n crea se the  gain of  the  antenn as in  a dire ctional  beam ha been   pres ented in [8-9].   Antenna s wit h  outstan din g  desi gn ca n improve th e perfo rman ce of co mm unication  system,  whi c h is on e of  some  chall eng es i n  5 G   syst ems. Va rio u s types  of a n tenna  de sig n s are   con s id ere d  suitable for 2 8  and 38  GHz re spe c t i vely, in which ap plicatio ns du e to the  requi rem ent for small si ze,  light weig ht, and lo w cost  has b een  de mande d. [10]. Recently, the  techn o logy  of wavegui d e  slotted a n tenna  [11 - 13] ha s be en develo p e d  for mm-wave    appli c ation s   [13] due  to  the trad eoff  integrat io n in  radi o frequ ency front-e nd  circuits a nd  system s. A s  t he d e man d   o f  mm-wave i n cre a ses,   the delivery  of   gi gabits  pe r se con d  se rvice  for   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 16, No. 4, August 2018:  151 5-1521   1516 con s um er d e v ices in crea ses. The r efore ,  an in cre a si n g  deman d of highe r gain a n tenna a nd the   desi r ed a n ten na ha s to be  comp atible wi th integrate d  circuits, a nd  own hi gh gai n and small side   lobe.   Hen c e, thi s  p aper is focusi ng on  de sig n i ng  the wave g u ide slotted a n tenna   ope ra ting  at  30 GHz, p r o v iding a hig h  gain, lo w side lo be s, and bi -directi onal be am s. Two type s of  waveg u ide  sl otted ante nna s a r e  inve stig ated in  this  work.  The  first  desi gn im ple m ents 8  slot s on  one si de of the wave guid e  stru cture, named a s   Antenna 1. The  se con d  de sig n  applie s 8 sl ots  each on two  of the waveg u ide walls, m a ke it 16  slot s in overall, named  as A n tenna 2.  T he  perfo rman ce  of the two types p r op ose d  antenn as  are si mulate d usin g Com puter Simulat i on   Tech nolo g y (CST)  softwa r e.      2. Design of  Wav e guide Slotted  Ante nna   In this work,  our main  g o a l  is to d e si gn  and  d e velop  a  wave guid e  sl otted  ant enna  at  mm-wave fre quen cy an d t o  achieve  high g a in,  lo si de  l obe, and  d ual dire ctional bea m at  degree s at t he  same  level of the  one  dire ction a l b eam g a in. A  re ctang ular  sha pe of  slot ted  antenn a and  waveg u ide h a s be en sele cted for this d e sig n , applie d on top of the first waveg u ide,   and top - botto m of the se co nd one. T he  slot type of  linear  ape rture  distrib u tion h a s be en u s e d  in   this  work  [10] The po sition  of the cutting  slot is dete r mi ned fro m  the natu r e of curre n t flow and field   prop agatio n in the wave gu ide. Hen c e, t he po siti on  wi ll determin e  the impe dan ce of the slot, the  amount  of ra diating p o wer from  slot, an d the am ount  of the po we r cou p led to  th e slot  whi c can  be  controlled  by the  po sition of  cutting  slot. Fig u r e   1 [ 12]   sho w s  a  cro s se ct ion v i e w  in t h e   waveg u ide fo r a singl e slo t.  A slot in the ce ntre  po sition a s  se e n  in Figure 1, of broad wal l  of  waveg u ide  wi ll not ra diate,  and  whe n  the  slot i s   a w ay from  cent re m o re  cu rrent crosse s throug slot edg es, th en more ene rgy coupl ed in  the slot  and  that will incre a se the  radiat ing po wer. Th e   slot  in   the waveguid e   is con s id er as a  shunt  im pe dan ce  acro ss the  tran smi ssi on li ne o r  an  equivalent ad mittance loa d i ng the tran smissi on line  [ 12,14]. There f ore, whe n  the admittance  o f   the waveg u id e equal s the  admittance of the slo t, a match ed transmi ssion li ne co ndition  is  applie d        Figure 1. The  Slot Cross-Section Vie w  o f  Waveguid e  [12]       Slotted wave guide  exhibit s  hi gh g a in  antenn a with  highly di re ct ional o n  the   antenn plane. Thi s  can be achiev ed by feedin g  all t he slots in pha se [16-1 8 ]. Figure 2 sho w s t he  schemati c  of waveguid e  slot antenna, whe r e a  half-wavele ngth o f  transmi ssi o n  line has b e en  cho s e n  of re peating a d mittance. As a  result, the  ad mittance of a ll the slots  wi ll be in parall e l,  whe r e ea ch p a rallel  re sisto r  rep r e s ent s one sl ot.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930     Bi-dire c tion al Beam s Wa ve guide Slotted  An tenna at M illim eter… (M uataz  W. Sab r i)  1517 Figure 3 sho w s the p r op ose d  stru ctu r e of  the slots in the wav eguid e . Total 8 slots  impleme n ted  on Antenn a 1  and 1 6  slot s on Antenn 2. The sl ots  are in  pha se  by shifting th eir  cente r at h a lf guided  wavelength al ong t he wav eguid e The   guided wav e length can be  determi ned from [13]:     λ g  = 1 ˳ ²  ²                                                         (1)    whe r e,  λ c  is t he cutoff wav e length, a nd i t s two time s t he dim ensi o n  of the waveg u ide. Th e gai of the  slotted  antenn can   be  con s id ere d  a s  a  gai n o f  an a n tenn array, so  whe n  it do uble s  t h e   numbe r of el ement, the g a in do ubled.  Therefore,  to  find the gai n and th e be am width  of th e   slotted ante n na the followi ng equ ation s  are ap plied [1 4-15]:     Gain = 1 0  ×  log  .   ˳    dB                                                  (2)    Beamwi dth =  50.7 ×  ˳ .    Degrees                              (3)    whe r e N i s  the total numbe r of slots.           Figure 2. The  Schemati c  of  Wavegui de  Slotted Antenna [12]          Figure 3. The  Wavegui de  Slo tted Antenna Structu r e [ 15]      Figure 4  sh o w s the  pro p o s ed  wavegui de  stru ctur e t he first on e h a slots on  the top  of  the waveg u id e side, an d the se co nd an tenna ha 16  slots; 8 slot s at each top  and bottom  si de  of the waveg u ide. The in crea sing n u m ber of  slot s l ead to incre a se the p o wer ra diating  and  hen ce, increa sing of the ga in, while ch osen the 16  and  8 slots are b a se d on two factors; the si ze   of the antenn a stru cture,  and the high er  gain which ca n be achieve d .   The  wavegui de dime nsi o n ,  includi ng  sl ots di m ensi o ns  fo both a n tenna s can be  foun in Tabl e 1. T he a n tenna  i s  d e si gned  to op er ate  at  30 G H z milli meterwave freque ncy. Ba se d   from  calculati on, the h a lf p o we r b eam wi dth is   9 de grees. T he p e rf orma nce of t he ante nna are  simulate d usi ng CST software.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 16, No. 4, August 2018:  151 5-1521   1518     Figure 4. The  Propo sed  Waveguid e  Slotted Antenna f o r Thi s  Wo rk, (a) Antenn a 1,   (b) Anten na 2       Table 1. The  Dimen s io ns o f  the Propose d  De sign   Parameters   Specification of p r oposed  w a vegui de  slotted antenna   Antenna 1   Antenna 2   Freque nc y ( GHz)  30  30  Waveguide  Dim(mm)  7.112×3.556  7.112×3.556   Min. Wavelength  (mm)  68.3 68.3  Slot Length (mm )   4.88  4.88  Slot Width (mm)   0.85  0.7  Offset from  Centerline (mm )   0.6 0.6  Spacing between   slots ( mm)   7.03 7.03  Number of slots   16  Waveguide side  Top onl Top and Bott om       3. Results a nd Analy s is  Comp uter Si mulation T e chnolo g y (CS T ) is  used to  simulate th e  prop osed  waveguid e   slotted anten na stru cture. The softwa r e   used  Fi nite -Difference Ti me Domai n  ( F DT D)  for  3D  EM   field analysi s .  Simulation result s sh ow t hat the pro p o s ed  waveg u i de slotted  ant enna  (Antenn a 1   and A n tenna   2) i s   ope ratin g  at  de sire d f r equ en cy  wit h  minim u reflection  coef ficient of  -2 4.63  and -2 5.01 d B  resp ectivel y , and the respon se for bot h antenn as  can be seen in  Figure 5.           Figure 5. Simulation Results for Both Antenna 1 a nd 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930     Bi-dire c tion al Beam s Wa ve guide Slotted  An tenna at M illim eter… (M uataz  W. Sab r i)  1519 The mai n  lob e  gain  of the  Antenna 1  is  about 1 5 .5 d B , and for th e Antenna  2 i s  ab out   13.3 dB. The beam wi dth for both a n tenna s sh o w ed a go od  value of 8.9 degree, with  the   dire ction  of b eam at  90 d e g ree s . T he  si mulation  also  inclu d e s  o n  t he a rray  prob ation to e s tim a te   the in crease  in g a in. Fi g u re  6  sh ows the  radi atio patte rn of Antenna   1 a s  singl el e m en antenn a in p a rt (a ) and a s  an array ele m ent anten n a   (4 ante nna s) in p a rt (b ), whe r e the g a i n  is  increa sed  to  be 2 0 .5 dB. Figure 7  sh ows the  radi ation patte rn  of the Ante nna 2  as sa me  approa che d  mentione d in Figure 6, whe r e the gain h a s  increa se d to 21.5 dB.              Figure 6. Simulation of Ra diation Pattern for Antenna  1 (a) Single  Element, (b)  Array Elemen ts         (a) Singl e Ele m ent  (b) a r ray Elements    Figure 7. Simulation of Ra diation Pattern for An tenna  2, (a) Single  Element, (b)  Array Elemen ts  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 16, No. 4, August 2018:  151 5-1521   1520 Figure 8  sho w s the  gain  d i stributio n ov er the  fre que ncy  rang e fro m  26  -3 4 G H z fo r b o th  antenn as. Th e gain at 30  GHz of Anten na 2 is le ss t han Antenn a 1 by 2 dB, th e differen c e h e re  as sho w n in Figure 7 is Antenna 2 tra n smitting the  powe r  in du al dire ction b eams  with sa me   beam wi dth a nd less gai n compa r ed to Antenna 1.   A comp ari s o n  of the p e rfo r man c e fo r b o th wave guid e  slotted  ante nna s a r sum m ari z e d   in Tabl e 2,  whe r e Ante n na 2  sh owe d  a p r omi s in g pe rform a n c e compa r ed   with Anten n a  1.  Whe r ea with  bi-di r e c tional  beam radiat ion at 30  G H z, the respon se s were eq u a l in both  si d e with  sam e  g a i n of 1 3 .3 dB,  and  for Ante nna  1 the  rad i ation p e rfo r mance i s  i n  o ne di re ction   with   gain of 15.5  dB. Furthe rm ore, both  ant enna sho w e d  a sati sfact o ry pe rform a nce  whe n  a r ray  element s of 4 were a pplie d  with gain of 20 and 2 1  dB resp ectively.      Table 2. Co m pari s on of the  Performa nce  fo r the Two  Propo se d Wa veguide Slotted Antenna Parameters   Performance of  p r oposed  w a vegui de slotted  antennas   Antenna 1   Antenna 2   Number of Elem ents  Reflection  Coefficient S11 ( d B)  24.63  -24.6   -25.01   -25.01   Gain (dB )   5.5  0.5  13.3  21.5  Side lobes (dB)   13  13  -13   -13   Beam w i dth  (degre e )   8 .9  8.9  6.4  Angel (degre e )   90  90  Freque nc y  ( G Hz)   30  30  number of slots  16  64          Figure 8. Gai n  vs Freq uen cy for Antenn a 1 & Antenna 2      4. Conclusio n   A waveguid e  slotted ante nna is di scu s sed in  this  pape r. Two  model of wa veguide   slotted  anten na  were p r e s ented, o ne  wi th one  di recti onal  beam  ra diation  po wer, and th se cond  one with  bi -di r ectio nal bea ms radi ation power.  T he simulated re su lts  sho w   a go od  respon se  at  30 G H z. Th waveg u ide  a n tenna  with  8  slot on to side  ha a fai r  b eam width  up to  18  de gree and a hi gh g a in as  array  with 15.5 dB.  The second  waveg u ide a n tenna  with 1 6  slot s on top  and   bottom sid e   has  high g a i n  in two  dire ction s  with  1 3 .3 dB, and  a very goo beam  width  of 8.9   degree. F u ture works  relat ed to  this work  w ill  b e  deve l oped   an   ante nna bea mforming system  at  mm-wave  whi c ca radi ate at  ± 9 0  d e g r ee,  whi c h  ca n ea sily b e  a dopted  to the   5G  cellul a r b a se   station s  net works, an d an  exam ination  of optimal fa brication p r o c ess for the s e  model at m m - wave technol ogy.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930     Bi-dire c tion al Beam s Wa ve guide Slotted  An tenna at M illim eter… (M uataz  W. Sab r i)  1521 Referen ces   [1]    Ngu y e n  D u c A nh, Di nh-T hua n Do.  The M a xi ma l SINR Se le ction Mo de  for  5G Milli meter- Wave MIMO:  Mode l Systems and An alysis . Indones ian J ourn a l of Elect r ical En gin eer i ng an d Com p u t er Science .   201 7. 7(1): 150 -157.   [2]    Hosak o  I., Sekine  N., Patrashin M. At t he Da w n   of a Ne w   Era in T e rahertzT echnology .   Procee din g s   of the IEEE . 2007. 95(8):1 61 1 - 162 3.  [3]    Rappaport, T .   S., J. N. Murdock,  an d F .  Gu tierrez. State  o f  the  art in  6 0 - G Hz inte grate d  circuits  an d   s y stems for  w i r e less comm unications.  Proce edi ngs of the IEEE 2011 . 2 0 1 1 ; 99(8):13 90- 436.   [4]    An w a r M. Mousa.  Prospectiv e  of F i fth Gen e ratio n  Mobi le  Co mmun icati o ns.  Internation a l Jour nal of   Ne xt-Gener atio n Net w orks (IJN GN). 2012; 4( 3): 203-2 07.   [5]    Shanz hi C hen  and Ji an Z h a o .   T he Req u ire m ents, Chal le ng es, and T e c h n o lo gies for 5G  of T e rrestrial   Mobil e  T e lec o mmu n icati o n . IEEE Communications  Magazine. 2014.   [6]    Z .  Pi, F .  Khan.  A n  Intr oducti on  to  Milli metre-W a v e  Mo bil e  Br oad ba nd Syst ems.  IEEE   Commun i cati o n s Magaz ine. 2 011; 49( 6): 101 -107.   [7]   E.  Hossain.  Ev oluti on tow a rd   5G Multi-T i er  Cell ul ar W i rel e ss Netw orks: An Interfere n ce  Mana ge me nt   Perspectiv e . IEEE Wireless C o mmunic a tio n s .  2014; 21( 3): 118-1 27.   [8]    O Neci bi, A F e rchic h i, T P  Vuon g, A Gh ar salla h.  Mi niat u r i z e d  CSR R  T A G Anten nas  for 60GH z   Appl icatio ns.  Internati o n a l Jo urna l of Electri c al  an d Com p uter Engi ne eri ng (IJECE).   20 14. 4(1): 64- 74.   [9]    Yong, S. K.  and  C.-C. Ch ong. An  over vie w   of  multi  gig abit  w i rel e s s  throug h mil l i metre  w a ve   techno lo g y : P o tentials  and tec hnic a l ch all e n g e s.  EURASIP Journ a l o n  W i rel e ss Co mmu n ic ations  an d   Netw orking , 20 07. Vol. 20 07, Article ID 789 0 7 [10]    X i ao, S.-Q., M.- T . Zhou, and Y. Zhang.   M illim etre Wav e  T e chnology  f o r Wireless  LA N, PAN  and  MAN. Auerbac h Publ icatio ns 200 8.  [11]    D S Ramk ira n , B T  P Madhav , Kankar a Nar a simha  Red d y Shaik S h a b b e e r , Pri y ansh i  Ja i n ,Sagg urthi   So w m y a Co pl anar W a ve Gu ide F ed D ual  Band N o tche d  MIMO Antenn a.  Internation a l  Journa l of  Electrical and Comp uter  Engi neer i ng (IJECE ). 2016; 6(4): 1 732~ 1 7 4 1 [12]   Elliott, R. S., A n tenna T heor y   and Design, Revi sed Edition, John Wiley   & S ons, 2003. Pp 305- 315.   [13]    Pa w a n Kum a r, Mala Ra nja n   T r ipath y , H.P. Sinh a.  W i de B and  CPW  F ed  Slotted Micr ostrip Ante nn a T E LKOMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2015; 1 5 (1): 1 14 ~  119.   [14]   Maill ou x R. J. Phase d  arra y a n tenn a ha nd bo ok, Boston: Artech Ho use, Inc ., 2005.  [15]    Murad N. A., Lanc aster M. J., W ang Y.,  Ke M.  Microm achi ned M ill im etre-W ave Butl er Matri x   w i t h   Patch Antenna Array .   Microwave Sympos ium  (MMS. 200 9) .   2009; 1-4.   [16]    W ang Y., Ke  M., Lanc aste r M. J. and   Che n  J.  Micro m ac hi ned  30 0  GH z   SU-8-B ased  Slotte d   W a vegu ide A n tenn a . IEEE Antennas a nd Wir e less Pro p a gat ion L e tters. 20 11; 10: 57 3-57 6.  [17]    Richar dso n  P. N., Lee H. Y.  Desig n  an d an alysis of slotte d w a vegui de a rrays . Micro w a v e Journ a l .   198 8: 109- 125.   [18]    Bhatti R.A., Park B.Y., Park S.O.  Design  of  a Pl an ar Sl otted W a v egu id e  Array Ante nn a for X-b a n d   Rad a r Ap plic ations.  Jo urn a of the Kor e a n  Institute of El ectromag netic  Engi neer in g a nd Sci enc e.   201 1; 11(2): 97 -104.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.