TELKOM NIKA , Vol.12, No .2, June 20 14 , pp. 419~4 2 8   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v12i2.2089    419      Re cei v ed Ma rch 7, 2 014;  Re vised Ap ril  28, 2014; Accepte d  May 1 4 , 2014   Planar Finger-Shaped Antenna Used in Ultra-Wideband  Wireless Systems        Rashid  A.  Fa y a dh 1 , Mohd Fareq  A. Malek 2 , Hilal A. Fadhil 1 , Fw e n  Ho on Wee 1   1  School of Co mputer an d Co mmunicati on E ngi neer in g,  Uni v ersiti Mala ys i a  Perlis (U niM AP), 02000 Ar au,  Pe rl i s , Ma lay s ia   2  School of Ele c trical S y stems  Engin eeri ng,  Univer s i ti Mal a ysi a  Perlis (U ni MAP), 02600 A r au, Perlis,  Malay s ia  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : r_rashi d47 @ y a h o o .com 1 , mfareq@ unim a p . edu.m y 2 ,  hila la dna n@ un imap.e du.com 3 , w e e f w e nh oo n@ g m a i l . co m 4       A b st r a ct   Rece ntly, exte nsive re qu ire m e n ts hav e d e vel ope d for  ultra-w i de ban d  (UW B ) technolo g y that  provi des hi gh  activity and s m all si z e  for us e  in sma ll co mmu n ic ation sys tems, re mote s ensi ng, an d ra dar  app licati ons.  T hus, w e  concentrate d w i th hig h -res o luti on rad a r UW B anten na to  cover F eder al   Co mmun icati o n Co mmissio n ’ s (F CC) stan d a rd UW B r ang e (3.1- 10.6 GH z ) . T h e  pro pos ed i d e a l-si z e  a n d   low - cost fing er -shap ed  patch   anten na  of 2 4   mm x  1 9   mm  p r inted  on  4 0   mm x  3 5   mm r e c t angu lar T a c o n i c  T L Y-5 materi al   w a s  desi gne d and estab lish e d   throu gh  exp e r iments a nd s i mu lati ons. R e s u lts show  that t he  tw o cut notch e s  of 1. 5  mm x  2  mm at th e  botto m cor ners  of th e p a tch c an  incre a se  th e b a n d w i dth. T o   incre a se the ra diati on are a  an d achi eve  mor e  reson anc e frequ enci e s, tw o cut slots at th e top ed ge of th e   patch w e re d e s ign ed i n  de pth of 10  mm. F our para m eter s  w e re consi dere d  in the  ana lysi s of the prop os ed   anten na  desi g n, na me ly the f eed er w i dth, n u mber of  sl ots, nu mb er of not ches , an d feed  gap sp ace. T h e   simulat ed a nd  me asur ed res u lts of the  mai n   anten na  par a m eters make th e  desi gn s u itab l e  in  ap plic ation s   of UWB wireless system s.      Ke y w ords : two notches fin g e r-sha ped p a t c h anten na, re flecti on co effici ents, omni-d ir ection al patter n s,  anten na p a ra meters      1. Introduc tion  There a r e m any appli c ati ons fo r  UWB  techn o l ogy  at the presen t time, such  as m obile   radio  an d wirele ss com m unication  with pul se s  that are  le ss tha n  a  n ano se con d . UWB   te c h n0 lo go y  is  us ed  e x ten s ive l y be cau s e it pr o v ide s   s e ver a l ad va n t a g e s ,  in c l ud in g 1 )  lo w   compl e xity and lo w  co st, 2) hi gh q ualit y servi c e,  3 )   high tran smission  rate s, a nd 4 )  op erational   flexibility [1]. To m eet th e requi reme n t s of a ppl i c at ions  in wirel e ss comm uni cation   sy ste m s,  small micro s t r ip anten na s can be d e si g ned that  have ultra-wide  band width s  o f  frequen cy that  allows them  to achi eve hi gh-cap a city  bit rate s of  several hu nd red M b p s  o r  even Gb ps  for  distan ce s u p   to 10 mete rs. The  UWB f r e quen cie s  a r e  allocated by t he Fe deral Communi catio n s  Commi ssion  (FCC) in the   United State s , and the  fr e quen cy spe c trum  ran g e s  from 3.1  to 1 0 .6   GHz  with a l o w-po we r sp ectral  de nsity  of -4 1.3 dB m/MHz [2]. Thus,  we  pro p o se d a  se nsi t ive   microstri p -pat ch anten na with  a   refle c t i on coeffici en t of less th a n  -1 0 dB  tha t  has hig h  g a in,  good  directivi t y, small  size , and t r an smi ssi on-li ne  fe e d ing  but  whi c h is al so li gh tweight. M any  sha p e s  have  been  de signe d to achieve  the de sire d  UWB characte ristics, su ch  a s  the di amon d   antenn a [3] for the ope rat i onal ban d 3.38 to 14 GH z; the T-sl otted, grou nd -pl ane ante nna  [4]  with a fre que ncy ra nge of  3.1 to 11.5 G Hz; the ‘sm a rt anten na’  for sp atial ra ke receivers  [5];    UWB  slotted  microstri p  p a tch a n tenn a  usin g FR 4  material  of 4.4 diele c tri c  con s tant a n d   dimen s ion s  a r e 30mm x 55mm [6]; the  dual-ban d,  notche d  anten na with cu rve d   was propo sed   by [7] to operate from 2.5 to 12 GHz; th e two-por t, ci rcula r -patch a n tenna for  divers  appli c atio ns  [8]; the bow-tie, planar, wi deba nd dipol e with a freq uen cy rang e betwe en 4 a nd 9 GHz [9]; a   four-eleme nt, micro s tri p , antenna a r ray that was  pre s ented in [10]  to attract the  radiate d  data  in  the FCC f r eq uen cy ra nge;  a pla nar  mon opole  anten n a  with  an  o c tagon al-sha pe d pat ch th at  wa s  prod uced by [11] and multi - ban d and  wi deba nd ante nna was d e si gned by [12] to operat e in the   allocated ba ndwi d th  for UWB   wi rele ss comm uni cations; fo rk-shape d radiat ing p a tch  was  prop osed by  [13] to cover Bluetooth a nd UW B fre q uen cy band s and the fab r icated  su bstrate  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:  419 – 42 8   420 wa s mad e  of FR4 mate ria l ; a four-filter  antenn a  with  three  split re son a tors that  was  su gge st ed  to offer  dual  ban d  WiMA X and  WLAN a ppli c ation s  [14,  15,  1 6 ], while  a   CPU-fed, pl a nar,  inverted -cone  antenn a was fabri c ated to  cover the b a n d width f r om 1 . 3 to 11 G H z  with maximu m   gain [1 7]. In  orde r to  redu ce th e  co st o f  antenn as a nd al so  for re duci ng th e  co st, anten na  was  desi gne d in [18] with su bstrate made of   textile  mate rial that use d  to produ ce j ean s, in addition  the patch a n d  the grou nd  plane were  made of cop per to be  sui t able for UWB bandwi d th. A  tuning fork type was  pro p o s ed  and  simu lated by  [19]  for ope ratin g  freque ncy  ra nge of 3.7  G H z  to 13.8 GHz with printe d p a tch ante nna  on a FR4  sub s trate.   In this pap er,  we con c ent rated on the  d e sig n  of ultra  wideb and  re ctang ular  pat ch  with   two n o tch e s  on e a ch b o ttom  side  of th e pat ch to  a c hieve the  ba ndwi d th a r ou nd 3  G H z to  12  GHz. Th e a n tenna  ha d th ree  slots to  extend the   radia t ing ele m ent  reasona bly ov er th e o p e r ati ng  band  3  - 1 2   GHz, which i s  suffici ent fo r  UWB  ope ra ti on. Th e p r op ose d  a n tenn a  is  sm aller in  size  comp ared  with the p r evio u s  d e sig n s to  be  suit able   for small UWB  comm uni cation system s.  In  Section  2, d e tailed d e si g n  and th e di mensi o n s  a r e presented  and follo we d  by Section  3 of  fabricated ant enna de sig n . After that simulated and  m easure d  re sul t s with their d i scussio n s an d  con c lu sio n s a r e presented i n  Section s  4 and 5, re spe c tively.       2. Configur a t ion of th e Propose d  An tenna   The  small  si ze  and  ea sy to fabri c ate   antenn as are  two fe ature s  stro ngly d e sired fo r  mode rn UWB  co mmuni cati on system s. Another  con s i deratio n h a s  to be ta ke n in to acco unt i s   to  provide  go od  matchi ng b e t ween fe ed  section  and   ra diator  part. T he ge ometry  of the p r opo sed   antenn a con s ists of the followin g  part s , whi c h are  sui t able for inte gration  with a printed  circuit  board (PCB ).    2.1. The sub s tra t e   The le ngth  of re ctang ular  micr ostri p  a n tenna i s   one -half wavel e n g th if the  sub s trate i s   air gap a nd the length de cre a ses  whe n  usin g sub s t r ate materi al of valuable di electri c  con s tant   [23]. Taconi c TLY-5 ma terial was u s ed in th e  fabrication o f  the anten na whi c h  was  manufa c tured  with very li ghtwei ght wo ven fiber gl ass an d ha d the follo wing  cha r a c teri stics:  dimen s ion a l  stability; a l o w  diele c tri c  co nsta nt ra nge  ( r  =  2.2), a l o w di ssi pation  factor  (app roximatel y  0.0009 at freque ncy of 1 0  GHz); m a d e  of high-sp e ed digital mat e rial; and  a wide   rang e of ban dwidth s. The width, length,  and hei ght are denoted by W, L, and h resp ectively, and   the prop osed  rectan gula r  dimen s ion s  were:   W = 40  mm, and L = 35 mm, an d h = 1.575  mm.  The  small  si ze of thi s  a n tenna  provi des th e flexibility requi re d for u s e i n  small,  wirel e ss  comm uni cat i on sy st e m s,  suc h  as m obile sy st em s,  lapt op de v i ces,  ind oor  receiv e r s a nd  transmitters, and n a rrow  b and radio  systems.  The  effective diele c tric con s tant ( r e ff  ) of the pat ch   wa s determin ed to be 2.1 from the follo wing e quatio n [20]:    11 2 12 21 ( ) rr ref f h W    (1)     2.2. Ground  plane   The re ctan gu lar groun d pl ane was m a d e  of copp er t hat had a thi c kne ss of 0.0 35 mm,  and it  wa s p r inted on  the  back  of the  substrate. Th e  gro und  pla n e  ha s a  len g th  (L gp  )  of 1 1 .6  mm and  a  wi dth (W gp  )  of 40 mm,  whi c h we re  optimi z ed to  obtai n  the be st retu rn loss  (S 11 ) (l es s  than  -10  dB)  and i m ped an ce  ban dwi d th . The va rio u s dime nsi ons  were  ch osen  to incre a se t he  effective leng th bellow the  4 GHz freq ue ncy ban d.      2.3. Feed ga p   The ban dwi d th of the antenna was in depe ndent  of  the feed gap of the grou nd plane   sin c e the  gro und pl ane,  served a s  a n   impeda nce- m a tchin g  ci rcui t .The si ze o f  the feed ga p  allowed u s  to  obtain a  wid e r imp edan ce  band width a nd omni -di r e c tional ra diatio n pattern s .T he  optimal valu e  of the thi c kn ess of th e fe ed g ap  (L gap ) wa s  determi ned to  be  0.4  mm in  orde r to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Planar Finger-Shaped Antenna Used in Ul tra-Wi deband .... (Rashi d A. Fayadh)  421 prod uce nea rly-pu re resi stive input impeda nce to cover the  UWB ra ng e in wirel e ss  comm uni cat i on sy st e m s.     2.4. Microstr ip feed   Four po pula r  co nfiguratio ns  are  u s ed   to f eed  micro s trip  anten na , i.e., micro s t r ip lin e,  coaxial p r ob e, apertu re  couplin g, and  proximit y co upling. Th e config uratio n  we u s ed in  the  prop osed a n tenna  wa s the  microstri p  lin e feed ma de  of  cop per  wit h  t = 0.03 5 m m  (thickn e ss), L f   = 12 mm (l en gth),  and W f   = 4.7 mm (wi d th).     2.5. Microstr ip patch ele m ent  Many sha p e s  of the microst r ip pat ch  have been  desig ned a s  radi ators for UWB  radiatio n. Th ere a r e two  degree s of freedom  (l en gth and wi dth) for cont rollin g a re ctang u l ar  microstri p  a n tenna,  so  that  the o r d e r  of  cha ngi n g  the   mode  ca n b e  don e by va rying the  relati ve   dimen s ion s  o f  the width  a nd len g th of  t he pat ch b a se d on  re sonant frequ e n cy. The  pat ch  d i me ns io ns  o f   W p  x L p   can  be d e termined a c co rding to the  followin g  p r o c edure when   the   resona nt freq uen cy (f r ) is 5  GHz [21].     2 21 p rr c W f  (2)     whe r e, c i s  the sp eed of t he light in fre e  spa c e  (3 1 0  m/s),  and the  width (W p ) of  the patch   wa s determin ed to be 24 m m .  The extended len g th of the patch  ( L) can b e  cal c ul ated as:     ( 0 .3 ) ( 0.264) 0.412 ( 0 . 258 ) ( 0.8 ) p W re ff h p ref f Lh w h     (3)     The a c tual l e ngth of the  p a tch  (L p )  ca n  be calculated  by applyin g   equatio ns  (4 ) and  (5 ) to g e t  19   mm:    r ref f reff  (4)     2 2 re ff p LL   (5)     whe r e  r is the reso nant wavelength ( r   = c/ f r ) .     Fig. 1 illust rat e s that each  radiating edge of  the pat ch is  represen ted by the admittance  (Y)  of real p a rt denote d  b y  condu ctan ce (G ) an d the imagina ry part den oted  by suscepta n c e   (B),  so th at Y  = G  + jB.   To  enh an ce th e  conv e n tional  recta ngul ar  UWB  a n tenn a, we divided   th e   uppe r pat ch  edge i n to three sub - edg e s  (fin gers)  b y  makin g  two slot s of e q ual dime nsi o ns  throug h the  u pper pat ch e d ge. The s e th ree finge rs  we re p r op osed t o  incre a se th e ra diation  area   and to get three resona nt freque nci e s t hat use d  to expand the b and width. Fo r re son ant in put  resi stan ce  an alysis, the  ad mittance s  of t he finge rs are Y 21 , Y 22 , an d Y 23 , where  Y 21  = G 21  + jB 21 ,  Y 22  = G 22  + jB 22 , and Y 23  = G 23  + jB 23 . Y 2  is the  pa rallel  equivale nt a d mittance  of  Y 21 , Y 22 , and  Y 23,   and it is  equa l to G 2  + jB 2 . Since the fin g e rs  are ide n tical, G 2  = G 21  = G 22  = G 23,  and B 2  = B 21  = B 22  = B 23 , therefore G 1  = G 2  a nd B 2  = -B 1 .   As the total reso nant inp u t admittance i s  re al, the total   input re sista n c e al so is real , and it is given by [22]:    12 1 2 1 2 2 2 3 1 2 1 () 3 4 in YY Y Y Y Y Y G G G                                   (6)       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:  419 – 42 8   422 1 11 4 in in R YG                                                                                                                (7)        Whe n  the  m u tual effe cts are ta ken  i n to a c count   to cal c ul ate  the exa c t va lue of th e in put  impeda nce, mutual cond u c tan c e exi s ts  betwe en t he edge s  of  the patch, so  the input  re si stan ce   can b e  expre s sed a s :    11 2 1 (0 ) ( ) 4( ) in s RL GG   (8)     whe r e G 1  is the  cond ucta n c e  of the  b o ttom ed ge  of the pat ch a nd  G 12  is the  mut ual  cond ucta nce   betwe en upp er and lo wer  edge s of the patch. The si gns (+) a nd (-) are use d  for mode s by odd   and even resonant voltage  distributio n, resp ectively.    2 () ( 0 ) c o s ( ) in s i n s s p R Lv a l u e R L L L   (9)     whe r e R in  (L s  = value )  is th e input impe dan ce at L s  i n set feed  poi nt and can b e  taken  as 5 0   Ω .  R in (L s  = 0) is t he input impe dan ce at the  top edg e of the patch, an d, whe n  W p  < :    1 1 () 90 p W G  (10 )     The  mutu al con d u c tan c e (G 12 )  can b e  determi ned  by equation  (11 ) , wh ere  J 0  is the  Bessel fun c ti on of th e  cu rrent de nsity at  ze ro  or der.   By equation s  (9 -11 ) , the  d epth of  ea ch  slot  (L s ) was  cal c ulated to be 1 0  mm throug h the antenn a  patch [20].                                                                            0 22 12 0 0 2 0 sin( c o s( ) ) 1 2 [ ] ( s in( ) ) s in ( ) 120 c o s( ) p p k W GJ k L d             (11)                                                                                                                                                                                                                                                                   Figure 1.  Equivalent circui t of the transmissi on mo d e l      The schemati c   si mulated d i agra m   was d e riv ed from t he refe re nce  recta ngul ar  a n tenna   with recta ngu lar p r inte d p a tch  on th e f r ont  side  of t he Ta co nic T L Y-5  su bstrate of thi c kne s s  1.575 mm  a nd diel ectri c   con s tant of  2 . 2. This  g e o m etrical dia g r am of front  and b a ck vie w  is  sho w n in Fi g. 2 with all dim ensi o n s  are d e fined in Ta ble 1. In this de sign, the r e fo ur pa ramete rs:  feeder  width, feed gap spa c e, numb e r o f  cut slots,  an d numbe r of cut notches  were modifie d  to   achi eve a wid e r impe dan ce  band width a nd a better im peda nce matchin g .            G 23   1 s t  ed g e  2 n d  edge            G B 1   G 2 1 B 21   B 2 G 22 B 23   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Planar Finger-Shaped Antenna Used in Ul tra-Wi deband .... (Rashi d A. Fayadh)  423   Table 1. Dim ensi o n s  of the prop osed a n tenna                                                                 (a)                                                                                               (b)    Figure 2. Dim ensi o n s  of the prop osed  a n tenna (a) fro n t view, (b) b a ck view      3. Geometry   of the F a bric ated a nd Printed  Antenn a  The overall structu r e of th e antenn a was succ e s sful ly fabricate d  usin g Ta coni c TLY-5  material  for substrate  and   cop per of  0.0 35 mm  th i c kn ess to  pri n t ra diator an d g r ound  pla ne to  be  integrate d  with  othe r syste m   el em ents.  The g eom etry of the fab r i c ated d e si gn i s   sho w n  in Fi g. 3   of prototype  mounte d  o n  the m enti oned  ma te ri al  sub s trate with con n e c tor  of 50  Ω  input   impeda nce.       (a)              (b)    Figure 3.  The fabricated a n tenna b e ing  test ed on a n e c hoi c chamb e r and n e two r k analy z er: (a )  front view; (b ) back view      4.  Simulated and Practi cal Resul t s a nd Discu ssi on for th e Proposed  Ante nna    The p e rfo r m ance of a n   antenn a  can  be m e a s ured b a sed o n  its redu ctio n of the   reflectio n  po wer requi rem ent on the transmi ssion li ne to the source, whi c h depe nd s on the   voltage reflection coefficie n t at the i npu t terminal s  of the a n tenn a. The  practi ca l and  sim u lati on   freque ncy b a nd wa s 3 - 12  GHz (ratio ba ndwi d th wa s  4:1) for the d e sig ned a n te nna to dete r mine  its stabl e ra di ation ch aract e risti cs. Fi g. 4 illustrates t he expe rime ntal and  simu lated retu rn l o ss  Para m e ters Value ( m m )   W L L p  L gp   W p   W fi n g    L ga p   W f   L f   W s   L s   R W n1   L n1   L n2   40 35   24 19 11. 6 45 0. 4 4. 7 12 3 10   6 3 4 1. 5  2  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:  419 – 42 8   424 (|S 11 |dB) agai nst the freq u ency ba nd of the parti ally-g roun ded  sub s trate antenn a  through out the   UWB f r equ e n cy. The  me asu r ed  an d  simulate d reflection  co efficient s (S 11  <  -10 dB) of  the  antenn a are  displ a yed, an d they  match ed the b r oa d band im ped a n ce  ch ara c te ristics. Th e |S 11 |  less than -10  dB band widt h that from the netwo rk  an alyzer te st an d the CST so ftware  wa s 3 to   12 G H z withi n  little tolera nce  variatio n s  to  give a  g ood  estimatio n  of the  pe rforma nce of t he  antenn a. The s e little losse s  in the fabri c ation tolera nce and 50  Ω  conne ctor  ca u s ed the va riat ion  betwe en the  simulate d an d meas ured  cha r a c teri stics of S 11 . From s i mulated S 11,  resona n c e  freque nci e s  of 4 GHz, 5 GHz, and 7.6GHz empl o y  at -34 dB,  -44dB, and  -24dB re spe c t i vely  while  in fa bri c ated  S 11 , re son a n c e freq uen cie s  of  3.5 G H z, 4.5 GHz,  5 GHz,   and   8.1 GHz  employ at  -3 5  dB, -33dB,  -44dB, a nd  -3 8dB respe c ti vely. Fig. 5  sh ows the  gai n  cha r a c teri stics of   the prop ose d  antenna v e rsus frequ e n cy for t he UWB ba nd wi dth. The gai n increa sed  as   freque ncy in crea sed  and t he maximum  value occu rred at the en d of the ope rating freq uen cy   band.     F r equency  (GHz) 0 2 4 6 8 1 01 21 4 Ga i n  ( d B ) 1 2 3 4 5 6 7 Gain Charact e r i sti c     Figure 4. Simulated an d measure d  S 11  of                    Fig u re  5. Ch aracteristics of an tenna gai n wi th  the proposed  antenna                                                           increasi ng ba nd width for the  prop osed  de sign       To do  ante n n a  de sig n  o p timization,  pa rametri c   studi es fo r  co nsid ered  fou r  p a rameters  are  sh own in  Figure 6  wh en CS T Mi crowave Stu d io  Software wa s  carried  out  in sim u lation.  In  para m etri c st udy of ea ch  para m eter, th e CST  so ftware  wa s run  at variou s pa ramete rs  wh en   other param e ters  were kept invariant. From Fig.  6  (a), the effect of notch cut is illustrated to  improve  the  para m eter of  usin g two n o tche s  cut  at  e a ch  lo wer  corner of the  pa tch. Th e  retu rn   loss  curve  of  two n o tch e s i s   coveri ng th e UWB fr equ ency  whil e th at of on e n o tch covers u p  t o  8   GHz. Se con d  pa ramete r  was  propo sed  i s  the  nu mbe r  of sl ots at th e top  edg e of  the p a tch.  T h e   return lo ss  cu rves a r e  sh o w n in Fi g. 6 (b) with  no  slo t, one slot, an d two  slots. O ne can  con c l ude   that, a wide r i m peda nce ba ndwi d th can  be obtai ned  wi th a p a tch  of two sl ots a t  the uppe r e dge   in o r de r to  cover th e  UWB ban dwi d th  whi c h i s  fro m  3.1 to  1 0 .6 G H z.  The   other con s id ere d   para m eter is  feed g ap  size  (L gap ) p a ram e ter that  wa s  use d  to  optim ize th e  wide st ban dwidth; t he  CST software wa s run at  various valu es of L gap . Fig. 6 (c) sho w s the  calcul ated retu rn loss  curve s  with t h ree valu es  of L gap .  It can be se en that at increa sing fee d  ga p size re sult s  redu ction s  i n   band width  an d retu rn  lo ss.  He nce,  we concl ude  that  wide r imp eda nce  ba ndwi d th   can b e  obtai ned by tunin g  the feed gap si ze. Afte r that the software also wa s run at vari ous  feeder wi dth  (W f ) valu es.  The  re sults o f  this vari atio n are p r e s e n t ed in Fi g. 6  (d) to  sho w  t he  optimal W f  was found to b e  at 4.7 mm that kept  the input imped an ce equ als to  50  Ω , so that no  need to de crease or in cre a se  W f  and t h is si ze i s  su itable for tole ran c e with th e sold ere d  5 0   Ω   c o nn ec to r .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Planar Finger-Shaped Antenna Used in Ul tra-Wi deband .... (Rashi d A. Fayadh)  425 F r equ en c y  (G Hz ) 2 4 6 8 10 12 14 16 R e tu r n  L o s s  /  d B -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 S i m u lat ed S 11 at  pat ch of   t w o  not c h es S i m u lat ed S 11 at  pat ch of   one not ch F r equ enc y  ( G Hz ) 2 4 6 8 10 1 2 14 16 R e tu r n  L o s s  /  d B -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 S i m u l a te d  S 11 of   pa tc h w i t h  no s l ot S i m u l a te d S 11  of  pa tc h  w i t h   one  s l o t S i m u l a te d S 11  of  pa tc h  w i t h   tw o  s l o t s   (a)                                                                                                   (b)  F r eq uen cy (G H z ) 2 4 6 8 10 1 2 14 16 R e tu r n  L o s s  /  d B -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 S i mu la t e d   S 1 1   a t  f e ed w i dt h of   4. 7 mm S i mu la t e d   S 1 1   a t  f e ed w i dt h of   4. 5 mm S i mu la t e d   S 1 1   a t  f e ed w i dt h of   4. 2 mm Frequ enc y (GH z ) 2 4 6 8 10 12 14 16 R e tu rn  Lo s s  / d B -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 S i mulated S11 with 0.15  mm gap S i mulated S11 with 0.25  mm gap S i mulated S11 with 0.4  mm gap   (c)                                                                                                  (d)  Figure 6. Pro posed pa ram e tric  study;  (a) num ber of   notch, (b) nu mber of sl ot, (c) feed er  widt h,  (d) fee d  gap  size     Fig. 7 sho w s the three-an d two-di men s ional, omni-di r ectio nal patt e rn s at frequ ency of  7.5  G H z, whi c h  d e scribe antenn a’s pe rforma nc e ov er the  entire  UWB ban d w idth. Simula ted  curre n t distri bution s  are il lustrate d in  Figure  8 at reso nant fre q uen cie s  of 5  and 3.8 G H z to  facilitate the unde rsta ndin g  of the ante nna’ s perfo rmance. For t w o set notch es an d two  slots,  the figure  sh ows that the  surfa c e  cu rre n t on the ra di ator surfa c e  of the antenn a wa s g r eate r  at  resona nt fre q uen cy of 5   GHz tha n  th at at 3.8  GHz. Th e p e a k   values  of the  su rfa c e  cu rrent  distrib u tion of  the UWB  rad i ator at  the n o tche s  and  th e sl otted e d g e  was 63.7  A/m at 5  G H z a n d   23.1 A/m at  3.8 G H z; th e s e val u e s   we re  gre a te r th an tho s e  pre s ente d  in  [19 ]  at the  stepp ers  and  co nvex  corne r s of th e ra diato r . From the  si m u l a tion results,  the valu es  of the p r op o s ed   antenn a de si gn pa ramete rs are present ed in Tabl e 2 antenn a for the ch ose frequ en cie s  o v er  the coverage  UWB b and wi dth.         Table 2.  The  values of ant enna p a ra me ters at spe c ified UWB freq uen cie s                        Para m e ters   S 11   4 GHz   6 GHz   8 GHz   10 GHz Gain  Directivit y  Radiation ef f i cienc y   M a x power  patter n   4. 516dB - 32 dB 3. 062 dB 2. 194 92. 26 % 0. 1608 VA/m 2 - 18 dB - 23 dB - 17 dB  2. 736 dB 4. 529 dB 1. 933 2. 944 2. 963 97. 13 % 96. 38 % 95. 47 % 0. 1443 VA/m 2   0. 2198 VA/m 2 0. 2241VA/m 2 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:  419 – 42 8   426   (a)                 (b)    Figure 7. Simulated ra diati ons at 7.5 G H z: (a ) three-dimen s ion a l radiation p a ttern; (b ) two- dimen s ion a l radiation p a ttern                                                   (a)                                                                                                   (b)    Figure 8. Simulated di strib u tion of curre n t on t he su rface of the p r o posed ante n n a  at (a) 5 G H z  and (b ) 3.8 G H z      -3 0 - 2 5 -2 0 - 1 5 - 1 0 - 5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 30 0 330 S i mul a ted E- pl ane at P h i = 0 S i mul a ted E- pl ane at P h i = 90 -3 0 - 2 5 -2 0 - 1 5 -1 0 - 5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 24 0 27 0 300 330 S i mu l a ted E - pl a ne at P h i = 0 S i mu l a ted E - pl a ne at P h i = 90 -30 - 25 -20 - 15 -10 - 5 0 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 30 60 90 120 150 18 0 210 240 270 300 330 Sim u lat ed  E-plane at  Phi= 0 Sim u lat ed  E-plane at  Phi= 90                             E-plan e                                               E-plane                                           E-plane   -3 0 - 2 5 -2 0 - 1 5 -1 0 - 5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 0 30 60 90 12 0 15 0 18 0 21 0 24 0 270 300 33 0 Si mu l a ted  H - pl a ne a t  T h eta = 0 Si mu l a ted  H - pl a ne a t  T h eta = 90 -30 - 25 -20 - 15 -10 - 5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -30 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -10 -5 0 0 30 60 90 120 15 0 180 21 0 24 0 270 300 330 S i m u l a t ed H-pl ane   at  T het a= 0 S i m u l a t ed H-pl ane   at  T het a= 90 -3 0 - 2 5 -2 0 - 1 5 -1 0 - 5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 0 30 60 90 12 0 15 0 18 0 21 0 240 27 0 30 0 33 0 S i m u l a t e d  H- p l an e at  T h e t a= 0 S i m u l a t e d  H- p l an e at  T h e t a= 90                              H-pl ane                                           H-plane                                         H-plan e                                   (a)                                                       (b)                                                      (c )    Figure 9. Simulated ra diati on pattern s fo r E- plan e (Phi ) and H-pl ane  (Theta )  of de sign ed  antenn a at (a ) 4.5 GHz, (b ) 7 GHz, an d (c) 10  GHz  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Planar Finger-Shaped Antenna Used in Ul tra-Wi deband .... (Rashi d A. Fayadh)  427 Fig. 9 sh ows  the simul a ted  radiatio n pat tern s  of the f a r-fiel d  ante n na at the x-y  H-pl ane  (Theta =  0 o , 90 o ) and at t he y-z E-pl a ne (Phi = 0 o , 9 0 o ). These pattern s we re comp ared  with   different valu es  of freq ue ncy, i.e., 4.5, 7,  and  10   GHz for the  H-pl ane  an d  the E-pl ane.  The   radiatio n patt e rn s e s sentia lly were o m ni -directi o nal in  the E and H plane s for th e simul a tion  of  the prop osed  antenn a.  The fab r icate d  anten na  wa s teste d  u s in g ane ch oic  chambe r by fixing the a n ten na on  a  stand usi ng 50  Ω   con n e c tor which  is  sold ere d  at t he lo wer edg e of the fee d  line. So that  by  Anech o ic ch ambe r an d  netwo rk an al yzer, the   el evation (E -pl ane) an d a z imuth (H-pla ne)   pattern s were  measure d  for the pro p o s e d  antenn a in a plane s cont aining fee d . These mea s u r ed   radiatio n patt e rn s a r e sho w n in Fi g. 10  at thr ee o perating freq uen cie s : 4.5 G H z, 7 GHz, and  10   GHz in H-pl ane (x z-pl an e) an d E-pla ne (xy-pla ne) and a little chan ge in  pattern s du e  to  freque ncy i n cre a se. Th e  mea s u r ed   E-plan es an d H-pla n e s   sho w   mostly  omni -directi onal  radiatio n p a ttern s ove r  th e  sp ecifie d fre quen cie s .  In measured pa tterns,  th ere  are many rip p les  at the  radi ation a m plitude  due  to i n to  the fi eld  re flection s fro m  ante nna   holde r,  cham ber  scattering, a n d  from in side  of the ane ch oic  cham ber.  To the prop ose d  de sign  with those of  [4]  and [7], the  prop osed fin ger-shap ed a n tenna i s   sm a ller i n  dim e nsio n si ze,  hi gher gai n, using   lighter an d ch eape r su bst r a t e material, a nd more stabl e omni-dire c ti onal ra diation  pattern s.        -10 0 -90 - 8 0 -70 - 60 -50 - 40 -30 -10 0 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -10 0 -90 -8 0 -70 -6 0 -50 -4 0 -3 0 -10 0 -9 0 -8 0 -7 0 -60 -50 -40 -30 0 30 60 90 120 15 0 18 0 21 0 24 0 270 30 0 330 M eas ur ed E- pl ane at  Phi = 0 M eas ur ed E- pl ane at  Phi = 90 -1 0 0 -9 0 - 8 0 -7 0 - 6 0 -5 0 - 4 0 -1 0 0 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -1 0 0 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -1 0 0 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 0 30 60 90 12 0 15 0 18 0 21 0 24 0 270 30 0 33 0 M e asu r ed  E p l ane  a t   P h i = 0 M e asu r ed  H - pl an e  at  P h i = 90 -1 0 0 -9 0 - 8 0 -7 0 - 6 0 -5 0 - 4 0 -1 0 0 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -1 0 0 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -1 0 0 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 0 30 60 90 12 0 15 0 18 0 21 0 240 27 0 30 0 33 0 Me as u r ed  E - pl an e at  P h i= 0 Me as u r ed  E - pl an e at  P h i= 90                                       E-plane                                          E-plane                                         E-plane       -100 -90 - 80 - 7 0 - 60 -50 - 40 -30 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -100 -90 -8 0 -70 -60 -50 -40 -3 0 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 M eas ured Hpl ane at  T h et a= 0 M eas ured H-pal ne at   T h et a= 90 -1 00 -90 - 80 -70 - 60 -50 - 40 -30 -1 00 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -1 00 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -1 00 -9 0 -8 0 -7 0 -60 -50 -40 -30 0 30 60 90 120 15 0 180 21 0 24 0 270 300 330 M e as u r ed H-p l a ne at   T h e t a = 0 M e as u r ed H-p l a ne at   T h e t a = 90 -1 00 - 9 0 - 80 -70 - 60 -50 - 40 -1 00 -9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -1 00 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -1 00 -9 0 -8 0 -7 0 -60 -50 -40 0 30 60 90 120 15 0 180 21 0 24 0 270 300 330 M e a s ur ed H-pl an e  a t  T het a= 0 M e a s ur ed H-pl an e  a t  T het a= 90                                       H-plan e                                      H-pla ne                                     H-plane                                              (a)                                                  (b)                                                  (c )  Figure 10.  Measure d  ra dia t ion pattern s of the f abricat ed anten na at : (a) 4.5 GHz,  (b) 7 G H z, (c)  10 GHz      5.  Conclusi ons   For  UWB wi reless a ppli c at ions  and  to re duce cost s, a  small  si ze  of  plana r fing er-sha ped   patch  anten n a  wa s  de sign ed to  cover th e wid eba nd freque ncy  ran g e  (3  -  12 G H z) to b e  suitabl e   for ind o o r  an d outd oor p r o pagatio n of  wirele ss   UWB comm uni cati on system s. The cutting sl ots  and not che s   at the top an d bottom ed g e s of the p a tch radiato r  contribute d  to  the extensio n  of  the  radi ation area and  the evaluati on of  the cu rre nt di stributio n be h a vior. The s e  cutting sl ots a n d   notch es e nha nce d  the pe rf orma nce of small ant en na  desig n over  UWB frequ en cy ran ge. Th e  antenn a wa s fabricated a nd teste d , an d there  wa s  a goo d ag ree m ent betwee n  simul a ted  and   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:  419 – 42 8   428 measured  re sults for the   most im po rta n t anten na  p a ram e ters  su ch  as return l o ss  (S 11 <-1 0  dB )  and omni -di r e c tional radiati on pattern s.        Refer e nce s    [1]      Moham ed NS . Cha p ter 1 0  in  Antenn a H and book  of Ultra  W i deb and Co mmu n icati ons: Novel   T r en d s   Antenn as an d Propa gati o n . U n iversit y  C a mp us. Shang ha i, Chin a. 20 11; 0 9 .  [2]        AF Molish, K  Balakris hn an,  D Ca ssi oli,  CC  Cho ng, S Em ami, J Kare dal .  IEEE 802.15. 4a C han ne l   Mode l-F i na l re port. T a sk grou p 4a (T G4a), T e ch. Rep o rt , 2004.    [3]    Z a ini K D , Meri ah SM. N e w   Diamo nd  Ante nna f o r Ultra   W i deb and  App licatio ns.  IJCSI Internationa l  Journ a l of Co mputer Scie nce I ssues.  201 2; 9 ( 4).  [4]      Yusnita  R, R a zali  N, T harek  AR.  C hapter   18  of Ultra  W i deb an d H and b ook . U n ivers i t y  Camp us.  Shan gh ai. Chi na. 201 0.   [5]        Hans GS. Smart Antenn a fo r Spatial  Rak e  UW B S y stem s.  IEEE conference  on u l tra  w i deba nd   system s and technologies.  20 04.   [6]        T a jes w it a G, PK Sin gha l. Ultr a  W i de ba nd S l otted Micr ostrip Patch  Anten na for  Do w n l i n k  an d U p li n k   Satell ite Appl ic ation i n  C ba n d .   Internatio nal  Journa l of Inn o vatio n  an d Appli ed Stu d ies .  2013; 3(3):   680- 684.   [7]        A Karmarkar, S Verma, M Pal, R Ghatak. An  Ultra W i deba n d  Mono pol e An tenna  w i t h  Mult iple F r actal  Slots  w i t h  Dua l  Band Rej e ctio n Charact e risti cs.   Progress In Electrom agnetics Research.  2012;   31:   185- 196.   [8]        E Antonino-Daviu, M Gallo ,  M Ca bed o-F a b r es, M F e rra nd o-Batal l er. N o v e l U l tra W i deb and  Ante n n a   for Diversit y  A p plicati ons.  IEEE Conference.   Bari. Italy . 2010.  [9]      AD Cap obi anc o, F M  Pigozzo, A Locatel li, D Modotto.  Ch ap ter 1 (Directive  Ultra-Wide b a n d  Anten nas )   in Micr ow ave a nd Mi lli meter  W a ve T e chn o l ogi es Mod e rn  UW B Antenn a s  and  Equ i p m e n t Han d b ook .   Univers i t y  C a m pus. Shan gh ai.  Chin a. 201 0.  [10]      B Kasi, CK Chakra bart y . U l tra-W i deb an d  Antenn a Arra y Desig n  for T a rget Detectio n.  Progress i n   Electro m a gneti cs Researc h .  2012;   25: 6 7 -79.   [11]    MY Alhefna w y ,  Aladdi n A, Hosn y  A, A Saf w a t, MI Youssef. Design an d Impleme n tatio n  of a Nove l   Plan ar UW B  Mono pol e A n tenn a  for  Multi path E n viro nm ents.  13 th  Inte rnatio nal  C onf erenc e o n   Aerosp ace Sci ences & Aviati on T e chn o l ogy ,  Cairo, Eg ypt. 200 9.  [12]    H Oraizi, B  R e zaei.  Comb lin e  Lo adi ngs  of P r in ted  T r iangul ar Mo nop ol e A n tenn as for  the  Re aliz atio n   of Multi-Ban d   and W i d e b and  Character i stic s.  Progress In  Electro m ag ne tic Researc h   B.  2012;   39 :  179- 195.   [13]      Mishra SK, Gupta RK, Vaid ya A, Mukherje e J. Printed F o rk Shape d Du al Ban d  Mon o pol e Anten n a   for Blu e tooth  a nd  UW B App l i c ations  W i th 5. 5G Hz WLAND  Ban d  N o tche d  Ch aracteristic s.   Progr es s   In Electrom agnetics Research C . 2011; 22: 1 95-2 10.   [14]    DO Kim, NI Jo , HA Jang,  CY Kim. Design  of the Ultra W i deb an d Anten na  w i th a Qua d rup l e-Ba n d   Rejecti on C h a r acteristics Us ing a  Comb in ation  of the  Compl e me ntar y  Sp lit Rin g  Reso nators.   Progress In El ectromag netics  Researc h .  201 1; 112: 93- 107.   [15]      P  T ilanthe, PC  Sharma, T K   Band op adh ya y.  A Monopol e  Microstrip Ant enn a  w i th En h ance d  Du al  Band R e jecti o n  for UW B Appli c ations.  Progr e ss In Electromagn etics Rese arch.  201 2; 38:  315-3 31.   [16]    Y Z huo, L  Ya n, X Z hao, K  Hua ng. A C o mpact Du al-B a nd Patc h Ante nna f o r W L AN  Appl icati ons.     Progress In El ectromag netics  Researc h  Letters.  2011; 2 6 : 153- 160.   [17]   Jia L,  Shu  L, Y u  T ,  Li w e n  J, M eng qia n   L, Z h i hua  Z .  T he Simulati on  an d E x p e rime nt of  a  UW B Printe d   Dipo l e Ante nn a.   Progress In Electro m a gneti cs Researc h  L e tters.  2013; 3 6 : 21-30.   [18]    Mai AR, Osm a n M, KA  Rahim, M Azfar, NA Sa msur i, F   Z ubir, K K a ma rdin. D e si gn I m pleme n tatio n   and P e rforma n c e of Ultra-W i deb an d T e xtile  Antenn a.   Pr ogress In E l ec trom agnetics  Research B.   201 1;   27: 307- 325.   [19]    AHM Z ahiru l A, Rafiqul I, She r oz K. De sig n  of a T uning F o rk type UW B P a tch Anten na.  Int. Journal  of Electrical a n d  Electron ics Engi neer in g . 20 06: 1-8 .   [20]   CA Bala nis.  An tenna T h e o ry: Analys is and D e sig n . B y  Joh n  W ile y  & So ns. INC. 2013.    [21]    KK Parash ar. Desig n  a nd A nal ysis  of I-Slo tt ed Rectan gul ar Microstrip P a tch Anten na f o r W i reles s   Appl icatio n.  Internati ona l Jour nal of Electric al  and Co mputer  Engin eeri ng (I JECE).  2014; 4 ( 1): 31-36.   [22]    WF Richards. Microstrip Ant ennas, Chapte r 10 in Antenna Handbook:   T heor y ,  Applications and  Desig n .  Van N o strand R e in ho ld Co . Ne w  Y o r k . 1988.   [23]    MM Ahame d ,  K Bho w m i k, M  Sha h id ull a , M S  Isla m, MA R ahma n . Des i g n  a nd A nal ys is  of I-Slotted   Rectan gul ar Mi crostrip P a tch  An tenn a for  W i reless A p p licati on.  Intern atio n a l Jo urn a l  of El ectrical  an d   Co mp uter Engi neer ing (IJECE ).  2012; 2(3): 4 17-4 24.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.