I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   8 No .   5 Octo b e r   2 0 1 8 ,   p p .   3 8 7 5 ~ 3 8 8 1   I SS N:  2088 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 8 i 5 . p p 3 8 7 5 - 3881           3875       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   M ushro o m - L i k e   EB G   to   I m p ro v Patch  Anten na   Pe rfor m a n ce  for C - Ba nd  Satell ite  Ap plica tion       M .   K .   Abdu lha m ee d 1 M.   S.   M o ha m a d Is a 2 ,   Z .   Z a k a r ia 3 ,   M o wa f a k   K.   M o hs in 4 M o t h a na   L .   At t ia h 5   1, 2, 3, 4 , 5 Ce n tre f o T e lec o m m u n ica t io n   Re se a rc h   a n d   In n o v a ti o n   (Ce T RI),   F a c u lt y   o f   El e c tro n ic an d   C o m p u ter E n g in e e rin g Un iv e rsiti   T e k n ik a M a la y sia   M e l a k a   (U T e M ) ,   Ha n g   T u a h   Ja y a ,   7 6 1 0 0 D u r ian   T u n g g a l,   M e lak a ,   M a la y sia   1, 4 M in istry   o f   Hig h e Ed u c a ti o n   a n d   S c ien ti f ic Re se a rc h ,   Ira q         Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   9 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   A u g   1 2 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   A u g   2 0 ,   2 0 1 8     In   o r d e to   s u p p re ss   th e   su rf a c e   w a v e e x c it a ti o n   th a a re   c a u se d   b y   th ick   su b stra te  in   a   p a tch   a n ten n a ,   a   m u sh ro o m - li k e   EB G   (El e c tro m a g n e ti c   Ba n d   G a p stru c tu re   is  u se d .   S u c h   str u c tu re e n h a n c e   it c h a ra c teristi c o f   g a in ,   d irec ti v it y ,   b a n d w id th   a n d   e f f ici e n c y .   F irstl y ,   w e   d e ter m in e d   f re q u e n c y   b a n d   g a p   c h a ra c teristics   o f   m u sh ro o m   li k e   EB G   u n it   c e ll   v a lu e   b y   u sin g   CS T   so f t w a re   w it h   3 m m   (0 . 0 6 λ o )   f o r   c o v e rin g   6   G Hz .   T h e   p e rio d ic  a rra n g e m e n t   o f   su c h   m u sh ro o m - li k e   EB stru c tu re wa n o li m it e d   b y   a n y   in terc o n n e c ti n g   m icro strip   li n e s .   F o u r   c o lu m n o f   EBG sh if ted   in w a rd to   a n ten n a   e d g e by   0 . 3 m m   (0 . 0 6 λ o o a   g a p   o f   it s   d e sig n   a ro u n d   th e   p a tch   f ro m   th e   lef a n d   rig h sid e s .   Dif fe re n c o n f ig u ra ti o n s   w e re   a lso   e x a m in e d   in   o rd e to   g e th e   b e tt e im p ro v e m e n in   a n ten n a   p e rf o rm a n c e .   T h e   f i n a d e sig n   o f   th is  m u sh ro o m - li k e   sh if ted   p e rio d ic  str u c tu re   sh o w a n   e ff e c ti v e   in c re a se   in   th e   d irec ti v it y   b y   77 % ,   g a i n   b y   108 % ,   b a n d w id th   b y   29 %   a n d   th e   e ff ici e n c y   b y   2 0 %   f o r   th e   a n ten n a .   Th is   stru c tu re   h a s   d iv e rsif ied   a p p li c a ti o n   p o ss ib i li ty   f o w irele ss   a n d   sa telli te co m m u n ica ti o n s .   K ey w o r d :   C - B a n d   s atellite   H ig h   d ielec tr ic  co n s ta n t   Hig h   g ai n   M u s h r o o m - li k E B G   T h icK  s u b s tr ate   Co p y rig h ©   2 0 1 8   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   M.   K.   A b d u l h a m ee d   Dep ar t m en t o f   T elec o m m u n ic atio n   E n g i n ee r in g ,     Facu lt y   o f   E lectr o n ic  an d   C o m p u ter   E n g i n ee r i n g ,   Un i v er s iti T ek n ik al  Ma la y s ia  Me lak a,     Han g   T u ah   J a y a,   7 6 1 0 0   Du r ian   T u n g g al,   Me la k a Ma la y s ia.   E m ail: e n g _ m k a@ y a h o o . co m       1.   I NT RO D UCT I O N     T h m icr o s tr ip   p atch   an te n n a s   h av b ee n   u s ed   w id el y   in   v ar io u s   ap p licatio n s   d u to   th e ir   in h er en t   b en ef it  o f   b ei n g   lo w   p r o f ile,   lo w   co s t,  lig h t - w ei g h an d   th ei r   co n v en ie n i n teg r atio n   w it h   R d ev ices[ 1 ] ,   [ 2 ] .   E x citatio n   o f   th s u r f ac w a v es  is   a m o n g   t h m aj o r   lim itati o n s   o f   th e s m icr o s tr ip   an te n n as.  T h m u s h r o o m - lik E B s u r f ac d escr ib ed   i n   [ 3 ] ,   an d   t h d escr ip tio n   o f   t h u n i - p la n ar   E B s u r f ac p r esen ted   i n   [ 4 ] ,   w a s   u tili ze d   f o r   s u r r o u n d in g   a   m icr o s tr ip   p atch   a n ten n a   to   r e d u ce   t h s u r f ac w a v i m p a ct  an d   i m p r o v th e   an ten n p er f o r m an ce   [ 5 ] - [ 1 1 ] .   I n   ad d itio n   to   s u r f ac w av e   s u p p r ess io n   s u p p o r t,  s u c h   s t r u ctu r es   h a v b ee n   u tili ze d   to   in cr ea s t h g ai n   o f   a n te n n a   [ 1 2 ] ,   d ec r ea s in g   th e   b ac k   r ad iatio n s   [ 1 3 ]   an d   r ed u ctio n   i n   t h s ize  o f   an ten n [ 1 4 ] .   T h h ig h   d ielec tr ic  co n s tan s u b s tr ate  w it h   m icr o s tr ip   an te n n as  ar ex citi n g   to p ic  in   an ten n as  d esi g n   d u to   t h eir   co m p r e s s ed   s ize.   Ho w e v er ,   u tili za tio n   o f   s u c h   h i g h   d ielec tr ic  co n s ta n t   s u b s tr ate  b r in g s   alo n g   s o m m aj o r   d r aw b ac k s   to   an ten n d esi g n .   T h ese  w ea k n e s s es  in cl u d n ar r o w i n g   o f   b an d w id t h ,   d ec r ea s ed   ef f icien c y   a n d   in ap p r o p r iate  r ad iatio n   p atter n s .   T h ese  d r a wb ac k s   o r ig i n ated   d u to   t h e x citatio n   o f   s u r f ac w a v es.  T h a m o u n o f   en er g y   r ad iated   in to   air   ca n   b les s   t h an   t h e n er g y   th at  is   co n f i n ed   b y   s u ch   elec tr o m ag n etic  w a v es.  T h ese   s u r f ac w av e s ,   w h i ch   ar s ca tter ed   f r o m   t h ed g es  o f   an ten n ca n   ca u s b ac k   lo b r ad iatio n   in cr e m en t,  d e ter io r atio n   in   g ai n   d eter io r atio n   an d   r ip p les  in   th r ad iatio n   p atter n   [ 1 5 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   5 Octo b er   2 0 1 8   :   3 8 7 5     3 8 8 1   3876   R ec en t l y ,   m an y   m e th o d s   h a v e   b ee n   in tr o d u ce d   to   o v er co m e   th ese  s h o r tco m i n g s   th at  u s t h m a n ip u la tio n   o f   an ten n s u b s tr ate.   B y   th u s e   o f   m icr o m ac h in i n g   tech n iq u es,  th ef f ec ti v d ielec tr ic  co n s ta n o f   s u b s tr ate   u n d er   th p atch   ca n   b lo w er ed   [ 1 6 ] .   T h is   ap p r o a ch   h as  m aj o r   s h o r tco m i n g   th at  t h la r g er   p atch   s ize  th a n   th at  o n   t h e   u n p er tu r b ed   s u b s tr ate.   T h s u r f ac e   w av e   ca n   b l o w er ed   b y   p u tti n g   a   co m p lete   b an d - g ap   s tr u ctu r e   ar o u n d   th p atch   [ 5 ]   o r   b y   s y n t h esizi n g   lo w   d ielec tr ic  co n s ta n s u b s tr ate.   T h h i g h   d iele ctr ic  co n s tan t   s u b s tr ate  w i th   m icr o s tr ip   an te n n a s   r es u lted   in   co m p r es s ed   s ize  b u t h d is ad v a n ta g o f   th is   m et h o d   is   t h at  th b an d w id th   o f   h i g h   d ielec tr ic  co n s tan an te n n a s   is   n ar r o wer   th an   th b an d w id t h   o f   lo w   d ielec tr ic  co n s tan t.   B y   i n cr ea s i n g   th th ic k n es s   o f   t h s u b s tr ate,   th i s   p r o b le m   c an   b s o lv ed h o w e v er   t h is   s o lu tio n   w ill  i n cr ea s   th s u r f ac w av e s .   I n   o r d er   to   o v er co m t h i n cr ea s ed   s u r f ac w a v es  ca u s ed   b y   t h u s e   o f   th ic k   s u b s tr ate,   E B ca n   b u s ed .   T h is   ap p r o ac h   w ill  g i v m i n iat u r ized   l ev el  o f   b o th   t h b ac k   a n d   th s id lo b e,   th u s   t h er w il b an   i m p r o v e m e n i n   e n er g y   r ad iatio n   i n   t h d ir ec tio n   o f   b r o ad s id e.   Hen ce   th d ir ec tiv it y   a n d   g ai n   o f   an ten n w il l b i m p r o v ed .   I n   th i s   p ap er ,   w ap p lied   E B s tr u ct u r to   th p atch   an te n n f o r   th s u p p r es s io n   o f   t h s u r f ac e   w a v es   o n   th e   h i g h   d ielec tr ic   co n s ta n t   s u b s tr ate  o f   t h a n ten n a.   No n e   o f   th e   n ec e s s ar y   f ea t u r e,   li k t h e   b an d w id t h   an d   s m all  s ize,   w as  s ac r if iced ,   b u t h er is   i m p r o v e m en f o r   g ai n ,   d ir ec tiv i t y ,   b an d w id th   a n d   ef f icien c y .   T h E B s tr u ctu r e   b an d   g ap   h a s   b ee n   d es ig n ed   to   co v er   th r eso n an f r eq u e n c y   o f   a n te n n a,   th u s   p r ev en ti n g   th s u r f ac w a v es  p r o p ag atio n   th at  ar o r ig i n ate d   f r o m   a n ten n a.   O n ca n   i m p r o v th p er f o r m an c e   o f   an te n n b y   s h if tin g   t h lo ca tio n   o f   E B s tr u ct u r es a n d   v ar y in g   t h eir   n u m b er s .       2.   E B G   S T RUC T UR E   AND   D E SI G N     T h m u s h r o o m - lik E B s tr u ctu r e ,   w h ic h   is   actu all y   2 - D   E B s u r f ace,   w as  i n itiall y   p r o p o s ed   by   [ 3 ] T h er e   w er f o u r   p ar ts   in   th p r o p o s ed   m o d el ( a)   g r o u n d   p lan e,   ( b )   d ielec tr ic  s u b s tr ate,   ( c)   m etalli c   p atch es,  an d   ( 4 )   co n n ec ti n g   v ias.  A   d is ti n ct  f ea tu r o f   s to p b an d   w a s   ex h ib ited   b y   t h ese   E B s tr u ctu r e s   f o r   s u r f ac e - w av p r o p ag atio n .   A n   L C   f ilter   ar r a y   ca n   b u s ed   f o r   th ex p la n atio n   o f   t h o p er atio n   m ec h a n i s m   o f   th e   E B s tr u ct u r e ,   as  s h o w n   i n   Fig u r 1 ( c ) .   T h cu r r en t,  w h ich   is   f lo w in g   th r o u g h   v ia s ,   ca u s e s   th e   in d u cto r   L   ef f ec t,   w h er ea s   t h g ap   a m o n g   th n ei g h b o r in g   p atch e s   r esu l ted   in   th ca p ac ito r   C   ef f ec t.   [ 1 7 ]   d em o n s tr ated   f o r m u la  to   d eter m in e   t h v a lu es o f     L   a n d   C   f o r   an   E B s tr u ctu r e ,   s h o w n   i n   Fi g u r 1 ( a )   a n d   Fi g u r e   1 ( b ) .   W   is   th p atch   w id t h ,   g ap   w id th   i s   g ,   th ic k n es s   o f   s u b s tr ate   is   h   a n d   r   is   d ielec tr ic  co n s tan t .                                       ( a)   T o p   v ie w                              ( b )   C r o s s   v ie w                                                                           ( c )   L u m p ed   L C     Fig u r 1 .   Geo m e tr ies o f   m u s h r o o m   li k E B ( a)   T o p   v ie w   ( b )   C r o s s   v ie w   ( c)   L u m p ed   L C   t y p ical  f o r   E B an al y s is   [ 3 ]         h L o                   ( 1 )       1 ( 1 ) 2 c o s h ( ) or W Wg c g                ( 2 )     W h er μ o   is   th f r ee   s p ac p er m ea b ili t y   a n d   o   is   th f r ee   s p ac p er m itti v it y .   L ik e w i s w ca n   ca lcu late  t h f r eq u e n c y   b an d   g ap   as f o r m u la  b elo w :     1 W LC                   ( 3 )                                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       Mu s h r o o m - Like  E B to   I mp r o ve   P a tch   A n ten n a   P erfo r ma n ce   fo r   C - B a n d   S a tellite …   ( M.  K .   A b d u lh a mee d )   3877   C L W W BW 1                 ( 4 )   η   is   th i m p ed an ce   o f   t h f r ee   s p ac w h ic h   is   120   ( 3 7 7   o h m s ) .   T h E B s tr u ctu r o p er atio n   ca n   b d esig n ed   b y   an   L C   f il t er   eq u iv ale n cir cu it  m o d el  if   p er io d icity   o f   s tr u ct u r is   a s   s m all  a s   p o s s ib le  in   co m p ar i s o n   w it h   t h w av e len g t h   o f   o p er atin g   f r eq u en c y   [ 1 8 ] T h i m p ed an ce   o f   t h s tr u ct u r i s   v er y   h i g h   at  r e s o n a n f r eq u e n c y ,   an d   h e n ce   t h s tr u ct u r a v o id s   th e m i s s io n   o f   an y   s u r f ac w a v es .   T h is   r e s u lts   in   b a n d   g ap   o f   f r eq u en c y   [ 3 ] .   A n   i n cr e m en t   in   p atch   w id t h   W,   a n d   d ec r em e n i n   g ap   g,   w h ile  k ee p in g   t h h e ig h a n d   p er m it tiv it y   o f   s u b s tr ate  f i x ed ,   ca u s es  an   i n cr e m e n i n   ca p ac itan ce   th at  r es u lt s   in   t h d ec r em e n o f   th s tr u ct u r e’ s   r eso n an f r eq u e n c y .   T o   co v er   th f r eq u en c y   o f     6   GHz ,   C ST   s o f t w ar e   h a s   b ee n   u s ed   to   t u n e   t h v alu e s   o f   W   a n d   g Fi g u r e   2 ( a )   d e m o n s t r ate   th e   u n it   ce ll   o f   th m u s h r o o m - E B w it h   W   3 m m   ( 0 . 0 6 λ o ) g   0 . 3   m m   ( 0 . 0 0 6 λ o an d   v ia  d iam ete r   o f   1   m m   ( 0 . 0 2 λ o co n n ec ted   b et w ee n   th e   g r o u n d   p lan a n d   p atch   o n   R o g e r s   R T /Du r o id   6 0 1 0   s u b s tr a te   o f   h eig h t   h =2 . 2 m m   ( 0 . 0 4 4 λ o ) ,   r elativ p er m itti v it y   o f   1 0 . 2 .   T h w o r k i n g   E B b an d   w id t h   d ef i n es  a s   th f r eq u en c y   r an g w it h i n   w h ic h   th r ef lec tio n   p h ase  c h an g e s   f r o m   π /2   to   /2   as  s h o w n   i n   Fig u r 2 ( b ) ,   s o   th r eso n an f r eq u e n c y   ( 6 GHz )   at  th ze r o   r ef lec tio n   p h ases .   T h k e y   id ea   o f   t h i s   r esear ch   i s   to   s u itab l y   d esi g n   t h p atch   s ize   s u c h   th at   t h e   an te n n r eso n an t   f r e q u en c y   d r o p s   w it h i n   t h E B b an d   g ap   an d   t h e n   t h s u r f ac w a v es   co u ld   b e   p r o h ib ited .   T h b an d   g ap s   o f   3 m m   ( 0 . 0 6 λ o )   p atch es  ar s u itab le  f o r   th s id lo b an d   b ac k   r ad iatio n   r ed u ctio n s ,   w h er t h an ten n a   f r eq u e n c y   d r o p s   i n s id t h r a n g ar ea   o f   E B b an d   g ap I n   o th er   w a y ,   w e   ca n   s tate  th a th E B b an d   g ap   c an   co v er   th r eso n an ce   f r eq u e n c y   o f   th i s   d esi g n ed   an ten n a .             ( a)     ( b )     Fig u r e   2 .   ( a)   E B u n it   ce ll ( b )   R ef lect io n   p h a s f o r   th E B G   u n it c el l         3.   ANT E NNA  D E SI G AND  CO NF I G URA T I O N   W I T H   M USH RO O M - L I K E   E B G   A n te n n d esi g n h a s   b ee n   d iv id ed   in to   t w o   m ai n   p ar ts ,   in   th is   w o r k .   F ir s t ,   r elate d   to   d esig n   t h e   m u s h r o o m - l ik E B G   w ith   f r eq u en c y   b an d   g ap   th at  ca n   co v er   th r eso n an ce   f r eq u e n c y   o f   t h r ec tan g u lar   p ac h   an ten n w h ich   w a s   d esin g e d   an d   p r esen ted   in   p r ev io u s   p ar .C o n f ig u r in g   t h r ec tan g u lar   p atch   an ten n w it h   E B h as g i v e n   th i m p r o v e m en t   in   a n te n n p er f o r m an ce   wh ich   i s   s h o w n   i n   t h is   s ec tio n .     P atch   an ten n w id el y   k n o w n   as  m icr o s tr ip   p atch   an ten n a n d   lo o f   r esear ch   h as  b ee n   d o n b y   t h e   o th er   in v e s ti g ato r s   to   m a k it   u s ab le  w ith   a   s m all  s ize .   P atch   an te n n a s   ar av ailab le  in   d if f er en s h ap es  an d   s ize s .   R ec tan g u lar   p atch   is   m o s s i m p le  a n d   ea s y   to   f ab r icate .   T h s ize  o f   th a n te n n d ec r ea s es  as  th e   r elativ d ielec tr ic  co n s tan o f   th s u b s tr ate  i n cr ea s e   [ 1 9 ] I n   t h is   r esear c h ,   w d e s i g n ed   a   r ec tan g u lar   p atch   an ten n a   w it h   p r o b f ee d   o n   t h R o g er s   R T /Du r o id   6 0 1 0 ,   d i elec tr ic  co n s tan t   r =1 0 . 2   an d   t h t h ic k n e s s   o f   t h e   s u b s tr ate  i s   h =2 . 2 m m   ( 0 . 0 4 4 λ o ) .   T h len g t h s   o f   th p atch   ar 6 . 1   m m   ( 0 . 1 2 4 λ o )   b y   7 . 4   m m   ( 0 . 1 4 8 λ o ) .   B y   s u r r o u n d in g   th r ec ta n g u lar   p atch   an te n n w it h   4   co lu m n s   f o r   all  s id es ,   w s u cc e s s f u ll y   a ch iev ed   t h e   an te n n a   i m p r o v e m en b y   s u p p r ess i n g   th s u r f ac w a v es.  Stru c tu r es  o f   E B w er s ited   m o r th an   t w o   p er io d s   a w a y   f r o m   t h p atch   an ten n ed g es .   Un lik u n i - p lan ar   an d   o th er   E B Gs,  in   m u s h r o o m - li k s tr u ctu r es  t h er ar n o   in ter co n n ec ti n g   m icr o s tr ip   lin es  th at  li m it   th eir   ar r an g e m e n t   p er io d icall y .   Usi n g   th is   f ea tu r e,   th s tr u ctu r e s   o f   E B h av b ee n   s h if ted   i n w ar d s   to   th an ten n en d s ,   s o   th e   p atch   an ten n f r o m   t h le f an d   r ig h s id es   h a s   b ee n   s u r r o u n d ed   b y   4   co lu m n s   s h i f ted   i n w ar d s   g ap   o f   i ts   d esi g n   o r   0 . 3 m m   ( 0 . 0 6 λ o )   w it h   o v er all  s ize  i s   49 .2 m m   ( 0 . 9 8   λ o )   ×5 2 m m   ( 1 . 0 4 λ o )   is   as b s h o w n   i n   Fi g u r e   3.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   5 Octo b er   2 0 1 8   :   3 8 7 5     3 8 8 1   3878       Fig u r 3 .   A   r ec tan g u lar   p atch   an ten n a   s u r r o u n d ed   b y   m u s h r o o m - li k E B s tr u ct u r es       4.   R E SU L T A ND  AN AL Y SI S     I n   th p r ev io u s   s ec t io n ,   th e   d esig n   o f   th r ec tan g u lar   p atch   an ten n a ,   s u r r o u n d ed   b y   t h E B w it h   th e   b an d   g ap   w h ic h   co v er s   6 GHz   f r eq u e n c y   w as   p r esen ted Fo r   p er f o r m an ce   co m p ar is o n ,   w e   s i m u lat ed   an ten n a   s u r r o u n d ed   b y   E B an d   a n d   th o r ig in al   r ec tan g u lar   p atch   an ten n a.   T h n u m b er   o f   E B co lu m n s   th a t   s u r r o u n d ed   th an ten n is   v ar y in g   f r o m   th r ee   to   f i v e.   I is   o b s er v ed   th at  w h e n   f e w er   E B p atch   co lu m n s   (3 - co lu m n s )   w er e   u s ed ,   th i m p r o v e m e n ts   i n   t h r es u lts   w er e   n o m u c h   s i g n i f ica n t.  As  w i n cr ea s ed   th n u m b er   o f   co lu m n s   to   f o u r ,   w i th   s h i f t i n g   a n d   d eletin g   s o m o f   E B G   ele m e n ts   a s   s h o w n   i n   Fi g u r 3 ,   th p er f o r m an ce   o f   t h s tr u ct u r g o en h a n ce d   f o r   th p atch   an ten n a T h is   s i g n i f ies   th at   t h is   s tr u ctu r e   h a s   b etter   ef f ec t   f o r   th e   an t en n r e s o n a n ce   f r eq u en c y .   T h E B ca s e   w it h   f i v c o lu m n s   h a s   r elat iv el y   lar g er   s ize  a n d   lo w er   i m p r o v e m en t s   w er o b s er v ed   th an   th E GB   w it h   f o u r   co lu m n s .   T h s i m u latio n   o u tco m es  ar ar r an g ed   i n   T ab le  1   b elo w .       T ab le  1 .   Desig n s   R es u lt s   o f   E B o n   A n ten n a s   P er f o r m a n c e   C o l u mn s     D i r e c t i v i t y   ( d B i )   G a i n   ( d B )   Ef f i c i e n c y   ( %)   S 1 1 ( d B )   B a n d w i d t h   ( M H z )   ( 3 ) c o l u mn s   8 . 3 3   7 . 8 2   8 8 %   - 20   1 7 5   ( 4 ) c o l u mn s   10   9 . 8 6   9 6 . 5 %   - 31   2 3 3   ( 5 ) c o l u mn s   8 . 4   7 . 9   8 9 %   - 31   2 0 6   W i t h o u   t E B G   5 . 6 6   4 . 7 4   8 0 %   - 2 0 . 7   1 8 1       T h s i m u lated   S - p ar a m e ter   in   ter m   o f   S - 11  p r esen ted   g o o d   m atc h i n g   S - 1 1   at  6   GHz .   T h co n f i g u r atio n s   s li g h tl y   s h if te d   th r eso n an f r eq u e n c y   o f   th an ten n to   5 . 9 8   GHz   w h en   u s in g   4 - s h if ted   co lu m n s   f o r   b o th   s id es  o f   an t en n ( r i g h a n d   le f t)   w it h   g o o d   m atc h i n g   S - 1 1   o f   less   t h a n   - 31 dB .   W h ile  th e   r eso n an ce   f r eq u en c y   f o r   th a n ten n w it h o u u s in g   E B p o in ted   at  6 . 0 1   GHz   w ith   m atc h in g   S - 1 1   eq u al  to     - 2 0 . 7   d B   as sh o w n   i n   F i g u r e   4 .           Fig u r 4 .   R etu r n   lo s s   o f   t h m i c ro strip   an ten n a s   s u r r o u n d ed   b y   d if f er en t   co l u m n s   o f   E B s t r u ctu r es       F r e q u e n c y   ( G H z ) 5 . 4 5 . 6 5 . 8 6 . 0 6 . 2 6 . 4 |   S 1 1 |   ( d B )   - 3 5 - 3 0 - 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 -5 0 3 - C o l u m n s 4 - C o l u m n s 5 - C o l u m n s W i t h o u t   E B G Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       Mu s h r o o m - Like  E B to   I mp r o ve   P a tch   A n ten n a   P erfo r ma n ce   fo r   C - B a n d   S a tellite …   ( M.  K .   A b d u lh a mee d )   3879   I n   o r d er   to   co m p ar th p er f o r m a n ce   o f   a n ten n a,   t h E B s tr u ct u r e d   an ten n w a s   ad j u s ted   to   r eso n an f r eq u e n c y   a 6   GHz   an d   th i s   is   co m p ar ed   w it h   r ec tan g u lar   p atch   a n te n n w it h o u u s i n g   E B G.   T h r ad iatio n   p atter n s   f o r   t h d ir ec ti v it y   o f   b o th   a n te n n a s   is   as   d e m o n s tr ated   in   Fi g u r e   5 ( a ) .   T h r ec tan g u lar   p atch   an te n n a   w it h o u E B h as  - 7   d B   s id lo b es.  T h is   s id lo b ca u s es  r ed u ctio n   in   t h a n ten n g ai n .   A d d itio n all y t h m ai n   lo b h a s   b ea m   w id t h   o f   ar o u n d   8 7 . 3 °.  T h is   b ig   ap er tu r a n g le  w o u ld   ca u s a   r ed u c tio n   i n   t h d ir ec tiv it y   o f   a n te n n a.   T h elec tr ic  f ield   r ad iatio n   p r o p er ties   o f   t h a n te n n a   w it h   f o u r   s h if ted   co lu m n s   o f   E B o b s er v ed   th b etter   r ed u cti o n   i n   s id lo b lev el   ar o u n d   - 1 7 . 5   d B .   Fu r th er ,   th b ea m   w id t h   is   ab o u t   57 ° .   T h ese  f ea t u r es  p r o v id ed   b etter   g ain   an d   d ir ec ti v it y   i n   co m p ar is o n   to   th e   r ec tan g u lar   p atch   an ten n a   w i th   n o   E B G .   I h a s   b ee n   n o ti ce d   th at  w h e n   t h a n ten n i s   s u r r o u n d ed   b y   t h e   mu s h r o o m - l ik E B s tr u ct u r e s ,   a   r ed u ctio n   in   th e   s id lo b e s   an d   b ac k   r ad iatio n   co u ld   b o b s er v ed   an d   th er e   is   an   in cr e m e n i n   ter m s   o f   g ain   in   th e   d ir ec tio n   o f   b r o ad s id o f   t h an te n n a .   T h m ea s u r ed   g ai n   o f   a   r ec tan g u lar   p atch   an te n n w it h   E B ele m en t s   i s   9 . 8 6   d B   a n d   th d ir ec ti v it y   i s   10   d B i w h ile  t h g ai n   an d   d ir ec tiv it y   f o r   th r ec tan g u lar   an ten n w it h o u u s i n g   E B ar 4 . 7 4   d B   an d   5 . 6 6   d B i   as  s h o w n   in   Fi g u r 5 ( b )   an d   Fig u r e   5 ( c ) .       - 1 8 0 - 1 5 0 - 1 2 0 - 9 0 - 6 0 - 3 0 0 30 60 90 120 150 - 1 0 -5 0 5 10 - 1 0 -5 0 5 10 - 1 0 -5 0 5 10 - 1 0 -5 0 5 10 W i t h   E B G W i t h o u t   E B G T h e t a / D e g r e e - 1 5 0 - 1 0 0 - 5 0 0 50 100 150 G a i n   d B - 1 0 -5 0 5 10 W i t h   E B G W i t h o u   E B G                                                           ( a)                                                                                                                                                                  ( b )         ( c)     Fig u r 5 .   ( a)   R ad iatio n   p atter n   i m p r o v e m e n w i th   E B G   ( b )   I n cr ea s g ai n   ( c)   I n cr ea s d ir ec tiv it y                                    A   s u r f ac w a v ef f ec t   i n   r ad iatio n   p atter n   i s   o f te n   co n s id er ed   u n d esira b le ,   s i n ce   it  d e cr ea s th an ten n e f f icien c y   a n d   ca u s e s   an   in cr e m e n t in   t h s id lo b e.   B y   i n cr ea s i n g   th s u b s tr ate  th i ck n e s s   to   av o id   t h e   n ar r o w   b an d   w id t h   d u e   to   t h e   h ig h   d ielec tr ic  co n s ta n t ,   th s u r f ac w a v es  w ill  al s o   in cr ea s an d   th i s   p r o b lem   ca n   b s o lv ed   b y   u s i n g   E B f o r   th e   s u p p r ess i on   o f   s u ch   s u r f ac w a v es.  Fi g u r 6   s h o w s   an   i m p r o v e m e n i n   th ef f icie n c y   o f   an te n n w h e n   t h E B w a s   u s ed   to   s u r r o u n d   th r ec tan g u lar   an ten n a.   An ten n w it h o u E B h as  e f f icien c y   o f   8 0 an d   t h ef f icien c y   h as  b ee n   o b s er v ed   t o   b im p r o v ed   to   9 6 . 5 af ter   th E B in   s h i f ted   co lu m n s   co n f i g u r atio n s   w as a p p lied   o n   th v er y   s a m a n ten n a.     T h e t a / D e g r e e - 1 5 0 - 1 0 0 - 5 0 0 50 100 150 D i r e c t i v i t y   d B i - 1 0 -5 0 5 10 W i t h   E B G W i t h o u   E B G Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   5 Octo b er   2 0 1 8   :   3 8 7 5     3 8 8 1   3880       Fig u r 6.   E f f icie n c y   i m p r o v e m en b y   u s i n g   E BG       5.   CO NCLU SI O N     T h is   p ap er   p r esen ted   n o v el   ar r an g e m e n o f   th m u s h r o o m - li k E B s tr u ct u r to   av o i d   th b ad   ef f ec t s   o f   s u r f ac e   w av e   p r o d u ce d   b y   th h i g h   p er m itt iv i t y   a n d   th ick   s u b s tr ate  w it h o u t   lo s i n g   th e   s m all  s ize  o f   an ten n a.   T h n e w   d esi g n   s h o w s   a n   en h a n ce m en i n   t h g ai n ,   d ir ec tiv it y ,   b an d w id th   a n d   ef f icien c y   o f   a n ten n a   as  co m p ar ed   to   th o r ig in al  r ec tan g u lar   p atch   a n ten n a.   T h p lace m en o f   m u s h r o o m - li k s tr u ctu r e s   is   f lex ib le   w h ic h   p r o v id y et  a n o th er   ad v an ta g i n   th ap p licatio n s   o f   cu r r en d esi g n   o an te n n a .   Var io u s   r esu l ts   ar d em o n s tr ati n g   t h eir   ab ilit y   to   d ev elo p   th p atc h   an ten n p er f o r m an ce   o n   h i g h   d ielec tr ic   co n s ta n s u b s tr ate.   T h f in al  d esi g n   r ep r esen t s   g o o d   im p r o v e m en in   t h e   an ten n p er f o r m a n ce   w h er e   th d ir ec tiv it y   is   i m p r o v ed   b y   77 ( f r o m   5 . 6 6   d B to   10   d B i ),   th r ea lized   g ain   also   s h o w ed   h ig h   i m p r o v e m e n of   108 ( f r o m   4 . 7 4   d B   to   9 . 8 6   d B ) ,   th b an d w id t h   i n cr ea s ed   b y   2 9 ( f r o m   1 8 1   MH to   2 3 3   M Hz) ,   an d   at  th s a m e   ti m e ,   t h ef f icie n c y   h a s   b ee n   i m p r o v e d   f r o m   8 0 to   9 6 . 5 % .   T h o v er all  an ten n s ize  is     49 .2 m m   ( 0 . 9 8   λ o )   ×   5 2 m m   ( 1 . 0 4   λ o ).   T h ese  s tr u ct u r es  h a v v a s ap p licatio n s   i n   w ir el ess   a   an d   s atell ite   co m m u n icatio n s .       ACK NO WL E D G E M E NT S     T h is   w o r k   w a s   s u p p o r ted   b y   UT eM   Z a m ala h   Sch e m e.   T h e   au th o r s   w o u ld   also   lik to   t h an k   C en ter   f o r   R e s ea r ch   a n d   I n n o v atio n   Ma n ag e m e n t   ( C R I M) ,   C e n tr o f   E x ce lle n ce ,   UT eM ,   UT eM s   r esear ch   g r a n t   J UR N A L /2 0 1 8 /FKEKK /J 0 0 0 0 1   an d   Un i v er s it T ek n i k al  M ala y s ia   Me la k ( UT eM )   f o r   t h eir   e n co u r ag e m e n an d   h elp   in   s p o n s o r in g   t h is   s tu d y .       RE F E R E NC E S     [1 ]   O.  Ot m a n ,   e a l . ,   " A   Ne De si g n   o f   a   W id e b a n d   M in iatu re   A n ten n a   A rra y " ,   In t.   J .   El e c tr.   Co mp u t.   En g . ,   v o l.   7 ,     n o .   4 ,   p .   1 8 5 0 ,   2 0 1 7 .   [2 ]   R.   A .   A b d u lh a sa n ,   e a l .,   " In v e rted   Dia m o n d - sh a p e d   No tch e d   S u b s trate   a n d   P a tch   f o Hig h - f re q u e n c y   In terfe re n c e   o n   Ultra - w id e b a n d   A n ten n a " ,   In t .   J .   El e c tr.   Co mp u t.   En g . ,   v o l.   7 ,   n o .   6 ,   p p .   2 9 2 9 - 2 9 3 5 ,   2 0 1 7 .   [3 ]   D.  S iev e n p ip e r,   e a l .,   " Hig h - im p e d a n c e   E lec tro m a g n e ti c   su rf a c e s   w it h   a   f o rb id d e n   F re q u e n c y   B a n d " ,   IEE T ra n s .   M icr o w.   T h e o ry   T e c h . ,   v o l.   4 7 ,   n o .   1 1 ,   p p .   2 0 5 9 - 2 0 7 4 ,   1 9 9 9 .   [4 ]   F .   R.   Ya n g ,   e t   a l ,M   " A   Un ip lan a Co m p a c t   P h o to n ic - b a n d g a p   (UC - P BG S tru c tu re   a n d   it Ap p li c a ti o n f o M icro w a v e   Circu it s " ,   IEE T ra n s .   M icr o w.   T h e o ry   T e c h . ,   v o l.   4 7 ,   n o .   8 ,   p p .   1 5 0 9 - 1 5 1 4 ,   1 9 9 9 .   [5 ]   R.   G o n z a lo ,   e a l .,   " En h a n c e d   P a tch - a n ten n a   P e rf o rm a n c e   b y   S u p p re ss in g   su rf a c e   wa v e u sin g   P h o to n ic - b a n d g a p   S u b stra tes " ,   IEE T ra n s .   M icr o w.   T h e o ry   T e c h . ,   v o l.   4 7 ,   n o .   1 1 ,   p p .   2 1 3 1 - 2 1 3 8 ,   1 9 9 9 .   [6 ]   J.  S .   Co l b u r n ,   " P a tch   A n ten n a s   o n   Ex tern a ll y   P e rf o ra ted   h ig h   Die lec tri c   Co n sta n S u b stra tes " ,   IEE T ra n s .   An ten n a s P r o p a g . ,   v o l.   4 7 ,   n o .   1 2 ,   p p .   1 7 8 5 - 1 7 9 4 ,   1 9 9 9 .   [7 ]   A .   M .   S .   Dia z ,   e a l .,   " A n a l y sis  a n d   D e sig n   o f   El e c tro m a g n e ti c   Ba n d   G a p   S tru c tu re w it h   A p p li c a ti o n   in   P la n a r   A n te n n a s " ,   2 0 1 7   4 2 n d   I n t.   C o n f .   I n fra re d ,   M il l ime ter ,   T e ra h e rtz W a v e s ,   p p .   1 - 2 ,   2 0 1 7 .   [8 ]   M .   S .   M .   Isa   e a l . ,   " A n ten n a   B e a m   S tee r in g   u sin g   S e c to rize d   S q u a re   EBG " ,   J .   T e lec o mm u n .   El e c tro n .   Co mp u t .   En g . ,   v o l.   4 ,   n o .   1 ,   p p .   3 9 - 4 4 ,   2 0 1 2 .   [9 ]   M .   S .   M o h a m a d   Is a ,   et   al .,  " A n ten n a   P a tt e rn   Div e rsity   u sin g   EBG " ,   2 0 1 0   L o u g h b rg h .   A n ten n a Pro p a g .   Co n f .   L AP 2 0 1 0 N o v e mb e r ,   p p .   3 2 5 - 3 2 8 ,   2 0 1 0 .   [1 0 ]   S .   Ch e n ,   e a l .,   " S t u d y   o n   Ra d i a ti o n   P e rf o rm a n c e o f   Dip o le  An ten n a   w it h   Dia m o n d - stru c tu re   EBG   S u b stra te  F a b rica ted   b y   3 P rin t in g   T e c h n i q u e " In t .   J .   A p p l .   Ce ra m.  T e c h n o l. ,   Ja n u a ry ,   p p .   1 - 5 ,   2 0 1 8 .   [1 1 ]   A .   A lt a f ,   M .   A .   A lsu n a id i,   a n d   E.   A rv a s,  " A   No v e EB G   S tru c tu re   to   Im p ro v e   Iso latio n   in   M IM A n ten n a ,   "   IEE E   F r e q u e n c y   ( G H z ) 5 . 4 5 . 6 5 . 8 6 . 0 6 . 2 6 . 4 |   E f f i c i e n c y   | 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 W i t h   E B G   W i t h o u t   E B G   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       Mu s h r o o m - Like  E B to   I mp r o ve   P a tch   A n ten n a   P erfo r ma n ce   fo r   C - B a n d   S a tellite …   ( M.  K .   A b d u lh a mee d )   3881   p p .   1 0 5 1 0 6 ,   2 0 1 7 .   [1 2 ]   W .   Eb g   a n d   V .   Re f lec to r,   " Ga in   Im p ro v e m e n t   o f   M S A A rr a y   b y   sin g   Cu rv e d " ,   I n t.   E lec tr.   En g .   Co n g r.  I EE E p p .   4 - 7 ,   2 0 1 4 .   [1 3 ]   S .   Ya m in a n d   B.   P a n jav a rn a m ,   " M icro strip   P a tch   A n ten n a   In te g ra ted   w it h   EBG " ,   Pro c .   2 0 1 7   2 n d   I n t.   Co n f .   Co mp u t .   Co mm u n .   T e c h n o l.   ICC CT   2 0 1 7 ,   p p .   4 1 - 4 5 ,   2 0 1 7 .   [1 4 ]   J.  Zaid ,   e al . ,   " M in iat u rize d   M i c ro strip   P a tch   A n ten n a   u si n g   El e c tro m a g n e ti c   Ba n d   G a p   (EBG )   stru c tu re f o M u lt i p o rt   P a ss iv e   UH F   RF ID - T a g   A p p li c a ti o n s " ,   IEE E ,   p p .   2 4 5 9 - 2 4 6 0 ,   2 0 1 7 .   [1 5 ]   P .   Ko v á c a n d   T .   Urb a n e c ,   " E lec tro m a g n e ti c   Ba n d   Ga p   S tru c tu re s:  P ra c ti c a T ip a n d   A d v ic e   f o A n ten n a   En g in e e rs " ,   Ra d i o e n g in e e rin g ,   v o l.   2 1 ,   n o .   1 ,   p p .   4 1 4 - 4 2 1 ,   2 0 1 2 .   [1 6 ]   G .   P .   G a u th ier,  e a l .,   " M icro str ip   A n ten n a o n   S y n th e siz e d   L o w   Di e lec tri c - c o n sta n S ub stra tes " ,   IEE T ra n s .   An ten n a s P r o p a g . ,   v o l.   4 5 ,   n o .   8 ,   p p .   1 3 1 0 - 1 3 1 4 ,   1 9 9 7 .   [1 7]   D.  S iev e n p ip e r,   Hig h - Im p e d a n c e   El e c tro m a g n e ti c   S u rf a c e s,  Ph D T h e sis ,   p .   1 5 0 ,   1 9 9 9 .   [1 8 ]   Q.  R.   Zh e n g ,   e a l .,   " A   No v e Co m p a c t   S p iral  E lec tro m a g n e ti c   B a n d - g a p   (EBG S tru c tu re " ,   IEE T ra n s.  An ten n a s   Pro p a g . ,   v o l.   5 6 ,   n o .   6 ,   p p .   1 6 5 6 - 1 6 6 0 ,   2 0 0 8 .   [1 9 ]   O.  Of   a n d   H.  M .   M .   P a tch ,   " De sig n   a n d   Op ti m iza ti o n   o f   h - sh a p e d   M u lt i - b a n d   M icro str ip   P a tch   A n ten n a " ,   I n t.   J .   En g .   S c i.   M a n a g .   Res . ,   v o l.   3 ,   p p .   2 2 - 2 6 ,   2 0 1 6 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.