Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 4 ,  A ugu st  2016 , pp . 17 25 ~ 1 731  I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 4.1 069         1 725     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Micros trip Line Fed L e aky W a ve Antenn a wi th Shortin g Vias   for Wideband Systems      T V  Rama Kr ishna,  B T P   Madh av, G  Moni ca, V Janakiram,  S Md  Abid  B a sh Department o f  ECE, K  L Univ ers i ty , AP, India      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Apr 1, 2015  Rev i sed  Jun  29,  201 Accepte J u l 12, 2016      In this  work a com p lex s t ructured  s horted vias  m i cros trip leak y wa ve antenn is  des i gned and  anal ys ed. A L eak y wave an te nna is  a travel l i ng wave  structure with complex propagation cons tant . When s horting via s  are loaded   in a periodic str u cture th e fundamental  resonant mode  show so me stop band   charact e risti c s and som e  of the m odes will  strongl y  at tenu ated.  Three  differen t  t y p e of it erat ions ar e  exam ined  in  t h is work with  and withou t   defected ground  structures. The  defect ed ground  structure based leak y  wave  antenn as  are s howing better p e rform ance ch a r act eris ti cs  with res p ect t o   effic i enc y   and p h as e. A m i cro s t rip  line f eed ing  with impedance  of 50 ohms  at both  ports  are providing  excellent  impedance matching to  th e conducting   path on th e microstrip surface. The shorting  v i as are suppressing cer tain   higher order f r equency  b a nd s and  providing excellent  wide band   chara c t e risti c s with low  loss. Keyword:  Fu ndam e nt al  r e so nance   Leaky-wave  antenna    Sh ort i n g vi as   St op  ba n d   W i de ban d   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r B T P Madh av,  Profess o r, EC E De partm e nt,    K L Un iv ersity,    AP,  I ndi a .   Em a il: b t p m ad h a v@k l un iv ersity.in       1.   INTRODUCTION   The trans v e r se  slotted  rectangula r   wave guide is  a  sim p le  struct ure  that  works a s  a l eaky-wave   antenna ha ving freque ncy be am -scanni ng c a pability, with  an orthogonal polariza tion from  the conve ntional   trav ellin g-wave slo tted  an tenn a. Beca u s e of  th e po larization ,  t h e tran sv er se  slo tted  rectang u l ar wav e gu id can  scan   fro m  n ear b r o a d s id e to  en d fire if th e wav e gu id is filled   with  a  d i electric m a terial .Micro strip an t e n n a un de rwe n t  a  b r oad  ra n g of  d e vel o pm ent  si nce i t  was  p r o p o se d fi rst   by   M e nzel . T h i s   m i crost r i p  a n t e nna  h a s   typ i cal p r op erties lik e wid e  b a ndwid th.  Th ese an tenn as  m o stly o p e rate in  th e first h i g h e r m o d e . Th microstrip lea k y-wave a n tenna ha recei ve d inte nsive  Investigation since Menzel firs m a de a  m i crostri p   l eaky - wa ve a n t e nna i n   1 9 7 9   .The  m i crost r i p  l eaky - wa ve  ant e n n Us ual l y  ope rat e s i n  t h fi rst   hi g h er  o r de r   m o d e  o f  th e m i cr o s tr ip  lin e [1 ], [2 ].  Th e m i cro s t r ip  leak y - wav e  an ten n a   h a s th e m e rits o f   b e ing  low  profile   an d   h a v i n g  stru ctural si m p lic ity, a W i d e  b a n d wid t h ,  a n a rro w   b eam  wid t h ,  and  a frequ en cy scann i ng  Ab ility.  Recently, the  half-widt h  m i c r ost r ip  leaky - wave  ante nna  was also propose d and its c h aracteristics a r e ve ry  si m ilar  to  th e fu ll-wi d t h  m i cr o s trip  lin e op eratin g  in  th e mo d e   [ 3 ],[ 4 ].  The H a lf -w id th  micro s trip   leaky-wav e   antenna  has the advanta g es  of  re duce d  siz e  and a si m p ler fee d ing st ructure co m p ared to t h e Full-wi dth  micro s trip  leaky-wav e  an tenna [5 ], [6 ].     In ea rlier stage  the antenna was fed  using a n  asymme t r i c al  feedi n g st r u ct ure .  Thi s  fee d i ng  ga ve t h e   resu lt and  also p r odu ced  so me u n wan t ed  resu lts lik e b a sic fu nd am en tal  m o d e  wh ich  do es no t co n t ri bu te to   usef ul   radi at i o n. T h e n  a t e c h ni q u was  pr o pos ed t o  s u pp r e ss t h fu n d am ent a l  m ode. T h i s  pr oce d u r e i n vol ves  i n sert i n of  c o nd uct i n vi as i n  t h e m i crost r i p  a n t e n n as  [ 7 ] , [8] .   As  t h e  t echni que   was  n o t  el ab orat e d  cl e a rl y ,  i t   was not   t a ke n i n t o   acc ou nt . To o v erc o m e   thi s   d r a w bac k  i n  the s e a n tennas are  diff ere n t feedi n g techniques   were  proposed. These i n clude, Microstri p  t o  slot line,  c o plana r  wa ve  guide. B u t thes e structures al so  gave   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016    17 25  –  1 731  1 726 ri se t o  u n wa nt ed ra di at i on  w h i c h l ead s t o  t h ei r re ject i o n.  B a l un p r op ose d  t h e i n cl usi o n  of  phase  o u t  n e t w o r k   to the  fee d ing  whic h s u ccess f ully supp resse d the fundam e n tal m ode [9],[10] . T h Idea   of including phase  out   net w or k l ead t o  com p l e xi t y  in desi gn a n d anal y s i s  of t h ant e n n a. F u rt h e r i t  di st ur bs t h e basi c a dva n t age o f   micro s trip  an ten n a  it in creases th e an tenn a si ze.  Thi s  m e t hod  o f  i n se rt i n g vi as  i n v o l v es  pl aci ng  co n duct i n vi as i n si de t h e   m i crost r i p  a n t e nna  w h i c h   sup p r esses  t h un wa nt ed  f u n d a m e nt al   m ode.  Thi s  t ech ni q u e  gi ves  ri se t o   st op  ba n d   fo f u n d am ent a l   m ode I n   t h i s  st o p   ban d  t h e f u ndam e n t al   m ode i s  hi ghl y  at t e n u at e d . T h e r e i s  al s o   di sad v ant a ge  t h at  ant e nna   has t o   su ffer a little  b it in  term s o f  b a n d wid t h  [11 ] ,[1 2 ] In  th is p a p e we st ud y th d e sign   o f  su ch  an tenna and   im pro v e i t s  pe rf orm a nce by   m a ki ng t h e g r ou n d  d e fect i v e .  The  i n se rt ed  vi as gi ve ri se t o  a st o p   ba nd  fo r t h e   fund am en tal  m o d e . In  th is sto p  b a nd  the fund am en tal  m o d e  is h i ghly atten u a ted   wh ich  su ppresses the  fu n d am ent a l   mode W e  t r y  t o  im prove t h p e rf orm a nce of  ant e n n a by  i m pr o v i n g i t s  gai n  an d ba nd wi d t h of  suc h  structure  [13],[14].      2.   MATE RIAL S AND METHOD  Th e leak y-wave an ten n a s are essen tial to  p r ov id th b e nefit o f  h i gh  d i rectiv ity with ou t co m p lex  feedi ng  net w o r k .  The  sam e  thi n g can  be a c hi eve d  wi t h  a rrays also  but  for com p act struct ure, lea k y-wave   antennas are more prefe r a b le  com p ared with array  m odels. Howe ver, th ey su ffer of m a j o r li m i tatio n s  in  th eir  scann i ng  cap ab ilities, wh ich   h a v e  lim i t ed  th eir ap p lications to  d a te. Th g e o m etry o f  the  m i cro s trip  lin e feed   an tenn a with  sh orting  v i as alo n g  th e cen tre lin e is sh o w n  i n  Fi gure  1.  The arr a n g em ent  of sh o r t i ng  vi as t o   suppress s u rfa ce waves ca be obse rv e d  from  the structure. Figure 2 s h ow s the m o dified struct ure  of the   l eaky - wa ve a n t e nna  wi t h  de fe ct ed g r ou n d  st ructure  on anot her side  of the   substrate.            (a)                                                                                                                       (b)     Fi gu re  1.  M i cr ost r i p  Li ne  Fe d  Leaky   Wa ve  Ant e nna (a)  A n t e n n a St ruct ur e, ( b )  Si de  Vi e w              (a)                                                                                                                       (b)     Fi gu re 2.   M o di fi ed  M i cr ost r i p   Li ne Fed   Lea k y  W a ve   A n t e n n a wi t h  DG S, ( a ) Ant e nna   St r u ct u r e,   (b ) Si de  View       Fi gu re  3 s h o w pr o pose d  l eaky - wave  ant e nna  wi t h  m odi fi cat i o n  o f   6  sl ot s as  de fe ct ed g r ou n d   structure. The   dim e nsional characteristics of  the de signed 3  m odels are s h own in  Table 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Micro s trip   Line Fed Lea ky Wa ve An tenna  w ith  Sh ortin g Vi a s  f o r Wi d e band   S y stem s (T.  V. Ra ma  Krishn a )   1 727     Fi gu re  3.  M o di fi ed  Pr op ose d   M i crost r i p  Li n e  Fed  Lea k y   Wave  Ant e nna  w i t h  D G S,     (a)   Ant e nna  St r u ct ure ,  ( b ) Si de  V i ew      In  o r de r t o  e n h a nce t h e  st o p   b a nd  o f  t h e f u n d am ent a l   m ode, m o re sh o r t i n vi as ca be e m pl oy ed fo r   each pe riod.  The rea s on  behind this is  whe n   we  plac m o re shorting  vias the n   we will get stronge p e rt u r b a tio n to th fund am en t a m o d e To ach i ev e t h is,  we l o ad ed  a m i cro s trip  lin with   50 -oh m  i m p e d a n ce.      Tabl e 1. A n t e n n a di m e nsi ons i n   m m   L g   W g   W p   L p1  L p1  Dc P Hc  P1  Dgh  280   55  15  12   0. 1. 0. 18. 5   16       L g =len g t h of   gr oun d, leng th of  su b s t r ate, leng th   of  to tal  p a tch  W g = W i d t h  of  gr o u n d ,   wi dt h of   su bst r at e   W p = W i d t h  of  pat c h,   L p 1 ,   L p 2=l e n g t h  o f  pat c h uni t e d   st r u c t ures   D c =d iam e ter of th e v i a cylinder  P=Distance  bet w een two cylinder centre s  in s a m e  period  P 1 =Distance  be tween t w o cylinde ce ntres  in  consecutive  pe riods   H c =hei ght  of t h e cylinde D gh =d iam e ter o f  th ho le m a d e  in gro und       3.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   The ante nna  m odels are designe d and si m u lated us ing HFSS tool and  results rela ted to antenna   out put   pa ram e ters a r prese n t e d i n  t h i s  s ect i o n .  Fi gu re  4 s h ows  t h e  re fl ect i on c o e ffi ci ent   charact e r i s t i c s of  t h e   desi g n e d  ant e n n a m odel s . Th e fu ndam e nt al  reso nant  m o d e  i s  bl ocke d w i t h  t h e pr op os ed st ruct ure a nd t h e   ant e n n a m odel s  are reso nat i n g bet w ee n 6 . 2 GHz t o  8 . G H z. A n  i m pedance ba nd wi dt h of  35% i s  ac hi eve d   fr om  t h e pr o p o s ed a n t e n n a m odel   w ith  de fected ground st ruct ure.            Fi gu re  4.  R e fl e c t i on C o ef fi ci ent of t h e a n tenna m odels       Fi gu re  5 s h ow s VS WR  c h ara c t e ri st i c s of  2: 1 rat i o i n  t h d e si red  o p erat i n ban d .  Fi g u re  6 s h ows  t h e   im pedance c h a r acteristics of a n tenna m odels  with re spect  t o   ch ang e  i n  fr equ e n c y. A   stop   b a nd  at  f und amen ta l   reso na nt   m ode  i s  at t a i n ed be cause o f  m o re num ber of s h ort i n g vi as i n   t h e peri odi c st ruct ure.  Wh en  t h n u m b e o f  sh ortin g   v i as is increased  t h p h a se con s tan t   o f  fu nd am en tal  mo d e  will d e crease.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016    17 25  –  1 731  1 728     Fi gu re  5.  V S WR  Vs  Fre q u e nc y           Fi gu re  6.  Im pedance  V s  F r eq uency       Fi gu re  7,   8,  9  sh o w s t h ra di at i o n  pat t e r n  o f  t h desi g n ed  a n t e n n m odel s  at  cen t r e res o nant   fre que ncy .   A p e nci l  beam  li ke radi at i o n pat t ern i s   obt ai n e d fro m  th ese lea k y-wav e  an tenn as wh ich  are  m o re  su itab l e fo r ap p lication s  such  as lo cal mu ltip o i n t   d i strib u tion  serv ice (LMDS),  WI-MAX and  satellite   com m unications. S u ch a  bea m  cannot  be  produced effici ently with  dyna m i c scanni ng  capability in t h 2D  stru cture  o f  th e con v e n tion a l an tenn as.          Fi gu re  7.  R a di at i on Pat t e r n   o f  A n t e nna  M o d e l  1           Fi gu re  8.  R a di at i on Pat t e r n   o f  A n t e nna  M o d e l  2     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Micro s trip   Line Fed Lea ky Wa ve An tenna  w ith  Sh ortin g Vi a s  f o r Wi d e band   S y stem s (T.  V. Ra ma  Krishn a )   1 729     Fi gu re  9.  R a di at i on Pat t e r n   o f  A n t e nna  M o d e l  3       Fi gu re 1 0   s h o w t h e 3 di m e nsi o nal  radi at i on pat t e r n  of   t h e desi g n e d   ant e nna   m odel s   at   cent r e   reso na nt  fre qu ency . The p r op ose d  ant e n n a m odel  3 i s  showi n g a  m a xim u m  di rect i v i t y   of 4 . 1 4  i n  t h desi r e d   di rect i o n.           Fi gu re  1 0 . R a d i at i on Pat t e r n   o f  A n t e nna  M o d e l s  i n  t h ree  di m e nsi onal   vi e w       The s u rface c u rrent  distribut i on  of ante nna  m odels  at 7.5 GHz  is prese n ted i n  Figure  11,  12,  13.  M odel   1 i s  sh o w i n g cu rre nt   di st ri but i o n at  t h e edge s o f  fee d  l i n e an d m o re neare r  t o  t h e p o rt 1 si de c o nd uct i n g   l i n e. M o del   i s  sh owi n g  m a xi m u m  i n t e nsi t y  aro u n d  t h bo u nda ri es  of   t h e ra di at i n g s t ruct u r e.  M o de l  3 i s   showing  better current  distribution c h a r acteristics over  the surface  in uni -direction  towa rds t h e ports  whic cont ri b u t e s t h e  ad di t i onal   res ona nt  m ode i n   t h e o p e r at i n g  b a nd .           Fi gu re  1 1 . C u r r ent   di st ri b u t i o of  m odel  1 at  7. G H z           Fi gu re  1 2 . C u r r ent   di st ri b u t i o of  m odel  2 at  7. G H z   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016    17 25  –  1 731  1 730     Fi gu re  1 3 . C u r r ent   di st ri b u t i o of  m odel  3 at  7. G H z       Fig u re 14  shows th g a in  characteristics o f  th e d e sign ed   an tenn a m o d e ls with  resp ect  to  op erating   b a nd . A m a x i m u m  p eak  r e alised  g a i n   o f  15 db  is attain ed fo r  t h p r op osed   D G S m o del w h er e as  13 db  is  attain ed  for  b a sic m o d e l.          Fi gu re 1 4 . Gai n  Vs  F r e que nc y       4.   CO NCL USI O N   Design  and  analysis o f  m i cro s trip lin fed, p e ri od ic shortin g v i as structu r with DGS m o d e l is   p r esen ted  i n  this wo rk . Th e fu nd am en tal reso nan t  m o d e  is su ppr essed  in  th e pr opo sed leak y- w a v e  an tenn wi t h  m o re  nu m b er of  sh ort i ng  vi as  at  t h e   cent r o f  t h e   m i crost r i p   ra di at i ng el em ent .  Large r   ba nd wi dt wi t h   effi ci ent   refl e c t i on c o ef fi ci ent  m a kes t h i s  ant e nna  sui t a bl e f o r   wi de  ban d  a p pl i cat i ons . T h e  ad di t i onal   ad v a n t ag es like h i gh   g a in , lo sid e  and  back  lob e with lo w cro ss  p o l arizatio n   will p u ll  u p  t h is an tenn m o d e l fo r d e sired  satellite commu n i catio n  ap p lication s .       ACKNOWLE DGE M ENTS   Aut h o r s l i k e t o  ex pre ss t h ei r g r at i t ude t o war d s t h de p a rt m e nt  of EC E and m a nage m e nt  of K L   Un i v ersity fo r th eir supp ort an d  en co urage m en t d u ring   th is work . Fu rth e r au tho r s li k e  to  ex press th eir  g r atitud e  to DST th rou g h   FIST gran SR/FST/ETI-31 6 / 2 012 .       REFERE NC ES   [1]   B. T. P .  Madhav,  et a l . , “Trident Shaped Ultr a Wideband Antenna  Anal ysis b a sed on Substra t e Perm itt ivit y,   International Jo urnal of  A pplied Engineering  Research ISSN 0973-4562, vol. 8 ,  p p . 1355-1361 , 2 013.  [2]   B .  T .  P .  M a d h a v ,   et al. , “ T ap ered S t ep CP W - F e d Antenna  f o r Wideband A pplications,”  ARPN Journal o f   Engineering and  Applied S c iences , vol. 9, pp. 196 7-1973, 2014 [3]   B. T. P. Madhav,  et al. , “ C ir cular l y  Pol a riz e d  Slotted Apert u re  Antenna with Coplanar Waveguid e  Fed for  Broadband Applications,”  Journ a l of Engin eerin g Science and  Technology , vo l. 1 1 , pp . 267–277 2016.  [4]   B .  T .  P .  M a d h a v ,   et al. , “Rectan gular Microstr ip  Patch Antenna   on Liquid Cr y s tal Poly m e r Substrate,”  Journal o f   Theoretical and  Applied  Informa tion Technology , vol. 18, pp. 62– 66, 2010   [5]   M. V. Reddiah  Babu,  et al. , “C ompact Serrated  Notch Band M I MO  Antenna f o r UWB Applications,”  A RPN  Journal of Engin eering and  App l ied Scien ces , vol. 11, pp. 4358-43 69, 2016 [6]   B .  T .  P .  M a d h a v ,   et al. , “ T ap ered S t ep CP W - F e d Antenna  f o r Wideband A pplications,”  ARPN Journal o f   Engineering and  Applied S c iences,  vol. 9, pp. 196 7-1973, 2014 [7]   P. Lotf i,   et al. , “Rotatable  du al band-notch ed  U W B/trip le-b and  WLAN reconfig urable antenna,”  IEEE Antennas   Wireless Propag . Lett , vol. 12 , p p . 104-107 , 200 3.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Micro s trip   Line Fed Lea ky Wa ve An tenna  w ith  Sh ortin g Vi a s  f o r Wi d e band   S y stem s (T.  V. Ra ma  Krishn a )   1 731 [8]   B .  T .  P .  M a d h a v ,   et al. , “Liquid cr y s tal poly m er  substrate bas e d wideb a nd  tapered step an tenna,”  Leonardo  Electronic Journ a l of Pr actices a nd Technolog ies , vol. 26 , pp . 103 -114, 2015 [9]   R. F. H y neman, “Closely -s paced transverse slots in  rectangular  waveguide”,  IRE Trans. Antennas Propag ., vol.   AP-7, pp. 335–3 42, 1959 [10]   V.  H.  Rumsey , “Traveli ng w a ve  slot an tennas , ”  J .  App l .  Ph ys , vol. 24 , pp . 1358–1 365, 1953 [11]   J.  Liu,   et al. , “Modal an aly s is  of dielectric-filled r ect angular waveguide  with  transverse slots,”  IE EE T r ans.  Antennas Propag , vol. 59 , pp . 31 94–3203, 2011 [12]   B. T. P .  Madhav ,   et a l . , “CPW Fed Antenna fo Wideband Applicati ons based on  Taper e d Step G r ound and EBG  St ruc t ure, ”  India n  Journal o f  S c ience and  Techno logy , vo l. 8, pp. 1 19-127, 2015 [13]   S.  S.  M.  Re ddy ,   et al. , “As y mmetric Def ected Ground  Struct ured  Monopole Antenna for Wideband   Communication S y stems,”  Inter national  Journal of Communications Antenna  an d Propagation vol. 5 ,  pp. 256 - 262, 2015 [14]   T. V. Ramakris hna,  et al. , “Triple Band linear ly  polarized Square  Slotted Micro strip Antenn a for X – Band  Applications,”  Far East Journal  of Elec tronics a nd Communications , vol. 15, pp.  99-110, 2015 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.