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.   11 ,   No .   5 Octo b er   2 0 2 1 ,   p p .   4 2 0 2 ~ 4 2 1 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 1 i 5 . p p 4 2 0 2 - 4 2 1 3          4202       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Desig n of  m icro st rip  p a tch   a ntenna  t o   d eplo y   u n m a n ned   ae ria v ehicle   a s UE in   5 G   w ireless   netw o r k         Abu  Z a f a M d.  I m ra n 1 M o ha mm a d L utf ul H a k i m 2 ,   M d.  Ra zu  Ah m ed 3 ,   M o ha m m a d   T a riqul   I s la m 4 ,   E lia s   H o s s a in 5   1, 2, 3 De p a rtm e n o f   El e c tro n ic an d   T e le c o m m u n ica ti o n   En g in e e rin g ,   In tern a ti o n a Isla m ic Un iv e rsit y   Ch it tag o n g ,     Ku m ira Ch a tt o g ra m Ba n g lad e sh   4 De p a rtme n o f   El e c tri c a l,   El e c tro n ic an d   S y ste m   En g in e e rin g ,   F a c u lt y   o f   En g in e e rin g   a n d   Bu il E n v iro n m e n t,     Un iv e rsit y   Ke b a n g sa a n   M a la y si a ,   Ba n g i M a lay sia     5 Da ff o d il   In ter n a ti o n a Un iv e rsit y ,   Dh a k a ,   Ba n g lad e sh       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   17 ,   2 0 20   R ev i s ed   Ma r   5 ,   2 0 2 1   A cc ep ted   Mar   1 9 ,   20 2 1       T h e   u se   o f   u n m a n n e d   a e rial  v e h icle   (U A V h a s b e e n   in c re a sin g   r a p id ly   in   th e   c iv il ian   a n d   m il it a r y   a p p li c a ti o n s,  b e c a u se   o f   U A V ' h ig h - p e rf o r m a n c e   c o m m u n ica ti o n   w it h   g ro u n d   c li e n ts,  e sp e c ially   f o it in tri n sic   p ro p e rti e su c h   a a d a p ti v e   a lt it u d e ,   m o b il it y ,   a n d   f le x ib il it y .   UA V   d e p lo y m e n c a n   b e   m o n it o re d   a n d   c o n tro l led   th r o u g h   5 G   w irele s n e t w o rk   a s   u se e q u ip m e n (UE)  a lo n g   w it h   o th e d e v ice s.  A   h ig h l y   d irec ti v e   m icro strip   p a tch   a n ten n a   (M P A c o u ld   e sta b li s h   lo n g - d is tan c e   c o m m u n ica ti o n   b y   o v e rc o m in g   a ir   a tt e n u a ti o n   a n d   re d u c e   c o - c h a n n e in terf e re n c e   in   th e   li m it e d   re g io n   if   U A V   u se a   sp e c i f ic a ll y   d e d ica ted   b a n d ,   w h ich   m i g h e n h a n c e   sp a ti a ll y   re u se   o th e   sp e c tru m .   A lso ,   M P A   is  h ig h ly   re c o m m e n d e d   f o UA V   b e c a u se   o f   it lo w   we ig h t,   lo w   c o st,  c o m p a c siz e ,   a n d   f lat  sh a p e .   In   th is   p a p e r ,   w e   h a v e   d e sig n e d   a   h ig h ly   d irec ti v e   sin g le - b a n d   2 × 2   a n d   4 × 4   a n ten n a   a rra y   f o   5 . 8   G Hz   a n d   2 8   G Hz   f re q u e n c y   re sp e c ti v e l y   f o U A V   a p p li c a ti o n   in   a   f o c u to   d e p l o y   U A V   th ro u g h   5 G   w i re les n e t w o rk .   He re ,   T h e   Ro g e RT 5 8 8 0   (lo ss y m a teria u ti li z e   a a   su b stra te  d u e   to   i ts  lo w e d iele c tri c   c o n sta n t   w h ich   a c h iev e h ig h e d irec ti v it y   a n d   g o o d   m e c h a n ica sta b il it y .   In se f e e d   tec h n iq u e   u se d   to   f e e d   a n ten n a   f o lo w e rin g   in p u im p e d a n c e   w h ich   p r o v id e h ig h e a n ten n a   e ff icie n c y .   T h e   r e su lt sh o w   a   w id e b a n d w id th   o 7 0 2   M Hz   a n d   1 . 5 9 6   G Hz   f o 5 . 8   G H z   a n d   2 8   G Hz   a n ten n a   a rra y   c o rre sp o n d in g ly   w it h   a   c o m p a c siz e .   K ey w o r d s :   5 w ir eles s   co m m u n ica tio n   Hig h - d ir ec ti v it y   Mic r o s tr ip   p atch   an ten n ar r ay   UAV   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A b u   Z a f ar   Md .   I m r an   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ic  an d   T elec o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g   I n ter n atio n al  I s la m ic  U n iv er s it y   C h itta g o n g   Ku m ir a   C h atto g r a m - 4 3 1 8 ,   B an g lad e s h   E m ail:  i m r an @ ii u c. ac . b d       1.   I NT RO D UCT I O N   T h u n m a n n ed   ae r ial   v e h icle  ( UAV ) ,   co m m o n l y   k n o w n   a s   d r o n es,  h a s   b ec o m a n   i n te n s i v to p ic  o f   r esear ch   o v er   th p a s f e w   y ea r s   b ec au s o f   i ts   f le x ib ilit y ,   au to n o m y ,   a n d   w id r an g o f   ap p licatio n   f ie ld s   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   T h u s o f   U A V s   f o r   g e n er al  m u lti - d i m e n s io n al  p er f o r m an ce   an d   lo w   co s h a s   b ee n   i n cr ea s i n g   r ap id l y   i n   civ ilia n   d o m ai n   ap p licatio n s   s u ch   as  p u b lic  s a f et y ,   s u r v ei lla n ce ,   an d   m o n ito r in g ,   r e s c u o p er atio n s ,   in ter n et   o f   th i n g s   ( I o T )   c o m m u n icat io n ,   an d   telec o m m u n icatio n s   [1 ] - [ 3 ] .   Natu r al  d is aster s   s u ch   as  to r n ad o ,   h u r r ican es,  an d   f lo o d s   o cc u r   tr ag icall y   al m o s in   all  th e   co u n tr ies.  Sti ll,  w h en   t h e y   o cc u r   ex te n s i v el y ,   th e x i s ti n g   ter r estrial  co m m u n icatio n   n et w o r k   ca n   b d estro y ed   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:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   o f m icro s tr ip   p a tch   a n t en n a   to   d ep lo y   u n ma n n ed   a eria l v eh i cle  a s   UE   in   ( A b u   Za f a r   Md .   I mra n )   4203   o r   d am ag ed .   I n   t h is   s ce n ar io ,   to   en s u r p u b lic  s a f et y ,   co m m u n icatio n   is   e s s e n tial  f o r   s ea r ch   an d   r esc u e   o p er atio n s ,   UAV  d ep lo y m e n ca n   d o   th at  o p er atio n   [ 3 ] ,   [ 4 ] .   UAVs  ca n   b u s ed   f o r   i n f o r m atio n   d is s e m i n atio n   an d   co n n ec ti v it y   en h a n ce m e n ts   o f   th ter r estrial  n et w o r k   d u to   th e   ad v a n tag e s   o f   l in o f   s i g h ( L o S)   co m m u n icatio n   a n d   m o b ilit y .   UA ca n   also   b u s ed   as  b ase  s tatio n   f o r   m o b ile  ad - h o n et w o r k s   an d   in f o r m atio n   d is s e m in a tio n   o f   d ev ice  to   d ev ice  ( D2 D )   co m m u n ica tio n   [ 3 ] ,   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   D2 c o m m u n icatio n   is   a n   ef f ec tiv s o lu t io n   f o r   o f f lo ad i n g   d ata  tr af f i c,   w h ic h   in cr ea s e s   co v er ag an d   n et w o r k   ca p ac it y   [ 3 ] .   UA i s   th k e y   en ab ler   f o r   m m - w av e   co m m u n icatio n .   T h U AV  w it h   m m - w av e   co m m u n ica tio n   ca p ab ilit y   ca n   e s tab lis h   L o S c o n n ec tio n   w i th   g r o u n d   u s er s ,   w h ic h   ca n   r ed u ce   p r o p ag atio n   lo s s   at  h ig h er   f r eq u e n c y   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   T h r ap id   g r o w th   o f   m o b ile   u s er s   an d   ap p licatio n s   is   cr ea tin g   d e m a n d   f o r   f ast  d ata  r ate,   h ig h   b an d w id t h ,   lo w   late n c y   co m m u n ica tio n ,   w h ic h   ca n   b m et  t h r o u g h   th e   u s e   o f   a   5 G   f r eq u e n c y   s p ec tr u m .   T h t h ir d   g en er atio n   p ar tn er s h ip   p r o j ec ts     ( 3 G P P )   d iv id e d   5 G   f r eq u en c y   b an d   in to   b elo w   6   GHz   an d   ab o v   2 4   GHz ,   ( 2 4   GHz ,   2 6   GHz ,   2 8   GHz ,   an d   3 8   GHz )   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   UA ca n   h e lp   th n e t w o r k   p r o v id er   o n - d e m a n d   d ep lo y m en t o f   q u alit y   w ir ele s s   co m m u n icatio n   w it h   L o S.   UAVs  ar ca teg o r ized   b ased   o n   th eir   altit u d es  s u c h   as  H AP   ( h ig h   altit u d p latf o r m )   an d   L A P   ( lo w   altitu d p lat f o r m ) .   H A P   is   g e n er all y   q u asi - s tatio n ar y   an d   al titu d ab o v 1 7   k m .   O n   th e   o th er   h a n d ,   L A P   ca n   m o v v er y   f ast  a n d   f le x ib l y ,   w h er its   h eig h i s   1 0   m eter s   to   f e w   k ilo m eter s   [ 5 ] ,   [ 9 ] .   T h altitu d o f   L A P   ca n   b co v er ed   w it h   h i g h   d ir ec tiv m icr o s tr ip   p atch   an te n n ( MP A )   [ 1 0 ] .     An te n n a   d esi g n   is   cr u c ial  p ar o f   a n y   U A V   d ep lo y m e n t   f o r   w ir eles s   co m m u n icatio n .   T h p r o p er   s h ap an d   s ize  o f   th a n ten n to   f it  it  w it h i n   th b o d y   o f   U AV   is   to p   r esear ch   ar en a   f o r   in n o v atio n   i n   U A tech n o lo g y .   T h m icr o s tr ip   p atch   an te n n ca n   b u s ef u l to o l f o r   UA as a   b ase  s tatio n   o r   UE     [1 1 ] - [ 2 0 ].   T h m icr o s tr ip   p atch   an te n n f o r   5 w ir eless   co m m u n icati o n   is   ex tr e m e l y   d esira b le  b ec au s it  is   a   lo w   co s t,  lo w   p r o f ile  ea s y   to   d esig n ,   co m p ac s ize,   a n d   ea s y   i n s ta llatio n   p r o ce s s   [ 1 1 ] .   T h f lat  an d   s m al l   an ten n is   p r ef er ab le  f o r   UAV  ap p licatio n s   f o r   b ein g   ea s y   to   i m p la n o n   th s u r f ac ar ea   o f   th U A V.   An te n n ar r a y s   en h an ce   d ir ec t iv it y   a n d   g ai n .   A   h i g h l y   d ir ec t iv an te n n is   p r ef er r ed   as  it  r ed u ce s   co - c h an n el   in ter f er e n ce   an d   co v er s   lo n g   d is tan ce s   [ 2 1 ] .   Fo r   d esig n in g   U A a n ten n p ap er s   [1 1 ] - [ 2 0 ] ,   [ 2 2 ] - [ 2 8 ]   h as  b ee n   r ev ie w ed .   Yu s u f   et  a l.   [1 1 ] ,   an   E - s h ap ed   d u al - b an d   U A an te n n h as  b ee n   d esig n ed   w h o s r eso n a n t   f r eq u en c y   is   5 . 8   an d   9 . 6   GHz ,   r esp ec tiv e l y ,   b u t   it  i s   q u i te  b u l k y ,   an d   d u to   t h d u al - b a n d   b eh av io r   g ain   o f   t h a n te n n a   is   les s   w h ic h   i s   9 . 1 1   d B an d   5 . 3 7   d B r esp ec tiv el y .   Deo   et  a l.  [1 2 ]   in tr o d u ce d   a   d ip o le  an ten n a   f o r   r e s o n a n t   f r eq u en c y   o f   5 . 0 9   GHz ,   b u its   g a in   a n d   b a n d w id th   ar 4 . 3 6   d B an d   1 2 0   MH z,   r es p ec tiv el y ,   w h ic h   i s   ex tr e m e l y   lo w .   A   r ec ta n g u lar   s h ap 2 ×2   m icr o s tr ip   p atch   a n ten n ar r a y   f o r   3 . 8   GHz   r eso n an f r eq u e n c y   h a s   b ee n   p r o p o s ed   b y   Saj j a d   et  a l.   [1 3 w h er th g ai n   is   1 3 . 5   d B ,   b u b an d w id t h   is   o n l y   7 2   MH w h ic h   d o es  n o t   m ee t h m i n i m u m   b an d w id t h   r eq u ir e m e n o f   5 co m m u n ic atio n s Ka n g   et   a l.   [1 4 ] ,   p lan ar   s q u ar s e g m en t   an ten n i s   d esig n ed   f o r   th U A ap p licatio n   o f   f o u r   r eso n atin g   f r eq u e n cie s ,   w h ic h   ar 0 . 9 5   GHz ,   1 . 6   GHz ,   2 . 0 5   GHz ,   an d   2 . 4   GHz   r esp e ctiv el y   b u a n ten n g ain   i s   m ea g er   b ec au s it  r eso n a tes  o n   m u ltip le  f r eq u e n c y   b an d s .   H o r izo n tal  p o lar ized   tr i - b an d   a n ten n o f   5 7 . 7 ×1 1 7 × 2 9 . 6   m m   s ize  h as  b ee n   d esi g n ed   in   [ 1 5 ]   f o r   th e   UAV  ap p licatio n   w h er g ai n   an d   b an d w id th   ar ex tr e m el y   lo w   d u to   o m n id ir ec tio n a b eh av io r s .     A   co ax ial   f ee d   li n r ec ta n g u lar   m icr o s t r ip   p atch   a n ten n a   h a s   b ee n   p r o p o s ed   b y   t h A r p aio   et   a l.   [1 6 ]   f o r   3 . 6   GHz   r eso n an f r eq u e n c y   w h o s s iz is   ex tr e m e l y   lar g w h er b an d w id th   i s   4 0 0   MH z,   an d   t h av er ag g ai n   i s     12   d B i.  I n   w o r k   [ 1 7 ] ,   12 - el e m en p lan er   p r i n ted   ar r a y   a n ten n a   at  2 . 4 5   GHz   r eso n a n t   f r eq u en c y   p r esen ted   w it h   g o o d   g ai n   b u b a n d w id th   a n d   r etu r n   lo s s   ar lo w er .   I n   [ 1 8 ] ,     au th o r s   p r o p o s ed   co ax ial  f ee d   a n n u lar   r in g   s lo an te n n at  2 . 7 6   GHz   r eso n an f r eq u e n c y   w it h   r ad iu s   4 7 . 2   m m   an d   A r lo n   AD2 5 0 A   w it h   d ielec tr ic   co n s ta n 2 . 5   u s ed   as  s u b s tr ate  w h er b an d w id th   a n d   g ain   a r p o o r .   Saf ar o n   et  a l.   [ 19 ]   p r o p o s ed   clo v er leaf   an ten n b y   u s i n g   FR - 4   s u b s tr ate  m ater ial  at  2 . 4 5   GHz   r eso n an f r eq u en c y .   A n   in te g r at ed   f ee d   1 2 - ele m en p lan er   a n te n n a   ar r a y   is   p r esen ted   in   [ 2 0 ]   w h ich   r eso n ate   at  2 . 4 7   GHz   f r eq u en c y   w i t h   1 1   d B g ain   b u t   b an d w id t h   is   o n l y   4 0   MH z.   T h an te n n ar r a y s   d esi g n ed   f o r   h ig h er   2 8   GHz   f r eq u en c y   ar r ev ie w ed   b elo w .     A   co r p o r ate  s er ies  f ee d   r ec tan g u lar   p atch   a n ten n ar r a y   is   p r esen ted   f o r   2 8   GHz   r eso n an f r eq u en c y   b y   Mo h a m ed   an d   Am m o r   [ 2 2 ]   w h er an te n n g ai n   is   o n l y   1 7 . 1   d B   b u an ten n s ize  i s   lar g e.   Nd ip   et  a l.   [ 2 3 ] ,   h as  b ee n   d esig n ed   f o u r   elem en ts   an te n n ar r ay   o f   2 8   GHz   o p er atin g   f r eq u en c y   w h o s g ain   an d   b an d w id th   ar 1 2 . 2   d B an d   0 . 9   GHz ,   r e s p ec tiv el y ,   w h er th s ize  o f   th an ten n is   n o s p ec i f ied .   A   r ec ta n g u lar   p atc h   an ten n ar r a y   h as  b ee n   p r o p o s ed   in   p ap er   [ 2 4 ]   th at  h as  g ai n   o f   o n l y   1 1 . 2   d B an d   co ax ial  f ee d   u s ed   to   f ee d   th a n ten n w h er A r izac a - c u s ic u n et  a l.  [ 2 5 ]   i n tr o d u ce d   co r p o r ate  s er ies  f ee d   16 - ele m e n r ec tan g u lar   p atch   a n ten n f o r   2 8   GHz   r eso n an f r eq u en c y   w it h   1 7   d B   g ain ,   b u t   r etu r n   lo s s   a n d   b an d w id t h   ar o n l y     1 6 . 3 7   d B   an d   0 . 3   GHz   r esp ec tiv el y .   K h ab b et  a l.   [ 2 6 ] ,   1 0   ele m e n ts   b ea m - s teer i n g   a n te n n a   ar r a y   h as   b ee n   d esig n ed   w h o s r eso n a n f r eq u en c y   is   2 8   GHz ,   w h er th g ain   is   1 6 . 5   d B ,   b u th an ten n s ize  is   h e f t y   a n d   f ee d   b y   m icr o s tr ip   lin e.   lin f e ed   tech n iq u is   also   u s ed   in   2 ×2   s lo p atch   an ten n ar r a y   p r o j ec ted   b y   Yo o n   an d   Seo   [ 2 7 ]   f o r   2 8   GHz   r eso n an f r eq u e n c y   w h er t h g a in   i s   o n l y   1 4 . 3   d B i.  Gh ar b et  a l.  [ 2 8 ] ,   r ec o m m e n d ed   t w o   4 ×1   an d   2 ×2   r ec tan g u lar   p atch   an te n n as  w h er th g ai n   is   1 3 . 2   an d   1 3 . 3   d B i   r esp ec tiv el y .   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.  11 ,   No .   5 Octo b e r   2 0 2 1     4 2 0 2   -   4213   4204   Gen er all y ,   U A V   u s es   f i x ed   o p er atin g   f r eq u e n c y   f o r   co m m u n icat io n .   P r esen tl y   5 . 8   GH i s   o n o f   th p o p u lar   c h o ice s   f o r   th e   d esig n er .   I n   p ap er   [ 1 1 ] - [ 2 0 ] ,   th er h as  b ee n   ta k e n   v ital   s tep   f o r   d esig n i n g   an ten n b elo w   6   GHz   f r eq u e n c y   b u t   d u to   m u lti - b an d   o r   f ee d li n i m p ed an ce   m i s m atc h ,   t h g ain   o f   th e   an ten n d eg r ad es  o r   r ed u ce d   an ten n o p er a tio n al  b an d w id th   d u to   in ap d esig n   p ar a m e ter .   A   s in g le  b an d   an ten n w i th   p r o p er   f ee d - li n i m p ed an ce   m atc h in g   ca n   ac h i ev h i g h er   g ai n   a n d   b etter   o p e r atio n al  b an d w id th .   A   U AV,   w h ich   is   o p er ated   at  5 . 8   GHz ,   m a y   s a tis f y   th e   5 w ir ele s s   co m m u n icatio n   r eq u i r e m en t s .   B u s o o n ,   w w il h a v to   m o v to w ar d s   h i g h er   f r eq u en c y   f o r   ac h ie v in g   m o r lo w er   late n c y   a n d   w id er   b an d w id th   s o   th at  w ca n   m ee t 5 r eq u ir e m en t c o m p letel y ,   2 8   GHz   is   o n e   o f   th m o s t a ttra cti v h ig h er   f r eq u en c y   b a n d s .   I n   p ap er   [ 2 2 ] - [ 2 8 ]   th er h a s   b ee n   d esi g n ed   d if f er e n m icr o s tr ip   p atch   a n te n n a   ar r a y   f o r   f u tu r u p co m i n g   5 ap p licatio n   f o r   th 2 8   GHz   f r e q u en c y   s p ec tr u m .   I n   th is   p er s p ec ti v e,   w h a v p r esen ted   m icr o w a v a n d   m m - w av e   an te n n w it h   t h eir   p ar a m eter s   t o   f o cu s   o n   U A d ep lo y m en   in   5 w ir eles s   co m m u n ica tio n .   A   co m p ar ati v an a l y s is   i s   also   s tated   to   p r io r itize   mm - w av co m m u n icatio n   w it h   r esear ch   f i n d in g s .   A   co m p a ct  s ize,   h i g h   d ir ec tio n al  m icr o s tr ip   p atch   an te n n a   ar r ay   o f   5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   r eso n an f r eq u en c y   is   p r o p o s ed   in   th is   p ap er .   T h d esig n   a d d r ess ed   n ice  m i x   u p   o f   h ig h   d ir ec ti v it y   as  w e ll  as  w id b an d w id t h   w it h   a   co m p ac s ize  w h ic h   i s   ac h i ev ed   b y   i n s et  f ee d   tech n iq u e   [ 29 ] [ 3 0 ] s u b s tr at m ater ial   w it h   lo w er   d ielec tr ic  co n s ta n t   [ 2 3 ]   an d   o p ti m ize   d esig n   p ar a m eter s On l y   h i g h   d ir ec tiv it y   a n d   f ix ed   o p er atin g   f r eq u en c y   ca n   m iti g ate  th co - ch a n n el  i n ter f er e n ce   f o r   an   Un m an n ed   A e r ial   Ve h icle  o f   co m p lex   i m p le m en tat io n   p r o ce d u r es  a n d   h a n d o f f   s ce n ar io s   f o r     5 w ir eless   co m m u n icatio n s   [ 21 ] .   No tab l y ,   w id b an d w id t h   w il l i n cr ea s e   co v er ag e   an d   ca p ac it y   w h er s m al l s ize  r ed u ce s   co s t a n d   an te n n i n s tallatio n   s p ac e,   w h ic h   is   v ital p o in f o r   s m all  s ize  U A V.   T h r est  o f   th e   p ap er   is   ar r a n g ed   i n   t h f o llo w i n g   w a y .   Se ctio n   2   d is c u s s es   t h a n te n n a   d esig n   i n   d etail.   I n   s ec tio n   3 ,   t h o u tp u o f   t h p r o p o s ed   an ten n i s   p r esen ted   w it h   a n al y s is   a n d   s ec tio n   4   d r a w s   a   co m p ar is o n   o f   t h p r o p o s ed   a n ten n w it h   r ec en w o r k   [ 1 1 ] - [ 2 0 ] ,   [ 2 2 ] - [ 2 8 ] .   Sectio n   5   co n clu d es th p ap er .       2.   ANT E NNA  D E SI G N   T h r ec tan g u lar   p atc h   a n te n n a   is   c h o s e n   a s   t h a n te n n s h ap b ec au s e   it  p r o v id es   b etter   r e s u lt s   [ 31 ] .   T h an ten n p ar a m eter s   h a v ca lcu late d   b y   u s i n g   eq u atio n   ( 1 ) - ( 1 1 )   [ 2 9 ] ,   [ 3 2 ] .   W i d th   o f   th an ten n a,     2 2 + 1               ( 1 )     w h er e,     R eso n a n t f r eq u en c y   c   Velo cit y   o f   li g h t     =   Su b s tr ate  d ielec tr ic  co n s ta n t   An te n n le n g th   ca lc u lated   b y ,     2                   ( 2 )     T h ef f ec ti v len g t h     an d   its   d ev iatio n   ca lc u lated   b y   u s i n g   th eq u atio n .     2 + 1 2 + 1 2 1 + 12 1 2           ( 3 )     0 . 412 (  + 0 . 3  0 . 258 ) ( + 0 . 264 + 0 . 8 )             ( 4 )     Hig h t o f   t h S u b s tr ate  ca lcu lat ed   b y   ( 5 ) .     0 . 0606     ( 5 )     W h er w a v ele n g t h ,                     ( 6 )     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:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   o f m icro s tr ip   p a tch   a n t en n a   to   d ep lo y   u n ma n n ed   a eria l v eh i cle  a s   UE   in   ( A b u   Za f a r   Md .   I mra n )   4205   I n   th ca s o f   an te n n d esi g n ,   f ee d in g   tech n iq u is   v er y   i m p o r tan b ec au s p r o p er   i m p ed an ce   m atc h in g   in   th e   f ee d   li n ca n   en s u r n o   r ef lectio n   b ac k   f r o m   a n te n n a   w h ich   in cr ea s es   a n t en n a   ef f icie n c y   [ 2 9 ] .   I n s et  f ee d   tech n iq u p r o v id es l o w est r et u r n   lo s s   an d   h ig h es t g ain   [ 3 0 ].   I n s et  f ee d   d ep th   an d   n o tch   g ap   ca lcu lated   b y   ( 7 ) ,   ( 8 ) ,      0 . 822 ×  2         ( 7 )      2  × 4 . 65 × 10 12           ( 8 )     W id th   o f   5 0   f ee d   lin ca lc u l ated   b y   ( 9 ) ,      120    ( 1 . 3 93 + + 2 3 ln ( + 1 . 444 ) )               ( 9 )     Sin g le  an ten n g r o u n d   p lan e   d im e n s io n   ca lc u lated   b y   ( 1 0 )   an d   ( 1 1 ) ,   w id th   o f   t h g r o u n d   is     len g th   o f   th g r o u n d   i s     .     6 +             ( 1 0 )     6 +               ( 1 1 )     T h R o g er   R T 5 8 8 0   ( lo s s y )   is   ch o s en   a s   s u b s tr ate  m ater ial   b ec au s o f   it s   lo w   d ielec tr ic   co n s ta n t,   w h ic h   p r o v id es   h ig h er   d ir ec tiv it y   a n d   lo w   co s w ith   a v aila b ilit y   [ 2 3 ] .   Dielec tr ic  c o n s tan t   an d   lo s s   tan g e n o f   th s u b s tr a te  is   2 . 2   an d   0 . 0 0 0 9 ,   r esp ec tiv el y .   T ab le  1   s h o ws  th e   p ar a m eter s   l is o f   s in g le   an te n n a s   f o r   b o th     5 . 8   GHz   an d   2 8   G Hz  r eso n a n f r eq u e n c y ,   an d   Fi g u r e   1   s h o w s   th e   f r o n v ie w   o f   s in g le  a n te n n a   f o r   b o th   f r eq u en c ies.  C ST   m icr o w a v s tu d io   u s ed   f o r   d esig n in g   an d   s i m u lati n g   al l th a n te n n a s .         T ab le  1 .   Sin g le  an ten n p ar a m eter   lis t f o r   b o th   5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   r eso n an t f r eq u e n c y   P a r a me t e r s   V a l u e   f o r   5 . 8   G H z   ( mm )   V a l u e   f o r   2 8   G H z   ( mm )   P a r a me t e r s   V a l u e   f o r   5 . 8   G H z   ( mm )   V a l u e   f o r   2 8   G H z   ( mm )   Wp   2 0 . 6 5   4 . 8   Wf   2   0 . 3 1   Lp   1 5 . 8 1   3   G a p   0 . 8 2   0 . 1   Wg   3 3 . 6 2   8 . 7 8   hp   0 . 0 3 5   0 . 0 3 5   Lg   2 8 . 7 9   7   h   2 . 1 6   0 . 6 6   Fi   4 . 1   0 . 5 1                 Fig u r 1 .   Fro n t v ie w   o f   s i n g le  an ten n f o r   b o th   5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   r eso n an t f r eq u e n c y       T o   ac h iev h i g h   d ir ec tiv it y   an d   g ain ,   w h a v d esig n ed   an   an ten n ar r a y   to o .   Fig u r 2   s h o w s   f r o n t   v ie w   o f   2 ×2   an te n n f o r   b o th   5 . 8 3   GHz   an d   2 8   GHz   f r eq u en c y .   I n   T ab le  2   p ar am eter s   l is o f   2 ×2   an te n n a   ar r ay   i s   g i v e n .   T h atten u ati o n   d u to   r ain ,   clo u d ,   an d   f o g   in cr ea s e s   ex p o n e n tiall y   with   t h in cr ea s o f   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.  11 ,   No .   5 Octo b e r   2 0 2 1     4 2 0 2   -   4213   4206   o p er atin g   f r eq u e n c y   [ 3 3 ] .   T h e   p r o b lem ,   as  m e n tio n ed   ea r lie r ,   ca n   b s o lv ed   b y   in cr ea s in g   an ten n g ai n   [ 3 4 ] .   T h at’ s   w h y   w h a v d esi g n ed   an o th er   4 ×4   m icr o s tr ip   p atch   an te n n f o r   2 8   GHz   f r eq u e n c y .   Fi g u r 3   s h o ws   th f r o n t   v ie w   o f   th e   an ten n a.   W h er x =2 . 3 2   m m ,   y =4 . 3 9   m m ,   W f 4 = 0 . 6   m m ,   W f 5 =1 . 0 1   m m ,   a n d   t h e   d i m en s io n   o f   t h a n ten n i s   3 0 . 1 4 ×3 2 . 0 4   m m 2 .           Fig u r 2 .   Fro n t v ie w   o f   2 ×2   an ten n ar r a y   f o r   b o th   5 . 8 3   GH an d   2 8   GHz   f r eq u en c y       T ab le  2 .   L is t o f   2 x 2   an te n n ar r ay   p ar a m eter s   f o r   b o th   5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   f r eq u en c y   P a r a me t e r s   V a l u e   f o r   5 . 8   G H z   ( mm )   V a l u e   f o r   2 8   G H z   ( mm )   P a r a me t e r s   V a l u e   f o r   5 . 8 3   G H z   ( mm )   V a l u e   f o r   2 8   G H z   ( mm )   x   1 3 . 4   1 . 2   Wf 2   1 . 0 2   0 . 5 7   y   1 5 . 6 6   4   Wf 3   5 . 1 2   0 . 5 7   Wf 1   1 . 6 3   0 . 2 4   W   6 7 . 6 7   1 4 . 8 0   L   6 5 . 5 2   1 6 . 0 4                 Fig u r 3 .   Fro n t v ie w   o f   4 ×4   an ten n ar r a y   at  2 8   GHz   f r eq u e n c y       3.   RE SU L T A ND  D I SCU SS I O N   I n   th i s   s ec tio n ,   w d is c u s s   th an ten n r etu r n   lo s s ,   v o ltag s t an d in g   w av r atio ,   d ir ec tiv it y ,   g ain ,   a n d   r ad iatio n   p atter n .   C o m p ar i s o n   o f   d if f er en t e le m e n t a n te n n f o r   5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   s h o w n   in   T ab les 3   an d   4 ,   w h er a n   a s s es s m en o f   t h e x is ti n g   an ten n s ets   w it h   th e   r ec o m m e n d ed   5 . 8 3   GHz   2 ×2   an ten n a   ar r a y   an d   th e   2 8   GHz   4 ×4   an ten n ar r a y   is   s h o w n   i n   T ab les 5   an d   6 .     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:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   o f m icro s tr ip   p a tch   a n t en n a   to   d ep lo y   u n ma n n ed   a eria l v eh i cle  a s   UE   in   ( A b u   Za f a r   Md .   I mra n )   4207   T ab le  3 .   C o m p ar is o n   o f   s in g le  ele m e n t a n d   2 × 2   an ten n ar r ay   f o r   5 . 8   GHz   f r eq u en c y   b a n d   A n t e n n a   S i z e   mm 2   R e so n a n t   F r e q u e n c y   ( G H z )   R e t u r n   l o ss   ( d B )   B a n d w i d t h   ( M H z )   D i r e c t i v i t y   ( d B i )   G a i n   ( d B )   si n g l e   3 3 . 6 2 × 2 8 . 7 9   5 . 8   45   2 8 0   7 . 8 1   8 . 0 2   2 x 2   A r r a y   6 7 . 6 7 × 6 5 . 5 2   5 . 8 3   45   7 0 2   12   12       T ab le  4 .   C o m p ar is o n   o f   s in g le  ele m e n t,  2 ×2   an ten n ar r a y ,   an d   4 ×4   an ten n ar r a y   f o r     2 8   GHz   f r eq u en c y   b a n d   A n t e n n a   S i z e   mm 2   R e t u r n   l o ss (d B )   B a n d w i d t h   ( M H z )   D i r e c t i v i t y   ( d B i )   G a i n   ( d B )   si n g l e   8 . 7 8 × 6 . 9 9   41   2 . 3 5 1   8 . 2 3   8 . 3 7   2 × 2   A r r a y   1 4 . 7 8 × 1 6 . 0 4   2 8 . 5   1 . 9 5   1 3 . 2   1 2 . 8   4 × 4   A r r a y   3 0 . 1 3 × 3 2   3 0 . 3   1 . 5 9 6   1 8 . 4   1 7 . 9       T ab le  5 .   C o m p ar is o n   o f   ex i s ti n g   b elo w   6   GHz   U A an ten n an d   p r o p o s ed   5 . 8 3   GHz   2 ×2   an ten n ar r a y   R e f .   A n t e n n a   D e scri p t i o n   S i z e   R e so n a n t   f r e q u e n c y   ( G H z )   R e t u r n   l o ss   ( d B )   B a n d w i d t h   ( M H z )   G a i n   ( d B i )   [ 1 1 ]   1 × 4   E - S h a p e   M P A   2 2 × 4 . 6 × 0 . 1 6 7   c m 2   5 . 8   2 0 . 3 6   1 8 9 . 8   9 . 1 1   9 . 6 5   1 9 . 2 6   5 4 5 . 8   5 . 3 7   [ 1 2 ]   D i p o l e   a n t e n n a   i n c l u d i n g   me t a l l i c   r e f l e c t o r   4 8 × 4 0 × 2 2 . 5 2   mm 2   5 . 0 9   32   1 2 0   4 . 3 6   [ 1 3 ]   2 × 2   M P A   a r r a y   --   3 . 8   26   72   1 3 . 5   [ 1 4 ]   S e g me n t e d   l o o p   a n t e n n a   7 5 × 7 5 × 0 . 8   mm 3   0 . 9 5   20   20   0 . 9   1 . 6   2 0 >   1 1 7 9   3 . 9 4   2 . 0 5   3 . 0 5   2 . 6 1   2 . 5 2   [ 1 5 ]   F o l d e d   p a t c h   a n t e n n a   w i t h   v e r t i c a l   sl o t   i n si d e   me t a l   b o x   5 7 . 7   × 1 1 7 × 2 9 . 6   mm 3   0 . 8 4 3   16   7   1 . 5   1 . 4 4 4 5   25   45   3   2 . 4   18   2 6 1   4   [ 1 6 ]   2 × 2   M P A   a r r a y   1 0 0 × 1 0 0   c m 2   3 . 6   20   4 0 0   12   [ 1 7 ]   12 - e l e me n t   a n t e n n a   a r r a y   3 9 . 6 × 1 1 . 6   c m 2   2 . 4 5   17   50   2 1 . 4 d B   [ 1 8 ]   A n n u l a r   r i n g   sl o t   a n t e n n a   R a d i u 4 7 . 2   mm   2 . 6 7   31   70   2 . 5   [ 1 9 ]   4 - b l a d e   c l o v e r l e a f   a n t e n n a   R a d i u 8 8   mm   2 . 4 5   19   1 0 0   6 . 3 8   [ 2 0 ]   12 - e l e me n t   a n t e n n a   a r r a y   w i t h   i n t e g r a t e d   f e e d   4 5 8 . 8 × 1 6 1 × 1 . 2 7   mm 3   2 . 4 7   14   40   11   P r o p o se d   2 × 2   M P A   a r r a y   6 7 . 6 7 × 6 5 . 5 1   mm 2   5 . 8 3   45   7 0 2   1 2 d B       T ab le  6 .   C o m p ar is o n   o f   th e x is ti n g   2 8   GHz   m icr o s tr ip   p atc h   an te n n ar r a y   an d   p r o p o s ed   4 ×4   an ten n ar r a y   R e f .   A n t e n n a   D e scri p t i o n   S i z e   ( mm 3 )   R e so n a n t   f r e q u e n c y   ( G H z )   R e t u r n   l o ss   ( d B )   B a n d w i d t h   ( G H z )   G a i n   ( d B i )   [ 2 2 ]   16 - e l e me n t   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   a r r a y   88 × 25 × 0 . 7 8   2 7 . 8 5   6 2 . 3 1   d B   2 . 5 2   1 7 . 1   d B   [ 2 3 ]   2 × 2   M P A   a r r a y   -   28   3 6   d B   0 . 9   1 2 . 2   [ 2 4 ]   2 × 2   M P A   a r r a y   7 . 0 7 × 3 1 . 6 7 7   mm 2   28   2 1 . 4 4   -   1 1 . 2   [ 2 5 ]   4 × 4   M P A   a r r a y   3 0 . 6 5 × 3 9 . 3   mm 2   28   1 6 . 3 7   0 . 3   1 7   d B   [ 2 6 ]   1 × 1 0   M P A   a r r a y   60 × 100 × 0 . 7   28   35   1 . 2   1 6 . 5   [ 2 7 ]   2 × 2   U - sl o t   M P A   a r r a y   4 1 . 3 × 46 × 0 . 5   28   40   4 . 1 4   1 4 . 3   [ 2 8 ]   1 × 4   M P A   a r r a y   2 1 . 6 × 3 1 . 6 × 0 . 5 0 8   28   62   2 . 1 5   1 3 . 2   2 × 2   M P A   a r r a y   2 2 . 8 × 1 9 . 2 × 0 . 5 0 8   34   1 . 3   1 3 . 3   p r o p o se d   4 × 4   M P A   a r r a y   3 0 . 1 3 × 32 × 0 . 5   28   3 0 . 3   1 . 5 9 6   1 7 . 9   d B       3 . 1   Ret urn - lo s s   An te n n r et u r n   lo s s   o r   S1 1   p ar a m eter   is   p lo t h at  d e n o te s   th e   r atio   o f   t h r ef lecte d   p o w er   to   t h in cid en p o w er   w it h   d B   u n it .   A t h s a m ti m e,   it  d escr ib es  h o w   m u c h   an ten n m atch e s   w ith   tr an s m i s s io n   lin o r   d ev ice,   t h lo w er   it   is ,   t h b etter   t h m atc h   w i ll b [ 3 2 ] .   Fig u r 4   s h o w s   th e   r etu r n   lo s s   p lo t o f   5 . 8   GHz   s in g le  a n d   2 ×2   ar r ay   an ten n a   w h er th ar r a y   a n te n n r es o n an f r eq u e n c y   m o v e s   s l ig h t l y   to w ar d s   u p p er   at  5 . 8 3   GHz   d u to   ar r ay   an te n n f ee d - li n m is m atc h   b u it  s t ill  in   ac ce p tab le  le v el.   W ith   S 1 1   < - 1 0 d B   c r iter ia  th b an d w id t h   o f   t h 2 ×2   ar r ay   a n ten n is   7 0 2   MH z.   Fig u r e   5   s h o w s   t h r et u r n   lo s s   p lo o f   2 8   GHz   a n te n n a   f o r   d if f er e n ele m en t s   w h er t h b an d w id th   o f   t h 4 ×4   an ten n ar r a y   is   1 . 5 9 6   GHz   u s in g   S 1 1 < - 1 0   d B   cr iter ia.   Fig u r es  4   an d   5   s h o w s   th a t h r etu r n   lo s s   at  t h r eso n a n t   f r eq u en c y   o f   2 ×2   an te n n ar r ay   at  5 . 8 3   GHz   is     - 4 5   d B ,   o n   th o th er   h a n d ,   th e   4 ×4   an ten n ar r a y   at  2 8   GHz   h as  - 3 0   d B   r etu r n   lo s s .   I cla r if ies  t h at  r ad iatio n   at  5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   r eso n an t f r eq u e n c y   is   q u ite  ac ce p tab le  an d   h ig h .   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.  11 ,   No .   5 Octo b e r   2 0 2 1     4 2 0 2   -   4213   4208       Fig u r 4 .   R etu r n - lo s s   p lo t o f   s i n g le  a n d   2 ×2   an ten n ar r a y   f o r   5 . 8   GHz   f r eq u en c y           Fig u r 5 .   R etu r n - lo s s   p lo t o f   s i n g le, 2 ×2   an d   4 ×4   an ten n ar r ay   f o r   2 8   GHz   f r eq u en c y       3 . 2   Vo l t a g e   s t a nd ing   w a v ra t io     T h v o ltag s ta n d in g   w a v r atio   ( VSW R )   p ar a m eter   o f   th a n te n n a   in d icate s   h o w   m u ch   o f   a n   an ten n is   i m p ed an ce   m atc h e d   w ith   it s   r ad io   o r   tr an s m i s s io n   lin [ 32 ] .   Fo r   5 w ir eles s   co m m u n icatio n ,   t h e   v alu o f   VSW R   s h o u ld   b b e t w ee n   1 - 2 ,   an d   t h lo w er   t h v alu e,   t h b etter   th a n ten n w il m atc h   w it h   t h e   tr an s m is s io n   li n e.   T h v al u o f   t h id ea f ield   i s   1 ,   w h ic h   i n d icate s   th at   n o   p o w er   i s   r ef lecte d   f r o m   th e   an ten n a.   F ig u r es  6   a n d   7   s h o w   t h V SW R   p lo ts   o f   all  d esi g n ed   5 . 8 3   GHz   an d   2 8   GHz   a n ten n r esp ec ti v el y ,   w er i n   all  f ie ld s   VSW R   i s   clo s to   1   w h ic h   i s   an   id ea l v al u e.     3 . 3   Dire ct iv i t y   a nd   g a in   Dir ec tiv it y   o f   th e   an te n n i n d i ca tes th e   m a x i m u m   g ai n   i n   d ir ec tio n .   I f   a n   an ten n r ad iates   ev en l y   i n   all  d ir ec tio n s ,   t h en   i h a s   ze r o   d ir ec tio n alit y ,   a n d   th d ir ec tiv it y   i s   1   o r   0   d B .   I n   co n tr as t,  th an ten n g ain   s h o w s   h o w   m u ch   p o w er   th an ten n ca n   tr a n s m it  to w ar d s   p ea k   r ad iatio n   co m p ar ed   to   t h is o tr o p ic  s o u r ce   [3 2 ].   5 co m m u n icatio n   r eq u ir es  h i g h   d ir ec tiv it y   a n d   g ain   f o r   o v er co m i n g   atte n u a ti o n   an d   i n cr ea s i n g   co m m u n icatio n   r a n g e.   T h p r o p o s ed   5 . 8 3   GHz   2 × 2   an ten n ar r a y   an d   2 8   GHz   4 ×4   an ten n ar r a y ,   h av e   ac h iev ed   1 2   d B an d   1 8 . 4   d B d ir ec tiv it y   r e s p ec tiv el y ,   a n d   1 2   d B   an d   1 7 . 9   d B   g ain   co r r e s p o n d in g l y .   Hi g h er   d ir ec tiv it y   is   ac h ie v ed   b ec au s th a n te n n r e s o n ate s   at  o p t i m u m   f r eq u e n c y   b an d   to w ar d s   s i n g le  d ir ec tio n   an d   s u b s tr ate  m ater ial  i s   u s e d   w it h   lo w er   d ielec tr ic  co n s tan [ 2 3 ] .   T a b l es  3   an d   4   s h o w   t h g ai n   an d   d ir ec tiv it y   o f   th al l 5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   an ten n as.           Fig u r 6 .   VSW R   p lo t o f   s in g le   an d   2 ×2   an ten n ar r a y   f o r   5 . 8   GHz   f r eq u e n c y   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:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   o f m icro s tr ip   p a tch   a n t en n a   to   d ep lo y   u n ma n n ed   a eria l v eh i cle  a s   UE   in   ( A b u   Za f a r   Md .   I mra n )   4209       Fig u r 7 .   VSW R   p lo t o f   s in g le ,   2 ×2   an d   4 × 4   an ten n ar r a y   f o r   2 8   GHz   f r eq u en c y       3 . 4   E f f iciency   T h an ten n e f f icien c y   i s   t h r atio   o f   th p o w er   d eliv er ed   to   th a n ten n a n d   th r ad iated   p o w er   f r o m   th a n te n n a.   Hi g h   ef f icie n c y   m ea n s   t h at   th e   m ax i m u m   i n p u p o w er   o f   t h a n te n n a   h a s   b ee n   r ad iated   [ 3 2 ] .   Fo r   5 w ir eless   co m m u n ica tio n ,   ef f icie n c y   n ee d s   to   b ab o v 7 0 %.  T h e f f icien c y   o f   th r ec o m m e n d ed     5 . 8 3   GHz   2 ×2   an ten n ar r a y   is   9 9 %,  an d   th ef f icie n c y   o f   2 8   GHz   4 × 4   an ten n ar r a y   i s   8 8 . 5 w h ic h   is   a   g o o d   v alu w h er in s e f ee d   tech n iq u w i th   p r o p er   i m p ed an ce   m atch in g   p la y   v i tal  r u le   [ 29 ] ,   [ 3 0 ] .     Fig u r es 8   an d   9   s h o w   t h ef f ic ien c y   v s   f r eq u e n c y   p lo t f o r   5 . 8   GHz   an d   2 8   GHz   f r eq u en c y   r esp ec tiv el y .           Fig u r 8 .   E f f icie n c y   v s   f r eq u e n c y   p lo t f o r   5 . 8 3   GHz   f r eq u en c y           Fig u r 9 .   E f f icie n c y   v s   f r eq u e n c y   p lo t f o r   2 8   GHz   f r eq u e n c y       3 . 5   Ra dia t io n   pa t t er n   T h r ad iatio n   p atter n   o f   th an ten n i n d icate s   t h d ir ec tio n al   ( an g u lar )   d ep en d en ce   o f   th s tr en g t h   o f   r ad io   w av e s   [ 3 2 ] .   T h 3 - d im e n s io n al  ( 3 D)   r ad iatio n   p atter n   o f   th e   p r o p o s ed   5 . 8 3   GHz   2 × 2   an ten n ar r a y   a n d   2 8   GHz   4 ×4   an ten n ar r a y   h as  b ee n   s h o w n   i n   Fi g u r 1 0 ( a)   an d   1 0 ( b ) ,   r esp ec tiv el y .   Fig u r 1 1   s h o w s     2 - d i m e n s io n al  ( 2 D)   r ad iatio n   p atter n   o f   5 . 8 3   GHz   2 ×2   an ten n ar r a y   f o r   P h i=0 o   an d   9 0 0   w h er an g u lar   w id th   is   3 9 . 2   an d   4 2   d eg r ee s ,   s id elo b lev el  i s   - 1 9 . 0   d B   an d   - 5 . 2   d B   r esp ec tiv el y .   F ig u r 1 2   s h o w s   2 r ad iatio n   p atter n   o f   2 8   GHz   4 x 4   a n te n n a   ar r a y   f o r   b o th   P h i=0 o   a n d   9 0 o   w h er a n g u lar   w id t h   is   1 9 . 7   d eg r ee   an d     2 0 . 4   d eg r ee ,   s id elo b lev el  is   - 1 4 . 2   d B   an d   - 1 1 . 4   d B .   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.  11 ,   No .   5 Octo b e r   2 0 2 1     4 2 0 2   -   4213   4210       ( a)   ( b )     Fig u r 1 0 .   3 r ad iatio n   p atter n ,   ( a)   a t 2 8   GHz   r eso n an t f r eq u en c y   f o r   4 x 4   an ten n ar r a y ,   ( b )   a t 5 . 8 3   GHz  r eso n an f r eq u e n c y   f o r   2 ×2   an ten n ar r a y             Fig u r 1 1 .   2 r ad iatio n   p atter n   at  5 . 8 3   GHz   f o r   2 ×2   an ten n a   ar r ay   w h er P h i=0 an d   9 0 o             Fig u r 1 2 .   2 r ad iatio n   p atter n   at  2 8   GHz   f r eq u en c y   f o r   4 ×4   an ten n ar r a y   w h er P h i=0 0   an d   9 0 o       4.   CO M P ARIS O N   Firstl y ,   s in g le  ele m e n 5 . 8   GHz   r ec tan g u lar   p atch   an te n n d esi g n ed   th a n   2 ×2   ar r a y   an te n n d esig n ed   u s in g   b y   th s i n g le   ele m e n w h er g a in   a n d   d ir ec tiv it y   i n cr ea s es   s i g n if ican t l y   also   b an d w id t h   i s   w id er   co m p ar e   to   t h s in g le   a n ten n a   b u t   r eso n a n f r eq u e n c y   s h i f ted   5 . 8   GHz   to   5 . 8 3   GH w h er r et u r n   lo s s   r e m ain   co n s ta n s h o w n   i n   T a b le  3 .   2 8   GHz   f r eq u en c y   is   c o n s id er ed   as   h ig h   g ai n   an d   d i r ec tiv it y   is   r eq u ir ed   f o r   UA b u t   h i g h er   f r eq u en c y   in tr o d u ce s   h i g h er   atte n u atio n   in   th air   [ 3 3 ] ,   [ 3 4 ] .   S o   a   4 ×4   ar r ay   an ten n also   d esig n ed   at  2 8   GHz   f r eq u e n c y   w h ic h   p r o v id es   b etter   g ai n   an d   d ir ec tiv i t y   th a n   s i n g le   an d   2 ×2   ar r ay   a n te n n a   s h o w n   in   T ab le  4 .   A lth o u g h   t h er i s   a   r ed u ctio n   o f   b an d w id th   a n d   r etu r n   lo s s ,   b u en o u g h   f o r   5 co m m u n icatio n s   o f   U AV.   T h p r o p o s ed   5 . 8 3   GHz   2 ×2   a n ten n ar r a y   h as   co m p ac s i ze   th a n   all  a n ten n li s ted   in   T ab le  5   w it h   s i m p le  r ec ta n g u lar   p atch   wh er m icr o s tr ip   li n f ee d   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ]   q u ar ter - w a v ele n g th   tr a n s m i s s io n   l in [ 1 3 an d   co ax ial  f ee d   tech n iq u [ 1 4 ] - [2 0 ]   h as  b ee n   u s ed   to   f ee d   th an ten n a.   Desi g n ed   in s et - f ee d   an ten n h a s   ac h iev ed   h i g h   g ai n   b e tter   t h an   t h en t ir e   an te n n a s   li s ted   i n   T ab le  5   ex ce p [ 1 3 ] ,   [ 1 7 ]   an d   also   h a s   r ea lized   w id er   b an d w id t h   w it h   g o o d   r etu r n   lo s s   w h ic h   w il b m o r e f f ec tiv e   f o r   U A V   ap p licatio n .   T h r ec o m m en d ed   2 8   GHz   4 ×4   an te n n h as   h ig h er   g ain   t h an   a n ten n a   en li s te d   in   T ab le  6   alt h o u g h   h as   les s er   b an d w id t h   t h a n   [ 2 2 ] ,   [ 2 7 ] .   Sti ll,  s ize  r ed u ctio n   is   s ig n i f ica n t,  w h ich   r ed u ce   t h f ab r icatio n   co s a n d   also   weig h t,  w h ic h   allo w   UAV  to   ca r r y   t h an ten n ef f o r tles s l y .   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:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   o f m icro s tr ip   p a tch   a n t en n a   to   d ep lo y   u n ma n n ed   a eria l v eh i cle  a s   UE   in   ( A b u   Za f a r   Md .   I mra n )   4211   5.   CO NCLU SI O N   UAV  d ep lo y m e n f o r   w ir eles s   co m m u n icatio n s   i s   n o r e g u lar   ca s r at h er   it  i s   u s ed   f o r   e m er g e n c y   s u p p o r to   an   ac cid e n o r   ev en t.  Ob v io u s l y ,   i n   co n s id er at io n   o f   f li g h ti m a n d   b atter y   li f eti m e,   all   m u s en co u r ag g etti n g   h an d s o m b an d w id t h   to   co v er   m o r p eo p le  to   m ak t h d ep lo y m e n co s t - e f f ec tiv e.   T h h ig h   d ir ec ti v an d   w id b a n d w id t h   m icr o s tr ip   p atch   an t en n ar p r ef er ab le  f o r   U AVs  b ec au s o f   it s   lig h t w ei g h t,  lo w   co s t,  an d   ea s o f   f ab r icatio n .   I n   th i s   p ap er ,   t w o   co m p ac s ize  p lan es  5 . 8   GHz   2 ×2   an ten n a   ar r ay   a n d   2 8   GHz   4 ×4   an ten n ar r a y   ar e   p r o p o s ed ,   w h e r h ig h er   d ir ec tiv it y   h as  b ee n   ac h ie v ed   b ec au s e   an ten n a s   r eso n ate   i n   s i n g l d ir ec tio n . T h h ig h   d ir ec ti v it y   i n cr ea s es  t h an ten n a ' s   c o v er ag e   as  w ell  a s   r ed u ce s   co - c h a n n el   i n ter f er e n ce   w it h   t h s u r r o u n d in g   U AV s   o r   UE s w h ic h   e n ab le  s m o o t h   U AV  d ep lo y m en t   th r o u g h   5 n et w o r k .   T ab les  5   an d   6   s h o w   th at  th p r o p o s ed   an ten n as   ar s m aller   t h an   t h e x is ti n g   a n ten n a,   w h ic h   ca n   b s et  to   an y   s u r f ac o f   th U AV  b ec au s o f   its   f l at  s h ap e .   A ls o ,   s m all  s ize  w il l   r ed u ce   f ab r icatio n   co s t   a n d   p r o v id s co p e   to   atta ch   m o r p a y lo ad s   to   th U A V .   T h p r o p o s ed   w o r k   h a s   f o u n d   w id er   b an d w id t h   at  2 8   GHz   th an   5 . 8   GHz .   Us o f   2 8   GHz   ca n   aid   h ig h   s p ee d   an d   lo w   late n c y   at  5 co m m u n icatio n s   t h a n     5 . 8   GHz 5 s p ec if icatio n s   h ad   ad o p ted   h ig h er   f r eq u en c ies   as  k e y   en b ler   d u to   th af o r e m e n tio n ed   ad v an ta g es.        ACK NO WL E D G E M E NT S   T h r esear ch   p r o j ec is   f u n d e d   b y   I I UC   R e s ea r ch   Gr an t,  a n   in i tiati v o f   C e n ter   f o r   R es ea r ch   an d   P u b licatio n   ( C R P ) ,   o f   I n ter n a tio n al  I s la m ic  U n i v er s it y   C h i ttag o n g   ( I I UC ) .   Sp ec ial  t h a n k s   to   au th o r it y   a n d   r esp ec tiv b o d ies f o r   s u c h   in iti ativ e .       RE F E R E NC E   [1 ]   K.  P .   V a lav a n is  a n d   G .   J.  V a c h tse v a n o s,  Ha n d b o o k   o f   Un m a n n e d   A e rial  V e h icle s , ”  S p ri n g e P u b l ish i n g   Co m p a n y ,   In c o rp o ra ted ,   2 0 1 4   [2 ]   R.   W .   Be a rd   a n d   T .   W .   M c lain ,   S m a ll   Un m a n n e d   A ircra f t:   T h e o ry   a n d   P ra c ti c e , ”  P r in c e to n   U n iv e rsity   P re ss 2 0 1 2 .   [3 ]   M .   M o z a ff a ri,   W .   S a a d ,   M .   Be n n is,   Y.  Na m ,   a n d   M .   De b b a h ,   A   T u to rial  o n   UA V f o W irele ss   Ne t w o rk s :   A p p li c a ti o n s,  Ch a ll e n g e s,  a n d   Op e n   P ro b lem s,   in   IEE Co mm u n ica ti o n S u rv e y and   T u to ri a ls ,   v o l.   2 1 ,   n o .   3 ,     p p .   2 3 3 4 2 3 6 0 ,   2 0 1 9 .   [4 ]   K.  G o m e z ,   A .   Ho u ra n i,   l.   G o ra tt i ,   R.   Rig g io ,   S .   Ka n d e e p a n ,   a n d   I .   Bu c a il le,  Ca p a c it y   Ev a lu a ti o n   o f   A e rial  LT E   Ba se - S tatio n f o P u b li c   S a f e t y   Co m m u n ica ti o n s,   2 0 1 5   E u ro p e a n   Co n fer e n c e   o n   Ne two rk a n d   Co mm u n ica ti o n ( EUCC) P a ris,   2 0 1 5 ,   p p .   1 3 3 1 3 8 .   [5 ]   Y.  Zen g ,   R .   Zh a n g ,   a n d   T .   J.  L im,  W irele s Co m m u n ica ti o n W it h   Un m a n n e d   A e rial  V e h icle s:  Op p o rt u n it ies   a n d   Ch a ll e n g e s , ”  IEE Co mm u n ica t i o n s M a g a zi n e ,   v o l.   5 4 ,   n o .   5 ,   p p .   3 6 4 2 ,   M a y   2 0 1 6 .   [6 ]   N.  Ru p a sin g h e ,   Y .   Ya p ici,   I .   G u v e n c ,   a n d   Y .   Ka k ish im a ,   No n - Orth o g o n a M u l ti p le  A c c e s s   f o m m   Wav e   Dro n e w it h   M u lt i - a n te n n a   T ra n sm is sio n ,   2 0 1 7   5 1 st   Asil o ma Co n fer e n c e   o n   S i g n a ls,  S y ste ms ,   a n d   Co m p u ter s,   P a x if ic   G ro v e ,   US A ,   2 0 1 7 ,   p p .   9 5 8 9 6 3 .   [7 ]   ET S I,   5 G ;   NR;  Us e Eq u ip m e n (UE)  ra d io   tran sm issio n   a n d   re c e p ti o n ,   P a rt  1 Ra n g e   1   S tan d a l o n e     (3 G P P   T S   3 8 . 1 0 1 - 1   v e rsio n   1 5 . 2 . 0   Re lea se   1 5 ),   F ra n c e ,   20 18.   [ O n li n e ] .   A v a il a b le:   h tt p s:/ /www . e tsi. o rg /d e li v e r/etsi _ ts/1 3 8 1 0 0 _ 1 3 8 1 9 9 /1 3 8 1 0 1 0 1 /1 5 . 0 2 . 0 0 _ 6 0 /t s_ 1 3 8 1 0 1 0 1 v 1 5 0 2 0 0 p . p d f .   [8 ]   ET S I,   5 G ;   NR;  Us e Eq u ip m e n (UE)  ra d io   tran sm issio n   a n d   re c e p ti o n ,   P a rt  1 Ra n g e   1   S tan d a l o n e     (3 G P P   T S   3 8 . 1 0 1 - 1   v e rsio n   1 5 . 3 . 0   Re lea se   1 5 )   F ra n c e ,   2 0 1 8 .   [ On li n e ] .   Av a il a b le:   h tt p s:/ /www . e t si.o rg /d e li v e r/etsi_ ts/1 3 8 1 0 0 _ 1 3 8 1 9 9 /1 3 8 1 0 1 0 1 /1 5 . 0 3 . 0 0 _ 6 0 /t s_ 1 3 8 1 0 1 0 1 v 1 5 0 2 0 0 p . p d f .   [9 ]   A .   A l - h o u ra n i,   S .   Ka n d e e p a n ,   a n d   A .   Ja m a li p o u r,   M o d e li n g   A ir - to - G ro u n d   P a t h   L o ss   f o L o A lt i tu d e   P latf o rm s   in   Urb a n   En v ir o n m e n ts,   2 0 1 4   I E EE   Glo b a l   Co mm u n ica ti o n C o n f e re n c e ,   A u stin ,   2 0 1 4 ,   p p .   2 8 9 8 2 9 0 4 .   [1 0 ]   D.  G e tt in g e a n d   A .   H.  M ich e l,   Dro n e   S ig h t in g a n d   Clo se   E n c o u n ters a n   A n a l y sis , ”  Ce n ter  f o th e   S tu d y   o f   th e   Dro n e ,   Ba rd   Co ll e g e ,   A n n a n d a le - on - Hu d so n ,   NY ,   USA ,   2 0 1 5 .   [1 1 ]   A .   M .   Yu su f ,   H.  W ij a n to ,   a n d   Ed w a r,   Du a C - X - b a n d   E - S h a p e d   M icro stri p   A n ten n a   A rra y   1 × 8   f o S y n th e ti c   A p e rtu re   Ra d a r   o n   UA V ,   2 0 1 9   IEE In ter n a ti o n a Co n fer e n c e   o n   S i g n a ls  a n d   S y ste ms   ( ICS IGS Y S ),   Ba n d u n g ,   In d o n e sia ,   2 0 1 9 ,   p p .   1 8 6 1 8 9 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /ICS IG S YS. 2 0 1 9 . 8 8 1 1 0 8 5 .   [1 2 ]   D.  S e o ,   S .   A h n ,   C.   Je o n g ,   a n d   W .   L e e ,   U A V   Co m m u n ica ti o n   A n ten n a   A rra y   w it h   W id e   Co v e r a g e   M u lt i - Be a m   3 × 2   S w it c h e d   Be a m f o r m in g   Ne tw o rk ,   2 0 1 9   I EE R a d io   a n d   W ire les S y mp o siu ( RW S ) ,   Orla n d o ,   F L ,   UA S ,   2 0 1 9 ,   p p .   1 4 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /RW S . 2 0 1 9 . 8 7 1 4 5 1 7 .   [1 3 ]   H.  S a jj a d ,   W .   T .   S e th i,   K.  Zeb ,   a n d   A .   M a iraj,   M icro strip   P a tch   A n ten n a   A rra y   a 3 . 8   G H z   f o W I - M A X   a n d   UA V   A p p li c a ti o n s,”   2 0 1 4   I n ter n a ti o n a W o rk sh o p   o n   An ten n a   T e c h n o l o g y S ma l An ten n a s ,   No v e EM   S tru c tu re a n d   M a ter ia ls,  a n d   Ap p li c a t io n s ( IW A T ),   S y d n e y ,   NSW ,   2 0 1 4 ,   p p .   1 0 7 1 1 0 .   [1 4 ]   D.  Ka n g ,   J.  T a k ,   a n d   J.  C h o i ,   W id e b a n d   L o w - P r o f il e   P lan a S q u a re   S e g m e n ted   L o o p   A n t e n n a   f o UA V   A p p li c a ti o n s,”   i n   El e c tro n ics   L e tt e rs ,   v o l.   5 2 ,   n o .   2 2 ,   p p .   1 8 2 8 1 8 3 0 ,   2 0 1 6 .   [1 5 ]   Y.  Cu i,   P .   L u o ,   Q.  G o n g ,   a n d   R .   L i,   A   Co m p a c T ri - Ba n d   Ho rizo n tally   P o lariz e d   Om n id irec ti o n a l   A n ten n a   f o UA V   A p p li c a ti o n s,”   in   IEE An t e n n a a n d   W ire les s P ro p a g a ti o n   L e tt e rs ,   v o l.   1 8 ,   n o .   4 ,   p p .   6 0 1 6 0 5 ,   A p r.   2 0 1 9 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.