Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 ,  Decem ber   201 8 , p p.   4175 ~ 4183   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v8 i 6 . pp 4175 - 41 83          4175       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   An Anal ytical A pp ro ach  for Desi gn of Mi crostrip  Patch ( MsP)        R.   J. K av i tha 1 ,   H.   S.  A r a vin d 2   1 Visvesvara y a   T ec hnolog ic a l  Un ive rsit y ,   Indi a   2 Depa rtment of  El e ct roni cs  &   C om m unic at ion  E ngine er ,   JS SA TE ,   Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r   14 , 201 8   Re vised  Ju l   17 ,  201 8   Accepte d  Aug   5 , 2 01 8       A  rel ia bl e  conf i gura ti on  of  e le c tromagnet i c  inte rac t ions  for  ant e nna  design   ca n  y i el d  an  eff e ct iv e  Microstri p  pat ch  (Ms P )  antenna .   During  it s  design,   th e   ant enn a  arr a y s   i nvolve   issues  wi th  par amete rs  (i . e. ,   spac e,   d imen sion,  shape )   adj ustm ent .   Thi s   proble m   ca n  be   ta ckled  with  an   ana l y t ical  appr oac h  whic h   ca n  hel p  to  bri ng  bet te r  idea  t o  design  the   ant enna   a aray .   Ho weve r,   th e  rea l isti c  designs   of  ant enna   ar ra y   ar e  quit e  e xpensive   while  ext rac t ing   computat ion al   a cc ura c y .   Thus,   to  have   low  co st  computat ion a l  accurac y   var ious  m et a - h e uristi c  (ge ner ic  al gor it hm ,   pa r ti c al   sw arm  op ti m iz ar ion)  appr oac h es  are  used  and  ar e  c onsidere d  a s  eff ec t ive   on e  in  h andl ing  the  pat t ern   s y n the sis   proble m s.  How ee ver ,   th e  use  of   m et a - heur isti c  appr oac h es   demands  thousands  of  func tions   to  ana l y z e   the   an te nna  design.   Th is   m anusc ript   in tro duce s  an   an aly t i ca l   appr oa ch  for   Ms P  ant enna  d esing  using  MA TL AB  t hat   brings  opti m iz ati on  in  handl ing  t he  side  lobe s  an d  opti m iz ing   the   ref lecti on  as  well   as  r adi a tion  responses.  T he  outc om es  of   the   desig n   were   an aly z ed  with  respe ct   to  ref lecti on ,   r adiat ion  co eff icien ts,   side  lobe s   and  found effe ctive at 10GH z  as  per   com putation al   cost  is   concer n.   Ke yw or d:   Com pu ta ti on al   c os t   Mi cro strip   p at c h   a nten na   Ra diati on   c oe f fici ents   Re flect ion   c oeffici ents   Side  l obes   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   R.   J. Ka vitha ,   Visv es va raya  Tech no l og ic al   Un i ver sit y,    Be la gav i,  India .   kav it ha r j kkira n@gm ai l.co m       1.   INTROD U CTION     The  M ic rostri p  P at ch  (M s P)   a nten na    arr ay s   desig n  dem ands  a   reli able  el ect ro - m agn et ic   interact io ns  (Em I)   within  a nten na  ar ray   struct ur es   t o  pro visio n  the   re qu irem ents  of   th e  anten na  de sign   i nduce d  by   arr ay   rad ia ti ons  a nd   ref le ct io n   re sp onses   [ 1].  The   el ect r o - m agn et ic   i ntera ct ion s  a re  c onsist s   of   el e m ent   env i ronm ent,  el e m ent  couplin g,   s ubstrat e  fin it e  siz e,  fee ding   im pact   et c.  Su c h  im pacts  can  on ly   be  re li ably   accounte d  f or   desig n  process   thr ough  ty pic al ly   discrete,  f ull - wa ve,   el ect ro - m agn et ic   sim ula ti on s  m ain ly   by  us in g  c om plete  anten na  a rray   m od ule [2] .    The   ante nn a   arr ay   desi gn   i nvolv e d  with   issues  el e m e nts  dim ensions   adjustm ent ,  arr ay   sh ape   adjustm ent ,  arr ay   sp aci ng   a dju stm ent ,  feed in g  locat io n   adjustm ent  et c .  In   t hat  reg a rd,  a   m a the m at ic al   appr oach   ca n  be  c on si der e d  as  ef fecti ve  f or   si gnific ant  way  of   a nten na   arr ay   desig n  [3 ] .  The  real   tim e   i m ple m e m ta t ion   of  m at he m atical   approac h  can  le a ds   t o  hi gh e r   c os t  in   a nten na  arr ay   de sign   as  it   ta kes  of  m or e  nu m ber   of   sim ulati on s   it erati on s   in  ar ray  m od el   [4 ] .   The  m e ta - heurist ic s  m echan ism s   su ch  as  pa rtic le   swar m   op ti m izati on   [ 5];   gen e ti c  al go rithm s  [6 ]   are  outc om es  with  sig nificant  resu lt s  w hich  ca n  ha nd l e  the   patte rn   synt he sis  issues  [7 ] .   The  lim i ta ti o n  of   m et a - heurist ic   m echan ism s   is  that  it  need s  th ousa nd s  of  functi ons  f or  a nten na  de sig n   analy sis .  He nc e,  this  pa pe r  ai m s  to  perform   the  accu rate  de sign   of   Ms Pant rnna   by u sin g  a n  an al yt ic al  ap pr oa ch  f or   patte r n  s ynthesis. Fi nally , th e d esi gn  a naly sis i s p er form ed  by co ns i der i ng   the  par am et ers  li ke  rad ia ti on, r eflect io n  coeffic ie nts,  operat ing   f reque ncy  and   m ini m iz a tio n  of   si de  lob e s.  Th e   pap e r  is  orga ni zed  with  sect io ns   li ke  re veie w  of  existi ng  works  ( in  sect i on   2),   desi gn   a nd   im ple m enta ti on   of   pro po se d   syst e m  ( in  sect ion   3),  res ults  an d  a naly sis ( in  sect ion   4) a nd con cl us io n  ( i n  sect ion   5).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4175   -   4183   4176   2.   RELATE D  W ORK   The  rece nt  re searche s  to wa rd s   ante nna  de sign  are   re vi ewed  in   this  sect ion .   A   wa st   range   of   researc hes  are  exist  towa rd s  t he  desi gn   of   wide band  a ntenn a  a nd  are  ca pab le   of   ha ndl ing   the  tra ns m issi on  issues  an d  off er  high  s peed  com m un ic at i on.  A  s urvey  work   t ow a rds  the  desig n  of  MsP  anten na  and   it s   con t rib ution   t owar ds   c omm u nicat ion   syst e m   is  fo und  i n  Kav it aan d  Ar a vinda  ( 2017)  [ 8]  that  offers  e xisti ng   researc h  gap   i n  MsP  a nten na   te chnolo gy.  S i m i la rly ,  Tang  et   al .  (2016 )  [ 9]  pr e sente d  a  strip - helic al   an te nn a   syst e m   with  a  par asi ti c  ci rc ular  patch  f or   ci rcu la r  po la rizat ion   wh ic h  are  capa ble  of   wor king  li ke  an  i m ped ance  b a ndwi dth .     Fu rt her,  Sali h  et   al .  [10]  ga ve   a  du al - ba nd  pa tc h  ante nn a  f or   sm al l  fo rm   factor   dev ic es .  This  ante nna  was  fabrica te d  over   Ro gers  (RO 4350)   boa rd,  the   m easure d  resu lt   ha ve   a  good  a gr ee m ent  with  sim ulate d  on e s.  A  dual - ba nd  ci rc ularl y  po la rize d  a nt enn as  ha ve  be en  recei ving  m uch   at te ntion  du e   to  thei r  disti nct   featur e  of   si ngle   la ye r  and  sing le   fee ds .   Ther e  are  tw o  dif fer e nt  dis si m il ar  rad ia tors  an d  two  pa irs  of  deg e ne rate’s  m od e  TM01/T M10   a nd  TM 03/TM 30  m od e s.  I n  orde r  to   m ini m iz e  the  c os t,  m iniat ur ise d  siz e,   and   ea sy  integ rati on   a uthor  Z ahang  et   al .  ( 2016 )  [ 11 ]   intr oduce d  a  du al - f reque ncy  ba nd  po la risat ion   m et hod  wh ic h  achie ve s  the  rad it io n  about  7.0a nd   5.9  in  the  tw o  ba nds.  I n  Katy al   et   a l.  (2 01 6)   [12],  a  transm i ssion - li ne   equ i valent   ci rcu t  te chn iq ue  is  pr ese nte d  f or   analy sis  of   m ulti layered   MsP  anten na .Th e  perform ance  of   the  te chn iq ue  is  validat ed  by  analy sis  of   bro adb a nd  anten na   and   f ound  that  the  pr opose d  m e tho d  is  capab l e   for  qu ic k  ci rc ui r  le vel  im i ta tio n  an d  optim i zat i on .  I n  the   stud y  of  di ff e r ent  ty pe  of  pri nted  a nten nas   hav i ng   diff e re nt  ty pe  of   patch  li ke ,  r ect angular,  s qu are,  tria ng ular,  ci rcu la r,   el li pt ic al   are  su it able  for  60 HZ  wa irle ss   app li cat io n.     Fo r  re du ce  over  al l  siz e  and  to  avo i d  lossy m illim e tre - wa ve  co nnec to rs  auth or   Hannac hi  et   al .  [13]  has  propose d  a   keysi ght  te ch no l og ie s ,  this  giv e n  te ch nolo gy  is  ve ry  hel pfull  of  ra dio   fr e qu e ncy  design.    I n  band width   im pro vem ent  of   an  eq uilat eral  tran gu la rMs P  anten na  unde r   diff e ren ti al   exita ti on ,  the  r aditi on   directi vity   of   TM11  m od e  is  at te ched   su c h  a  patch .  F or  i m pr ov e d  a  lot  of   fiel d  dist rib ution,  W a ng  et   al .   (20 17)  [14]  ha ve  pr e sente d  an  ad diti on al   m od   f or  bo t h  TM10a nd  TM11  exite d  fo r  r adi at ion .  Both  virt ual  and  m easur ed  re su lt   has  be en  ex hib it   wide  ba ndwi dth   an d  good   pr ese ntati on   of   rad i at ion.     Broker  et   al .  ( 2016)  [ 15 ]   give n  a  li nea rly   pola rized   dual - ba nd  patc h  a ntenn a   res ulti ng  low  cr os s - pola r iz at io n  and  aut onom ou s  band  c on t r ol.Fin el ly ,  the   resu lt s giv es  l ow e r  op e rati ng  ba nd  a nd  uppe r  op e rati ng   ba nd   is   sh ifte d  up  to  10%  la stl y.To  m ini m iz e  the  cro ss - po la rizat ion,  low  l os s  is  app li ed  t o  integrate  the  a nten na  ar ray  and   br i ng   im pr ov em ent  in  antenn a  a rr ay   gai n,   Jin g  et   al .  ( 2015)  [ 16]   have  pr ese nted  a  l ow   te m per at ure  co - fired   ce ram ic   ( LTCC )  proce s s.  This  process   has  bee n  u se d  to  fabrica te   an d  m easur e  outc om es  and   f ound10 - dB  of  im ped an ce an d  the  gai n o f 18.6 2 dB at  61.5  GH z .    Tron g  et   al .  (2017 )  [ 17 ]   pro pose d  a  center - s horted  MsPm esch nism   by  wh ic h  DC  bias  volt age;  both   resona nce  fr e quencies   va ried si m ulata neo usl y.  Li  et   al .  ( 20 16)  [18]  giv e n  a  ver ti cal ly   integrated   di ff e r entia l  filt ering   a nten na  that  c om po sed  of   a  dif fere ntial - fe d  MsP   anten na  with  U - s ha ped   dif fe ren ti al   res on at or.  Th e   ou tc om es  of   [ 18]   be hav e  a s  f r equ e ncy  res po nce  f or   both  ga in  an d  ret urn  l os s.  I n  orde r  to   gen e r at e  m i ll i m et er - wav e ,  Ya o  et   al .  (2 01 6)   [ 19]   gav e  a  Her m i te - G us sia n  ( H G)   m et ho d  an d  are  form ed  by  four   inset - f ed  MsP   el e m ent  al so   with  a  m ic ro s tripco rpo rate  f eedin g  netw ork.   T hro ugh  [ 19]   accu racy  in  m easur em ent  and  si m ulati on   is  achieve d.   Atta ra n  et   al .  (20 16)  [20],  des cribe d  a  Rotm an  le ns   m et ho d  in  w hich  the  le ngth  on  the   com m un ic at ion  li nes  are n ot  aff ect ed  the  progressi ve  ph a s e d el ay . Th r ough  [2 0], the  co m plexit y i s   m i nim iz ed   and p e rfo rm ance p a ram et ers  are m axi m iz ed  which  finall y  giv es  lo w ph as e erro r of   0.4 50 in  criti cal  cond it io n.   Zha ng   et   al .  (2 01 6)   [ 21]   il lustrate dMsP  ant enn a  with  the  capab il it ie s  of  bandw i dth   an d  ha rm on ic   su pp ressio n.   H ere,  a  pair  of   l e m da/4  m ic ro strio - li ne,  wi de  band  pro per ty   can  be   obta ine d  by  m aking   use fu l  us e o f   th r  tw o  r eso nan ces   intr oduce b y b urning  patc h  a nd non - ra diati ng p a tc h.   T he  giv e n  prototype   ante nn a   is   oprati ng  at   4. 9  GH Z  is  desig ned   a nd   fa bri cat ed,   highe r - order   ra diati ng   m od es  has  bee n  eff ect ively   cancel le d.   In   S un   et   al .  (2016 )  [22],  a  prox im ity  cou ple d  cavit y  back e d  pa tc h  a nten na   is  exp resse d  for  long  ra ng e  RFID  ta g.   T he  patc h  structu re  al s o  offer s  a  way  to   tun e  t he  res on ant  fr e que ncy  of   t he  ante nn a .   The  giv e n  a ntenn a  is   achieve d  a  gai n  of   5.7  dBi.  I n  order  to  pro vid e  s uppo rt  towa r ds   tw o  di sti nct  operati ng  f re qu e ncies  a uthor   Sm yt h  et   al .  ( 2016 )  [ 23]   ha ve   giv e n  a  novel  du al - ba nd  MsP anten na  base d  on  EBG   it egr at ed  int o  it s  rad i at ing  edg e s.  Th rou gh  t his d ual  a nte nn a   ra diati on  tr acked  at  2 . 4  G Hz  a nd 5 . 0  GHz  f reque ncy.   T hu s ,  i n  t his p ap er  th e   pr i or it y  is  giv en  for  desi gn i ng   a n   accu rate  com pu te rized  too l  f or   M sPan te nn a  a nd  fo ll ow i ng  util iz ed   aanaly ti cal  ap proac h w hich  c om po sed op ti m i zed sy nth esi s  of  patte rn s  for  MsP ante nn a  desi gn.       3.   SY STE M MO DEL FO R MI CROSTR IP P ATCH ( MsP ) ANTE NNA   In   orde r  to  ge t  the  geo m et rical   top ol og y  f or   MsP   a nte nna  the  arc hitec ture  is  s how n  i n  Fig ure   1.     The  co re  com po ne nt  su c h  as  heig ht  of   MsP  anten na  ( d1),   width   of   MsP  anten na  ( d2),   width   of   m et al  gr ou nd   slot  aper t ur e  ( w1),   le ngth  of   m et al   gr ound   s lot  aper tu re  ( u1) ,  cl ot  center  to  patch  ce nter   (v1) ,  le ng t h   of  open   end   st ub,  te rm inate s  the  fee d  (v2),  cham ber  le ng th  of   t he  input  m ic ro stri p  ( wc)   a nd   m i cro st rip  sig nal   trace   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       An  A naly ti cal  Ap pr oac h  fo r  De sig n of Mic r os tri p Patc h  ( MsP)   …  ( R. J.   Kavit ha )   4177   width  ( w o)   a re   co ns ide red.  T he  sta rtin g  poi nt  ( Sp)  of  the  t opology  is  i niti at ed  as  [S px,   Sp y]   to  a rr i ve  to  the   patch  el em ent w it h Xp at c h [] , Ypatch  [] a sc hem atic sh ow n i n  F ig ure   1.        A n t e n n a   p a r a m e t e r s ( d 1 ,   d 2 ,   w 1 , u 1 , v 1 , v 2 , w c , w o ) O p e r a t i n g   F r e q u e n c y R e l a t i v e   p o w e r P r o p a g a t i o n   p a t t e r n A n t e n n a   i m p e d a n c e R e f l e c t i o n   c o i f f i c i e n t A c t i v e R e f l e c t i o n   C o e f f i c i e n t S i d e   l o b e   l e v e l     Figure  1 .   A rch i te ct ur e  of   pro pose d desig n       Her e  t he  in f orm at ion ’s  of   d1 ,  d2,   u1,  v1,  v2,  wc  a nd  w o  are  c on si der e d  as  in pu t  pa ra m et ers.   Lat er,   the  sta rting   po int  (S p )  is  defi ned   co rr e spo ndin g  to  the  co ordinates  of  X path  an d  Y pat h.   Th e  Sp   can   be  ob ta ine d by,     Sp  =  [ S px, Spy ]   ( 1)     [Xpatch]  =  [Sp i, ∑ ( Spi +  ) , ∑ ( Spi +  ) , Spi , Spi   ]        at , i=1         ( 2)     [Ypatch]  =  [Sp i, Spi   ∑ ( Spi +  ) , ∑ ( Spi +  ) , ( Spi1 ) ]     at , i=2         ( 3)     Fu rt her, the  ce nter  l ocali zat ion   of the  patch   ( Px ,  Py)  is  co m pu te d by usi ng  e q uatio n  4 .     Px  =   ∑ ( ( Spi + (  ) ) ,   i= 1     Py = ∑ ( ( Spi + (  ) ) ,   i= 2     ( 4)           Figure  2 .   Patc h wit h  X patch [ ] .  Y patch  [ ]       Ba sed  on  thes e  coord i nates,   a  rectang le   is  plo tt ed  an d  for  the  sam e  rectan gle,  patc h  center  is  determ ined.       [P xPy ]   f   ( Spi , d1,   d2)  at i= 1,   2   ( 5)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4175   -   4183   4178   Using t his p at c h  ce nter, a ce nter pat ch  li ne  is  dr a w n.       i.e. [p x - 2 px + v1+v 2],  [p y py]     [px px ] , [ 2  py+d1 / 3+0.5 ]   ( 6)     The n  the  clot c enter  (Cc) is  obtai ned,  wh ic h i s r el at ive to  th e p at ch  ce nter.       Cc  = ([px+ v1  px + v1] , [py - w 0/2   py+d 1/3 + 0.5]   ( 7)     The dist ance  for rig ht a ng le d t riang le   ( x t )  is  ob ta ine d by  us i ng  e q uatio n  8.     i.e.  2 / 2 wc x t   ( 8)     The n  slot a pe rtur e  of m et al  g ro un d  is cal c ulate d  f or both  the  Xpath a nd  Ypat h  usi ng  e q uat ion   9.     xm et a l_g r ound  = [p x+v1 - w 1/2   px + v1+w 1/2  px + v1+w 1/2 p x+v1 - w 1/2 p x+ v1 - w 1/ 2]     ym et a l_g r ound  = [py - u1 / 2 p y - u1 / 2 py+u 1/2   py +u1 /2  p y - u1/ 2]      ( 9)     Finall y t he  la be li n g of t he plo t i s don e  and  outc om e o f  t he  t opology i s s ho wn in t he  F ig ur e  3.           Figure  3 .   De fa ult t opology  of MsP a nten na       Topo l ogy Al gori th m   In it iali ze   :  d 1 , d 2 , w 1 , u 1,  v 1,   v 2, w c, wo   Sp [ Spx,  S py]     [Xpatch  ]   [Spi , ∑ ( Spi +  ) , ∑ ( Spi +  ) , Spi , Spi   ] i= 1   [ Y patch  ]   [Spi,  Spi   ∑ ( Spi +  ) , ∑ ( Spi +  ) , ( Spi1 ) ] i= 2   [P x P y ] f   (Spi,  d 1 , d 2 )  whe re,  i =1,   2   [px - 2 p x+v1+ v2] , [pypy]  a nd  [px px ] , [ 2 py+d1 / 3+0.5 ]         Cc   ( [px+ v1  px + v1] , [py - w 0/2   py+d 1/3 + 0.5]    2 / 2 wc x t   xmetal_ gr ou n d   [ px + v1 - w 1/2   px+v 1+ w1/2 px+ v1 + w 1/2   px + v1 - w 1/2   px + v1 - w 1/2 ]   ymetal_ gr ou n d  [ py - u1/2  py - u1/2  py+u 1/ 2 py+u 1/2   py - u1 / 2]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       An  A naly ti cal  Ap pr oac h  fo r  De sig n of Mic r os tri p Patc h  ( MsP)   …  ( R. J.   Kavit ha )   4179   Sy n th esi s  of  antenn a arr ay   init ia li ze : d1 , d2,  w1,  u1, v1,  v2, wc,  wo   c   8x10 8   if ( i= 1; i<= 5; i ++) whe re i -   is i te rati on   fc nx10 9   wh e re  n  =  8,9,1 0,1 1,12   λ c/ fc   NR or  NC  b Si n 2   Op    NR _NC(c,  fc  [d1, d 2,  w1,  u1, v1,  v2,  w c,  wo])         URA    Is  ([ NC NR ]   [  2 2 ]               Aw Ew n U R A   NR  NR+   NC  NC -   Re peat f or op     To  c om pu te   th e  relat ive  pow er,  t he  par am et ers  li ke  d1,  d2,  w 1,   u1,  v1,  v2,  wc,   w o  a r e  init ia li zed.  Lat er,  carrie r  fr e qu e ncy  (f c )   com pu te d  by  us ing   si gn al   pro pag at io n  spe ed  (c).  Furth er,  wa velen gth  (λ)   is   cal culat ed by d ividin g  “c”  w it h  “ fc”.       i.e., λ  = c/fc   ( 10)     The  ar ray  siz e  al ong  with  el evati on   a nd   azim uth   dire ct ion   ca n  be  ob ta ine d  by  r equ i red   beam   width.     Fo r  the  h al f  w a velen gth   sp aci ng, th e  num ber o f  el em ents along  with ce rtai n direct io n  ca n be  giv e n  a s;     NR or  NC =  b Si n 2   ( 11)     In  e q ua ti on   11 ,  the  val ue  of  b   represe nts  the   beam   width   al ong  that  di rec ti on .  T he  oth er   par am et ers  (Op)  li ke  azi m uth  cu to ff  a nd elev a ti on  c ut off ca n o btain  by foll owin g  e qu at io n.      Op =  NR_NC( c, f c  [d1,  d2, w 1 , u 1,   v1, v 2,   wc,   w o])     ( 12)     The n,   the  un i f or m   rectangula r  arr ay   (U R A)  is  con si der e d  as  the  integ rati on   of   t wo   s ep arab le   un if orm   Line   arr ay s  (U L A )  and  desi gn e d  t he  windows  for  both   the  el e va ti on   a nd  azi m uth   directi on  t hro ugh  dig it al   file r  desig n  m et ho ds. T hen the  UR A d evel op e d b y i den ti cal  sensor el em ents can be  giv e n  as:     i.e.,  URA  = Is  ([ NC NR ]  [   2 2 ]   ( 13)     In  e q uation  13 ,  Is  i nd ic at es  t he  ide ntica l  sensor  el em ent .  On   a ssig ning  t he  we i ghts  to  the  ar ray  f ollo wing  e q uatio n  14 is  ob ta ine d.     i.e.,  Aw Ew n U R A   ( 14)     Wh e re  nURA  ind ic at es  the  ne w  URA ,  Ew   ind ic at es  the  el evati on   wei gh t  and   A w  repr esents  the  Azi m uth   weig ht.  Lat e r  t he  c om par ison  am on g  the   ne w  URA  a nd  previo us   URA .  I n  a nten na  te c hnol og y  t he  si de   lob e s   are  the  local   m axim a  or   lob es   of   the  fa r  fiel d  ra diati on   pa tt ern   w hich  a re   no t  the  m ai n  l ob e s.  He re,  th e  side  lob e  le vel  of  th e  ne w  UR A  is  com par ed  with   the  pre vious  de sign.  H oweve r,   the   ne w  UR A  does  not  m e et   the  requirem ents an d he nce t rial  an d er ror  m et hod  is a ppli ed  to   NR a nd N C  pa ram et ers.       i.e.,  NR =  NR+   NC =  NC -     The n ob ta ine d values  of  NR   a nd N C  are  upda te d  to  get t he op ti m iz ed  design r es ults.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4175   -   4183   4180   4.   RESU LT S  ANA L YS I S   Fo r   de sig n  of  MsP  ante nn a   MATLAB   is  use d  a nd  obta in ed  re su lt s  on  e xecusi on.  T he  perform ance  analy sis  of  the  desig n  is  c om par ed  with  e xist i ng   m et ho d.  T he  f ollo wing  F igure   4,  il lustra te s  the  beam   pa tt ern  for  lo oks  direct ion s  r a ng i ng fr om  < - 30 0   t o 0 0  azim uth  and el evati on d e gree s and m ai ntains null  at  - 40 0 .           Figure  4 .   Be am  p at te rn  f or a zim uth  and ele vation de gree       The  a rr ay   synt hesis  is  re pr ese nted  i n  F ig ur e  5  with  res pect  to  to po l ogy   1,   2,   4  a nd  optim al   topolo gy   by  con si der i ng  bandw i dth .  H ere,  the  topolo gy   1  arr ay   is  j us t  cro s sin g  the  req ui red   bandw i dth   of  patte rns   of   topolo gy  2,   4  and   optim al   to po l og y.  H ow e ver,  the  side  l obes  of  patte rn s   band width   is  higher  t hat  of   desir e d  patte rn.  This  ki nd   of   si de  lo be s  can  be  opti m iz ed  by  util iz ing   windowin g  op e rati ons  to  arr ay .  If   URA  is  the  com bin at ion   of  two  differe nt   un if or m   li ne ar  arr ay s  (U L A) ,  t hen   t hed e sign   of   window  can  be  pe rfor m e d  separ at el y  in  both  el evati on  a nd   azi m ut h  dir ect ion s  by  util iz ing   filt er  desi gn i ng   m od el s.  The  Fig ur e   4  giv es  the  side  lob e  le vel  com par ed  with  dif fer e nt  topolo gies  an d  is  fo un d  that  side  lob e  le vel  of  optim al   top ol og y  is  le ss than to po l og y  1, to po l ogy 2 a nd to po l ogy 4 .           Fi g ure  5 .   Be am  p at te rn s synt hesis  with  different m et ho ds       The  3D  ra diati on   patte rns  are   com po sed  of   sy m m e trie s  fo r   bo t h  azim uth   and   el e vation  cuts.  He nce ,   the  patte rns  are   acqu ire d  th rou gh  U RA .  The  F igure   6  in dica te s  that  no   ene r gy  is  rad ia te d  i n  re ver se  to b a ck  of  arr ay  in  w hich t he  band width   and  si de  lob e l evel o f  synt hes iz ed  patte rn  a r e resu lt ed  with  d esi red  s pecifi cat ion   and is c on si dered as  3D  patte r n  synt hesis.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       An  A naly ti cal  Ap pr oac h  fo r  De sig n of Mic r os tri p Patc h  ( MsP)   …  ( R. J.   Kavit ha )   4181       Figure  6 .   desi gn  patte rn (3D ) sy ntehesis       The  Fig ur e   7  represe nts  the   MsP  a nten na   over   the   f requen cy   ba nd.   I n  this ,  th e  re s ist ance  an d  reacta nce  var y as  fr e quency  va ries.  T his  va riat ion   ca n  be  se en  that  the  rea ct ance  val ue  is  neg at iv e  be for e  the   resona nce  an d  the  sa m e  val ue  is  po sit ive   after  the  res onance  a nd   t his  reacta nce  is  con si der e d  as “series   resona nce”.  I f   i m ped ance  c urve  var ie s  fro m   po sit ive  to  neg at ive   react ance  an d  is  c on si der e d  as  “ par al le l   resona nce”.  B oth   the  resist a nce  an d  react ance  are  f ully   diff e ren t  as  r esi sta nce  wh ic h  is  no t  de pe nd   on  fr e qu e ncy  w hile  reacta nce  does.  The  resist a nce  does  not  cause   ph ase  sh if t  wh il e  reacta nc e  causes  ph a s e  sh if t   of   90 0   am on g  vo lt age   an d  c urre nt.  In   Fig ure   7,  resist an ce   rem ai ns   at   posit ive  value   an d  rea ct ance  sta ys  at   neg at ive  val ue durin g res on a nc e an d reache s  po sit ive  after  re sonance .            Figure  7 .  A nte nn a   pe rfo rm ance over f reque ncy b a nd       The  ante nna  re flect ion   c oeffici ent  is  sh own  i n  Fig ur e   8  w hi ch  is  the  relat ive  f racti on   of   t he  incide nt   Ra dio   fr e qu e nc y  (RF)   powe r  an d  is  ref le ct ed  bac k  bec ause  of   im ped ance   m is m atch .  T he  im ped anc e   m is m a tc h  is  the  diff e re nc e  a m on g  the  a ntenn a  i nput  im ped ance   an d  th e  transm issi on  li ne  char act e r ist ic   or   ref e ren ce  im ped ance .  T he  r eflect ion   c oeff ic ie nt  is  rep re sented  as  ope rati ng   ba ndwi dth   of   a nten na .  The  anten na ban dw idth is t he  f re quency  ba nd on whic h  the  m agn it ud e  of  ref le c ti on  c oeffici ent  <  - 10dB.             Figure  8 .   A nal ysi s o f fr e quenc y wit h resp ect  t o  m agn it ude   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 8   :   4175   -   4183   4182   The  act ive  ref l ect ion   coe ff ic i ents  analy sis  with  f our  dif fe ren t  to po l og y  are  com par ed  corres pondin g  to  fr e quency  a re  show n   Fi gu r e   9,   w her e  optim al   top olog y  acqu ire d  po sit ive  value  th an  ot her   to polog y 1,  topolo gy2  a nd  topolo gy4.           Figure  9 .   Acti ve  r eflect io n  c oe ff ic ie nt  Vs fre qu e ncy       The  Fig ur e   10  rep rese nts  the   arr ay   side  lobe   le vel  fo r  dif f eren t  m et ho ds .   The  side  lob e s  are  the  fa r   fiel d  ra diati on   patte rn   a nd   a re   no t  co ns id ere d  as  m a in  lob e s.  The  side  l obe  le vel  increas es  with  dec rea ses  in  the  ba ndwidt h.  In   orde r  to  ge t  a  sign ific a nt  arr ay   patte r n,   t he  side  l ob e  le vel  value  m us t  be  hi gh e r.   Fro m   the  Figure   10,  it   is  found  that  the  optim al   to po l og y,  to polo gy1,   to polo gy  2and  topolo gy   4ex hi bits  24.3109 ,   16.89 63,  18.72 18,  a nd   21. 0294  res pecti vel y.  Th us ,  t he  optim al   top olog y  acqu ir es  lo w er  ante nna  co s t   with  higher  v al ue of  side l ob e  level .           Figure  10 .   Side  lob e  levels  f or d if fer e nt m et ho ds       5.   CONCL US I O N   This  pa pe r  intr oduces  a na naly ti cal   app ro ac h  to p er form   the  si m ulati on   of   li near   MsP   a ntenn a d esi gn.   The  re su lt s  of  the  desi gn   w ere  co ns i der e d  with  re sp ect   to  beam   patte rn s  synthesis ,  desig n  patte rn  (3D)  synte hesis,  a nt enn a pe rfor m ance  ov e r  f re qu e ncy  ba nd,  an d  analy sis  offr e qu e ncy  with  r espect  to  m agn it ud e ,   act ive  re flect ion   c oeffici ent  V s   fr e que ncy  an d  Si de  lo be  le vels  f or  diff e re nt  m et ho ds .       The  outc om es  of   t he   appr oach  al lo w  si gn ific a ntly   con t ro ll in g  bo t h  th e  ra dia ti on   as   well   a s  re flect ion   c oe ff ic ie nt  t hrough  th e   el e m ent  geo m e try   design   a nd   identic al   sensor  el e m ent.  The  analy ti cal  appr oac h  com e  up  with  m ini m iz e d  the   cost  of  a nten na  to  lo w si de  l obe level   co rr es pondin g  to  s om e EMI of a rray  an te nna.       REFERE NCE S   [1]   C.   A.   Balanis,   “ Antenna   the or y , ”   3rd ed. ,   W ile y   Inte r  sc ie n ce,  20 05.   [2]   R.   J.   Mailloux,   “ Phased  arr a y   an t enna   h andbook, ”   2nd  ed . ,   A rtech H ouse,   2005.   [3]   S.  Koziel  and   S.  Ogurtsov,  “ An te nna   design  usi ng  var i abl e   fid elit y   e lectr om agnetic   sim ulations, ”   Int.  J .   App li ed   El e ct rom agnet i c s and  Me chani cs ,   vol .   43 ,   pp .   169 - 183,   2013 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       An  A naly ti cal  Ap pr oac h  fo r  De sig n of Mic r os tri p Patc h  ( MsP)   …  ( R. J.   Kavit ha )   4183   [4]   S.  Kozie l ,   et   a l . ,   “ Vari abl e - f ide l i t y   el e ct rom agnet ic   sim ula ti ons  a nd  co - krigi ng  fo r   ac cur ate  m odeling  of  antenna s ,”   IEE E   Tr ansacti o ns on  Antennas  and  Propagati on ,   vol /i ss ue:  61 ( 3 ) ,   pp .   1301 - 1308 ,  2013 .   [5]   M.   M.  Khodier   and  C.   G.  Chr ist odoulou,   “ Li n ear  arr a y   g eometr y  s y nth esis  with  m ini m um   sidel obe  le v el   and  nul l  cont rol   using p ar ti cle  sw arm opt i m iz at ion , ”   IEEE   Tr ans.  Ant ennas   Prop . ,   vol /i ss ue :   53 ( 8 ) ,  pp.   2674 - 2679,   2005 .   [6]   F.   J.  A .  Pena ,   et  al. ,   “ Gene ti c   algorithms   in  th e  design  and   optim iz at ion   of  ant e nna  arr a y   p at t er ns,”   IE EE  Tr ans.   Ant ennas Prop . ,   vol.   47 ,   pp .   506 - 510,   1999 .   [7]   D.   W .   Boeri nge r,   et   al . ,   “ A  simul ta n eous  par amete r  ada pt at ion  s che m e  for  genet ic   al gor it hm s  with  appl i ca t ion  to   phase d  ar ra y   s y n the sis,”   IE EE   Tr ans.  Antennas P rop . ,   vol .   53 ,   pp .   356 - 371,   2005.   [8]   R.   J.   Kavit h a  a nd  H.  S.   Aravi nda,   “ Rev ie win g  the  Eff ec t ive n ess  of  Contri bu t ion  of  Mi cro stri p  Ante nna   in   th e  Com m unic at ion S y stem ,”   Open J ournal  of Ant enn as and  Propagat ion ,   vo l/ issue:   5( 02),   p p.   47 ,  201 7 .   [9]   X.  Ta ng ,  et  al. ,   “ Design  of  a  W i deba nd  C irc ul arly   Pol arize d  Str i p - Heli c al   Ant en na  w it h   a   Para si ti c   Patc h ,”   IEEE   Ac c ess ,   vol .   4 ,   p p.   7728 - 7735 ,  2 016 .   [10]   A.  A.  Sali h   and  M .   S.  Shara wi ,   “ A  Dual - Band  Hi ghl y   Min ia tur iz ed  Pat ch  Ante nna ,”   I EE E  Ante nnas  and  Wirel e ss  Propagati on  Le t te rs ,   vol .   15 ,   pp .   1783 - 1786 ,  201 6 .   [11]   J.  D.  Zha ng,   et   a l . ,   “ CP   pat ch  antenna   with  cont ro ll able  pola r isa ti o n  over   dual - fre q uency   bands ,”   I ET  Mic rowaves ,   Ant ennas  &   Pro pagati on ,   2016 .       [12]   A.  Kat y al   and  A .  Basu ,   “ Analy sis  and  opti m is at ion   of  broa db a nd  stac ked  Ms As   using  tra nsm is sion  l ine   m odel ,”   IET  Mic rowav es,   An te nnas  &   Pr opagati on ,   2016 .           [13]   C.   Hanna chi   and   S .  O .  T at u ,   “ Perform anc e  compa rison  of  60  GH z print ed  p atch  antenna s with   d iffe r ent   geomet rical   shape s  using  m ini at ure   h y bri d  m ic ro wave   i nte gra te d  ci r cuits  te ch nolog y ,”   IET  Mi crowave s,  Ant enna s   &   Propagati on ,   20 16 .           [14]   J.  W ang,   e t  al .,   “ Bandwidt h  Enh anc ement   of  a   Diffe ren ti a l - Fed  E quil atera l  Tr ia ng ula r  Pat ch  Ante nn a  via  Loa d in g   of  Shorting  Pos t s ,”   IE EE Tr ansacti ons on   Antenn as and  Pro pagat ion ,   vo l/ issue:   65 ( 1 ),   pp .   36 - 43 ,  2017 .   [15]   D.  E .   Brock er,  e t  al . ,   “ Minia turize d  Dua l - band   Folded  Pa tc h  Ant enna   wi th  Ind ep ende nt   Band  Co ntrol   Uti lizing  a n   Inte rdig it a te d   Slot  Lo adi ng ,”   I E EE   Tr ansacti ons   on  An te nnas an d  Propagati on ,   2 016 .   [16]   H.  Jin,  et   al . ,   “ High - gai n  low - cro ss - pola riz a ti on  6 0 - GH z  LT CC  p at ch  antenna   arr a y   with  d iffe r ential - f ed  and   soft - surfac e   struct ur e s ,”   Mi crowave C onfe renc e  ( AP M C) ,   2015  Asia - P aci fic ,   v ol .   1 ,   20 15.   [17]   N.  N .  Trong,   et   al. ,   “ A  fre quency - and  p at t ern - re c onfigura b le   c en te r - shorted  MsA ,”   IE EE   Antenn as  and  Wirel ess  Propagati on  Le t te rs ,   vol .   15 ,   pp .   1955 - 1958 ,  201 6 .   [18]   L.  Li   and  G .   Liu ,   “ A  Diffe ren tial   Ms A W it h  Filt eri ng  Response ,”   I EE E  Antennas  and  Wirel ess  Propagati on  Lett ers ,   vol.   15 ,   pp .   1983 - 1986 ,  2016 .   [19]   H.  Yao,  e t   al . ,   “ Patc h  Antenna  Arra y   for   the  Gene ration  of   Mill ime ter - W ave   Herm it e – G aussian  Be ams ,”   IE EE  Ant ennas  and   W irel ess P ropagat ion  Letters ,   vo l.  15 ,   pp .   1947 - 19 50 ,  2016 .   [20]   A.  Atta r an,   et   al. ,   “ 60  GH z  Low  phase   err or   rotman  le ns  co m bine d  with  wi deba nd  Ms A  ar ra y   using  L TC C  te chno log y ,”   IE EE   Tr ansacti ons   on  An te nnas an d  Propagati on ,   v ol/ issue:  64 ( 12 ),  pp.   5172 - 5180 ,  2016 .   [21]   J.  D.  Zha ng,   e t  al . ,   “ A  Compa c t  Microstr ip - Fed  Patc h  Ante nna  w it h  Enhance d  Bandwidth  and  Harm onic   Suppress io n ,”   I E EE   Tr ansacti ons   on  An te nnas an d  Propagati on ,   v ol/ issue:  64 ( 12 ),  pp.   5030 - 5037 ,  2016 .   [22]   H.  Sun,  et   al. ,   “ Proxim it y   Cou ple d  Cavi t y   Ba cke d  Patc h  Ant e nna  for  Long  Range   UH F  R F ID  Ta g ,”   IEEE   Tr ansacti ons on Ante nnas and   Pr opagati on ,   vol/is sue:  64 ( 12 ), pp .   5446 - 5449 ,  201 6 .   [23]   B.   P.  Sm y th ,   et   al. ,   “ Dual - Band  Microstri p  Patc h   Antenna   Us ing  Inte gra te d  Uni pl ana r  Meta m ateri al - Based  EBGs ,”   IEE E   Tr ansacti o ns on  Antennas  and  Propagati on ,   vol /i ss ue:  64 ( 12 ),   pp .   5046 - 505 3 ,  2016 .       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS          Kavit ha   R  J  wor king  as  a  r ese ar ch  schol ar  at  Vi svesvara y a   Tech nologi c al   Univ e rsit y ,   B el ag avi   has  aro und  5  re sea rch   p ape rs  to   her   cr edi t .   She   has  serve d  in  d iffe ren t  orga n iz a ti ons  and  ha s   aro und  16+  y ears   of  expe rie nc e.   She  has  co m ple te d  her   B E  from   My sore   Univer sit y   and   MTec hfrom   Visvesvara y a  Tech nologi c al   Unive rsit y   in  2008.   S he  has  bee n  instrumenta l  in  th e  proc ess of  Ac credit ation  work.     Dr.  Aravi nd  HS ,   MTe ch,   Ph.D . ,   is  a  prof essor  and  he ad  of  E l ec tron ic s  and   Com m unic at ion   engi ne eri ng  dep art m ent   at   JS SA TE ,   Bengalur u. He  has  m ore   tha n  50int ern a ti onal/  nat ion al   pape rs  to  his  credit .   He  has  serve d  in  var ious  orga nisat ions  in  diff ere nt  l eve ls .   He  has  complet ed  his  Doctor at e  fr om   Vi svesvara y a  Te chno logi c al   Univer sit y   and  i s  spec ia li z ed  in  t he  are a  of  fau l t   tol er anc e ,   sign al  proc essing.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.