Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  Vol.  4, No. 6, Decem ber  2014, pp. 974~ 978  I S SN : 208 8-8 7 0 8           9 74     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  Circularly P o lari zed Cyli ndrical  Diel ect ri c Res o nator Ant e nna  with Different Sh apes Cross Slot       Z a hra Rahimi an   Ele c tri cal  and  C o m puter Depar t m e nt,  Uni v e r si ty of Ta briz , T a briz ,  Ira n       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  J u l 14, 2014  R e vi sed Oct  4,   2 0 1 4   Accepted Oct 24, 2014      A cross slot coupled cy lindrical d i electric r e sonator an tenn a (CDRA)  operating in th e X-band (8GHz -12GHz ) frequ ency  rang e is studied.  The  proposed CP designs are achiev e d b y   implemen ting a suitab l e crossslot on   the ground p l ane (in th e case of  aperture   coupled  feed method) , w h ich results  in excitation of  two near d e g e nera te or thogo nal modes of  near  equal  amplitudes and   90 °  phas e  d i ff erenc e .  Att e m p ts  are  m a deto   change  th geometr y  of slots ends to introd uce a nov el stru cture  in order  to  achieve  better impedan ce bandwidth  with  an improved 3dB axial ratio (AR)   bandwidth. It is found that the ho urglass  of cross  slot has a great effect on the  s t rength of  cou p ling be tween  t h e fe ed lin e an d the di el ectr i c  res onator   antenn a.In s i m u lation an im ped a nce  bandwid th  of 46.15% and axial ratio   bandwidth of  22% has been  achieve d with  the abov e geometr y . An   improvement of  12% in  imped a nce bandwid th  and 11 .2%  in  Axial r a tio   bandwidth  is obtained  over  conv ention a l r e ctang u lar  cross slot.   Keyword:  Ant e nna   Circularly pola rized  C r oss  sl ot   Dielectric res o nator    Copyright ©  201 4 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 Zahra  R a hi m i an,   Electrical and  Com puter De partm e nt, Un iv ersity o f  Tabriz, Tabriz,  Iran .   Em a il: z_ rah i mian 8 9 @m s.ta b r izu . ac.ir      1.   INTRODUCTION  During the  pas t  two  decades, diel ectric res o nator ante nna  (DR A ha s be en widely  expl ore d . These   antennas  ha ve  several  adva ntages s u c h  as  s m all size, li ght  wei g ht ,  ease  of  exci t a t i o n  a n d  hi gh   gai n   [ 1 ] ,  [ 2 ] .   Di el ect ri c res o nat o rs  of  di ffe rent  s h a p es  ha ve  vari ous  m odes  of  res o nan ces.  W i t h  t h e   pr o p er e x ci t a t i o n  o f   certain m odes, these resonators can actually becom e  effi cient radiatorsinstead of  e n ergy storage de vi ces [1].  Pri m ary  cond uct e d st udi es  on  DR A ha ve  been  m a i n l y  foc u se on t h e l i n ear  p o l a ri zat i on a ppl i c at i ons,   ban d w i d t h  e n h a nci n g t ech ni q u es s u ch as e x ci t a t i on of  hi g h er  or de r m odes, com b i n at i o n o f  hy bri d  m odes an d   array  ap pl i cat ions  [3] ,  [ 4 ] .  Neve rt hel e ss , desi g n i n g a w i deba nd ci rc ul arl y  pol ari zed  (C P) DR A i s  st i l l  a  ch allen g i ng  task .It is d i fficult to  si m u l t an eo u s ly ob tain   wid e  im p e d a nce an d  ax ial ratio  (AR)  b a nd wi d t h s Circularly  pola rized (CP)  DR A has r eceive d trem endous at tention [5]-[10],  m a inly due  to its a b ility to reduce   th e po larization  m i s m a t ch A C i rc ul ar  pol ari zat i on  (C P)   ope rat i o was  achi e ve d t h r o u g h  com p l e ge om et ri es of t h e DR A  [ 5 ] ,   [6 ] or th ro ugh  th e attach m e n t  o f  p a rasitic p a tch e s [7 ], [8 ]. In  d e si g n s [5 ] ,  [6 ] m a k e  u s e o f  slo t s on  the sid e   wal l s  of DR As  t o  exci t e  dege nerat e  m odes, fo r ge nerat i o of C P  fi el ds wi t h  3dB  AR  ba n d wi dt h o f  8. 2.  In [ 9 ] ,   anot her  desi gn  was  pr op ose d , i n  w h i c h d u a l - ba nd C P  o p e rat i on  was ac com p l i s hed by  usi n g a c r os s  sl ot   co up led to  coup le en erg y  from  a  micro s trip   lin e to  a  rectang u l ar DR A.  The 3 - d B  ax ial-ratio  (AR )   b a ndwid ths  dB obtaine d   19.8% a n d 6.2% for t h e lower and  uppe ba nds, respecti v ely.  Recently,  in [10] the cross slot  cou p l e d  cy l i n d r i cal  DR A  wi t h   wi de i m peda nce a n d  AR  b a nd wi dt has  been  p r op ose d .  It   was  dem o n s t r at ed   th at th b a ndwid th   o f  cro ss sl o t  coup led   DR A can  b e  in creased  sub s tan tially b y  stack in g two   DRs  v e rti cally .   For  t h i s  a n t e n n a  axi a l  rat i o  ba nd wi dt obt ai n e 16 .0 %.   In t h i s  pa pe r,  a si ngl y -fe d cr oss sl ot  co u p l e d cy l i ndri cal  DR A wi t h  di f f ere n t  sha p es  of cr oss s l o t   con s i s t  of rect ang u l a r ,  d og  b one , an d h o u r g l a ss i s  st udi e d . It  i s  fo u nd t h at  t h e h o u r gl ass of cr oss sl ot  has a  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJECE Vol. 4, No. 6, D ecem ber 2014   974 – 978  9 75  great effect on  the strength   of  coupling bet w een the fee d  line and the  dielectric resonator an t e n n a. It   gi ves  an   opt i m u m  im pedance  ba n d wi d t h wi t h  an i m pro v e d  3  dB  a x i a l  rat i o  ( A R )   b a nd wi dt h. T h 3dB   AR   ban d w i d t h s   are 10.8%,  13.6% , and  22% for the  rec t angular,  d og  bo ne, a n d h o u r g l a ss cr oss  sl ot , res p ect i v el y .  I n   co m p ar iso n   w i th   sim i lar   w o rk s,  t h ese pr oposed   an tenn as of f e r   r e lativ ely w i d e  A R  b a n d w i d t h, h i gh  g a in and  sim p l e  st ruct u r e. Al s o  em pl o y i ng FR 4 s u bs t r at e m a kes t h ese also a low cost st ruct ure .  Othe r a d vanta g es  of  t h e pr o p o sed a n t e n n a i s  usi n g  onl y  o n po rt  fo r achi e ve wi deba n d  ci rc ul ar p o l a ri zat i on a t  al l  freque ncy   ban d s .   Th return lo sses, ax ial ratio s, rad i atio n   p a ttern an a n t e n n a   gai n s were st udi e d  usi n g A n soft  HF SS.       2.   CDRA MODELLING AND DESIGN  The a p ert u re -c ou pl ed e x ci t e d  cy l i ndri cal  D R A t h r o ug h t h e rect an gul a r do bo ne, a n d  ho u r gl ass   cr o s sslo ts  w a d e sign ed  an d is show n in   Figu r e  1. Th e cr ossslo t s ar e in the gr oun d p l an e, and  t h D R   on  top  of the  slots. T h e sl ots a r e ce ntere d   wi t h  ea ch  ot he r a n wi t h  t h DR  i n   the  ground  plane a n d s ubst r ate.It is   etched  on a  22mm × 22 mm FR4 ( ε r  =4.4, ta n δ  = 0.00 2)  sub s tr ate  w ith  a th ickn esso f   S=0.8 mm. Th micro s trip  feed  lin e o f   W m =  1.6m m  and L m  = 14m m  i s   pri n t e d o n  a s ubst r at e. A sm al l  rect angul a r  st ub o f   1.6mm × 5 m m is used at the centere d below the DR wh ic h aids in the impeda nce m a tching. T h e DR el e m ent  i s   m a de of R o gers R T 60 1 0  ( ε r  =1 0.2, tan δ   = 0.0 0 2 3 )  wi t h  t h e radi us a=4 . 3 2  m m  and he i ght  h= 3. 1 m m . Th e   DR is ex cited   in  th fund amen tal HEM 11 δ   m ode. The  di m e nsions  of the cr ossslots, the DR, a n d the   ground  pl ane  det e rm i n i ng t h e a n t e n n a  pe rf orm a nce a r e l a bel e d i n  Fi gu re  1.           (a)     (b )     (c)       (d)    Fi gu re  1.  C o nfi g u r at i o of t h ant e n n a:  (a ) T o vi ew  o f  rect a n g u l a r  cr oss  sl ot  ( b )  T o p  vi e w   of  d o g  b o n cross   sl ot   (c T o p   vi e w  of h o u r gl ass cross   sl ot  ( d ) si de vi ew.       2. 1.  Sl o t  E f fec t  C h ar ac teri zati on   The s h ape a nd size of cross  slot m a y affect the  co upl i n bet w ee n t h e sl ot  an d C D R A .  In  or der t o   efficiently couple the electromagnetic  energy from  aperture to CDR A , t h is  p a ram e ter  h a s op tim ized Th e slot   sho u l d  be m a d e  no  l a r g er t h a n  i s  re q u i r e d  f o r i m pedance   m a t c hi ng.  Fo m a xim u m  cou p l i n g ,  t h DR   sho u l d   be ce ntere d   over the  cross  slot.   A  th i n   r ectangu lar  cr oss sl o t   g i v e s m u ch  stro ng er  co up ling. Th e co up ling can   b e  i n cr eased   b y  using   l o n g er  or  wi de r rect an g u l a r c r oss  sl ot . F o r a  sim p l e  rect angul a r  cr oss sl o t , t h e t r ans v e r s e  el ect ri c fi el m u st   v a n i sh  at t h e en d of t h e ap ert u re. By ad d i n g  a ellip tical slo t  at th e end   o f  th rectang u l ar  ap ert u re (Dog   b o n e - sha p ed) the  field bec o m e s nearly unifo rm  alon g t h e a p e r t u r e  and  he nce t h e coupling inc r eases [11].  A bowtie   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Circu l a r ly Po l a rized Cylin d r i c a l  Dielectric  Reson a t o r  An t e n n a  with Differen t   S hap es    ( Z ahr a R a hi mi a n )   97 6 or  but t e r f l y  sh aped c r os s sl o t , al so gi ves  m o re coupl i n g  and hi gh er re son a nt  i m pedance as com p ar ed t h rect an gul a r  cr o ss sl ot .  A n   h o u r gl ass  sha p e d  c r oss  sl ot  uses  t h feat u r es  of   bot h t h do b one - a n d t h e   b o wt i e - sha p ed  cr oss  sl ot wi t h o u t  a n y  shar p e d ges  and  he nce  gi ve  m a xim u m  coupl i n g . T h wi dt of  t h rect an gul a r   cross sl ot  (Fi g ure  1(a )) i s   W s = 0.5m m ,  and t h e arm s  l e ngt hs are ch ose n  t o  be L 1 = 5m m   and L 2 = 7m m .   Fi gu re   1( b) a n d 1 ( c) s h o w   ot her  pa ra m e t e rs of d o g   bo ne a nd  h o u r gl ass cr oss sl ot . The a r m s  wi dt h of  h o u r gl ass  cross   slot are  selected to be W 1 = 1 . 2mm,   W 2 = 2. 2 m m ,   and W 3 = 0. 5m m .       3.   R E SU LTS AN D ANA LY SIS  Anal y s i s   of cy l i nd ri cal  DR A   at  10  G H has  do ne  by  t a ki ng  rect an g u l a r,  d o g  b o n e, a n d h o u r gl ass o f   cro ss  slo t  h a v i n g   d i electric co n s tan t  10 .2 keep ing  th e sl o t  p o s ition  sam e . Th e sim u lated  ret u rn  lo ss an d   AR   bandwidth for these  three  ca s e s are sh o w n i n  Fi g u r e  2.  As  i t  can be f o un d  out  f r o m  Fi gure 2 ( a) , t h e si m u l a t e d    dB  im peda nce ba n d wi dt h s  of  rect an g u l a r,  do bo ne a n d h o u r g l a ss cr oss sl ot CDRAs are 34 .14 %  (8 .5– 1 2 GH z) , 42 .42% (7 .8 –12 GH z)  and   46 .1 5% (7 .5 –12   G H z ) ,   resp ectiv ely. Fi g u r e   2 ( b)  sh ows th e sim u lated  A R   for all of t h e three case s  in t h e boresight di rection  (  0 º ) .  The C D R A   h a s 3 d B  AR   ba nd wi dt hs  10 .8 % (8 .8 9. 8 GHz ),   1 3 . 6 ( 9 . 6 1 1  G H z ),  a n d 2 2 % (8 .9 –1 1. 1   G H z) , fo rrect a n g u l a r ,   d o g  bo ne an d ho u r gl ass   cr os sl ot   respectively .   W i t h  re fe rence  to the  fig u re m a xim u m  re t u rn l o ss a n d 3 d B  AR  ba n d wi d t h i s  achi e ved   by  usi n g   ho u r gl ass o f  cr oss sl ot  C D R A . O n l y  10. 8 %  3dB  AR  ba nd wi dt h i s  achi e ved w h e n  w e  use rect an gu l a r shap e   cro ss sl o t . Th e si m u lated  an ten n a   g a in for th ese th ree  ca ses are sh ow in Figu re 3 .  W i t h  re fere nce  to the  fig u re, sim ilar  results are  fo u nd  fo r all of t h e thr ee cas es. It can be s een the sim u lated antenna gai n   varie s   bet w ee 0dB  a n d  6 . 5 d B .           (a)     (b )     Fi gu re  2.  Si m u l a t e d R e t u r n  L o ss a n Axi a l   r a t i oof  t h e C P   C D R A   wi t h   di ffe rent  s h a p e c r oss  sl ot   (a)  R e t u r n   Lo ss, (b ) Ax ial  ratio     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJECE Vol. 4, No. 6, D ecem ber 2014   974 – 978  9 77      Fi gu re  3.  Si m u l a t e d gai n of  t h e C P  C D R A   wi t h   di ffe re nt  s h ape  cr oss  sl ot       Fig u re  4   represen ts th e sim u la ted  rad i atio n pattern fo r thre e cases at  9.3  GHz 10 .3 G H z , and  10. 2   GH zfor  xz -pla nes.   W i t h   refe rence  to t h is fi gu re,  the  LHCP  fields a r e stro n g er  tha n  RHCPs.   Fi nal l y , Tabl e  1  sh o w s a  c o m p ari s on  o f   t h e di ffe rent   s h ape  cr oss  sl o t  of  C P   DR A  an ot he r   Pu bl i s he d C P   DR res u l t s  i n  t e rm s of t h e - 10  dB  i m pedance ba n d wi dt h ,  3 d B  AR   ba n d wi dt h, a n ga i n . T h characte r istics of t h diffe rent sha p e c r oss slot  ante nnas can  be s u mmarized as follows: im pedance   ban d w i d t h d B  axi a l  rat i o  b a nd wi dt h a n ant e n n gai n  i s  im pro v e d   whe n   ho u r gl ass  sh ape c r os s sl ot  i s  u s e d   instead of the  antenna  with  rectangular a n d dog bone  sha p e cross slot.  It is becau se that the hourglas m a kes  t h e fi el d s   on  t h e sl ot s m o re  uni fo rm  t h an t h ot he r cases .   When   ho ur gl a ss cr oss  sl ot  i s  use d ,  t h e a x i a l  rat i o   bandwidth i n creases above  22% as co m p ar ed t o  rect a n g u l a r cr oss sl ot whi c h gi ves a ban d w i d t h   of  10 .8 %.   Al so, c o m p are d  wi t h   ot he C P  DR p ubl i s hed s u c h  as  [9]  an d [ 1 0] ou r p r op ose d   ant e n n a ha s a  bet t e r   perform a nce, low-c o st and  sim p le structure.        (a)     (b )     (c)            Fi gu re  4.  Si m u l a t e d ra di at i on  pat t e rns  (L HC P an d R H C P )   of  t h di f f ere n t  sha p e c r o ss sl ot  C P  C D R A .   (a) R ect a n g u l a r cr oss  sl ot  at   9 . 3 GHz , ( b Do bo ne c r oss sl ot  at  1 0 . 3 GHz   (c)  H o u r gl ass c r oss  sl ot  at   1 0 . 2 G H z       Tabl 1.  Per f o r m a nce o f   Di ffe rent   Sha p e C r o ss Sl ot   o f  C P   DR A a s  C o m p ared  t o   ot he r P ubl i s hed  C P   D R   T h is w o r k   T h is w o r k   T h is w o r k   Re f [9]   Re f [10]           Rectangular Cr oss  slot   shape   Dog bone  Cross slot  shape  Hour glass  Cross slot  shape  2014  2013   - 10dB im pedance  bandwidth   34. 14%  42. 42%   46. 15%   24. 3%   100%   3dB AR bandwidt h   10. 8%   13. 6%   22%   19. 8%   16%   Gain    4. 5 dB  5. 9 dB  6. 2 dB  2. 3 dBi  5 dB                R H CP            LHCP   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Circu l a r ly Po l a rized Cylin d r i c a l  Dielectric  Reson a t o r  An t e n n a  with Differen t   S hap es    ( Z ahr a R a hi mi a n )   97 8 4.   CO NCL USI O N   Thi s   pape des c ri bes t h resul t s fo r ci rc ul arl y  pol a r i zed C D R A   st ruct ure  wi t h   di f f ere n t   geom et ry  o n   t h e cross - sl ot s .  An ape r t u re -c ou pl ed C D R A  operat i n g i n   X- ba nd ha s be en pre s ent e d w h i c h i s  dri v en  fr om   single  feed and e x cited through a  rectangular,  dog bone , and  hourgl ass crosssl ots.  It is found t h at the   max i m u m  retu rn  loss and  3dB AR b a ndwid th  is ach iev e d  b y  using  hou rg lass of  cross slo t  CD RA . I t  is  because that the hourglass m a kes the  fields  on t h e slots more  uni form  th an the  other cases.  When hourglass  cross sl ot used, the axial ratio ba ndwidt h increase d  as  com p ared to rectangular cr oss s l ot . B y  adjust i ng t h e   len g t h,  wid t h an d po sition   o f  t h h ourg l ass sh ap ed  cro ss sl ot, b e st an tenn p e rform a n ce ob tain ed.      REFERE NC ES   [1]   Kishk, Ahmed A.,  and Ya h i a  MM Antar,  "Diele ctri c Resona tor  Antennas",  Antenna Engin eering  Handbook , John  L.  Volakis, 4 t ed.  (New York: McGraw-Hill, 2007 ) (2007).  [2]   Hem n  Younesiraad, Moham m a d Bem a ni, Saied Nikm ehr,  “Sm a ll Multi-B a n d  Rect angul ar  Dielectri c  Reso nator  Antennas for Per s onal Communication Devices ,  Intern ation a l Jo urnal of  El ectr i c a and Computer  Engineering ,  vo l.  4, no . 1 ,  2014 [3]   D. Guha A. Banerjee C.Kumar and Y. Antar, "Higher Order Mode Exci tation for High-GainBroadside Radiatio n   From Cy lindrical Dielectr ic Reso nator Antennas",  IEEE Trans. An tennas Propagation,  vo l. 60, no.  1, Jan .  2012 [4]   B. Li and K. W. Leung , "Strip- F ed  Rectangular  Dielectric Reso nator Ante nn as With/Without  a Parasitic  Patch" IEEE Trans. Antennas Propagation,  vol. 53 , no . 7 ,  July  2005 [5]   Yong Mei Pan, Kwok  Wa Leung, and Kai  Lu , "Omnidirection a l Lin early   and  Circularly  Polar i zed Rectangular  Dielectric R e sonator Antennas",  I EEE Trans. Antennas Propag.,  v o l. 60 , no . 2 ,  Feb .  2012   [6]   Y. M. Pan and  K. W.  Leung, "Wideband Omnidirectiona l Circu l arly  Polar i zed  Dielec tric Resonator Antenna With   Pa ra sitic  Strips",  IEEE Trans. An tennas Propagation,  vo l. 60, no.  6, June. 2012 [7]   A. La isne,  R.  Gillard , and  G.  Piton, "Ci r cul a rl y Polari sed  Di ele c tri c  Reson a t o r Antenna  wit h  Metal l i c  Strip " Ele c tron.  Lett . , v o l. 38 , no . 3 ,  pp 106–107, Jan .  2 002  [8]   LU Kai and  LEUNG Kwok  Wa,  "Wideband  Circularly  Polarized Hollow Diel ectric Resonator Antenna With  Pa ra sitic  Strip",   2011 Cross Stra it Quad-Reg i ona l Radio S c ie n ce  and Wireless Technology Con f er ence , July  26-30 2011   [9]   Meng Zhang ,  B i n Li,  and Xin  Lv , "Cross Slot Co upled Wide  Dual-Band C i rcularly  Polari zed  Rectangular  Dielectric  Resonator Anten n a",  I EEE An ten na and Wireless  Propagation Letters , vol. 13 , 201 4.  [10]   Rushikesh Dinkarrao Makn ikar  and Veer esh Gangappa Kasa b e g oudar, "Cir cular l y  Polarized Cr oss Slot Coupled  Stacked Die l ec tric Resonato r  Ante nna for Wireless Ap plications",  International Jou r nal of Wireless  Communications and Mobile Co mputing , 2013 ; 1 ( 2): 68-73   [11]   D. M. Pozar, S.  D. Targonski, "I mproved Coupli ng for Aperture  Coupled Microstrip Antennas",  E l ec tr onics  L e tt er s ,   20th June 1991 27, No. 13.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.