I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E )   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9 ,   p p .   3 3 2 ~ 3 4 0   I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   D O I :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 9 i 1 . p p 3 3 2 - 3 4 0       3 3 2       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s c o r e . c o m / j o u r n a l s / i n d e x . p h p / I J E C E   R a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   o f   m i c r o s t r i p   a n t e n n a   i n   e l e v a t i o n   a n d   a z i m u t h   p l a n e s   u s i n g   E B G   a n d   p i n   d i o d e       M . K . A b d u l h a m e e d 1 ,   M . S . M o h a m a d   I s a 2 ,   Z . Z a k a r i a 3 ,   I . M .   I b r a h i m 4 ,   M o w a f a k   K . M o h s e n 5   1 , 2 , 3 , 4 , 5 C e n t r e   f o r   T e l e c o m m u n i c a t i o n   R e s e a r c h   a n d   I n n o v a t i o n   ( C e T R I ) ,   F a c u l t y   o f   E l e c t r o n i c   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t i   T e k n i k a l   M a l a y s i a   M e l a k a   ( U T e M ) ,   M a l a y s i a     1 , 5 M i n i s t r y   o f   H i g h e r   E d u c a t i o n   a n d   S c i e n t i f i c   R e s e a r c h ,   U n i v e r s i t y   o f   K e r b a l a ,   I r a q       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T   A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   J u l   3 ,   2 0 1 8   R e v i s e d   J u l   2 4 ,   2 0 1 8   A c c e p t e d   J u l   2 9 ,   2 0 1 8       A n   i m p o r t a n t   i s s u e   i n   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s ,   w h i c h   i s   r e l a t e d   t o   t h e   a n t e n n a   g a i n   d e g r a d a t i o n   i n   c a s e   o f   c h a n g i n g   t h e   m a i n   d i r e c t i o n   o f   t h e   a n t e n n a   r a d i a t i o n   p a t t e r n ,   t h i s   v a r i a t i o n   i s   n o t   a p p r o v a l   i n   m a n y   c o m m u n i c a t i o n s   s y s t e m s .   I n   o r d e r   t o   i m p r o v e   a n t e n n a   r a d i a t i o n   p e r f o r m a n c e s ,   E l e c t r o m a g n e t i c   b a n d   g a p   ( E B G ) - a n t e n n a   w i t h   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   c a p a b i l i t y   i s   p r e s e n t e d .   M u s h r o o m - l i k e   E B G   s t r u c t u r e   f o r   s u p p r e s s i n g   s u r f a c e   w a v e s   h a s   b e e n   c o m b i n e d ,   w i t h   t h e   s w i t c h i n g   d i o d e   t o   p r o d u c e   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   w i t h   i m p r o v i n g   a n t e n n a   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   g a i n ,   d i r e c t i v i t y   a n d   e f f i c i e n c y .   E B G   o f   s e v e r a l   c e l l s   a r e   s u r r o u n d e d   t h e   p a t c h   a n t e n n a   a n d   p l a c e d   s y m m e t r i c a l l y   f o r   t h e   t w o   o p p o s i t e   s i d e s ,   g e n e r a t i n g   d i f f e r e n t   r a d i a t i o n   p a t t e r n s   c o n t r o l   a b i l i t y   i n   b o t h   t h e   e l e v a t i o n   ( E )   ( - 2 0 ° < φ < 2 0 ° )   a n d   a z i m u t h   ( Z )   p l a n e s   ( 1 8 ° < θ   < 1 8 ° ) .   A t   t h e   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   t h e   d i o d e s   h a v e   b e e n   s w i t c h e d   O N   a n d   O F F   s t a t e s ,   t h e   E B G   s e c t o r   p r o p e r t i e s   i n   s t o p   b a n d   ( c o n n e c t i n g   v i a s )   a n d   p a s s   b a n d   ( d i s c o n n e c t i n g   v i a s )   a r e   a l t e r e d .   U s i n g   C S T   M i c r o w a v e   S t u d i o   ( C S T   M W S )   t h e   r e s u l t s   s h o w   t h e   f l e x i b i l i t y   i n   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   f o r   t h e   Z   a n d   E   p l a n e s   u s i n g   o n l y   f o u r   d i o d e s .   A n t e n n a   d i r e c t i v i t y   o f   1 0   d B i ,   g a i n   9 . 8 6   d B   a n d   e f f i c i e n c y   9 6 . 5 %   a t   t h e   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   o f   6   G H z ,   m o r e   r e s u l t s   f o r   a l l   d i r e c t i o n   h a s   b e e n   s t a t e d   i n   T a b l e 1 .   S i g n i f i c a n t l y ,   u n l i k e   a   c o n v e n t i o n a l   b e a m   s t e e r i n g ,   t h i s   m e t h o d   d o e s   n o t   s u f f e r i n g   f r o m   g a i n   d e g r a d a t i o n   a n d   t h e   m a i n   l o b e   g a i n   i s   a p p r o x i m a t e l y   c o n s t a n t   f o r   a l l   s t e e r i n g   a n g l e s .   K e y w o r d s :   E   a n d   Z   p l a n e s   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   E l e c t r o m a g n e t i c   B a n d - G a p     M i c r o s t r i p   A n t e n n a   M u s h r o o m - l i k e   E B G   s t r u c t u r e   S w i t c h a b l e   E B G   C o p y r i g h t   ©   2 0 1 9   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   M . K . A b d u l h a m e e d ,     D e p a r t m e n t   o f   T e l e c o m m u n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,     F a c u l t y   o f   E l e c t r o n i c   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t i   T e k n i k a l   M a l a y s i a   M e l a k a ,     H a n g   T u a h   J a y a ,   7 6 1 0 0   D u r i a n   T u n g g a l ,   M e l a k a ,   M a l a y s i a .   E m a i l :   e n g _ m k a @ y a h o o . c o m       1 .   I N T R O D U C T I O N     M i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a s   h a v e   b e e n   a p p l i e d   c o m m o n l y   i n   n u m e r o u s   p u r p o s e s   d u e   t o   l o w   p r o f i l e ,   l o w   c o s t ,   l i g h t - w e i g h t   a n d   a p p r o p r i a t e   o f   i n t e g r a t i o n   w i t h   R F   d e v i c e s   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   T h e   E B G   p e r i o d i c   s t r u c t u r e   h a s   b e e n   a p p l i e d   t o   m i c r o w a v e   p l a n a r   w a v e g u i d e s   c a n   r e s u l t   i n   p a s s   o r   s t o p   b a n d s .   B y   a c c u r a t e   c h o i c e   o f   d i m e n s i o n s   a n d   p e r i o d s   s p e c i f i c   w a v e s   a r e   p e r m i t t e d   f o r   p r o p a g a t t i n g ,   w h e r e a s   t h e   o t h e r   w a v e s   l i k e   s u r f a c e   w a v e s   c a n   b e   s u p p r e s s e d .   S u r f a c e   w a v e s   d e c r e a s e   t h e   e f f i c i e n c y   o f   a n t e n n a   a n d   g a i n ,   r e d u c e   b a n d w i d t h ,   r i s e   t h e   r a d i a t i o n   o f   e n d - f i r e   a n d   c r o s s - p o l a r i z a t i o n   l e v e l s .   T h e   m u s h r o o m - l i k e   E B G   s u r f a c e   h a s   b e e n   d e s c r i b e d   i n   [ 3 ]   a n d   t h e   o t h e r   e x p l a n a t i o n   i n   [ 4 ]   o f   t h e   u n i - p l a n a r   E B G   s u r f a c e   h a s   b e e n   u s e d   t o   s u r r o u n d   a   m i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a   f o r   r e d u c i n g   t h e   s u r f a c e   w a v e   e f f e c t .   T h e   f e a t u r e   o f   s u r f a c e - w a v e s   s u p p r e s s i o n   s u p p o r t s   t o   r e d u c i n g   b a c k w a r d   d i r e c t i o n   a n d   t h e   a m o u n t   o f   p o w e r   w a s t e d   [ 5 ] ,   l e a d s   t o   i m p r o v e   a n t e n n a   p e r f o r m a n c e   [ 6 ] - [ 1 4 ]   b y   r a i s i n g   t h e   g a i n   o f   a n t e n n a   [ 1 5 ]   a n d   r e d u c t i o n   i n   a n t e n n a   s i z e   [ 1 6 ] .   T h e   a n t e n n a s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     R a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   o f   m i c r o s t r i p   a n t e n n a   i n   e l e v a t i o n   a n d   a z i m u t h     ( M . K . A b d u l h a m e e d )   3 3 3 w i t h   b e a m   s t e e r i n g   a b i l i t y   h a v e   a   l o t   o f   a d v a n t a g e   b y   g e t t i n g   b e t t e r   r a n g e   i n   c h a n n e l   c a p a c i t y   w h i l e   l e s s e n i n g   t h e   i n t e r f e r e n c e   [ 1 7 ] .   W h e n   c o n s i d e r i n g   o n   i n s e r t i n g   a d d i t i o n a l   f e a t u r e s   t o   c u r r e n t   a n t e n n a s ,   t h e   m a i n   q u e s t i o n   i s   t h e   a p p l i c a t i o n s   a n d   a d v a n t a g e s   o f   d o i n g   s o .   W h e n   t h e   s i n g l e   a n t e n n a   c a n   b e   u s e d   i n   m u l t i p l e   s y s t e m s ,   t h i s   c a l l e d   r e c o n f i g u r e d   a n t e n n a   a n d   i t   w i l l   b e   a n   i m p o r t a n t   f e a t u r e   i n   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s .   I n t e g r a t e d   t h e   a n t e n n a   w i t h   R a d i o   F r e q u e n c y   ( R F )   s w i t c h e s ,   a n t e n n a   s t r u c t u r e   c a n   b e   a l t e r e d   ( r e c o n f i g u r a b l e   a n t e n n a )   [ 1 8 ] .   F o u r   t y p e s   o f   t h e   r e c o n f i g u r a b l e   a n t e n n a   c a n   b e   a c h i e v e d .   C l a s s i f i e d   a s   r e c o n f i g u r a t i o n   p r o c e s s   i n   r a d i a t i o n   p a t t e r n ,     o p e r a t i o n   f r e q u e n c y ,   p o l a r i z a t i o n   b e h a v i o r ,   o r   a   c o m b i n a t i o n   b e t w e e n   a n y   o f   t h e s e   t y p e s   [ 1 9 ] .   T h e   m a i n   f u n c t i o n   o f   t h e   r e c o n f i g u r a b l e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   a n t e n n a ,   i n   c o n t r o l l i n g   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   i n t o   m a n y   d i r e c t i o n s .   O n e   o f   t h e   m a i n   p r o b l e m s   r e l a t e d   t o   t h e   m i c r o s t r i p   a n t e n n a   i s   t h e   s u r f a c e   w a v e s   e x c i t a t i o n s ,   e s p e c i a l l y   w h e n   c h a n g i n g   t h e   d i r e c t i o n   f o r   t h e   m a i n   l o b e   o f   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n ,   w h i c h   c a u s e d   t h e   d e g r e d a t i o n   i n   t h e   a n t e n n a   g a i n .   W i t h   a d v a n c e d   f a b r i c a t i o n   t e c h n i q u e s   f o r   a n t e n n a ,   b e a m   s t e e r i n g   i n   l o w e r   c o m p l e x   a n d   m i n i a t u r e   p a t c h   a n t e n n a s   c a n   b e   a c h i e v e d .   S e v e r a l   t e c h n i q u e s   c a n   b e   a p p l i e d   t o   r e a l i z e   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   a l o n g   t h e   Z - p l a n e   ( a z i m u t h   p l a n e ) .   U s e d   o f   e l e c t r o m a g n e t i c   b a n d g a p   ( E B G )   s t r u c t u r e   w a s   o n e   o f   t h e s e   m e c h a n i s m s s   [ 2 0 ] - [ 2 2 ] .   M e t a - m a t e r i a l   a n d   e l e c t r o m a g n e t i c   s u r f a c e   d e s i g n   a n d   d e v e l o p m e n t   h a v e   c o n t r i b u t e d   t o w a r d s   t h e   e v o l v e m e n t   o f   s u r f a c e   w a v e   a n t e n n a   w h i c h   h a d   e f f e c t i v e l y   r e d u c e d   t h e   o v e r a l l   a n t e n n a   s i z e   w i t h   t o t a l   i m p r o v e m e n t s   i n   t h e   o v e r a l l   p e r f o r m a n c e .   V a r i o u s   d e s i g n s   a n d   s h a p e s   o f   E B G   s t r u c t u r e s   h a v e   b e e n   i m p l e m e n t e d   o n   t h e   m e t a l   s u r f a c e s   o f   d i e l e c t r i c   s u b s t r a t e s   i n   o r d e r   t o   s t o p   a n d   p r o p a g a t e   t h e   s u r f a c e   w a v e   [ 2 3 ] .   A r t i f i c i a l   p e r i o d i c   s t r u c t u r e s   o f   E B G   d e m o n s t r a t e d   t h e   b a n d   s t o p   f e a t u r e s   s i n c e   n o   e l e c t r o m a g n e t i c   w a v e   p r o p a g a t i o n   i s   p e r m i t t e d .   T h e r e f o r e ,   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   c a n   b e   a c h i e v e d   b y   u s i n g   s w i t c h i n g   d e v i c e s   t o   c o n t r o l   t h e   t r a n s m i s s i o n   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   t h e   E B G   s t r u c t u r e .       I n   t h i s   p a p e r ,   a   l o w   p r o f i l e   a n t e n n a   f o r   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   i n   b o t h   A z i m u t h   a n d   E l e v a t i o n   p l a n e s   i s   d e s i g n e d .   R e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   h a s   b e e n   s u r r o u n d e d   b y   s q u a r e   c e l l s   o f   E B G   s t r u c t u r e   f o r   s u p p r e s s i n g   t h e   s u r f a c e   w a v e s   o n   t h e   h i g h   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   s u b s t r a t e .   A   b a n d   g a p   o f   t h e   E B G   c a n   b e   g e n e r a t e d   f o r   f r e q u e n c i e s   a t   t h e   s a m e   b a n d   o f   t h e   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y ,   b y   p l a c i n g   t h e   ( E B G s )   p e r i o d i c a l l y   o n   t h e   a n t e n n a   s u b s t r a t e .   A n t e n n a   s t r u c t u r e   t h a t   r e s u l t s   f r o m   t h i s   d e s i g n   c a n   p r e v e n t   t h e   e x c i t e d   s u r f a c e   w a v e s   a l o n g   t h e   s u b s t r a t e   f r o m   t h e   p r o p a g a t i o n .   R a d i a t i o n   p o w e r   c a n   b e   p r o p a g a t e d   t o   a   s p a c e   w a v e   b e t t e r   t h a n   w a s t e d   a s   s u r f a c e   w a v e s   i n   t h e   s u b s t r a t e .   T h e   E B G   s t r u c t u r e   w i t h   s w i t c h e d   s t o p   b a n d   a n d   p a s s   b a n d   f e a t u r e s   a r o u n d   t h e   6   G H z   b a n d   g a p   h a s   b e e n   d e s i g n e d .   A   b e a m   s t e e r i n g   a n t e n n a   u s i n g   t h e   s w i t c h e d   d i o d e   w i t h   E B G   s u r f a c e   i s   p r e s e n t e d ,   b y   c o n n e c t i n g   a n d   d i s c o n n e c t i n g   t h e   p i n   v i a s   t o   t h e   g r o u n d   p l a n e   f o r   a l l   o f   t h e   a n t e n n a   s i d e s   w e   a c h i e v e d   r a d i a t i o n   c o n t r o l   i n   E   a n d   Z   p l a n e s .   T h e   d i o d e s   a t   t h e   g r o u n d   p l a n e   h a v e   b e e n   u s e d   i n   O N   s t a t e   f o r   c o n n e c t i n g   a l l   t h e   P i n   v i a s   o f   E B G   e l e m e n t s   t o   t h e   g r o u n d   p l a n e ,   o r   i n   O F F   s t a t e   f o r   d i s c o n n e c t i n g   a l l   o f   t h e s e   p i n   v i a s   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   t o   s t e e r   t h e   b e a m   i n t o   d e s i r e d   s e c t o r .   U n c o n v e n t i o n a l   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   i s   a   u n i q u e   c h a r a c t e r i s t i c   o f   t h i s   d e s i g n ;   t h e   m a i n   l o b e   g a i n   i s   a p p r o x i m a t e l y   c o n s t a n t   f o r   a l l   s t e e r i n g   a n g l e s   i n   E - p l a n e   w i t h   u n n o t i c e a b l e   d e g r a d a t i o n   o f   g a i n   i n   Z - p l a n e   d i r e c t i o n .       2 .   E B G   S T R U C T U R E   A N D   D E S I G N     T h e   m u s h r o o m - l i k e   E B G   s t r u c t u r e ,   w h i c h   i s   a c t u a l l y   a   2 - D   E B G   s u r f a c e ,   w a s   i n i t i a l l y   p r o p o s e d   b y   [ 3 ] .   T h e r e   w e r e   f o u r   p a r t s   i n   t h e   p r o p o s e d   m o d e l :   i )   g r o u n d   p l a n e ,   i i )   d i e l e c t r i c   s u b s t r a t e ,   i i i )   m e t a l l i c   p a t c h e s ,   a n d   i v )   c o n n e c t i n g   v i a s .   A   d i s t i n c t   f e a t u r e   o f   s t o p b a n d   w a s   e x h i b i t e d   b y   t h e s e   E B G   s t r u c t u r e s   f o r   s u r f a c e - w a v e   p r o p a g a t i o n .   A n   L C   f i l t e r   a r r a y   c a n   b e   u s e d   f o r   t h e   e x p l a n a t i o n   o f   t h e   o p e r a t i o n   m e c h a n i s m   o f   t h e   E B G   s t r u c t u r e ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 c .   T h e   c u r r e n t ,   w h i c h   i s   f l o w i n g   t h r o u g h   v i a s ,   c a u s e s   t h e   i n d u c t o r   L   e f f e c t ,   w h e r e a s   t h e   g a p   a m o n g   t h e   n e i g h b o r i n g   p a t c h e s   r e s u l t e d   i n   t h e   c a p a c i t o r   C   e f f e c t .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 a .   W   i s   t h e   p a t c h   w i d t h ,   g a p   w i d t h   i s   g ,   t h i c k n e s s   o f   s u b s t r a t e   i s   h   a n d   r   i s   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t .             ( a )   ( b )   ( c )     F i g u r e   1 .   G e o m e t r i e s   o f   m u s h r o o m   l i k e   E B G   ( a )   T o p   v i e w   ( b )   C r o s s   v i e w   ( c )   L u m p e d   L C   t y p i c a l   a n a l y s i s   [ 3 ]     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :   3 3 2   -   3 4 0   3 3 4 T h e   E B G   s t r u c t u r e   o p e r a t i o n   c a n   b e   d e s i g n e d   b y   a n   L C   f i l t e r   e q u i v a l e n t   c i r c u i t   m o d e l   i f   p e r i o d i c i t y   o f   s t r u c t u r e   i s   a s   s m a l l   a s   p o s s i b l e   i n   c o m p a r i s o n   w i t h   t h e   w a v e l e n g t h   o f   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   [ 2 4 ] .   T h e   i m p e d a n c e   o f   t h e   s t r u c t u r e   i s   v e r y   h i g h   a t   r e s o n a n t   f r e q u e n c y ,   a n d   h e n c e   t h e   s t r u c t u r e   a v o i d s   t h e   e m i s s i o n   o f   a n y   s u r f a c e   w a v e s .   T h i s   r e s u l t s   i n   a   b a n d   g a p   o f   f r e q u e n c y   [ 3 ] .   A   b a n d   g a p   o f   t h e   E B G   c a n   b e   g e n e r a t e d   f o r   f r e q u e n c i e s   a t   t h e   s a m e   b a n d   o f   t h e   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y ,   b y   p l a c i n g   t h e   ( E B G s )   p e r i o d i c a l l y   o n   t h e   a n t e n n a   s u b s t r a t e .   A n t e n n a   s t r u c t u r e   t h a t   r e s u l t s   f r o m   t h i s   d e s i g n   c a n   p r e v e n t   t h e   e x c i t e d   s u r f a c e   w a v e s   a l o n g   t h e   s u b s t r a t e   f r o m   t h e   p r o p a g a t i o n .   T h e   s e c o n d   m o d e l   i s   t h e   h e l p f u l   b a n d   g a p   f o r   s u p p r e s s i n g   s u r f a c e   w a v e   a n d   t h e   f r e q u e n c y   r e g i o n   w h e r e   t h e   f i e l d   o f   s t r u c t u r e   i s   i n   c a s e   o f   p h a s e   r e f l e c t i o n   a n d   t h e   r e f l e c t i o n   c o e f f i c i e n t   p r o p e r t i e s   a r e   e x t r a c t e d   a n a l y t i c a l l y   i n   [ 2 5 ] , [ 2 6 ] .     T h e   t r a n s m i s s i o n   l i n e   m o d e l   f o r   p l a n e   w a v e s   a d d i t i o n a l   t o   s u r f a c e   w a v e s   w i l l   e x p l a i n   a t   t h i s   s e c t i o n ,   t o   c o v e r   t h e   f r e q u e n c y   o f   6   G H z ,   C S T   s o f t w a r e   h a s   b e e n   u s e d   t o   t u n e   t h e   v a l u e s   o f   W   a n d   g .   T h e   o p t i m i z a t i o n   o f   t h e   E B G   d i m e n s i o n s   h a s   b e e n   i m p l e m e n t e d   u s i n g   t h e   m i c r o s t r i p   t r a n s m i s s i o n   l i n e   t e c h n i q u e   w h i c h   m e a s u r i n g   t h e   s u r f a c e   m u t u a l   c o u p l i n g   w i t h i n   t w o   e d g e s   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 ( a ) .   T h e   w i d t h   o f   t h e   t r a n s m i s s i o n   l i n e   i s   d e t e r m i n e d   a s   1 . 5   m m ,   w h i c h   h a s   b e e n   c a l c u l a t e d   u s i n g   C S T   M W S   t o   a c h i e v e   m a t c h i n g   w i t h   t h e   5 0 Ω   i n p u t   i m p e d a n c e .   A   c o u p l e   o f   5 0 Ω   d i s c r e t e   p o r t s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d   a t   b o t h   e d g e s   o f   t h e   t r a n s m i s s i o n   l i n e   f o r   c a l c u l a t i n g   t h e   E B G   s u r f a c e   m u t u a l   c o u p l i n g .   T h e   E B G   s u r f a c e   m u t u a l   c o u p l i n g ,   a s   s h o w n   o n   F i g u r e   3 ,   r e p r e s e n t s   t h e   b a n d   g a p   c h a r a c t e r i s t i c s   f o r   t h e   E B G   w i t h   o p t i m i z e d   p a r a m e t e r s   t h a t   c o v e r s   t h e   a n t e n n a   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   o f   6   G H z .   W h e r e   E B G   w i d t h   W = 3 m m   ( 0 . 0 6 λ o ) ,   g = 0 . 3   m m   ( 0 . 0 0 6 λ o )   a n d   v i a   r a d i u s   o f   0 . 5   m m   ( 0 . 0 1 λ o )   c o n n e c t e d   b e t w e e n   t h e   g r o u n d   p l a n e   a n d   p a t c h   o n   a   R o g e r s   R T / D u r o i d   6 0 1 0   s u b s t r a t e   o f   h e i g h t   h = 2 m m   ( 0 . 0 4 λ o ) ,   r e l a t i v e   p e r m i t t i v i t y   o f   1 0 . 2 .   T h e   m u t u a l   c o u p l i n g   f o r   t h e   E B G   s t r u c t u r e   i l l u s t r a t e s   t h e   e n h a n c e m e n t   i n   E B G   s u r f a c e   m u t u a l   c o u p l i n g   w h e n   t h e   p i n   v i a s   a r e   r e m o v e d .   A d d i t i o n a l l y   t h e   r e s u l t s   w h e n   t h e   p i n   v i a s   a r e   i n s e r t e d   i l l u s t r a t e   t h a t   t h e   E B G   s t r u c t u r e   r e j e c t s   t h e   s u r f a c e   w a v e   p r o p a g a t i o n .   H e n c e ,   t h e   s t r u c t u r e   c h a r a c t e r i s t i c s   c a n   b e   e a s i l y   a l t e r e d   b y   a l t e r n a t e l y   s w i t c h i n g   t h e   p i n   v i a s   I N   a n d   O U T .   T h e   m a i n   i d e a   o f   t h i s   r e s e a r c h   i s   t o   d r o p s   t h e   r e s o n a n t   f r e q u e n c y   o f   a n t e n n a   w i t h i n   t h e   E B G   b a n d   g a p   a n d   t h e n   t h e   s u r f a c e   w a v e s   c o u l d   b e   f o r b i d d e n .   T h e   E B G   s t r u c t u r e   h a s   b e e n   d e s i g n e d   t o   a c h i e v e   a   s t o p   b a n d   a b o u t   t h e   b a n d   o f   6   G H z ,   i n   c a s e   o f   c o n n e c t i n g   t h e   p i n   v i a s   t o   t h e   a n t e n n a   g r o u n d   p l a n e ,   a n d   a   p a s s   b a n d   a t   t h e   s a m e   b a n d   o f   f r e q u e n c y   w h e n   t h e   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   d i s c o n n e c t e d   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 ( b )   t h e   s i m u l a t i o n   f o r   t h e   t r a n s m i s s i o n   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   t h e   s u g g e s t e d   E B G   s t r u c t u r e   w h e n   t h e   p i n   v i a s   a r e   i n s e r t e d   a n d   r e m o v e d .           F r e q u e n c y   ( G H z ) 4 . 5 5 . 0 5 . 5 6 . 0 6 . 5 7 . 0 7 . 5 S   2 1   ( d B ) - 5 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 W i t h   P i n   V i a s W i t h o u t   P i n   V i a s     ( a )     ( b )     F i g u r e   2 .   ( a )   E B G   m i c r o s t r i p   t r a n s m i s s i o n   l i n e   a n d   ( b )   T r a n s m i s s i o n   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   E B G   s t r u c t u r e       3 .   A N T E N N A   D E S I G N   W I T H   E B G   A N D   P I N   D I O D E   P a t c h   a n t e n n a s   i n   v a r i o u s   s i z e s   a n d   s h a p e s   a r e   a v a i l a b l e .   R e c t a n g u l a r   p a t c h   i s   a   m o s t   s i m p l e   a n d   e a s y   t o   f a b r i c a t e .   T h e   s i z e   o f   t h e   a n t e n n a   r e d u c e s   a s   t h e   r e l a t i v e   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   o f   t h e   s u b s t r a t e   i n c r e a s e   [ 2 7 ] .   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   w e   d e s i g n e d   a   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   w i t h   p r o b e   f e e d   o n   t h e   R o g e r s   R T / D u r o i d   6 0 1 0 ,   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   r = 1 0 . 2   a n d   t h e   s u b s t r a t e   t h i c k n e s s   i s   h = 2   m m   ( 0 . 0 4 λ o ) .   T h e   l e n g t h s   o f   t h e   p a t c h   a r e   6 . 1   m m   ( 0 . 1 2 4 λ o )   b y   7 . 4   m m   ( 0 . 1 4 8 λ o ) .   B y   s u r r o u n d i n g   t h e   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   w i t h   4   c o l u m n s ,   e a c h   o f   t h e   u p p e r   a n d   d o w n e r   s i d e s   a r e   c o m p o s e d   o f   f i f t y   f o u r   s q u a r e - p a t c h e s   m u s h r o o m   E B G   u n i t   c e l l   a n d   e a c h   o f   t h e   l e f t   a n d   r i g h t   s i d e s   a r e   c o m p o s e d   o f   t w e n t y   e i g h t   s q u a r e - p a t c h e s   m u s h r o o m   E B G   u n i t   c e l l   o r   f o u r   c o l u m n s   o f   E B G s   s h i f t e d   i n w a r d s   t o   a n t e n n a   e d g e s   b y   0 . 3 m m   ( 0 . 0 6 λ o )   e q u a l   t o   g a p   o f   i t s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     R a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   o f   m i c r o s t r i p   a n t e n n a   i n   e l e v a t i o n   a n d   a z i m u t h     ( M . K . A b d u l h a m e e d )   3 3 5 d e s i g n .   S t r u c t u r e s   o f   E B G   w e r e   s i t e d   m o r e   t h a n   t w o   p e r i o d s   a w a y   f r o m   t h e   p a t c h   a n t e n n a   e d g e s .   U n l i k e   u n i - p l a n a r   a n d   o t h e r   E B G s ,   i n   m u s h r o o m - l i k e   s t r u c t u r e s   t h e r e   a r e   n o   i n t e r c o n n e c t i n g   m i c r o s t r i p   l i n e s   t h a t   l i m i t   t h e i r   a r r a n g e m e n t   c y c l i c a l l y .   U s i n g   t h i s   f e a t u r e ,   t h e   s t r u c t u r e s   o f   E B G   h a v e   b e e n   s h i f t e d   i n w a r d s   t o   t h e   a n t e n n a   e n d s   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 ( a ) .   A   s w i t c h i n g   p i n   d i o d e   i s   u s e d   f o r   c o n n e c t i n g   t h e   c e n t e r s   o f   t h e   E B G   s q u a r e   p a t c h e s   t o   t h e   g r o u n d   p l a n e   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 ( b ) ,   w h e r e   w e   m a k e   a   s l o t   o f   0 . 3   m m   o n   t h e   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   w h i c h   s u r r o u n d e d   a l l   o f   t h e   E B G   p a t c h e s   w i t h   p i n   v i a s   i n   t h e   f o u r   s i d e s   o f   a n t e n n a .   I n   c a s e   o f   d i o d e   i n   O N   s t a t e   t h e   s l o t   c o n n e c t e d   t o   g r o u n d   p l a n e   a n d   b y   d o i n g   t h i s   t h e   p i n   v i a s   w i l l   c o n n e c t   t o   t h e   a n t e n n a   g r o u n d   p l a n e .   S t o p   b a n d   o f   f r e q u e n c y   w h e n   t h e   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d .   F r e q u e n c y   b a n d   p a s s   w h e n   t h e   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   d i s c o n n e c t e d   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   w h e r e   t h e   d i o d e   i n   O F F   s t a t e .   T h e   s l o t s   i n   t h e   g r o u n d   p l a n e   f o r   e a c h   s e c t o r   h e l p s   t o   r e d u c e   t h e   d i o d e s   n u m b e r   t o   f o u r ,   o n e   i n   e a c h   s e c t o r   a n d   t h u s ,   l o w e r i n g   t h e   i n f l u e n c e   o f   t h e   b i a s i n g   c i r c u i t   o n   t h e   f e a t u r e s   o f   a n t e n n a .   T h e   a n t e n n a   p a t t e r n   d i r e c t i v i t y   h a s   b e e n   c o n t r o l l e d   b y   c o n n e c t i n g   a n d   d i s c o n n e c t i n g   p i n   v i a s   i n   e a c h   s e c t o r   t o   v a r y   t h e   b e a m   d i r e c t i o n .   S i m u l a t i o n   r e s u l t s   w e r e   p r e s e n t e d   i n   t h e   n e x t   s e c t i o n .             ( a )     ( b )     F i g u r e   3 .   ( a )   A   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   s u r r o u n d e d   b y   m u s h r o o m - l i k e   E B G   s t r u c t u r e s ,   ( b )   B a c k   v i e w   ( g r o u n d   p l a n e )   o f   a   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a ,   f o u r   s l o t s   a n d   p i n   d i o d e s       4 .   R E S U L T   A N D   A N A L Y S I S   I n   t h e   p r e v i o u s   s e c t i o n ,   t h e   d e s i g n   o f   t h e   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   i n   6 G H z   a n d   t h e   E B G   w i t h   t h e   B a n d   g a p   f o r   c o v e r i n g   6 G H z   a r e   p r e s e n t e d .   S i m u l a t i o n s   w e r e   d o n e   f o r   t h e   s u r r o u n d i n g   a n t e n n a   b y   E B G   a n d   t h e   r e f e r a n c e   a n t e n n a   i n   o r d e r   t o   c o m p a r e   t h e   p e r f o r m a n c e .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 ( b )   a l l   o f   t h e   f o u r   d i o d e s   a r e   s e t t i n g   a s   O N   s t a t e s   ( s h o r t   c i r c u i t ) ,   f o r   s h o w i n g   t h e   s u p p r e s s i n g   s u r f a c e   w a v e s   a n d   i t s   e f f e c t s   o n   a n t e n n a   i m p r o v e m e n t   i n   t e r m s   o f   g a i n ,   d i r e c t i v i t y   a n d   e f f i c i e n c y   o f   a n t e n n a .   I t   i s   o b s e r v e d   t h a t   w h e n   u s i n g   f o u r   c o l u m n s   a t   l e f t   a n d   r i g h t   s i d e s   w i t h   s h i f t i n g   i n w a r d s   t o   t h e   a n t e n n a   e n d s   b y   0 . 3   m m   ( 0 . 0 6 λ o )   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 ( a ) .   T h e   s i m u l a t e d   S - p a r a m e t e r s   i n   t e r m s   o f   S - 1 1   w a s   e s t a b l i s h e d   t h a t   t h e   g o o d   m a t c h i n g   S - 1 1   a t   6   G H z .   T h e   c o n f i g u r a t i o n s   s h i f t e d   t h e   r e s o n a n t   f r e q u e n c y   o f   t h e   a n t e n n a   s l i g h t l y   t o   5 . 9 9   G H z   w h e n   u s i n g   E B G   w i t h   g o o d   m a t c h i n g   S - 1 1   o f   l e s s   t h a n   - 3 0 d B ,     w h i l e   t h e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   f o r   t h e   a n t e n n a   w i t h o u t   u s i n g   E B G   p o i n t e d   a t   6 . 0 1   G H z   w i t h   m a t c h i n g   S - 1 1   o f   l e s s   t h a n   - 2 0   d B   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 ( a ) .     T h e   s t o p   b a n d   f o r   s u p p r e s s i n g   s u r f a c e   w a v e   w i l l   a p p e a r   f o r   a l l   a n t e n n a   b o r d e r s   a n d   n o   m o r e   w a v e s   w i l l   p r o p a g a t e   a t   t h e s e   f o u r   d i r e c t i o n .   T h e   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   w i t h o u t   E B G   h a s   - 7   d B   s i d e   l o b e s ,   t h i s   s i d e   l o b e   w i l l   d e c r e a s e   t h e   g a i n   o f   a n t e n n a .   A d d i t i o n a l l y ;   t h e   m a i n   l o b e   h a s   a   b e a m   w i d t h   o f   a b o u t   8 7 . 3 ° .   T h i s   b i g   a p e r t u r e   a n g l e   w i l l   d e c r e a s e   t h e   a n t e n n a   d i r e c t i v i t y .   T h e   e l e c t r i c   f i e l d   r a d i a t i o n   p r o p e r t i e s   o f   t h e   a n t e n n a   w i t h   E B G   o b s e r v e d   t h e   b e t t e r   r e d u c t i o n   i n   s i d e   l o b e   l e v e l   a r o u n d   - 1 7 . 5   d B .   F u r t h e r ,   t h e   b e a m   w i d t h   i s   a b o u t   5 7 °   d u e   t o   t h e   s u p p r e s s i n g   s u r f a c e   w a v e s   a t   s t o p   b a n d   o f   E B G .   T h e s e   f e a t u r e s   w i l l   g e n e r a t e   a   b e t t e r   g a i n   a n d   d i r e c t i v i t y   i n   t h e   d i r e c t i o n   o f   b r o a d s i d e   o f   t h e   a n t e n n a   i n   c o m p a r i s o n   t o   t h e   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   w i t h o u t   E B G .   T h e   m e a s u r e d   d i r e c t i v i t y   o f   a   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   w i t h   E B G   e l e m e n t s   i s   1 0   d B i   a n d   t h e   g a i n   i s   9 . 8 6   d B ,   a t   0 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n   w h i l e   t h e   d i r e c t i v i t y   a n d   g a i n   f o r   t h e   r e c t a n g u l a r   a n t e n n a   w i t h o u t   u s i n g   E B G   a r e   5 . 6 6   d B i   a n d   4 . 7 4   d B   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 ( b )   a n d   F i g u r e   4 ( c )   r e s p e c t i v e l y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :   3 3 2   -   3 4 0   3 3 6 F r e q u e n c y   ( G H z ) 5 . 4 5 . 6 5 . 8 6 . 0 6 . 2 6 . 4 6 . 6 |   S 1 1 |   ( d B ) - 3 0 - 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 - 5 0 W i t h   E B G W i t h o u t   E B G   - 1 8 0 - 1 5 0 - 1 2 0 - 9 0 - 6 0 - 3 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 W i t h   E B G W i t h o u t   E B G   - 1 8 0 - 1 5 0 - 1 2 0 - 9 0 - 6 0 - 3 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 W i t h   E B G W i t h o u t   E B G   ( a )   ( b )   ( c )     F i g u r e   4 .   ( a )   R e t u r n   l o s s   o f   t h e   m i c r o s t r i p   a n t e n n a s   w i t h   a n d   w i t h o u t   E B G ,   ( b )   D i r e c t i v i t y   w i t h   a n d   w i t h o u t   E B G   a t   0 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n   ( c )   G a i n   w i t h   a n d   w i t h o u t   E B G   a t   0 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n       4 . 1 .   R a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   o n   t h e   e l e v a t i o n   ( E )   p l a n e     F o r   c o n t r o l l i n g   r a d i a t i o n   p a t t e r n   i n   t h e   E - p l a n e ,   b o t h   o f   d i o d e 3   a n d   d i o d e 4   h a s   b e e n   s w i t c h e d   O N .   T h e   s w i t c h i n g   w i l l   b e   e i t h e r   i n   d i o d e   1   o r   d i o d e   2 ,   F i r s t   c a s e   w h e n   t h e   d i o d e   1   w a s   s w i t c h e d   O F F   a n d   a t   t h e   s a m e   t i m e   a l l   o f   t h e   r e s t   d i o d e s   h a v e   b e e n   s w i t c h e d   O N   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   5 ( a ) ,   t h e   s t o p   b a n d   w i l l   a p p e a r   o n   t h e   a l l   o f   a n t e n n a   s i d e s   w h i c h   h a s   O N   s t a t e   o f   d i o d e s   a n d   t h e   p a s s   b a n d   w i l l   p r e s e n t   a t   t h e   r i g h t   s i d e   o f   a n t e n n a   w h e r e   d i o d e 1   h a s   b e e n   s w i t c h e d   O F F .   T h e   s i m u l a t e d   p o w e r   p a t t e r n   o f   t h e   a n t e n n a   w i t h   E B G   i s   d i r e c t e d   a t   t h e   e l e v a t i o n   p l a n e   ( E - p l a n e )   o f   t h e   m i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a   f r o m   t h e   l e f t   s i d e   o f   a n t e n n a   ( s t o p   b a n d   )   w h e r e   t h e   d i o d e 2   i s   O N   s t a t e   ( c o n n e c t i n g   V i a s )   t o   t h e   r i g h t   s i d e   o f   a n t e n n a   ( p a s s   b a n d )   w h e r e   t h e   d i o d e 1   i s   O F F   ( d i s c o n n e c t i n g   V i a s )   i n   t h e   d i r e c t i o n   o f   2 0 o   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   5 ( b ) .     T h e   m u s h r o o m - l i k e   E B G   h a s   b e e n   s i m u l a t e d   t o   e x p l a i n   i t s   c a p a b i l i t y   t o   c o n t r o l   t h e   p o w e r   p a t t e r n   d i r e c t i v i t y   a r o u n d   t h e   e l e v a t i o n   p l a n e   ( E - p l a n e )   o f   t h e   m i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a .   B y   a l t e r n a t e l y   s w i t c h i n g   d i o d e   t h e   E B G   s e c t o r   s u r f a c e   c h a r a c t e r i s t i c   w i l l   c h a n g e   a l s o .   P i n   v i a s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d   a n d   d i s c o n n e c t e d   a t   e a c h   s e c t o r   t o   c o n t r o l   t h e   b e a m   d i r e c t i o n .   F o r   t h i s   c a s e ,   t o   d i r e c t   t h e   p a t t e r n   t o w a r d s   t h e   r i g h t   s e c t o r ,   p i n   v i a s   a t   t h e   s e c t o r   h a v e   b e e n   d i s c o n n e c t e d   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e   ( d i o d e 1   s w i t c h e d   O F F ) ,   w h e r e a s   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d   t o   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   f o r   t h e   l e f t   s e c t o r   t h r o u g h   s w i t c h e d   t h e   d i o d e 2   a t   O N   s t a t e .   A s   a   r e s u l t ,   t h e   s u r f a c e   w a v e   h a s   p r o p a g a t e d   t o w a r d s   r i g h t   s e c t o r   a n d   r e f l e c t e d   f r o m   t h e   l e f t   s e c t o r .   F i g u r e   5 ( c )   s h o w s   t h e   T h e t a - p l a n e   p o w e r   p a t t e r n   a t   p h i = 0 ° ,   w h i c h   i s   d i r e c t e d   t o w a r d s   t h e   r i g h t   s e c t o r   a t   t h e t a = + 2 0 °   w i t h   t h e   m a x i m u m   g a i n   a n d   d i r e c t i v i t y   w h i c h   e q u a l   t o   9 . 4   d B   a n d   9 . 7   d B i   r e s p e c t i v e l y .         - 1 8 0 - 1 5 0 - 1 2 0 - 9 0 - 6 0 - 3 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 D i r e c t i v i t y   ( d B i ) G a i n   ( d B )   ( a )   ( b )   ( c )     F i g u r e   5 .   F i r s t   C a s e   o f   E - p l a n e :   ( a )   D i o d e s   ( 2 , 3 a n d 4 )   a r e   s e t t i n g   a s   O N   s t a t e   a n d   D i o d e 1   i s   O F F   s t a t e ,   ( b )   R a d i a t i o n   P a t t e r n   i s   d i r e c t e d   t o   t h e   d i r e c t i o n   o f   + 2 0 o   a n d   ( c )   P o w e r   p a t t e r n s   i n   t h e   E - p l a n e   a t   t h e t a = + 2 0 °       S e c o n d   c a s e   w h e n   t h e   d i o d e 1   o n   t h e   r i g h t   s i d e   o f   a n t e n n a   h a s   b e e n   s w i t c h e d   O N   ( s h o r t   c i r c u i t )   a n d   t h e   d i o d e 2   o n   t h e   l e f t   s i d e   w a s   s w i t c h e d   O F F   ( o p e n   c i r c u i t )   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 ( a ) ,   t h e   s t o p   b a n d   w i l l   a p p e a r   o n   t h e   r i g h t   s i d e   a n d   t h e   p a s s   b a n d   w i l l   p r e s e n t   a t   t h e   l e f t   s i d e   o f   a n t e n n a .   T h e   s i m u l a t e d   a n t e n n a   r a d i a t i o n   p a t t e r n   w i t h   E B G   i s   d i r e c t e d   f r o m   t h e   r i g h t   s i d e   o f   a n t e n n a   ( s t o p   b a n d   )   w h e r e   t h e   d i o d e 1   i s   O N   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     R a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   o f   m i c r o s t r i p   a n t e n n a   i n   e l e v a t i o n   a n d   a z i m u t h     ( M . K . A b d u l h a m e e d )   3 3 7 s t a t e   ( c o n n e c t i n g   v i a s )   t o   t h e   l e f t   s i d e   ( p a s s   b a n d )   w h e r e   t h e   d i o d e 2   i s   O F F   s t a t e   ( d i s c o n n e c t i n g   v i a s )   i n   t h e   d i r e c t i o n   o f   - 2 0 o   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 ( b ) .     S a m e   a r r a n g e m e n t   m e t h o d   o f   E B G s   f o r   t h e   p r e v i o u s   c a s e   t o   c l a r i f y   i t s   c a p a b i l i t y   t o   c o n t r o l   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   d i r e c t i v i t y   a r o u n d   t h e   e l e v a t i o n   p l a n e   ( E - p l a n e )   o f   t h e   m i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a .   b y   a l t e r n a t e l y   s w i t c h i n g   d i o d e   t h e   E B G   s e c t o r   s u r f a c e   c h a r a c t e r i s t i c   w i l l   c h a n g e   a l s o .   T o   d i r e c t   t h e   p a t t e r n   t o w a r d s   t h e   l e f t   s e c t o r ,   p i n   v i a s   a t   t h e   s e c t o r   h a v e   b e e n   d i s c o n n e c t e d   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   ( d i o d e 2   s w i t c h e d   O F F ) ,   w h e r e a s   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d   t o   t h e   a n t e n n a   g r o u n d   p l a n e   ( d i o d e 1   s w i t c h e d   O N )   f o r   t h e   r i g h t   s e c t o r .   A s   a   r e s u l t ,   t h e   s u r f a c e   w a v e   h a s   p r o p a g a t e d   t o w a r d s   l e f t   s e c t o r   ( p a s s   b a n d )   a n d   r e f l e c t e d   f r o m   t h e   r i g h t   s e c t o r ( s t o p   b a n d ) .   F i g u r e   6 ( c )   s h o w s   t h e   T h e t a - p l a n e   p o w e r   p a t t e r n   a t   p h i = 0 ° ,   w h i c h   i s   d i r e c t e d   t o w a r d s   t h e   l e f t   s e c t o r   a t   t h e t a = - 2 0 °   w i t h   t h e   m a x i m u m   g a i n   a n d   d i r e c t i v i t y   w h i c h   e q u a l   t o   p r e v i o u s   c a s e   9 . 4   d B   a n d   9 . 7   d B i   r e s p e c t i v e l y .   T h i s   a p p r o a c h   d o e s   n o t   s u f f e r   f r o m   g a i n   d e g r a d a t i o n   a n d   t h e   m a i n   l o b e   g a i n   a n d   d i r e c t i v i t y   a r e   a p p r o x i m a t e l y   c o n s t a n t   f o r   a l l   s t e e r i n g   a n g l e s .           - 1 8 0 - 1 5 0 - 1 2 0 - 9 0 - 6 0 - 3 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 D i r e c t i v i t y   ( d B i ) G a i n   ( d B )   ( a )   ( b )   ( c )     F i g u r e   6 .   S e c o n d   c a s e   o f   E - p l a n e :   ( a )   D i o d e 1   i s   O N   s t a t e   a n d   d i o d e 2   O F F   s t a t e ,   ( b )   R a d i a t i o n   p a t t e r n   i s   d i r e c t e d   t o   t h e   d i r e c t i o n   o f   - 2 0 o   a n d   ( c )   P o w e r   p a t t e r n s   i n   t h e   E - p l a n e   a t   t h e t a = - 2 0 °       4 . 2 .   R a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   o n   a z i m u t h   ( Z )   p l a n e     F o r   c o n t r o l l i n g   r a d i a t i o n   p a t t e r n   i n   t h e   Z - p l a n e ,   b o t h   o f   d i o d e 1   a n d   d i o d e 2   h a s   b e e n   s w i t c h e d   O N .   T h e   s w i t c h i n g   w i l l   b e   e i t h e r   i n   t h e   d i o d e   3   o r   d i o d e   4 ,   F i r s t   c a s e   w h e n   t h e   d i o d e   o n   t h e   u p p e r   s i d e   ( d i o d e 3 )   h a s   b e e n   s w i t c h e d   O F F   a n d   a t   t h e   s a m e   t i m e   t h e   d i o d e   a t   t h e   d o w n   s i d e   o f   a n t e n n a   ( d i o d e 4 )   h a v e   b e e n   s w i t c h e d   O N   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   7 ( a ) ,   t h e   s t o p   b a n d   w i l l   a p p e a r   o n   t h e   d o w n   s i d e   o f   a n t e n n a   a n d   t h e   p a s s   b a n d   w i l l   p r e s e n t   a t   t h e   u p p e r   s i d e   o f   a n t e n n a .   T h e   s i m u l a t e d   p o w e r   p a t t e r n   o f   t h e   a n t e n n a   w i t h   E B G   i s   d i r e c t e d   a t   t h e   Z - p l a n e   o f   t h e   m i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a   f r o m   t h e   d o w n   s i d e   o f   a n t e n n a   ( s t o p   b a n d   w h e n   c o n n e c t i n g   v i a s )   t o   t h e   o p p o s i t e   u p p e r   s i d e   o f   a n t e n n a   ( p a s s   b a n d   w h e n   d i s c o n n e c t i n g   v i a s )   i n   t h e   d i r e c t i o n   o f   + 2 0 o   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   7 ( b ) .   T h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   o f   E B G   i l l u s t r a t e   i t s   c a p a b i l i t y   t o   c o n t r o l   t h e   p o w e r   p a t t e r n   d i r e c t i v i t y   a r o u n d   t h e   Z - p l a n e   o f   t h e   m i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a .   B y   a l t e r n a t e l y   s w i t c h i n g   d i o d e   t h e   E B G   s e c t o r   s u r f a c e   c h a r a c t e r i s t i c   w i l l   c h a n g e   a l s o .             - 1 8 0 - 1 5 0 - 1 2 0 - 9 0 - 6 0 - 3 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 D i r e c t i v i t y   ( d B i ) G a i n   ( d B )     ( a )     ( b )     ( c )     F i g u r e   7 .   F i r s t   C a s e   o f   Z - p l a n e :   ( a )   D i o d e s   ( 1 , 2 a n d 4 )   a r e   s e t t i n g   a s   O N   s t a t e   a n d   D i o d e 3   i s   O F F   s t a t e ,   ( b )   R a d i a t i o n   P a t t e r n   i s   d i r e c t e d   t o   t h e   d i r e c t i o n   o f   + 1 8 o   a n d   ( c )   P o w e r   p a t t e r n s   i n   t h e   Z - p l a n e   a t   t h e t a = + 1 8 °   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :   3 3 2   -   3 4 0   3 3 8 F o r   t h i s   c a s e ,   t o   d i r e c t   t h e   p a t t e r n   t o w a r d s   t h e   u p p e r   s e c t o r ,   p i n   v i a s   a t   t h e   s e c t o r   h a v e   b e e n   d i s c o n n e c t e d   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e   ( d i o d e 3   s w i t c h e d   O F F ) ,   w h e r e a s   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d   t o   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   f o r   t h e   d o w n   s e c t o r   t h r o u g h   s w i t c h e d   t h e   d i o d e 4   a t   O N   s t a t e .   T h e   s u r f a c e   w a v e   h a s   p r o p a g a t e d   t o w a r d s   u p p e r   s e c t o r   ( p a s s   b a n d )   a n d   r e f l e c t e d   f r o m   t h e   d o w n   s e c t o r   ( s t o p   b a n d ) .   F i g u r e   7 ( c )   s h o w s   t h e   Z - p l a n e   p o w e r   p a t t e r n ,   w h i c h   i s   d i r e c t e d   t o w a r d s   t h e   u p p e r   s e c t o r   a t   p h i = + 1 8 °   w i t h   t h e   m a x i m u m   g a i n   a n d   d i r e c t i v i t y   w h i c h   e q u a l   t o   8 . 8   d B   a n d   9 . 2   d B i   r e s p e c t i v e l y .     S e c o n d   c a s e   f o r   c o n t r o l l i n g   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   i n   Z - p l a n e ,   t h e   d i r e c t i o n   w i l l   b e   f r o m   t h e   u p p e r   s i d e   o f   a n t e n n a   ( s t o p   b a n d   )   w h e r e   t h e   d i o d e 3   i s   O N   s t a t e   t o   t h e   d o w n   s i d e   o f   a n t e n n a   ( p a s s   b a n d )   w h e r e   t h e   d i o d e 4   i s   O F F   s t a t e   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   8 ( a ) .   T h e   s i m u l a t e d   p o w e r   p a t t e r n   o f   t h e   a n t e n n a   w i t h   E B G   i s   d i r e c t e d   f r o m   t h e   u p p e r   s i d e   o f   a n t e n n a   ( s t o p   b a n d   )   w h e r e   t h e   p i n   v i a s   h a s   b e e n   c o n n e c t e d   t o   t h e   g r o u n d   p l a n e ( d i o d e 3   O N )   t o   t h e   d o w n   s i d e   o f   a n t e n n a   ( p a s s   b a n d )   w h e r e   t h e   p i n   v i a s   h a s   b e e n   d i s c o n n e c t e d   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e ( d i o d e 4   O N )   i n   t h e   d i r e c t i o n   o f   - 1 8 o   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   8 ( b ) .   T h e   p l a c i n g   o f   m u s h r o o m   E B G s   u n i t   c e l l   a r o u n d   t h e   a n t e n n a   c l a r i f i e s   i t s   c a p a b i l i t y   t o   c o n t r o l   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   d i r e c t i v i t y   a r o u n d   t h e   Z - p l a n e .   B y   a l t e r n a t e l y   s w i t c h i n g   d i o d e ,   t h e   E B G   s e c t o r   s u r f a c e   c h a r a c t e r i s t i c   w i l l   c h a n g e   a l s o .   T o   c o n t r o l   t h e   b e a m   d i r e c t i o n ,   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d   a n d   d i s c o n n e c t e d   a t   e a c h   s e c t o r .   F o r   e x a m p l e ,   t o   d i r e c t   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   t o w a r d s   t h e   d o w n   s e c t o r ,   p i n   v i a s   a t   t h e   s e c t o r   h a v e   b e e n   d i s c o n n e c t e d   f r o m   t h e   g r o u n d   p l a n e   ( d i o d e 4   s w i t c h e d   O F F ) ,   w h e r e a s   p i n   v i a s   h a v e   b e e n   c o n n e c t e d   t o   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   f o r   t h e   u p p e r   s e c t o r   t h r o u g h   c o n n e c t i n g   t h e   s l o t   o n   t h e   g r o u n d   p l a n e   b y   s w i t c h e d   t h e   d i o d e 3 a t   O N   s t a t e   .   T h e   s u r f a c e   w a v e   h a s   p r o p a g a t e d   t o w a r d s   d o w n   s e c t o r   ( p a s s   b a n d )   a n d   r e f l e c t e d   f r o m   t h e   u p p e r   s e c t o r   ( s t o p   b a n d ) .   F i g u r e   8 ( c )   s h o w s   t h e   Z - p l a n e   r a d i a t i o n   p a t t e r n ,   w h i c h   i s   d i r e c t e d   t o w a r d s   t h e   d o w n   s e c t o r   a t   p h i = - 1 8 °   w i t h   t h e   m a x i m u m   g a i n   o f   8 . 6   d B   a n d   d i r e c t i v i t y   9 . 1   d B i .           - 1 8 0 - 1 5 0 - 1 2 0 - 9 0 - 6 0 - 3 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 0 - 5 0 5 1 0 D i r e c t i v i t y   ( d B i ) G a i n   ( d B )   ( a )   ( b )   ( c )     F i g u r e   8 .   S e c o n d   C a s e   o f   Z - p l a n e :   ( a )   D i o d e s   ( 1 , 2 a n d 4 )   a r e   s e t t i n g   a s   O N   s t a t e   a n d   D i o d e 3   i s   O F F   s t a t e ,   ( b )   R a d i a t i o n   P a t t e r n   i s   d i r e c t e d   t o   t h e   d i r e c t i o n   o f   - 1 8 o   a n d   ( c )   P o w e r   p a t t e r n s   i n   t h e   Z - p l a n e   a t   t h e t a = - 1 8 o       T h e   i m p a c t   o f   s u r f a c e   w a v e   i n   t h e   a n t e n n a   r a d i a t i o n   p a t t e r n   i s   c o n s i d e r e d   u n w a n t e d , w h e r e   i t   i n c r e a s e   t h e   s i d e   l o b e   l e v e l   a n d   d e c r e a s e   t h e   e f f i c i e n c y   o f   a n t e n n a .   B y   u s i n g   h i g h   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t   w e   a c h i e v e d   c o m p a c t   s i z e   o f   a n t e n n a ,   b u t   t h e   s i d e   e f f e c t   f o r   d o i n g   t h i s ,   i s   t h e   a n a r r o w   b a n d   w i d t h .   I n   o r d e r   t o   a v o i d   t h e   n a r r o w   b a n d   w i d t h   d u e   t o   t h e   h i g h   d i e l e c t r i c   c o n s t a n t ,   w e   w i l l   i n c r e a s   t h e   s u b s t r a t e   t h i c k n e s s .   T h e   s u r f a c e   w a v e s   w i l l   a l s o   i n c r e a s e s   w h e n   i n c r e a s i n g   t h e   t h i c k n e s s   o f   s u b s t r a t e ,   t h i s   p r o b l e m   c a n   b e   s o l v e d   b y   u s i n g   E B G   w i t h   c o n n e c t i n g   p i n   v i a s   b e t w e e n   t h e   g r o u n d   a n d   t h e   p a t c h   o f   a n t e n n a   ( s h o r t   c i r c u i t )   t o   s u p p r e s s   t h e   s u r f a c e   w a v e s   i n   t h e   s a m e   b a n d   o f   f r e q u e n c y   ( i . e .   6 G H z ) .   T h e   e f f i c i e n c y   e n h a n c e m e n t   o f   a n t e n n a   f o r   a l l   c a s e s   w h e n   u s i n g   t h e   E B G   f o r   s u r r o u n d i n g   t h e   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   9 .   R e f e r e n c e   A n t e n n a   ( w i t h o u t   E B G )   h a s   e f f i c i e n c y   e q u a l   t o   8 0 %   a n d   a f t e r   a p p l y i n g   t h e   E B G   w i t h   t h e   s a m e   a n t e n n a ,   t h e   r e s u l t s   f o r   a l l   c a s e s   h a v e   b e e n   s t a t e d   i n   t h e   T a b l e   1 .   W h e n   a l l   o f   t h e   d i o d e s   h a v e   b e e n   s w i t c h e d   O N   s t a t e   ( s h o r t   c i r c u i t )   w e   a c h i e v e d   t h e   b e t t e r   i m p r o v e m e n t   i n   0 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n ,   t h e   e f f i c i e n c y   b e c o m e s   9 6 . 5 % .   F o r   t h e   c a s e   o f   E - p l a n e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l ,   t h e   c h a n g i n g   w e r e   e i t h e r   i n   d i o d e 1   o r   d i o d e 2 .   F o r   e x a m p l e   w h e n   t h e   d i o d e 2   ( l e f t   s i d e   o f   a n t e n n a )   r e m a i n i n g   o n   t h e   O N   s t a t e   ( s h o r t   c i r c u i t )   a n d   t h e   c h a n g i n g   w a s   o n   t h e   d i o d e 1   ( r i g h t   s i d e   o f   a n t e n n a )   t o   O F F   s t a t e   ( o p e n   c i r c u i t ) ,   t h e   e f f i c i e n c y   i m p r o v e d   b y   9 5 %   i n   + 2 0 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n   h a s   b e e n   a c h i e v e d .   N e x t   t h e   d i o d e 1   o n   t h e   O N   s t a t e   ( s h o r t   c i r c u i t )   a n d   t h e   c h a n g i n g   w i l l   b e   o n   t h e   d i o d e 2   t o   O F F   s t a t e   ( o p e n   c i r c u i t ) ,   t h e   s a m e   i m p r o v e m e n t   h a s   b e e n   a c h i e v e d   i n   e f f i c i e n c y   b y   9 5 %   b u t   i n   - 2 0 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n .   F o r   t h e   c a s e   o f   Z - p l a n e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l ,   s w i t c h i n g   d i o d e s   w e r e   r e l a t e d   t o   t h e   d i o d e 3   a n d   d i o d e 4   i n   t h e   s a m e   s i t u a t i o n   o f   t h e   p r e v i o u s   c a s e   ( E - p l a n e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l ) .   T h e   e f f i c i e n c y   i m p r o v e d   b y   9 2 %   i n   + 1 8 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n   w h e n   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8     R a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   o f   m i c r o s t r i p   a n t e n n a   i n   e l e v a t i o n   a n d   a z i m u t h     ( M . K . A b d u l h a m e e d )   3 3 9 d i o d e 3   i s   O F F   s t a t e   ( u p p e r   s i d e   o f   a n t e n n a )   a n d   w h e n   t h e   d i o d e 4   h a s   b e e n   s w i t c h e d   O F F   ( d o w n   s i d e   o f   a n t e n n a )   t h e   e f f i c i e n c y   i m p r o v e d   b y   9 0 %   i n   - 1 8 °   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n .       F r e q u e n c y   ( G H z ) 5 . 4 5 . 6 5 . 8 6 . 0 6 . 2 6 . 4 |   E f f i c i e n c y   |   ( 1 0 0 % ) 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 W i t h o u t   E B G A l l   D i o d e s   O N D i o d e 1   O F F   ( E - P l a n e ) D i o d e 2   O F F   ( E - P l a n e ) D i o d e 3   O F F   ( Z - P l a n e ) D i o d e 4   O F F   ( Z - P l a n e )     F i g u r e   9 .   E f f i c i e n c y   i m p r o v e m e n t   b y   u s i n g   E B G       T a b l e   1 .   S w i t c h a b l e   E B G   R e s u l t s   o n   A n t e n n a s   R a d i a t i o n   P a t t e r n   C o n t r o l   D i o d e   1   D i o d e   2   D i o d e   3   D i o d e   4   D i r e c t i o n   G a i n   ( d B )   D i r e c t i v i t y   ( d B i )   E f f i c i e n c y   ( % )   O N   O N   O N   O N   0 °   9 . 8 6   1 0   9 6 . 5   O F F   O N   O N   O N   + 2 0 °   ( E - P l a n e )   9 . 4   9 . 7   9 5   O N   O F F   O N   O N   - 2 0 °   ( E - P l a n e )   9 . 4   9 . 7   9 5   O N   O N   O F F   O N   + 1 8 °   ( Z - P l a n e )   8 . 8   9 . 2   9 2   O N   O N   O N   O F F   - 1 8 °   ( Z - P l a n e )   8 . 6   9 . 1   9 0       T h e   r e s u l t s   o f   t h e   r e f e r e n c e   a n t e n n a   ( w i t h o u t   u s i n g   s w i t c h a b l e   E B G )   f o r   t h e   g a i n ,   d i r e c t i v i t y   a n d   e f f i c i e n c y   w e r e   4 . 7 4   d B ,   5 . 6 6   d B i   a n d   8 0 %   r e s p e c t i v e l y .   F r o m   t h e   a b o v e   r e s u l t   i n   T a b l e   1 ,   a   g o o d   i m p r o v e m e n t   a f t e r   u s i n g   E B G   h a s   b e e n   a c h i e v e d   i n   b o t h   o f   e l e v a t i o n   a n d   a z i m u t h   p l a n e s .   T h e   r e s u l t s   i n   E - p l a n e   w e r e   b e t t e r   t h a n   i t   i n   Z - p l a n e ,   b e c a u s e   o f   t h e   s u r f a c e   w a v e s   a p p e a r s   i n   E - p l a n e   m o r e   t h a n   i t   i n   Z - p l a n e   [ 2 8 ] .   A s   k n o w n   t h e   E B G   w o r k i n g   o n   s u r f a c e   w a v e s ,   i n   c a s e   o f   i n c r e a s i n g   s u r f a c e   w a v e s   t h e   b a n d - g a p   f e a t u r e   o f   E B G   w i l l   g i v e   b e t t e r   r e s u l t   d u e   t o   h i g h   p e r f o r m a n c e   f o r   s u p p r e s s i n g   s u r f a c e   w a v e s   a n d   i n   t h e   s a m e   t i m e   w e   i n s u r e d   t h e   E B G   d e s i g n   h a s   b e e n   d o n e   i n   c o r r e c t   w a y .       5 .   C O N C L U S I O N     I n   t h i s   p a p e r   a   n o v e l   a n t e n n a   s t r u c t u r e   i s   d e s i g n e d   b y   c o m b i n i n g   t h e   m u s h r o o m - l i k e   E B G   s t r u c t u r e   f o r   s u p p r e s s i n g   s u r f a c e   w a v e s   w i t h   t h e   s w i t c h a b l e   d i o d e s   t o   c o n t r o l   r a d i a t i o n   p a t t e r n   o f   m i c r o s t r i p   p a t c h   a n t e n n a   i n   e l e v a t i o n   a n d   a z i m u t h   p l a n e s .   U n c o n v e n t i o n a l   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   i s   a   u n i q u e   c h a r a c t e r i s t i c   o f   t h i s   d e s i g n ;   t h e   m a i n   l o b e   g a i n   i s   a p p r o x i m a t e l y   c o n s t a n t   f o r   a l l   s t e e r i n g   a n g l e s   i n   E - p l a n e   w i t h   u n n o t i c e a b l e   d e g r a d a t i o n   o f   g a i n   i n   Z - p l a n e   d i r e c t i o n .   E B G   o f   s q u a r e   c e l l s   a r e   b o u n d e d   t h e   p a t c h   a n t e n n a   a n d   a r r a n g e d   i n   s y m m e t r i c a l   w a y   f o r   t h e   t w o   o p p o s i t e   s i d e s ,   B y   s u r r o u n d i n g   t h e   r e c t a n g u l a r   p a t c h   a n t e n n a   w i t h   4   c o l u m n s   f o r   a l l   t h e   s i d e s ,   o n l y   t h e   c o l u m n s   i n   t h e   l e f t   a n d   r i g h t   s i d e s   a r e   s h i f t e d   i n w a r d s   t o   a n t e n n a   e d g e s   b y   0 . 3 m m   ( 0 . 0 6 λ o ) .   A t   t h e   g r o u n d   p l a n e   o f   a n t e n n a   t h e   d i o d e s   h a v e   b e e n   s w i t c h e d   O N   a n d   O F F   s t a t e s ,   t h e   E B G   s e c t o r   p r o p e r t i e s   i n   s t o p   b a n d   ( c o n n e c t i n g   v i a s )   a n d   p a s s   b a n d   ( d i s c o n n e c t i n g   v i a s )   a r e   a l t e r e d ,   w h e n   t h e   d i o d e   s w i t c h e d   O F F   i n   s p e c i f i c   s e c t o r   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   w i l l   d i r e c t i n g   i n t o   t h a t   s e c t o r .   T h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   s h o w   t h e   f l e x i b i l i t y   i n   t h e   r a d i a t i o n   p a t t e r n   c o n t r o l   f o r   t h e   b o t h   a z i m u t h   ( - 1 8 ° < φ < 1 8 ° )   a n d   e l e v a t i o n   p l a n e s   ( - 2 0 ° < θ < 2 0 ° )   b y   u s i n g   m i n i m a l   n u m b e r   o f   d i o d e s   ( f o u r   d i o d e s ) .   B e s t   i m p r o v e m e n t   i n   m a i n   l o b e   d i r e c t i o n   w h e n   a l l   o f   t h e   d i o d e s   h a v e   b e e n   s w i t c h e d   O N ,   d i r e c t i v i t y   o f   1 0   d B i ,   g a i n   9 . 8 6   d B   a n d   e f f i c i e n c y   9 6 . 5 %   a t   t h e   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   o f   6   G H z .   T h e   r e s u l t s   i n   E - p l a n e   a n g l e s   d i r e c t i o n   w e r e   9 . 4   d B ,   9 . 7   d B   a n d   9 5 %   f o r   t h e   g a i n ,   d i r e c t i v i t y   a n d   e f f i c i e n c y   r e s p e c t i v e l y ,   w h i l e   t h e   E - p l a n e   a n g l e s   d i r e c t i o n   r e s u l t s   w e r e   8 . 8   d B ,   9 . 2   d B   a n d   9 2 %   f o r   t h e   g a i n ,   d i r e c t i v i t y   a n d   e f f i c i e n c y   r e s p e c t i v e l y .   T h i s   s t r u c t u r e   h a s   g r e a t   p o s s i b l e   f o r   t h e   w i r e l e s s   a n d   r a d a r   a p p l i c a t i o .       A C K N O W L E D G E M E N T S     T h i s   w o r k   w a s   s u p p o r t e d   b y   U T e M   Z a m a l a h   S c h e m e .   T h e   a u t h o r s   w o u l d   a l s o   l i k e   t o   t h a n k   C e n t e r   f o r   R e s e a r c h   a n d   I n n o v a t i o n   M a n a g e m e n t   ( C R I M ) ,   C e n t r e   o f   E x c e l l e n c e ,   U T e M ,   U T e M s   r e s e a r c h   g r a n t   J U R N A L / 2 0 1 8 / F K E K K / J 0 0 0 0 1   a n d   U n i v e r s i t i   T e k n i k a l   M a l a y s i a   M e l a k a   ( U T e M )   f o r   t h e i r   e n c o u r a g e m e n t   a n d   h e l p   i n   s p o n s o r i n g   t h i s   s t u d y .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :   3 3 2   -   3 4 0   3 4 0 R E F E R E N C E S     [ 1 ]   M .   T a r b o u c h ,   A .   E l   A m r i ,   a n d   H .   T e r c h o u n e ,   " D e s i g n ,   R e a l i z a t i o n   a n d   M e a s u r e m e n t s   o f   C o m p a c t   D u a l - b a n d ,   "   I n t .   J .   E l e c t r .   C o m p u t .   E n g . ,   v o l .   8 ,   n o .   1 ,   p p .   1 7 2 1 7 8 ,   2 0 1 8 .   [ 2 ]   S .   M .   S h a h   e t   a l . ,   " F r e q u e n c y   R e c o n f i g u r a t i o n   M e c h a n i s m   o f   a   P I N   D i o d e   o n   a   R e c o n f i g u r a b l e   A n t e n n a   f o r   L T E   a n d   W L A N   A p p l i c a t i o n s ,   "   I n t .   J .   E l e c t r .   C o m p u t .   E n g . ,   v o l .   8 ,   n o .   3 ,   p p .   1 8 9 3 1 9 0 1 ,   2 0 1 8 .   [ 3 ]   D .   S i e v e n p i p e r ,   L .   Z h a n g ,   R .   F .   J i m e n e z   B r o a s ,   N .   G .   A l e x ö p o l o u s ,   a n d   E .   Y a b l o n o v i t c h ,   " H i g h - i m p e d a n c e   E l e c t r o m a g n e t i c   S u r f a c e s   w i t h   a   F o r b i d d e n   F r e q u e n c y   B a n d ,   "   I E E E   T r a n s .   M i c r o w .   T h e o r y   T e c h . ,   v o l .   4 7 ,   n o .   1 1 ,   p p .   2 0 5 9 2 0 7 4 ,   1 9 9 9 .   [ 4 ]   F .   R .   Y a n g ,   K .   P .   M a ,   M .   Y o n g x i   Q i a n ,   a n d   T .   I t o h ,   " A   u n i p l a n a r   c o m p a c t   p h o t o n i c - b a n d g a p   ( u c - p b g )   s t r u c t u r e   a n d   i t s   a p p l i c a t i o n s   f o r   m i c r o w a v e   c i r c u i t s ,   "   I E E E   T r a n s .   M i c r o w .   T h e o r y   T e c h . ,   v o l .   4 7 ,   n o .   8 ,   p p .   1 5 0 9 1 5 1 4 ,   1 9 9 9 .   [ 5 ]   S .   Y a m i n i   a n d   B .   P a n j a v a r n a m ,   " M i c r o s t r i p   P a t c h   A n t e n n a   I n t e g r a t e d   w i t h   E B G ,   "   P r o c .   2 0 1 7   2 n d   I n t .   C o n f .   C o m p u t .   C o m m u n .   T e c h n o l .   I C C C T   2 0 1 7 ,   p p .   4 1 4 5 ,   2 0 1 7 .   [ 6 ]   R .   G o n z a l o ,   P .   D e   M a a g t ,   a n d   M .   S o r o l l a ,   " E n h a n c e d   P a t c h - A n t e n n a   P e r f o r m a n c e   b y   S u p p r e s s i n g   S u r f a c e   W a v e s   U s i n g   P h o t o n i c - B a n d g a p   S u b s t r a t e s , "   I E E E   T r a n s .   M i c r o w .   T h e o r y   T e c h . ,   v o l .   4 7 ,   n o .   1 1 ,   p p .   2 1 3 1 2 1 3 8 ,   1 9 9 9 .   [ 7 ]   J .   S .   C o l b u r n ,   " P a t c h   A n t e n n a s   o n   E x t e r n a l l y   P e r f o r a t e d   H i g h   D i e l e c t r i c   C o n s t a n t   S u b s t r a t e s ,   "   I E E E   T r a n s .   A n t e n n a s   P r o p a g . ,   v o l .   4 7 ,   n o .   1 2 ,   p p .   1 7 8 5 1 7 9 4 ,   1 9 9 9 .   [ 8 ]   A .   M .   S .   D i a z ,   M .   C .   G a l a z - L a r i o s ,   a n d   E .   R a m i r e z - G a r c i a ,   " A n a l y s i s   a n d   D e s i g n   o f   E l e c t r o m a g n e t i c   B a n d   G a p   S t r u c t u r e s   w i t h   A p p l i c a t i o n   I n   P l a n a r   A n t e n n a s ,   "   2 0 1 7   4 2 n d   I n t .   C o n f .   I n f r a r e d ,   M i l l i m e t e r ,   T e r a h e r t z   W a v e s   ( I R M M W - T H z ) . C a n c u n ,   M e x . ,   p p .   1 2 ,   2 0 1 7 .   [ 9 ]   S .   C h e n ,   X .   Z h a o ,   Y .   Y a o ,   J .   M a ,   a n d   S .   Y a n g ,   " S t u d y   o n   R a d i a t i o n   P e r f o r m a n c e s   o f   D i p o l e   A n t e n n a   w i t h   D i a m o n d - S t r u c t u r e   E B G   S u b s t r a t e   F a b r i c a t e d   b y   3 D   P r i n t i n g   T e c h n i q u e ,   "   I n t .   J .   A p p l .   C e r a m .   T e c h n o l . ,   p p .   1 5 ,   J a n   2 0 1 8 .   [ 1 0 ]   A .   A l t a f ,   M .   A .   A l s u n a i d i ,   a n d   E .   A r v a s ,   " A   N o v e l   E B G   S t r u c t u r e   t o   I m p r o v e   I s o l a t i o n   i n   M I M O   A n t e n n a ,   "   I E E E ,   p p .   1 0 5 1 0 6 ,   2 0 1 7 .   [ 1 1 ]   C .   N e o   a n d   Y .   H .   L e e ,   " P a t c h   A n t e n n a   E n h a n c e m e n t   u s i n g   a   M u s h r o o m - l i k e   E B G   S t r u c t u r e s ,   "   I E E E   A n t e n n a s   P r o p a g .   S o c .   A P - S   I n t .   S y m p . ,   v o l .   1 ,   p p .   6 1 4 6 1 5 ,   2 0 1 3 .   [ 1 2 ]   M .   K .   M o h s e n   e t   a l . ,   " T h e   F u n d a m e n t a l   o f   L e a k y   W a v e   A n t e n n a ,   "   J .   T e l e c o m m u n .   E l e c t r o n .   C o m p u t .   E n g . ,   v o l .   1 0 ,   n o .   1 ,   p p .   1 1 9 1 2 7 ,   2 0 1 8 .   [ 1 3 ]   M .   K .   M o h s e n ,   M .   S .   M .   I s a ,   Z . Z a k a r i a ,   A .   A .   M .   I s a ,   M .   K .   A b d u l h a m e e d ,   a n d   M .   L .   A t t i a h ,   " C o n t r o l   R a d i a t i o n   P a t t e r n   f o r   H a l f   W i d t h   M i c r o s t r i p   L e a k y   W a v e   A n t e n n a   b y   U s i n g   P I N   D i o d e s ,   "   I n t .   J .   E l e c t r .   C o m p u t .   E n g . ,   v o l .   8 ,   n o .   5 ,   2 0 1 8 .   [ 1 4 ]   M .   K .   M o h s e n ,   M .   S a a r i ,   M .   I s a ,   a n d   M . K . A b d u l h a m e e d ,   " N o v e l   D e s i g n   a n d   I m p l e m e n t a t i o n   o f   M I M O   A n t e n n a   f o r   L T E   A p p l i c a t i o n ,   "   J .   T e l e c o m m u n .   E l e c t r o n .   C o m p u t .   E n g . ,   v o l .   V o l .   1 0 ,   n o .   J u l y ,   p p .   4 3 4 9 ,   2 0 1 8 .   [ 1 5 ]   W .   E b g   a n d   V .   R e f l e c t o r ,   " G a i n   I m p r o v e m e n t   o f   M S A s   A r r a y   b y   V   s i n g   C u r v e d ,   "   I n t .   E l e c t r .   E n g .   C o n g r .   I E E E ,   p p .   4 7 ,   2 0 1 4 .   [ 1 6 ]   J .   Z a i d ,   M .   F a r a h a n i ,   A .   K e s a v a n ,   a n d   T .   A .   D e n i d n i ,   " M i n i a t u r i z e d   M i c r o s t r i p   P a t c h   A n t e n n a   U s i n g   E l e c t r o m a g n e t i c   B a n d   G a p   (   E B G   )   s t r u c t u r e s   f o r   M u l t i p o r t   P a s s i v e   U H F   R F I D - T a g   A p p l i c a t i o n s ,   "   I E E E ,   p p .   2 4 5 9 2 4 6 0 ,   2 0 1 7 .   [ 1 7 ]   M .   K .   A b d u l h a m e e d ,   M .   S .   M .   I s a ,   Z . Z a k a r i a ,   I . M . I b r a h i m ,   M .   K .   M o h s e n ,   a n d   M .   L .   A t t i a h ,   " C o n t r o l l i n g   T h e   R a d i a t i o n   P a t t e r n   o f   P a t c h   A n t e n n a   U s i n g   S w i t c h a b l e   E B G , "   T e l e c o m m i n i c a t i o n   C o m p u t i n g   E l e c t r o n i c s   a n d   C o n t r o l   ( T E L K O M N I K A ) ,   v o l .   1 6 ,   n o .   5 ,   2 0 1 8 .   [ 1 8 ]   J .   C o s t a n t i n e ,   Y .   T a w k ,   S .   E .   B a r b i n ,   a n d   C .   G .   C h r i s t o d o u l o u ,   " R e c o n f i g u r a b l e   a n t e n n a s :   D e s i g n   a n d   a p p l i c a t i o n s , "   P r o c .   I E E E ,   v o l .   1 0 3 ,   n o .   3 ,   p p .   4 2 4 4 3 7 ,   2 0 1 5 .   [ 1 9 ]   C .   G .   C h r i s t o d o u l o u ,   Y .   T a w k ,   S .   A .   L a n e ,   a n d   S .   R .   E r w i n ,   " R e c o n f i g u r a b l e   A n t e n n a s   f o r   W i r e l e s s   a n d   S p a c e   A p p l i c a t i o n s ,   "   P r o c .   I E E E ,   v o l .   1 0 0 ,   n o .   7 ,   p p .   2 2 5 0 2 2 6 1 ,   2 0 1 2 .   [ 2 0 ]   M .   S .   M o h a m a d   I s a ,   R .   J .   L a n g l e ,   a n d   S .   K h a m a s ,   " A n t e n n a   P a t t e r n   D i v e r s i t y   U s i n g   E B G ,   "   2 0 1 0   L o u g h b r g h .   A n t e n n a s   P r o p a g .   C o n f .   L A P C   2 0 1 0 ,   n o .   N o v e m b e r ,   p p .   3 2 5 3 2 8 ,   2 0 1 0 .   [ 2 1 ]   M .   S .   M .   I s a   e t   a l . ,   " A n t e n n a   B e a m   S t e e r i n g   u s i n g   S e c t o r i z e d   S q u a r e   E B G ,   "   J .   T e l e c o m m u n .   E l e c t r o n .   C o m p u t .   E n g . ,   v o l .   4 ,   n o .   1 ,   p p .   3 9 4 4 ,   2 0 1 2 .   [ 2 2 ]   M .   J .   A l - H a s a n ,   T .   A .   D e n i d n i ,   a n d   A .   R .   S e b a k ,   " M i l l i m e t e r - w a v e   E B G - b a s e d   a n t e n n a   p a t t e r n   d i v e r s i t y ,   "   I E E E   A n t e n n a s   P r o p a g .   S o c .   A P - S   I n t .   S y m p . ,   p p .   2 7 2 2 7 3 ,   2 0 1 3 .   [ 2 3 ]   C .   H u a n g ,   C .   J i ,   X .   W u ,   J .   S o n g ,   a n d   X .   L u o ,   " C o m b i n i n g   F S S   a n d   E B G   S u r f a c e s   f o r   H i g h - E f f i c i e n c y   T r a n s m i s s i o n   a n d   L o w - S c a t t e r i n g   P r o p e r t i e s , "   I E E E   T r a n s .   A n t e n n a s   P r o p a g . ,   v o l .   6 6 ,   n o .   3 ,   p p .   1 6 2 8 1 6 3 2 ,   2 0 1 8 .   [ 2 4 ]   Q .   R .   Z h e n g ,   Y .   Q .   F u ,   a n d   N .   C .   Y u a n ,   " A   N o v e l   C o m p a c t   S p i r a l   E l e c t r o m a g n e t i c   B a n d - G a p   ( E B G )   S t r u c t u r e , "   I E E E   T r a n s .   A n t e n n a s   P r o p a g . ,   v o l .   5 6 ,   n o .   6 ,   p p .   1 6 5 6 1 6 6 0 ,   2 0 0 8 .   [ 2 5 ]   M .   K .   A b d u l h a m e e d ,   M .   S .   M .   I s a ,   I .   M .   I b r a h i m ,   a n d   M .   K .   M o h s i n ,   " I m p r o v e m e n t   o f   M i c r o s t r i p   A n t e n n a   P e r f o r m a n c e   o n   T h i c k   a n d   H i g h   P e r m i t t i v i t y   S u b s t r a t e   w i t h   E l e c t r o m a g n e t i c   B a n d   G a p , "   J o u r   A d v   R e s .   D y n .   C o n t r o l   S y s t . ,   v o l .   1 0 ,   n o .   4 ,   p p .   6 6 1 6 6 9 ,   2 0 1 8 .   [ 2 6 ]   M .   K .   A b d u l h a m e e d ,   M .   S .   M .   I s a ,   Z . Z a k a r i a ,   M .   K . M o h s i n ,   a n d   M .   L .   A t t i a h ,   " M u s h r o o m - L i k e   E B G   t o   I m p r o v e   P a t c h   A n t e n n a   P e r f o r m a n c e   F o r   C - B a n d   S a t e l l i t e   A p p l i c a t i o n ,   "   I n t .   J .   E l e c t r .   C o m p u t .   E n g . ,   v o l .   8 ,   n o .   5 ,   2 0 1 8 .   [ 2 7 ]   S .   J a i n   a n d   S .   D w i v e d i ,   " D e s i g n   a n d   O p t i m i z a t i o n   o f   H - S h a p e d   M u l t i - B a n d   M i c r o s t r i p   P a t c h   A n t e n n a , "   I n t .   J .   E n g .   S c i .   M a n a g .   R e s . ,   v o l .   3 ,   p p .   2 2 2 6 ,   2 0 1 6 .   [ 2 8 ]   F .   Y a n g   a n d   Y .   R a h m a t - S a m i i ,   " M i c r o s t r i p   A n t e n n a s   I n t e g r a t e d   w i t h   E l e c t r o m a g n e t i c   B a n d - G a p   ( E B G )   S t r u c t u r e s :   A   L o w   M u t u a l   C o u p l i n g   D e s i g n   f o r   A r r a y   A p p l i c a t i o n s , "   I E E E   T r a n s .   A n t e n n a s   P r o p a g . ,   v o l .   5 1 ,   n o .   1 0   I I ,   p p .   2 9 3 6 2 9 4 6 ,   2 0 0 3 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.