I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   16 ,   No .   4 A u g u s t   20 26 ,   p p .   1 913 ~ 1 9 2 6   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 16 i 4 . pp 1 9 1 3 - 1 9 2 6           1913       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   M inia turized  pa t ch antenna   for t h e S - ba nd  com mu nica tion  subs y stem of t he  3 U Univers ity  C u beSa t       Na bil   E H a s s a ina t e 1, 2 , 3 ,   L o ub na   B er rich 1 ,   Na bil   B enj ello un 4 ,   Ahm ed  O ula d Sa id 4 ,   Z o uh a ir  G uenn o u n 1, 3   1 S mart  C o mm u n i c a t i o n s T e a m   ( ER S C ) ,   M o h a mm a d i a   S c h o o l   o f   E n g i n e e r s,  M o h a mm e d   V   U n i v e r si t y ,   R a b a t ,   M o r o c c o     2 El e c t r o n i c s   a n d   Te l e c o m mu n i c a t i o n s   D e p a r t me n t ,   R o y a l   A i r   A c a d e my ,   M a r r a k e c h ,   M o r o c c o   3 U n i v e r s i t y   C e n t e r   f o r   R e s e a r c h   i n   S p a c e   Te c h n o l o g i e s   ( C U R TS) ,   M o h a m med   V   U n i v e r si t y ,   R a b a t ,   M o r o c c o   4 I n st i t u t   d e   R e c h e r c h e   e n   S y s t è me É l e c t r o n i q u e s E m b a r q u é s,   Éc o l e   S u p é r i e u r e   d I n g é n i e u r s e n   G é n i e   Él e c t r i q u e   S a i n t - Ét i e n n e - du - R o u v r a y ,   F r a n c e       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  1 0 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma y   1 5 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u l 2 2 ,   2 0 2 6       Th is  p a p e in tr o d u c e a   m in iat u ri z e d   p a tch   a n ten n a   f o th e   re c e p ti o n   m o d u le   o th e   3 Un i v e rsity   C u b e S a t   i n   th e   S - b a n d   c o m m u n ica ti o n su b sy ste m .   In   o rd e t o   re d u c e   th e   p h y sic a c h a ra c teristics   o th e   a n ten n a   ( d ime n sio n s,   m a ss a n d   a c h iev e   c ircu lar  p o l a riza ti o n   (C P ),   a s   we ll   a i n c r e a sin g   it s   p e rfo rm a n c e s,  two   tec h n iq u e a re   u se d t h e   first  c o n sists   o f   in tro d u c in g   se m icirc le  tru n c a ti o n   o n   b o th   si d e o th e   sq u a re   p a tch ,   a n d   th e   se c o n d   c o n sists   o m o d if y in g   t h e   g ro u n d   p lan e   with   n e two r k o s y m m e tri c a slo ts  a lo n g   th e   m a in   a x e (x , y ).   T h e   fa b rica ted   a n ten n a   p r o to ty p e   h a o v e ra ll   d ime n sio n s   o f   5 5 × 55 × 3 . 2 7   m m   a n d   a   t o tal  m a ss   o f   2 0 . 5 9   g .   T h e   d e v e lo p e d   a n ten n a   s p a n t h e   u p li n k   b a n d   (2 . 0 2 5   t o   2 . 1 1 0   G Hz fo p a y lo a d   a n d   tele m e try   o p e ra ti o n s.   T h e   d e sig n e d   a n ten n a   a c h ie v e a   re flec ti o n   c o e fficie n b e lo m in u 1 0   d a c ro ss   th e   t a rg e fre q u e n c y   b a n d ,   a lo n g   wit h   a   m in u s     3   d a x ial  ra ti o   b a n d wid t h   th a t   i we ll   a p p ro p riate   t o   sp a c e   c o m m u n ica ti o n   li n k s.   Th e   c o m p a riso n o f   th e   p ro t o ty p e   re su lt to   th e   sim u lati o n   re su lt s   u sin g   CS a n d   HF S S   p ro v id e   c l o se   a g re e m e n o a ro u n d   9 0 % .   K ey w o r d s :   C u b eSat   Def ec ted   g r o u n d   s tr u ctu r   Patch   an ten n a   S - b an d   Slo t   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Nab il E Hass ain ate   Sm ar t Co m m u n icatio n s   T ea m   ( E R SC ) ,   Mo h am m ad ia  Sch o o l   o f   E n g in ee r s ,   Mo h am m ed   Un iv er s ity   R ab at,   Mo r o cc o   E m ail:  elh ass ain ate1 2 3 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T ec h n o lo g ical  p r o g r ess   in   m i cr o elec tr o n ics  m ate r ialized   b y   th m in iatu r izatio n   o f   co m p o n en ts   an d   th eir   lo co n s u m p tio n   h as  o p en ed   th way   to   th e   d ev elo p m en o f   in n o v ativ e   s o lu tio n s   in   th s p ac in d u s tr y .   On o f   th ese  s o lu tio n s   is   th C u b eSat   s tan d ar d   [ 1 ] .   T h is   s tan d ar d   p r o v id es  n o r m   f o r   th d esig n   o f   n an o   s atellite s   to   in cr ea s ac ce s s ib ilit y   to   s p ac an d   r ed u ce   d e v elo p m en t   tim a n d   c o s t.  I n d ee d ,   C u b eSat s   ar e   ex p lo ited   f o r   ap p licatio n s   s u ch   as a g r icu ltu r al  o p tim izatio n ,   wea th er   m o n ito r in g   an d   in f o r m atio n   tr an s m is s io n   f o r   s m ar cities  an d   co n n ec ted   tr an s p o r t.  I n   ad d itio n ,   th ey   also   p r o v id test in g   p latf o r m   f o r   th lo w - co s s p ac in d u s tr y   b e f o r a d o p tin g   s o lu tio n s   b ased   o n   lar g e r   s atellites if   s u cc es s f u l.   T h b asic  s tan d ar d   o f   C u b eSat   is   d ef in ed   as  n a n o s atellite  with   cu b ic  f o r m   f ac to r   o f     10 × 10 × 1 0   cm ,   co r r esp o n d i n g   to   1 u n it,  an d   m ax im u m   m ass   o f   u p   to   2   k g   p er   u n it  [ 1 ] .   Dif f er en f ac to r   f o r m s   ( FF )   ar u s ed   in   p r ac tice  in clu d in g   1 . 5 U,   2 U,   3 U,   6 U   u p   to   2 4 U.   T o   ca r r y   o u a   s p ec if ic  m is s io n ,   th e   C u b eSat   co n s is ts   o f   two   s eg m en ts ,   s im ilar   to   lar g e   s atellites:   th p latf o r m ,   w h ich   s u p p o r ts   th e   p a y lo ad   th r o u g h   v a r io u s   s u b s y s tem s   ( e. g . ,   p o wer   s u p p ly ,   o n b o ar d   co m p u ter ,   c o m m u n icatio n ,   d eter m in atio n   an d   attitu d co n tr o l ) ,   an d   th p a y lo ad   its elf ,   wh ich   is   r esp o n s ib l f o r   e x ec u tin g   t h m is s io n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   4 ,   Au g u s t   20 26 :   1 9 1 3 - 1926   1914   T h C u b eSat   co m m u n icatio n   s u b s y s tem   is   r esp o n s ib le  f o r   tr an s m itti n g   p a y lo ad   d ata  as  well  as  telem etr y   f r o m   th v ar io u s   s u b s y s tem s ,   an d   f o r   r ec eiv i n g   c o m m an d s   f r o m   th e   g r o u n d   s eg m en t.  O n o f   th m o s im p o r tan co m p o n en ts   o f   th is   s u b s y s tem   i s   th e   p ass iv co m p o n en t,  th a n ten n a,   b ec au s its   ch ar ac ter is tics   im p ac th lin k   b u d g et  o f   t h co m m u n icati o n   s y s tem   [ 2 ] .   Fo r   th is   r ea s o n ,   th an ten n m u s p r o v id e   s ig n if ican g ain   a n d   cir cu lar   p o lar izatio n   also   it  m u s m ee th s ize  a n d   weig h r eq u ir em en ts   im p o s ed   b y   th C u b eSat   s tan d ar d .   Fu r th er m o r e ,   th an te n n a s   r eq u ir ed   b a n d wid th   is   d eter m i n ed   b y   th e   C u b eSat   co m m u n icatio n   s y s tem   s p ec if icatio n s ,   p ar ticu lar ly   t h ch o s e n   m o d u latio n   s ch em a n d   d ata   r ate.   R eg ar d in g   th o p e r atin g   f r e q u en cy   o f   th a n ten n a,   th I n ter n atio n al  T elec o m m u n icati o n   Un io n   ( I T U)   ag e n cy   r eg u late  t h f r eq u en cy   allo ca tio n   a n d   co n tr o th r a d io   s p ec tr u m   to   av o id   in ter f er e n ce   [ 3 ] C o n s eq u en tly ,   an y   an ten n d e s ig n   m u s co n s id er   th f r e q u e n cy   allo ca tio n s   d ictated   b y   th I T ( e. g .,   f o r   th e   u p lin k ,   t h f r e q u en c y   b an d   is   2 . 0 2 5   to   2 . 1 1   GHz   an d   f o r   th d o wn lin k ,   t h f r e q u en c y   b a n d   is   2 . 2   to   2 . 2 9   GHz .     T h is   s tu d y   f o cu s es  o n   th d esi g n   an d   v alid atio n   o f   c o m p a ct,   lig h tweig h cir cu lar ly   p o lar ized   ( C P)  p atch   an ten n o p er atin g   in   th S - b an d   o v er   th 2 . 0 2 5   to   2 . 1 1   GHz   f r e q u en c y   r a n g e,   i n ten d ed   f o r   a   r ec eiv er   m o d u le  o f   3 u n iv e r s ity   C u b eSat .   Mo r s p ec if ically ,   th o b jectiv es  ar to   i)   s im u ltan eo u s ly   r ed u ce   th an ten n a s   s ize  an d   weig h wh ile  p r eser v in g   its   elec tr o m ag n etic  p er f o r m an ce ,   ii)   e n s u r s tab le  cir cu lar   p o lar izatio n   ac r o s s   th en tire   o p er atin g   b an d ,   an d   iii)  ac h iev s u f f icien g ain   t o   p r o v id lin k   m ar g i n   ex ce ed in g   3   d B .   T h e   m ain   s cien tific   co n tr ib u tio n   o f   th is   w o r k   lies   in   th e   d esig n   o f   co m p ac t,  lig h tweig h t,   an d   in teg r ab le  s o lu tio n   th at  m ee ts   th s tr in g en d esig n   co n s tr ain ts   o f   n an o s atellites   wh ile  m ain tain in g   p er f o r m an ce   s u itab le  f o r   S - b an d   ap p licatio n s .   T h a r ticle  is   o r g an ized   in to   f o u r   s ec tio n s .   Sectio n   2   is   d ed icate d   to   th e   s tu d y   o f   d if f er en an ten n as  p u b lis h ed   in   s cien tific   liter atu r e.   I n   s ec tio n   3 ,   th g e o m etr y   o f   m in iatu r ized   p atch   an te n n a n d   its   d esig n   p r o ce s s   ar p r esen ted .   p ar am etr ic  s tu d y   o f   th d esig n ed   an ten n a   is   co n d u cted   in   s ec tio n   4 .   B ef o r co n clu d in g ,   th d is cu s s io n   an d   an aly s is   o f   th ex p er im en tal  an d   s im u lated   r esu lts   is   elab o r ated   u p o n   in   s ec tio n   5 .       2.   ST A T E   O F   T H E   ART   Acc o r d in g   to   Ab u l g asem   et  a l [ 4 ] ,   p lan ar   an te n n as  o p er atin g   in   th C - b an d   o r   S - b an d   ar e   th m o s wid ely   u s ed   in   th e   C u b eSat   co m m u n icatio n s   s y s tem .   T h ey   h av s ig n if ican a d v an tag es  s u ch   as  lo p r o f ile lo co s an d   ab ilit y   to   s teer   t h b ea m   o f   ar r a y s   p atch   an te n n a.   On m ajo r   q u ality   o f   p la n ar   an ten n as  is   th at   th m ajo r ity   d o   n o r eq u ir d ep lo y m e n s y s tem ,   wh ich   s im p lifie s   th eir   in teg r atio n   in to   th C u b eSat .   I n   th f o llo win g ,   a   ch r o n o lo g ical  lis o f   a n ten n d esig n s   f o r   C u b e Sats   p r esen ted   in   d if f er en r ec en r esear ch   wo r k s   ar an aly ze d   a n d   ev al u ated   in   ter m s   o f   th eir   s tr u ctu r e s ,   o p er atin g   f r eq u e n cies,  r ef lectio n   lo s s   ( S 11 ) ,   b an d wid th ,   g ain   a n d   if   th e y   ar co n f o r m in g   to   th I T f r eq u en cy   b a n d s .   Acc o r d in g   to   th r ep o r ted   w o r k   b y   Yg n ac io - E s p in o za   et  a l .   [ 5 ] ,   q u asi - tr an s p ar en m esh   p atch   an ten n d esig n   p r o v id e   g ai n   o f   4 . 8 7   d B with   r e f lectio n   lo s s es  o f   ar o u n d   - 1 8 . 5   d B   o v er   b an d wid th   o f     2 5 0   MH 2 . 2 0 - 2 . 4 5   GHz   at   2 . 2 5   GHz .   m etam ate r ial  with   r ea ctiv im p ed an ce   s u r f ac e   ( R I S)  is   em p lo y e d   as th g r o u n d   p la n e.   Ho wev e r ,   th r esu ltin g   an te n n ex h ib its   lim ited   3   d B   ax ial  r atio   b an d wid th .   Fu r th er m o r e ,   s tack ed   p atc h   an ten n a   with   lo w - p r o f il e   d esig n   is   p r o p o s ed   b y   Ve ljo v ic  an d   Sk r iv er v ik   [ 6 ] .   T h is   p r o p o s ed   an ten n a   wo r k s   in   th e   f r e q u en cy   b a n d   o f   2 - 2 . 4 5   GHz   an d   p r o v id es  a   m ea s u r ed   g ain   o f   9   d B at  2 . 4 5   GHz .   An   ap er tu r e - c o u p le d   in lin f ee d   tech n iq u is   im p lem en te d   to   in cr ea s th an ten n a   cr o s s - p o lar izatio n   an d   g ain .   H o wev er ,   th m ain   lim itatio n   o f   th e   d esig n ed   an te n n a   is   th e   co n f ig u r atio n   o f   its   f ee d   p o i n t.   Po d ilch ak   et  a l [ 7 ]   d e v elo p ed   cir cu lar   p o lar izatio n   p atch   a n ten n a.   T h e   p ar ticu lar ity   o f   th is   an ten n a   is   its   ea s o f   in teg r atio n   in to   s o lar   ce ll.  I is   ch ar ac ter ize d   b y   a   d im en s io n   o f   3 9 . 5 × 2 4 . 8   m m   an d   o f f er s   a   g ain   o f   4 . 8   d B at  th f r eq u en cy   2 . 4 5   GHz .   Ho wev er ,   th s u g g ested   an ten n ac h ie v es  b an d wid th   o f   2 . 4 5 an d   g ai n   o f   4 . 8   d B i a t 2 . 4 5   GHz ,   wh ich   d o es n o t c o r r esp o n d   to   th e   f r eq u en cy   b an d   au th o r ized   b y   th I T U.     As  d is cu s s ed   b y   L iu   et  a l .   [ 8 ] ,   th p r o p o s ed   a n ten n is   m a d u p   o f   r ec tan g u lar   p atc h   m ea s u r in g   56 × 6 6   m m ,   f ab r icate d   o n   an   FR - 4   s u b s tr ate  o f   6 0 × 7 0   m m ,   an d   m etallic  g r o u n d   p l an s tr u ctu r with   d im en s io n s   o f   1 0 0 × 1 0 0 × 5   m m .   Me asu r em en t   r esu lts   s h o wed   th at  th e   m an u f ac tu r e d   an te n n wo r k s   in   a   d u al - b an d   ce n ter ed   o n   2 . 1   GHz   an d   2 . 4 5   GHz ,   with   r e f lectio n   l o s s es  o f   - 1 9 . 5 3   d B   an d   - 1 6 . 6 1   d B   r esp ec tiv ely ,   an d   b an d wid th s   o f   1 3 0   MH an d   1 5 0   MH r esp ec tiv ely .   T h s u g g ested   an ten n ex h ib its   g ain   o f   1 0 . 4 8   d B at  2 . 4 5   GHz   an d   1 0 . 1 2   d B i   at  2 . 1   GHz .   Ho wev er ,   th e   m an u f a ctu r ed   a n ten n d o es  n o co v er   th f r e q u en c y   b an d   r eq u ir ed   b y   I T U,   a n d   t h an t en n d im e n s io n s   ar q u ite  lar g e,   wh ich   m ay   a f f ec th e   o v e r all  s ize  o f   th 1 U   C u b eSat .   On   th o th er   h an d ,   E B ak k a li  et  a l [ 9 ]   in tr o d u ce d   an   eq u ilater al  tr ian g u lar   s lo an ten n ex cited   u s in g   co p lan ar   wav e g u id ( C P W )   f ee d .   T h s u g g ested   an t en n h as  lig h t,  co m p ac s ize   to   s u it  th C u b eSat   s tr u ctu r e,   an d   o f f er s   g ain   o f   8 . 2 0   d B at  2 . 4 5   GHz   b y   u s in g   m etal  p ar o f   th C u b eSat   ch ass is   b en ea th   th s lo an ten n as  r e f lecto r .   T h o b tain ed   r esu lts   in d icate   th a th d esig n ed   an ten n ac h iev es  r etu r n   l o s s   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Min ia tu r iz ed   p a tch   a n ten n a   fo r   th S - b a n d   co mmu n ica tio n   s u b s ystem  … ( N a b il E l H a s s a in a te )   1915   ap p r o x im ately   −2 3   d B   an d   an   u ltra - wid b an d wid th   o f   - 1 0   d B   f r o m   1 2 4 0   MH 2 . 2 3 0 - 3 . 4 7 0   GHz .   Ho wev er ,   th an ten n a s   o p er atin g   b an d   o n ly   co v e r s   p ar t o f   th I T U - a p p r o v ed   f r eq u e n cy   b a n d   2 2 0 0 - 2 2 9 0   MH z.   Similar ly ,   Ab u lg asem   et  a l [ 1 0 ]   im p lem en ted   an   F - s h ap p a tch   an ten n with   s ize  o f   1 0 0 × 1 0 0   m m .   T h s u g g ested   a n ten n p r o v i d es  g ain   o f   8 . 5   d B at  2 . 4 5   GHz ,   b a n d wid th   o f   4 5 . 7 5 an d   r ef lectio n   co ef f icien o f   ar o u n d   - 3 2 . 5   d B .   I n   a d d itio n ,   th au t h o r s   u s t h r ee   s h o r t - ci r cu it  p in s   b etwe e n   r ad iatin g   elem en t   an d   g r o u n d   p lan e .   B u t th p r o p o s ed   an ten n a s   r o b u s tn ess   is   af f ec ted   b y   th ese  s h o r tin g   p in s .   I n   ad d itio n ,   3 p r in ted   ( AB S)  an ten n a,   in teg r ate d   with   p last ic  C u b eSat   s tr u ctu r e,   is   in v esti g ated   b y   Mu n to n et   a l .   [ 1 1 ] .   T h a n ten n h as  d im en s io n s   o f   7 1 . 5 × 7 1 . 5   m m   an d   weig h o f   5 1   g ,   with   an   o v e r all   h eig h o f   1 7 . 4   m m .   T h e   p r o p o s ed   an te n n o p er ates  in   b o th   th e   u p lin k   b an d   ( 2 . 0 2 5 2 . 1 1   GHz )   an d   th e   d o wn lin k   b an d   ( 2 . 2 2 . 2 9   G Hz)   o f   th s atellite  S - b an d   c o m m u n icatio n   s u b s y s tem .   I ac h iev es  g ai n   o f   ap p r o x im ately   6 . 7   d B with   an   ef f icien cy   o f   9 6 %.  B u th H b   h eig h t o f   1 0 . 5   m m   m ay   af f ec t   th p o s itio n in g   o f   th C u b eSat   in   th P - Po d   f o r   t h lau n ch   o p er atio n .   As  s u ch ,   d u al - b an d   s p ir al  an ten n a,   in co r p o r ated   i n to   C u b eSat   o p tical  s y s tem ,   is   im p le m en ted   by  Me ir am b ek u ly   et  a l .   [ 1 2 ] .   T h s tu d y   r esu lts   s h o r ef lec tio n   co ef f icien ts   o f   1 8   d B   an d   −2 3   d B ,   with   co r r esp o n d in g   g ain s   o f   6 . 8   d B an d   7 . 4   d B at  1 . 6 9   GHz   a n d   2 . 4 5   GHz ,   r esp ec tiv ely .   H o wev er ,   th an ten n o p er atin g   f r e q u en c y   b an d   d o e s   n o m ee I T U   r eq u ir em en ts   f o r   s p ac e   co m m u n icatio n   lin k s .   T ab le  1   p r esen ts   th an ten n c h ar ac ter is tics   o f   p r ev io u s ly   p u b lis h ed   r esear ch .       T ab le  1 .   R ef er en ce d   an ten n as c h ar ac ter is tics   f o r   C u b eSat   co m m u n icatio n   s u b s y s tem   D a t e   [ R e f ]   S i z e   ( mm 3 )   O p e r a t i n g   f r e q u e n c y   ( G H z )   S 11   ( d B )   G a i n   ( d B )   FF   F a b r i c a t e d   I TU   c o n f o r m   2 0 1 8   [ 5 ]   1 0 0 × 1 0 0 × 4 . 5 4   2 . 2 5   1 8 . 5   4 . 8 7   3U   No   Y e s   2 0 1 9   [ 6 ]   1 0 0 × 1 0 0 × 1 1 . 6 0 8   2 . 4 5   1 8   9   3U   Y e s   Y e s   2 0 1 9   [ 7 ]   3 9 . 5 × 2 4 ,   8 × 7 . 3 6 2   2 . 4 5   2 0   4 . 8   1U   Y e s   No   2 0 2 0   [ 8 ]     1 0 0 × 1 0 0 × 5   2 . 1   2 . 4   1 9 . 5 3   1 6 . 6 1   1 0 . 1 2   1 0 . 4 8   1U   1U   Y e s   Y e s   No   No   2 0 2 1   [ 9 ]   90 × 90 × 1 . 6   2 . 4 5   2 3   8 . 2   1U   No   Y e s   2 0 2 1   [ 1 0 ]   1 0 0 × 1 0 0 × 1 8 . 4   2 . 4 5   3 2 . 5   8 . 5   3U   Y e s   Y e s   2 0 2 2   [ 1 1 ]   7 1 . 5 × 7 1 . 5 × 13   2 . 1 6   2 5   6 . 7   1U   Y e s   Y e s   2 0 2 3   [ 1 2 ]     1 0 0 × 1 0 0 × 13   1 . 6 9   2 . 4 5   1 8   2 3   6 . 8   7 . 4   3U   3U   Y e s   Y e s   No   No       3.   M I N I AT URI Z E P AT CH   ANT E NNA  D E SI G N   3 . 1 .     Ant enna   g e o m et r y   T h s u g g ested   an ten n h as  s q u ar s h ap with   tr u n ca ted   b o u n d ar y   with   g r o u n d   p la n m o d if ied   b y   s lo ts   as  s h o wn   in   Fig u r e   1 .   Fi g u r e   1 ( a)   p r esen ts   th p r o p o s e d   an ten n a s   to p   v iew,   w h ile  Fig u r e   1 ( b )   illu s tr ates  th b ac k   v iew.   Fed   b y   p r o b alo n g   th d iag o n al  at  p o s itio n   ( =7   m m ,   =7   m m ) ,   th d esi g n ed   an ten n is   co m p o s ed   o f   r ad iatin g   p ar in   th f o r m   o f   s q u ar p atch   etch ed   o n   an   FR - 4   s u b s tr ate  ( h eig h h = 3 . 2   m m ,   ε r =4 . 3 )   an d   m o d i f ied   s q u ar e   g r o u n d   p lan th r o u g h   th in tr o d u ctio n   o f   th r ee   s lo ts   with   len g th   o f   L s =9   m m   an d   wid t h   o f   =2   m m .   T h ce n tr al  s lo is   lo ca ted   at  th e   co o r d in ates  ( X =1 5   m m ,   Y = - 3 0   m m ) ,   th o th er   two   s lo ts   h av th s am len g th   an d   wid th   s p ac ed   f r o m   th ce n tr al  s lo b y   1 m m .   T h th r ee   s lo ts   in tr o d u ce d   o n   th e   g r o u n d   p la n ar s y m m et r ical  with   r esp ec t to   th an d   ax is .   T h d esig n e d   a n ten n a s   o p ti m u m   d im en s io n s   ar e   th e   p a tch   h as  e q u al  wid th   an d   le n g th ,   with   W p = L p =3 2   m m th d iam eter   o f   s em icir cle  1   is   D 1 =8 . 8   m m th d iam eter   o f   s em icir cle  2   i s   D 2 =4   m m   an d   th e   g r o u n d   p la n is   ch ar ac ter ized   b y   d im e n s io n s   o f   W ground   plane L ground  plane =5 5   m m .           ( a)   ( b )     Fig u r e   1 .   Dev el o p ed   a n ten n f r o m   ( a)   to p   v iew  an d   ( b )   b ac k   v iew   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   4 ,   Au g u s t   20 26 :   1 9 1 3 - 1926   1916   3 . 2 .     Ant enna   des ig n pro ce s s   T h d esig n   p r o ce s s   o f   s u g g ested   an ten n is   d iv i d ed   in to   th r ee   m ai n   s tep s .   I s h o ws  th tr an s f o r m atio n s   u n d er g o n f r o m   b asic  s q u ar p atch   a n ten n to   ac h iev t h f in al  an te n n s tr u ctu r with   a   cir cu lar   p o lar izatio n   o p e r atin g   in   th r eq u ir e d   f r eq u e n cy   b an d   2 . 0 2 5 - 2 . 1 1   GHz   a n d   h a v in g   s m all  s ize  f o r   b etter   in teg r atio n   in to   3 Un iv er s ity   C u b eSat.   Fig u r e   2   d e s cr ib es th p r o ce s s   in   q u esti o n .           Fig u r e   2 .   Desig n   p r o ce s s       T h f ir s s tep   was  to   d esig n   s q u ar e   p atch   an ten n a   wo r k in g   i n   th e   r eq u ir ed   f r eq u e n cy   b a n d .   Acc o r d in g   to   t h tr a n s m is s io n   lin th e o r y   [ 1 3 ] ,   t h an te n n a   d im en s io n s   wer e   ca lcu lated .   T h an ten n wid th   W p   an d   th an ten n len g t h   L p   s h o wn   in   Fig u r e   3   ca n   b d eter m in ed   b y   ( 1 )   an d   ( 2 ).     = 2 × ×     ( 1 )     = ( 2 × ×   -   2 ×      ( 2 )     H er e:   ε reff   : E f f ec tiv d ielec tr ic  co n s tan t ( 3 ) .     δL     : T h p atch   an ten n a   len g th   ex ten s io n   ( 4 ) .     f         : Res o n an t f r e q u en c y   c        : Sp ee d   o f   lig h ( 3 ×1 0 8   m /s ) .     = + 1 2 + 1 2 × 1 ( 1 + 12 × )     ( 3 )      = × 0 . 412 × ( + 0 . 3 ) × ( + 0 . 254 ) ( 0 . 258 ) × ( + 0 . 8 )   ( 4 )     F i g u r e   3   i l l u s t r at e s   t h e   g e o m et r y   o f   A n t e n n a   1   i n   S t e p   1 .   F i g u r e   3 ( a )   i l l u s t r a t es   t h e   t o p   v i e w   o f   t h e   a n t e n n a ,   w h i le   Fi g u r e   3 ( b )   p r e s e n ts   t h e   b a c k   v i e w .   A n t e n n a   1   c o n s i s t s   o f   a   r a d i at i n g   e le m en t   w i t h   d i m e n s i o n s   W p = L p =   4 7 . 5   m m   a n d   a   g r o u n d   p l a n e   m e a s u r i n g   7 0 × 7 0   m m .   I t   o p e r a t e s   at   a   r e s o n a n t   f r e q u e n c y   o f   2 . 0 8 3   G H z ,   e x h i b i t i n g   a   r e f l e ct i o n   c o e f f i c ien t   o f   2 7 . 2 9   d B   a n d   a   b a n d w i d t h   o f   3 9 . 1 2   M H z   ( 2 . 0 6 3   t o   2 . 1 0 2   G H z ) .           ( a)   ( b )     Fig u r e   3 .   Dev el o p ed   a n ten n 1   ( s tep   1 )   f r o m   ( a)   to p   v iew   an d   ( b )   b ac k   v iew   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Min ia tu r iz ed   p a tch   a n ten n a   fo r   th S - b a n d   co mmu n ica tio n   s u b s ystem  … ( N a b il E l H a s s a in a te )   1917   T h s ec o n d   s tep   is   to   m in im ize  th d im en s io n s   o f   an ten n 1   f o r   b etter   in teg r atio n   in to   th e   C u b eSat,   wh ile  r etain in g   th an ten n a s   r ad io elec tr ic  ch ar ac ter is tics ,   i.e . ,   o p er atin g   f r eq u en cy   b a n d ,   r ad iatio n   p atter n   an d   g ain .   I n   o r d er   to   ac h iev e   th is ,   tr u n ca ted   b o u n d ar y   o f   th r ad iatin g   elem en is   u s ed .   B y   ad d in g   th ese  co n to u r s ,   th elec tr ical  le n g th   in cr ea s es  in   a   s m aller   v o lu m e.   Kn o win g   th at  t h r a d io - ele ctr ic  ch ar ac ter is tics   o f   th an te n n ch a n g with   th e   m o d if icatio n   o f   th c h o s en   el ec tr ical  len g th ,   it is   esp ec ially   ass o ciate d   with   th r eso n an f r eq u en cy .   As  th elec tr ical  len g th   in cr ea s es,  th r eso n an f r e q u en c y   d ec r e ases ,   lead in g   to   a   s ig n if ican t r ed u ctio n   in   an te n n s ize.     R ed d y   et  a l .   [ 1 4 ] [ 1 7 ] ,   em p lo y s   s y m m etr ical  o r   asy m m et r ical  f r ac tal  cu r v es  alo n g   th e   r ib s   o f   a   s q u ar p atch   a n ten n a.   T h ese  f r ac tal  cu r v es  ca n   b U - s h ap ed ,   p o l y g o n al,   tr ian g u lar   o r   s em icir cu lar .   I n   o u r   ca s e,   we  o p te d   f o r   asy m m etr i ca h alf - cir cle   ar o u n d   th e d g es  o f   th e   s q u ar e   p atc h   an te n n a,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e   4 .   Fig u r e   4 ( a )   s h o ws th to p   v iew  o f   An ten n a   2 ,   wh il Fig u r e   4 ( b )   p r esen ts   th b ac k   v iew.           ( a)   ( b )     Fig u r e   4 .   Seco n d   s tep   o f   d esig n   p r o ce s s   ( an ten n 2 )   f r o m   ( a)   to p   v iew  an d   ( b )   b ac k   v iew       Usi n g   s em icir cle   tr u n ca tio n s   alo n g   b o th   ax es  ( x, y )   as  s h o w n   in   Fig u r e   4 ,   we  o b tain   an   a n ten n with   r ed u ce d   d im en s io n s   W p = L p 3 2   m m   an d   g r o u n d   p lan e   W ground  plane = L ground  plane =5 5   m m .   I n d ee d ,   th is   tech n i q u e   all o we d   t h e   m in iat u r iz ati o n   o f   an t e n n 1   a n d   w n o t g a in   o f   3 2 co m p a r e d   t o   th d i m e n s io n s   o f   an te n n a   1 .   I n   ad d itio n ,   a n ten n a   2   o p er ate s   in   two   r eso n a n f r e q u en cies.   T h f ir s f r eq u e n cy   was  2 . 0 2   GHz   with   an   S 11   r ef lectio n   co ef f icien o f   u p   t o   - 4 0 . 9 5   d B   an d   a n   im p ed an ce   b an d wid th   o f   1 6 5 . 5   MH z   f r o m   1 . 9 7 6 5   GHz   to   2 . 1 4 2   GHz .   T h e   s ec o n d   im p ed an ce   b an d wid th   was 2 . 8 3 3   t o   2 . 9 1 5   GHz ,   ce n te r ed   at  2 . 8 7 5   GHz .   T h f in al  s tep   in v o lv es  in tr o d u cin g   m o d if icatio n s   to   th an ten n g r o u n d   p la n e,   eith er   as  s in g le  alter atio n   ( u n it  ce ll)  o r   as  m u lt ip le  f ea tu r es  ar r an g e d   in   p er io d ic  o r   ap er io d ic  g eo m etr ies.  T h ese  m o d if icatio n s   ar r ef er r ed   to   as  d ef ec ted   g r o u n d   s tr u ctu r ( DGS) .   T h is   tech n iq u h as  b ee n   wid ely   u til ized   in   m icr o wav tech n o lo g ies:   f ilter s ,   co p lan ar   wav eg u id e,   am p lifie r   an d   an t en n a.   I n   ad d itio n ,   s ev e r al  s tu d ies   [ 1 8 ] [ 2 3 ]   h av e   in v esti g ated   th d esig n   o f   m icr o s tr ip   an ten n as  u s in g   th is   tec h n iq u e.   T h ese  wo r k s   h ig h lig h t   its   ef f ec tiv en ess   in   r ed u cin g   an ten n s ize,   m itig atin g   cr o s s - p o lar izatio n   an d   m u tu al  co u p lin g   in   a n ten n ar r ay s ,   s u p p r ess in g   h ar m o n ic  r esp o n s es,  an d ,   m o s t im p o r tan tly ,   ac h iev in g   cir cu l ar   p o lar izatio n .   T h p u r p o s o f   th is   s tep   is   to   m o d if y   th c u r r e n d is tr ib u tio n   o n   th g r o u n d   p la n in   o r d e r   to   o b tain   cir cu lar   p o lar izatio n .   Var io u s   tech n iq u es  an d   m eth o d s   h a v b ee n   r ep o r ted   in   th liter atu r f o r   ac h iev in g   cir cu lar   p o lar izatio n   in   p lan a r   an ten n as  [ 2 4 ] .   As  r ep o r ted   b y   Kh an d elwa et  a l [ 2 0 ] ,   o n co m m o n ly   u s e d   tech n iq u co n s is ts   o f   in tr o d u c in g   s lo ts   in   th g r o u n d   p lan e ,   wh ich   m o d if y   th tr an s m is s io n   ch ar ac ter is tics   o f   th s tr u ctu r e   b y   ad d in g   s lo ca p ac itan ce ,   s lo in d u ctan ce ,   an d   s lo r esis tan ce .   Fig u r e   5   illu s tr ates  th th ir d   s tep   o f   th d esig n   p r o ce s s   f o r   a n t en n 3 .   Fig u r e   5 ( a)   p r esen ts   t h to p   v iew,   wh ile  Fig u r e   5 ( b )   p r esen ts   th r ea r   v iew  s h o win g   th s lo ts   in tr o d u ce d   in   th g r o u n d   p lan e.             ( a)   ( b )     Fig u r e   5 .   T h ir d   s tep   o f   d esig n   p r o ce s s   ( an ten n a   3 )   f r o m   ( a)   t o p   v iew  an d   ( b )   b ac k   v iew   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   4 ,   Au g u s t   20 26 :   1 9 1 3 - 1926   1918   Fig u r e   6   s h o ws  th p r o ce s s   o f   an ten n a   3 .   T h e   r ef lectio n   co e f f icien ts   o f   t h th r ee   s tep s   o f   th an ten n a   d esig n   p r o ce s s   ar s h o wn   in   Fig u r e   6 ( a) .   I ca n   b o b s er v e d   th at  ad d in g   s lo in   th g r o u n d   p la n en h a n ce s   th b an d wid th   f r o m   3 9 . 1 2   M Hz  o b tain ed   in   s tep   1 ,   to   1 6 5 . 5   MH in   s tep   2 ,   to   2 1 6 . 9   MH in   th last   s tep   th e   f r eq u e n cy   b an d   [ 1 . 9 8 4 ; 2 . 2 0 1 ]   GHz .   Als o ,   th in co r p o r atio n   o f   s lo ts   h as  in f lu e n ce d   th an t en n a s   p o lar izatio n ,   as  illu s tr ated   in   F ig u r e   6 ( b ) .   T h in tr o d u ctio n   o f   s lo ts   in   th g r o u n d   p lan h av r esu lted   in   cir cu lar ly   p o lar ized   a n ten n i n   th 2 . 0 3 8 - 2 . 0 8 5   GHz   b an d ,   with   an   a x ial  r atio   b a n d wid th   e q u al  to   4 7 . 4 7   MH th at  is   s y m m etr ical   r eg ar d i n g   th r eso n an f r eq u e n cy   o f   2 . 0 6   GHz .   Fin ally ,   th in co r p o r atio n   o f   s lo ts   in   th g r o u n d   p lan o f   th d esig n ed   a n ten n a   im p r o v es  b o th   its   b an d wid th   an d   cir cu la r   p o la r izatio n   p e r f o r m an ce ,   a n d   a b o v e   all  p lay ed   an   im p o r ta n t r o le  in   r ed u cin g   th an te n n a s   weig h t .           ( a)   ( b )     Fig u r e   6 .   An te n n 3 :   ( a)   r e f lectio n   co ef f icien t S1 1   s tep   1 ,   s te p   2 s tep   3   an d   ( b )   a x ial  r atio s tep   2   an d   s tep   3       4.   P ARAM E T R I S T UDY   T o   ac h iev cir c u lar ly   p o la r ized   ( C P)  an ten n o p er atin g   in   th 2 . 0 2 5   to   2 . 1 1   GHz   f r e q u en cy   b an d   with   ad eq u ate  g ai n ,   f ir s p a r am etr ic  s tu d y   o f   th len g th   L s   o f   th s lo ts   in tr o d u ce d   a n d   t h eir   p o s itio n   in   th e   g r o u n d   p la n was  ca r r ied   o u t.   T h ef f ec o f   in tr o d u cin g   s lo ts   in to   th g r o u n d   p lan was  ex am in ed   in   th is   f ir s t   p ar am etr ic  s tu d y ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   7 .   Fig u r e   7 ( a)   p r esen ts   s tep   1   with   two   s y m m etr ical  s lo ts ,   Fig u r e   7 ( b )   s h o ws s tep   2   with   f o u r   s lo ts ,   an d   Fig u r e   7 ( c)   illu s tr ates step   3   with   eig h t slo ts .             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e   7 .   Dev el o p m en t step   o f   th m o d if ie d   g r o u n d   p lan e:   ( a )   s tep   1 ,   ( b )   s tep   2 ,   an d   ( c)   s tep   3         T h r esu lts   ar illu s tr ated   in   Fig u r e   8 .   T h o n o b tain ed   i n   ter m s   o f   r ef lectio n   co ef f icien S 11   is   s h o wn   in   Fig u r e   8 ( a )   an d   a x ial  r atio   is   in   Fig u r e   8 ( b ) .   An   im p r o v em e n in   th an ten n a   b an d wid th   ca n   b e   o b s er v ed   f r o m   s tep   1   to   s tep   3   o f   th e   d esig n e d   a n ten n a,   r a n g in g   f r o m   1 8 1 . 3 3   MH th r o u g h   1 8 7 . 9 1   MH to   1 9 7 . 4 5   MH z.   W also   n o te   th at  cir cu lar   p o lar izatio n   is   o b tain ed   f r o m   s tep   2   a n d   a n   im p r o v em e n in   ax ial   r atio   b an d wid t h   b y   ad d in g   s lo ts   in   th g r o u n d   p lan e.   T h ci r cu lar   p o lar izatio n   b a n d wid th   ( ax ial  r atio )   v ar ies  f r o m   2 4 . 6   MH z ,   2 . 0 2 4   to   2 . 0 4 8   GHZ   f o r   s tep   2   to   2 2 . 5 9   MH z ,   2 . 0 2 9   to   2 . 0 5 2   GHz   f o r   th t h ir d   s tep .   T o   en h an ce   th p er f o r m a n ce   o f   th s im u lated   an ten n i n   s tep   3 ,   an o th e r   p ar am et r ic  s tu d y   w as c ar r ied   o u t,  in v o lv in g   th in tr o d u ctio n   o f   m o r s lo ts   in   th g r o u n d   p lan e.   T o   d o   th is ,   eig h s y m m etr ical  s lo ts   ar in tr o d u ce d   o n   th m o d el  co r r esp o n d in g   to   s tep   3   with   s lo len g th   o f   L s =6   m m   ( Fig u r e   9 ( a)   s tep   4 ) ,   th en   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Min ia tu r iz ed   p a tch   a n ten n a   fo r   th S - b a n d   co mmu n ica tio n   s u b s ystem  … ( N a b il E l H a s s a in a te )   1919   eig h o th er   s y m m etr ical  s lo ts   o f   th s am s lo len g th   ( Fig u r e   9 ( b )   s tep   5 )   an d   f in ally   Fig u r e   9 ( c)   s tep   6   co r r esp o n d s   to   th u s o f   s lo ts   o f   th s am len g th   L s =9   m m   as illu s tr ated   in   Fig u r e   9.           ( a)   ( b )     Fig u r e   8 .   Dev el o p ed   a n ten n d esig n : ( a)   r e f lectio n   co e f f icie n t s1 1   f o r   s tep   1 ,   s tep   2   an d   s tep   3   o f   th m o d if ied   g r o u n d   p la n an d   ( b )   ax ial  r ati o   f o r   e ac h   d e v elo p m e n s tep   o f   th m o d if ied   g r o u n d   p la n e             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e   9 .   Mo d if icatio n s   m ad e   to   th g r o u n d   p lan ( a)   s tep   4 ,   ( b )   s tep   5 ,   an d   ( c)   s tep   6         Fig u r e   1 0   p r esen ts   r esu lts   o b t ain ed   o f   d ev elo p ed   a n ten n d esig n   in   ter m s   o f   r ef lectio n   c o ef f icien   S 11  an d   ax ial  r ati o .   Fig u r e   1 0 ( a)   s h o ws  th e   r esu lts   f o r   r ef le ctio n   co e f f icien S 11 .   A   s ig n if ican im p r o v em en t     in   th b an d wid t h   o f   th e   d esi g n ed   an ten n a   is   o b s er v ed   f r o m   s tep s   4   to   6 ,   i n cr ea s in g   f r o m   1 9 7 . 1 2   MH z ,     1 . 9 8 7 - 2 . 1 8 4   GHz   to   2 0 3 . 8 5   MH z ,   1 . 9 8 5 - 2 . 1 8 9   GHz ,   an d   r ea ch in g   2 1 7 . 5 6   MH z ,   1 . 9 8 4 - 2 . 2 0 1   GHz .     Fig u r e   1 0 ( b )   s h o ws  th r esu lts   o b tain ed   in   ter m s   o f   th e   ellip ticity   r atio   o f   t h d ev el o p e d   an ten n a .   T h an te n n ci r cu lar   p o lar iz atio n   h as  b ee n   im p r o v ed   b y   th i n tr o d u ctio n   o f   th s lo t s .   T h a x ial  r atio   b an d wid th   f o r   s tep   4   is   2 7 . 7 1   MH z,   ce n ter ed   o n   th r eso n a n f r eq u en c y   o f   2 . 0 6   GHz .   I n   s tep   5 ,   it  in cr ea s es  to   ap p r o x im ately   3 5 . 3   MH ar o u n d   th s am f r eq u e n cy .   Fin ally ,   in   s tep   6 ,   th ax ial  r atio   b an d wid th   r ea ch es   4 7 . 4 7   MH z,   s till   ce n ter ed   o n   2 . 0 6   GHz .   T h is   r ep r esen ts   an   in cr ea s o f   5 8 . 3 7 in   th ellip ticity   o f   th d esig n ed   an ten n a.     Acc o r d in g   t o   B an er jee   [ 2 4 ] ,   th d ef ec ted   g r o u n d   s tr u ctu r e s   ( DGS)   tech n iq u d o es  n o af f ec th an ten n g ain   a n d   d i r ec tiv ity .   As illu s tr ated   in   T ab le  2 ,   f r o m   th p r o p o s ed   wo r k   is   o b s er v e d   th at  th er is   n o   b ig   ch an g i n   ter m s   o f   g ain   an d   d i r ec tiv ity   o f   th a n ten n a.   T h g ain   an d   d ir ec tiv ity   d ec r ea s f r o m   4 . 8 8   t o   4 . 6 8   d B     an d   5 . 8 9   to   5 . 4 4   d B ,   r esp ec tiv ely ,   f r o m   s tep   1   to   s tep   6 ,   c o r r esp o n d in g   t o   th p r o p o s ed   an ten n a.   Ho wev er ,   th er is   an   in cr ea s in   th ax ial  r atio   b an d wid t h ,   r ea ch i n g   4 7 . 8   MH z,   alo n g   with   a   3   d B   b ea m wid th   im p r o v em e n o f   a p p r o x im atel y   9 °,  wh ich   h elp s   r ed u ce   t h p o in tin g   lo s s   in   th co m m u n ica tio n   lin k   b u d g et,   as   d escr ib ed   b y   ( 5 ) ,     p o i n t i n g = 12 × ( er r o r 3   dB   )       ( 5 )     w h er θ error   is   th p o in tin g   er r o r   i n   r a d ian s   ( an g u lar   d e v iatio n   f r o m   th e   o p tim al   d ir ec tio n )   an d   θ 3 dB   is   an ten n a s   3   d B   b ea m wid th .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   4 ,   Au g u s t   20 26 :   1 9 1 3 - 1926   1920     Fig u r e   1 1   d ep icts   co m p ar is o n   b etwe en   th e   s im u lated   r esu l ts   o f   Far f ield   Gain   Ab s   o f   s tep   4   to   s tep   6   at  f r eq u en c y   o f   2 . 0 5   GHz .   I ca n   b s tated   f r o m   th Fig u r e   th at  th p er f o r m a n ce   o f   th p r o p o s ed   an ten n in   ter m s   o f   g ain   a n d   d ir ec tiv ity   is   n o t a f f ec te d   b y   th in tr o d u cti o n   o f   s lo ts   in   th g r o u n d   p lan e .           ( a)   ( b )     Fig u r e   1 0 .   Dev elo p e d   an ten n a   d esig n : ( a)   r ef lectio n   co e f f ici en t s 11   f o r   ea ch   d ev elo p m en t s tep   o f   th m o d if ie d   g r o u n d   p la n ( s tep   4   t o   s u g g es ted   an ten n ( s tep   6 ) )   an d   ( b )   e v o lu tio n   o f   th ellip ticity   r ate  o f   th d esig n ed   an ten n f r o m   s tep   4   to   s u g g ested   an ten n a       T ab le  2 .   Par am etr ic  s tu d y   s u m m ar y   A n t e n n a   p e r f o r ma n c e   S t e p   1   S t e p   2   S t e p   3   S t e p   4   S t e p   5   S t e p   6   f r   ( G H z )   2 . 0 5   2 . 0 5   2 . 0 5   2 . 0 5   2 . 0 5   2 . 0 5   B a n d w i d t h   ( M H z )   1 8 1 . 3 3   1 8 7 . 9 1   1 9 7 . 4 5   1 9 7 . 1 2   2 0 3 . 5 5   2 1 7 . 5 6   G a i n   ( d B )   4 . 8 8   4 . 8 6   4 . 8 5   4 . 8 1   4 . 7 7   4 . 6 8   D i r e c t i v i t y   ( d B )   5 . 8 9   5 . 8   5 . 7 2   5 . 7   5 . 6 1   5 . 4 4   A R   b a n d w i d t h   ( M H z )   0   2 4 . 6   2 2 . 5 9   2 7 . 7   3 5 . 3   4 7 . 4 7   3 d B   b e a mw i d t h   ( ° )   9 6 . 9   9 6 . 3   9 9 . 7   1 0 2 . 6   1 0 3 . 6   1 0 5 . 9           Fig u r e   1 1 .   R ea lized   g ain   f r o m   s tep   4   to   th p r o p o s ed   an ten n a   ( s tep   6 )       5.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   T o   ch ec k   th p e r f o r m an ce   o f   th p r o p o s ed   an ten n a,   two   f u ll - wav elec tr o m ag n etic  s im u latio n   to o ls ,   n am ely   C ST  Mic r o wav e   Stu d i o   ( C ST  MWS )   an d   HFSS ,   we r em p lo y ed   to   e x tr ac k e y   p a r am eter s ,   in clu d i n g   S - p ar am eter s ,   r eso n a n f r e q u e n cy ,   an d   elec tr o m ag n etic  f ield   d is tr ib u tio n s .   T h e   C ST  MWS   s o f twar em p lo y s   th f in ite  in teg r atio n   tech n iq u ( FIT )   an d   th HFSS   s o f twar u s es th f in ite   elem en t m eth o d   ( FEM )   co m b in ed   with   ad ap tiv e   m esh in g .   T o   v a lid ate  an d   co n f i r m   th e   s im u la tio n   r esu lts ,   p r o to t y p e   o f   th d esig n ed   an ten n was  f ab r icate d   a n d   ex p er i m e n tally   test ed .   T h e   m ea s u r e m e n ts   p er f o r m ed   o n   th e   p r o to ty p wer e   co n d u cted   u s in g   an   AVR - Z NB   8   v ec to r   n etwo r k   an aly ze r .   Fig u r e   1 2   s h o ws  th two   s id es  o f   th e   f ab r icate d   tr u n ca ted   b o u n d ar y   p atch   an te n n with   m o d if ied   g r o u n d .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       Min ia tu r iz ed   p a tch   a n ten n a   fo r   th S - b a n d   co mmu n ica tio n   s u b s ystem  … ( N a b il E l H a s s a in a te )   1921       ( a)   ( b )     Fig u r e   1 2 .   Ma n u f ac t u r ed   a n te n n a   f r o m   ( a )   f r o n t v iew   an d   ( b )   b ac k   v iew       Fig u r e   1 3   co m p ar es th ex p er i m en tal  an d   s im u lated   r ef lectio n   co ef f icien t r esp o n s es o f   th d ev elo p e d   an ten n a.   I is   s ee n   th at  t h t wo   s im u lated   an ten n b a n d w id th s   ( HFSS   an d   C ST)   ar o f   th s am o r d e r ,   ap p r o x im ately   2 1 3   MH z,   wh er ea s   f o r   th f ab r icate d   an te n n p r o to ty p e,   t h b an d wid th   is   ap p r o x im ately     1 2 7   MH ( 2 . 0 2 8 0   to   2 . 1 5 5   GHz )   ar o u n d   th e   r eso n a n f r eq u en cy   o f   2 . 0 7 2   GHz . ,   with   r e f lectio n   co e f f icien t   of   - 3 2 . 2 3   d B .   T h e   b a n d wi d t h   o f   th e   p r o t o t y p e   a n t e n n a   s at is f ies   t h e   b an d w id th   r e q u i r e m e n ts   s p ec if ie d   b y   t h e   I T U .   An   an ten n a’ s   p o wer   d is tr ib u tio n   in   s p ac e   is   d escr ib ed   b y   it s   r ad iatio n   p atter n .   I t   d escr ib e s   h o th e   r ad iated   en e r g y   is   s p atially   d is tr ib u ted   in   th e   in ten d e d   d i r ec tio n .   Fig u r e   1 4   p r esen ts   th f ar - f ield   r ad iatio n   p atter n s   o f   t h f a b r icate d   a n ten n at  2 . 0 5   GHz ,   with   th e   m ea s u r ed   r esu lt  in   an   a n ec h o ic  ch am b er   s h o wn   in   Fig u r 1 4 ( a )   an d   th s im u lat ed   r esu lt  s h o wn   in   Fig u r 1 4 ( b ) .   As  o b s er v e d ,   th m ea s u r ed   an d   s im u lated   r ad iatio n   p atter n s   ex h ib it  s im ilar   o v er all  s h ap an d   th e   s am m ain   r ad iatio n   d ir ec tio n ,   in d icatin g   g o o d   ag r ee m en t b etwe en   ex p e r im en tal  an d   s im u lated   r esu lts .           Fig u r e   1 3 .   Simu lated   an d   m ea s u r ed   r ef lectio n   co ef f icien ts   o f   th s u g g ested   an te n n a           ( a)   ( b )     Fig u r e   1 4 .   Far f ield   o f   an ten n m an u f ac tu r ed : ( a)   m ea s u r ed   a n d   ( b )   s im u lated   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   4 ,   Au g u s t   20 26 :   1 9 1 3 - 1926   1922   T h r ad iatio n   p atter n s   o f   t h p r o p o s ed   an ten n at  th e   r eso n an f r eq u en cy   o f   2 . 0 5   GHz   ar p r esen ted   in   Fig u r e   1 5 ,   wh er Fig u r e   1 5 ( a)   d ep icts   th E - p lan p atte r n   an d   Fig u r e   1 5 ( b )   p r esen ts   th H - p lan p atter n .   T h r esu lts   in d icate   th at   th e   an ten n a   ex h ib its   d ir ec tio n al   r ad iatio n   c h ar ac ter is tics   with   ac ce p tab le  r a d iatio n   ef f icien cy .   T h ese  ch a r ac ter is tics   m ak th p r o p o s ed   a n ten n s u itab le  f o r   in te g r atio n   in to   th S - b an d   co m m u n icatio n   s u b s y s tem   o f   3 u n iv e r s ity   C u b eSat.           ( a)   ( b )     Fig u r e   1 5 .   R ad iatio n   p atter n s   at  r eso n an t f r eq u e n cy   o f   2 . 0 5   GHz : ( a)   E - Plan a n d   ( b )   H - Plan e       As  in tr o d u ce d   b y   B alan is   [ 1 3 ] ,   th m eth o d   o f   u s in g   th r ee   an ten n as  was  ap p lied   to   m ea s u r th g ain   o f   th p r o to ty p o f   th d esi g n ed   an te n n a.   Fig u r e   1 6   p r e s en ts   co m p ar is o n   b etwe en   th s im u lated   an d   m ea s u r ed   g ain   v alu es  o f   th d esig n ed   an ten n p r o to ty p e.   I ca n   b o b s er v ed   t h at  at  2 . 0 5   GHz ,   th s im u lated   an d   m ea s u r ed   g ai n s   ar 4 . 6 8   d B   an d   4 . 5 8   d B ,   r esp ec tiv ely .   T h is   s h o ws f air ly   r ea s o n ab le  ag r ee m en t w ith in   th e   o p er atin g   f r e q u en c y   b a n d   an d   th e   d if f er e n ce   o b s er v ed   ca n   b e   attr ib u ted   to   m ea s u r em e n u n ce r tain ties   an d   im p er f ec tio n s   in   th e   m an u f ac t u r in g   p r o ce s s .           Fig u r e   1 6 .   Simu lated   an d   m ea s u r ed   g ain   o f   th s u g g ested   an ten n a         B ased   o n   th r ep o r te d   f in d i n g s   b y   L i   [ 2 5 ] ,   th ax ial  r atio   m ea s u r em en s etu p   is   in s talled   with in   th an ec h o ic  ch a m b er .   I co n s is ts   o f   h o r n   an ten n with   lin ea r   p o lar izatio n   o n   o n s id p la ce d   o n   t h r o tatio n   ax is   o f   th p r o to ty p an ten n m an u f ac tu r ed   with   p o lar izer   a n d   an   R s ig n al  g en e r ato r   to   v ar y   th f r eq u en cy   f r o m   2   to   2 . 1 1   GHz   with   s te p   o f   0 . 0 1   GHz .   Fig u r e   1 7   p r esen ts   co m p ar is o n   b etwe en   th s im u lated   an d   ex p er im en tal  ax ial  r atio   r esp o n s es o f   th d ev elo p e d   an ten n a .   I ca n   b o b s er v ed   th at  th f ab r icate d   a n ten n p r o to ty p e x h ib its   m ea s u r ed   ax ial  r atio   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.