The Successful Performance of 3D-Printed Diamond-Shaped Antenna in Wireless Communication Systems: Measurement Frequency Range 0-4 GHz, Operating Frequency 3600 MHz

Year 2023, Volume: 1 Issue: 1, 29 - 38, 27.12.2023

Mehmet Duman , Mustafa Duman , Volkan Berk

Abstract

In this study, a three-dimensional antenna design with a diamond shape compatible with wireless communication systems, produced using a 3D printer, is presented. The aim of the study is to examine the performance of newly designed antennas created with different types than standard antenna designs using 3D printers by covering objects with copper tape and to determine whether they operate successfully. Simulation graphs of the designed antenna were obtained in the computer in the frequency range of 0-4 GHz, and the produced antenna was tested with Nano-VNA in the frequency range of 0-4 GHz. According to the literature survey, most diamond-shaped antennas produced and designed with 3D printers operate only on the 2D plane of the diamond, while in this study, the diamond shape is worked on the 3D plane. As a result, it is observed that the diamond-shaped antenna operates with an input return loss lower than -15 dB between the frequencies of 3000 MHz and 3805 MHz (laboratory measurement: 3300 MHz – 3800 MHz), indicating that the antenna demonstrates successful performance. In light of these findings, it is evident that antennas produced in the diamond shape with the proposed parameters using 3D printers can be used in wireless communication devices and 5G applications. At the same time, this study will contribute positively to the realization of antenna designs that can be created in other shapes.

Keywords

The diverse applications of 3D printing, Diamond-shaped antenna design, Wireless communication systems

3D Yazıcı ile Üretilen Elmas Şekilli Antenin Kablosuz Haberleşme Sistemlerindeki Başarılı Performansı: Ölçüm Frekans Aralığı 0-4 GHz, Çalışma Frekansı 3600 MHz

Abstract

Bu çalışmada, 3D yazıcı kullanılarak kablosuz haberleşme sistemleri ile uyumlu çalışabilecek, elmas görüntüsüne sahip, 3 boyutlu bir anten tasarımı ve üretimi sunulmaktadır. Yapılan çalışmadaki amaç, 3D yazıcılar ile standart anten tasarımlarından farklı tipte oluşturulan cisimlerin, bakır bant ile kaplanmasıyla meydana gelen yeni anten tasarımlarının performansını incelemek ve çalışıp çalışmadığını tespit etmektir. Tasarlanan antenin bilgisayar ortamında 0-4 GHz frekansları aralığında benzetim grafikleri elde edilmiştir ve üretilen anten yine 0-4 GHz frekansları aralığında Nano-VNA ile test edilmiştir. Yapılan literatür araştırmasına göre, çoğu 3D yazıcı yardımıyla üretilip tasarlanan elmas şekline sahip antenlerde, elmasın sadece 2 boyutlu düzlemi üzerinde çalışmalar gerçekleştirilirken bu çalışmada elmas şeklinin 3 boyutlu düzlem üzerindeki hali ile çalışılmaktadır. Sonuç olarak, elmas şekilli antenin 3000 MHz ve 3805 MHz (laboratuvar ölçümü: 3300 MHz – 3800 MHz) frekansları arasında -15 dB değerinden daha düşük giriş geri yansıma oranı ile çalıştığı, dolayısıyla, antenin başarılı bir performans sergilediği görülmektedir. Bu bulgular ışığında, 3D yazıcıların kullanımı dahilinde, önerilen parametrelerin kullanılmasıyla elmas şeklinde üretilen antenlerin kablosuz iletişim cihazlarında ve 5G uygulamalarında kullanabilir olduğu aşikardır. Aynı zamanda, gerçekleştirilen bu çalışma sayesinde başka şekillerde oluşturulabilecek anten tasarımlarının gerçekleştirilmesine olumlu katkı sağlanmış olunacaktır.

Keywords

3D yazıcının farklı uygulama alanları, Elmas şekilli anten tasarımı, Kablosuz iletişim sistemleri

References

• Dirlik, T. (2020). Metamalzeme kullanılarak eş benzetim ile mikroşerit anten tasarımı ve optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Başkent Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
• Glasco, D. L., Sheelam, A., Ho, N. H., Mamaril, A. M., King, M., ve Bell, J. G. (2022). Editors’ Choice—Review—3D printing: an innovative trend in analytical sensing, ECS Sensors Plus, 1(1), 010602.
• Kotzé K. ve Gilmore J. (2019). SLM 3D-Printed Horn Antenna for Satellite Communications at X-band, IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), Granada, Spain, ss. 148-153, doi: 10.1109/APWC.2019.8870367.
• Mazingue G., Byrne B., Romier M. ve Capet N. (2020). 3D Printed Ceramic Antennas for Space Applications, 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Kopenhag, Danimarka, ss. 1-5, doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135312.
• Njogu P., Sanz-Izquierdo B., Elibiary A., Jun S. Y., Chen Z. ve Bird D. (2020). 3D Printed Fingernail Antennas for 5G Applications, IEEE Access, vol. 8, ss. 228711-228719, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3043045.
• Olivová, J., Popela, M., Richterová, M., ve Štefl, E. (2022). Use of 3D printing for horn antenna manufacturing. Electronics, 11(10), 1539.
• Prakash, C., Senthil, P., ve Sathies, T. (2021). Fused deposition modeling fabricated PLA dielectric substrate for microstrip patch antenna, Materials Today: Proceedings, 39, 533-537.
• Praveena B. A., Lokesh N., Buradi A., Santhosh N., Praveena B. L., ve Vignesh R. (2022). A comprehensive review of emerging additive manufacturing (3D printing technology): Methods, materials, applications, challenges, trends and future potential, Materials Today: Proceedings, 52, 1309-1313.
• R. Colella ve ark. (2019). Electromagnetic Analysis and Performance Comparison of Fully 3D-printed Antennas, PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS-Spring), Roma, İtalya, ss. 964-970, doi: 10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017888.
• Rana M. S. ve Rahman M. M. (2022). Design and Operation Exploration of a Diamond-Shape Slotted Microstrip Antenna for Digital World High-Speed 5G Wireless Digital Technologies, 2nd Asian Conference on Innovation in Technology (ASIANCON), Ravet, Hindistan, ss. 1-4, doi: 10.1109/ASIANCON55314.2022.9908769.
• Shaif A. D. S. S., Selçuk S., Kabadayı G., Toraman Ö., ve İmeci Ş. T. (2017). Diamond-shaped microstrip patch antenna with defected ground structure, 25. Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı (SIU), ss. 1-4.
• Wang, Y., Zhang, X., Su, R., Chen, M., Shen, C., Xu, H., ve He, R. (2023). 3D Printed Antennas for 5G Communication: Current Progress and Future Challenges, Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 100065.
• Xu, C., Sun, C., Wan, H., Tan, H., Zhao, J., ve Zhang, Y. (2022). Microstructure and physical properties of poly (lactic acid)/polycaprolactone/rice straw lightweight bio-composite foams for wall insulation. Construction and Building Materials, 354, 129216.