Performance Evaluation of Koch Shaped Antenna for Compact and Multi-Band Applications

Abstract

In this work, a compact Koch-shaped fractal antenna is designed, simulated, and experimentally validated for multi-band wireless communication in the 1–10 GHz spectrum. By leveraging the recursive space-filling property of the Koch geometry, the antenna achieves significant miniaturization while maintaining strong electromagnetic performance. The proposed design exhibits resonances at 2.46, 3.95, 6.20, 7.34, 9.15, and 9.42 GHz, effectively covering multiple wireless standards such as Wi-Fi (2.4/5 GHz), Bluetooth, ISM bands, and sub-6 GHz 5G channels. The antenna achieves return loss values below –10 dB at all resonant frequencies, with a measured bandwidth exceeding 6 GHz and a consistent gain between 3.2–4.0 dBi. The E-field analysis confirms improved surface current distribution with successive fractal iterations, while group delay studies demonstrate enhanced phase stability. Experimental validation of S₁₁ using a vector network analyzer shows strong agreement with simulations, confirming the practical feasibility of the design. Compared with reported fractal antennas, the proposed design demonstrates superior multiband support, higher bandwidth, and compact dimensions (30 × 30 mm²), making it highly suitable for integration into IoT devices, wearable electronics, radar platforms, and next-generation wireless communication systems.

Keywords

• Wireless Communication
• Koch fractal
• Miniaturized Antenna
• Multi-band operation

Supporting Institution

Shri Vishnu Engineering College for Women(A)

Ethical Statement

The authors declare that this research was conducted in accordance with ethical standards and integrity in scientific publishing. The work presented in this manuscript is original, has not been published previously, and is not under consideration for publication elsewhere. No human participants, animals, or sensitive data were involved in this study; therefore, ethical approval and informed consent were not required. The research is based on computational simulations and experimental validation of antenna prototypes using standard laboratory equipment. All authors have made substantial contributions to the conception, design, analysis, and preparation of this work and have approved the final version of the manuscript. The authors affirm that there are no conflicts of interest and no financial or non-financial competing interests that could have influenced the outcomes of this study.

Thanks

To all my colleagues

Kompakt ve Çok Bantlı Uygulamalar için Koch Şekilli Antenin Performans Değerlendirmesi

Abstract

Bu çalışmada, 1–10 GHz spektrumunda çok bantlı kablosuz iletişim için kompakt Koch biçimli fraktal bir anten tasarlanmış, benzetimi yapılmış ve deneysel olarak doğrulanmıştır. Koch geometrisinin özyineli boşluk doldurma özelliğinden yararlanılarak anten, güçlü elektromanyetik performansını korurken önemli ölçüde minyatürleştirilmiştir. Önerilen tasarım, 2.46, 3.95, 6.20, 7.34, 9.15 ve 9.42 GHz’de rezonans göstermekte olup Wi-Fi (2.4/5 GHz), Bluetooth, ISM bantları ve 6 GHz altı 5G kanalları gibi birçok kablosuz standardı etkin bir şekilde kapsamaktadır. Anten, tüm rezonans frekanslarında –10 dB’nin altında yansıma kaybı değerleri elde etmekte, 6 GHz’i aşan bant genişliği ve 3.2–4.0 dBi arasında tutarlı kazanç sağlamaktadır. E-alanı analizi, ardışık fraktal iterasyonlarla yüzey akım dağılımının iyileştiğini doğrularken, grup gecikmesi çalışmaları faz kararlılığının arttığını göstermektedir. Vektör ağ analizörü kullanılarak yapılan S₁₁’in deneysel doğrulaması, benzetimlerle güçlü uyum göstermekte ve tasarımın pratik uygulanabilirliğini doğrulamaktadır. Rapor edilen fraktal antenlerle karşılaştırıldığında, önerilen tasarım daha üstün çok bantlı destek, daha yüksek bant genişliği ve kompakt boyutlar (30 × 30 mm²) sunmakta olup IoT cihazları, giyilebilir elektronikler, radar platformları ve yeni nesil kablosuz iletişim sistemlerine entegrasyon için son derece uygundur.

Keywords

• Koch fraktalı
• Minyatürleştirilmiş Anten
• Çok Bantlı Çalışma
• Kablosuz İletişim

Supporting Institution

Shri Vishnu Kadınlar Mühendislik Fakültesi (Otonom)

Ethical Statement

Yazarlar, bu araştırmanın bilimsel yayıncılıktaki etik standartlara ve dürüstlük ilkelerine uygun olarak yürütüldüğünü beyan etmektedir. Bu makalede sunulan çalışma özgündür, daha önce yayımlanmamıştır ve başka bir dergide yayımlanmak üzere değerlendirme aşamasında değildir. Bu çalışmada insan katılımcılar, hayvanlar veya hassas veriler yer almadığından etik onay ve bilgilendirilmiş onam gerekmemektedir. Araştırma, standart laboratuvar ekipmanları kullanılarak anten prototiplerinin hesaplamalı benzetimleri ve deneysel doğrulamalarına dayanmaktadır. Tüm yazarlar, bu çalışmanın tasarımına, analizine ve hazırlanmasına önemli katkılarda bulunmuş, makalenin son hâlini onaylamışlardır. Yazarlar, bu çalışmanın sonuçlarını etkileyebilecek herhangi bir çıkar çatışmasının bulunmadığını ve finansal ya da finansal olmayan herhangi bir rekabet eden çıkarlarının olmadığını beyan etmektedir.

Thanks

Tüm meslektaşlarıma,

References

1. [1] S. Khan, T. Mazhar, T. Shahzad, A. Bibi, W. Ahmad, M. Khan, M. Saeed, and H. Hamam, "Antenna systems for IoT applications: a review," Discover Sustainability, vol. 5, 2024, doi: 10.1007/s43621-024-00638-z.
2. [2] L. Vignesh, K. Kaliappan, and B. V. L. Kannan, "A Survey on Fractal Antenna Design," International Journal of Pure and Applied Mathematics, vol. 120, pp. 10941–10959, 2018.
3. [3] F. Venneri, S. Costanzo, and A. Borgia, "Fractal Metasurfaces and Antennas: An Overview for Advanced Applications in Wireless Communications," Applied Sciences, vol. 14, no. 7, p. 2843, 2024, doi: 10.3390/app14072843.
4. [4] E. Souza, P. Oliveira, A. D’Assunção, L. Mendonça, and C. Peixeiro, "Miniaturization of a Microstrip Patch Antenna with a Koch Fractal Contour Using a Social Spider Algorithm to Optimize Shorting Post Position and Inset Feeding," International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2019, pp. 1– 10, 2019, doi: 10.1155/2019/6284830.
5. [5] A. Singh, R. Kabeer, Z. Ali, V. Singh, and M. Shukla, "Performance analysis of first iteration Koch curve fractal log periodic antenna of varying flare angles," Central European Journal of Engineering, vol. 3, 2012, doi: 10.2478/s13531-012-0040-2.
6. [6] N. Sharma, "A Journey of Antenna from Dipole to Fractal: A Review," Journal of Engineering Technology, vol. 6, pp. 317–351, 2017.
7. [7] M. Marzouk et al., "Ultra-Wideband Compact Fractal Antenna for WiMAX, WLAN, C and X Band Applications," Sensors, vol. 23, no. 9, p. 4254, 2023, doi: 10.3390/s23094254.
8. [8] H. Paik, L. Teja, M. Reddy, and K. Reddy, "A Miniaturized Fractal Antenna with Square Ring Slots for Ultrawideband Applications," Progress In Electromagnetics Research Letters, vol. 99, pp. 169–177, 2021, doi: 10.2528/PIERL21070801.

9. [9] M. Marzouk et al., "Efficient broadband fractal antenna for WiMAX and WLAN," Heliyon, vol. 10, no. 5, 2024, doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e26087.
10. [10] H. Kisioglu, "Multiband antenna design with a defected ground structure for 5G and X-band applications," AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 190, p. 155651, 2025, doi: 10.1016/j.aeue.2024.155651.
11. [11] M. Aminu-Baba et al., "A compact triband miniaturized MIMO antenna for WLAN applications," AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 136, p. 153767, 2021, doi: 10.1016/j.aeue.2021.153767.
12. [12] D. R. Varma, M. Murali, M. V. Krishna, and G. S. N. Raju, "Miniaturized Novel Textile Antenna for Biomedical Applications," in 2023 2nd International Conference on Paradigm Shifts in Communications Embedded Systems, Machine Learning and Signal Processing (PCEMS), Nagpur, India, 2023, pp. 1–6, doi: 10.1109/PCEMS58491.2023.10136066.
13. [13]D. R. Varma, M. Murali, and M. V. Krishna, "Compact, robust and low-profile textile antennas for biomedical applications with upgraded bandwidth for integration of easy garment," Materials Today: Proceedings, vol. 80, part 2, pp. 1548–1555, 2023, doi: 10.1016/j.matpr.2023.01.388.
14. [14] D. R. Varma et al., "Design of fabric antennas for body protective garment applications and analysis on their performance," Materials Today: Proceedings, vol. 80, part 2, pp. 1538–1547, 2023, doi: 10.1016/j.matpr.2023.01.384.
15. [15]P. Mohanty, S. Pandav, and S. K. Behera, "Circularly polarized hybrid fractal antenna for Ku band application," AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol. 190, p. 155641, 2025, doi: 10.1016/j.aeue.2024.155641.
16. [16]M. Gupta and V. Mathur, "Hexagonal Fractal Antenna using Koch for Wireless Applications," Frequenz, vol. 72, no. 9–10, pp. 443–453, 2018, doi: 10.1515/freq-2017-0203.