Design and Simulation of FR4 and FR2 Printed Circuit Boards in Microstrip Antenna Application

Abstract

Microstrip antennas have gained importance with the rapid development of wireless communication in electrical-electronic device technologies, Printed circuit board (PCB) technology also has a well-established industry worldwide. PCB technology offers an alternative, low-cost approach for manufacturing a variety of electrical-electronic devices. FR4 and FR2 type PCB boards are the two most preferred PCB board types in the electronics industry. In this study, a microstrip design and analysis has been carried out in order to identify malfunctions or other negativities detected in PCB boards and to find solutions to these negativities. In this design and analysis, 3D gains and impedance-frequency behaviors of the PCB board on the microstrip antenna are analyzed and presented by using FR4 and FR2 PCBs. The usability of FR4 and FR2 PCBs in the 2.4 GHz reference frequency band has been shown as a result of simulations using MATLAB software. Examining the analysis results, it is seen that the S11 return loss of FR4 material is -14.9 dB and the bandwidth is 80 MHz. This bandwidth value corresponds to the WiFi spectral band.

Keywords

• Printed circuit board (PCB)
• Microstrip antenna
• Patch antenna
• Performance evaluation

FR4 ve FR2 Baskı Devre Kartlarının Mikroşerit Anten Uygulamasında Tasarımı ve Simülasyonu

Öz

Elektrik-elektronik aygıt teknolojilerinde kablosuz haberleşmenin hızlı gelişimi ile birlikte mikroşerit antenler önem kazanmıştır. Baskı devre kartı (PCB) teknolojisi de dünya çapında köklü bir endüstriye sahiptir. PCB teknolojisi, çeşitli elektrik-elektronik aygıtların üretimi için alternatif, düşük maliyetli bir yaklaşım sunar. FR4 ve FR2 tipi PCB kartlar elektronik endüstrisinde en çok tercih edilen iki PCB kart türüdür. Bu çalışmada, PCB kartlarda tespit edilen arıza veya diğer olumsuzlukları tanımlayabilmek ve bu olumsuzluklara çözüm üretebilmek için bir mikroşerit tasarımı ve analizi gerçekleştirilmiştir. Bu tasarım ve analizde FR4 ve FR2 PCB’ler kullanılarak PCB kartın mikroşerit anten üzerindeki 3 boyutlu kazanç ve empedans-frekans davranışları analiz edilerek sunulmuştur. FR4 ve FR2 PCB’lerin 2.4 GHz referans frekans bandında kullanılabilirlikleri MATLAB yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen simülasyonların sonucu gösterilmiştir. Analiz sonuçları incelendiğinde, FR4 malzemenin S11 geri dönüş kaybının -14.9 dB olduğu ve bant genişliğinin 80 MHz olduğu görülmektedir. Bu bant genişliği değeri WiFi çalışma bandını karşılamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Baskı devre kartı (PCB)
• Mikro şerit anten
• Yama anten
• Performan değerlendirmesi

References

1. Fellman J., Printed Circuit Board (PCB) Scrap Melting and Mixing with Molten Fayalite Slag, Aalto University School of Chemical Engineering, Master Thesis (Printed), 2018.
2. Genc G., Sarikas A., Kesen U., Aydin S., Luffa/Epoxy Composites: Electrical Properties for PCB Application. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 10(6) 933–940, 2020.
3. Hall W. J., Williams P. T. Separation and Recovery of Materials from Scrap Printed Circuit Boards. Resources, Conservation and Recycling 51(3) 691–709, 2007.
4. Johnson R. C., Jasik H., Antenna Engineering Handbook. McGraw-Hill Professional, 1984.
5. Ning C., Lin C. S. K., Hui D. C. W., McKay G., Waste Printed Circuit Board (PCB) Recycling Techniques. Topics in Current Chemistry 375(2), 1-36, 2017.
6. Reineix A., Jecko B., Analysis of Microstrip Patch Antennas Using Finite Difference Time Domain Method. IEEE Transactıons On Antennas and Propagatıon 37(11), 1361-1369, 1989.
7. Shamkhalichenar H., Bueche C. J., Choi J. W., Printed Circuit Board (PCB) Technology for Electrochemical Sensors and Sensing Platforms. Biosensors 10(11), 159, 2020.
8. Singh I., Tripathi V. S., Micro Strip Patch Antenna and Its Applications: A Survey. International Journal of Computer Technology and Applications 2(5), 1595-1599, 2011.

9. Supratha C., Robinson S., Design and Analysis of Microstrip Patch Antenna for WLAN Application. International Conference on Current Trends towards Converging Technologies, (ICCTCT) India, March 1-3, pp: 1114–1118, 2018.
10. Werfelli H., Tayari K., Chaoui M., Lahiani M., Ghariani H., Design of Rectangular Microstrip Patch Antenna. 2nd International Conference on Advanced Technologies for Signal and Image Processing (ATSIP), Monastir/Tunisi, March 21-24, pp: 798–803, 2016
11. Zhan M., Wool R. P., Mechanical Properties of Composites with Chicken Feather and Glass Fibers. Journal of Applied Polymer Science 133, 44013, 2016.
12. Zhan M., Wool R. P., Xiao J. Q., Electrical Properties of Chicken Feather Fiber Reinforced Epoxy Composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 42(3), 229–233, 2011.