MIMO microstrip antenna design and production for 5G applications

Öz

Context—In recent years, the increasing need for communication due to technological advancements, along with the rise in the number of manufacturers and users, has made the transition to 5th generation (5G) communication systems necessary. This transition to 5G communication has placed new requirements on antenna designs, necessitating the development of antennas with high bandwidth, a low profile, and the ability to support multiple users simultaneously. This paper focused on increasing the bandwidth of multiple input multiple output (MIMO) microstrip antennas and improving the isolation between ports.

Objective—This article describes the design and fabrication of a low-profile, high-bandwidth, dual-polarization, four-port, 1×2 array microstrip MIMO antenna for systems operating at 5G frequencies. The designed antenna is manufactured, and its measurement results are compared with simulation results. To enable the proposed design to operate in dual polarization, two ports were placed perpendicular to the edges of the patch antenna. The patches are designed in a square shape to ensure the antenna has linear polarization and exhibits equal characteristics in both horizontal and vertical polarizations. It is aimed at the MIMO antenna to operate at a minimum of 25 GHz - 26 GHz range, linearly in dual polarization, and to have better than -20 dB isolation between ports despite the placement of patch structures with a distance 0.25λ. To increase the antenna bandwidth and improve isolation between ports, the defected ground structure (DGS) method and neutralization line method are employed in the design. The antenna is 2.4 cm × 2.96 cm in size and has 4 ports, achieves a bandwidth of 2.33 GHz with 7 dBi gain at two ports for horizontal polarization, and a bandwidth of 3.5 GHz with 9.18 dBi gain at two ports for vertical polarization. Additionally, the targeted isolation values between ports in the 25 GHz - 26 GHz range are achieved to be better than -20 dB. The designed MIMO antenna is also evaluated in terms of important MIMO parameters such as diversity gain (DG), envelope correlation coefficient (ECC), total active reflection coefficient (TARC), and channel capacity loss (CCL).

Method—In the designed antenna, an RT/duroid 5880 substrate with a dielectric constant (ε_r) of 2.2, a loss tangent (tan δ) of 0.0009, and a thickness of 0.787 mm has been used. A 1 oz (0.035 mm) thick layer of copper was used on both the bottom (grounding plane) and top (radiation area) surfaces of the dielectric material.

Results—To minimize the antenna's footprint, the patch structures were placed at a distance 0.25λ apart, while ensuring that the isolation between the ports remains below -20 dB. The bandwidths of the 4-port antenna were measured as 3.89 GHz, 4.72 GHz, 4.35 GHz, and 3.8 GHz respectively. Consistency was observed between the data obtained from measurements and simulation results.

Conclusion—CST Microwave Studio simulation software was used for design and simulations.

Anahtar Kelimeler

• MIMO
• Microwave antenna
• DGS
• Neutralization line

5G uygulamaları için MIMO mikroşerit anten tasarımı ve üretimi

Öz

Arka Plan—Son yıllarda, teknolojik gelişmeler nedeniyle artan iletişim ihtiyacı, üretici ve kullanıcı sayısındaki artışla birlikte, 5. nesil (5G) iletişim sistemlerine geçişi zorunlu kılmıştır. 5G iletişimine geçiş, anten tasarımlarına yeni gereksinimler getirmiş ve yüksek bant genişliğine, düşük profile ve aynı anda birden fazla kullanıcıyı destekleme yeteneğine sahip antenlerin geliştirilmesini gerektirmiştir. Bu makale, çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) mikroşerit antenlerin bant genişliğini artırmaya ve portlar arasındaki izolasyonu iyileştirmeye odaklanmıştır.

Amaç—Bu makale, 5G frekanslarında çalışan sistemler için düşük profilli, yüksek bant genişliğine sahip, çift kutuplu, dört portlu, 1×2 dizi mikroşerit MIMO antenin tasarımını ve üretimini açıklamaktadır. Tasarlanan anten üretilmiş ve ölçüm sonuçları simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Önerilen tasarımın çift kutuplu olarak çalışmasını sağlamak için, iki port yama antenin kenarlarına dik olarak yerleştirilmiştir. Antenin doğrusal kutupluluğa sahip olmasını ve hem yatay hem de dikey kutupluluklarda eşit özellikler sergilemesini sağlamak için yamalar kare şeklinde tasarlanmıştır. MIMO antenin, en az 25 GHz - 26 GHz aralığında, çift polarizasyonda doğrusal olarak çalışması ve 0,25λ mesafede yerleştirilmiş yama yapılarına rağmen portlar arasında -20 dB'den daha iyi izolasyona sahip olması hedeflenmiştir. Anten bant genişliğini artırmak ve portlar arasındaki izolasyonu iyileştirmek için tasarımda kusurlu toprak yapısı (DGS) yöntemi ve nötrleştirme hattı yöntemleri kullanılmıştır. Anten 2.4 cm × 2.96 cm boyutlarında ve 4 porta sahiptir; yatay polarizasyon için iki portta 7 dBi kazançla 2.33 GHz bant genişliği ve dikey polarizasyon için iki portta 9.18 dBi kazançla 3.5 GHz bant genişliği elde edilmiştir. Ayrıca, 25 GHz - 26 GHz aralığında portlar arasındaki hedeflenen izolasyon değerleri -20 dB'den daha iyi olacak şekilde elde edilmiştir. Tasarlanan MIMO anten, çeşitlilik kazancı (DG), zarf korelasyon katsayısı (ECC), toplam aktif yansıma katsayısı (TARC) ve kanal kapasite kaybı (CCL) gibi önemli MIMO parametreleri açısından da değerlendirilmiştir.

Yöntem—Tasarlanan antende, dielektrik sabiti (εr) 2.2, kayıp tanjantı (tan δ) 0.0009 ve kalınlığı 0.787 mm olan bir RT/duroid 5880 alt tabaka kullanılmıştır. Dielektrik malzemenin hem alt (topraklama düzlemi) hem de üst (radyasyon alanı) yüzeylerinde 1 oz (0.035 mm) kalınlığında bir bakır tabaka kullanılmıştır.

Bulgular—Antenin kapladığı alanı en aza indirmek için, yama yapıları 0.25λ mesafede yerleştirilmiş ve portlar arasındaki izolasyonun -20 dB'nin altında kalması sağlanmıştır. 4 portlu antenin bant genişlikleri sırasıyla 3.89 GHz, 4.72 GHz, 4.35 GHz ve 3.8 GHz olarak ölçülmüştür. Ölçümlerden elde edilen veriler ile simülasyon sonuçları arasında tutarlılık gözlemlenmiştir.

Sonuç—Tasarım ve simülasyonlar için CST Microwave Studio simülasyon yazılımı kullanılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• MIMO
• Mikroşerit anten
• DGS
• Nötralizasyon hattı

Kaynakça

1. A. Yıldırım, A. İ. Tunalı, “5G nedir?”, Aselsan Dergi, 111, 2022, 26-30, https://wwwcdn.aselsan.com/api/file/AselsanDergi111Web1_3663.pdf.
2. O. Onurlu, “5G sistemleri için anten tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 2021.
3. W. A. Awan, A. Zaidi, A. Baghdad, “Patch antenna with improved performance using DGS for 28 GHz applications”, International Conference on Wireless Technologies, Embedded and Intelligent Systems (WITS), Fez, Morocco, 03-04 April 2019. https://doi.org/10.1109/WITS.2019.8723828.
4. M. Kösem “5G haberleşme için geniş bant mikroşerit yama anten modellemesi, alttaş seçimi ve gerçeklemesi” Yüksek Lisans Tezi, Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Van, Türkiye, 2021.
5. M. Hacımehmet, “X bant mikroşerit halka yama anten tasarımı ve besleme türlerine göre performanslarının değerlendirilmesi”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 28(2), 215-221, 2022. https://doi.org/10.5505/pajes.2021.30632.
6. S. W. Su., C. T. Lee, F. S. Chang, “Printed MIMO-antenna system using neutralization-line technique for wireless usb-dongle applications”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 60(2), 456-463, 2012. https://doi.org/10.1109/TAP.2011.2173450.
7. R. P. Liu, X. An, H. X. Zheng, M. J. Wang, Z. B. Gao, E. P. Li, “Neutralization line decoupling tri-band multiple-ınput multiple-output antenna design”, IEEE Access, 8, 27018-27026, 2020. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2971038.
8. D. S. Salgare, S. R. Mahadik, “A review of defected ground structure for microstrip antennas”, International Research Journal of Engineering and Technology, 2(6), 150-154, 2015, https://www.irjet.net/archives/V2/i6/IRJET-V2I628.pdf.

9. Rogers Corporation, “RT/duroid® 5870-5880 Data Sheet”, https://www.rogerscorp.com/advanced-electronics-solutions/rt-duroid-laminates/rt-duroid-5880-laminates (05.05.2024).
10. A. Ullah, N. O. Parchin, M. Alibakhshikenari, R. A. Abd-Alhameed, A. S. I. Amar, A. I. Salem, “A circularly-polarized patch antenna design for 3.6 GHz applications in 5G systems”, International Telecommunications Conference (ITC-Egypt), Alexandria, Egypt, 18-20 July 2023, 467-470. https://doi.org/10.1109/ITC-Egypt58155.2023.10206122.
11. G. Breed, “An introduction to defected ground structures in microstrip circuits”, High Frequency Electronics, 50-54, 2008, https://api.semanticscholar.org/CorpusID:108194467.
12. H. Elftouh, N. A. Touhami, M. Aghoutane, S. El Amrani, A. Tazón, M. Boussouis, “Miniaturized microstrip patch antenna with defected ground structure”, Electromagnetics Research C, 55, 25-33, 2014, https://api.semanticscholar.org/CorpusID:110241105.
13. M. S. Khan, M. F. Shafique, A. Naqvi, A. D. Capobianco, B. Ijaz, B.D. Braaten, “A miniaturized dual-band MIMO antenna for WLAN applications”, IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, 14, 958–961, 2015. https://doi.org/10.1109/LAWP.2014.2387701.
14. J. Colaco, R. Lohani, “Design and implementation of microstrip patch antenna for 5G applications”, 5th International Conference on Communication and Electronics Systems (ICCES), Coimbatore, India, 10-12 June 2020, 682-685. https://doi.org/10.1109/ICCES48766.2020.9137921.
15. Y. Li, “A microstrip patch antenna for 5G mobile communications”, Journal of Physics: Conference Series, 2580, 012063, 2023. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2580/1/012063.
16. D. Mungur, S. Duraikannan, “Microstrip patch antenna at 28 GHz for 5G applications”, Journal of Science Technology Engineering and Management-Advanced Research & Innovation, 1(1), 20-22, 2018.
17. A. Kumar, S. Das, R. L. Yadava, “DGS and SRR based FSS microstrip antenna for 5G communication”, Proceedings of the 4th International Conference on Computational Intelligence & Communication Technology (CICT), Ghaziabad, India, 09-10 February 2018. https://doi.org/10.1109/CIACT.2018.8480366.
18. K. Güvenli, S. Yenikaya, M. Seçmen, B. Emin, “5G uygulamaları için bant-dışı baskılamalı bütünleşik M-YTED filtre-yama anten tasarımı ve üretimi”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(5), 602-609, 2024. https://doi.org/10.5505/pajes.2023.79438.
19. A. Khan, S. Bashir, S. Ghafoor, K. K. Qureshi, “Mutual coupling reduction using ground stub and EBG in a compact wideband MIMO-antenna”, IEEE Access, 9, 40972-40979, 2021. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3065441.
20. Q. C. Yang, C. B. Zhang, Q. B. Cai, T.H. Loh, G. Liu, “A MIMO antenna with high gain and enhanced isolation for WLAN applications”, Applied Sciences, 12(5), 2279, 2022. https://doi.org/10.3390/app12052279.
21. A. Ahmad, D. -Y. Choi, S. Ullah, “A compact two elements MIMO antenna for 5G communication”. Scientific Reports, 12(1), 3608, 2022. https://doi.org/10.1038/s41598-022-07579-5.
22. Z. Wani, P. M. Abegaonkar, K. S. Koul, “28-GHz antenna for 5G MIMO applications”, Progress in Electromagnetics Research Letters, 78, 73-79, 2018. https://doi.org/10.2528/PIERL18070303.
23. K. Cuneray, N. Akcam, T Okan, G. O. Arican, “28/38 GHz dual-band MIMO antenna with wideband and high gain properties for 5G applications. AEU-International Journal of Electronics and Communications, 162, 154553, 2023. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2023.154553.
24. M. S. Sharawi, S. K. Podilchak, M. T. Hussain, Y. M. M. Antar, “Dielectric resonator based MIMO antenna system enabling millimetre-wave mobile devices”, IET Microwave Antennas & Propagation, 11(2), 287–293, 2017. https://doi.org/10.1049/iet-map.2016.0457.
25. D. Tran-Huy, C. Do-Manh, H. Pham-Duy, N. Tran-Viet-Duc, H. Tran, D. Nguyen-Tien, N. Hussain, “Compact Four-Port MIMO Antenna Using Dual-Polarized Patch and Defected Ground Structure for IoT Devices”, Sensors 25(14), 4254, 2025. https://doi.org/10.3390/s25144254.
26. R. Sethumadhavi, B. Mishra, A. K. Singh, D. Yadav, S. Eduru, T.Y. Satheesha, “Dual and wideband mmWave 28/38 GHz quad port MIMO antenna for 5G and beyond applications”, Scientific Reports, 15(1), 44195, 2025. https://doi.org/10.1038/s41598-025-27924-8.
27. B. Rezaee, A. Abdi, S. Javadi, W. Bösch “Compact Four- Port Ku Band MIMO Antenna with Enhanced Isolation Using Modified DGS for Early-Phase 6G”, Electronics, 15(1), 94, 2026. https://doi.org/ 10.3390/electronics15010094.