Gain enhancement and sidelobe level reduction of rectangular microstrip patch antenna under operation of high-order modes

Abstract

Emerging technologies are revolutionizing the market with advanced devices and increased data transmission power, thereby enhancing wireless connectivity performance. Furthermore, microstrip patch antennas (MPAs) are lightweight, compact, and can be easily integrated into flat surfaces, making them ideal for mobile devices and embedded communication systems, providing higher gain and directivities on higher-order modes. But, this operation involving higher sidelobe levels that it is problematic issue. In order to mitigate these problem, we propose two easy and simplest techniques: using slots and stubs method and permittivity analysis. Moreover, our study proposes an MPA operating in the TM50-like mode to achieve higher gain and lower sidelobe levels. Our methodology involves altering the surface current distribution of the resonator by introducing three sets of transverse slots at points of null electric field. We fabricated and characterized an antenna prototype resonating at 7.6 GHz in the C-band. The results demonstrate an increased realized gain of 15.0 dBi and reduced sidelobe levels to approximately 15 dB. Additionally, we present another technique focusing on permittivity analysis aimed at reducing sidelobe levels by adjusting the permittivity for a microstrip patch antenna operating in the TM30-mode. The findings reveal a significant reduction in sidelobe levels to -33 dB, while maintaining a constant directivity of 10 dBi—a standard value. Minor decreases were noted in both the effective area and aperture efficiency. Furthermore, we reduce the physical and effective size of the antenna in a conventional MPA project operating at 7.3 GHz. This is done to compare the performance of two evaluation methods: slots and stubs versus permittivity analysis. The gain-over-area metrics have demonstrated that the permittivity analysis yields significantly better results, showing a difference of 7 units (inverse wavelength in free-space squared) compared to the slots and stubs method (reduced SLL ~ 13.3 dB) method and permittivity analysis (reduced SLL ~ 12.7dB) both equivalently efficient.

As tecnologias emergentes estão revolucionando o mercado com dispositivos avançados e aumento da potência de transmissão de dados, melhorando assim o desempenho da conectividade sem fio. Além disso, as antenas de microfita (MPAs) são leves, compactas e podem ser facilmente integradas em superfícies planas, tornando-as ideais para dispositivos móveis e sistemas de comunicação embutidos, proporcionando maior ganho e diretividade em modos de ordem superior. No entanto, essa operação envolve níveis mais altos de lóbulos laterais, o que é um problema. Para mitigar esse problema, propomos duas técnicas fáceis e simples: o método de uso de fendas e stubs e a análise de permissividade. Além disso, nosso estudo propõe uma MPA operando no modo semelhante ao TM50 para alcançar maior ganho e níveis mais baixos de lóbulos laterais. Nossa metodologia envolve alterar a distribuição de corrente de superfície do ressonador, introduzindo três conjuntos de fendas transversais em pontos de campo elétrico nulo. Fabricamos e caracterizamos um protótipo de antena ressonando a 7,6 GHz na banda C. Os resultados demonstram um ganho realizado aumentado de 15,0 dBi e redução dos níveis de lóbulos laterais para aproximadamente 15 dB. Além disso, apresentamos outra técnica focada na análise de permissividade destinada a reduzir os níveis de lóbulos laterais, ajustando a permissividade para uma antena de microfita operando no modo TM30. Os resultados revelam uma redução significativa nos níveis de lóbulos laterais para -33 dB, mantendo uma diretividade constante de 10 dBi—um valor padrão. Foram observadas pequenas reduções tanto na área efetiva quanto na eficiência de abertura. Além disso, reduzimos o tamanho físico e efetivo da antena em um projeto convencional de MPA operando a 7,3 GHz. Isso foi feito para comparar o desempenho de dois métodos de avaliação: fendas e stubs versus análise de permissividade. As métricas de ganho por área demonstraram que a análise de permissividade apresenta resultados significativamente melhores, mostrando uma diferença de 7 unidades (inverso do comprimento de onda ao quadrado no espaço livre) em comparação com o método de fendas e stubs (SLL reduzido ~ 13,3 dB) e a análise de permissividade (SLL reduzido ~ 12,7 dB) ambos igualmente eficientes.