Design of fractal based monopole antenna array with ultra-mutual coupling reduction for MIMO applications

Abstract

Bu tezde, MIMO uygulamaları için, üçüncü dereceden bir Hilbert Şeklinde Reddetme Bandı (HSRB) fraktalını esas alan bir menderes çizgisi monopol anten dizisi tasarımı önerilmiştir. Anten dizisi [32], Wi-Fi uygulamalarına uyması için 2.45GHz'de çeyrek dalga boyu (λ / 4) bir mikro-şerit hat transformatörü ile beslenen iki tek kutuplu anten anteninden yapılmıştır. Anten yapısı, 1 mm kalınlığında bir FR4 substratı üzerine basılmıştır. Zemin düzlemi, önerilen HSRB yapısı ile substratın arka profiline monte edilmiş olarak tespit edilir. HSRB yapısının sınırlı bir alanda önerilen anten elemanları arasındaki karşılıklı eşleşmeyi azaltmak için önerilmiştir [32]. Dahası, antenin uzak bölgesindeki radyasyon çeşitliliğini arttırmak için, mender hattının yönü zıt bir yöne doğru eğridir. Bu nedenle, karşılıklı birleşme, yüzey dalgası etkileri nedeniyle maksimum korelasyon faktörü, 1. radyasyon çeşitlilik katsayısı 1 olan 2.45GHz'de yaklaşık 0.02 olarak bulunur. Önerilen anten tasarımı, mükemmel eşleşme bant genişliği, S11 <-10dB, yaklaşık 2.45 GHz. Önerilen anten radyasyon şablonunun, 2dBi kazanç ile merkezden uzakta sekans tarafına doğru yönlendirildiği bulunmuştur. S12 tarafından verilen, anten elemanları arasında, 2.45GHz'de 0.16 oO uzaklıktaki azami karşılıklı eşleşme -30dB'de bulunur. Anten performansını değerlendirmek için CST Mikrodalga Stüdyosu (CSTMWS) ve Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) tabanlı Sonlu İntegral Tekniği (FIT) anten performansını değerlendirmek için çağrılır. Son olarak, imal edilen anten dizisinden ölçülen sonuçlar, simülasyonlarla çok iyi anlaşılmıştır.

In this thesis, a design of meander line monopole antenna array based on a Hilbert-Shaped Reject Band (HSRB) fractal of the third order is proposed for MIMO applications. The antenna array [32] is constructed from two monopole antennas of meander lines that are fed with a quarter wavelength (λ/4) micro-strip line transformer at 2.45GHz to suit the Wi-Fi applications. The antenna structure is printed on an FR4 substrate of 1mm thickness. The ground plane is defected with the proposed HSRB structure as mounted on the back profile of the substrate. The HSRB structure is proposed to reduce the mutual coupling between the proposed antenna elements within a limited area [32]. Moreover, the direction of the mender line is curved toward an opposite direction to increase the radiation diversity at the antenna far-field. Therefore, the maximum correlation factor due to the mutual coupling, surface wave effects, is found about 0.02 at 2.45GHz with a radiation diversity coefficient of 1. The proposed antenna design is fabricated to achieve excellent matching bandwidth, S11<-10dB, around 2.45GHz. The proposed antenna radiation pattern is found to be directed toward the array side away from the center with a gain of 2dBi. The maximum mutual coupling, given by S12, between the antenna elements within a distance of 0.16λo at 2.45GHz is found bellow -30dB. Finite Integral Technique (FIT) of CST Microwave Studio (CSTMWS) and Finite Element Method (FEM) based HFSS simulations are invoked to evaluate the antenna performance. Finally, the measured results from the fabricated antenna array are agreed very well with simulations.