4-Antenna array for MIMO operation in the 5G mobile device

• Autorzy: Baharuddin Merna , Dewiani Dewiani , Faishal Muhammad Daffa

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2025.04.05

Warianty tytułu

PL

4-antenowy układ do pracy MIMO w urządzeniu mobilnym 5G

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

As a very promising choice for wireless communication, multiple-input multiple-output (MIMO) technology has the potential to alleviate traffic capacity limitations in high-speed broadband wireless network access. The MIMO system uses multiple antennas at the sending and receiving ends to increase the performance and efficiency of wireless communication systems. This study presents a 4-antenna array for multi-input multi output (MIMO) functioning in smartphones running in the 2.3-GHz band (2160–2440 MHz). The antenna array is made up of a ground plane at the bottom of the FR-4 dielectric substrate and four patch antennas of a specific size placed in the top layer. Every antenna in the suggested array is coaxially fed, has a characteristic impedance of 50 ohms, and has the identical dimensions—13 x 9 mm2 (0.100λ × 0.069 λ), where λ is the wavelength at 2.3 GHz). To obtain the appropriate resonance frequency, four inverted L-strips are applied in the ground plane. The simulation results were produced using CST software. This antenna is built, and typically, experimental results such as the S-parameter and radiation pattern are reported, with good agreement between simulation and actual results. The manufactured four-antenna arrays have a 10 dB return loss in the long-term evolution (LTE) range of 2.16 GHz to 2.44 GHz. The simulated envelope correlation coefficient (ECC) was below 0.005.

PL

Jako bardzo obiecujący wybór w komunikacji bezprzewodowej, technologia MIMO (multiput input multiple-output) może potencjalnie złagodzić ograniczenia przepustowości ruchu w szybkich szerokopasmowych sieciach bezprzewodowych. System MIMO wykorzystuje wiele anten na końcach wysyłających i odbierających, aby zwiększyć wydajność i efektywność systemów komunikacji bezprzewodowej. W pracy przedstawiono układ 4-antenowy typu multi-input multi-output (MIMO) funkcjonujący w smartfonach pracujących w paśmie 2,3 GHz (2160–2440 MHz). Układ antenowy składa się z płaszczyzny uziemienia znajdującej się na spodzie podłoża dielektrycznego FR-4 oraz czterech anten krosowych o określonym rozmiarze umieszczonych w warstwie wierzchniej. Każda antena w sugerowanym układzie jest zasilana koncentrycznie, ma impedancję charakterystyczną 50 omów i identyczne wymiary — 13 x 9 mm2 (0,100 λ × 0,069 λ), gdzie λ to długość fali przy 2,3 GHz). Aby uzyskać odpowiednią częstotliwość rezonansową, w płaszczyźnie masy zastosowano cztery paski w kształcie odwróconej litery L. Wyniki symulacji uzyskano przy użyciu oprogramowania CST. Antena jest zbudowana i zazwyczaj podawane są wyniki eksperymentów, takie jak parametr S i charakterystyka promieniowania, z dobrą zgodnością między wynikami symulacji i rzeczywistymi. Wyprodukowane układy czterech anten charakteryzują się stratą odbicia na poziomie 10 dB w zakresie długoterminowej ewolucji (LTE) od 2,16 GHz do 2,44 GHz. Symulowany współczynnik korelacji obwiedni (ECC) był poniżej 0,005.

Słowa kluczowe

EN

5G; microstrip technology; Mobile antenna; multi-input multi-output; MIMO

PL

5G; technologia mikropaskowa; antena mobilna; wiele wejść; wiele wyjść; MIMO

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2025
• Tom: R. 101, nr 4
• Strony: 20--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Baharuddin Merna

• Department of Electrical Engineering, Universitas Hasanuddin, Jalan Malino Km.6, Romang Lompoa, Kec. Bontomarannu, Kabupaten Gowa, Sulawesi Selatan 92171, Indonesia

• https://orcid.org/0000-0002-1235-539X

autor

Dewiani Dewiani

• Department of Electrical Engineering, Universitas Hasanuddin

• https://orcid.org/0000-0002-3873-4996

autor

Faishal Muhammad Daffa

• Department of Electrical Engineering, Universitas Hasanuddin

• https://orcid.org/0009-0009-7795-5570

Bibliografia

• [1] N.T.M. Lan, "Evolution of Wireless Technology: From 1G to 5G," Asian Journal of Applied Science and Technology (AJAST), Vol
• [2] 7, Issue 4, pp. 68-73, October-December 2023, doi: 10.38177/ajast.2023.7408
• [3] Y. Rahayu, Y.B. Pradana, Y. Yamada, "Dual-band frequency reconfigurable 5G microstrip antenna", SINERGI, Vol. 27, No. 1, pp. 81- 88, Feb. 2023, doi: 10.22441/sinergi.2023.1.010
• [4] S. Didi, I.Halkhams, M. Fattah, Y. Balboul, S. Mazer, and M. El Bekkali, "Design of a 2×2 dual band 28/38 GHz MIMO antenna in millimeter band for 5G," Telkomnika, Vol. 22, no. 2, pp. 273~281, Apr. 2024, doi:10.12928/TELKOMNIKA.v22i2.25268
• [5] D. Khan, A. Ahmad, and DY. Choi, "Dual-band 5G MIMO antenna with enhanced coupling reduction using metamaterials," Sci Rep, No. 14, Article Number 96, Jan. 2024, doi:10.1038/s41598-023-50446-0
• [6] W.T. Sethi, S.H. Kiani, M.E. Munir, et al., "Pattern Diversity Based Four-Element Dual-band MIMO Patch Antenna for 5G mmWave Communication Networks," J Infrared Milli Terahz Waves, Vol. 45, pp. 521–537, May 2024, doi:10.1007/s10762-024-00983-0
• [7] Marasco, G. Niro, V.M. Mastronardi, et al., " A compact evolved antenna for 5G communications," Sci Rep, No. 12, Article number 10327, Jun 2022, doi:10.1038/s41598-022-14447-9
• [8] M.H. Sharaf, A.I. Zaki, R.K. Hamad, et. al., "A Novel Dual-Band (38/60 GHz) Patch Antenna for 5G Mobile Handsets," Sensors, Vol. 20, Issue 9, Apr 2020, doi:10.3390/s20092541
• [9] Y.G. Adhiyoga, T.N. Arifin, S. Ilman, et. al., " Highly Independent 5G Multiband Antenna using Circular Patch Structure," Buletin Pos dan Telekomunikasi, Vol. 21, No. 2, pp. 32-41, 2023, doi:10.17933/bpostel.v21i2.364
• [10] S. Kishore and A.R.A. Rajak, "Microstrip Patch Antenna with C Slot for 5G Communication at 30 GHz," Emerging Science Journal, Vol. 6, No. 6, pp. 1315-1327, Dec. 2022, doi:10.28991/ESJ-2022-06-06-06
• [11] M.E. Yassin, H.A. Mohamed, E.A.F. Abdallah, et. al., "Single-fed 4G/5G multiband 2.4/5.5/28 GHz antenna," IET Microw. Antennas Propag., Vol. 13, pp. 286-290, Feb 2019, doi:10.1049/iet-map.2018.5122.
• [12] H.V. Pallavi, A.P.J. Chandra, and Paramesha, "Design and Analysis of MIMO Patch Antenna for 5G Wireless Communication Systems," International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), Vol.14, No.4, Jul. 2022, doi:10.5121/ijcnc
• [13] M. Pant and L. Malviya, "Design, developments, and applications of 5G antennas: a review," International Journal of Microwave and Wireless Technologies, Vol. 15, pp. 156–182, Feb. 2022, doi:10.1017/S1759078722000095
• [14] S. Kumar, A. S. Dixit, R. R. Malekar, H. D. Raut and L. K. Shevada, "Fifth Generation Antennas: A Comprehensive Review of Design and Performance Enhancement Techniques," in IEEE Access, vol. 8, pp. 163568-163593, Sep. 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3020952
• [15] S. Patil, V. Patil, and M. Sharma, "A Review on 5G Antenna: Challenges and Parameter Enhancement Techniques," International Journal of Electrical and Electronics Research (IJEER), Vol. 12, Issue 2, pp. 545-556, May 2024, doi:10.37391/IJEER.120229.
• [16] J.G.D. Oliveira, J.A.G. D’Assunção, V.P.S. Neto, et. al., "New compact MIMO antenna for 5G, WiMAX and WLAN technologies with dual polarisation and element diversity," IET Microw. Antennas Propag., Vol. 15, Issue 4, pp. 415–426, Mar 2021, doi:10.1049/mia2.12057
• [17] F. Amillia, E. Setijadi, and G. Hendrantoro, "Subarray 4x4 for 5G MIMO Antenna with Elements that Implement Parasitic Techniques," Jurnal Nasional Teknik Elektro Dan Teknologi Informasi, Vol. 12, No.1, pp. 8-14, Feb. 2023, doi:10.22146/jnteti.v12i1.5310
• [18] T. Chu-Anh, P. Kim-Thi, H. Nguyen-Manh, e. al., "A conformal multi-port MIMO patch antenna for 5G wireless devices," PLoS One, Vol.18, Dec 2023, doi: 10.1371/journal.pone.0295358.
• [19] S. Singh, A. Kumar Singh, Karunesh, et. al., "A Novel MIMO Microstrip Patch Antenna for 5G Applications," International Conference on Computing, Communication, and Intelligent Systems (ICCCIS), 2021, pp. 828-833
• [20] Abdulkareem and M.J. Farhan, "A Novel MIMO Patch Antenna for 5G Applications," IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2020, Vol. 870
• [21] Ishteyaq and K. Muzaffar, "Multiple input multiple output (MIMO) and fifth generation (5G): an indispensable technology for sub-6 GHz and millimeter wave future generation mobile terminal applications," International Journal of Microwave and Wireless Technologies, Vol. 14, Issue 7, pp. 932-948, Sep. 2022, doi:10.1017/S1759078721001100
• [22] R. Kanisha, C. Rimmya, and M.G. Madhan, "A Review on Techniques for Improving MIMO Antenna Performance in Smart 5g Devices," Journal of Physics: Conference Series, 2023.
• [23] T. Raj, R. Mishra, P. Kumar, et. al. , "A. Advances in MIMO Antenna Design for 5G: A Comprehensive Review," Sensors, Vol.23, Jul. 2023, doi:10.3390/s23146329
• [24] P. Tiwari, V. Gahlaut, M. Kaushik, et. al., "Advancing 5G Connectivity: A Comprehensive Review of MIMO Antennas for 5G Applications," International Journal of Antennas and Propagation, Vol. 2023, Aug. 2023, doi:10.1155/2023/5906721.
• [25] Kirang, A. Hikmaturokhman, and K. Ni’amah, "5G NR Network Planning Analysis using 700 Mhz and 2.3 Ghz Frequency in The Jababeka Industrial Area," JITE (Journal Of Informatics And Telecommunication Engineering), Vol.6, No. 2, pp. 403-413, Jan 2023, doi:10.31289/jite.v6i2.8270
• [26] Y. Lee, D. Ga, and J. Choi, “Design of a MIMO antenna with improved isolation using MNG metamaterial,” Int. J. Antennas Propag., vol. 2012, Jul. 2012, doi: 10.1155/2012/864306.
• [27] R.G. Vaughan and J.B. Andersen, "Antenna diversity in mobile communications," IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 36, No. 4, pp. 149- 172, Nov. 1987, doi: 10.1109/T-VT.1987.24115.