Synthesis and modelling of a planar patch antenna array for wireless device of information and measurement systems
DOI:
https://doi.org/10.31649/1681-7893-2026-51-1-347-357Keywords:
wireless device, information and measurement system, patch antenna, planar array antenna, computer simulation, ANSYS Student.Abstract
This paper presents the synthesis and modelling of a planar antenna array based on patch antennas for use in wireless information and measurement systems. Current trends in the development of microstrip patch antennas have been analyzed, their design variants examined, and approaches to miniaturisation and principles for forming antenna arrays for wireless information and measurement systems discussed. A single patch antenna element for an operating frequency of 2.4 GHz was synthesized and modeled. Requirements for the planar antenna array of wireless information and measurement systems are formulated, and key constraints related to the operating frequency range, efficiency, dimensions, and electromagnetic compatibility with other system components are identified. A variant of a compact planar antenna array is proposed, and a three-dimensional model of the patch element and its feeding structure has been developed. Numerical analysis was performed using ANSYS Student 2025. This paper presents the results of the design and modelling of an 8×8 patch antenna array with coaxial feeders, designed to operate at a frequency of 2.4 GHz. A high gain of 22.44 dBi was achieved, and a narrow-beam radiation pattern with minimal side lobes was formed, ensuring efficient signal transmission. Studies have shown an operating bandwidth of approximately 33 MHz and stable performance within this band. Proper impedance matching has been confirmed (reflection losses less than -10 dB), indicating high power transmission efficiency.
References
Saeed, M. A., & Nwajana, A. O. (2024). A review of beamforming microstrip patch antenna array for future 5G/6G networks. Frontiers in Mechanical Engineering, 9. https://doi.org/10.3389/fmech.2023.1288171
Sudhakar, K., Harshita, B., Indumathi, R., Infant Bena, B., Janani, B. C., & Meha, T. (2025). Design and Simulation of a 2x2 Microstrip Patch Antenna Array for a Wireless Communication System. In 2025 6th International Conference on Inventive Research in Computing Applications (ICIRCA), 25-27 June 2025, Coimbatore, India, pp. 253–257. IEEE. https://doi.org/10.1109/icirca65293.2025.11089900
L. Goshu, A., T. Gemeda, M., & A. Fante, K. (2022). Planar Microstrip Patch Antenna Arrays with Semi-elliptical Slotted Patch and ground Structure for 5G Broadband Communication Systems. Cogent Engineering, 9(1). https://doi.org/10.1080/23311916.2022.2069069
Semenov, A. O., Semenova, O. O., Pinaiev, B. O., Kulias, R. O., & Shpylovyi, O. O. (2022). Flexible two-band lte antenna for radio-frequency access technologies for wearable devices of wireless info-communication and sensor networks. Scientific Notes of Taurida National V.I. Vernadsky University. Series: Technical Sciences, (4), 32–38. https://doi.org/10.32838/2663-5941/2022.4/07
Yeo, J., & Lee, J.-I. (2023). Gain Enhancement of Microstrip Patch Array Antennas Using Two Metallic Plates for 24 GHz Radar Applications. Electronics, 12(7), 1512. https://doi.org/10.3390/electronics12071512
LAI, Q., & PAN, Y. (2022). A Wideband Self‐Decoupled Microstrip Patch Antenna Array Using Characteristic Modes of Ground Plane. Chinese Journal of Electronics, 31(6), 1161–1172. https://doi.org/10.1049/cje.2022.00.249
Tiwari, R., Sharma, R., & Dubey, R. (2023). 2X2 & 4X4 dumbbell shape microstrip patch antenna array design for 5G Wi-Fi communication application. Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.03.348
Asaduddin, M., Seif Shah, S., & Asim Siddiqui, M. (2023). Design of Microstrip Patch Antenna Array. International Journal of Wireless and Microwave Technologies, 13(3), 39–48. https://doi.org/10.5815/ijwmt.2023.03.04
Semenov, A., Semenova, O., Pinaiev, B., Kulias, R., & Shpylovyi, O. (2022). Development of a flexible antenna-wristband for wearable wrist-worn infocommunication devices of the LTE standard. Technology Audit and Production Reserves, 3(1(65)), 20–26. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2022.261718
Byford, J. A., Park, K. Y., Chahal, P., & Rothwell, E. J. (2015). Frequency reconfigurable patch antenna array. Electronics Letters, 51(21), 1628–1630. https://doi.org/10.1049/el.2015.1771
Nguyen, T., & Karacolak, T. (2019). Planar patch antenna system with high isolation for full‐duplex applications. Electronics Letters, 55(25), 1326–1329. https://doi.org/10.1049/el.2019.3059
Sadeghi‐Marasht, S., Rahimi, M. R., Sharawi, M. S., & Zhu, A. (2022). A single‐layer circularly polarized planar lens antenna at millimetre‐wave. IET Microwaves, Antennas &Propagation, 16(10), 668–678. https://doi.org/10.1049/mia2.12281
Balanis, C. A. (2016). Antenna theory: Analysis and design (4th ed.). John Wiley & Sons. 1095 p.
Basics of Antenna Arrays. URL: https://innovationspace.ansys.com/product/basics-of-antenna-arrays/
Designing a Microstrip Patch Antenna and 2D Array in Ansys HFSS Software. URL: https://www.ansys.com/academic/educators/education-resources/design-and-simulation-of-microstrip-patch-antenna-and-2d-array-in-ansys-hfss
Downloads
-
PDF (Українська)
Downloads: 0
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
