Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2026, № 5 · ELECTRODYNAMICS

Wideband microstrip antenna based on a rectangular radiator with a U-shaped slot

N.A. Gilev1, D.A. Myasnikov1, Y.N. Parshin1, O.I. Biryukov1

1 Scientific and Production Association «Almaz» named after Academician A.A. Raspletin, Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2026.5.13 UDC 621.396.67 EDN IOCUPE

Abstract

The article presents the development and study of a single wideband microstrip antenna for the X-band. The aim of the work is to create a printed radiating structure that provides a wide operating frequency band while maintaining acceptable radiation characteristics. To achieve this goal, the baseline topology of a rectangular patch was modified by introducing a U-shaped slot and a truncated ground plane, and the geometric dimensions were normalized to the central value of the wavelength. The analysis of electrodynamic characteristics was performed using three-dimensional electromagnetic simulation, parametric optimization, and equivalent circuits. The ultimate matching capabilities were evaluated using the Bode-Fano integral criterion. Simulation results demonstrate that the proposed configuration allows extending the fractional operating bandwidth by a factor of 4.7 compared to the baseline rectangular radiator (from 8.7 % to 41.0 % at a voltage standing wave ratio level of ≤ 1.7). The absolute operating band of the modified antenna at the specified level was 7.94-12.02 GHz. It is shown that the proposed structure possesses a 1.8 times larger integral matching resource and effectively redistributes it within the operating frequency band, realizing 62 % of the available potential versus 27 % for the prototype. To suppress parasitic mode components and prevent the degradation of the radiation pattern at the upper frequencies of the band, two metallized vias were introduced into the design. This solution made it possible to keep the direction of maximum radiation close to the normal and ensure a gain within the range of 2.74-6.33 dB with predominantly linear polarization. The developed topology can be considered a convenient baseline configuration for designing similar structures in other frequency bands.

  • microstrip antenna
  • rectangular radiator
  • U-shaped slot
  • wideband antenna
  • Multilayer substrate
  • metallized vias
  • Bode-Fano criterion
Аннотация (на русском)

Широкополосная микрополосковая антенна на основе прямоугольного излучателя с П-образной щелью

В статье рассматривается разработка и исследование одиночной широкополосной микрополосковой антенны X-диапазона. Цель работы заключается в создании печатной излучающей структуры, обеспечивающей широкую полосу рабочих частот при сохранении приемлемых характеристик излучения. Для достижения поставленной цели базовая топология прямоугольного патча была модифицирована путем введения П-образной щели и усеченного экрана, а геометрические размеры нормированы к центральному значению длины волны. Анализ электродинамических характеристик выполнялся с применением методов трехмерного моделирования, параметрической оптимизации и эквивалентных схем. Оценка предельных возможностей согласования проводилась с привлечением интегрального критерия Боде-Фано. Результаты моделирования демонстрируют, что предложенная конфигурация позволяет расширить относительную рабочую полосу частот в 4,7 раза по сравнению с базовым прямоугольным излучателем (с 8,7 % до 41,0 % по уровню коэффициента стоячей волны по напряжению не более 1,7). Абсолютная рабочая полоса модифицированной антенны по указанному уровню составила 7,94-12,02 ГГц. Показано, что предложенная структура обладает в 1,8 раза большим интегральным ресурсом согласования и эффективно перераспределяет его внутри рабочей полосы частот, реализуя 62 % доступного потенциала против 27 % у прототипа. Для подавления паразитных модовых составляющих и предотвращения деградации диаграммы направленности на верхних частотах диапазона в конструкцию введены два металлизированных сквозных отверстия. Такое решение позволило сохранить направление максимума излучения близким к нормали и обеспечить коэффициент усиления в пределах 2,74-6,33 дБ при преимущественно линейной поляризации. Разработанная и оптимизированная топология с нормированными размерами может рассматриваться как удобная базовая конфигурация для последующего проектирования аналогичных излучающих структур в других частотных диапазонах.

For citation

Gilev N.A., Myasnikov D.A., Parshin Y.N., Biryukov O.I. Wideband microstrip antenna based on a rectangular radiator with a U-shaped slot // Journal of Radio Electronics. – 2026. – No. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.5.13

References

  1. Huynh T., Lee K. F. Single-layer single-patch wideband microstrip antenna // Electronics Letters. - 1995. - Vol. 31. - №. 16. - P. 1310-1312. https://doi.org/10.1049/el:19950950
  2. Tong K. F., Luk K. M., Lee K. F., Lee R. Q. A broad-band U-slot rectangular patch antenna on a microwave substrate // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2000. - Vol. 48. - №. 6. - P. 954-960. https://doi.org/10.1109/8.865229
  3. Weigand S., Huff G. H., Pan K. H., Bernhard J. T. Analysis and design of broad-band single-layer rectangular U-slot microstrip patch antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2003. - Vol. 51. - №. 3. - P. 457-468. https://doi.org/10.1109/TAP.2003.809836
  4. Lee K. F., Yang S. L. S., Kishk A. A., Luk K. M. The versatile U-slot patch antenna // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 2010. - Vol. 52. - №. 1. - P. 71-88. https://doi.org/10.1109/MAP.2010.5466402
  5. Коаксиально-микрополосковый переход ПКГм-50-001-01-3,30-19-В [Электронный ресурс] // Каталог ИРЗ: [сайт]. URL: https://irzirk.ru/catalog/element/perekhod_pkgm_50_001_01_3_30_19_v_fimd_430421_003tu/(дата обращения: 05.04.2026).
  6. Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. - 4th ed. - John Wiley & Sons, 2016. - 1104 p.
  7. Sharma M., Singh V. K. Wideband Designs of Offset U-slot and Dual U-slot cut Rectangular Microstrip Antennas // 2021 4th Biennial International Conference on Nascent Technologies in Engineering (ICNTE). - IEEE, 2021. - P. 1-6. https://doi.org/10.1109/ICNTE51185.2021.9487584
  8. Lin X. et al. Wideband Patch Antenna with Shorting Vias // International Journal of Antennas and Propagation. - 2022. - Vol. 2022. - P. 1-8. https://doi.org/10.1155/2022/4609462
  9. RO4000 Series High Frequency Circuit Materials [Electronic resource] // Rogers Corporation: [сайт]. URL: https://www.rogerscorp.com/advanced-electronics-solutions/ro4000-series-laminates (дата обращения: 05.04.2026).
  10. Pozar D. M. Microwave engineering. - 4th ed. - John Wiley & Sons, 2011. - 732 p.