A MIMO Antenna using SRR Structre

for Next Generation V2X

1st Duong Thi Thanh Tu 2nd Nguyen Thi Hai Yen 3rd Phan Huu Phuc
Fuculty of Telecommunication 1 Fuculty of Telecommunication 1 Fuculty of Telecommunication 1
Posts and Telecommunications Institue Posts and Telecommunications Institue Posts and Telecommunications Institue
of Technology of Technology of Technology
Ha Noi, Viet Nam Ha Noi, Viet Nam Ha Noi, Viet Nam
tudtt@ptit.edu.vn YenNTH.B19VT448@stu.ptit.edu.vn PhucPH.B21VT351@stu.ptit.edu.vn

Nguyen Van Hoa

Fuculty of Telecommunication 1
Posts and Telecommunications Institue
of Technology
Ha Noi, Viet Nam
HoaNV.B19VT147@stu.ptit.edu.vn

Abstract— Internet phương tiện (IoV) không chỉ là xu IEEE 802.11bd offers a potential gain in unicast
hướng mà còn là động lực chính cho sự chuyển đổi toàn diện transmissions of two times higher throughput while dual
trong ngành giao thông vận tải. Hệ thống này hoạt động trên resonant frequencies bring the efficiency in using operating
hai tiêu chuẩn chính là DSCRC và C-V2X tuy nhiên chuẩn C- band [5]. There are several MIMO antenna studies in which
V2X dựa trên 802.11bd 2022 hoạt động ở dải tần 5.9GHz và 60 their operating bands are suitable for V2X applications [6] -
GHz. Đây là một thách thức lớn đối với thiết kế vì khoảng cách [9] but their total size is not compact. In this paper, a MIMO
lớn giữa hai dải tần. In this paper, a dual MIMO antenna that antenna using split-ring resonators (SRR) to improve antenna
operates at two bands 5.9GHz and 60GHz for the next
performance is proposed for Next Generation V2X of IEEE
generation Vehicle to Everything (V2X) according to IEEE
802.11bd standard is proposed. The antenna uses a slotted
802.11bd. Based on a Rogers RO4003C substrate with a
circular patch to achieve resonance at 5.9GHz frequency, and a thickness of 1.524 mm, the MIMO antenna gets a compact
1x2 array structure with a T-junction splitter to resonate at the size of 26 mm × 47 mm.
60GHz band. Based on a Rogers RO4003C substrate with a
thickness of 1.524 mm, the total size of the MIMO antenna is 26
II. ANTENNA DESIGN
mm × 47 mm. Besides, the antenna uses the Split Ring The structure of the proposed MIMO antenna for NG-
Resonator (SRR) structure between elements to improve V2X is shown in Figure 1 in which a slotted circular antenna
antenna performance. is designed to achieve a 5.9GHz resonance frequency while a
1x2 array using a T - Junction splitter is designed to get
Keywords— MIMO, SRR, Next generation V2X, IEEE 60GHz one. Cả hai anten đều sử dụng vật liệu Rogers
802.11bd RO4003C với hằng số điện môi ε_r = 3,55, độ tổn hao δ =
I. INTRODUCTION 0,0027, chiều cao h = 1,524 mm. Anten sử dụng phương
pháp tiếp điện bằng đường truyền vi dải với các kích thước
Internet of Vehicles (IoV) không chỉ là xu hướng mà còn được tính toán trong trường hợp trở kháng đường truyền
là động lực trong sự phát triển của ngành giao thông vận tải. được chọn là 50Ω:
IoV là phiên bản nâng cai của mạng VANET, được thiết kế
cung cấp khả năng lái xe an toàn [1]. Với số lượng phương
tiện giao thông đang không ngừng gia tăng, điều này mang 120 π
Z 0=

[ )]
lại cả những cơ hội và thách thức cho sự phát triển của hệ
thống IoV. Các hệ thống IoV hoạt động dựa trên tiêu chuẩn
DSRC và C-V2X, tuy nhiên C-V2X trên chuẩn 802.11bd.
√ ε eff
W
h
2
+1.393+ ln
3
W
h (
+1.444
Giao tiếp tầm ngắn chuyên dụng (DSRC) và Cellular-V2X (1)
(C-V2X) trên cơ sở hệ thống di động LTE và 5G. Về cơ bản,

[ ]
1
DSRC sử dụng công nghệ lớp vật lý IEEE 802.11p, một bản ε r +1 ε r −1 h 2
sửa đổi của Wi-Fi để thích ứng với môi trường xe cộ và C- εe = + 1+12
ff
2 2 W
V2X được phát triển để mở rộng các hệ thống không dây di
động, tức là LTE, LTE-A và 5G [2]. (2)

Cùng với sự phát triển của công nghệ, chuẩn C-V2X hiện Trong đó, ε eff là hằng số điện môi hiệu dụng, W là chiều
tại đang hoạt động dựa trên chuẩn 802.11bd. Đây là tiêu rộng của đường tiếp điện vi dải.
chuẩn để liên lạc giữa phương tiện với mọi thứ (V2X) thế hệ
Bán kính của hai phần tử anten được tính toán bằng công
tiếp theo ở dải tần 5.9GHz và 60GHz [3]. Improvements of
thức sau:
Next Generation V2X (NGV), which is standardized in the

√
amendment IEEE 802.11bd of the Wireless LAN standard. λ c 2
There are several advanced features such as Multiple-Input R= =
Multiple-Output (MIMO) and two operation bands of 2 2 f min ⁡(max ) ε r +1
5.9GHz and 60GHz [4]. Support for MIMO technology in (3)

XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE

 Với c là tốc độ ánh sáng, 𝜀𝑟 là hằng số điện môi của chất là 3 mm và khoảng cách giữa các hình vuông là 0,3 mm. Các
nền Roger RO4003C (ε_r=3.55 ) , f_min=5.9 GHz, vòng SRR có lỗ cắt đối diện được khắc trên các cạnh của lớp
f_max=60 GHz là tần số cộng hưởng tại hai băng tần của điện môi và được làm bằng đồng có độ dày 0,035 với 10 cặp
truyền thông V2X. All detailed dimension sizes are shown in SRR được khắc.
Table 1.

TABLE I. DIMENSIONS OF THE ANTENNA

Parameters Value (mm) Parameters Value (mm)

Ws 26 Lf 5.97

Ls 47 R5.9 7.273
Fig. 2. Cấu trúc SIW được sử dụng
Wf 3.44 R60 2.485

Wff 3.33 Lsrr 3 Anten đề xuất khắc một SIW ở giữa hai phần tử anten với
Lff 3 k 0.3
độ dày xuyên từ mặt trên qua chất nền đến mặt đất. Sau khi
tối ưu hóa bằng phần mềm CST, SIW MIMO được thiết kế
W_slot 0.718 L_via 11 với s = 1,1 mm và d = 0,6 mm.
L_slot 4.287 R_via 0.3
III. SIMULATION RESULTS
Hình 3 cho thấy kết quả mô phỏng của hệ số S11 và S22
của anten tại hai cổng. Có thể thấy rằng anten MIMO có thể
hoạt động ở hai tần số là 5,9 GHz và 60 GHz với băng thông
rộng lần lượt là 140 MHz và dải rộng. Các băng tần này là
những băng tần phổ biến dành cho các thiết bị V2X IEEE
802.11bd.

(a) Tại 5.9 GHz

(b) Tại 60 GHz

Fig. 3. Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của anten đề xuất

Cấu trúc SRR hình vuông đối xứng cải thiện một số
thông số hiệu suất của anten MIMO. Từ hình 3.6, có thể thấy
ở hai tần số cộng hưởng, giá trị S11 giảm từ -23.84dB xuống
-28.01dB tại tần số 5,9 GHz và giá trị S22 giảm từ -16,44dB
xuống -24.79dB tại tần số 60 GHz tương ứng khi có và
(a) Top view (b) Bottom view
không có bộ cộng hưởng SRR. Kết quả phối hợp trở kháng ở
hai băng tần tuy không thực sự giảm sâu nhưng đạt băng
thông 150 MHz ở tần số 5,9 GHz và đặc biệt ở 60 GHz băng
thông đạt băng tần lớn hơn 4 GHz như hình 4b.
(c) SRR Structure
Fig. 1. Mimo antenna using SRR structure

SRR được thiết kế theo chiều ngang giữa hai anten ở phía
mặt đất như hình 1b. Số lượng cấu trúc SRR sử dụng được
mô tả trong hình 1c. Các bộ cộng hưởng từ được dùng là các
bộ cộng hưởng vòng chia hình vuông có chiều dài các cạnh
 (b) Tại 60 GHz
Fig. 5. 2D radiation of the MIMO antenna with and without SRR Structure

(a) At 5.9GHz Thứ ba, hiệu suất bức xạ của anten được cải thiện đáng kể
khi sử dụng cấu trúc SRR. Anten SRR – MIMO đạt hiệu suất
bức xạ lần lượtl à 64% và 48% ở tần số 5,9 GHz và 60 GHz
được thể hiện trong hình 6.

(b) At 60 GHz
Fig. 4. The S parameters of MIMO antenna with and without SRR
Structure

Thứ hai, bên cạnh việc cải thiện khả năng phối hợp trở (a) Tại 5,9 GHz
kháng ở tần số cộng hưởng, cấu trúc SRR còn cải thiện độ lợi
và hiệu suất bức xạ của anten. Giản đồ bức xạ 2D của anten
đề xuất trong mặt phẳng E (bên trái) và mặt phẳng H (bên
phải) được trình bày trên hình 5. Có thể thấy, anten SRR -
MIMO có mô hình bức xạ tương tự anten MIMO, nhưng
thay vào đó mức tăng đã được tăng thêm 0,739 dBi, 2,63 dBi
tương ứng với hai băng tần 5,9 GHz và 60 GHz.

(b) Tại 60 GHz

Fig. 6. Đồ thị bức xạ 3D của anten MIMO vơi cấu trúc SRR
(a) Tại 5,9 GHz
Finally, radiation efficiency is improved, too. The
comparison of radiation performance between MIMO
antenna with and without SRR structure is shown in Table 2.
It also can be seen that, in both operating bands, the gain
parameters and radiation efficiency are all improved.
Especially at the resonant frequency of 60 GHz, there is a
significant change with an improvement in efficiency of 10%
and an improvement in gain of 2.63 dB.
 TABLE II. THE ENHANCEMENT OF THE PROPOSED ANTENNA IV. MEASUREMENT RESULTS
PARAMETERS
The proposed MIMO antenna is fabricated on an
Gain (dBi) Radiation efficiency (%) RO4003C substrate as shown in Figure 4. The proposed
f antenna is tested in VNA ZNB 20 100kHz-20GHz for 5.9GH
(GHz) No No
SRR Enhanc SRR Enhance as shown in Figure 5. It is obvious that the circle antenna
SRR SRR
ement ment operates at 5.9GHz with the 150MHz bandwidth that can
5.9 3.66 4.399 5.9 59 64 5 apply to V2X applications. Besides, the mutual coupling
60 2.67 5.3 60 38 48 10 which is from the 1z2 array to the circle antenna is rather
low. It is nearly -30dB.

Sự thay đổi của phân bố điện trường tại từng băng tần mà
anten hoạt động được minh họa trong hình 7. Tại băng thấp
(5.9 GHz), phân bố dòng điện trên chất nền Rogers
RO4003C dòng điện tập trung tại cạnh trên anten và phía
trong rãnh slot của phần tử anten như hình 7a, điều đó thể
hiện thông số chiều rộng mặt phẳng bức xạ (R5.9) sẽ tác
động mạnh nhất lên tần số cộng hưởng của băng thấp. Hình
7b thể hiện phân bố dòng điện băng cao (60 GHz) tập trung
chủ yếu ở giữa hai anten ghép lên mảng và tán xạ ra xung
quanh phần tử anten này, việc điều chỉnh tần số cộng hưởng
của băng cao sẽ chủ yếu phụ thuộc vào bán kính vòng ngoài
và vòng trong của mặt bức xạ tại tần số này. Qua đó ta có thể
thấy được ý nghĩa của cấu trúc SRR đối với anten đề xuất
thiết kế là để dễ dàng điều chỉnh tần số cộng hưởng của các
băng tần mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau.

(a) Tại 5,9 GHz (b) Tại 60 GHz

Trong Bảng 3, anten MIMO – SRR đa băng đề xuất được
so sánh với các anten đa băng sử dụng cấu trúc SRR được
công bố gần đây. Ta có thể thấy rằng, đa số anten đều có kích (a) Top view (b) Bottom view
thước lớn hơn so với anten MIMO – SRR đề xuất với cùng Fig. 7. The S parameters of MIMO antenna with and without SRR
tần số thấp. Bên cạnh đó, các thông số để đánh giá hiệu năng Structure
của anten như độ lợi và hiệu suất bức xạ của MIMO – SRR
đều tốt so với các anten đa băng sử dụng cấu trúc SRR trước
đó. Xét về tổng thể, anten MIMO – SRR đề xuất có thể đáp
ứng được các yêu cầu mục tiêu mà đồ án nghiên cứu đặt ra
về kích thước, tần số cộng hưởng, số lượng băng tần, độ rộng
băng và hệ số khuếch đại.

TABLE III. COMPARISON OF THE PROPOSED ANTENNA AND RECENT

PUBLISH WORKS

Size Gain
Ref Sub F (GHz)  (%)
(mm2) (dBi)
[6] FR4 5.1–5.9 150 x 75 5.5 62-80
RT
[7] 3.1-6.2 60 x 60 7.6 66.7
5880 (a) Model conducts measurements
RT
[8] 5.15-5.925 150 x 75 5.3 60-80
5880
48.56 x
[9] FR4 59.15-60.65 21.59 68.05
21.82
This R0 5.9 4.3 64
26x47
work 4003 60 5.3 48
 10 -52

20 -68

30 -77

40 -79

50 -77

60 -83

70 -74

80 -82

90 -76

(b) S11 parameter 100 -91

Fig. 9. SNR của anten đề xuất tại 5,9 GHz khi trời mưa ẩm

(c) S12 parameter

TABLE VI. SNR ANTEN ĐỀ XUẤT TẠI TẦN SỐ 5,6GHZ KHI TRỜI ẨM
Fig. 8. Measurement S parameter on based on VNA equipment at 5.9 GHz ́
ƯƠT

The proposed antenna is tested in VNA ZNB 20 100kHz- Khoảng cách (m) SNR (dB)
20GHz for 5.9GH as shown in Figure 5. It is obvious that the 0 100
circle antenna operates at 5.9GHz with the 150MHz
10 100
bandwidth that can apply to V2X applications. Besides, the
mutual coupling which is from the 1z2 array to the circle 20 96
antenna is rather low. It is nearly -30dB.
30 88
TABLE IV. RSSI ANTEN DIPOLE TẠI TẦN SỐ 5,6GHZ KHI TRỜI ẨM 40 72
́
ƯƠT
50 70
Khoảng cách (m) RSSI (dBm)
60 74
0 -13
70 70
10 -48
80 61
20 -52
90 63
30 -60
100 62
40 -64

50 -67
TABLE VII. SNR ANTEN ĐỀ XUẤT TẠI TẦN SỐ 5,6GHZ KHI TRỜI ẨM
60 -62 ́
ƯƠT

70 -67 Khoảng cách (m) SNR (dB)

80 -69 0 100
90 -70 10 96
100 -71 20 70

30 60
TABLE V. RSSI ANTEN ĐỀ XUẤT TẠI TẦN SỐ 5,6GHZ KHI TRỜI ẨM 40 55
́
ƯƠT
50 58
Khoảng cách (m) RSSI (dBm)
60 48
0 -16
70 61
 80 47 [3] "IEEE Standard for Information Technology--Telecommunications
and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan
90 48 Area Networks--Specific Requirements Part 11: Wireless LAN
Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)
100 58 Specifications Amendment 5: Enhancements for Next Generation
V2X," in IEEE Std 802.11bd-2022 (Amendment to IEEE Std 802.11-
2020 as amended by IEEE Std 802.11ax-2021, IEEE Std 802.11ay-
2021, IEEE Std 802.11ba-2021, IEEE Std 802.11-2020/Cor 1-2022,
and IEEE Std 802.11az-2022) , vol., no., pp.1-144, 10 March 2023,
doi: 10.1109/IEEESTD.2023.10063942.
[4] CAR 2 CAR Communication Consortium, White Paper: “Next
Generation V2X – IEEE 802.11bd as fully backward compatible
evolution of IEEE 802.11p,”2023.

[5] K. G. Sujanth Narayan, James A. Baskaradas, “A conformal Dual-

Band CPW-MIMO Antenna for 5G-V2X Communication,” 27 Sep
2023.
[6] Omar Faruque, Md Saiful Islam, Md Sarwar Uddin Chowdhury,
A.K.M. Abdur Rahman Chowdhury, “A Four-element Triple-band
MIMO Antenna for 5G Smartphone Applications,” 2020 2nd
International Conference on Sustainable Technologies for Industry 4.0
(STI).
Fig. 10. SNR của anten đề xuất tại 5,9 GHz khi trời mưa ẩm [7] J. L. Z. K. L. C. BOTAO FENG, “A Dual-Wideband and High Gain
Magneto-Electric Dipole Antenna and Its 3D MIMO System with
Metasurface for 5G/WiMAX/WLAN/X-Band Applications,” IEEE
Có thể thấy rằng RSSI và SNR của anten đề xuất khá Access, vol. 6, pp. 33387-33398, June 2018.
tương đồng với anten Dipole ở khoảng cách gần và khoảng [8] G. M. S. J. P. Mahsa Zabetiakmal, “Design Side-edge Frame Dual-
cách trên 80m. Tuy nhiên nhìn chung RSSI và SNR của band 8 × 8 MIMO Antenna Array For 5G Mobile phone,” in IEEE
anten đề xuất còn khá thấp. Nguyên nhân điều này có thể tới 2nd 5G World Forum (5GWF), Dresden, Germany, 2019.
từ suy hao mối hàn và điều kiện đo do router Wifi chỉ có [9] Naik, Mohini N., Virani, Hasan Ali, “High Gain 16 Ports MIMO
kênh 5.825 GHz mà anten đề xuất không cộng hưởng tại tần Antenna at 60 GHz for Millimeter Wave Applications,” IEEE 2019
số này. (cô chỉnh giúp em chỗ này ạ) IEEE Indian Conference on Antennas and Propogation (InCAP).

V. CONCLUSION
A 2-element MIMO antenna with a dual band of 5.9 and
60 GHz for Next Generation V2X following IEEE 802.11bd
standard is presented in this study. Eight unit cells of SRR is
optimized to improve MIMO antenna such as gain and
radiation efficient. Designed on a Roger RO4003C (h =
1.524 mm, ε=3.55) substrate, the proposed antenna a
compact size of 26 x 47 that can suite for IEEE 802.11bd
equipment in wireless system.
VI. CONTACT PERSON
Dr. Duong Thi Thanh Tu (Posts and Telecommunications
Institute of Technology)
E-mail: tudtt@ptit.edu.vn
REFERENCES

[1] J. A. Fadhil and Q. I. Sarhan, "Internet of Vehicles (IoV): A Survey of

Challenges and Solutions," 2020 21st International Arab Conference
on Information Technology (ACIT), Giza, Egypt, 2020, pp. 1-10, doi:
10.1109/ACIT50332.2020.93000 95.
[2] J. -K. Bae, M. -C. Park, E. -J. Yang and D. -W. Seo, "Implementation
and Performance Evaluation for DSRC-Based Vehicular
Communication System," in IEEE Access, vol. 9, pp. 6878-6887,
2021, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3044358.