PENINGKATAN GAIN ANTENA MIKROSTRIP LINGKARAN MENGGUNAKAN
PARASITIC RADIATOR
Toto Supriyanto
*1dan Teguh Firmansyah
*21. Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro. Politeknik Negeri Jakarta. Depok. 2. Jurusan Teknik Elektro. Fakultas Teknik. Universitas Sultan Ageng Tirtayasa. Cilegon.
*E-mail: totosupr@yahoo.com
Abstrak
Pada makalah ini akan dijelaskan penelitian mengenai peningkatan gain antena mikrostrip lingkaran. Antena ini
beroperasi pada frekuensi 2,35 GHz yang merupakan alokasi untuk aplikasi Long Term Evolution (LTE) yang memiliki
bandwidth 54 MHz pada return loss (S11) = -14 dB atau saat VSWR < 1,5 dB. Nilai gain, return loss, dan karakteristik
radiasi antena ini akan dibandingkan dengan antena mikrostrip lingkaran konvensional. Total peningkatan gain yang
diperoleh sebesar 2 dB, dengan penempatan front-end parasitik subtrat. Jarak antara patch dengan front-parasitik (H1)
dioptimasi untuk memaksimalkan kopling elektromagnetik dan lobe utama antena. Penelitian ini juga mengusulkan
penambahan end-parasitik, jarak antara ground dan end-parasitik (H2) dioptimasi untuk meminimalkan back lobe
antena. Desain antena ini sangat potensial dipergunakan untuk berbagai aplikasi.
Kata Kuci : Back lobe, Gain enhancement, LTE, Main lobe, Parasitic Substrate.
Gain Enhancement icrostrip Antenna Using Parasitic Radiator. The design of an enhanced gain compact circular microstrip antenna has been presented in this paper. This antenna is designed to operate at 2,35 GHz for Long Term Evolution (LTE) application with bandwidth 54 MHz at return loss (S11) = -14 dB or VSWR < -1,5 . The gain, return loss, and radiation characteristics of the proposed microstrip antenna are compared with the conventional circular antenna. A total gain enhancement 2 dB is achieved by front-end parasitic element. The spacing between the driven patch and front-parasitic element (H1) is optimized to maximize electromagnetic coupling and main lobe antenna. This paper also propose end-parasitic, the spacing between the ground and end-parasitik element (H2) to minimize back lobe antenna. The designed antenna makes it a potential antenna for various applications.
Keywords: Back lobe, Gain enhancement, LTE, Main lobe, Parasitic Substrate.
1.
Pendahuluan
Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan, diantaranya mempunyai bentuk yang kompak, dimensi kecil dan mudah untuk difabrikasi. Selain itu, antena mikrostrip pun memiliki bentuk yang beragam, diantaranya persegi, persegi panjang, elips, segitiga, dan lingkaran. Namun, antena mikrostrip juga memiliki
kekurangan diantaranya yaitu gain rendah, bandwidth
rendah, dan efisiensi yang rendah [1].
Sebuah antena yang memiliki gain tinggi diperlukan
untuk memenuhi permintaan yang tinggi terhadap
layanan komunikasi nirkabel, sehingga coverage layanan
semakin luas. Namun, pada antena mikrostrip, nilai gain
justru yang menjadi salah satu kelemahannya. Gain
didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika
daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic
[2].
Salah satu metode untuk meningkatkan gain antena
mikrostrip yang telah dikenal secara luas diantaranya
metode antena susun (array), seperti yang dilakukan oleh
Yang, R. Y [3]. Pada metode ini diusulkan perancangan beberapa antena yang sama untuk kemudian dihubungkan
dengan pencatu tunggal, sehingga nilai gain meningkat.
Namun metode ini memiliki kelemahan diantaranya yaitu memiliki bentuk yang luas, dan terdapatnya gelombang permukaan yang dapat menurunkan efisiensi. Gelombang permukaan ini dapat ditekan dengan menggunakan
Defected Ground Structure (DGS), seperti yang diusulkan F. Sheta, J [4] yaitu dengan menghilangkan
sebagian bidang ground.
Metode yang lain seperti yang diusulkan Deng, P.-H [5], perancangan menggunakan dielektrik resonator antena untuk dapat menghasilkan antena yang memiliki
gain yang tinggi. Namun antena ini masih memiliki
dimensi yang besar.
Sementara itu, pada Capstick, M. H [6] mengusulkan untuk dipergunakan parasitik radiator yang berbentuk
ring persegi panjang dengan patch berbentuk persegi
panjang untuk menghasilkan gain sebedar 7,5 dBi.
antena yang memiliki bentuk lingkaran dengan radiator
berupa ring, sehingga dihasilkan gain antena sebesar 6
dBi. Berbeda dengan penelitian sebelumnya, pada antena
ini diusulkan perancangan menggunakan front-end
parasitik substrat, seperti yang terlihat pada Gambar 1a. dan Gambar 1b.
Gambar 1a. Struktur antena terlihat dari atas (proposed); b. Struktur antena terlihat dari bawah (proposed); c. Struktur antena lingkaran konvensional
Geometri antena yang dipergunakan berbentuk
lingkaran dengan front parasitik radiatornya berbentuk
lingkaran pula, sehingga gain yang dihasilkan lebih besar.
Pada penelitian ini juga diusulkan perancangan
menggunakan end parasitik yang berfungsi menurunkan
back-lobe yang berakibat pada peningkatan gain antena. Selanjutnya akan dibandingkan hasil antara antena lingkaran konvesional seperti Gambar 1c, antena
lingkaran hanya dengan front-parasitik, antena lingkaran
hanya dengan end-parasitik, dan antena yang
menggunakan front-end parasitik seperti Gambar 1a dan
Gambar 1b. Perancangan antena ini menggunakan perangkat lunak CST.
2. Metode Penelitian
Salah satu keunggulan dari antena berbentuk lingkaran diantarannya adalah desain yang sederhana.
Persamaan patch jari-jari antena lingkaran mengikuti
persamaan (1) yang diberikan oleh.
dimana nilai F memenuhi persamaan ;
Pada persamaan (1) nilai h harus dalam satuan cm,
sementara pada persamaan (2) nilai f harus dalam satuan
Hz. Desain antena tersebut memiliki fundamental
frekuensi yang bekerja pada dominan mode TM110. Nilai
resonannya diberikan oleh persamaan (3).
Dimana nilai c merupakan kecepatan cahaya sebesar
3.108 m/s. Desain antena ini merupakan desain antena
lingkaran yang konvensional seperti pada Gambar 1c. Pada penelitian ini, antena yang dirancang memiliki
frekuensi kerja sebesar 2,3 GHz untuk aplikasi Long
Term Evolution (LTE). Sementara itu, struktur antena yang diusulkan terlihat pada Gambar 1a dan Gambar 1b, dengan nilai dimensi dan karakteristik subtrat terlihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Dimensi dan Karakteristik Substrat Antena
Spesifikasi Ukuran Keterangan
Luasan yang lebih ini diharapkan mendapatkan gain
yang lebih besar. Sementara itu, proses karakterisasi
dilakukan dengan mengubah nilai H1 dan H2.
3. Hasil dan Pembahasan
Seperti yang dijelaskan pada Bab 1, pada jurnal ini akan dijelaskan empat buah desain antena. Diantaranya antena lingkaran konvesional seperti Gambar 1c, antena
lingkaran hanya dengan front-parasitik, antena lingkaran
hanya dengan end-parasitik, dan antena yang
menggunakan front-end parasitik seperti Gambar 1a dan
Gambar 1b.
Gambar 2 menunjukkan nilai return loss (S11) untuk
Gambar 2. Nilai S11 dan bandwith antena lingkaran konvensional
Pada Gambar 2, nilai bandwidth antena saat
S11 < -14 hanya mencapai 29,6 MHz. Sementara itu, pada
Gambar 3 menunjukkan hasil far-field antena lingkaran
konvensional.
Gambar 3. Nilai far-field antena lingkaran konvensional
Hasil far-field ini menunjukkan nilai gain antena
sebesar 6,2 dBi dengan angular width 88,8° dan back
lobe sebesar -12,8 dBi.
Perancangan selanjutnya yaitu dengan menambahkan
front-parasitik dimana dilakukan karakterisasi perubahan
gain antena terhadap perubahan tinggi H1. Hasil gain
antena terhadap perubahan H1 terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Nilai gain antena lingkaran dengan front-parasitik terhadap perubahan H1
Nilai gain yang paling besar diperoleh saat H1
bernilai 10 mm dengan gain sebesar 7,9 dBi. Hal ini
membuktikan dengan penambahan front-parasitik dapat
meningkatkan gain sebesar 1,7 dB dari 6,2 dBi menjadi
7,9 dBi.
Sementara itu, proses selanjutnya simulasi dengan
menambahkan end-parasitik dimana dilakukan
karakterisasi perubahan gain antena terhadap perubahan
tinggi H2. Hasil gain antena terhadap perubahan H2
terlihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Nilai gain antena lingkaran dengan end-parasitik terhadap perubahan H2
Selain itu dilakukan juga simulasi perubahan tinggi
H2 terhadap perubahan nilai back-lobe, seperti pada
Gambar 6.
Gambar 6. Nilai back-lobe antena lingkaran dengan end-parasitik terhadap perubahan H2
Pada Gambar 6 diperlihatkan bahwa, dengan
menambahkan back-parasitik dihasilkan peningkatan
gain sebesar 0,32 dB dari 6,2 dBi menjadi 6,5 dBi saat H2
sebesar 4 mm. Sementara itu pada Gambar 6
memperlihatkan juga nilai back-lobe antena end-parasitik
terhadap perubahan H2. Nilai back-lobe ini mengalami
penurunan sebesar 11, 72 dB, dari -12,18 dBi menjadi -24
dBi saat H2 bernilai 5 mm. Hal ini membuktikan, dengan
menambahkan end-parasitik dapat meningkatkan gain
sekaligus menurunkan nilai back-lobe antenna.
Perancangan selajutnya yaitu dengan menambahkan
front-end parasitik yang merupakan usulan dari makalah
ini. Hasil simulasi gain terhadap perubahan H1 dan H2
terlihat pada Gambar 7.
Nilai gain yang paling besar diperoleh saat H1
bernilai 14 dan H2 bernilai 4 mm dengan gain sebesar 8,2
dBi. Hal ini membuktikan dengan penambahan front-end
parasitik dapat meningkatkan gain sebesar 2 dB dari 6,2
Gambar 7. Nilai gain antena front-end parasitik terhadap perubahan H1 dan H2
Sementara itu, Gambar 8 memperlihatkan hasil
simulasi return loss (S11) pada antena dengan
penambahan front-end parasitik.
Gambar 8. Nilai S11 dan bandwith antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik
Pada Gambar 8, nilai bandwidth antena saat S11 < -14
hanya mencapai 54,7 MHz. Sementara itu, pada Gambar
9 menunjukkan hasil far-field antena lingkaran
penambahan front-end parasitik.
Gambar 9. Nilai far-field antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa antena dengan
penambahan front-end parasitik dapat meningkatkan gain
sampai 2 dB.
Tabel 2. menunjukkan perbandingan kinerja antena lingkaran konvensional dengan antena lingkaran dengan
penambahan front-end parasitik.
Tabel 2. Perbandingan Kinerja
Hasil perbandingan memperlihatkan bahwa antena
lingkaran dengan penambahan front-end parasitik dapat
menghasilkan gain yang lebih tinggi dan memberikan
nilai bandwidth yang lebih besar
4. Kesimpulan
Total peningkatan gain yang diperoleh sebesar 2 dB
dengan penempatan front-end parasitik subtrat. Jarak
antara patch dengan front-parasitik (H1) dioptimasi untuk
memaksimalkan kopling elektromagnetik dan lobe utama
antenna. Pada penelitian ini juga diusulkan penambahan
end parasitik, jarak antara ground dan end-parasitik (H2)
dioptimasi untuk meminimalkan back lobe antena. Nilai
gain yang paling besar diperoleh saat H1 bernilai 14 dan
H2 bernilai 4 mm dengan gain sebesar 8,2 dBi. Hal ini
membuktikan dengan penambahan front-end parasitik
dapat meningkatkan gain sebesar 2 dB dari 6,2 dBi
menjadi 8,2 dBi.
Daftar Acuan
[1] Y. Toutain (2007), “Design and implementation of a
compact microstrip Tx/Rx diplexer for UMTS equipments,” in Proc. Int. MIKON’02 Conf, pp.
stepped-impedance resonators," Progress In
Electromagnetics Research, Vol. 107.
[4] F. Sheta, J. (2006), “Miniature microstrip stepped
[5] Deng, P.-H., (2006) “Compact microstrip diplexers based on a dual-passband filter," Asia-Pacific Microwave Conference” 1228-1232.
[6] Capstick, M. H. “Microstrip lowpass-bandpass
diplexer topology,” Electron. Lett., vol 35, no. 22, pp 1958-1960, Oct 1999
[7] J.SHong dan M. J. Lancaster, “Microstrip Filters for
RF/Microwave Applications”. John Wiley & Sons, Inc. 2001.
[8] Anurag Bhargava dan Staf of TCE. “Advanced
Design System Circuit Design Cookbook 1.0”
Agilent Technologies. Preliminary version.
[9] Pozar, David M. “Microwave and RF Design of
Wireless System”. John Wiley & Sons. 2000
