Daftar Isi
Kata Pengantar
3
Komite
5
Sponsor
7
Exhibitor
8
Keynote Speaker
9
Peta Lokasi
12
Susunan Acara
14
Indeks Makalah
20
ANT (Antena)
26
ANT-1
27
ANT-2
31
ANT-3
35
ANT-4
38
ANT-5
42
ANT-6 (Tidak Presentasi)
46
ANT-7
50
ANT-8
54
ANT-9
57
ANT-10
61
ANT-11
65
ANT-12
69
ANT-13
73
ANT-14
77
ANT-15
81
ANT-16
84
ANT-17
88
ANT-18
92
ANT-19
96
MW (Microwave)
100
MW-1
101
MW-2
105
2
STM-3
135
STM-4
139
STM-5
143
STM-6
148
STM-7
152
STM-8
155
STM-9
159
STM-10 (Tidak Presentasi)
163
STM-11
167
STM-12
171
STM-13
175
Selamat datang ke acara Seminar Nasional Microwave,
Antena dan Propagasi(SMAP 2012)Seminar Nasional
Microwave, Antena dan Propagasi (SMAP 2012) merupakan
seminar nasional yang diselenggarakan pertama kali dan
diinisiasi olehIEEE Indonesia Joint Chapter Microwave Theory
and Techniques, and Antennas and Propagation (MTT/AP)
Societies Chapter.
Seminar ini bertujuan untuk menyediakan sebuah forum untuk mendorong penelitian di
bidang microwave, antena, propagasi dan bidang terkait lainnya di Indonesia. SMAP
2012 merupakan kesempatan bagi para mahasiswa, peneliti, perekayasa, dan industri
yang terkait dengan bidang komunikasi nirkabel, radar dan satelit, antena dan
propagasi, RF/Microwave dan Elektromagnetik terapan untuk saling berbagi
pengalaman dan membangun jaringan. Oleh karena itu, pada kesempatan ini SMAP
2012 mengangkat tema “Integrasi Pendidikan, Penelitian, Industri dan Penerapan
Teknologi
”. Kami sadari bahwa untuk kemajuan bangsa maka harus ada kerjasama
dan sinergi dari semua pihak meliputi akademisi, pemerintahan maupun industri.
Untuk mengangkat tema Integrasi tersebut maka pada acara pembukaan kami
menghadirkan lima pembicara kunci. Pertama yang mewakili pemerintahan yaitu Dr.
Muhammad Budi Setiawan, M.Eng., Dirjen Sumber Daya dan Perangkat Pos dan
Informatika, Kemenkominfo RI. Kedua yang mewakili peneliti yaitu Dr. Ir. Marzan Azis
Iskandar, Kepala Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Kemenristek RI.
Ketiga dari perwakilan akademisi yaitu Prof.Dr.Ir. Gamantyo Hendrantoro, M.Eng dari
ITS. Dilanjutkan dari perwakilan penerapan teknologi yaitu Bapak Rizkan Chandra,
Kata Pengantar
4
Pada kesempatan ini, saya ingin mengucapkan terima kasih kepada semua panitia dan
juga IEEE Student Branch–UI, yang telah bekerja keras dalam mensukseskan acara ini.
Terima kasih kami ucapkan khususnya kepada Departemen Teknik Elektro Fakultas
Teknik Universitas Indonesia yang telah mendukung panitia sehingga seminar ini dapat
diselenggarakan di UI. Terima kasih kami sebesar-besarnya kepada semua penulis
makalah di SMAP 2012 yang turut berbagi hasil penelitian mereka dengan kita semua.
Terakhir kami ingin juga mengucapkan terima kasih kepada semua sponsor acara kami
yaitu Agilent Technologies, Berca Hardayaperkasa dan InfraRCS serta co-sponsor dari
IEEE APS. Semoga kegiatan seminar ini bermanfaat bagi kita semua.
Dr. Fitri Yuli Zulkifli
Ketua Umum
Fitri Yuli Zulkifli (Universitas Indonesia)
Wakil Ketua
Yuyu Wahyu (LIPI)
Sekretaris
Basari (Universitas Indonesia)
Bendahara
Catur Apriono (Universitas Indonesia)
Komite Pengarah
Adit Kurniawan (Institut Teknologi Bandung)
Andaya Lestari (IRCTR-I)
Eko Tjipto Rahardjo (Universitas Indonesia)
Elyas Palantei, (Universitas Hasanudin)
Gamantyo Hendrantoro (Institut Teknik Sepuluh November)
Indra Surjati (Universitas Trisakti)
Iskandar Fitri (Universitas Nasional)
Mashury Wahab (LIPI)
Mudrik Alaydrus (Universitas Mercubuana)
Komite Teknis
Achmad Munir (Institut Teknologi Bandung)
6
Koordinator Lapangan
Feri Yusivar (Universitas Indonesia)
Teguh Firmansyah (Politeknik Negeri Jakarta)
Sponsorship & Pameran
Pamungkas Daud (LIPI)
Dadin Mahmudin (LIPI)
Catur Apriono (Universitas Indonesia)
Web & Informasi
Boma Anantasatya Adhi (Universitas Indonesia)
Ruki Harwahyu (Universitas Indonesia)
Komite Pendukung
Reynhard Josian Sembiring (Universitas Indonesia)
Gde Arvindo Anandira (Universitas Indonesia)
Felix LF Sinaga (Universitas Indonesia)
Adhitya Satria Pratama (Universitas Indonesia)
Indah Pradina (Universitas Indonesia)
Arcahyadi Indra (Universitas Indonesia)
Eufrasia Inti Alphatia (Universitas Indonesia)
Sarah Karimah (Universitas Indonesia)
Muliasari Rahmadini (Universitas Indonesia)
Madha Ajiyoga Susetya (Universitas Indonesia)
Annisaa Primadini (Universitas Indonesia)
Setiatmoko Adi Prakoso (Universitas Indonesia)
8
Exhibitor
AGILENT TECHNOLOGIES
PT. BERCA HARDAYAPERKASA
SOLUSI 247 / RCS
AMRG-UI
PPET-LIPI
Dr. Muhammad Budi Setiawan, M.Eng
Direktur Jenderal Sumber Daya dan Perangkat Pos dan Informatika
“Regulasi Teknologi Komunikasi Nirkabel di Indonesia”
Dr. Ir. Marzan Azis Iskandar
Kepala Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Kemenristek RI.*
“Kebijakan Penerapan Teknologi Komunikasi Nirkabel di Indonesia”
Keynote Speaker
10
Prof. Gamantyo Hendrantoro, Member IEEE
Seminar Nasional Microwave, Antena, dan Propagasi (MAP) akan menghadirkan Prof.
Gamantyo Hendrantoro dari ITS Surabaya sebagai keynote speaker.
Rizkan Chandra
– Director of Network & Solution / COO
Prior Experience:
2010-2012 CEO of PT Sigma Citra Caraka
2008-2010 Telkom Senior General Manager of Learning Center
2007-2008 Telkom Vice President of Infrastructure & Service Planning
Education:
Master of Science Management of Technology, National University of Singapore, 2000
Mr Lau Yue Hoong
Mr Lau Yue Hoong is the Business
Development Manager at Agilent Technologies’
Measurement Group. He is responsible for growing new markets for Agilent. Prior to
this, he was the Business Segment Manager at Agilent’s Basic Instruments Division. He
also has experience in new product planning, product launching and go to market
strategies. A 17 year veteran at the company, he has held various positions in both
Agilent Technologies’ Electronics Measurement Group as well as the Semiconductor
Products Group.
Mr. Lau has a Bachelor’s degree in Electrical and Electronics Engineering from the
University of Calgary, Canada.
12
Peta Lokasi
14
Selasa, 2 Oktober 2012
Waktu
Acara
Tempat
08.00 – 09.00 Registrasi Peserta
Gedung Perpustakaan Lama,
Ruang Training Center,
Lantai 2,
Kampus Baru UI Depok
09.00 – 10.00 Pengenalan Modeling
Antena dan Microwave
Circuit
10.00 – 10.10 Coffea Break
10.10 – 12.00 Modeling dan Simulasi
Antena (Modul 1 dan 2)
12.00 – 13.00 ISHOMA
13.00 – 15.00 Modeling dan Simulasi
Antena (Modul 3) dan
Microwave Circuit (Modul
4)
15.00 – 15.10 Coffea Break
15.10 – 16.10 Diskusi dan Penutup
Modul 1: Waveguide dan Horn Antenna
Modul 2: Antena Mikrostrip
Modul 3: Wire Antenna
Modul 4: Rangkaian Pasif Microwave (BPF)
Susunan Acara
Rabu, 3 Oktober 2012
Waktu
Acara
Tempat
08.00 - 08.30
Registrasi Peserta
Auditorium Pusat
Studi Jepang-UI
08.30 - 08.35
Pembukaan Acara
08.35 - 09.00
Sambutan-Sambutan
1. Sambutan Ketua Umum
Panitia SMAP 2012
2. Sambutan Ketua IEEE
Indonesia Section
3. Sambutan Ketua Departemen
Teknik Elektro, FTUI
16
09.00 - 10.00
Keynote Speech (I)
Moderator: Prof. Dr. Indra Surjati, MT
Dr. Muhammad Budi
Setiawan, MEng, Dirjen
Sumber Daya dan Perangkat
Pos dan Informatika,
Kemenkominfo RI.
“Regulasi Teknologi
Komunikasi Nirkabel di
Indonesia”
Dr. Ir. Marzan Azis Iskandar,
Kepala Badan Pengkajian dan
Penerapan Teknologi (BPPT),
Kemenristek RI. (dalam
konfirmasi)
“Kebijakan Penerapan
Teknologi Komunikasi
Nirkabel di Indonesia”
10.10 - 12.00
Keynote Speech (II)
Moderator: Dr. Mudrik Alaydrus
Prof. Dr. Ir. Gamantyo
Hendrantoro, M.Eng,
ITSSurabaya
“Pemodelan Kanal Propagasi
untuk Aplikasi Baru dalam
Sistem Komunikasi Nirkabel”
Rizkan Chandra, Direktur
Network & Solution, PT.
Telkom Indonesia
“Meaningful Broadband
Services through Indonesia
Digital Networks”
Mr. Lau Yue Hoong, Agilent
Technologies
“Agilent’s Solution For
Antenna Design And
Measurement”
Auditorium Pusat
Studi Jepang-UI
18
12.00 - 13.00
Istirahat Sholat dan Makan (ISHOMA) Auditorium Pusat
Studi Jepang-UI
13.00 – 14.45 Sesi Presentasi Paralel Pertama
Kompleks PSJ-UI,
Lantai 2.
14.45 - 15.10 Coffea Break
15.10 - 16.40 Sesi Presentasi Paralel Kedua
Kompleks PSJ-UI,
Lantai 2.
Sesi Paralel Pertama
Ruang K212
Ruang K215
Ruang K218
Antena I
Microwave I
Sistem & Propagasi I
13.00 - 13.15
ANT-1
13.00 - 13.15 MW-1 13.00 - 13.15
STM-1
13.15 - 13.30
ANT-2
13.15 - 13.30 MW-2 13.15 - 13.30
STM-2
13.30 - 13.45
ANT-3
13.30 - 13.45 MW-3 13.30 - 13.45
STM-3
13.45 - 14.00
ANT-4
13.45 - 14.00 MW-4 13.45 - 14.00
STM-4
14.00 - 14.15
ANT-5
14.00 - 14.15 MW-5 14.00 - 14.15
STM-5
14.15 - 14.30
ANT-6
14.15 - 14.30 MW-6 14.15 - 14.30
STM-6
14.30 - 14.45
ANT-7
14.30 - 14.45 MW-7 14.30 - 14.45
STM-7
Sesi Paralel Kedua
Ruang K212
Ruang K215
Ruang K218
Antena II
Antena III
Sistem dan Propagasi II
15.10 - 15.25
ANT-8
15.10 - 15.25 ANT-12 15.10 - 15.25
STM-8
15.25 - 15.40
ANT-9
15.25 - 15.40 ANT-13 15.25 - 15.40
STM-9
15.40 - 15.55 ANT-10 15.40 - 15.55 ANT-14 15.40 - 15.55 STM-10
15.55 - 16.10 ANT-11 15.55 - 16.10 ANT-15 15.55 - 16.10 STM-11
16.10 - 16.25 ANT-17 16.10 - 16.25 ANT-16 16.10 - 16.25 STM-12
16.25 - 16.40 ANT-18 16.25 - 16.40 ANT-19 16.25 - 16.40 STM-13
20
ANT-1
M. Darsono
“Rancang Bangun Antena Mikrostrip Array (1x2) Patch
Bujur Sangkar Polarisasi Sirkular Pada S Band Satelit
Mikro”
ANT-2
Rio Mubarak, Putri Wulandari, dan Octarina Nur
Samijayani
“Perbandingan Karakteristik Antena Horn, Yagi-Uda dan
Mikrostrip untuk Aplikasi WiFi 2,4 GHz”
ANT-3
Putri Wulandari, Ratih S. K, dan Sofian Hamid
“Desain Antena Planar Berbahan Dasar Aluminium Foil
pada Frekuensi 470 - 890 MHz untuk Penerimaan Siaran
Televisi Indoor”
ANT-4
Eko Tjipto Rahardjo, Catur Apriono dan Renita Danarianti
“Rancang Bangun Antena Monopole Untuk Aplikasi
Nanosatelit pada Frekuensi 145.95 MHz dan 436.915 MHz”
ANT-5
Yusak Krisnanda S., Eko Tjipto Rahardjo, dan Basari
“Perancangan Antena untuk Aplikasi Cognitive Radio pada
Alokasi Spektrum CDMA 1,9 GHz, WCDMA 2,1 GHz dan
WiMAX 2,375 GHz Untuk Divais Elektronik”
ANT-6
Nadia Media Rizka, Liarto, dan Iskandar Fitri
“Rancang Bangun Butler Matrix 4x4 Untuk Aplikasi
Wideband RADAR”
ANT-7
Dina Angela, Yuyu Wahyu, Roy Simorangkir, dan Denny
“Desain dan Realisasi Antena Cetak Dualband dengan
Pencatuan Co-Planar Waveguide (CPW) untuk WiMAX dan
WLAN”
ANT-8
Mochamad Yunus, Fitri Yuli Zulkifli, dan Eko Tjipto
Rahardjo
“Perbaikan Gain dan Bandwidth Antena Mikrostrip
Berstruktur Spiral Resonator (SR) Sebagai Inklusi Magnetik
Tiruan”
ANT-9
Ambros Magnus Rudolf Mekeng dan Iskandar Fitri
“Antena Mikrostrip 24 GHz Patch Segi Tiga Ultra-Wideband
dengan Menggunakan Teknik Proximity Kopling untuk
Aplikasi Sistem Radar Otomotif”
ANT-10
Gunawan Wibisono, Teguh Firmansyah, dan Toto
Supriyanto
“Desain Antena MIMO 2 x 2 Mikrostrip Lingkaran
Menggunakan Parasitik Substrat Untuk Aplikasi LTE”
ANT-11
Toto Supriyanto, Gunawan Wibisono, dan Teguh
Firmansyah
“Peningkatan Gain Antena Mikrostrip Lingkaran
menggunakan Front-end Parasitik Substrat Untuk Aplikasi
LTE”
ANT-12
Sri Hardiati, Yuyu Wahyu, dan Kadek S. N
“Kinerja Antena Mikrostrip Slot Cincin Persegi pada
rentang frekuensi (1555,42 - 1595,42) MHz Dengan
Teknik Pencatuan Proximity Coupled”
22
ANT-14
Yussi Perdana Saputera, Bambang Sumajudin, Yuyu Wahyu,
dan Asep Yudi
“Desain dan Realisasi Antena Turnstile pada Frekuensi 2,4
GHz dan 9,4 GHz untuk Aplikasi Wifi dan Radar Pengawas
Pantai”
ANT-15
Tb. Tidra Barezna I., Eko Tjipto Rahardjo, dan Basari
“Antena Rekonfigurable untuk Aplikasi Cognitive Radio
pada Alokasi Spektrum 1,8 GHz, 2,1 GHz, 2,35 GHz, dan 2,4
GHz”
ANT-16
I. G. N. Bara Artawa, Bambang Setia Nugroho, dan Yuyu
Wahyu
“Perancangan dan Realisasi Antena Mikrostrip Sierpinski
Carpet Dual Band Pada Pita Frekuensi ISM”
ANT-17
Rastanto Hadinegoro, Indra Surjati, dan Yuli Kurnia Ningsih
“Antena MIMO Single Band untuk Aplikasi W-LAN”
ANT-18
Pamungkas Daud, Dadin Mahmudin, Yudi Yuliyus, Folin
Octaviani
“Simulasi Antena Patch Beserta Casing Cavity Radome untuk
Antena MIMO”
ANT-19
Arifin Djauhari, Fitri Yuli Zulkifli, Basari dan Yohanes
Paulus
“Perancangan Antena Horn pada Frekuensi Kerja 5,5 GHz –
8,5 GHz”
MW-1
Gunawan Wibisono, Puspita Sulistyaningrum, Taufiq Alif
Kurniawan, dan Teguh Firmansyah
“Perancangan Concurrent Multiband Low Noise Amplifier
Menggunakan Teknologi CMOS 0.18 μm”
MW-2
Dwyan Zakaria, Nugroho Adi Saputro, dan Basari
“Perancangan Low Noise Amplifier (LNA) Untuk Aplikasi
Sistem Penerima LTE di Frekuensi 2.35 GHz”
MW-3
Desto Rina Ridla Nurwahibah, Uke Kurniawan Usman, dan
Yuyu Wahyu
“Perancangan dan Implementasi Band Pass Filter dengan
Menggunakan Metode Hairpin Berbasis Mikrostrip pada
Teknologi LTE (1850 MHz – 1910 MHz)”
MW-4
Sandra Octaviani, A. A Pramudita, dan Karel Octavianus
“Pengembangan Antena Adaptif Berbasis Algortima LMS”
MW-5
Folin Oktafiani, Pamungkas Daud, Dadin Mahmudin, Yudi
Yuliyus Maulana
“Desain dan Realisasi Antena Biquad Pada Frekuensi 2,3
-2,4 GHz untuk aplikasi LTE”
MW-6
Yusuf Fauzi, Basari, Fitri Yuli Zulkifli, dan Eko Tjipto
Rahardjo
“Mikrostrip Filter Hairpin dengan Open Stub sebagai Stop
Band Rejection”
24
STM-1
Hendra Herdiana Sopandi, Arfianto Fahmi, Saleh Dwi
Mardiyanto
“Analisis Kinerja Penggunaan Teknik Modulasi Adaptif dan
MIMO Adaptif pada LTE arah Uplink dengan Berbagai
Kecepatan User”
STM-2
Wisnu Ari Adi dan Azwar Manaf
Absorpsi Gelombang Mikro Bahan Magnetik Ba-La
Manganite dengan Substitusi Fe-Ti pada Rentang Frekuensi
9–15 GHz
STM-3
Ucuk Darusalam, Purnomo Sidi Priambodo, Harry Sudibyo,
dan Eko Tjipto Rahardjo
“Efek Turbulensi Kuat pada Sistem Komunikasi Optik
Terestrial Udara Bebas”
STM-4
Alfin Hikmaturokhman, Eka Wahyudi, dan Triana Haslinda
Perdana Wati
“Perbandingan Availability Non Diversity dan Space
Diveristy Pada Tranmisi Microwave menggunakan Model
ITU”
STM-5
R. Indra Wijaya, Cahya Edi Santosa, Teguh Praludi
“Realisasi Multi Waveform Repetition Frequency (MWRF)
Untuk Menghilangkan Ambiguitas Jarak Pada Radar FMCW
Berbasis GNU Radio & USRP”
STM-6
Gunawan Wibisono, Parmonangan Manalu, Taufiq Alif
Kurniawan, danTeguh Firmansyah
“Perancangan Concurrent Down Converter Multiband
Mixer Pada Frekuensi 900 MHz, 2,1 GHz, 2,3 GHz dan 2,6
GHz dengan Teknologi CMOS 0,18 µm”
STM-7
Dwyan Zakaria, Basari, dan Fitri Yuli Zulkifli
“Sistem Monitoring Berbasis Teknologi RFID untuk Tahanan
Lembaga Pemasyarakatan”
STM-8
Dony Canisius Sirait1, Basari1, dan Fitri Yuli Zulkifli1
“Sistem Monitoring Pasien dengan Teknologi RFID”
STM-9
Catur Apriono, Nofrizal, Mochamad Dandy, Fitri Yuli
Zulkifli dan Eko Tjipto Rahardjo
“Tranformasi NF-FF Menggunakan Metode FFT-2D pada
Simulasi Antena dengan Pemindaian Silindris”
STM-10
Timbul Manik dan Peberlin Sitompul
“Hasil Awal TEC Ionosfir Indonesia Berbasis Penerima Radio
Beacon”
STM-11
Elyas Palantei, Zakiy Ubaid, Bayu Topalaguna,dan
Syafruddin Syarif
“Pra-Konstruksi Prototipe Nanosatelit ISM Band 2,4 GHz
untuk Aplikasi Telemonitoring Lingkungan”
STM-12
Yuyu Wahyu, Folin Oktafiani, Yussi Perdana Saputera dan
Mashury Wahab
“Perancangan Antena Array Microstrip Planar Untuk Radar
S-Band”
SMAP 2012
26
SMAP 2012
ANT-10
Desain Antena MIMO 2 x 2 Mikrostrip Lingkaran
Menggunakan Parasitik Substrat Untuk Aplikasi LTE
Gunawan Wibisono1, Teguh Firmansyah2, Toto Supriyanto3
1Teknik Elektro, Universitas Indonesia.2Teknik Elektro, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa.3Teknik Elektro, Politeknik
Negeri Jakarta
1gunawan@eng.ui.ac.id,2teguh.firmansyah1@gmail.com,3totosupr@yahoo.com
Abstract - In this paper, Multiple Input Multiple Output (MIMO) microstrip circular antenna for application Long Term Evolution (LTE) will be designed and analyzed. This antenna operates at frequency 2.35 GHz which allocated for LTE applications. Two MIMO antenna structure with microstrip substrate with εr= 2.2 and h = 1.52 mm will be designed. The
first antenna structure is a conventional circular MIMO antenna. Where the antenna structure has a return loss S11= -30
dB, 55 MHz bandwidth at VSWR < 2, coupling coefficient S21=
-27 dB, and gain of 6.5 dBi. The structure of the second antenna is loop MIMO with additional parasitic radiator. The second antenna had return loss S11= -21 dB bandwidth of 100 MHz at
VSWR <2, the coupling coefficient S21= -26.5 dB, and gain of
7.5 dBi. It is shown that the MIMO antenna structure with additional substrate parasitic will increase the gain antenna.
Keyword — Gain, LTE, MIMO, Parasitic Substrate.
Abstrak — Pada makalah ini, antena Multiple Input Multiple Output (MIMO) mikrostrip lingkaran untuk aplikasi Long Term Evolution (LTE) akan dirancang dan dievaluasi. Antena ini beroperasi pada frekuensi 2,35 GHz yang merupakan alokasi untuk aplikasi LTE. Pada penelitian ini, diusulkan 2 buah struktur antena MIMO mikrostrip dengan substrat εr= 2,2 dengan h = 1,52 mm. Struktur antena pertama (I) yaitu antena MIMO lingkaran konvensional, hasil struktur antena tersebut memiliki nilai return loss S11 = -30 dB, bandwidth 55 MHz saat VSWR < 2, nilai kopling koefisien S21= -27 dB, dan gain sebesar 6,5 dBi. Struktur antena kedua (II) yaitu antena MIMO lingkaran yang ditambahkan parasitic radiator. Hasilnya diantaranya memiliki nilai return loss S11= -21 dB bandwidth 100 MHz saat VSWR < 2, nilai kopling koefisien S21= -26,5 dB, dan gain sebesar 7,5 dBi. Pada penelitian ini dapat ditujukan bahwa gain antena MIMO akan meningkat dengan ditambahkan parasitic substrat.
Kata kunci—Gain, LTE, MIMO, Parasitic Substrate.
I. PENDAHULUAN
Sistem Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) merupakan sistem yang terdiri dari sejumlah terminal (antena) pengirim dan penerima. Tidak seperti sistem antenna konvensional yang sangat rentan terhadap multipath, sistem MIMO justru bekerja sangat baik pada
Gambar 1. Sistem komunikasi MIMO
Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan, di antaranya mempunyai bentuk yang kompak, dimensi kecil, 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]. Struktur antena MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran konvensional dapat dilihat pada Gambar 2.
Untuk meningkatkan cakupan area layanan suatu base station, maka diperlukan antena yang memiliki gain yang tinggi. Beberapa modifikasi dilakukan diantaranya dengan ditambahkan reflektor seperti yang diusulkan [2][3]. Dimana penambahan reflektor ini dapat meningkatkan gain
Gambar 2. Struktur MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran konvensional
L
W
d
SMAP 2012
ANT-10
62
radiator parasitic berupa ring, sehingga dihasilkan gain antena sebesar 6 dBi.
Berbeda dengan metode-metode sebelumnya, pada penelitian ini diusulkan perancangan antena MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran menggunakan parasitik substrat, seperti terlihat pada Gambar 3. Perancangan antena ini menggunakan perangkat lunak CST.
II. PERANCANGAN STRUKTUR ANTENA
Persamaan patch jari-jari antena lingkaran diberikan oleh [8].
dimana nilai F dinyatakan dengan
Pada pers. (1) nilai h dalam satuan cm, sementara pada pers. (2) nilai f harus dalah satuan Hz. Desain antena tersebut memiliki fundamental frekuensi yang bekerja pada dominan mode TM110. Nilai resonannya diberikan oleh
Dimana nilai c merupakan kecepatan cahaya sebesar 3.108 m/s. Desani antena ini merupakan desain antena
lingkaran yang konvensional seperti pada Gambar 2. nilai dimensi dan karakteristik subtrat terlihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Dimensi dan Karakteristik Antena
Spesifikasi Ukuran Keterangan
W 70 mm Lebar L 150 mm Panjang R 26 mm Jari-jari D 23 mm Separator εr (Taconic) h tan δ εr= 2,2 h = 1,52 mm tan δ = 0,0009 Substrat
Sementara pada Gambar 3 ditambahkan parasitic substrat, sehingga diharapkan nilai gain meningkat. Sementara itu, proses karakterisasi dilakukan dengan mengubah nilai H untuk mendapatkan gain paling besar.
III. KARAKTERISASI DAN OPTIMASI ANTENA
Pada subab ini akan dijelaskan karakteristik dari antena, diantaranya return loss, bandwidth, kopling koefisien dan gain. Pada Gambar 4 menunjukkan nilai return loss (S11)
antena lingkaran konvensional pada Gambar 2.
Gambar 4. Nilai S11dan bandwidth antena lingkaran MIMO konvensional
Seperti ditunjukan pada Gambar 4. Nilai bandwidth antena saat S11 = -10 hanya mencapai 40 MHz. Nilai ini
masih dapat ditingkatkan kembali apabila dipergunakan antena wideband mikrostrip.
Gambar 5. Nilai kopling koefisien S21antena lingkaran MIMO konvensional
Gambar 3. Struktur antena MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran menggunakan parasitic substrat (Proposed)
r
d
L = 150 mm
W = 70 mm
H
Keterangan : εr = 2,2 (taconic) h = 1,52 mm tan δ = 0,0009SMAP 2012
ANT-10
Pada Gambar 5 terlihat bahwa nilai kopling koefisien antena lingkaran MIMO konvensional yang mencapai nilai -27 dB. Hal ini memperlihatkan bahwa kedua antena tersebut tidak saling berhubungan. Parameter selajutnya yang akan dianalisa yaitu gain antena seperti pada Gambar 6.
Gambar 6. Nilai far-field antena lingkaran MIMO konvensional
Pada Gambar 6 terlihat nilai gain antena mikrostrip pada frekuensi 2,35 GHz mencapai 6,5 dBi. Sementara itu, nilai HPBW sebesar 90,6º.
Perancangan antena selanjutnya yaitu perancangan menggunakan parasitik substrat untuk meingkatkan gain antena MIMO. Pada Gambar 7 memperlihatkan nilai S11dan bandwidth antena lingkaran MIMO dengan menambahkan
parasitik radiator.
Gambar 7. Nilai S11dan bandwidth antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat
Seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Nilai bandwidth antena saat S11= -10 dB hanya mencapai 100 MHz. Hal ini
menunjukan bahwa dengan ditambahkannya parasitik radiator, maka akan meningkatkan nilai bandwidth.
Sementara itu, pada Gambar 8 terlihat bahwa nilai koefisien kopling antena lingkaran MIMO ini mencapai nilai -26,5 dB. Hal ini memperlihatkan bahwa kedua antena tersebut tidak saling berhubungan.
Untuk menganalisa nilai Gain, maka pada penelitian ini dilakukan karakterisasi nilai H dari antena MIMO, agar diperolah nilai gain paling besar. Hasil karakterisasi terlihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Nilai gain antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat terhadap perubahan H
Pada Gambar 9. terlihat nilai gain antena mencapai maksimum saat H = 16 mm dengan nilai Gain 7,5 dBi. Sementara itu, nilai far-field terlihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Nilai far-field antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat
Pada Gambar 10 terlihat nilai gain antena mikrostrip pada frekuensi 2,35 GHz mencapai 7,5 dBi. Sementara itu, nilai HPBW sebesar 90,6º.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat parasitik dapat meningkatkan
gain sampai 1 dB yang disertai pula pengingkatan nilai
SMAP 2012
ANT-10
64
Tabel 2. Perbandingan Kinerja Antena
Kinerja Antena lingkaranMIMO konvensional Antena lingkaran MIMO dengan penambahan parasitik Frekuensi 2,35 GHz 2,35 GHz MIMO 2 x 2 2 x 2 Bandwidth (S11< -10dB) 55 MHz 100 MHz
Gain 6,5 dBi 7,5 dBi
HPBW (-3dB) 90 67,3
Dimensi (mm) 150 x 70 x 1,52 150 x 70 x 16
Hasil perbandingan memperlihatkan bahwa antena lingkaran MIMO dengan penambahan parasitik substrat dapat menhasilkan gain yang lebih tinggi dan memberikan nilai bandwidth yang lebih besar.
VII. KESIMPULAN
Pada penelitian ini juga diusulkan penambahan parasitik substrat pada antena lingkaran MIMO untuk dapat meningkatkan Gain dan bandwidth. Pada jenis subsrat taconic dengan εr= 2,2, h = 1,52 mm, dan tan δ = 0,0009 diperoleh jarak parasitik paling optimum sebesar 14 mm.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini dibiayai dari Hibah Kolaborasi Internasional, Universitas Indonesia tahun 2012, dengan kontrak nomor 1165/H2.R12/HKP 05.00.Perjanjian/2012.
DAFTAR ACUAN
[1] Balanis C. A., Antenna Theory : Analysis and Design, John Wiley & Sons, New York, 1997.
[2] Targonski, S.D.; Waterhouse, R.B. "Reflector elements for aperture and aperture coupled microstrip antennas". IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 3, Page : 1840 - 1843. 1997A
[3] Seleznyov, D.G.; Reznik, I.I.; Seleznyov, A.D."A microstrip radiator for reflector antennas" Proceedings of the 5th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory. Page(s): 104 - 107. 2000
[4] M. Stoytchev, H. Safar, A. L. Moustakas, and S. Simon, “Compact antenna arrays for MIMO applications,” in IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp., Jul. 2001, vol. 3, pp. 708– 711.
[5] Capobianco, A.D.; Pigozzo, F.M.; Boscolo, S.; Midrio, M.; Sacchetto, F.; Assalini, A.; Brunetta, L.; Zambon, N.; Pupolin, S.; “A Novel Compact MIMO Array based on PlanarYagi Antennas for Multipath Fading Channels” IEEE Conferences Publication Year: 2010 , Page(s): 93 – 96
[6] C.-Y. Chiu, R. D. Murch, and C. R. Rowell, “Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna elements,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 6, pp. 1732–1738, Jun. 2007.
[7] Tilane, Pramendra, “ Gain Enhancement of circular microstrip antenna for Personal Communication Systems”. IACSIT Vol.2 No.2 April 2011.
[8] I. J. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Antennas, Artech House, Norwood,MA,1980.
SMAP 2012
ANT-11
Peningkatan Gain Antena Mikrostrip Lingkaran menggunakan
Front-end Parasitik Substrat Untuk Aplikasi LTE
Toto Supriyanto1, Gunawan Wibisono2, dan Teguh Firmansyah3
1
Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta. 2 Teknik Elektro, Universitas Indonesia. 3 Teknik Elektro, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
1totosupr@yahoo.com, 2gunawan@eng.ui.ac.id, 3teguh.firmansyah1@gmail.com
Abstract - 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.
Keyword —Back lobe, Gain enhancement, LTE, Main lobe, Parasitic Substrate.
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 kunci — Back lobe, Gain enhancement, LTE, Main lobe, Parasitic Substrate.
I. PENDAHULUAN
Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan, di antaranya mempunyai bentuk yang kompak, dimensi kecil, 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
(1a.)
(1b.) (1c.)
Gambar 1a. Struktur antena terlihat dari atas (proposed); 1b. Struktur antena terlihat dari bawah (proposed);
1c. Struktur antena lingkaran konvensional.
Salah satu metode untuk meningkatkan gain antena mikrostrip yang telah dikenal secara luas diantaranya metode antena susun (array), seperti yang dilakukan oleh [3]-[4]. 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
H1 H2 Front parasitik Patch utama End parasitik Patch utama
SMAP 2012
ANT-11
66
yang memiliki gain yang tinggi. Namun antena ini masih memiliki dimensi yang besar.
Sementara itu, pada [7] mengusulkan untuk dipergunakan parasitik radiator yang berbentuk ring persegi panjang dengan patch berbentuk persegi panjang untuk menghasilkan gain sebedar 7,5 dBi. Penelitian ini kemudian ditindak lanjuti oleh [8], dimana diusulkan perancangan antena yang memiliki bentuk lingkaran dengan radiator berupa ring, sehingga dihasilkan gain antena sebesar 6 dBi. Penelitian selanjutnya diantaranya diusulkan oleh [9] yaitu perancangan antena mikrostrip berbentuk persegi dengan radiator yang identik juga, sehingga dihasilkan gain antena sampai 7,5 dBi.
Berbeda dengan penelitian sebelumnya, pada antena ini diusulkan perancangan menggunakan front-end parasitik substrat, seperti yang terlihat pada Gambar 1a. dan Gambar 1b. Geometri antena yang dipergunakan berbentuk lingkaran dengan front parasitik radiatornya berbentuk lingkaran pula, sehingga gain yang dihasilkan lebih besar. Selain itu, pada penelitian ini juga diusulkan perancangan menggunakan end parasitik yang berfungsi menurunkan back-lobe yang berakibat pada peningkatan gain antena.
Pada makalah ini terdiri dari beberapa bab. Bab 1 membahas mengenai pendahuluan dan posisi penelitian, sementara Bab 2 dibahas mengenai perancangan struktur antena. Sementara bab 3 membahas optimasi antena yang dengan nilai iterasinya. Sementara bab 4 dibahas analisa dari hasil yang diperoleh. Selain itu, 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.
II. PERANCANGAN STRUKTUR ANTENA
Salah satu keunggulan dari antena berbentuk lingkaran diantarannya adalah desain yang sederhana. Persamaan
patch jari-jari antena lingkaran mengikuti persamaan [10]
yang diberikan oleh.
dimana nilai F memenuhi persamaan ;
Pada persamaan (1) nilai h harus dalam satuan cm, sementara pada persamaan (2) nilai f harus dalah satuan Hz. Desain antena tersebut memiliki fundamental frekuensi yang bekerja pada dominan mode TM110. Nilai resonannya
diberikan oleh persamaan ;
Dimana nilai c merupakan kecepatan cahaya sebesar 3.108 m/s. Desai 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 dibawah ini.
Tabel 1. Dimensi dan Karakteristik Substrat Antena
Spesifikasi Ukuran Keterangan
W 60 mm Lebar L 70 mm Panjang r 26 mm Jari-jari εr1 (Taconic) h1 tan δ1 εr1= 2,2 h1 = 1,52 mm tan δ1 = 0,0009 Front-parasitik εr2 (Taconic) h2 tan δ2 εr2= 2,2 h2 = 1,52 mm tan δ2 = 0,0009 Patch Utama εr3 (Taconic) h3 tan δ3 εr3= 2,2 h3 = 1,52 mm tan δ3 = 0,0009 End-parasitik
Luasan yang lebih ini diharapkan mendapatkan gain yang lebih besar. Sementara itu, proses karakterisasi dilakukan dengan mengubah nilai H1 dan H2.
III. KARANTERISASI DAN OPTIMASI ANTENA
Seperti yang dijelaskan pada Bab 1, pada makalah 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.
Pada Gambar 2 menujukan nilai return loss (S11) antena
lingkaran konvensional pada Gambar 1c.
Gambar 2. Nilai S11 dan bandwith antena lingkaran konvensional
Seperti ditunjukan pada Gambar 2. Nilai bandwidth antena saat S11 < -14 hanya mencapai 29,6 MHz. Sementara
itu, pada Gambar 3 menujukan hasil far-field antena lingkaran konvensional. 𝑟𝑟 = 𝐹𝐹 1 + 2ℎ𝜋𝜋𝜀𝜀 𝑟𝑟𝐹𝐹 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝜋𝜋𝐹𝐹 2ℎ + 1,7726 (1) 𝐹𝐹 =8,791. 109 𝑓𝑓𝑟𝑟 𝜀𝜀𝑟𝑟 (2) 𝑓𝑓𝑟𝑟 110= 1,8412 2𝜋𝜋𝑟𝑟 𝜇𝜇𝜀𝜀= 1,8412𝑐𝑐 2𝜋𝜋𝑟𝑟 𝜀𝜀𝑟𝑟 (3)
SMAP 2012
ANT-11
Gambar 3. Nilai far-field antena lingkaran konvensional
Hasil far-field ini menunjukan 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. 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 dilakukan simulasi dengan menambahkan end-parasitik. Untuk kemudian, dilakukan karakterisasi perubahan gain antena terhadap perubahan tinggi H2.
Hasil gain antena terhadap perubahan H2 terlihat pada
Gambar 5. 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 dapat 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 gamba 6 memperlihatkan nilai
back-lobe antena end-parasitik terhadap perubahan H2, nilai
ini back-lobe ini mengalami penurunan sebesar 11, 72 dB, dari -12,18 dBi menjadi -24 dBi saat H2 bernilai 5 mm. Hai
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
SMAP 2012
ANT-11
68
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
Seperti ditunjukan pada Gambar 8. Nilai bandwidth antena saat S11 < -14 hanya mencapai 54,7 MHz. Sementara
itu, pada Gambar 9 menujukan hasil far-field antena lingkaran penambahan front-end parasitik.
Gambar 9. Nilai far-field antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik.
Hasil simulasi menujukan bahwa antena dengan penambahan front-end parasitik dapat meningkatkan gain sampai 2 dB.
IV.ANALISA HASIL
Tabel 2. Menujukan perbandingan kinerja antena lingkaran konvensional dengan antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik.
Tabel 2. Perbandingan Kinerja
Kinerja lingkaran Antena konvensional
Antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik Frekuensi 2,35 GHz 2,35 GHz Bandwidth (S11 < -10 dB) 50 MHz 102 MHz Bandwidth (S11 < -14dB) 29,6 MHz 54,7 MHz
Gain 6,2 dBi 8,2 dBi
HPBW 3dB 88,8 63,6
Dimensi 60 x 70 x 1,52 60 x 70 x 22,56
Hasil perbandingan memperlihatkan bahwa antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik dapat menhasilkan gain yang lebih tinggi dan memberikan nilai bandwidth yang lebih besar.
V.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] G. Kumar And K.P. Ray, Broaband Microstrip Antennas, First edition, USA, Artech House, 2003.
[2] Balanis C. A., Antenna Theory : Analysis and Design, John Wiley & Sons, New York, 1997..
[3] M. Stoytchev, H. Safar, A. L. Moustakas, and S. Simon, ―Compact antenna arrays for MIMO applications,‖ in IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp., Jul. 2001, vol. 3, pp. 708– 711.
[4] Capobianco, A.D.; Pigozzo, F.M.; Boscolo, S.; Midrio, M.; Sacchetto, F.; Assalini, A.; Brunetta, L.; Zambon, N.; Pupolin, S.; ―A Novel Compact MIMO Array based on PlanarYagi Antennas for Multipath Fading Channels‖ IEEE Conferences Publication Year: 2010 , Page(s): 93 – 96
[5] C.-Y. Chiu, R. D. Murch, and C. R. Rowell, ―Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna elements,‖ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 6, pp. 1732–1738, Jun. 2007.
[6] Nasimuddin and Karu P. Esselle, ―A Low-Profile Compact Microwave Antenna With High Gain and Wide Bandwidth,‖ IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 6, June 2007.
[7] Bahadir Yildirim and Bedri A. Cetiner, ―Enhanced Gain Patch Antenna with a Rectangular Loop Shaped Parasitik Radiator,‖ Antennas and wireless propagation letters, IEEE, vol 7, issue, 2008 pages: 229-232
[8] Tilane, Pramendra, ― Gain Enhancement of circular microstrip antenna for Personal Communication Systems‖. IACSIT Vol.2 No.2 April 2011.
[9] Anil Kumar Agrawal , ―Broadband and high gain microstrip patch antenna for WLAN‖. Indian Journal of Radio & Space Physics, Vol 40, October 2011, pp 282-286.
[10] I. J. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Antennas, Artech House, Norwood,MA,1980.
SMAP 2012
SMAP 2012
101
MW-1
Perancangan Concurrent Multiband Low Noise Amplifier
Menggunakan Teknologi CMOS 0.18 μm
Gunawan Wibisono1, Puspita Sulistyaningrum2, Taufiq Alif K3dan Teguh Firmansyah4
1,2,3Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, 4Teknik Elektro, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
1
gunawan@eng.ui.ac.id, 2puspita.s@ui.ac.id, 3taufiq.alif@gmail.com, 4teguh.firmansyah1@gmail.com
Abstract — Concurrent multiband LNA is one type of multiband LNA that could work at several frequency bands one time simultaneously. This paper, concurrent multiband LNA that works at four frequency bands (quadband) at 950 MHz, 1.85 GHz, 2.35 GHz, and 2.65 GHz will be designed and analyzed. The proposed LNA uses inductive source degeneration topology based on 0.18 μm CMOS technology. The design specifications of LNA are K > 1, gain > 10 dB, Noise figure (NF) < 3 dB, Input return loss < -10 dB, VSWR between 1-2, and power consumption < 20 mW. The proposed concurrent multiband LNA is design and simulated by advanced design system (ADS) software. Based on the simulation results, the design LNA achieves gain 15.113 -21.035 dB for four frequency bands. Noise Figure 1.29 – 2.713 dB, input return loss -17.270 dB – -42.903 dB, and VSWR 1.014 - 1.317 And power comsumption is 15.44 mW.
Keyword — 0.18 μm CMOS, concurrent multiband LNA,
inductive source degeneration, quadband.
Abstrak — Concurrent multiband LNA merupakan salah satu
tipe multiband LNA yang dapat bekerja pada beberapa frekuensi berbeda secara simultan. Pada paper ini dirancang concurrent
multiband LNA yang bekerja pada empat pita frekuensi
(quadband) yaitu 950 MHz, 1,85 GHz, 2,35 GHz, dan 2,65 GHz. LNA yang dirancang menggunakan topologi inductive source
degeneration dan berbasis teknologi CMOS 0.18 μm. Spesifikasi
LNA yang dirancang meliputi kestabilan (K > 1), gain > 10 dB,
Noise Figure (NF) < 3 dB, Input return loss < -10 dB, VSWR
antara 1-2, dan disipasi daya < 20 mW. Perancangan dan simulasi dilakukan dengan perangkat lunak Advance Design System (ADS). Berdasarkan hasil simulasi yang dilakukan, rancangan LNA telah memenuhi spesifikasi yaitu memiliki gain sebesar 15,113 – 21,035 dB untuk keempat frekuensi. Noise Figure sebesar 1,29 – 2,713 dB, input return loss sebesar -17,270 dB – -42,903 dB, dan VSWR sebesar 1,014 – 1,317. Besarnya disipasi daya rangkaian adalah sebesar 15,44 mW.
Kata kunci — CMOS 0.18 μm, concurrent multiband LNA, inductive source degeneration, quadband.
I. PENDAHULUAN
Low noise amplifier (LNA) adalah bagian paling depan
dari sebuah sistem receiver. Fungsi LNA adalah menguatkan sinyal yang diterima receiver dengan kontribusi
noise yang seminimal mungkin [1]. LNA merupakan bagian
penting dari sistem receiver. Hal ini mengingat, sinyal yang diterima oleh receiver seringkali memiliki daya yang kecil, sehingga perlu dikuatkan terlebih dahulu sebelum diproses lebih lanjut. Di sisi lain, amplifier juga turut menambah
noise pada receiver. Agar tambahan noise tersebut tidak
berpengaruh besar terhadap sinyal yang diterima receiver, kontribusi noise LNA haruslah seminimal mungkin.
Menjawab kebutuhan atas multiband LNA agar sebuah LNA dapat bekerja pada lebih dari satu rentang frekuensi secara simultan, maka tipe concurrent multiband LNA banyak digunakan. Concurrent LNA memiliki kelebihan
dibandingkan tipe multiband LNA yang lain seperti
wideband LNA, switched mode LNA, dan parallel mode
LNA. Dibandingkan parallel LNA, concurrent LNA dapat menghemat konsumsi daya dan memperkecil ukuran karena hanya membutuhkan satu driver untuk semua rentang frekuensi yang diinginkan. Pada wideband LNA, sinyal yang tidak diinginkan bisa ikut terkuatkan bersama dengan rentang frekuensi yang diinginkan, yang menyebabkan sensitivitas receiver berkurang secara drastis [2]. Sedangkan dengan switched mode LNA, LNA hanya dapat bekerja secara optimal pada satu frekuensi dalam satu waktu [3].
Pada paper ini, dirancang sebuah concurrent multiband LNA menggunakan teknologi CMOS 0.18 μm yang bekerja pada empat band frekuensi (quadband) yaitu pada frekuensi 950 MHz, 1,85 GHz, 2,35 Ghz, dan 2,65 GHz secara simultan. Spesifikasi LNA yang dirancang memiliki kestabilan (K > 1), gain > 10 dB, Noise Figure < 3 dB, input
return loss < -10 dB, VSWR antara 1-2, dan konsumsi daya
< 20 mW. Topologi LNA yang digunakan adalah inductive
source degeneration yang telah banyak digunakan seperti di
concurrent dualband LNA [2],[4], dan concurrent
tripleband LNA [5]. Pada rangkaian LNA terdapat transistor
CMOS yang disusun secara cascade, yang berfungsi sebagai isolasi antara port input dan output. Rancangan LNA disimulasikan dengan perangkat lunak Advance Design
System (ADS).
II. PERANCANGAN CONCURRENT MULTIBANDLNA
MENGGUNAKAN TEKNOLOGI CMOS 0.18ΜM
Dalam merancang concurrent multiband LNA ini, tahapan yang harus dilakukan dimulai dengan menentukan spesifikasi LNA yang akan dirancang. Kemudian memilih transistor yang akan digunakan, melakukan bias DC serta memilih topologi LNA. Saat bias DC dilakukan, dipastikan rangkaian dalam keadaan unconditionally stable yang ditunjukkan dengan nilai K > 1, dimana K adalah Stability
Factor, sebuah faktor yang menunjukkan kestabilan
rangkaian. Kemudian dibuat rangkaian impedance matching supaya LNA bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Kemudian dilakukan evaluasi simulasi sampai dicapai hasil yang optimum sesuai spesifikasi yang diinginkan. Terakhir dilakukan analisa hasil simulasi. Simulasi dilakukan dengan perangkat lunak ADS.
A. Spesifikasi LNA
Spesifikasi LNA yang dirancang secara lengkap terlihat pada Tabel 1.
SMAP 2012
MW-1
Tabel 1 Spesifikasi LNA yang Dirancang
Spesifikasi Frekuensi Tengah 950 MHz 1.85 GHz 2.15 GHz 2.65 GHz K > 1 > 1 > 1 > 1 S21 > 10 dB > 10 dB > 10 dB > 10 dB Noise Figure < 3dB < 3dB < 3dB < 3dB S11 < -10 dB < -10 dB < -10 dB < -10 dB VSWR 1 - 2 1 - 2 1 - 2 1 – 2 Konsumsi Daya < 20mW < 20mW < 20mW < 20mW B. Pemilihan transistor
Transistor CMOS sangat populer untuk rangkaian analog dan RF. Konsekuensi dari hal ini adalah adanya peluang besar untuk mengintegrasikan rangkaian analog, RF, dan dijital pada die yang sama, yang membuat CMOS menjadi teknologi yang sangat baik untuk implementasi
System-on-Chip masa depan [6]. Pada paper ini dipilih transistor
MOSFET berbasis teknologi CMOS 0.18 μm.
C. Bias DC dan Topologi LNA
Perancangan bias transistor merupakan hal mendasar yang dilakukan dalam mendesain LNA. Pada perancangan
concurrent multiband LNA ini, dipilih topologi LNA inductive source degeneration yang ditambahkan cascode.
Penambahan transistor yang dipasang secara cascode memiliki beberapa kelebihan seperti mengurangi efek Miller, dan menambah isolasi diantara input dan output [5]. Gambar 1. menunjukkan rangkaian bias LNA yang dirancang.
Gambar 1. Rangkaian bias LNA
untuk membangkitkan empat frekuensi resonansi. Akan tetapi, sebuah resonator LC ini tidak serta merta beresonansi di satu band frekuensi saja (misal L4 dan C4 hanya mempengaruhi f4, dan L1 dan C1 hanya mempengaruhi f1),
tetapi ke-empat resonator LC ini saling berpengaruh terhadap keempat frekuensi resonansi yang ada. Rangkaian resonator LNA yang dirancang, ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian resonator LNA
C1 selain sebagai komponen input impedance matching,
juga berfungsi sebagai coupling capacitor bagi rangkaian bias LNA.
Output impedance matching-nya terdiri dari C5 dan L5
yang dipasang seri. C5juga berfungsi sebagai coupling bagi
rangkaian bias LNA, Gambar rangkaian keseluruhan concurrent multiband LNA yang dirancang ditunjukkan oleh Gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian concurrent multiband LNA yang dirancang.
III. HASIL SIMULASI DAN ANALISA
Pada bagian ini akan diulas hasil simulasi dan analisa dari multiband LNA yang telah dirancang untuk bekerja pada frekuensi tengah 950 MHz, 1,85 GHz, 2.35 GHz dan 2.65
C1 RG Ld Ls C5 M1 M2 Vgg Vdd L3 C3 L1 C1 L2 C 2 L4 C4 Resonator 4 Resonator 2 Resonator 3 Resonator 1 L3 C3 L1 C1 RG Ld Ls C5 L5 L2 C2 L4 C4 M1 M2 Rs Vs RL Vdd Vgg
SMAP 2012
MW-1
103
MHz, -25,949 dB pada frekuensi 1,85 GHz, -17,270 dB pada 2,35 GHz, dan -19,874 dB pada frekuensi 2,65 GHz.
Gambar 4. Hasil simulasi input return loss (S11) B. Hasil Simulasi dan Analisa Input Gain (S21)
Hasil simulasi gain (S21) rangkaian multiband LNA
tampak pada Gambar 5. Terlihat bahwa Nilai S21LNA yang
dirancang telah memenuhi spesifikasi yaitu S21 > 10 dB di
keempat band frekuensi yang diinginkan. S21sebesar 21,035
dB pada frekuensi 950 MHz, 19,357 dB pada 1,85 GHz, 16,317 dB pada 2,35 GHz, dan 15,113 dB pada frekuensi 2,65 GHz.
Gambar 5. Hasil simulasi gain (S21) C. Hasil Simulasi dan Analisa Kestabilan
Hasil simulasi stability factor (K) rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 6. Terlihat bahwa pada keempat
band frekuensi yang diinginkan, nilai K > 1. K sebesar
1,072 pada frekuensi 950 MHz, 1,048 pada frekuensi 1,85 GHz, 1,059 pada frekuensi 2,35 GHz, dan 1,065 pada frekuensi 2,65 GHz, dengan nilai K paling kecil adalah 1,043 pada frekuensi 1,46 GHz.
Gambar 6. Hasil simulasi kestabilan
D. Hasil Simulasi dan Analisa Noise Figure
Hasil simulasi Noise Figure (NF) rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 7. Terlihat bahwa pada keempat band frekuensi yang diinginkan, NF telah memenuhi spesifikasi yaitu NF < 3 dB. NF sebesar 2,713 dB pada frekuensi 950 MHz, 1,495 dB pada 1,85 GHz, 1,290 dB pada 2,35 GHz, dan 1,398 dB pada frekuensi 2,65 GHz.
Gambar 7. Hasil Simulasi NF
D. Hasil Simulasi dan Analisa Noise Figure
Hasil simulasi VSWR rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 8. Terlihat bahwa pada keempat band frekuensi yang diinginkan, nilai VSWR telah memenuhi spesifikasi yaitu VSWR antara 1-2. VSWR sebesar 1,014 pada frekuensi 950 MHz, 1,106 pada 1.85 GHz, 1,317 pada 2,35 GHz, dan 1,226 pada 2,65 GHz.
SMAP 2012
MW-1
Gambar 8. Hasil simulasi VSWR VI. KESIMPULAN
Telah dirancang concurrent multiband LNA dengan menggunakan topologi inductive source degeration berbasis teknologi CMOS 0,18 μm yang dapat beroperasi pada 4 frekuensi frekuensi secara bersamaan. Frekuensi tengah operasi LNA adalah 950 MHz, 1,85 GHz, 2,35 GHz, dan 2,65 GHz. Dari hasil simulasi terlihat bahwa concurrent multiband LNA yang dirancang telah memenuhi kriteria perancangan untuk kestabilan, gain, input return loss, VSWR, NF, dan konsumsi daya. Hasil rancangan siap untuk dilakukan fabrikasi.
PERNYATAAN
Penelitian ini dibiayai dari Program Penelitian Strategis Nasional, Dikti, tahun 2012, dengan kontrak nomor. 3393/H2.R12/HKP.05.00/2012
DAFTAR ACUAN
[1] John Rogers, and Calvin Plett, Radio Frequency Integrated
Circuit Design, London: Artech House, 2003.
[2] Sambit Datta, Kunal Datta, Ashudeb Dutta, Tarun Kanti Bhattacharyya, “Fully Concurrent Dual-Band LNA Operating in 900 MHz/2.4 GHz Bands for Multi-Standard Wireless Receiver with sub-2dB Noise Figure”, IEEE Third
International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, pp. 731-734, 2010.
[3] Hosein Hasemi. “Integrated Concurent Multiband Radios and Multiple Antenna System”. Ph.D. Dissertation. California Institute of Technology. California. September 2003
[4] Hossein Hashemi and Ali Hajimiri, “Concurrent Dual-Band CMOS Low Noise Amplifier and Receiver Architecture”,
IEEE Symposium on VLSI Circuit, pp. 247-250, 2001
[5] Chih-Yuan Kao, Yueh-Ting Chiang, and Jeng-rern Yang, “A Concurrent Multi-Band Low-Noise Amplifier for WLAN/WiMAX Application”. IEEE Explore 2008.
[6] Stefan Andersson, “Multiband LNA Design and RF-Sampling Front-Ends for Flexible Wireless Receivers”, Link‡ping Studies in Science and Technology Dissertation No. 1036, 2006
[7] Agilent Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements, Application Note 57-1, Agilent Technologies. Available: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-8255E.pdf
