1
Peningkatan Gain Antena Mikrostrip Lingkaran Menggunakan Parasitik Radiator
Toto Supriyanto 1* dan Teguh Firmansyah2
1. Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia 2. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Banten 42435, Indonesia
*E-mail: totosupr@yahoo.com
Abstrak
Pada penelitian ini akan dikaji 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 dBi atau saat VSWR < 1,5 dBi. Nilai gain, return loss, dan karakteristik radiasi antena ini akan dibandingkan dengan antena mikrostrip lingkaran konvensional. Total peningkatan gain yang diperoleh sebesar 2 dBi, 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.
Abstract
Gain Enhancement Microstrip 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 dBi 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 dBi 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, 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 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 [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 yang dapat menurunkan efisiensi. Gelombang permukaan ini dapat ditekan dengan menggunakan defected ground structure
(DGS), seperti yang diusulkan Deng yaitu dengan menghilangkan sebagian bidang ground [5].
Metode yang lain diantaranya yaitu penggunaan parasitik radiator, seperti yang diusulkan [6-9]. Pada penelitian Capstick [6] perancangan menggunakan dielektrik resonator antena untuk dapat menghasilkan antena yang memiliki gain yang tinggi. Namun antena ini masih memiliki dimensi yang besar.
Sementara itu, Hong & Lancaster [7] mengusulkan untuk penggunaan 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 Bhargava et al. [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 Pozar [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 (Gambar 1a, Gambar 1b).
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.
Gambar 1a. Struktur Antena terlihat dari Atas (proposed);
1b. Struktur Antena terlihat dari Bawah (proposed);
1c. Struktur Antena Lingkaran Konvensional
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 Pers. (1) yang diberikan oleh [10].
dengan nilai F memenuhi persamaan
Pada persamaan (1) nilai h harus dalam satuan cm, sementara pada Pers. (2) nilai f harus dalam satuan Hz.
Desain antena tersebut memiliki fundamental frekuensi yang bekerja pada dominan mode TM110. Nilai resonannya diberikan oleh Pers. (3)
dengan 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 (Tabel 1).
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
3. Hasil dan Pembahasan
Seperti yang dijelaskan pada pendahuluan, pada penelitian ini akan dikaji 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 antena lingkaran konvensional (Gambar 1c). Nilai bandwidth antena saat S11 < -14 hanya mencapai 29,6 MHz. Sementara itu, Gambar 3 menunjukkan hasil 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. Dilakukan karakterisasi perubahan gain antena terhadap perubahan tinggi H1. Hasil gain antena terhadap perubahan H1 terlihat pada Gambar 4.
Gambar 2. Nilai S11 dan Bandwith Antena Lingkaran Konvensional
Gambar 3. Nilai Far-Field Antena Lingkaran Konvensional
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 4. Nilai Gain Antena Lingkaran dengan Front- Parasitik terhadap Perubahan H1
Gambar 5. Nilai Gain Antena Lingkaran dengan End- Parasitik terhadap Perubahan H2
Gambar 6. Nilai Back-Lobe Antena Lingkaran dengan End-Parasitik terhadap Perubahan H2
Gambar 6 memperlihatkan 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. 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 antena.
Perancangan selajutnya yaitu dengan menambahkan front-end parasitik yang merupakan usulan dari penelitian ini. Hasil simulasi gain terhadap perubahan H1 dan H2 (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 dBi menjadi 8,2 dBi.
Sementara itu, Gambar 8 memperlihatkan hasil simulasi return loss (S11) pada antena dengan penambahan front- end parasitik.
Gambar 7. Nilai Gain Antena Front-End Parasitik terhadap Perubahan H1 dan H2
Gambar 8. Nilai S11 dan Bandwith Antena Lingkaran dengan Penambahan Front-End Parasitik
Gambar 9. Nilai Far-Field Antena Lingkaran dengan Penambahan Front-End Parasitik
Tabel 2. Perbandingan Kinerja
Kinerja Antena lingkaran 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
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.
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.
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. Simpulan
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, C. Person, J.Ph. Coupez, Proc. Int.
MIKON’02 Conf., Gdansk, Poland, 2002, p.187.
[2] H. Cabral, IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 2009, p.215.
[3] R.Y. Yang, Progress In Electromagnetics Research, 107 (2010) 101.
[4] A.F. Sheta, J.P. Coupez, G. Tanne, S. Toutain, J.P.
Blot, IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 2006, p.607.
[5] P.-H. Deng, C.-H. Wang, C.H. Chen, Asia-Pacific Microwave Conference” Yokohama, 2006, p.1228.
[6] M.H. Capstick, Electron. Lett., 35/22 (1999) 1958.
[7] J.S Hong, M.J. Lancaster, Microstrip Filters for RF/Microwave Applications, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, p.471.
[8] A. Bhargava et al., Advanced Design System Circuit Design Cookbook 1.0, Agilent Technologies, Preliminary version, California, 2008.
[9] D.M. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless System, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York, 2000, p.384.
[10] C.A. Balanis. Antenna Theory: Analysis and Design, John Willey and Sons, USA, 1982, p.790.
