103
HIGH GAIN ANTENA MIKROSTRIP MENGGUNAKAN
PARASITIK SUBSTRAT
Toto Supriyanto1 dan Teguh Firmansyah21. Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro. Politeknik Negeri Jakarta (PNJ) 2. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
E-mail: [email protected]
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.
ABSTRACT.
High Gain Microstrip Antenna Using Parasitic. 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.
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 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
104 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 [5] yaitu dengan
menghilangkan sebagian bidang ground. Metode yang lain diantaranya yaitu dipergunakan parasitik radiator, seperti yang diusulkan [6]-[9]. Pada penelitian [6]
diusulkan 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 [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
Pada artikel hasil penelitian ini dibahas antena ini dengan rancangan antenna 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.
(1a.)
(1b.) (1c.)
Gambar 1.
(1a.) Struktur antena terlihat dari atas (proposed);
(1b.) Struktur antena terlihat dari bawah (proposed);
(1c.) Struktur antena lingkaran konvensional. Pada artikel ini dibahas perbandingan antena lingkaran konvesional seperti tampak pada Gambar 1c, yaitu antena lingkaran dengan front-parasitik, antena lingkaran dengan end-parasitik, dan antena yang menggunakan front-end parasitik seperti ditunjukkan pada Gambar 1a dan Gambar 1b. Perancangan antena ini digunakan perangkat lunak CST.
Salah satu keunggulan dari antena berbentuk lingkaran diantarannya adalah desain yang sederhana. Persamaan patch jari-jari antena lingkaran mengikuti persamaan [10] yang diberikan oleh.
𝑟 =
𝐹1+𝜋 𝜀𝑟𝐹2ℎ 𝑙𝑛 𝜋𝐹2ℎ +1,7726
(1)
dimana nilai F memenuhi persamaan ; r r H1 H2 Front parasitik W L r W L Patch utama End parasitik Patch utama
105
𝐹 =
8,791.10𝑓 9𝑟 𝜀𝑟 (2)
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 ;
𝑓
𝑟 110=
1,84122𝜋𝑟 𝜇𝜀
=
1,8412𝑐
2𝜋𝑟 𝜀𝑟 (3)
Dimana nilai c merupakan kecepatan cahaya sebesar 3.108 m/s. Desai antena ini merupakan desain antena lingkaran yang konvensional seperti pada Gambar 1c.
METODE PENELITIAN.
Kegiatan Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Teknik Telekokunikasi Politeknik Negeri Jakarta. Perancangan antena menggunakan perangkat lunak CST. Antena yang dirancang bekerja pada frekuensi 2,3 GHz untuk aplikasi Long Term Evolution (LTE). Struktur antena yang dirancang seperti pada terlihat pada Gambar 1a. dan 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
Dengan parameter ini diharapkan
mendapatkan gain yang lebih besar. Sementara itu, proses karakterisasi dilakukan dengan mengubah nilai H1 dan H2.
HASIL DAN PEMBAHASAN
a) Karakterisasi dan Optimasi
Seperti yang dijelaskan pada bagian pendahuluan, pada makalah ini dijelaskan empat buah desain antena. Diantaranya antena lingkaran konvesional, antena lingkaran hanya dengan front-parasitik, antena lingkaran hanya dengan end-parasitik, dan antena yang menggunakan front-end parasitic.
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.
106 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.
Gambar 5.
Nilai gain antena lingkaran dengan end-parasitik terhadap perubahan 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-107 end parasitik yang merupakan usulan dari makalah ini. Hasil simulasi gain terhadap perubahan H1 dan H2 terlihat pada Gambar 7
dibawah ini.
Gambar 7.
Nilai gain antena front-end parasitik terhadap perubahan H1 dan H2
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 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.
b) Analisa Hasil
Tabel 2. Menujukan perbandingan kinerja antena lingkaran konvensional dengan 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
Hasil perbandingan memperlihatkan bahwa antena lingkaran dengan penambahan
108 front-end parasitik dapat menhasilkan gain yang lebih tinggi dan memberikan nilai bandwidth yang lebih besar.
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,
