rancang bangun antena mikrostrip patch swastika …
TRANSCRIPT
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
315
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SWASTIKA
UNTUK PENGUAT SINYAL 4G INDOOR
PADA FREKUENSI 1,8 GHZ
Wisnu Arif Kridawan1, Rahmat2
1,2Program Studi Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta,
Jalan prof.Dr.GA Siwabessy, Kampus Baru UI Depok 16425
e-mail: [email protected]
Abstrak
Sistem komunikasi seluler terus berkembang pada tiap bagiannya. Salah satu perangkat telekomunikasi yang mengalami
perkembangan signifikan adalah repeater yang menguatkan sinyal 4G LTE. Salah satu frekuensi yang digunakan untuk
4G LTE di Indonesia adalah 1,8 GHz. Teknologi 4G LTE di Indonesia masih dalam tahap perkembangan, oleh karena itu
sinyal yang diterima belum maksimal di semua wilayah. Hal itu disebabkan beberapa faktor antara lain: Base
Transceiver Station (BTS) yang kurang optimal menyediakan jaringan 4G LTE, hal itu menyebabkan buruknya level
sinyal 4G (RSRP). Penerimaan sinyal menggunakan antena default pada perangkat repeater dirasa kurang optimal.
Untuk memperbaiki kondisi tersebut diperlukan sebuah antena yang menguatkan sinyal 4G. Pada tugas akhir ini akan
dibahas tentang rancang bangun antena mikrostrip sebagai penguat sinyal 4G pada frekuensi 1,8 GHz. Pada antena
tersebut menggunakan patch rectangular yang dipotong oleh empat buah slits dan membentuk lambang Swastika. Antena Mikrostrip Patch Swastika (Antena MPS) dirancang menggunakan substrat FR-4 Epoxy dengan nilai konstanta dielektrik
(εr) = 4,4; ketebalan substrat (h) =1,6 mm dan patch-nya berbahan tembaga. Dimensi antena didapatkan dari hasil
perhitungan yang selanjutnya disimulasikan menggunakan CST Microwave Studio 2018. Setelah antena difabrikasi dan
diuji, didapatkan hasil return loss sebesar 24,75 dB, VSWR sebesar 1,12, gain sebesar 1,4 dB, dan memiliki pola
radiasi unidireksional. Pengujian aplikasi antena dilakukan pada dua lokasi dengan ketinggian dan jarak yang berbeda.
Hasil tertinggi yang terjadi pada salah satu lokasi adalah RSRP sebesar -82,6 dBm, ping sebesar 17 ms, kecepatan
download sebesar 42,6 Mbps dan kecepatan upload sebesar 32,2 Mbps.
Kata Kunci: Antena Mikrostrip, Long Term Evolution (LTE), Patch Swastika, Peripheral Slits, Repeater, Unidireksional
1. Pendahuluan
Teknologi 4G di Indonesia masih dalam tahap perkembangan, sehingga belum semua wilayah di
Indonesia bisa merasakan teknologi 4G secara baik
seperti keterbatasan sinyal. Repeater adalah perangkat
yang pada saat ini sudah mendukung jaringan 4G LTE.
Penerimaan kuat sinyal 4G dengan hanya menggunakan
antena internal repeater dirasa kurang optimal di
sebagian wilayah, oleh karena itu diperlukan antena
eksternal untuk mengoptimalkan daya sinyal yang
diterima repeater. Berbagai macam desain antena dapat
difungsikan untuk menguatkan sinyal 4G, salah satunya
yaitu antena mikrostrip yang dapat digunakan untuk antena eksternal perangkat repeater. Antena mikrostrip
merupakan antena yang tersusun dari substrat, patch
dan groundplane. Antena mikrostrip memiliki pola
radiasi unidireksional yang artinya arah pancar sinyal
dari antena mengarah ke satu arah saja.
Antena mikrostrip dipilih karena memiliki
bentuk fisik yang lebih ringan. Pada aplikasi ini
dilakukan perancangan dan pabrikasi antena mikrostrip
patch swastika yang bekerja pada frekuensi 1.8 GHz
dengan harapan dapat memiliki gain yang lebih besar
dari 1 dB sehingga didapatkan level sinyal 4G LTE
yang lebih baik dibanding hanya menggunakan antena internal pada repeater.
Tujuan dari penelitian ini adalah menjelaskan
bagaimana cara merancang, memfabrikasi, serta
menguji aplikasi pada antena mikrostrip patch swastika
1,8 GHz.
2. Metode Penelitian
Pada penelitian ini terdapat beberapa tahapan
untuk memperoleh desain antena mikrostrip Patch
Swastika. Tahap pertama dengan menghitung lebar dan
panjang patch, serta lebar saluran transmisi. Setelah
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
316
melakukan perhitungan, tahap selanjutnya ialah dengan
membuat desain antena pada software CST 2018.
Kemudian membuat simulasi dan optimasi pada desain
antena mikrostrip Patch Swastikadengan mengganti
nilai konstanta dielektrik, kemudian memperbesar ukuran patch dan memanjangkan saluran transmisi.
Setelah itu, langkah selanjutnya adalah hasil rancangan
tersebut fabrikasi. Tahap berikutnya yaitu menlakukan
uji antena untuk menguji apakah antena yang dirancang
telah sesuai dengan spesifikasi. Terakhir yaitu
melakukan pengujian fungsi antena dan mengambil
data-data yang diperlukan.
2.1 Diagram Alir
Gambar 1 berikut ini adalah diagram alir dari
perancangan antena mikrostrip patch swastika 1,8 GHz:
Gambar 1. Diagram Alir Perancangan Antena
2.2 Perancangan Antena Pada bagian ini akan menjelaskan desain,
perhitungan dan daftar dimensi pada antena mikrostrip
patch swastika 1,8 GHz yang akan dimasukan ke dalam
parameter list pada software simulasi antena CST 2016.
Tabel 1 adalah dimensi rancangan antena
mikrostrip patch swastika 1,8 GHz.
Tabel 1 Dimensi Perancangan Antena
Mikrostrip Patch Swastika
Nama
Parameter Lambang Nilai
Frekuensi Kerja fr 1,8 GHz
Panjang Gelombang λo 166,7 mm
Lebar Patch W 51,19 mm
Panjang Patch L 39,81 mm
Panjang Celah Lc 7,67 mm
Lebar Celah Wc 0,78 mm
Panjang Inserted Feed Fi 13 mm
Lebar Inserted Feed Gpf 1 mm
Panjang Saluran
Pencatu Lf 20 mm
Lebar Saluran Pencatu
50 Ω Wo 5.75 mm
Lebar Saluran Pencatu
75 Ω Wt 3,83 mm
Lebar Substrat WSub 70,39 mm
Panjang Substrat LSub 64,7 mm
Pada Gambar 3 (a) dan (b) adalah desain
perancangan antena mikrostrip patch swastika 1,8 GHz
berdasarkan ukuran rancangan pada Tabel 1.
(a)
(b)
Gambar 3. Desain Patch (a) dan Desain Groundplane (b)
Persamaan (1) sampai dengan (7) berikut ini
adalah perhitungan matematis dimensi antena
mikrostrip patch swastika 1,8 GHz.
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
317
1. Menghitung panjang gelombang menggunakan
persamaan berikut [5]:
𝜆𝑜 =𝑐
𝑓𝑟
=3 × 108 𝑚/𝑠
1,8 × 109𝐻𝑧
= 166,7 mm
𝜆𝑑 =166,7
√4,3
=80,373 mm
2. Menghitung lebar patch menggunakan persamaan
berikut[1]:
W = 𝑐
2×𝑓𝑟×(√𝜀𝑟+1
2)
= 3 × 108 𝑚/𝑠
2×1,8 × 109𝐻𝑧 ×√4,3+1
2
= 51,191 mm
3. Menghitung konstanta dielektrik efektif dan panjang
patch tambahan menggunakan persamaan
berikut[1]:
εreff = 𝜀𝑟+1
2+
𝜀𝑟−1
2[1 + 12 (
ℎ
𝑤)]
−0,5
= 4,3+1
2 +
4,3−1
2[1 + 12 (
1,6 𝑚𝑚
51,191 𝑚𝑚)]
−0.5
= 4,05709
∆L=0,412×h× (𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓+0.3) × (
𝑤
ℎ+0.264)
(𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓−0.258)× (𝑤
ℎ+0.8)
= 0,781 mm
4. Menghitung panjang patch menggunakan
persamaan berikut[1]:
L = Leff – 2∆L
= 𝑐
2×𝑓𝑟×√𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 - 2∆L
= 39,811 mm
5. Menghitung panjang peripheral slits untuk
membuat bentuk swastika menggunakan persamaan
berikut[2]:
Ls = 0,15 × 𝐿
= 0,15 × 39,811 𝑚𝑚
= 5,971 mm
6. Menghitung lebar saluran transmisi dua tingkat,
dalam hal ini menggunakan saluran transmisi 50 Ω
dan 75 Ω[2].
Untuk saluran transmisi 50 Ω:
W50Ω = 377
√ εr × (
ℎ
𝑍𝐿)
= 377
√ 4,3 × (
1.6 𝑚𝑚
50 Ω)
= 5,75 mm
Untuk saluran transmisi 75 Ω:
W75Ω = 377
√ εr × (
ℎ
𝑍𝑇)
= 377
√ 4,3 × (
1.6 𝑚𝑚
75 Ω)
= 3,83 mm
2.3 Simulasi Antena Setelah mendesain dan menghitung dimensi
antena, langkah selanjutnya adalah simulasi desain antena pada CST 2018. Gambar 4 adalah tampilan
simulasi antena.
Gambar 4. Tampilan Desain Antena pada
CST 2018
Dari hasil simulasi antena, didapatkan return
loss sebesar -10,644508 dB pada frekuensi kerja 1696
MHz. Gambar 5 adalah return loss sebelum optimasi.
Gambar 5. Return Loss Sebelum Optimasi
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
318
Dari hasil simulasi antena, didapatkan VSWR=
1,8313073 pada frekuensi kerja 1696 MHz. Gambar 6
adalah VSWR sebelum optimasi.
Gambar 6. VSWR Sebelum Optimasi
Selanjutnya didapatkan hasil gain pada simulasi
awal seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Gain Sebelum Optimasi
Selanjutnya didapatkan pola radiasi pada
simulasi awal seperti pada Gambar 8.
Gambar 8. Pola Radiasi Sebelum Optimasi
Pada simulasi awal sudah mendapatkan return loss yang diinginkan yaitu ≤ -10 dB, namun frekuensi
kerjanya belum jatuh pada nilai 1,8 GHz, sehingga
perlu dilakukan optimasi. Optimasi yang dilakukan
adalah mengubah nilai konstanta dielektrik menjadi 4,4
pada menu “Materials” di CST 2018, kemudian
memperkecil ukuran patch dan memperpanjang saluran
transmisi. Perubahan ukuran dijelaskan pada Tabel 2.
Tabel 2. Daftar Parameter yang Dioptimasi
No Nama Nilai
Awal
Nilai
yang
Diubah
1 Lebar Patch (W) 51,19 mm 50,7 mm 2 Panjang Patch (L) 39,81 mm 37,5 mm
3 Panjang Celah
(Wc) 7,67 mm 5,625 mm
4 Panjang Saluran
Transmisi
20 mm
(0,25λd)
40 mm
(0,5λd)
5 Panjang Inserted
Feed 4,8 mm 13 mm
6 Lebar Saluran
75Ω (Wt) 3,83 mm 3 mm
Dari hasil optimasi antena, didapatkan return
loss sebesar -25,160947 dB. Nilai tersebut lebih baik
karena menjauhi ambang batas return loss yaitu -10 dB
dan frekuensinya tepat 1,8 GHz. Hasilnya diperliatkan
pada Gambar 9.
Gambar 9. Return Loss Setelah Optimasi
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
319
Dari hasil optimasi antena, didapatkan return
loss sebesar -25,160947 dB. Nilai tersebut lebih baik
karena menjauhi ambang batas VSWR yaitu 2 dan
frekuensinya tepat 1,8 GHz. Hasilnya diperliatkan pada
Gambar 10.
Gambar 10. VSWR Setelah Optimasi
Selanjutnya didapatkan hasil gain setelah
optimasi seperti pada Gambar 11.
Gambar 11.Gain Setelah Optimasi
Selanjutnya didapatkan pola radiasi setelah
optimasi seperti pada Gambar 12.
Gambar 12.Pola Radiasi Setelah Optimasi
Setelah dioptimasi dan didapatkan hasil sesuai
spesifikasi yang diinginkan, langkah selanjutnya adalah
fabrikasi antena. Antena difabrikasi dengan cara
mencetak pola patch dan groundplane pada cutting
sticker kemudian ditempel pada PCB FR-4 dan di-etching sesuai dengan pola tersebut. Terakhir
menyambungkan konektor SMA female pada saluran
transmisi antena paling bawah. Gambar 13 berikut
adalah antena yang telah difabrikasi.
Gambar 13. Patch (kiri) dan Groundplane
(kanan)
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Hasil dan Pembahasan dari Pengukuran
Parameter Antena
Setelah antena difabrikasi, langkah selanjutnya adalah melakukan peingukuran parameter medan dekat
(return loss dan VSWR) dan medan jauh (gain dan pola
radiasi). Pengujian dilakukan di PPET LIPI Gedung 20
Lantai 4. Gambar 14 adalah return loss hasil pengujian.
Gambar 14. Return Loss Pengujian
Selanjutnya pada Gambar 15 adalah VSWR
hasil pengujian.
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
320
Gambar 15. VSWR Hasil Pengujian
Gambar 16 adalah bandwidth dari hasil pengujian.
Gambar 16. Bandwidth Hasil Pengujian
Bandwidth hasil pengujian mempunyai nilai
sebagai berikut[3]:
BW = fupper – flower
= 1818 MHz – 1785 MHz
= 33 MHz
Sedangkan bandwidth hasil simulasi setelah
optimasi (Gambar 9) sebesar 58 MHz.
Pola radiasi pengujian adalah unidireksional dan
HPBW nya adalah 40º seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 17.
Gambar 17. Pola Radiasi Pengujian Antena
Berdasarkan pengukuran tersebut, terjadi
perbedaan hasil yang ada antara hasil simulasi dan hasil
pengukuran. Hal tersebut dapat disebabkan akibat
pengukuran yang tidak dilakukan di tempat yang dapat meredam gelombang pantul sehingga benda-benda yang
berada disekeliling antena mempengaruhi hasil
pengukuran. Selain itu perbedaan hasil juga dapat
disebabkan karna kesalahan saat fabrikasi antena,
seperti ketidaksesuaian dalam menempel cutting sticker
antara bagian patch dan ground, dan kesalahan saat
melakukan penyolderan konektor ke antena.
3.2 Hasil dan Pembahasan dari Pengujian
Antena Sebagai Penguat Sinyal
Setelah pengujian medan dekat dan medan jauh, selanjutnya adalah pengujian fungsi antena. Antena
mikrostrip patch swastika (MPS) dipasang pada sisi
indoor perangkat repeater. Pengujian dilakukan pada
kondisi yang berbeda-beda antara lain: tinggi antena 1;
1,5; dan 2 meter, jarak antena indoor 1 dan 5 meter, dan
lokasi di Kec. Rawalumbu, Kota Bekasi dan di area
belakang Gedung G PNJ (Lab Telkom) yang
berdekatan dengan ruangan WS Telkom. Adapun
variabel yang digunakan adalah kuat sinyal 4G LTE
(RSRP), ping, kecepatan upload dan download dari
jaringan 4G LTE. Gambar 18 adalah kondisi pengujian
menggunakan antena MPS.
Gambar 18. Pengujian dengan Antena MPS
Gambar 19 adalah kondisi pengujian
menggunakan antena default.
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
321
Gambar 19. Pengujian dengan Antena Default
Adapun hasil pengujiannya adalah sebagai
berikut:
1. Pengujian fungsi antena di daerah Kecamatan
Rawalumbu, Kota Bekasi.Tabel 3 adalah hasil
pengujian jarak 1 meter.
Tabel 3. Hasil Pengujian di Rawalumbu
dengan Jarak 1 Meter
Pengujian
Tinggi Antena (meter)
1 1,5 2
Speed Test, meliputi:
Ping (ms) 18 29 19 19 17 20
Download
(Mbps) 18,2 18,8 23,6 18,8 18,5 16,4
Upload
(Mbps) 4,2 12 5,36 10,5 4,86 11,8
RSRP
(dBm)
-95 -95 -94 -95 -94 -95
-94 -96 -93 -95 -96 -96
-95 -98 -92 -99 -97 -98
-95 -97 -92 -94 -95 -96
-94 -95 -96 -98 -98 -97
RSRP
Rata-Rata
(dBm)
-94,6 -96,2 -93,4 -96,2 -96 -96,4
Keterangan:
= Data pengujian aplikasi menggunakan antena
MPS
= Data pengujian aplikasi menggunakan antena default
Tabel 4 adalah hasil pengujian pada jarak 5 meter.
Tabel 4. Hasil Pengujian di Rawalumbu
dengan Jarak 5 Meter
Pengujian
Tinggi Antena (meter)
1 1,5 2
Speed Test, meliputi:
Ping (ms) 17 19 22 20 19 18
Download
(Mbps) 21,5 18,9 8,06 15 13,3 13,5
Upload
(Mbps) 1,27 1,01 5,26 2,51 4,2 3,92
RSRP
(dBm)
-97 -100 -94 -101 -98 -100
-96 -98 -94 -99 -97 -98
-100 -97 -94 -96 -94 -95
-97 -100 -95 -98 -95 -99
-98 -98 -96 -99 -96 -99
RSRP
Rata-Rata
(dBm)
-97,6 -98,6 -94,6 -98,6 -96,0 -98,2
2. Pengujian fungsi antena di Lab Telkom Politeknik
Negeri Jakarta. Tabel 5 adalah data pengujian di lab
Telkom pada jarak 1 meter:
Tabel 5. Hasil Pengujian di Lab Telkom
dengan Jarak 1 Meter
Pengujian
Tinggi Antena (meter)
1 1,5 2
Speed Test, meliputi:
Ping (ms) 24 23 31 34 18 19
Download
(Mbps) 20,0 19,5 22,2 20,8 26,6 27
Upload
(Mbps) 32,2 28,5 31,9 25,4 31,1 29,2
RSRP
(dBm)
-84 -86 -82 -83 -80 -82
-85 -86 -81 -84 -88 -89
-85 -87 -81 -85 -85 -88
-86 -88 -82 -80 -84 -87
-87 -88 -81 -81 -83 -86
RSRP
Rata-Rata
(dBm)
-85,4 -87 -82,4 -82,6 -84 -86,4
Keterangan:
= Data pengujian aplikasi menggunakan antena
MPS = Data pengujian aplikasi menggunakan antena
default
Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 5 Tahun 2020
322
Tabel 6. Hasil Pengujian di Lab Telkom
dengan Jarak 5 Meter
Pengujian
Tinggi Antena (meter)
1 1,5 2
Speed Test, meliputi:
Ping (ms) 28 27 32 33 17 20
Download
(Mbps) 33,7 28,9 42,6 35,9 19 19,8
Upload
(Mbps) 24,6 22,0 20,5 21,4 22,1 18,9
RSRP
(dBm)
-82 -83 -90 -89 -82 -83
-84 -85 -92 -92 -84 -85
-85 -85 -95 -94 -83 -87
-85 -87 -95 -96 -87 -88
-86 -88 -94 -90 -88 -89
RSRP
Rata-Rata
(dBm)
-84,4 -85,6 -93,2 -92,2 -84,8 -86,4
4. Kesimpulan
Penelitian ini menghasilkan kesimpulan sebagai
berikut:
a. Setelah dilakukan optimasi dan fabrikasi, antena
MPS mempunyai frekuensi kerja pada 1,8 GHz,
return loss -24,758 dB, VSWR sebesar 1,122,
gain sebesar 1,4 dB dan pola radiasi
unidirectional dengan HPBW 50° dari hasil
pengujian medan dekat dan medan jauh antena
di PPET LIPI. Hal itu sesuai dengan spesifikasi
yang diharapkan.
b. Berdasarkan data dan analisa hasil pengujian RSRP, antena MPS dapat memperkuat sinyal 4G
pada frekuensi 1,8 GHz pada jarak 1 meter dan
ketinggian 1,5 meter dengan RSRP rata-rata
terbaik sebesar -82,6 dBm.
c. Pada pengujian speedtest, menggunakan antena
MPS lebih baik dibandingkan dengan antena
default pada repeater. Hal ini disebabkan karena
antena MPS mempunyai ping yang rendah yaitu
17 ms serta kecepatan download dan upload
yang tinggi dibandingkan dengan antena default.
Kecepatan download yaitu 42,6 Mbps dan
kecepatan upload yaitu 32,2 Mbps.
5. Ucapan Terima Kasih
Penulis berterima kasih kepada:
1. Para dosen dan staf prodi Telekomunikasi, Jurusan
Teknik Elektro Politeknik Negeri Jakarta.
2. Pihak PPET LIPI Gedung 20 Lantai 4 umumnya dan Bapak Tofik Teguh Estu khususnya yang
telah membantu dan membimbing dalam
pengambilan data.
6. Daftar Pustaka
[1] Abdurrahman, Fiqqi. (2018). Desain Antena
Microstrip Rectangular untuk WIFI pada
Frekuensi 2,462 GHz dan 5,52 GHz. Yogyakarta: Universitas Islam Indonesia.
[2] Alam, S., Surjati, I., Yogi, W. (2017). Rancang
Bangun Antena Mikrostrip Peripheral Slits Linear
Array untuk Aplikasi Wi-Fi. Jurnal Rekayasa
Elektrika Vol. 13, No.1 Universitas Trisakti.
[3] Balanis, Constantine A., (2005). Antenna Theory
Analysis and Design (edisi ketiga). New York:
John Willey Interscience
[4] Kashyap, S. S., Raithatha, U., Shivakrishna, D.
(2015). Swastika Shaped Microstrip Patch
Antenna for ISM Band Applications. International
Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) Vol 02, 516-518.
[5] Surjati, Indra. (2010). Antena Mikrostrip: Prinsip
dan Aplikasinya. Jakarta: Universitas Trisakti.