RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SWASTIKA …

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

mailto:[email protected]


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.


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


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


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.


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.


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


Pengujian


1 1,5 2


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


Pengujian


1 1,5 2


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


322

Tabel 6. Hasil Pengujian di Lab Telkom


Pengujian


1 1,5 2


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.

Documents

RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SWASTIKA …