## PERANCANGAN DAN REALISASI ANTENA MIMO MIKROSTRIP 4X4 PATCH CIRCULAR PADA FREKUENASI 2,4 GHZ UNTUK APLIKASI WLAN 802.11N
Annisa Rizky 1) , Koesmarjianto, 2) Waluyo, 3)
1,2,3) Program Studi Jaringan Telekomunikasi Digital, Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang Email: rizkyannisa85@gmail.com

## Abstrak
Perkembangan  teknologi  tanpa  kabel  sangat  pesat  seiring  dengan  kebutuhan  pengguna  akan  kualitas  sistem komunikasi  yang  berkecepatan  tinggi,  efisien,  handal  dan  berkualitas.  Salah  satu  teknologi  yang  digandrungi oleh  pengguna  layanan  telekomuikasi  saat  ini  adalah  Wireless  Fidelity  (WiFi)  yang  sudah  didukung  oleh teknologi MIMO. Multiple Input Multiple Output (MIMO) adalah suatu sistem yang terdiri dari lebih dari satu terminal atau antena pada sisi pengirim dan penerima. Dengan penggunaan antena lebih dari satu antena, MIMO mendukung spesifikasi media transmisi yang membutuhkan kapasitas besar pada sistem komunikasinya Pada penelitian ini membahas perancangan serta realisasi antena MIMO 4x4 mikrosrostrip patch sirkular yang dapat  bekerja pada pita  frekuensi  2,4  GHz  untuk  aplikasi  teknologi  WiFi.  Digunakan  metode inset  feed untuk mendapat  nilai  impedansi  yang  match  antara  patch  dan  saluran.  Untuk  penambahan  gain  digunakan  metode array linear pada tiap antena.Dilakukan pengujian pengaruh jarak antar antena terhadap nilai mutual coupling . Serta dilakukan pengujian performansi signal strength antena jika diimplementasikan sebagai perangkat antena pada access point . Hasil  pengujian  anten  MIMO  4x4 Mikrostrip    Patch  Circular ini  menunjukan  nilai Return  Loss ≤  -13,3 dB; Mutual Coupling ≤ -39,3 dB ; VSWR1,482; Signal Strength = -25 dB.
Kata kunci: Antena mikrostrip sirkular, MIMO, Return Loss, VSWR, Mutual Coupling, Signal Strength

## 1. PENDAHULUAN
Teknologi  telekomunikasi  tanpa  kabel (wireless)  telah  berkembang  sangat  pesat seiring  dengan  kebutuhan  pengguna  akan kualitas sistem  komunikasi  yang  berkecepatan tinggi,  efisien,  handal  dan  berkualitas.  Salah satu teknologi yang digandrungi oleh pengguna  layanan  telekomuikasi  saat  ini adalah  Wireless  Fidelity  (WiFi).  Standar 802.11x  adalah  standar  yang  ditetapkan  oleh Institute for Electrical and Electronic Engineers  (IEEE)  untuk  mendasari  teknologi tersebut.  WiFi  dengan  standar  802.11n merupakan standar yang bekerja pada frekuensi  2,4  GHz  dan  5  GHz  serta  didukung oleh teknologi Multiple Input Multiple Output (MIMO).
Multiple  Input  Multiple  Output  (MIMO) adalah suatu sistem yang terdiri dari lebih dari satu  terminal  atau  antena  pada  sisi  pengirim dan  penerima.  Dengan  penggunaan  antena lebih  dari  satu  antena,  MIMO  mendukung spesifikasi media transmisi yang membutuhkan  kapasitas  besar  pada  sistem
komunikasinya.  Sistem  ini  menggunakan sejumlah  M  antena  pemancar  dan  sejumlah  N antena  penerima,  sehingga  sering  ditulis dengan sistem penulisan MIMO M×N.
Antena mikrostrip merupakan jenis antena yang  memiliki  beberapa  kentungan  dibanding jenis  antena  lainnya,  yaitu  memiliki  beban ringan  dan  bentuk  yang  kecil,  biaya  fabrikasi murah  sehingga  dapat  diproduksi  dalam jumlah yang banyk. Antena mikrostrip dengan patch  circular  akan  lebih  mudah  dimodifikasi untuk  menghasilkan  jarak  nilai  impedansi, pola radiasi, dan frekuensi kerja.
Pada penelitian ini membahas perancangan serta  realisasi  antena  MIMO  mikrosrostrip patch  sirkular  4  elemen  yang  dapat  bekerja pada  pita  frekuensi  2,4  GHz  untuk  aplikasi teknologi  WiFi.  Digunakan  metode  pencatuan inset feed untuk mendapat nilai impedansi yang match  antara  patch  dan  saluran.  Untuk penambahan  gain  digunakan  metode  array linear  pada  tiap  antena.  Parameter  yang  akan diuji adalah Rerturn Loss, Mutual
Coupling ,VSWR,  Pola  radiasi,  dan  Gain.
Penelitian  ini  akan  membahas  pembuatan desain antena dengan software CST
StudioSuite  2018,  lalu  dilakukan  analisis perbandingan  nilai  parameter  antena  hasil simulasi  dan  fabrikasi.  Dan  apabila  telah memenuhi  spesifikasi  antena  yang  baik,  maka akan  dilakukan  pengujian  performansi  antena dengan  modem  WiFi  yang  mendukung teknologi MIMO 4x4.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Antena Mikrostrip Patch Sirkular
Gambar 1. Antena Mikrostrip Patch Sirkular
Antena  adalah  sebuah  komponen  yang dirancang  untuk  bisa  memancarkan  dan  atau menerima  gelombang  elektromagnetik(Murdik, 2011). Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis  antena  yang  berbentuk  papan  tipis  dan mampu  bekerja  pada  frekuensi  yang  sangat tinggi.  Antena  mikrostrip  dibuat  dengan menggunakan sebuah substrat yang mempunyai tiga  buah  elemen  dasar  yaitu  peradiasi (radiator),  elemen  substrat  (substrate),  dan elemen pentanahan (ground). Antena mikrostrip dengan  patch  lingkaran  ini  memiliki  performa yang sama dengan antena mikrostip segiempat. Dengan  teknik  pengaplikasian  yang  digunakan misalnya  teknik  array,  patch  circular  akan menghasilkan keuntungan dibandingkan dengan  patch  lainnya.  Selain  itu,  antena  ini lebih mudah untuk dimodifikasi agar menghasilkan  jarak  nilai  impedansi,  pola radiasi dan frekuensi kerja(Rambe, 2008).
Persamaan-persamaan  yang  digunakan untuk  menghitung  dimensi  antena  (Balanis, 2005):
(1) (2) Untuk menyesuaikan impedansi digunakan 1/4 transformator teknik λ Impedansi .
dengan ditentukan dapat
transformer menggunakan persamaan (Balanis, 2005):
(3)
Panjang  saluran  untuk  transformer  dihitung dengan persamaan (Balanis, 2005):
(4)
Persamaan-persamaan  yang  digunakan  untuk menentukan  lebar  saluaran  pencatu  (Grag,  et al., 2001):
Untuk A > 1.52
(5)
Untuk A ≤ 1.52
(6)
Dengan
(7) (8) Untuk menentukan panjang dan lebar insert feed digunakan persamaan(Wiguna, t.thn.) : (9) (10) Penentuan panjang gelombang dari suatu frekuensi antena dapat dilakukan dengan persamaan :
(11) (12)
2.2. Wireless  Local  Area  Network (WLAN)

## 802.11n
Saat  ini  teknologi  Wireless  Local  Area Network  (WLAN)  lebih  banyak  dikenal masyarakat  sebagai  WiFi.  Awalnya  WiFi digunakan untuk penggunaan perangkat nirkabel dan jaringan area lokal, namun saat ini WiFi  lebih  banyak  digunakan  pengguna  untuk mengakses internet melalui titik akses terdekat. Nama  WiFi  sendiri  merupakan  merk  dagang dari  Wi-Fi  Alliance.  Organisasi  tersebut mendefinisikannya  sebagai  seluruh  produk WLAN  yang  dibuat  berdasarkan  spesifikasi 802.11.    Standar  802.11n  merupakan  standar yang dirilis pada tahun 2009, dan sudah banyak
diterapkan pada perangkat Wifi di pasaran saat ini.  (Geier,  2010)  menyatakan  standar  ini mengatur  perangkat  untuk    dapat  bekerja  pada frekuensi  2,4  GHz  dan  5  GHz,  memiliki bandwidth  selebar  20  MHz  hingga  40  MHz, serta  mendukung  4  MIMO  spatial  stream  . WiFi  pada  frekuensi  2,4  GHz  memiliki  daerah cakupan yang lebih luas dibandingkan frekuensi  5  GHz.  Selain  itu  pada  frekuensi  5 GHz  lebih  besar  kemungkinan  terjadinya overlapping daripada frekuensi 2,4 GHz
2.3.
Output Multiple Input Multiple
(MIMO)
Gambar 2. Skema Sistem Multiple Input Multiple Output (MIMO)
Multiple  Input  Multiple  Output (MIMO) adalah suatu sistem yang terdiri dari lebih dari satu  terminal  atau  antena  pada  sisi  pengirim dan  penerima.  Dengan  penggunaan  antena lebih  dari  satu  antena,  MIMO  mendukung spesifikasi media transmisi yang membutuhkan  kapasitas  besar  pada  sistem komunikasinya.  Sistem  ini  menggunakan sejumlah M antena pemancar dan sejumlah N antena  penerima,  sehingga  sering  ditulis dengan  sistem  penulisan  MIMO  M×N.  Maka MIMO 4×4 menyatakan bahwa jumlah antena pada  sisi  pengirim  dan  penerima  sama-sama berjumlah empat buah.

## 3. METODE PENELITIAN
3.1. Tahap Penelitian
Adapun  tahap  penelitian  yang  akan  ditunjukan pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram Alur Tahap Penelitian

## 3.2. Perencaaan Sistem
Tahap perencanaan sistem ditunjukan pada gambar 4.

## Gambar 4. Tahap Perencanaan Sistem
Dalam  peracangan  antena,  digunakan frekuensi  tengah  pada  kanal  7  dalam  band frekuensi WiFi, yaitu 2,442 GHz. Jenis substrat yang  digunakan  adalah  FR4  dengan  konstanta
dielektrik  ( dan  ketebalan  1,5  mm.
Jenis  elemen  peradiasi  adalah  tembaga  dengan ketebalan 0.1 mm.
Spesifikasi antena yang diharapkan ditunjukan pada Tabel 1 berikut :
Tabel 1. SpesifikasiAntena yang Diinginkan Bandwidth >75 MHz Return Loss (dB) <-10 Mutual Coupling (dB) <-20 Impedansi (Ω) 50 VSWR ≤1,5 Polaradiasi Unidireksional Gain (dB) >3

## 3.3. Simulasi Perancangan Antena
Proses simulasi dimulai dengan merancang antena  tunggal  dengan  menggunakan  nilai dimensi  antena  hasil  perhitungan  dengan menggunakan  persamaan  (1),  (2),  (5),  (7),  (9), (10), (11) dan (12).
(a) jari-jari antena, (b) panjang saluran pencatu,
(c) lebar saluran pencatu, (d) panjang inset fed, dan (e) lebar inset fed.
Namun,  hasil  simulasi  antena  tuggal dengan  nilai  dimensi  perhitungan  tidak  sesuai dengan spesifikasi awal antena yang diinginkan, sehingga perlu dilakukan optimalisasi.  Optimalisasi  dilakukan  dengan menggunakan
algoritma Trust Region Framework yang  telah  disediakan  oleh  CST Studio  Suite  2018.  Nilai  dimensi  antena  hasil perhitungan  dan  optimalisasi  ditunjukkan  pada Tabel 2.
Tabel 2. Nilai Dimensi Antena Tunggal Komponen Nilai Perhitungan Nilai Setelah Optimalisasi Jari-jari elemen peradiasi 17,16 mm 17,327 mm Panjang saluran pencatu 14,75 mm 14,75 mm Lebar saluran pencatu 2,89 mm 2,96 mm Panjang transformer 14,99 mm 14,99 mm
Panjang inset fed 11,44 mm 11,1 mm Lebar inset fed 1,1 mm 1 mm
Setelah  didapat  nilai  dimensi  antena  tunggal yang  sesuai  spesifikasi  awal,  dilanjutkan dengan  merancang  antena  array  linear  untuk menambah gain dari antena tunggal. Digunakan metode  transformer  1/4λ  untuk  matching impedansi  saluran.  Untuk  menentukan  panjang transformer  1/4λ  digunakan  persamaan  (3). Perencanaan impedansi saluran ditunjukan pada Gambar

## Gambar 4. Perencanaan Impedansi Saluran
Lebar saluran transmisi untuk masing-masing impedansi dihitung dengan menggunakan persamaan (5) dan (7). Dari hasil perhitunngan maka  didapatkan lebar saluran sebagai berikut: 50Ω = 2,964 mm 70,71Ω = 1,53 mm (transformer 1/4λ) 100Ω = 0,66 mm Panjang transformer 1/4λ berdasarkan persamaan (4) adalah sebesar 14.99 mm.
Hasil  perancangan  desain  dan  simulasi  antena MIMO 4x4 ditunkukkan pada Gambar 5.

## Gambar 5. Desain Atena MIMO 4x4
Jarak  antar  antena  dihitung  dari  titik pencatuan tiap antena adalah sebesar dua lamda (246  mm).  penempatan  antena  dengan  jarak tersebut  ditujukan  untuk  mengurangi  efek mutual coupling.
Karakteristik antena hasil simulasi ditunjukan pada  Tabel 3.
Tabel 3. Hasil Simulasi Antena Tunggal Frekuensi kerja 2.452 GHz
Return loss -28.648 dB VSWR 1.077 Mutual coupling <-35 dB Bandwidth 95 MHz Impedansi 46,89 ohm Gain 4.99 dB Polarisasi Elips Pola Radiasi Unidireksional 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Pengukuran Return Loss
Tabel 4. Hasil Pengukuran Return Loss Ferk S11 S22 S33 S44 CST 2.412 -1,2 -1,1 -1,1 -1,1 -11,31 2.417 -2 -1,8 -2,4 -1,6 -12,31 2.422 -5,5 -4,6 -4,4 -3,4 -13,48 2.427 -6,5 -5,2 -6,4 -5,5 -14,86 2.432 -9,2 -8,2 -9,1 -8,2 -16,55 2.437 -13,2 -10,2 -11,9 -11,4 -18,68 2.442 -14 -11,6 -13 -13,7 -21,44 2.447 -13,4 -12,6 -12 -13,1 -25,14 2.452 -11 -12,1 -10,1 -11,2 -28,6 2.457 -9,4 -10,4 -8,5 -9,1 -26,59 2.462 -7,8 -8,6 -7,2 -7,6 -22,6 2.467 -6,5 -7,3 -6,2 -6,5 -19,49 2.472 -5,6 -6,2 -5,5 -5,6 -17,1 2.484 -4,5 -4,8 -4,3 -4,3 -13,17
Pada Tabel 4 ditampilkan nilai return loss pada frekuensi  tengah  tiap  kanal  frekuensi.  Nilai return loss pada simulasi terendah terdapat pada frekuensi 2,452 GHz (kanal 9) yaitu senilai -28 dB.  Sedangkan  pada  antena  fabrikasi,  milai return  loss  terendah  pada  frekuensi  2.442  GHz dengan nilai -14 dB. Pada pengujian return loss anntena  terfabrikasi  idapat  nilali  bandwidth  19 MHz. Hal ini menunjukkan bahwa antena dapat bekerja  pada  seluruh  band  frekuensi  WiFi, meskipun  frekuensi  kerjanya  bergeser  dari frekuensi awal sebesar 10 MHz.

## 4.2. Hasil Simulasi Mutual Coupling
Tabel 5. Hasil Simulasi Mutual Coupling
Gambar 7. Grafik Hasil Simulasi Mutual Coupling
Pada Tabel 5 ditunjukkan nilai mutual coupling antar antena. Jarak antar antena sejauh 246 mm. Nilai  mutual  coupling  antar  antena  yang  baik bernilai  ≤  -20  dB.    Hasil  simulasi  menunjukan nilai  mutual  coupling  paling  besar  bernilai  - 62,87  dB pada S21 dan S12.
Secara  teori,  efek  mutual  coupling  akan meyebabkan meningkatnya nilai standing wave, koefisien  refleksi,  dan  nilai  transimisi.  Pada simulasi  yang  telah  dilakukan,  kita  mendapati bahwa  meskipun  nilai  mutual  couple  antar antena  ≤20  dB,  tetapi  tetap  terjadi  pergeseran frekuensi  kerja  antena  sebesar  10MHz.  Salah satu faktor yang mempengaruhi dampak mutual couple  adalah  letak  posisi  elemen-elemen atena. Semakin dekat jarak elemen, efek mutual coupling semakin meningkat.
Desain  antena  dalam  penelitian  ini berjarak dua lamda tehitung dari titik pencatuan antena. Tidak bisa dipungkiri bahwa kelemahan metode  array  untuk  menambah  gain  adalah pada dimensi antena yang lebih besar, sehingga jarak  antar  elemen  antena  satu  dan  elemen antena  lainnya  lebih  dekat,  meskipun  jarak antar  titik  pencatu  sudah mencapai  satu  lamda. Efek mutual coupling nantinya akan lebih jelas setelah  dilakukan  pengujian  karena  jarak  antar elemen  dapat  diatur.  Pada  penelitian  ini, pengujian antena terfabrikasi belum dilaksanakan.

## 4.3. Hasil Pengukuran VSWR
Tabel 6. Hasil Pengukuran VSWR Frek VSWR (1) VSWR (2) VSWR (3) VSWR (4) CST 2.412 14,5 15,81 15,81 15,81 1,75 2.417 8,72 9,69 7,28 10,89 1,64 2.422 3,26 3,86 4,03 5,17 1,54 2.427 2,8 3,44 2,84 3,26 1,44 2.432 2,06 2,27 2,08 2,27 1,35 2.437 1,56 1,89 1,68 1,74 1,26 2.442 1,5 1,71 1,58 1,52 1,19 2.447 1,54 1,61 1,67 1,57 1,12 2.452 1,78 1,66 1,91 1,76 1,08 2.457 2,03 1,87 2,2 2,08 1,1 2.462 2,37 2,18 2,55 2,43 1,16 2.467 2,8 2,52 2,92 2,8 1,24
2.472 3,21 2,92 3,26 3,21 1,32 2.484 3,95 3,71 4,12 4,12 1,56
Pada  Tabel  6  ditunjukkan  nilai  VSWR terendah  hasil  simulasi  pada  frekuensi  2,452 GHz,  sebesar  1,08.  Nilai  VSWR  penguian terendah  pada  frekuensi  2,442  dengan  nilai rata-rata  1,48.  Nilai  VSWR  maksimal  antena untuk  dapat  bekerja  dengan  baik  adalah  ≤2. Kinerja  antena  akan  lebih  baik  apabila  nilai VSWR mendekati 1 yang berarti tidak terdapat refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna.  Hasil  fabrikasi  menunjukkan  nilai VSWR  antena  sudah  sesuai  dengan  nilai  yang diharapkan.

## 4.4. Hasil Pengujian Signal Strength
Tujuandaripengujiandengan access
point adalahuntukmelihatperformansiantena, yaitu signal strength antena. Akan dilakukanpengujiankuat signal dengan parameter berupajarakpengujianterhadapposisiakses point . Serta  dilakukanperbandinganhasilperformansi AUTdenganantena Built-In padaperangkat.
Hasil pengujian ditunjukan pada tabel 7. Jarak Built-in (dBm) AUT (dBm) 0m -25 -25 5m -58 -62 10m -63 -71 15m -78 -82 20m -85 -90
Berdasarkan  pengujian  yang  dilakukan, dapat  disimpulkan  bahwa  antena  Built-In  pada access  point  memiliki  kuat  signal  yang  lebih tinggi  dibanding antena MIMO 4x4 Mikrostrip Patch  Circular.  Hal  ini  bisa  dikarenakan frekuensi  kerja  antena  fabrikasi  berada  pada frekuensi 2,442 GHz (kanal 7) sedangkan pada setting  digunakan  kanal  1Namun,  berdasarkan kuat  signal  yang  didapat,  akses  poin  dengan antena fabrikasi masih memiliki performa yang baik hingga jarak 10 m.

## 5. KESIMPULAN
Berdasarkan  perancangan  antena  MIMO 4x4  mikrostrip  patch  circular  menggunakan frekuensi 2.442 GHz, jari-jari elemen peradiasi 17,16  mm,  lebar  saluran  pencatu  2.89  mm, lebar  saluran  transformer  1.521  mm,  panjang transformer 14,99 mm.
Berdasarkan hasil simulasi dengan software CST Studio Suite 2018 didapat nilai return loss sebesar -28.648 dB, pada frekuensi 2.452 GHz, VSWR 1.077, dan  mutual coupling <-35 dB.
Berdasarkan  hasil  pengujian  return  loss, didapat  nilai  rata-rata  return  loss  sebesar  -13.3 dB, pada frekuensi 2.442, VSWR 1.482.
Hasil  pengujian  performa  signal  strength antena  MIMO  4x4  Mikrostrip  Patch  Circular sebagai  antena  pada  access  point,  didapat  kuat signal  sebesar  -25  dB  pada  jarak  0m,  dan  -90 dB  pada  jarak  20  m.  Performansi  kuat  signal masih  dianggap  baik  pada  jarak  10    m,  yaitu  - 71 dB.
Nilai mutual coupling dan impedansi dapat berubah  apabila  dilakukan  perubahan  jarak antar  antena.  Jarak  antar  antena  dengan  nilai mutual coupling paling baik pada jarak 2λ (246 mm).

## REFERENSI
Balanis, C., 2005. Antenna Theory Analysis and Design 3rd ed. Canada: John Wiley & Sons Inc.
Budi, I. M., Nugraha, E. S. & Agung, A., 2017. Perancangan dan Analisis Antena Mikrostrip MIMO Circular Pada Frekuensi 2,35 Ghz Untuk Aplikasi LTE. JURNAL INFOTEL, Volume 9, pp. 136-146.
Grag, R., Bahtaria, P., Bahl, I. & Ittipiboon, A., 2001. Microstrip Antenna Design Handbook. Boston: Artech House.
Murdik, A., 2011. Antena Prinsip dan Aplikasi. Cetakan Pertama ed. Yogyakarta: Graha Ilmu.
Rambe, A. H., 2008. Perancangan Antena Mikrostrip Pacth Segi Empat Elemen Tunggal Dengan Pencatuan Aperture-Coupled Untuk Aplikasi CPE Pada Wimax.
Rizhi, R. & Sharma, S., 2017. Impedance Matching Techniques for Microstrip Patch Antenna. Indian Journal of Science and Technology, Vol 10(28), .
Widyawati, E., 2013. Perancangan dan Realisasi Antena Mikrostrip dengan Substrat Alumina Menggunakan Teknologi Thick Film untuk Aplikasi Radar Pengawas Panta.
Wiguna, I. B. N. W., n.d. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ANTENA MIKROSTRIP CIRCULAR PATCH ARRAY EMPAT ELEMEN DENGAN KONFIGURASI SYMMETRY PARALLEL FEED NETWORK UNTUK FREKUENSI KERJA 2,4 GHz.