## EVALUASI KINERJA MULTI ANTENA MIKROSTRIP 2,4 GHZ DIRECTIONAL UNTUK APLIKASI KOMUNIKASI NIRKABEL

## Oleh : Irfan Mujahidin
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. Sudarto, SH, Tembalang, Semarang 50275 Email : Irfan.mujahidin@polines.ac.id

## Abstrak
Dalam  beberapa  tahun  terakhir,  komunikasi  nirkabel  telah  menggunakan  antena  patch  mikrostrip  sebagai komponen umum dalam sistemnya. Makalah ini menyajikan rancangan susunan patch mikrostrip paralel di insert untuk  beroperasi  pada  frekuensi  narrowband  untuk  komunikasi  nirkabel.  Multi  Antena  Mikrostrip  2,4  GHz Directional  Sangat  penting  dievaluasi  dalam  konteks  ini  karena  secara  signifikan  multi  antenna  memberikan dampak  signifikan  pada  sistem  komunikasi  yang  memanfaatkan  multi  input  dan  multi  output.  Penguatan  yang tinggi  diperoleh  dengan  menggunakan  patch  persegi  yang  mudah  di  duplikasi  dan  diimplementasikan.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  antena  yang  di  evaluasi  kinerja  paramternya  sangat  penting.  Beberapa  parameter  antena seperti pola radiasi dan gain untuk satu dan multi antena diplot dan didapatkan hasil yang baik. Perangkat lunak simulator struktur frekuensi tinggi (HFSS) telah digunakan untuk mendapatkan hasil eksperimen. Sebagai bahan substrat, digunakan FR4 yang mempunyai konstanta dielektrik 4,2.
Kata kunci : Antena, Miikrotrip, Multiantena, Nirkabel.

## Abstract
In recent years, wireless communications have used microstrip patch antennas as a common component in their systems. This paper presents the design of an inserted parallel microstrip patch array to operate at narrowband frequencies for wireless communications. 2.4 GHz Directional Microstrip Multi Antenna It is important to evaluate in this context because multi antennas have a significant impact on communication systems that utilize multiple inputs and multiple outputs. The high gain obtained by using a square patch is easy to duplicate and implement. This shows that the antenna performance parameters evaluated are very important. Several antenna parameters such as radiation pattern and gain for single and multiple antennas were plotted and good results were obtained. High  frequency  structure  simulator  software  (HFSS)  has  been  used  to  obtain  the  experimental  results.  As  a substrate material, FR4 which has a dielectric constant of 4.2 is used..
Keywords: Antenna, Microtrip, Multiantena, Wireless.

## 1. Pendahuluan
Permintaan  yang  besar  dari  sistem komunikasi nirkabel modern telah menyebabkan  penggunaan  antena  patch mikrostrip  karena  ringkas,  ringan,  dan murah.  Kemajuan  dalam  teknologi  bord sirkuit tercetak telah memungkinkan fabrikasi  antena  patch  mikrostrip  pada permukaan datar menjadi mudah direalisasikan.  Aplikasi  potensial  menarik perhatian  banyak  peneliti  dan  operator industri di bidang teknik komunikasi untuk merangkul  desain  dan  analisis  berbagai bentuk  antena  patch  mikrostrip  untuk meningkatkan      beberapa      karakteristik
antena.  Secara  umum,  Antena  Mikrostrip pada  dasarnya  memiliki  dua  bagian utama(Endrayana  et  al.,  2019).  Ini  terdiri dari  bidang  tanah  yang  mendukung  bagian yang memancar (patch dan substrat). Patch umumnya  terbuat  dari  tembaga  atau  emas yang  merupakan  bahan  penghantar.  Patch yang  memancar  dan  jalur  umpan  diukir dengan foto pada substrat dielektrik(Mahfuz et  al.,  2022).  Bentuk  yang  paling  umum yang  telah  dirancang  dan  dipelajari  sejauh ini  adalah  persegi  panjang,  persegi,  dan lingkaran. Meskipun bentuk-bentuk tersebut cukup memuaskan, namun masih diperlukan peningkatan gain agar antena
dapat menjangkau jarak yang lebih jauh dan diperlukan  keragaman  bentuk.  Beberapa penelitian telah dilakukan dengan beberapa cara  untuk  mengatasi  kelemahan  antena patch mikrostrip dalam hal penguatan yang rendah dan bandwidth yang sempit(Zhou et al., 2020). Hal ini mengimplikasikan desain antena  patch  persegi  dengan  berbagai dampak  jika  diimplementasikan(Su  et  al., 2021)
Untuk  banyak  sistem  komunikasi  nirkabel, antena  yang  beroperasi  pada  satu  pita frekuensi  broadband  dengan  lebih  banyak transmitter sangat dibutuhkan. Antena patch mikrostrip  dapat  menunjukkan  frekuensi resonansi ganda dari struktur antena tunggal dengan  menyisipkan  cut-off  pada  struktur bidang dengan memeprtimbangkan dampak parameter pada model multi transmisi(Sugiarto  et  al.,  2019).  Hal  ini dapat memberikan referensi terhadap kinerja antena secara terintegrasi pada multi transmisi.
Dalam  penelitian  ini,  kami  mengusulkan desain  dan  simulasi  evaluasi  kinerja  multi antena  untuk diterapkan dalam komunikasi nirkabel  menggunakan  antena  yang  di paralel secara konstan agar bisa memberikan  evaluasi  secara  menyeluruh terhadap  performansi  kinerja.  Kebutuhan untuk  mengevaluasi  beberapa  parameter seperti  gain  dan  pola  radiasi  telah  dicapai dengan  melakukan  unjuk  kinerja  multi antena(Mujahidin  &  Arinda,  2019).  Sisa dari  makalah  ini  disusun  sebagai  berikut: bagian  2  menyajikan  secara  singkat  desain antena  patch  mikrostrip  yang  diusulkan, bagian 3 prosedur validasi Parameter antena 4 menyimpulkan pekerjaan yang diusulkan.

## 2. Model Antena yang di Usulkan
Sistem  rekomendasi  merupakan sebuah
Dalam  makalah  ini,  bahan  substrat dielektrik  medium  tipis  substrat  Fr4 dengan  konstanta  dielektrik,  εr  =  4,2 digunakan untuk desain ini untuk meningkatkan    pencocokan    impedansi
masukan  (inset  feed)  dan  gain  antena. Ketebalan  substrat  adalah  1,6mm.  Untuk desain Antena Mikrostrip, sejumlah metode  telah  disarankan.  Diantaranya, adalah  parallel  multi  antenna  dan  model saluran  transmisi.  Dalam  rancangan  ini, model  saluran  transmisi  digunakan  untuk mendesain patch persegi panjang, kemudian  antar  substrat  terhubung  secara langsung  dan  antena  patch  berbentuk persegi terhubung dengan feed. Setelah itu semua  konfigurasi  paralel  dari  delapan elemen  dipasang(Suzuki  et  al.,  2020). Antena  ini  beresonansi  pada  frekuensi desain  2.4GHz  dengan  dimensi  L  x  W sebesar (38,7 x 29,25) mm dan mempunyai aspek  rasio  7,137mm/Antena.  Frekuensi narrowband  dicapai  dengan  full  tembaga pada struktur ground plane yang dimiliki.
Perangkat  lunak  High-Frequency Structure Simulator (HFSS v13.0) digunakan  untuk  desain  ini  karena  lebih sesuai ketika berurusan dengan gelombang elektromagnetik.  Perangkat  lunak  ini membantu  dalam  menghitung  parameter seperti return loss, gain dan pola radiasi.

## 2.1 Sepesifikasi Desain
Konstanta dielektrik (εr) bahan berkisar antara 3,9 hingga 4,4 yaitu 3,9 ≤ εr ≤ 4,4 Frekuensi operasi 𝑓𝑟 untuk desain aplikasi nirkabel berkisar antara 1 hingga 2,4 GHz Ketebalan bahan substrat (h) berada dalam kisaran λo ≤ h ≤ 0,05 λo Di mana λo adalah panjang  gelombang  dalam  ruang  hampa. Untuk  radiator  yang  efisien,  lebar  patch praktis yang menghasilkan efisiensi radiasi yang  baik  dihitung  dengan  menggunakan persamaan 1.
(1)
Dimana 𝑣𝑜 adalah  kecepatan  cahaya, 𝑓𝑟 adalah  Frekuensi  desain, 𝜀𝑟 adalah konstanta dielektrik bahan substrat (fr4)(Balanis, 2016).
Konstanta dielektrik bahan adalah 4,2 (yang terendah)  Ketebalan/ketinggian  substrat adalah  1,6  mm.  Dengan  menggunakan persamaan  di  atas  kita  dapat  menentukan geometri  antena  sebagai  berikut:  Dari persamaan (2)(Balanis, 2009):
Setelah  mendapatkan  lebar  dan  panjang patch, kita dapat dengan mudah menghitung dimensi bidang tanah sebagai berikut:
Lg=6h+L  =  508,2  mm Wg=6h+W    = 71,2 mm

## 2.2 Simulasi Desain
Kode Matlab digunakan untuk
perhitungan dimensi  yang diperlukan dari
parameter  berikut  ini  ketika  50  ohm digunakan sebagai impedansi input.
Dan  perancangan  dan  simulasi antena  patch  pencatuan  1x1  dengan parallel  8  yang  diumpankan  secara konvensional  dan  dimodifikasi  patch antena  dilakukan  dengan  menggunakan perangkat  lunak  HFSS  seperti  yang ditunjukkan  pada  gambar  1(Mujahidin, 2018; Suharjono et al., 2023).
Patch  persegi  panjang  pada  gambar  1 dipilih  sebagai  dasar  pemodelan  dengan menggunakan  dimensi  patch  yang  telah dihitung  sebelumnya  pada  bagian  II.  Patch persegi panjang dirancang kemudian dimodifikasi untuk di optimasi dan kemudian diparalelkan.
Gambar.1: Patch modeling  Multi Antena Mikrostrip 2,4 GHz
3. Hasil dan Diskusi
Antena  patch  berbentuk  persegi  dengan jumlah  delapan  patch.  Hasil  seperti  return loss, gain, dan pola radiasi  diperoleh untuk mengevaluasi  kinerja  antena.  Simulasi dilakukan  dengan  menggunakan  perangkat lunak  struktur  simulator  frekuensi  tinggi. Gambar  5  di  bawah  ini  menunjukkan pantulan  daya  balik  dari  antena  patch tunggal  yang  dikenal  sebagai  return loss(Mujahidin & Kitagawa, 2023). Di sini, nilai  -44.20  dB  tercatat  pada  frekuensi  2.4 GHz seperti  yang ditunjukkan pada gambar 2 Bandwidth antena yang dapat memancarkan sinyal tercatat pada return loss yang  tidak  lebih  besar  dari  -9,5  dB.  Dalam hal  ini  antena  patch  berbentuk  persegi tunggal menyediakan pita frekuensi 20 MHz (2,38    GHz    -    2,442    GHz)    seperti  yang
ditunjukkan  pada  gambar  2.  Antena  patch bentuk persegi tunggal disini diintegrasikan menjadi  susunan  delapan  (8)  elemen  untuk mendapatkan  evaluasi  karakteristik  antena dibandingkan dengan patch elemen tunggal. Berikut ini adalah parameter yang diperoleh dari  konfigurasi  tersebut(Mujahidin  & Kitagawa, 2021a).
Gambar 2. Return Loss Antenna
Antena  patch  berbentuk  silang  untuk  satu patch menunjukkan gain yang tinggi seperti yang  ditunjukkan  pada  gambar  3  di  bawah ini.  Gain  pick  sebesar  6,1266  dB  yang terekam menunjukkan betapa kuatnya energi terkonsentrasi  ke  satu  arah(Prasetya  & Mujahidin, 2020). Pada Gambar 3 di bawah ini,  penguatan  elemen  patch  tunggal direpresentasikan dalam bentuk 3D menggunakan  perangkat  lunak  hfss  yang merupakan karakteristik dari dampak antenna  lain  yang  dipancarkan  secara bersamaan.
(a) (b)
Gambar 3. 3D Power gain (a) Pada Z Axis (b) Pada ZAxis+45 0
Pola  radiasi  antena  patch  mikrostrip  adalah daya  yang  dipancarkan  atau  diterima  oleh antena  pada  area  tertentu  yang  ditunjukkan dengan  diagram  sapuan  area.  Ini  adalah fungsi posisi sudut dan distribusi radial dari antenna  Plot  pola  radiasi  dengan  sistem grafik  polar  dari  2,4  GHz  Direksional Antena  Patch  Mikrostrip  yang  terintegrasi dengan  pemancar  antena  yang  lain  yang berjumlah  total  8  buah(Mujahidin  & Kitagawa,  2021b).  Pola  Radiasi  sebagai hasil evaluasi performansi  bisa dilihat pada gambar 4.

## (b)
Gambar 4. Grafik Polar Pola Radiasi sudut angela) Phi = 0 0 dan (b) Phi = 90 0
Pada  grafik  polar  hasil  polaradai  pada gambar 4. Di tunjukkan bahwa pola radiasi yang  diperoleh  berdasarkan  nilai  kekuatan gaibnya  yang  dihasilkan  pada  sudut  phi  0 derajat memiliki nilai main lobe berkumpul di  sebelah  kiri  antenna  sedangkan  pola radiasi  pada  phi  sama  dengan  90  derajat diperoleh pola radiasi direksional yang tetap pada sudut 0 derajat ke arah depan antena.

## 4. Kesimpulan
Dalam makalah ini, kami telah mengusulkan  desain  antena  multi  antena mikrostrip 2,4 ghz directional untuk aplikasi komunikasi  nirkabel  untuk  memberikan evaluasi  kinerja  antenna  terhadap  integrasi dengan  jumlah  pemancar  8  antena  secara paralel. Sebuah narrowband telah ditunjukkan  dengan  menyisipkan  beberapa patch dalam satu struktur ground plane dan hasilnya  diplot.  Dari  analisis  hasil  yang diperoleh untuk  berbagai parameter antena, telah  dicatat  bahwa  antena  patch  berbentuk persegi  multipath  paralel  menunjukkan kinerja  yang  baik  dalam  hal  penguatan, pengarahan  dan  efisiensi  pola  radiasi. Namun  kita  harus  mencatat  bahwa  banyak aspek  yang  mempengaruhi  kinerja  multi antena  patch  mikrostrip  seperti  dimensi, pilihan  substrat,  teknik  pencatuan  dan  juga frekuensi    operasi    dapat    menjadi    faktor
utama pada output antena yang kedepannya dapat  di  kembangkan  sebagai  penelitian untuk mengevaluasi hasil kinerjanya.

## DAFTAR PUSTAKA
Balanis,  C.  A.  (2009).  Antenna  Theory: Analysis  and  Design,  (3RD  ED.).  In Wiley India Pvt. Limited . Balanis,  C.  A.  (2016).  Antenna  Theory Analysis and Desing. Weley , 4 (3). Endrayana,  E.,  Wahyuni,  D.  H.  S., Nachrowie, N., & Mujahidin, I. (2019). VARIASI Ground Plane Antena
Collinear  Pada  Pemancar  Telivisi Analog  Dengan  Frekuensi  Uhf  442 MHz. JASIEK  (Jurnal  Aplikasi  Sains, Informasi, Elektronika Dan Komputer) . https://doi.org/10.26905/jasiek.v1i2.35 26
Mahfuz,  M.  M.  H.,  Islam,  M.  R.,  Park,  C.
W., Elsheikh, E. A. A., Suliman, F. M., Habaebi, M. H., Malek, N. A., & Sakib, N.  (2022).  Wearable  Textile  Patch Antenna: Challenges and Future Directions. IEEE Access , 10 . https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022 .3161564
Mujahidin, I. (2018). Directional 1900 MHz Square  Patch  Ring  Slot  Microstrip Antenna  For  WCDMA. JEEMECS (Journal  of  Electrical  Engineering, Mechatronic  and  Computer  Science) . https://doi.org/10.26905/jeemecs.v1i2. 2626
Mujahidin,  I.,  &  Arinda,  P.  S.  (2019). Antena Compact Double Square Marge 2,  6GHz  Dengan  Output  Perbedaan Fase  90  Derajat  Untuk  Aplikasi  LTE. JEECAE (Journal of Electrical, Electronics,  Control,  and  Automotive Engineering) , 4 (2), 273–278.
Mujahidin,  I.,  &  Kitagawa,  A.  (2021a).  CP Antenna with 2 × 4 Hybrid Coupler for Wireless Sensing and Hybrid RF Solar Energy
Harvesting. Sensors (Switzerland) , 21 , 1–20. https://doi.org/10.3390/s21227721
Mujahidin, I., & Kitagawa, A. (2021b). The Compact 2.4 GHz Hybrid Electromagnetic Solar Energy Harvesting  (HES-EH)  circuit  using Seven  Stage  Voltage  Doubler  and
Organic Thin Film Solar Cell. 2021 4th
International  Seminar  on  Research  of Information Technology and Intelligent Systems, ISRITI 2021 . https://doi.org/10.1109/ISRITI54043.2 021.9702844 Mujahidin, I., & Kitagawa, A. (2023). Ring slot  CP  antenna  for  the  hybrid electromagnetic solar
energy
harvesting and IoT application. Telkomnika
(Telecommunication Computing  Electronics  and  Control) , 21 (2),
290–301. https://doi.org/10.12928/TELKOMNI
KA.v21i2.24739
Prasetya, D. A., & Mujahidin, I. (2020). 2.4
GHz Double Loop Antenna with Hybrid Branch-Line  90-Degree  Coupler  for Widespread Wireless Sensor . https://doi.org/10.1109/eeccis49483.20
20.9263477
Sugiarto, S.  K., Mujahidin,  I.,  & Setiawan,
A.    B.    (2019).    2,    5    GHz    Antena Mikrostrip  Polarisasi  Circular  Model Patch Yin Yang untuk Wireless Sensor. JEECAE (Journal of Electrical, Electronics,  Control,  and  Automotive Engineering) , 4 (2), 297–300.
Suharjono, A., Mukhlisin, M., Wardihani, E. D.,  Muhlasah  Novitasari,  M.,  Khusna, E.  M.,  Feryando,  D.  A.,  Adi,  W.  T.,
Pramono,  S.,  Apriantoro,  R.,  & Mujahidin,  I.  (2023).  Performance Evaluation  of  LoRa  915  MHz  for  IoT
Communication System on Indonesian Railway  Tracks  with  Environmental Factor Propagation Analysis. Proceedings  of  the  2023  IEEE International  Conference  on  Industry 4.0, Artificial Intelligence, and
Communications  Technology,  IAICT
2023 .
https://doi.org/10.1109/IAICT59002.2 023.10205909 Su, Z., Klionovski, K., Liao, H., Chen, Y., Elsherbeni,  A.  Z.,  &  Shamim,  A. (2021).  Antenna-on-Package  Design: Achieving    Near-Isotropic  Radiation Pattern  and  Wide  CP   Coverage Simultaneously. IEEE Transactions on Antennas   and   Propagation , 69 (7). https://doi.org/10.1109/TAP.2020.304 4134
Suzuki,  A.,  Cothard,  N.,  Lee,  A.  T., Niemack, M. D., Raum, C., Renzullo, M.,  Sasse,  T.,  Stevens,  J.,  Truitt,  P., Vavagiakis, E., Vivalda, J., Westrook, B., & Yohannes,    D.    (2020).
Commercially    Fabricated   Antenna-
Coupled Transition Edge    Sensor Bolometer     Detectors      for     Next- Generation      Cosmic       Microwave Background  Polarimetry  Experiment. Journal  of  Low  Temperature  Physics . https://doi.org/10.1007/s10909-019- 02325-0
Zhou,  L.,  Martirez,  J.  M.  P.,  Finzel,  J., Zhang,  C.,  Swearer,  D.  F.,  Tian,  S.,
Robatjazi,  H.,  Lou,  M.,  Dong,  L., Henderson, L., Christopher, P., Carter, E.  A.,  Nordlander,  P.,  &  Halas,  N.  J.
(2020).  Light-driven  methane   dry reforming   with  single   atomic  site antenna-reactor plasmonic
photocatalysts. Nature     Energy . https://doi.org/10.1038/s41560-019- 0517-9