## Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Circular Untuk Aplikasi 5G

## Diana Muttia Handika
Universitas Pancabudi, Indonesia
Received: 1 June 2022 Accepted: 6 June 2022 Published: 09 June 2022
Abstrak  : Pada  paper  ini  dirancang  antena  mikrostrip  circular  yang bekerja  pada  frekuensi  resonansi  26  GHz  dan  38  GHz.  Frekuensi  ganda dibangkitkan  dengan  menambahkan  U-slot  pada  bidang  patch, kemudian  penyesuaian  ketinggian  bertingkat  pada  slot  untuk mendapatkan  frekuensi  tengah  yang  diinginkan.  Hasil  simulasi  dari rancangan  mikrostrip  circular  untuk  frekuensi  26  GHz  diperoleh  nilai return  loss  -21,75  dB,  VSWR  1,17  dan  bandwidth  236  MHz,  sedangkan pada frekuensi 38 Ghz return loss -25,49 dB, VSWR 1,11 dan bandwidth 719 MHz. Nilai gain sebesar 8,12 dBi dengan pola radiasi unidirectional. Hasil  rancangan  telah  memenuhi  standar  antenna  untuk  jaringan  5G, dengan  radius  (a)  =  3,14  mm  dapat  diaplikasikan  pada  perangkat komunikasi nirkabel yang membutuhkan miniaturiasi antenna
Kata Kunci: 5G, Antena mikrostrip
DSI: Jurnal Data Science Indonesia is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0).

## PENDAHULUAN
Gelombang millimeter (mmWave) merupakan pita frekuensi radio tertinggi berada di band frekuensi 30 GHz –  300  GHz.  Ekplorasi  mmWave  untuk  jaringan  komunikasi  seluler  pita  lebar  sebagai  solusi  kekurangan bandwidth  yang  dihadapi  operator  nirkabel  secara  global  [1].  International  Telecomummunication  Union (ITU) World Radiocommunication Conference (WRC) 2019 menetapkan tiga pita frekuensi baru di mmWave untuk  5G  yaitu  26  GHz,  40  Ghz,  dan  66  GHz.  Jaringan  5G  dibeberapa  negara  sudah  mulai  digunakan  dan dikembangkan untuk mendukung perkembangan industri IoT saat ini. Indonesia saat ini belum secara resmi mengadopsi jaringan 5G, namun apabila layanan tersebut akan diimplementasikan, band frekuensi 26 GHz adalah  yang  paling  memungkinkan  digunakan  untuk  5G  di  Indonesia  karena  relatif  kosong  dibandingkan band frekuensi lain [2]. Dalam komunikasi nirkabel peranan antena sangat penting untuk meradiasikan dan menerima gelombang elektromagnetik [3]. Model rancangan antena mikrostrip yang beroperasi dual band 26 Ghz dan 38 Ghz dibuat untuk aplikasi jaringan komunikasi 5G di Indonesia. Beberapa literatur menjelaskan bahwa  penambahan  beban  U-Slot  dapat  menghasilkan  dua  frekuensi  yang  berbeda  [4].  Telah  banyak penelitian menggunakan teknik Uslot dalam pembuatan antenna mikrostrip untuk aplikasi wideband [5, 6, 7]. Target  dari  perancangan  adalah  dimensi  antena  yang  dibuat  sekecil  mungkin  namun  tetap  memenuhi spesifikasi  yang  dipersyaratkan,  sehingga  dapat  digunakan  pada  perangkat  komunikasi  yang  portabel  dan compact.  Kinerja  antenna  yang  diukur  adalah  return  loss,  VSWR,  gain,  Bandwidth,  dan  pola  radiasi menggunakan software CST Studio Suite.

## TINJAUAN LITERATUR
Dalam  merancang  sebuah  antena,  dibutuhkan  beberapa  parameter  yang  menjadi  perhatian.  Untuk merancang sebuah antena mikrostrip, juga dibutuhkan beberapa parameter, yaitu sebagai berikut :

## 1. Dimensi Antena
Langkah awal dalam merancang antena adalah menentukan bentuk dari patch serta dimensi patch tersebut. Seperti  yang  telah  dijelaskan  pada  bagian  sebelumnya,  masing-masing  bentuk  antena  memiliki  rumusan matematis untuk menentukan dimensi dari patch tersebut.
Selain bentuk dan dimensi patch, jenis substrat serta ketebalan dari substrat juga menjadi hal yang penting. Dengan menentukan jenis substrat yang terbuat dari bahan dielektrik dan tentu memiliki konstanta dielektrik.
Dengan menggunakan nilai konstanta dielektrik dari bahan yang digunakan serta ketebalan bahan dielektrik tersebut, secara matematis dapat ditentukan ukuran-ukuran yang diperlukan dalam merancang patch antena mikrostrip.

## 2. Impedansi Input
Impedansi  Input  adalah  adalah  rasio  tegangan  dengan  arus  pada  pasangan  terminal  atau  rasio  dari komponen  yang  bersesuaian  dari  medan  listrik  dengan  medan  magnetik  pada  suatu  titik.  Perbandingan tegangan dan arus pada terminalterminal tanpa beban,memberikan impedansi masukan sebesar Persamaan 1.
Z_A=R_A+jX_A (1) DimanaZ_A: = impedansi antena (Ω)
R_A = resistansi antena (Ω) X_A = reaktansi antena (Ω)

## 3. VSWR (Voltage Wave Standing Ratio)
VSWR merupakan perbandingan antara amplitude gelombang berdiri (standing wave) maksimum |Vmax| dan minimum  |Vmin|.  Standing  wave  dihasilkan  akibat  adanya  interferensi  antara  gelombang  refleksi  dan gelombang  maju.  Gelombang  refleksi  timbul  akibat  adanya  perbedaan  impedansi  antara  saluran  transmisi dan pengirim. Sehingga besarnya gelombang berdiri (standing wave) bergantung pada besarnya daya dari gelombang refleksi. VSWR dapat dirumuskan dalam Persamaan 2 dan 3.
VSWR=  (1+ Γ)/(1-Γ) (2) Dimana, Γ =( (Z_in-Z_0))/( (Z_in+Z_0)) (3)

## Zin = Impedansi input antena dan Z0 merupakan karakteristik saluran transmisi

## 4. Bandwidth
Bandwidth  adalah  salah  satu  parameter  yang  penting  dalam  perancangan  antena.  Sebuah  antena dirancang dapat bekerja pada Wideband ataupun Narrowband tergantung dari kebutuhan akan bandwidth. Bandwith merupakan parameter antena yang menunjukkan batas minimum dan maksimum frekuensi dimana antena  masih dapat bekerja secara optimal. Nilai dari antena dapat dipengaruhi oleh matching impedance dari  antena  tersebut,  sehingga  dalam  merancang  antena  diperlukan  perhatian  mengenai  matching impedance. Bandwidth dapat didefinisikaan secara matematis dengan Persamaan 4. B_w=  (fh-fl)/fc  x 100%
(4)
Dimana : 𝐵�𝑤� = Rasio Bandwidth 𝑓�𝑙� = Frekuensi Bawah 𝑓�ℎ = Frekuensi Atas 𝑓�𝑐� = Frekuensi Tengah

## 5. Return Loss
Return  Loss  didefinisikan  sebagai  perbandingan  antara  tegangan  yang  datang  atau  yang  direfleksikan dengan  tegangan  yang  keluar.  Perbandingan  tersebut  dinamakan  koefisien  refleksi  tegangan  yang dilambangkan dengan Γ. Untuk koefesien refleksi dapat juga dinyatakan dengan Persamaan 5. Γ=  Vr/Vl
(5)
Parameter return loss dapat juga dikatakan sebagai rugi-rugi pada transmisi, dikarenakan tidak seimbangnya impedansi  karakteristik  dengan  impedansi  beban.  Return  loss  pada  antena  yang  memenuhi  spesisifikasi adalah return loss yang bernilai <-10 dB. Maka semakin negatif nilai return loss maka semakin baik karena semakin sedikit rugi-rugi yang terjadi, hingga perangkat seperti antenna dapat bekerja dengan baik. Untuk mencari nilai parameter Return Loss diperoleh dengan Persamaan 6.
RL= 20 log Γ
(6)
Dimana Γ = koefisien pantul
𝑉�𝑟� = tegangan gelombang pantul (reflected wave) 𝑉�𝑖� = tegangan gelombang maju (incident wave)
RL = return loss (dB)

## METODE PENELITIAN
Dalam menentukan model rancangan antenna mikrostrip circular untuk mendapatkan dimensi antena yang minimalis yang beroperasi pada frekuensi 26 GHz dan 38 GHz perlu pertimbangan pemilihan bahan substrat. Bahan  substrat  yang  digunakan  jenis  Taconic  TLY-5  yang  memiliki  permitivitas  baik  dan  kemampuannya bekerja pada frekuensi yang tinggi (mmWave), dengan spesifikasi pada Tabel 1.  Pemilihan ketebalan subtrat akan mempengaruhi dimensi antena keseluruhan, semakin tebal substrat yang dipilih, nilai efisiensi dan gain mikrostrip semaikin besar, begitu sebaliknya.
Adapun spesifikasi parameter yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi Antena Jenis Substrat Epoxy FR4 Konstanta Dielektrik 2,2 Dielektrik Loss Tangen 0,009 Ketebalan Substrat 0,13 mm
Penambahan  beban  U-slot  pada  bidang  patch  untuk  mendapatkan  desain  antena  pada  frekuensi  kerja  26 GHz dan 38 GHz seperti terlihat pada Gambar 1.

## Gambar 1. Geometri antena dengan U-slot
Penambahan beban U-slot pada bidang patch untuk mendapatkan desain antena pada frekuensi kerja 26 GHz dan 38 GHz. Dimensi antena hasil simulasi pada Tabel 2.
Tabel 2. Dimensi antena dengan U- slot hasil simulasi Parameter Antena Dimensi (mm) Keterangan a 3,147 Jari-jari patch Lf 4,38 Panjang saluran pencatu Ls,Lg 9 Panjang substrat dan ground Wf 0,304 Lebar saluran Ws,Wg 9,5 Lebar substrat dan ground X0 0,5 Lebar e-shaped Y0 1,39 Panjang e-shaped Uw 1,688 Lebar U-Shaped U11 0,454 Panjang U-Shaped tingkat 1 U12 1,6 Panjang U-Shaped tingkat 2 Ua 0,192 Lebar U-Shaped tingkat 1 Ub 0,096 Lebar U-Shaped tingkat 1
Pemberian  beban  U-Slot  pada  patch  mengakibatkan  pergeseran  frekuensi  resonansi  [7],  sehingga penyesuaian  jari-jari  patch  dilakukan  untuk  mendapatkan  frekuensi  kerja  yang  ditetapkan.  Ukuran  substrat dan groundplane sama dan turut menyesuaikan dengan jari-jari patch yang lebih besar dibandingkan desain antena  tanpa  beban  U-slot.  Penyesuaian  sifat  dual  band  dengan  cara  mengubah-ubah  panjang  U-shaped bertingkat (Ul1 dan Ul2).

## H ASIL DAN P EMBAHASAN
Berdasarkan simulasi CST pada Gambar 2 menunjukkan nilai S11 sebesar -21,75 dB pada frekuensi 26 GHz dan -25,49 dB pada frekuensi 38 GHz.
Gambar 2 Grafik S11 dengan U-slot
Nilai VSWR yang ditunjukkan Gambar 3 sebesar 1,18 pada frekuensi 26 GHz dan pada frekuensi 38 GHz nilai VSWR-nya sebesar 1,11. Dari nilai-nilai tersebut bahwa rancangan antena dual frekuensi dapat bekerja optimum sesuai  parameter yang ditetapkan,  yaitu pada nilai return loss  ≤ 10 dB dan VSWR  ≤ 2. Besarnya bandwidth pada frekuensi 26 GHz adalah (26.126  – 25.888)MHz = 238 MHz, sedangkan pada frekuensi 38 GHz bandwidthnya adalah (38.369 – 37.468)MHz = 721 MHz.

## Gambar 3 Grafik VSWR Berdasarkan Simulasi
Hasil  impedansi  yang  baik  dengan  menghasilkan  nilai  impedansi  masukan  mendekati  impedansi karakteristik  saluran  transmisi  50  Ω  (kondisi  matching),  yaitu  mendekati  titik  tengah  lingkaran  dari  grafik smithchart  yang  merupakan  representasi  dari  impedansi  masukan  50  Ω  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar 4.

## Gambar 4. Grafik Smith Chart Impedansi Masukan
Berdasarkan hasil perancangan yang telah dilakukan pada alat penyiraman taman berbasis solar cell, maka dapat disimpulkan bahwa  pada tugas akhir ini berhasil dirancang dan disimulasi antena mikrostrip circular dengan U-slot, yang memiliki dimensi antena kecil. Penambahan beban U-slot pada patch membuat antena
beresonansi pada 2 frekuensi yang berbeda. Antena dapat bekerja pada frekuensi 26 GHz dan 38 GHz, serta memiliki nilai return loss, VSWR yang baik sehingga dapat diaplikasikan pada teknologi 5G.

## REFERENCES
[1] Teguh.F., Sabdo.P., Feti.F., Tri.H.F.N, “Antena Mikrostrip Rectangular Patch 1575,42 MHz dengan Polarisasi Circular untuk Receiver GPS”, Jurnal Nasional Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, 4(4), hlm.20-25, 2019.
[2]  Budi,  “Perancangan  Antena  Mikrostrip  Dipole  dengan  Fraktal  Koch  Pada  Frekuensi  453  MHz”, Universitas Medan Area, 2017.
[3]  C.A.Baanis,”Antenna Theory Analyisis And Design Fourth Edition, Canada; Jhon Wiley & Sos ], Inc, 2016 [4]  R.Fernandez,”Penggunaan  Dual-Layer  Substrare  untuk  Meningkatkan  Bandwidth  Antenna  Mikrostrip pada Frekuensi LTE”, Universitas Andalas, 2018.
[5]  A.S.Sukri,”Rancang Bangun Antena Mikrostrip Biquad”, Universitas Sumatera Utara,2018.
[6]  M.U.S.d.T Iqbal, “Implementasi Antena Wifi Sebagai Alterantif Penggunaan Antena”, Institut Teknologi Telkom, 2017.
[7]  E.Andrea Wijaya, “Rancang Bangun Antena Omnidirectional”, Politeknik Negeri Balikpapan, 2017.
[8]  Y.Rahayu,  M.Kurniati,  I.L.Qodriyah,  “Antena  Mikrostrip  Biosensor  untuk  Deteksii  Virus  pada  Darah”, Jurnal Teknik Energi Elektrik, Teknik Telekomunikasi, dan Teknik Eletronika, 9(3), hlm.604-618, 2021.
[9]  Marchellia, A.B.Simanjuntak, H.Madiawati, “Desain Antena Mikrostrip Persegi Menggunakan Kombinasi U-Slot dan Elemen Parasitik pada Frekuensi 2,4GHz”, Prociding The 12th Industrial Research Workshop and National Seminar, 2021.
[10]  S.Alam, N.M. Rizka, I, Surjati dan P.D. Marlina, “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Rectangular dengan Metode Parasitic untuk Meningkatkan Bandwidth”, Jurnal Tektrika, 5(1), hlm. 1-5, 2020.