## Penggunaan Dual-Layer Substrate untuk Meningkatkan Bandwidth Antena Mikrostrip pada Frekuensi LTE
Rudy Fernandez * , Febrian Akbar Pratama Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas
* Corresponding author, e-mail: rfernandez@ft.unand.ac.id
Abstrak — Bandwidth yang  sempit  merupakan  salah  satu  masalah  utama  dari  suatu  antena  mikrostrip. Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mendesain  antenna  mikrostrip  dengan  bandwith  yang  lebih  lebar. Penambahan bandwidth dilakukan dengan menerapkan dual-layer substrat. Lapisan bawah dibentuk dari rancangan  antena  mikrostrip circular dengan  menggunakan  formula  yang  berlaku  untuk  mendapatkan dimensi awalnya. Jika parameter antenna hasil simulasinya sudah memenuhi persyaratan yang ditentukan, maka  dimensi patch nya  digunakan  sebagai  landasan  untuk  membentuk  lapisan  atas  rancangan  antena namun  tanpa ground  plane .  Antena  ini  dirancang  dengan  menggunakan  substrat  FR4  yang  memiliki ketebalan 1,6 mm dengan konstanta dielektrik 4,3. Hasil simulasi dari rancangan antenna dual-layer pada frekuensi band 40 LTE menunjukkan  adanya penambahan bandwidth sebesar 46 %  dengan nilai return loss -23,45 dB, gain antenna 0.34 dB dan pola radiasi directional .

## Kata Kunci : Microstrip Antenna, Return Loss dan Dual-layer
Abstract — Narrow bandwidth is one of the problems in a microstrip antenna. Bandwidth enhancement is proposed  by  applying  dual-layer  in  the  substrate.  The  bottom  layer  is  made  from  a  single-layer  circular microstrip antenna design by applying the formula to get an initial dimension and then it is simulated by an EM Simulator to verify its performance whether meet the specific requirement. The dimension of optimized design is used as a dimension for the top layer but without the ground plane. The antenna uses substrate FR4 which has thickness of 1.6 mm with dielectric constant of 4.3. The simulation result of the dual-layer antenna in frequency band 40 LTE shows that there is an additional bandwidth of 46% with return loss - 23.45 dB, antenna gain 0.34 dB and directional radiation pattern.

## Keywords : Microstrip Antenna, Return Loss and Dual-layer

## Pendahuluan
Teknologi  4G  LTE  ( Long  Term  Evolution ) merupakan pengembangan dari teknologi telepon seluler  3G  ( third-generation )  dan  2G  ( second- generation ). Layanan ini pertama kali diluncurkan  di  Indonesia  pada  tahun  2013. Teknologi 4G di Indonesia pada saat ini bekerja pada frekuensi 1800 MHz dan 2300 MHz[1]. Pita frekuensi  2300MHz  disebut  juga Band 40  ini memiliki  rentang  frekuensi  2300  MHz  hingga 2400 MHz.
Sistem komunikasi seluler yang bekerja pada band 40, menggunakan antena untuk mengirimkan  dan  menerima  informasi  dalam bentuk gelombang radio. Antena yang digunakan memiliki  ukuran  yang  kecil,  tipis,  dan  ringan. Antena  mikrostrip  merupakan  sebuah  antena yang memenuhi kriteria tersebut [2]. Pembuatan
antena  ini  menggunakan  teknologi printed- circuit ,  sehingga  dapat  dibuat  dalam  berbagai macam bentuk. Disamping kelebihannya, antena ini  hanya  mampu  menangani  daya  yang  rendah dan bandwidth nya sempit ( narrow band ) [2].
Berbagai  metode  memiliki  telah  diusulkan untuk  meningkatkan bandwidth .  Pemilihan metode pencatuan merupakan hal penting dalam desain  antena  untuk  mendapatkan  parameter yang  diharapkan,  seperti  pencatuan coupled menghasilkan bandwidth impedansi sekitar 13%, tapi  tidak begitu mudah dibuat karena membutuhkan  keselarasan  yang  tepat  pada  saat difabrikasi  [3].  Metode  lain  yang  digunakan untuk  meningkatkan bandwidth biasanya  dari variasi  dari  berbagai  pendekatan.  Antara  lain adalah  pendekatan  secara  geometri  pada  antena dengan  pemberian shorts dan slots untuk
menciptakan  resonansi  atau  dikenal  dengan sebutan defected  ground  structure (DGS)  [4-5]. Kemudian penggunaan struktur Electromagnetic Band  Gap (EBG)  [6-7].  Terakhir,  penggunaan metamaterial  dengan negative  refractive  index juga  merupakan  pilihan  tapi  membutuhkan tantangan tersendiri dalam menganalisanya [8].
Balanis  [2]  menyarankan  bahwa,  dengan meningkatkan  ketebalan  substrat,  peningkatan bandwidth  bisa  dimungkinkan.  Salah  satu  cara meningkatkan  ketebalan  adalah  pemberian substrat  tambahan  sehingga  menjadi  4 layers dengan posisi patch antenna pada  lapisan 2 dan lapisan  4  [9].  Pada  penelitian  ini  digunakan  2 lapisan  saja.  Lapisan  bawah  merupakan  sebuah antenna  mikrostrip circular yang  bertindak sebagai  pemicu  dan  lapisan  atas  terdiri patch yang sama tanpa ground plane .

## Perancangan Antena
Bentuk antena mikrostrip yang dipilih adalah circular karena  efektif  untuk  dirancang  dalam konfigurasi multi-layer [10],  sesuai  dengan bentuk  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Pada gambar  ini  memperlihatkan  bentuk  dari  antena mikrostrip  dengan patch lingkaran,  dimana a merupakan  radius patch ,  t merupakan  ketebalan patch ,  h  merupakan  ketebalan substrate ,  dan  ε r adalah konstanta dielektrik substrate.
Gambar 1. Bentuk geometris antena mikrostrip

## circular
Dimensi  radius  dari patch lingkaran  pada antena  mikrostrip  di  atas  dapat  dihitung  dengan persamaan 1 berikut.
1 2 2 1 ln 1, 7726 2 r
F a h F F h                       
Dengan F adalah  fungsi  logaritmik  dari  elemen peradiasi  dan  ditunjukkan  oleh    persamaan  2 berikut:
9 8, 791 10 r r F f   
Substrate  yang  digunakan  untuk  dalam penelitian  ini  adalah  FR4  Epoxy  dengan ketebalan 1,6 mm,  konstanta dielektrik  4.4 dan dielectric  loss  tangent 0.02.  Hasil  perhitungan menunjukkan bahwa untuk antenna yang bekerja pada  frekuensi  resonansi  2.35  GHz  maka radiusnya  sekitar  17  mm  dengan  F  =  1.7833. Lokasi feed  point ditetapkan  dari  titik  tengah patch sejauh 0.5 mm dari radius patch yaitu 8.5 mm.  Dengan  memperhatikan ground  plane dari rancangan, maka dimensi totalnya adalah 44 mm x 44 mm seperti pada gambar 2.

## 44 mm
Feed point Patch Ground plane 34 mm 44 mm 5 mm 5 mm
Gambar 2. Rancangan antena mikrostrip circular hasil perhitungan
Kinerja dari sebuah antena mikrostrip dilihat dari parameter return loss dan VSWR nya. Jika return lossnya bernilai < -10 dB dan VSWR ≤ 2 pada  frekuensi  kerja  yang  diharapkan  dan  pola radiasi  yang  ditetapkan  yaitu directional untuk aplikasi teknologi LTE, maka dikatakan antenna ini  telah  bekerja  dengan  baik.  Jika  kinerja  dari rancangan hasil perhitungan ini belum memenuhi persyaratan,  maka  rancangan  tersebut  perlu dioptimasi.
Rancangan antena hasil optimasi ini dijadikan sebagai  lapisan  bawah.  Sedangkan  lapisan  atas akan  menggunakan  dimensi patch yang  sama seperti  yang  ada  pada  lapisan  bawah.  Bentuk rancangan  antena dual-layer pada  penelitian  ini seperti pada gambar 3 berikut.
(1)
(2)
Gambar 3. Bentuk geometris rancangan antena
mikrostrip dual-layer

## Hasil dan Pembahasan
Rancangan  hasil  perhitungan  disimulasikan dengan menggunakan suatu EM simulator untuk diuji kinerjanya lebih dahulu. Dari hasil simulasi menunjukkan  bahwa  tersebut  memperlihatkan return loss seperti pada gambar 4.:
Gambar 4. Return loss antena hasil perhitungan
Pada  gambar  diatas  cakupan  frekuensi  yang memenuhi  parameter  tersebut  adalah  dari  2.375 GHz  hingga  2.458  MHz.  Hal  ini  belum memenuhi  cakupan  2.300  –  2.400  MHz  yang diharapkan.
Rancangan antena hasil perhitungan dioptimasi dengan menguji posisi feeding point , dimensi ground  plane dan  jari-jari patch yang digunakan.  Agar  diperoleh  hasil  yang  optimum, posisi  awal feeding  point bertambah  sejauh  0.2 mm dari titik tengah patch , jari-jari patch menjadi 7.5  mm  dan  dimensi ground  plane menjadi  50 mm x 50 mm.
Dengan  menggunakan  perubahan  posisi  dan dimensi dari hasil optimasi, hasil simulasi antena menunjukkan return  loss , bandwidth dan gain seperti yang ditunjukkan pada tabel 1 berikut.
Tabel 1. Kinerja antena hasil optimasi No Parameter Target Hasil 1 Return loss (dB) ≤ -10 -24,28 2 Bandwidth (MHz) 100 73,2 3 Pita frekuensi kerja (MHz) 2300 – 2400 2319,7 - 2392,9 4 Gain (dB) ≥ 0 0.11 – 0.55
Pada tabel 1 dapat dilihat nilai return loss dan gain sudah memenuhi parameter yang disyaratkan.  Namun bandwidth dari  antena optimasi ini masih belum mencakup jaringan 4G LTE, sehingga perlu dilakukan teknik dual-layer pada subtract yang bertujuan untuk meningkatkan bandwidth dari antena tersebut.
Selanjutnya  rancangan  antena dual-layer seperti pada gambar 3 sebelumnya disimulasi kan untuk  dilihat  kinerjanya.  Nilai return  loss dan VSWR yang dicapai oleh rancangan antena dual- layer dapat dilihat pada gambar 6 dan 7 berikut.
Gambar 6. Return loss antena dual-layer
Pada gambar 6 ditunjukkan bahwa nilai return loss terkecil  pada  rancangan  antenna dual-layer yaitu -24.78 dB terjadi pada frekuensi 2.36 GHz. Sedangkan  pada  frekuensi  tengahnya  bernilai  - 23.45 dB. Kemudian pada gambar 7 dapat dilihat nilai VSWR yang diperoleh berada di rentang 1.3 – 1.9 pada rentang frekuensi target.
Nilai gain dan  pola  radiasi  hasil  simulasi rancangan  antena dual-layer ditunjukkan  pada gambar 8 dan gambar 9 berikut.
Gambar 8. Gain antena dual-layer
Gambar 9. Pola radiasi antena dual-layer
Kinerja  dari  rancangan  antena dual-layer ini selanjutnya  dibandingkan  dengan  rancangan antena single  layer dengan  memperhatikan capaian  nilai return  loss , bandwidth dan  nilai gain nya. Pada gambar 10 diperlihatkan perbandingan return  loss yang  diperoleh  untuk antena single layer dan dual-layer .
Gambar 10. Perbandingan Return Loss antara antena single layer dan dual-layer
Perbandingan  kinerja  antara  antena single layer dan antena dual layer disajikan dalam tabel 2 berikut.
Tabel 2. Perbandingan kinerja antena single layer dengan antena dual-layer No Parameter Single layer Dual-layer 1 Return Loss (dB) -24,288 -23,45 2 Gain (dB) 0,5245 0,34 3 Bandwidth (MHz) 73,2 107,3 4 Pita frekuensi kerja (MHz) 2319,7 - 2392,9 2298,8 - 2406,1
Pada tabel 2 diatas, walaupun nilai return loss pada rancangan antena dual-layer berkurang dari pada single  layer ,  tetapi  nilainya  masih memenuhi persyaratan yang diminta yaitu < -10 dB.  Sedangkan gain antena dual-layer walau mengalami  penurunan    sebesar  0.2  dB  namun masih tetap ≥ 0 dB. Dengan memperhatikan nilai return loss yang dipersyaratkan, diperoleh bahwa cakupan  frekuensi  kerja  2298,8  MHz    –  2406,1 MHz telah memenuhi rentang frekuensi Band 40 LTE.
Pada  gambar  9,  dapat  dilihat  bahwa  pola radiasi  dari  antena dual-layer yaitu  pola directional ,  sehingga  memenuhi  pola  yang diharapkan . Secara  keseluruhan  hasil  yang ditunjukkan  oleh  rancangan  memperlihatkan bahwa penerapan dual-layer substrat meningkatkan bandwidth dari  antenna  yang dirancang.
-23.00 -16.00 -9.00 -2.00 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 HFSSDesign1 Radiation Pattern 1 ANSOFT Curve Info dB(DirTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.35GHz' Phi='0deg'

## Kesimpulan
Penelitian  ini  telah  menghasilkan  rancangan antena  mikrostrip circular dengan dual-layer substrat  yang  bekerja  pada  frekuensi  band  40 LTE.  Hasil  simulasi  menunjukkan  antenna tersebut  memiliki  parameter  sebagai  berikut, reflection  loss =  -23.45  dB  dan gain =  0.34  dB pada  frekuensi  tengahnya.  Serta  antena  ini memiliki  pola  radiasi directional .  Penggunaan dual-layer substrat  telah  berhasil  meningkatkan bandwidth sebesar 46 %.

## Ucapan Terima Kasih (Acknowledgement)
Penelitian  ini  didanai  dalam  kegiatan penelitian  dosen  jurusan  teknik  elektro  Dana DIPA Universitas Andalas Tahun Anggaran 2017 No. 104/UN.16.09.D/PL/2017

## Daftar Pustaka
[1] Peraturan Menteri Komunikasi dan Informatika  Republik  Indonesia  No.27 Tahun  2015  tentang  Persyaratan  Teknis Alat dan/atau Perangkat Perangkat Telekomunikasi Berbasis Standar Teknologi Long Term Evolution. Jakarta:Menkominfo, 2015. [2] Balanis, Constantine A.  . Antenna Theory Analysis  and  Design,  Third  Edition .
Amerika : Wiley-Interscience , 2005.
[3] Khayat,  M.,  J.  T.Williams,  D.  R.  Jakson, and S. A. Long, “ Mutual coupling between
reduced
surface-wave microstrip antennas ,” IEEE Transactions on
Antennas and Propagation, Vol. 48, 1581– 1593, 2000
[4] Gonzalo, R., P. de Maagt, and M. Sorolla, “ Enhanced patch-antenna performance by suppressing surface waves using photonic - bandgap substrates ,” IEEE Transactions on  Microwave  Theory  and  Techniques, Vol. 47, No. 11, 2131–2138, 1999 [5] Boutayeb,  H.  and  T.  A.  Denidni,  “ Gain enhancement  of  a  microstrip  patch antenna
using a cylindrical
electromagnetic  crystal  substrate ,”  IEEE
Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, No. 11, 3140–3145, 2007 [6] Llombart, N., A. Neto, G. Gerini, and P. de
Maagt, “ Planar circularly symmetric EBG structures  for  reducing  surface  waves  in printed  antennas ,”  IEEE  Transactions  on Antennas  and  Propagation,  Vol.  53,  No.
10, 3210–3218, 2005
[7] Gauthier,  G.  P.,  A.  Courtay,  and  G.  H. Rebeiz, “ Microstrip antennas on synthesized low dilectric-constant substrate ,” IEEE Transactions on
Microwave  Theory  and  Techniques,  Vol.
45, 1310–1314, 1997.
[8] Pai  Yen  Chen  and  Andrea  Alù,  “ Sub- wavelength  Elliptical  Patch  Antenna Loaded  With  Negative  Metamaterials ,” IEEE  Transactions  on  Antennas  and Propagation, Vol. 58, Issue. 9, 2010 [9] Przesmycki, Rafal, dkk. Wideband Multilayer Microstrip Antenna Optimization  of  Dielectric Parameters  on Antenna Bandwidth . Microwave & Optoelectronics Conference IMOC,  2011.
[10] B.  J.  Kwaha,  O.  N  Inyang  &  P.  Amalu, “ The  Circular  Microstrip  Patch  Antenna Design and Implementation ”, International Journal  of  Research  and  Reviews  in Applied Sciences (IJRRAS), Vol 8, Issues 1, 2011

## Biodata Penulis
Rudy  Fernandez ,  Dosen  di  Jurusan  Teknik Elektro  Fakultas  Teknik  Universitas  Andalas sejak  tahun  1999.  Menyelesaikan  pendidikan Sarjana  pada  tahun  1997  dan  pendidikan Magister Teknik pada tahun 2010 di Universitas Indonesia.  Bidang  penelitian  difokuskan  pada antena dan komponen microwave.
Febrian  Akbar  Pratama ,  Alumni  Jurusan Teknik  Elektro  Fakultas  Teknik  Universitas Andalas.  Menyelesaikan  pendidikan  Sarjana pada tahun 2017.