## RANCANG BANGUN ANTENA LOG PERIODIC DIPOLE ARRAY UNTUK PENGUKURAN RADIASI ELEKTROMAGNETIK BTS

## Haryo Dwi Prananto*, Priyo Wibowo
Pusat Penelitian Sistem Mutu dan Teknologi Pengujian, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
* Corresponding author, e-mail: haryo.dwi.prananto@lipi.go.id
Abstrak — Telah dilakukan rancang bangun antena mikrostrip log periodic dipole antenna (LPDA) yang akan  digunakan  sebagai  alat  ukur  radiasi  medan  elektromagnetik  pada  base  trransceiver  station  (BTS). Sebelum  dijadikan  alat  ukur  radiasi  medan  elektromagnetik  BTS,  karakteristik  antena  dilihat  terlebih dahulu dari sisi return loss, dan pola radiasi yang dihasilkan. Desain antena LPDA menggunakan spesifikasi khusus  dengan  parameter  τ  =  0.88  dan  σ  =  0.12.  Pembuatan  antena  secara  mikrostrip  dengan  bahan dielektrik  berupa  FR4  sebagai  substrat  dan  elemen  antena  berupa  tembaga.  Pengukuran  return  loss menggunakan network analyzer dan pola radiasi diukur di semi anechoic chamber 3 m di frekuensi operasi kerja BTS Indonesia (frekuensi 850, 900, 1800, 2100, dan 2300 MHz). Hasilnya pada setiap frekuensi nilai return loss yang didapat baik karena bernilai dibawah -10 dB. Sedangkan pola radiasinya yang dihasilkan berbentuk direksional pada setiap frekuensi. Pada frekuensi 850 dan 900 MHz back lobes yang ada pada pola radiasi yang dihasilkan cukup besar nilainya mendekati nilai main lobes . Sedangkan pada frekuensi 2100 MHz, side lobes yang ada mendekati nilai main lobes . Hal ini merupakan hasil yang kurang maksimal, sehingga antena LPDA yang dibuat cukup baik digunakan di frekuensi 1800 MHz dan 2300 MHz.
Kata Kunci : antena mikrostrip LPDA, return loss, dan pola radiasi
Abstract — The Microstrip Antenna Log Periodic Dipole Array has been design and create as measuring device  for  electromagnetic  field  on  base  transceiver  station  (BTS).  Before  it  use  for  measuring  device, characterictics of antenna must be known from return loss and radiation pattern. The design of antenna has special  specification  which  it  use  τ  =  0.88  and  σ  =  0.12  as  parameter.  Material  of  antenna  from  FR  4 dielectric material as substrate and element from chopper. Measuring return loss with networ analyzer and radiation pattern in 3 m semi anechoic chamber at frequencies 850, 900, 1800, 2100, and 2300 MHz. The result of return loss from each frequencies is good because the values is below than -10 dB. Whereas the radiation pattern is directional type to each frequency. Frequency antena at 850 and 900 MHz, back lobes that exist in the radiation pattern generated sizeable value approaching the value of the main lobes. While in the 2100 MHz frequency, side lobes that is closer to the value of the main  lobes. This is less than the maximum results, so that the antenna LPDA made pretty good use in the frequency of 1800 MHz and 2300 MHz.
Keywords : Microstrip antenna LPDA, return loss, and radiation pattern
Copyright © 2017 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Base  transceiver  station (BTS)  memegang
peranan penting dalam sistem komunikasi. BTS berperan penting dalam memfasilitasi komunikasi  nirkabel  antara  pengguna jaringan komunikasi  ( mobile  phone )  dengan  operator telekomunikasi seluler [1].
BTS menerima sinyal dari pengguna mobile phone (dalam  hal  ini sebagai  pengirim  sinyal) untuk  diproses  dan  dilanjutkan  ke  jaringan  dan ke  telepon lainnya  sebagai  penerima.  Sebelum dikirim  ke  penerima  sinyal  tersebut  diperkuat sampai level yang  dipersyaratkan.  Karena
sifatnya  sebagai  sarana  dalam  sistem transmisi komunikasi  ini,  maka  otomatis  BTS  akan menjadi sumber yang akan memancarkan radiasi medan  elektromagnetik,  yang  akan  memberi pengaruh pada lingkungan sekitarnya [2].
Untuk  mengetahui  seberapa  besar  medan elektromagnetik  yang  dipancarkan  oleh  BTS, diperlukan  antena  sebagai  pengukur  radiasi medan  tersebut.  Antena  yang  cukup  baik digunakan untuk keperluan tersebut adalah jenis antena log  periodic  dipole  array (LPDA). Antena  LPDA    merupakan  antenna  jenis direksional dan sangat baik untuk semua aplikasi yang membutuhkan rentang frekuensi yang lebar
disertai dengan penguatan yang wajar [3]. Selain itu  jika  jika  antenna  LPDA  dibuat  versi mikrostripnya,  kelebihannya  bertambah  yaitu ukuran  yang  kecil,  ringan,  mudah  dibuat,  pola radiasi yang terarah [4].
Berbagai penelitian-penelitian
telah dilakukan untuk pengembangan antenna mikrostrip LPDA. Seperti pada penelitian Karim dkk  [5],  antenna  LPDA  cetak  yang  dibuat memiliki rentang frekuensi yang luas yaitu pada rentang  UHF  (0,5  GHz  –  3  GHz)  dengan  nilai return  loss dan  pola  radiasi  dari  penelitian tersebut  pun  cukup  baik.  Nilai  return  loss  yang didapat penelitian tersebut adalah di bawah -10 dB  dari  rentang  0,5  GHz  –  4  GHz.  Sedangkan Pola  radiasinya  bernilai  tinggi  dan directional pada sudut 0  - 120  dan 240  - 360  . Hasil yang diperoleh dari penelitian tersebut didapat dengan rancangan  τ  sebesar  0.85.  Penelitian  lainnya dilakukan  oleh  Casula  dkk  [6]  dengan  rentang frekuensi  dan  perancangan  antena  LPDA  cetak yang berbeda. Rentang frekuensi yang digunakan adalah 2,4 – 3 GHz dan 5,2 – 5,8 GHz dengan τ = 0.95.
Penelitian-penelitian  diatas  menggunakan  τ 0.95  dan  0.85.  Pada  penelitian  ini  dibuatlah antenna  mikostrip  LPDA  dengan  pemilihan  τ sebesar  0.8  dan  σ  sebesar  0.12  dengan  rentang frekuensi  kerja  BTS  yaitu  800  MHz  –  2400 MHz.
Pemilihan  τ  dan  σ  didasarkan  pada pertimbangan  akan  dimensi  antenna  dan  gain yang  akan  digunakan.  Dengan  nilai  tersebut, dimensi  antena  akan  akan  menjadi  lebih berkurang namun dengan gain yang wajar yaitu berkisar  6.5  dB,  sehingga  cocok  menjadi pengukur  radiasi  BTS  yang  mudah  dibawa  dan tidak memerlukan penguat daya lagi.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Antena LPDA
Antena LPDA merupakan susunan antenna dipol  yang  dipasang  berurutan  dan  sejajar  [7]. Antena  tersebut  dapat  dibuat  dengan  beberapa ketentuan  berdasarkan  rentang  frekuensi  yang diinginkan.  Dimana  rentang  frekuensi  tersebut mempengaruhi  jumlah  elemen  antenna  yang ingin  dibuat  yaitu  sesuai  dengan  persamaan berikut [8]:
𝑁 = 1 + 𝑙𝑛 (𝐵 .𝐵 𝐴𝑅 ) 𝑙𝑛 ( 1 𝜏 ) (1)
B  merupakan bandwidth sedangkan  B AR merupakan bandwidth pada daerah aktif antena . B dan B AR didapatkan dari [9] :
B = 𝑓 𝑚𝑎𝑥 𝑓 𝑚𝑖𝑛 (2)
𝐵 𝐴𝑅 =  1,1  +  7,7(1 − 𝜏) 2 𝑐𝑜𝑡 𝛼 (3)
Definisi f max adalah  batas  atas  frekuensi maksimum dan f min adalah batas bawah frekuensi minimum  antena . Sedangkan  cot  α  merupakan sudut  antara feedline dengan  ujung  panjang elemen  antena.  Simbol  τ  merupakan  konstanta desain antena LPDA yang dapat ditentukan pada Gambar 1 sesuai dengan gain yang diinginkan .
Gambar 1. Kontur directivity antena LPDA yang ditunjukkan fungsi σ dengan fungsi τ [8] .
Kemudian  mencari  panjang  elemen  antena pada mikrostrip dengan menggunakan persamaan [5] : 𝑙 = 0.5 𝑥 𝑣/𝑓 (4)
Dimana 𝑣 merupakan  cepat  rambat  cahaya pada dielektrik suatu media yang dipakai dalam pembuatan  antenna  mikrostrip . Sedangkan 𝑓 adalah frekuensi yang digunakan .
Kemudian mencari jarak antara elemen satu dengan  elemen  (S n )  lainnya  menggunakan persamaan [6] :
𝑆 𝑛 =  𝜎 4𝑙 𝑛 (5)
Panjang dan jarak antar elemen selanjutnya dapat  dicari  melalui  τ  yang  dipilih  sebelumnya menggunakan persamaan berikut [7]:
𝜏 = 𝑙 𝑛 𝑙 𝑛+1 = 𝑆 𝑛 𝑆 𝑛+1 = 𝑤 𝑛 𝑤 𝑛+1 (6)

## 2.2. Return Loss
Return  loss merupakan  nilai  perbandingan antara  besarnya  amplitudo  dari  daya  yang dipantulkan  dengan  amplitudo  dari  gelombang yang  ditransmisikan.  Parameter  ini  umumnya dinyatakan  sebagai  perbandingan  dalam  satuan desibel  (dB)  dalam  tanda  negatif. Return  Loss dapat  didefinisikan  seperti  pada  persamaan  7 [10][11]:
𝑅 𝐿 =   −20 𝑙𝑜𝑔 10 |𝛤| (7)
Dimana 𝛤 merupakan koefisien refleksi (S 11 ).

## 2.3. Pola Radiasi
Gambar 2. Subklasifikasi lobes pada pola radiasi [7]
Pola  radiasi  merupakan  penggambaran distribusi  energy  yang  dipancarkan  antenna  di ruang  bebas.  Pola  radiasi  memiliki  berbagai bagian  yang  dinamakan lobes . Lobes dapat disubklasifikasikan   menjadi major  lobe , minor lobe,  side  lobe ,  dan back  lobe seperti  yang diperlihatkan pada gambar 2. Lobes yang ada di pola radiasi dapat menandakan sifat pancar suatu antenna.  Sifat  pancar  tersebut  dapat  berupa direksional (arah pancar ke hanya ke satu arah), omnidireksional  (arah  pancar  ke  berbagai  arah dengan  energy  pada  satu  bidang  sama  besar), ataupun isotropis (arah pancaran ke segala arah dengan  energi  sama  besar  di  pada  seluruh bidang) [7] .

## 3. METODOLOGI

## 3.1. Desain Antena Mikrostrip LPDA
Antena  dirancang  sesuai  dengan  rentang frekuensi  operasi  BTS  yaitu  di  rentang  800  – 2400  MHz,  τ  =  0.8  dan  σ  =  0.12 . Parameter- parameter tersebut digunakan dalam pembuatan desain  antenna  LPDA  dengan  menggubakan persamaan-persamaan  yang  dijelaskan  bagian sebelumnya .
Berdasarkan desain yang dibuat didapatkan antena  dengan  spesifikasi  yang  terlihat  pada tabel berikut ini :
Tabel  1.  Spesifikasi  desain  antenna  mikrostrip LPDA yang dibuat

## 3.2. Pembuatan Antena mikrostrip LPDA
Gambar  3  merupakan  antena  LPDA  cetak yang telah dibuat dengan dimensi 19.8 cm x 20.5 cm. Pembuatan antena menggunakan bahan FR4 sebagai  substrat  dan  tembaga  sebagai  elemen antenna.  Konektor  yang  digunakan  adalah female SMA connector dengan  lebar feedline 3.137 mm .
Gambar  3.  Foto  antenna  mikrostrip  yang  telah dibuat Dipole ln Sn wn 1 15.2 3.30 2 19.0 9.10 4.13 3 23.7 11.37 5.17 4 29.6 14.22 6.46 5 37.0 17.77 8.07 6 46.3 22.22 10.09 7 57.9 27.77 12.62 8 72.3 34.71 15.77 9 90.4 43.39 19.72

## 3.3. Pengukuran Return Loss
Gambar 4 menunjukkan pengukuran r eturn loss pada  antena  mikrostrip  LPDA  dengan menggunakan network  analyzer . Nilai return loss diambil pada rentang frekuensi kerja BTS di frekuensi  GSM  dan  CDMA  yang  aktif beroperasi di Indonesia yaitu frekuensi 850, 900 , 1800, 2100, dan 2300 MHz . [12]
Gambar  4 . Pengukuran return  loss antena mikrostrip  LPDA  menggunakan
network analyzer

## 3.4. Pola Radiasi
Gambar 5 dan 6 menunjukkan pengambilan data  pola  radiasi far-field pada semi  anechoic chamber 3 m. Pada gambar 5 , pengambilan pola radiasi di frekuensi dibawah 1 GHz (850 dan 900 MHz)  dimana  diantara  antena  yang  diukur  dan diukur  dipasang  ferit  sebagai  penyerap  medan elektromagnetik.  Sedangkan  pada  gambar  6 , pengambilan pola radiasi pada frekuensi diatas 1 GHz  (1800,  2100,  dan  2300  MHz)  yang penyerap  gelombang  elektromagnetik  berupa pyramid cone .
Gambar  5.  Pengukuran  pola  radiasi  antena mikrostrip LPDA di semi anechoic chamber 3 m di frekuensi dibawah
1 GHz.
Antena mikrostrip LPDA Cetak diletakkan pada  meja  yang  dapat  berputar  360  terhadap antena pengukur. Jarak antena pengukur dengan antena LPDA Cetak yang disebut antenna under test (AUT)  adalah  3  m  dimana  kedua  antenna berada  di  posisi  horizontal . Antena  pengukur merupakan  antena  jenis  bilog,  gabungan  antara antena  jenis  LPDA  dan bow-tie . Antena mikrostrip  LPDA  diberikan  sinyal  sebesar  80 dB  V  oleh signal  generator . Pola  radiasi diambil  pada  frekuensi  yang  sama  saat pengambilan data nilai return loss .
Gambar  6 . Pengukuran  pola  radiasi  antena mikrostrip LPDA di semi anechoic chamber 3 m di frekuensi diatas 1 GHz

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Return Loss
Data return  loss yang  didapat  pada frekuensi  kerja  BTS  ditampilkan  pada  tabel berikut:
Tabel 2 . Data return loss di setiap frekuensi Frekuensi (MHz) Return Loss (dB) 850 -11.576 900 -11.852 1800 -14.796 2100 -15.049 2300 -18.424 Nilai return  loss pada  semua  frekuensi yang  terdapat  pada  tabel  2  tersebut  termasuk baik karena nilainya dibawah -10 dB [13]. Nilai tersebut  menunjukkan  bahwa  gelombang  yang direfleksikan antena sangat kecil bila dibandingkan dengan gelombang yang salurkan. Hal  itu  menunjukkan  efisiensi  antena  sebagai antena pemancar maupun penerima .

## 4.2. Pola Radiasi
Gambar  7,  8,  9,  10,  dan  11  menunjukkan pola  radiasi  yang  dihasilkan  antena  mikrostrip LPDA pada frekuensi 850, 900, 1800, 2100, dan 2300  MHz.  Pola  radiasi  yang  dihasilkan  pada setiap  frekuensi  merupakan  pola  radiasi direksional. Hal tersebut dibuktikan pada setiap pola radiasi hanya memiliki sebuah main lobe . Pada  frekuensi  850, 900,  dan  1800  MHz, main lobe mengarah  ke  sudut  0°,  sedangkan  pola radiasi pada frekuensi 2100 dan 2300 mengarah ke sudut -10°.
Gambar  7.  Pola  radiasi  antenna  mikrostrip LPDA pada frekuensi 850 MHz.
Gambar  8.  Pola  radiasi  antenna  mikrostrip LPDA pada frekuensi 900 MHz.
Pada  frekuensi  850,  900,  dan  2300  MHz pola  radiasi  yang  dihasilkan  kurang  maksimal bila  dihubungkan  dengan  pola  radiasi  antenna LPDA yang berjenis direksional. Pada frekuensi 850  dan  900  MHz back  lobe yang  dihasilkan cukup  besar  dibanding  dengan main  lobe . Sedangkan  di  frekuensi  2100  MHz side  lobe
yang  dihasilkan  cukup  besar  mendekati main lobe .
Hal  tersebut  kurang  baik  karena  dapat menyebabkan pembacaan medan
elektromagnetik  tidak  terfokus  ke  satu  arah melainkan  dan  akan  mengganggu  pengukuran. Selain  itu  juga  akan  berpeluang  terjadinya kesalahan target saat pengukuran.
Penyebab  dari  hasil  tersebut  mungkin dikarenakan posisi connector SMA yang ada di ujung  dekat  elemen  antena  frekuensi  tinggi (Nilai L n yang kecil).
Gambar  9.  Pola  radiasi  antenna  mikrostrip LPDA pada frekuensi 1800 MHz.
Gambar  10.  Pola  radiasi  antenna  mikrostrip LPDA pada frekuensi 2100 MHz .
Connector SMA tersebut membuat elemen antena  di  frekuensi  rendah  (L n bernilai  besar) tetap  memancarkan  medan  elektromagnetnya saat di posisi 180° dengan nilai yang cukup besar . Sementara  untuk  frekuensi  1800  dan  2300 MHz,  pola  radiasi  yang  dihasilkan  cukup  baik karena main lobe yang dimiliki hanya ada 1 dan
-25 -20 -15 -10 -5 0 0 1020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30-20 -10 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 1020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30-20 -10 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 1020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30-20 -10 -30 -20 -10 0 0 1020 30 40 50 60 70
80 90
100 110 120 130 140 150 160 170 180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30-20 -10
back lobes serta side lobes nilainya tidak begitu besar dibandingkan main lobes yang dihasilkan.
Gambar  11.  Pola  radiasi  antenna  mikrostrip LPDA pada frekuensi 2300 MHz.

## 5. KESIMPULAN
Antena  mikrostrip  LPDA  telah  berhasil dibuat dengan rancangan rentang frekuensi 800 – 2400 MHz dengan parameter τ dan σ sebesar 0.8  dan  0.12  yang  berdimensi  kecil  sehingga mudah  dibawa.  Hasil  karakteristik return  loss yang didapat cukup baik karena bernilai dibawah -10 dB.  Sedangkan pola radiasi yang dihasilkan direksional  pada  setiap  frekuensi.  Namun  hasil pola radiasi yang dihasilkan pada frekuensi 850, 900, dan 2100 belum maksimal. Oleh karena itu desain  antena  ini  cukup  baik  digunakan  untuk pengukur  radiasi  BTS  di  frekuensi  1800  dan 2300 MHz.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Hidayat and D. Ginting, “Rancang bangun perangkat  pemantau  shelter  bts,” J.  Tek. Komput. Unikom - Komputika , vol. 2, no.
2, pp. 10–14, 2013.
[2] W. Ardiatna, A. N. Bakti, H. W. Nugroho, S.  W.  Hidayat,  J.  Sadrach,  and  S. Kadarwati,  “Analisis  Tingkat  Emisi Radiasi  Medan  Elektromagnetik  Dari BTS,” J.  Stand. ,  vol.  15,  no.  2, pp.  144– 152, 2013.
[3] G.  A.  Casula,  P.  Maxia,  G.  Montisci,G. Mazzarella,  and  F.  Gaudiomonte,  “A printed  LPDA  Fed  by  a  coplanar waveguide for broadband applications,”
IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. , vol. 12,  no.  August  2015,  pp.  1232–1235, 2013 .
[4] D. E. Anagnostou, J. Papapolymerou, M. M.  Tentzeris,  S.  Member,  and  C.  G. Christodoulou,  “A  Printed  Log-Periodic Koch-Dipole  Array  (  LPKDA  ),” IEEE Antennas  Wirel.  Propag.  Lett. ,  vol.  7,
2008 .
[5] M.  A.  Karim,  M.  Rahim,  and  H.  Majid, “Log  periodic  fractal  Koch  antenna  for UHF band applications,” Prog.
Electromagn. Res. , vol. 100, pp. 201–218,
2010 .
[6] G. A. Casula and P. Maxia, “A multiband printed  log-periodic  dipole  array  for wireless communications,” Int. J.
Antennas Propag. , vol. 2014, 2014. [7] C.  A.  Balanis, Antenna  Theory  Analysis and  Design ,  3rd  ed.  New  Jersey:  John Wiley & Sons, Inc, 2005 .
[8] R.  Carrel,  “The  Design  of  log-periodic dipole antennas,” Urbana, Illinois, 1961.
[9] M.  Bloom,  S.  Fagan,  J.  Morin,  N.  G. Hallas,  D.  F.  Pingree,  and  C.  Michaud, The  ARRL  Antenna  Book  for  Radio Communications ,  22th  ed.  Newington: ARRL, 2011 .
[10]  H. Andre and U. Khayam, “Antena Kupu -  Kupu  Sebagai  Sensor  Ultra  High Frequency  (  UHF  )  Untuk  Mendeteksi Partial  Discharge  Pada  Gas  Insulation Substation,” JNTE , vol. 2, no. 2, pp. 8–17,
2013 .
[11]  H.  Andre,  K.  Kananda,  A.  R.  Timor, Khairullah,  Erliawati,  and  Z.  Hendri, “Perancangan  Modifikasi  Antena  Kupu- Kupu  Panjang  Dual  Frekuensi  untuk Aplikasi  Hypherthermia,” JNTE ,  vol.  4, no. 2, pp. 207–214, 2015 .
[12]  www.worldtimezone.com,  “GSM  World Coverage  Map-  GSM  Country  List  by frequency bands,” 2016.  [Online]. Available:http://www.worldtimezone.co m/gsm.html. [Accessed: 26-Sep-2016].
[13]  R.  Hadinegoro,  Y.  K.  Ningsih,  and  I. Surjati, “Ultra-Wideband Notched Characteristic Fed by Coplanar
Waveguide,” Makara J. Technol. , vol. 18, no. 3, p. 105, 2015.
-30 -20 -10 0 0 1020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30-20 -10

## Biodata Penulis
Haryo  Dwi  Prananto ,  merupakan  peneliti  di Pusat  Penelitian  Sistem  Mutu  dan  Teknologi Pengujian LIPI, saat ini aktif sebagai anggota   kelompok   penelitian    Kompatibilitas
Elektromagnetik sejak tahun 2015.
Priyo  Wibowo ,  merupakan  peneliti  bidang Kompatibilitas  Elektromagnetik  dan  Aplikasi Pusat  Penelitian  Sistem  Mutu  dan  Teknologi Pengujian,LIPI.