## DESAIN SMART ANTENA MENGGUNAKAN METODE PHASE ARRAY UNTUK APLIKASI WLAN 2,4 GHz
Oleh : Yenniwarti Rafsyam 1 ,  Nuhung Suleman 2 , Jonifan 3
(1,2) Jurusan Teknik Elektro. Politeknik Negeri Jakarta (PNJ). Jln. Prof. Dr. G.A. Siwabessy, Kampus UI Depok. Telepon. (021) 7863534
(3) Staf Pengajar Universitas Gunadarma Jakarta. Jl. Margonda Raya No. 100 Pondok Cina. Depok

## Abstrak
Pada  penelitian  ini  dikembangkan  smart  antena  yang  mampu  memutar  pola  radiasi  antena  tanpa menggunakan motor tambahan. Pemutaran pola radiasi ini diusulkan menggunakan teknik phase array. Teknik phase array yaitu sebuah metode yang mampu mengubah phase dari sinyal yang berakibat pada perubahan  pola  radiasi  antena.  Pada  penelitian  ini  digunakan  sebuah  antena  yang  diberi  tambahan butler  matrik  yang  mampu  mengaplikasikan  swiching-beam  dengan  teknik  phase  array  sehingga  dapat mengatur beam sesuai yang diinginkan. Butler matriks ini bekerja pada frekuensi 2,4 GHz. Butler matrik ini  berfungsi  sebagai  pengubah  fasa  dan  pembagi  daya.  Hasil  simulasi  menunjukan  bahwa  keluaran memiliki  power  yang  tersebar  merata  dengan  fasa  pada  masing-masing  portnya  sebesar  0  ,  44  ,  -90  , dan 135  . Sementara itu, nilai S 11 kurang dari -10 dB pada masing-masing port. Sementara itu, efisiensi antena diperoleh lebih dari 72 % dengan gain lebih dari 8 dBi. Sementara pengarahan beamnya berada pada 2  , -20  , 6  dan -7  . Kata Kunci : Smart antena, pola radiasi, phase array , interferensi.

## 1. Pendahuluan
Pada  era  konvergensi  saat  ini  dibutuhkan customer  premise  eqiupments (CPEs)  yang mampu bekerja secara optimal, diantaranya yaitu  peningkatan  efisiensi  penggunaan pola  radiasi  ( beam )  antena.  Peningkatan efisiensi pola radiasi antena dapat dilakukan dengan menggunakan smart antena .
Smart  antena didefinisikan  sebagai  antena array  yang  menyesuaikan beam dengan lingkungan (kebutuhan) seperti yang dikemukakan oleh Ya-Chung Yu and Jenn- Hwan  Tarng  (2009).  Pola  radiasi  dari antena  mencerminkan  pola  pengarahan power  dari  antena  tersebut  seperti  yang dikatakan  oleh  Keon-Myung  Lee,  (2008). Apabila sebuah antena pemancar, memancarkan  radiasi  ke  antena  penerima dengan beam yang  tidak  optimum  maka mencerminkan  rendahnya  tingkat  efisiensi dan  cakupan  ( coverage )  antena  tersebut. Hal  ini  disebabkan  terdapat  power  yang terbuang secara percuma karena pola radiasi  yang  salah  yang  dikemukanan  oleh Keon-Myung  Lee,  (2008)  dan  Romeu,  J. Soler,  J  (2010). Smart  antena terbagi menjadi  dua  klasifikasi  seperti  yang dikemukan  oleh  Manoj,  J.  (2005)  sebagai berikut :
a. phased  array atau multibeam antena, terdiri  atas  beberapa fix  beam yang memiliki arah tertentu dan dapat dipilih mana saja yang akan diaktifkan,
b. adaptive antena aray, adalah  sebuah antena  array  yang  dapat  menerima sinyal secara bersamaan untuk kemudian  dikombinasi-kan  yang  dapat memaksimalkan nilai signal to interference  and  noise  ratio (SINR). Artinya bahwa main lobe antena selalu berada  pada  pancaran  utamanya, oleh Kin-Lu Wong. (2006).
Pada  penelitian  ini,  akan  dikembangkan smart  antena yang  mampu  memutar  pola radiasi  antena  tanpa  menggunakan  motor tambahan.  Pemutaran  pola  radiasi  ini diusulkan  menggunakan  teknik phase array .  Teknik phase  array yaitu  sebuah metode  yang  mampu  mengubah phase dari sinyal  yang  berakibat  pada  perubahan  pola radiasi antena.  Dengan kata lain pemutaran pola  radiasi  ini  menggunakan  manipulasi secara  elektrik,  sehingga  akan  lebih sederhana  dan  lebih  efisien  dibandingkan pemutaran  secara  mekanik.  Karena  tidak membutuhkan  motor  sebagai  tambahan seperti  yang  diusulkan oleh  Elhefnawy,  M. Ismail,  W  (2009) . Di  masa  depan, smart
antena pada
CPE
akan banyak menggunakan teknik phase array , sehingga power  radiasi  lebih  efisien  yang  berakibat pada  peningkatkan  umur  baterai  dan menurunkan interferensi.
Tujuan  khusus  pada  penelitian  ini  yaitu menghasilkan desain smart antena menggunakan  teknik phase  array untuk bekerja  pada  frekuensi  2,4  GHz  yang merupakan alokasi frekuensi WLAN. Batasan masalah penelitian ini yaitu, antena ini diharapkan memiliki nilai return loss < - 10 dB. Sehingga memiliki koefisien refleksi yang  rendah.  Parameter  kinerja  yang dirancang secara lebih lengkap meliputi : a.  frekuensi kerja : 2,4 GHz b.  frekuensi tengah  : 2,45 GHz
c. Return Loss :  < - 10 dB d.  VSWR : 1,0 – 2
Keutamaan  penelitian  ini  yaitu  dihasilkan desain smart antena yang sederhana namun mampu  memutar  pola  radiasi  antena  ke banyak  arah  tanpa  ditambahkan  motor pemutar,  sehingga  lebih  efisien  dan  lebih compact.

## 2. Metode Penelitian
Sementara  itu,  perancangan  antena  terbagi menjadi  tiga tahapan  seperti  terlihat  pada Gambar 1, pertama perancangan mikrostrip antena,  kedua  perancangan mikrostrip butler  matriks ,  dan  ketiga  pengintegrasiian antena  mikrostrip  dengan multibeam  butler matriks. Tahapannya adalah sebagai berikut.
a. Perancangan mikrostrip antena .
Pada  algorima  ini  akan  dijelaskan  terlebih dahulu spesifikasi antena yang akan dibuat, termasuk  jenis  antena  berupa  antena mikrostrip array yang  dapat  menghasilkan wideband .  Dapat  menggunakan mutual coupling sehingga terbangkitkan band yang lebar.  Perhitungan  nilai  bandwidth  yaitu saat nilai return loss kurang dari -10 dB.
Gambar 1. Tahapan perancangan
b. Perancangan miktrostrip butler- matriks .
Agar  dapat  bekerja  pada  frekuensi  lebar, maka butler  matriks yang  digunakan  harus dapat  bekerja  pada  frekuensi  lebar,  hal  ini dapat  dilakukan  dengan  memodifikasi butler matriks tersebut.
c. Pengintegrasian antena dengan butler-matriks
Apabila telah dilakukan perancangan antena dan butler  matriks maka  hal  selanjutnya adalah  pengintegrasikan  kedua  komponen tersebut  untuk  melihat  perubahan  yang terjadi,  untuk  kemudian  di  pabrikasi  dan dievaluasi.
Secara  tidak  langsung  pola  radiasi  dapat berubah  dengan  berubahnya  fasa  (α),  dan hal  ini  sesuai  dengan  persamaan  yang diusulkan oleh Bialkowski (2008).
Dimana :
Dari persamaan terlihat bahwa : β = konstanta propagasi,
I nm = Magnitude. α = phasa.

## 3. Perancangan Sistem
Penelitian  ini  memiliki  beberapa  tahapan utama diantara meliputi.
a. Perancangan mikrostrip antenna
Pada  perancanagan  pertama  kali  yaitu dilakukan  perancangan  antenna  mikrostrip single  patch .  Hasil  perancangan  antena single patch seperti terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Antena Single Patch Mikrostrip
b. Perancangan miktrostrip butler- matriks
Pada  perancangan butler  matriks ini  yang dilakukan  adalah  menentukan  dimensi butler matriks 4x4 yang memiliki spesifikasi  frekuensi  tengah  sebesar  2,45 GHz.  Untuk  menentukan  dimensi  dan merancang butler matriks, digunakan aplikasi piranti lunak ( software application ) yang  digunakan  khusus  untuk  perancangan pada  bidang microwave. Rangkaian  utama butler  matriks terdiri  atas  4  buah hybrid coupler dan  2  buah cros  over. Seperti terlihat pada Gambar 3.

## Hybrid Coupler
Nilai scatering matriks  dari hybrid coupler memenuhi persamaan berikut ini.
Sementara itu, hasil perancangan hybrid coupler terlihat seperti  pada Gambar 4.
Gambar 4. Desain hybrid coupler

## Cross Over
Nilai scatering matriks dari cross  over memenuhi persamaan berikut ini, oleh Ivica Stevanovi´c,  Anja  Skrivervik  dan  Juan  R. Mosig.
Sementara itu, hasil perancangan cross over terlihat seperti Gambar 5.
Gambar 5. Desain cross over

## Butler Matriks
Sementara  itu  hasil  perancangan butler matriks terlihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Desain lengkap butler matriks
Tahapan  terakhir  yaitu  pengintegrasian antena dengan butler-matriks , seperti terlihat pada Gambar 7.

## 4. Hasil dan Pembahasan
Perancangan
antena
array yang
dikombinasikan  dengan butler  matriks . Seperti terlihat pada Gambar 7 dan 8.
Gambar 7. Antena array dengan Butler Matriks
Gambar 8. Rangkaian PCB Antena array dengan Butler Matriks Apabila  dicatu  pada port  1 ,  maka  akan menghasilkan  nilai return  loss S 11 dari masing port 1 seperti terlihat  pada Gambar 9, dimana nilai S 11 pada frekuensi 2,45 GHz memiliki return loss kurang dari -10 dB.
Gambar 9. Nilai S 11 pada port 1
Pada port 1 nilai return loss S 11 telah sesuai spesifikasi    kurang        dari  -10  dB    yaitu sebesar  -13,85  dB.  Rendahnya  nilai  ini mencerminkan bahwa power yang
terpantulkan  kecil,  sehingga  nilai power yang  masuk  besar.  Batasan power yang dipantulkan  minimal  -10dB.  Semakin negatif  (kecil)  nilai  S 11 maka  kinerja perangkat tersebut semakin baik. Selain itu, apabila port 1  diberi power maka  akan menghasilkan arah pola radiasi terlihat pada Gambar 10.
Apabila  pada port 1  antena  tersebut  dicatu dengan power, maka power radiasinya akan mengarah  pada  sudut  2  .  Arah  ini menunjukkan  pancaran power yang  paling maksimum  berada  pada  sudut  2  pada  titik vertikal.
Analisa  selanjutnya  yaitu  melihat  kondisi dan karakter apabila power dicatu pada port 2.  Nilai return  loss S 11 dari port 2  seperti terlihat  pada  Gambar  11,  dimana  nilai  S 11 pada  frekuensi  2,45  GHz  sebesar  kurang dari -10 dB.
Nilai  ini return  loss S 11 ini  telah  sesuai spesifikasi      kurang      dari  -10  dB  yaitu sebesar  -18,55  dB.  Hal  ini  mencerminkan, bahwa antena ini apabila dicatu pada port 2 dengan  frekuensi  2,45  GHz  telah  bekerja sehingga  dapat  di  analisa  arah  pola radiasinya.
Gambar 11. Nilai S 11 pada port 2
Arah pola radiasi apabila power dicatu pada port 2 terlihat pada Gambar 12.
Gambar 12. Arah radiasi antena pada port 2
Apabila  pada port 2  antena  tersebut  dicatu dengan power , maka power radiasinya akan mengarah  pada  sudut  -20  .  Hal  ini menunjukkan  perubahan  arah power utama radiasi dari 2  ke -20  . Sehingga menunjukkan  bahwa  perubahan  lokasi
pencatu dari port 1 ke port 2 akan merubah arah power radiasi  sebesar  22  .  Hal  ini menunjukkan  bahwa  antena  ini  dapat berubah  arah  radiasinya  tanpa  dilakukan pemutaran antena secara fisik
(mempergunakan  motor)  tetapi  cukup dilakukan menggunakan switch yang merubah catu dari port 1 ke port 2.
Tahapan  selanjutnya  yaitu  menganalisa nilai return  loss dan  arah  radiasi  apabila antena  dicatu pada port 3. Nilai return loss S 11 dari port 3  terlihat  pada  Gambar  13, dimana  nilai  S 11 pada  frekuensi  2,45  GHz. Batasan power yang      dipantulkan minimal  -10dB.  Semakin  negatif  (kecil) nilai  S 11 maka  kinerja  perangkat  tersebut semakin baik.
Gambar 13. Nilai S 11 pada port 3
Pada port 3 nilai return loss S 11 telah sesuai spesifikasi  yaitu  kurang  dari  -10  dB  yaitu sebesar -22,3 dB. Tahapan selanjutnya yaitu menganalisa  poerubahan  pola  radiasi  nya. Arah  pola  radiasinya  terlihat  pada  Gambar 14.
Gambar 14. Arah radiasi antena pada port 3
Apabila  pada port 3  dicatu  dengan power , maka power radiasinya  akan  mengarah pada sudut 6  . Sehingga terdapat perubahan arah  pola  radiasi  dari  -20  ke  arah  6  .  Hal
ini  menunjukkan  perubahan  pola  sebesar 26  .  Ini  memberikan  pembuktian  bahwa menggunakan  metoda butler  matrik akan merubah  fasa  sekaligus  akan  memberikan perubahan arah radiasi.
Tahapan  terakhir  yaitu  menganalisa return loss dan  arah  pola  radiasi  apabila  antena tersebut  dicatu  pada port 4.  Nilai return loss S 11 pada port 4  seperti  terlihat  pada Gambar 15, dimana nilai S 11 pada frekuensi 2,45 GHz.
Gambar 15. Nilai S 11 pada port 4
Pada port 4 nilai return loss S 11 telah sesuai spesifikasi kurang dari -10 dB yaitu sebesar -19,49  dB.  Nilai  ini  mencerminkan  bahwa power yang  terpantulkan  kecil,  sehingga nilai power yang masuk untuk di radiasikan antena besar.
Apabila  dicatu  pada port 4  maka  akan menghasilkan  arah pola radiasi pada sudut -7  seperti  terlihat  pada  Gambar  16. Perubahan dari 6  ke -7  yaitu sebesar 13  .
Gambar 16. Arah radiasi antena pada port 4
Hasil  perancangan  lebih  lengkap  seperti ditunjukkan pada Tabel 1, secara keseluruhan hasil telah memenuhi spesifikasi  yang  diharapkan.    Selain  itu, pada hasil simulasi juga ditunjukkan bahwa
efisiensi  antena  ini  sebesar  72%  dengan gain 8 dBi .
Tabel 1. Hasil rancangan smart antena
Hasil  perancangan  menunjukkan  bahwa antena  yang  dihasilkan  mampu  bekerja secara multibeam dengan  menggunakan butler matriks. 5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang diperoleh dalam penelitian ini adalah sebagai berikut. a. Multibeam dapat  dihasilkan  dengan mengkombinasikan antara antena mikrostip array dengan butler matriks dengan  mengaplikasikan  teknik phase array sehingga  mampu  menjadi sebuah    ntenna  yang smart karena dapat  mengatur beam sesuai  yang diinginkan.
b. Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa keluaran memiliki power yang tersebar merata  dengan  fasa  pada  masing- masing port nya  sebesar  0  ,  44  ,  -90  , dan 135  .

## 5.2  Saran-saran
Saran dari hasil dan pembahasab penelitian ini adalah perlu dilakukan penelitian lanjut tentang bagaimana gain pada antena dapat ditingkatkan lagi dengan menggunakan parastik.

## DAFTAR PUSTAKA
Bialkowski, Design of fully integrated 4x4 and 8x8 butler matrices in microstrip/slot  technology  for  Smart Antennas , 2008, Antennas and Propagation Society International
Symposium, AP-S IEEE S-11.
Elhefnawy,  M.  Ismail,  W, A  Microstrip Antenna  Array  for  Indoor  Wireless
Dynamic Environments,

## IEEE
Transac-tions  on  Antennas  and
Propagation . Vol  :  57.  Pp  :  3998  – 4002, 2009. Keon-Myung Lee, A triangular  microstrip patch antenna for multi-band applications Microwave  Conference ,
2008, APMC 2008, Asia-Pacific. pp 1
– 4. 2008.
Kin-Lu Won, A low-profile planar monopole  antenna  for  wideband
operation  of  mobile  handsets , IEEE
Transactions on Antennas and Propagation vol.  51  pp  121  –  125, 2006.
Manoj,  J, Compact  planar  wideband antenna”  Antennas  and  Propagation Society International Symposium, vol. 1B . pp : 471 – 474, 2005. Romeu,  J.  Soler,  J. Generalized  Sierpinski fractal  wideband  antenna”  Journal
IEEE Transactions on Antennas and Propagation ,  vol.  49  pp.  1237  – 1239. 2010. Ya-Chung  Yu  and  Jenn-Hwan  Tarng, A
Novel  Modified  Wideband  Planar
Inverted-F  Antenna ,  Journal IEEE Antennas  And  Wireless  Propagation Letters ,  vol.8,  pp  189-192.  April 2009.