JTERA (Jurnal Teknologi Rekayasa), Vol. 8, No. 2, Desember 2023, Hal. 255-260 Terakreditasi “ Peringkat 3” oleh Kemenristek/BRIN, Nomor SK: 85/M/KPT/2020 DOI: 10.31544/jtera.v8.i2.2023.255-260

## Desain dan Simulasi Antena Dielectric Resonator pada Frekuensi X-band
Yudi Barnadi # , Ase Suryana, Ajeng Kurnia Viev Jurusan Teknik Elektro, Universitas Widyatama Bandung Jl. Cikutra No. 204A, Bandung 40125, Jawa Barat, Indonesia
# yudi.barnadi@widyatama.ac.id

## Abstrak
Penelitian ini menyajikan desain dan simulasi dari antena dielectric resonator pada X-band. Penggunaan dielectric resonator ini  pada  sebuah  desain  antena  dimaksudkan  agar  mendapatkan  nilai  Q  faktor  yang  sangat  tinggi  sehingga diharapkan  gain  dari  antenna  ini  lebih  baik  dibandingan  antena  mikrostrip  pada  umumnya  dimana  antena  mikrostrip memiliki  nilai  Q  faktor  sekitar  50.  Antena  ini  didesain  pada  frekuensi  9,8  GHz  yang  terdiri  dari  dua  lapisan copper dimana lapisan atas berisi sebuah dielectric resonator dan jalur feeding microstrip 50 Ohm untuk menghasilkan medan magnet  di  sekitar dielectric  resonator tersebut  dan  pada  lapisan  bawah  berisi  lapisan ground .  Penggunaan dielectric resonator ini  dimaksudkan  untuk  dapat  meningkatkan  performa  dari  antena  dimana  akan  mempengaruhi  beberapa parameter  ukur  dari  antena  diantaranya  adalah  perubahan  pada  frekuensi  resonansi,  polarisasi  antena,  impedansi  dan pola radiasi  dari antena.  Desain antena ini disimulasikan  dengan menggunakan software simulasi  3D  elektromagnetik untuk mengetahui performansi dari antena yang didesain. Dari hasil simulasi antena ini diperoleh nilai return loss (S11) sebesar 53,7 dB, fractional bandwidth sebesar 0,055%, dan gain sebesar 6,42 dBi pada frekuensi 9,84 GHz.
Kata kunci: dielectric resonator , antena mikrostrip, X-band, feeding microstrip , software 3D elektromagnetik

## Abstract
This  research  presents  the  design  and  simulation  of  a  dielectric  resonator  antenna  in  the  X-band.  The  use  of  this dielectric  resonator  in  an  antenna  design  is  intended  to  obtain  a  very  high  Q  factor  value  so  that  the  gain  of  this antenna is expected to be better than microstrip antennas in general where microstrip antennas have a Q factor value of around 50. This antenna is designed at a frequency of 9.8 GHz which is consists of two layers of copper where the top layer contains a dielectric resonator and a 50 Ohm microstrip feeding line to  produce a magnetic field around the dielectric  resonator  and  the  bottom  layer  contains  a  ground  layer.  The  use  of  a  dielectric  resonator  is  intended  to improve  the  performance  of  the  antenna  which  will  affect  several  measuring  parameters  of  the  antenna,  including changes  in  the  resonance  frequency,  antenna  polarization,  impedance  and  radiation  pattern  of  the  antenna.  This antenna  design  is  simulated  using  3D  electromagnetic  simulation  software  to  determine  the  performance  of  the designed  antenna.  From  the  simulation  results  of  this  antenna,  a  return  loss  (S11)  value  of  53.7  dB,  fractional bandwidth of 0.055%, and gain of 6.42 dBi at a frequency of 9.84 GHz were obtained.
Keywords: dielectric resonator, microstrip antenna, X-band, microstrip feeding line, 3D electromagnetic software

## I. P ENDAHULUAN
Antena  merupakan  sebuah  devais  yang  dapat memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetik  dalam  sebuah  sistem  komunikasi wireless .  Antena  mikrostrip  banyak  digunakan dalam  sistem  komunikasi  antena  dikarenakan banyak  memiliki  keunggulan  dibandingkan  dengan antena jenis lainnya diantaranya adalah low profile , murah  untuk  dibuat,  ringan,  dan  kemudahan  dalam integrasi  dengan  sirkuit  terpadu  gelombang  mikro
[1].  Pada  [2],  antena dielectric  resonator (DRA) telah  diinvestigasi  oleh  sejumlah  peneliti  dalam beberapa  tahun  terakhir  ini  dikarenakan  adanya banyak  keunggulan  yaitu  memiliki  konstanta dielektrik  yang  tinggi,  rugi-rugi  daya  yang  rendah, dan  lainnya  sehingga  dapat  meningkatkan  kualitas atau performansi dalam sistem komunikasi.
Dielectric  material umumnya  dibuat  dari  bahan keramik  dan  diproduksi  dalam berbagai bentuk  dan ukuran.  Beberapa  bentuk  dari dielectric  material yang  umum  digunakan  pada  literatur  adalah
berbentuk  silinder,  persegi  panjang,  setengah lingkaran, dan setengah bola. Dari bentuk dielectric material yang umum  digunakan  ini, bentuk silinder menawarkan  fleksibilitas  konfigurasi  yang  lebih besar dimana perbandingan antara radius dan tinggi dapat  mengontrol  frekuensi  resonansi  dan  faktor kualitas (Q).
Sebuah  DRA  ini  memiliki  sebuah  lapisan dielectric dan sebuah  lapisan konduksi  yang berada pada  permukaan  lapisan  dielektrik  seperti  yang ditunjukan pada [3]. Sama seperti antena microstrip lainnya,  DRA  memiliki  parameter  seperti  pola radiasi,  gain, bandwidth , return  loss .  Gain, bandwidth ,  dan  polarisasi  dari  sebuah  DRA  dapat dengan  mudah  dikontrol  menggunakan  teknik desain yang berbeda diantaranya adalah:
1. Teknik feeding
2. Teknik peningkatan bandwidth 3. Desain low profile dan compact Selain  itu,  beberapa  literatur  mengenai  DRA dapat  diaplikasikan  pada  aplikasi  di  frekuensi tinggi.  Pada  [4],  disajikan  sebuah  review  mengenai konsep  dasar  dari  DRA,  panduan  dalam  mendesain DRA dan juga pengembangan terbaru dalam desain DRA  pada  frekuensi millimeter  wave .  Sebuah desain  DRA  berbentuk  T  telah  didesain  agar mendapatkan  sebuah gain antena  yang  tinggi ditunjukan  pada  [5]  dimana  antena  ini  beroperasi pada  frekuensi  Ku-band.  Antena  ini  menggunakan sebuah dielectric material silinder pada bagian atas dan  dimuati  sebuah dielectric  material berbentuk disk sehingga  berbentuk  T  dan  menghasilkan  gain antena  sebesar  16.13  dBi  dengan beamwidth yang lebih  sempit  jika  dibandingkan  dengan  DRA konvensional.
Sebuah  desain  DRA  dengan  menggunakan kombinasi  dari dielectric  material MgTiO 3 (MTO) and  CoTiO 3 (CTO)  berbentuk  silinder  bertujuan untuk aplikasi wideband disajikan dalam [6]. Kedua dielectric  material ini  memiliki  nilai  dielektrik konstan  pada  rentang  5  hingga  20.  Desain  DRA lainnya  yang  berbentuk  silinder  pada  aplikasi  C- band  juga  ditunjukan  pada  [7].  Desain  DRA  ini menggunakan  dua  buah dielectric  material yang memiliki  nilai  dielektrik  konstan  yang  berbeda, yaitu  polyflon  polyguide  dengan  dielektrik  konstan sebesar  2.32  yang  ditempatkan  pada  bagian  bawah dan  Roger  RO3010  dengan  dielektrik  konstan sebesar  10,2  yang  ditempatkan  pada  bagian  atas. Gain yang  dihasilkan  dari  desain  DRA  ini  yang menggunakan  dua  buah coaxial  feeding adalah sebesar 8.1 dBi dan menaikkan bandwidth lebih dari 40%.
Aplikasi  antena dual  band (C-  dan  X-band) dengan  menggunakan dielectric  resonator telah didesain  pada  [8]  dimana  menggunakan aperture
coupled  feeding dan dielectric  resonator yang memiliki  dielektrik  konstan  sebesar  12,94.  Dari hasil  pengukuran  dari  desain  DRA,  pada  frekuensi resonansi  6.1  GHz  diperoleh  persentase  fractional bandwidth  (%FBW)  sebesar  4%,  beamwidth sebesar 84  , gain sebesar 5,9 dBi dan faktor kualitas sebesar  2188,  sedangkan  pada  frekuensi  8,3  GHz diperoleh  %FBW  sebesar  6%,  beamwidth  sebesar 130  ,  gain  sebesar  5.5  dBi  dan  faktor  kualitas sebesar  3345.  Walaupun  nilai  dielektrik  konstan yang digunakan pada desain DRA ini rendah, tetapi bisa  menghasilkan  faktor  kualitas  yang  tinggi sehingga  DRA  ini  dapat  digunakan  pada  aplikasi komunikasi satelit. Selain itu, pada literatur [9]-[13] disajikan  desain  DRA  dengan  berbagai  bentuk dielectric  resonator dan  teknik feeding serta beroperasi  pada  frekuensi microwave hingga millimeter wave .
Pada  penelitian  ini  menyajikan  desain  dan simulasi  dari  antenna dielectric  resonator yang beroperasi  pada  frekuensi  X-band  yaitu  9.8  GHz. Dieletric  resonator yang  digunakan  berbentuk silinder  dengan  nilai  dielektrik  konstan  yang  tinggi dan  menggunakan  jalur feeding microstrip .  Hasil simulasi  diperoleh  dengan  menggunakan  software simulasi  3D  elektromagnetik  dimana  disajikan dalam  bentuk  grafik  S 11 ,  gain  dari  antena,  dan  pola radiasi dari antena yang didesain.

## II. M ETODE P ENELITIAN
Antena  yang  diusulkan  ini  menggunakan dielectric  resonator dan  beroperasi  pada  frekuensi 9,8 GHz dengan  menggunakan jalur feeding berupa jalur microstrip seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Dielectric  resonator yang  digunakan  adalah  dari murata  dengan  tipe Dielectric  Resonator  U  Series (DRD065U020-029)  dimana  memiliki dielectric constant (ε r )  sebesar  38  sesuai  dengan  datasheet pada  [8].    Antena  ini  didesain  menggunakan  PCB substrate  F4BMX220  dimana  pada  bagian  atas terdapat  jalur  microstrip  dengan  sebuah dielectric resonator dan  pada  bagian  bawah  terdapat  lapisan copper sebagai ground .  PCB  substrate  F4BMX220 memiliki  ketebalan  (h)  sebesar  1,5  mm, dielectric constant (ε r )  sebesar  2,2,  dan loss  tangent (tan δ ) sebesar 0.001.
Frekuensi operasi dari dielectric resonator dapat dihitung  dengan  pendekatan  dari  persamaan  pada [7] sebagai berikut:
(1)
dimana 𝑓 𝑜 merupakan  frekuensi  kerja  dari  antena yang  diusulkan  dalam  GHz,  c  adalah  kecepatan 𝑓 𝑜 = 6.324 × 𝑐 2𝜋 2 + 𝜀 𝑟 0.27 + 0.36 𝑎 2 × ℎ + 0.02( 𝑎 2 × ℎ ) 2
cahaya  dalam free  space (3x10 8 m/s),  a  adalah radius dari dielectric resonator , dan h adalah tinggi dari dielectric  resonator .  Sedangkan  untuk  jalur feeding yang  berupa  microstrip  dapat  dihitung dengan  menggunakan  persamaan  pada  [14]  sebagai berikut:
untuk ,
(2)
dengan  nilai  B  dihitung  menggunakan  persamaan (3) sebagai berikut:
(3)
Berdasarkan datasheet dari  MuRata  [15],  faktor kualitas  (Q)  dari  resonator  ini  dapat  dihitung menggunakan persamaan berikut:
(4)
Dimensi  dari  antena dielectric  resonator yang didesain  pada  frekuensi  9,8  GHz  dan  jalur feeding microstrip  sebesar  50  dapat  dihitung  dengan menggunakan  persamaan  dari  1-3.  Tabel  1 menampilkan  ukuran  dari  antenna  yang  diusulkan setelah  dilakukan  optimisasi  untuk  mendapatkan hasil simulasi yang baik.

## Gambar 1. Antena dielectric resonator
Tabel 1. Detail dimensi dari antena yang didesain
Parameter Nilai (mm) Panjang substrate, L 35 Lebar substrate, W 35 Tebal substrate, h 1,5 Tebal jalur copper , t 0,035 Lebar jalur microstrip, W L 4,725 Panjang jalur microstrip, L L 16,5 Diameter luar dielectric resonator , D o
6,5 Diameter dalam dielectric resonator , D i 2

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Hasil  simulasi  dari  optimisasi  yang  dilakukan pada  desain  antena dielectric  resonator diperoleh dari software CST  untuk  melihat  nilai  S 11 atau return loss seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 dan  Gambar  3.  Pada  Gambar  2  menampilkan adanya  perbedaan  nilai  S 11 disebabkan  variasi  dari radius  dalam  dari dielectric  resonator (r i ).  Jika dielectric  resonator berbentuk  solid  (r i =  0),  maka diperoleh  nilai  S 11 sebesar  -21,8  dB  pada  frekuensi 9,2  GHz  dan  -46,1  dB  pada  frekuensi  10,61  GHz sehingga  antena  ini  dapat  beroperasi  pada  kedua frekuensi  tersebut.  Apabila dielectric  resonator berbentuk  ring  dengan  r i sebesar  1  mm,  maka frekuensi resonansi akan berada pada frekuensi 9,84 GHz  dengan  nilai  S 11 sebesar  -53,7  dB.  Sedangkan apabila r i sebesar  2  mm,  maka  nilai  S 11 diperoleh  - 25 dB pada frekuensi 11,3 GHz. Variasi dari radius dalam  dari  dielectric  resonator  ini  terhadap  nilai S11 secara lebih detil dapat dilihat pada Tabel 2.
Pada  Gambar  3  disajikan  nilai  S 11 sebesar  -53,7 dB  pada  frekuensi  9,84  GHz  dimana  antena dielectric resonator ini didesain. Pada frekuensi ini, nilai  faktor  kualitas  (Q)  dapat  dihitung  dengan menggunakan persamaan (3) yaitu:
sehingga  diperoleh  nilai  Q  sebesar  4488,3.  Ini berarti  bahwa  nilai  faktor  kualitas  (Q)  yang  besar akan menyebabkan bandwidth menjadi sempit. Dari grafik  S 11 pada  Gambar  3  dapat  ditentukan bandwidth dari  antena  ini  adalah  sebesar  0,543 GHz. Fractional  bandwidth (FBW)  dari  antena  ini adalah sebesar:
maka  berdasarkan  perhitungan,  antena  ini  hanya memiliki  persentase  FBW  (%FBW)  sekitar  5.5%. Hal ini berarti antena ini termasuk ke dalam narrow band  antenna karena  persentase  FBW  dibawah 20%.
Tabel 2. Perbedaan nilai S 11 dan frekuensi resonansi terhadap radius dalam (r i ) dari dielectric resonator r i (mm) frekuensi resonansi (GHz) S 11 (dB) 0 9,2 -21,8 10,61 -46,1 1 9,84 -53,7 2 11,3 -25
𝑊 ℎ ≥ 2 𝑊 ℎ = 2 𝜋 𝐵 − 1  − ln 2𝐵 − 1  + 𝜀 𝑟 − 1 2𝜀 𝑟 ln 𝐵 − 1  + 0.39 − 0.61 𝜀 𝑟 𝐵 = 60𝜋 2 𝑍 𝑐 𝜀 𝑟 𝑄 ≥ 100000 2 × 𝑓 𝑜 + 2.6
𝑄 ≥ 100000 2 × 9.84 × 10 6 + 2.6 = 4488,3
𝐹𝐵𝑊 = 𝑓 ℎ − 𝑓 𝑙 𝑓 𝑐 = (10.054 − 9.511) 9.836 = 0.055
Gambar 2. Hasil simulasi S 11 untuk variasi radius dalam dari dielectric resonator
Gambar 3. Hasil simulasi S 11 untuk diameter dalam dari dielectric resonator (D i ) sebesar 2 mm
Gambar 4. Pola radiasi dari antena dielectric resonator
Gain  dari  antenna dielectric  resonator yang didesain  pada  frekuensi  9,84  GHz  ini  diperoleh sebesar 6,42 dBi seperti digambarkan pada Gambar 4.  Selain  itu, antena  ini  terlihat  memiliki main  lobe ke satu arah atau tergolong antena berarah yaitu ke arah  depan  dari  antena  tersebut.  Sedangkan back lobe dari  antena  ini  sangat  kecil  yaitu  -22,7  dBi dikarenakan  adanya  lapisan ground pada  bagian belakang dari antena ini.
Pada  Gambar  5  ditunjukkan  hasil  simulasi  pola radiasi dari antena yang didesain pada 2D yaitu pola radiasi  pada  bidang  elevasi  digambarkan  pada
Gambar  5.a  dan  pola  radiasi  pada  bidang  azimut digambarkan pada Gambar 5.b. Apabila pola radiasi dari  antena  ini  dilihat  dari  bidang  elevasi  maka terlihat  bahwa  berkas beam dari  antena  ini mengarah  pada atas  antena  sedangkan  berkas  beam ke bagian bawah antena ini sangat kecil. Walaupun jika  dilihat beam antena  ini  tergolong  ke  dalam wider  beamwidth .  Sedangkan  apabila  dilihat  dari bidang  azimuth  maka  akan  terlihat  jelas  bahwa antena  ini  merupakan  antena  yang mengarah  pada satu arah saja.

## IV. K ESIMPULAN
Antena dengan menggunakan dielectric resonator pada  frekuensi  9,8  GHz  telah  didesain dan  disimulasikan  dengan  menggunakan software CST.  Berdasarkan  hasil  simulasi,  nilai  diameter dalam  dari dielectric  resonator dipilih  sebesar  2 mm  agar  mendapatkan  nilai  S 11 sebesar  -53,7  dB pada  frekuensi  9,84  GHz,  nilai  faktor  kualitas  dari antena  yang  didesain  ini  diperoleh  sebesar  4488,3 dan bandwidth operasi  sebesar  0,543  GHz.  Antena dielectric  resonator ini  dipilih  menggunakan  jalur feeding microstrip.  Pada  penelitian  selanjutnya, antena dielectric resonator ini dapat di array untuk mendapatkan  nilai  gain  yang  lebih  besar  dan  pola radiasi yang lebih sempit.
(a) Pola radiasi pada bidang elevasi
(b). Pola radiasi pada bidang azimut
Gambar 5. 2D hasil simulasi pola radiasi antena dielectric resonator

## R EFERENSI
[1] S. Majeed, D. Goyal,  “Review Paper For Dielectric Resonator  Antenna,” International  Journal  of Creative Research Thoughts (IJCRT) , vol. 6, no. 2, pp. 1095-1103, 2018.
[2] A. P. da. Costa, G. Fontgalland, A. Gomes Netoand A.  S.  B.  Sombra,  “YIG  Matrix  Based  Multiband
Magneto-Dielectric Cylindrical Resonator Antenna,” J.  Microw.  Optoelectron.  Electromagn. Appl. , vol. 20, no. 2, pp. 348–358, Jun. 2021.
[3] K.  Vipul  and  J.  R.  Panchal,  “Dielectric  resonator antenna  and  its  design  parameters-A  review,” International  Research  Journal  of  Advanced Engineering and Science , vol. 2, no. 4, pp. 128-133,
2017.
[4] S.  Keyrouz  and  D.  Caratelli,  “Dielectric  Resonator Antennas:  Basic  Concepts,  Design  Guidelines,  and
Recent Developments
at Millimeter-Wave
Frequencies,” International  Journal  of  Antennas and Propagation , vol. 2016, 2016.
[5] L.  Y.  Feng  and  K.  W.  Leung,  “T-shaped  dielectric resonator  antenna  with  a  high  antenna  gain,” Electron. Lett. , vol. 59, pp. 12674, 2023.
[6] U.  Ullah,  W.  F.  F.  W.  Ali,  M.  F.  Ain,  N.  M. Mahyuddin,  and  Z.  A.  Ahmad,  “Design  of  a  novel dielectric  resonator  antenna  using  MgTiO3– CoTiO3  for  wideband  applications,” Materials  &
Design , Vol. 85, 2015.
[7] H. Gharsallah, L. Osman, and L. Latrach, “A Novel Cylindrical  DRA  for  C-Band  Applications,”
International  Journal  of  Advanced  Computer Science  and  Applications  (IJACSA) ,  vol.  7,  no.  8,
2016.
[8] D.  Batra,  S.  Sharma, and  A.  K.  Kohli,  “Dual-Band Dielectric  Resonator  Antenna  for  C  and  X  Band Application,” International  Journal  of  Antennas and Propagation , vol. 2012, 2012.
[9] A.  A  Abdulmajid,  S.  Khamas,  and  S.  Zhang, “Wideband  high-gain  millimetre-wave  three-layer hemispherical dielectric  resonator  antenna,” Progress  In  Electromagnetics  Research ,  vol.  103, pp. 225-236, 2020.
[10] A.  Dadgarpour,  B.  Zarghooni,  B.  S.  Virdee,  T.  A. Denidni,  and  A.  A.  Kishk,  “Mutual  Coupling Reduction  in  Dielectric  Resonator  Antennas  Using Metasurface  Shield  for  60-GHz  MIMO  Systems,” IEEE  Antennas  and  Wireless  Propagation  Letters ,
vol. 16, pp. 477-480, 2017.
[11] A. Kesavan, M. Al-Hassan, I. Ben Mabrouk, and T. A.  Denidni,  “Wideband  Circular  Polarized Dielectric Resonator Antenna Array for Millimeter- Wave  Applications,” Sensors ,  vol.  21,  no.  11,  p. 3614, May 2021.
[12] A.  Gaya,  M.  H.  Jamaluddin,  B.  Alali,  A.  Ayman, and  A.  Althuwayb,  “A  novel  wide  dual  band circularly  polarized  dielectric resonator  antenna  for milli  meter  wave  5G  applications,” Alexandria Engineering  Journal ,  vol.  61,  no.  12,  pp.  10791- 10803, 2022.
[13] M.  D.  Alanazi  and  S.  K.  Khamas,  “Wideband Circularly Polarized Millimeter Wave
Hemispherical  Dielectric  Resonator  Antenna,”
Micromachines , vol. 14, no. 2, p. 436, Feb. 2023.
[14] J.  S  Hong, Microwave  Filters  for  RF/Microwave Applications,  2nd  Ed. ,  John  Wiley  &  Sons,  Inc., 2011.
[15] Katalog  dielectric  resonator  (Resonomics)  dari MuRata. Available:
https://www.rf-
microwave.com/resources/products_attachments/5a 4386ccb68ea.pdf.