ISSN(p): 2338-8323 | ISSN(e): 2459-9638 | Vol. 8 | No. 1 | Halaman 150 - 162
DOI : http://dx.doi.org/10.26760/elkomika.v8i1.150

## Desain U-slot Ganda untuk Meningkatkan Bandwidth Antena MIMO 5G Millimeter-wave

## EFRI SANDI, WISNU DJATMIKO, RIZKITA KURNIA PUTRI
KBI Elektronika Komunikasi Universitas Negeri Jakarta, Indonesia Email: efri.sandi@unj.ac.id
Received 20 April 2019 | Revised 19 Juli 2019 | Accepted 8 November 2019

## ABSTRAK
Pada  penelitian  ini  dikembangkan  rekayasa  antena  mikrostrip  (MSA)  dengan penambahan  U-slot  ganda  untuk  meningkatkan  performansi  bandwidth  antena mikrostrip. Penelitian sebelumnya berfokus pada penambahan U-slot tunggal dan didesain untuk frekuensi di bawah 15 GHz. Kebutuhan utama antena 5G adalah memiliki  bandwidth  yang  lebar  dan  kemampuan  Multiple  Input  Multiple  Output (MIMO). Untuk itu perlu dikembangkan desain antena MIMO 5G dengan bandwidth yang lebih lebar pada frekuensi millimeter-wave 28 GHz sebagai kandidat utama alokasi frekuensi untuk komunikasi seluler 5G. Pada penelitian ini diajukan teknik desain  antena  MIMO  dengan  penambahan  rekayasa  U-slot  ganda  untuk meningkatkan performansi bandwidth. Hasil kalkulasi dan simulasi menunjukkan bahwa  dengan  penambahan  U-slot  ganda,  dihasilkan  peningkatan  performansi bandwith  sebesar  68%  dibandingkan  desain  antena  tanpa  U-slot.  Jika dibandingkan  dengan  hasil  penelitian  U-slot  sebelumnya,  penambahan  U-slot ganda menghasilkan peningkatan bandwidth sebesar 76%.
Kata kunci : U-Slot ganda, antena 5G millimeter-wave, MIMO, bandwidth

## ABSTRACT
In this study, a microstrip antenna (MSA) was developed with the addition of a double U-slot to improve bandwidth performance. Previous studies have focused on adding single U-slots and designed for frequencies below 15 GHz. The main requirement for 5G antennas is high bandwidth performance and multiple input- multiple  output  capabilities  (MIMO).  Therefore,  it  is  necessary  to  develop  a  5G MIMO antenna with broader bandwidth at the millimeter-wave frequency 28 GHz as the primary candidate for frequency allocation for 5G cellular communication. In this study, MIMO antenna design techniques were proposed with the addition of a double U-slot method to improve bandwidth performance. The calculation and simulation results show that with the addition of a double U-slot, an increase in bandwidth performance of 68% compared to antenna designs without U-slots and 76% when compared to using a single U-slot in previous studies.
Keywords : Double U-Slot, millimeter-wave 5G antenna, MIMO, bandwidth

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi komunikasi seluler saat ini dalam tahap memasuki generasi ke-5 (5G) yang mempunyai tantangan untuk mencapai kecepatan tinggi, efisiensi daya dan keandalan sistem (Warren & Dewar, 2014) . Menurut (Ericsson Ab, 2016) , parameter teknologi 5G akan mengembangkan kecepatan data yang sangat tinggi, reabilitas tinggi, latensi yang sangat rendah dan konsumsi energi yang efisien. International Telecommunication Union (ITU) dalam (ITU-R.2083-0) ,  merekomendasikan  parameter  kunci  yang  harus  dipenuhi  dalam pengembangan teknologi 5G adalah kecepatan data 10-20 Gbit/s, kecepatan penerimaan ( user experiences) 100 Mbit/s, latency 1 ms, kemampuan mobility 500 km/h, connection density 106 perangkat/km 2 , efisiensi energi 100 kali IMT-Advanced, efisiensi spektrum 3 kali IMT-Advanced serta kapasitas area trafik 10 Mbit/s/m 2 .
Salah satu perangkat penting dalam teknologi 5G adalah perangkat antena yang mendukung kinerja jaringan teknologi 5G. Teknologi seluler 5G membutuhkan antena yang mempunyai performansi tinggi, sistem transmisi Multiple Input-Multiple Output (MIMO) dan beamforming (Swindlehurst, dkk, 2014) . Menurut (Ancans, dkk, 2017) terdapat beberapa kandidat alokasi  frekuensi  pada  daerah millimeter-wave  yang  dapat  digunakan  untuk  mendukung kebutuhan  spektrum  lebar  sistem  komunikasi  5G. (Kim,  dkk,  2016) merekomendasikan teknologi 5G bekerja pada frekuensi millimeter-wave (24 -28 GHz). Khusus untuk Indonesia, penelitian (Hikmaturokhman, dkk, 2018) merekomendasikan teknologi 5G bekerja pada daerah C-Band  dan  millimeter-wave  28  GHz.  Dengan  demikian,  dibutuhkan  desain  dan pengembangan antena 5G yang bekerja pada frekuensi millimeter-wave untuk mengantisipasi kebutuhan teknologi 5G yang akan segera diluncurkan.
Salah  satu  jenis  antena  yang  banyak  digunakan  dalam  aplikasi  sistem  komunikasi  saat  ini adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip dipilih karena memiliki kelebihan dari ukuran fisik antena, profil yang sederhana dan mudah difabrikasi. Namun, antena mikrostrip mempunyai kelemahan  dari  sisi bandwidth  yang  sempit,  keterbatasan  gain  dan  efisiensi  yang  rendah (Garg, 2000) . Dalam berbagai penelitian dan rekayasa antena mikrostrip, para perancang antena telah berusaha mencari solusi untuk meningkatkan performansi bandwidth dan gain antena  mikrostrip.  Salah  satu  teknik  yang  dikembangkan  adalah  menggunakan patch  slot berbentuk U untuk memberikan pelebaran bandwidth dengan meningkatkan kopling induktif dan mengurangi faktor Q antena (V.P Patil, 2012) .
Beberapa  penelitian  lainnya  menunjukkan  pengaruh  penambahan  U -Slot  terhadap peningkatan  performansi bandwidth  antena  mikrostrip.  Penelitian (Kevin,  dkk,  2017) mengusulkan perancangan antena rectangular patch dengan U-slot pada frekuensi 15 GHz. Hasil  penelitian  ini  dapat  meningkatkan bandwidth  sebesar  400  MHz  dibandingkan  dengan antena  tanpa  U -slot.  Penelitian (Darimireddy,  dkk,  2015) mengusulkan  perancangan antena triple layer dengan double U-slot pada frekuensi 3.8 GHz menghasilkan performansi bandwidth  sebesar  600  MHz.  Selanjutnya  penelitian (Suaibur,  dkk,  2013) mengusulkan perancangan double  U-slot  patch  antena  untuk  aplikasi  WiMAX  menghasilkan  peningkatan bandwidth sebesar 4.22%, 1.87%, dan 3.51% pada setiap band WiMAX dan terakhir pada penelitian (Ardianto,  dkk,  2019) penggunaan U-slot  mampu  menghasilkan  bandwidth sebesar 1,62 GHz dan gain sebesar 7,52 dB pada frekuensi 28 GHz. Hasil-hasil penelitian ini menunjukkan  bahwa  penambahan U-slot  pada  elemen  peradiasi  (patch)  antena  mikrostrip telah terbukti mampu meningkatkan performansi bandwidth antena.
Sehingga dalam penelitian ini dikembangkan rekayasa U-slot dengan pengembangan desain U-slot ganda pada frekuensi millimeter-wave teknologi seluler 5G. Diharapkan hasil rekayasa
dan  pengembangan  desain U-slot  ganda  ini  mampu  memperlebar  bandwidth  dan meningkatkan gain antenna MIMO 5G dibandingkan dengan hasil-hasil penelitian sebelumnya sehingga mampu memenuhi spesifikasi teknologi 5G pita lebar dan high gain.

## 2. DESAIN DAN PERANCANGAN ANTENA
2.1 Antena Mikrostrip

## Gambar 1. Struktur Antena Mikrostrip (Balanis, 2005)
Antena  mikrostrip  didefenisikan  sebagai  salah  satu  jenis  antena  yang  mempunyai  bentuk seperti potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil. Antena mikrostrip terdiri dari tiga lapisan.  Lapisan  tersebut  adalah conducting  patch,  substrate  dielektrik,  dan  ground  plane seperti yang terdapat pada Gambar 1.

## 2.2 Spesifikasi Antena
Penentuan  spesifikasi  antena  berdasarkan  tujuan  perancangan,  yaitu  membuat  antena mikrostrip yang sesuai dengan kriteria pada aplikasi teknologi seluler 5G pada daerah frekuensi millimeter-wave.  Adapun  spesifikasi  yang  diharapkan  dapat  dicapai  oleh  antena  yang  akan dirancang ditampilkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi Rancangan Antena
Parameter Keterangan Frekuensi Kerja 27 – 29 GHz Frekuensi Tengah 28 GHz Bandwidth > 2 GHz Impedansi 50Ω Gain > 9 dB VSWR < 1,5 Return Loss < -20 dB Side Lobe Level < -13 dB

## 2.3 Perancangan Desain Antena
Metode dan proses perancangan antena 5G ini dimulai dari tahap kalkulasi untuk menentukan beberapa parameter dimensi patch dan substrate antena, yang dibutuhkan untuk frekuensi millimeter-wave  28  GHz.  Perancangan  dimensi  antena  ditentukan  berdasarkan  persamaan
yang  umum  digunakan  dalam  mengihitung  dimensi  mikrostrip (Balanis,  2005) .  Untuk menghitung lebar patch (W) menggunakan Persamaan (1) :
W C
2f r εr 1 2 (1)
c = Kecepatan cahaya pada ruang bebas (3x10⁸ m/s) f = Frekuensi kerja antena yang diingin kan (Hz)
ε = Permitivitas substrat
untuk menghitung panjang patch (Lp) dirumuskan sebagai berikut,
menghitung 𝜀 ,
𝜀 0.04 1 (2)
menghitung ∆L ,
∆L 0.42 𝑥 ℎ . . . . (3) menghitung L ( patch),
L 1 2 𝑥 𝑓 𝑥  𝜀 𝑒𝑓𝑓 𝑥  𝜇 0 𝜀 𝑟 2 𝑥 ∆𝐿 (4)
untuk menentukan lebar ground plane dan substrate, W 6h W (5)
untuk menentukan panjang ground plane dan substrate.
L 𝒈 6ℎ L (6)
Untuk  menentukan  dimensi U-slot  dirumuskan  melalui  pendekatan  berikut, (Kevin,  dkk, 2017).
Gambar 2. Struktur U-slot (Kevin, 2017)
Penambahan struktur U-slot pada patch harus menggunakan perhitungan parameter C, D, dan F sesuai dengan persamaan berikut (Kevin, dkk, 2017) :
0.3 (7) 𝐷 2 𝐿 ∆𝐿 𝐹 (8) 𝐹 (9)
Bahan yang digunakan dalam perancangan antena mikrostrip ini adalah tembaga pada patch dan groundplane  setebal  0,035  mm.  Bahan  substrate  digunakan  Duroid  RT5880  dengan permitivitas  ( ε ) sebesar 2,2  dan  tebal yang  digunakan adalah 1,575 mm. Hasil  rancangan antena U-slot  ganda  untuk  antena  MIMO  5G  millimeter-wave  disimulasikan  menggunakan software CST Microwave Studio 2016 seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan Gambar 4.
Gambar 3. Dimensi U- Slot
Gambar 4. Antena MIMO 2T2R (2 Transmit 2 Receive)

## 3. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
3.1 Hasil Simulasi Antena menggunakan U-slot Ganda
Proses simulasi akan menghasilkan nilai-nilai parameter performansi antena yang dirancang sehingga pada saat proses fabrikasi performa antena sudah dapat diketahui kemampuannya. Untuk mendapatkan frekuensi kerja sesuai spesifikasi yang diinginkan, maka return loss pada
rentang frekuensi 27 GHz – 29 GHz bernilai < -20 dB. Pada Gambar 5 didapatkan nilai return loss di ANTENA 1 pada frekuensi tengah 28,023 GHz sebesar -20,35 dB dengan bandwidth sebesar 2,845 GHz. Pada Gambar 6 diperoleh nilai return loss ANTENA 2 pada frekuensi tengah 28,023 GHz sebesar -20.34 dB dengan bandwidth sebesar 2,823 GHz.
Gambar 5. Return Loss dan Bandwidth Antena 1
Gambar 6. Return Loss dan Bandwidth Antena 2
Besarnya gain yang diinginkan berdasarkan Tabel 1 adalah > 9 dB. Pada Gambar 7 didapatkan nilai gain maksimum di ANTENA 1 pada frekuensi 28 GHz sebesar 11,16 dB dan pada Gambar 8 didapatkan nilai gain maksimum di ANTENA 2 pada frekuensi 28 GHz sebesar 11,15 dB.
Gambar 7. Gain Antena 1

## Gambar 8. Gain Antena 2
Besarnya VSWR yang diinginkan berdasarkan Tabel 1 adalah < 1,5. Pada Gambar 9 didapatkan nilai  VSWR  minimum di  ANTENA 1  berada  pada  frekuensi  tengah  28,028 GHz  dengan  nilai sebesar  1,212  dan  pada  Gambar  10  didapatkan  nilai  VSWR  minimum  di  ANTENA  2  pada frekuensi tengah 28,023 GHz dengan nilai sebesar 1,213.

## Gambar 9. VSWR Antena 1

## Gambar 10. VSWR Antena 2
Besarnya  SLL  yang  diinginkan  berdasarkan  Tabel  1  adalah  <  -13  dB.  Pada  Gambar  11 didapatkan nilai SLL minimum di ANTENA 1 pada frekuensi 28 GHz sebesar -13,5 dB. Pada Gambar 12 didapatkan nilai SLL minimum di ANTENA 2 juga sebesar -13,5 dB.
Gambar 11. Side Lobe Level Antena 1
Gambar 12. Side Lobe Level Antena 2

## 3.2 Hasil Simulasi Antena tanpa U-slot Ganda
Untuk memperoleh perbandingan hasil pengembangan U-slot ganda, maka dilakukan simulasi rancangan antena tanpa U-slot ganda sebagai pembanding. Pada Gambar 13 didapatkan nilai return  loss  di  ANTENA  1  pada  frekuensi  tengah  28,069  GHz  sebesar  -12,284  dB  dengan bandwidth sebesar 1,689 GHz. Pada Gambar 14 didapatkan nilai return loss di ANTENA 2 pada frekuensi tengah 28,069 GHz sebesar -12,295 dB dengan bandwidth sebesar 1,693 GHz.
Gambar 13. Return Loss dan Bandwidth Antena 1
Gambar 14. Return Loss dan Bandwidth Antena 2
Besarnya gain yang diinginkan pada Tabel 1 spesifikasi antena adalah > 9 dB. Pada Gambar 15 didapatkan nilai gain maksimum di ANTENA 1 pada frekuensi 28 GHz sebesar 10,86 dB dan pada Gambar 16 didapatkan nilai gain maksimum di ANTENA 2 pada frekuensi 28 GHz juga sebesar 10,86 dB.
Gambar 15. Gain Antena 1

## Gambar 16. Gain Antena 2
Pada Gambar 17 didapatkan nilai VSWR minimum di ANTENA 1 berada pada frekuensi tengah 28,069 GHz dengan nilai sebesar 1,642 dan pada Gambar 18 didapatkan nilai VSWR minimum di ANTENA 2 pada frekuensi tengah 28,071 GHz dengan nilai sebesar 1,641.
Gambar 17. VSWR Antena 1

## Gambar 18. VSWR Antena 2
Pada  Gambar  19  didapatkan  nilai  SLL  minimum  di  ANTENA  1  pada  frekuensi  28  GHz  ialah sebesar -8,8 dB. Pada Gambar 20 didapatkan nilai SLL minimum di ANTENA 2 sebesar -8,9 dB.
Gambar 19. Side Lobe Level Antena 1
Gambar 20. Side Lobe Level Antena 2

## 3.3 Analisis dan Perbandingan Peningkatan Bandwidth dan Gain
Hasil penelitian (Kevin, dkk, 2017) tentang perancangan antena rectangular patch dengan U-slot pada frekuensi 15 GHz dapat meningkatkan bandwidth sebesar 400 MHz dibandingkan dengan  antena  tanpa  U- slot.  Penelitian (Ardianto,  dkk,  2019) diperoleh  peningkatan bandwidth 230 MHz dan gain 0,44 dB jika dibandingkan tanpa rekayasa U-slot. Berdasarkan data pada penelitian menggunakan U-slot ganda, dihasilkan peningkatan bandwidth sebesar 1,156 GHz jika dibandingkan dengan antena tanpa U-slot ganda. Penambahan U-slot ganda ini membuktikan peningkatan bandwidth 76% lebih besar dibandingkan dengan penggunaan U-slot tunggal pada penelitian-penelitian sebelumnya. Demikian juga peningkatan gain yang diperoleh mencapai 11,16 dB, jauh lebih baik dari penelitian sebelumnya yang menghasilkan gain  9,2  dB.  Perbandingan  lengkap  hasil  penelitian  U-slot  ganda  dengan  tanpa  U-slot  dan penelitian sebelumnya seperti ditunjukkan Tabel 2.
Tabel 2. Perbandingan Performansi Bandwidth dan Gain Parameter Proposal U-slot Ganda Tanpa U- slot Ardianto, dkk, 2019 Kevin, dkk, 2017 Frekuensi (GHz) 28 28 28 15 Bandwidth (MHz) 2,845 1,689 1,62 1,0 Gain (dB) 11,16 10,86 7,52 9,2

## 4. KESIMPULAN
Pada penelitian ini dirancang antena yang bekerja pada frekuensi 28 GHz sebagai salah satu kandidat  frekuensi  5G millimeter-wave  dengan  menggunakan  rekayasa  U-slot  ganda  untuk meningkatkan  performansi bandwidth dan gain antena.  Hasil simulasi menunjukkan bahwa rekayasa U-slot  ganda  yang  diajukan  mampu  menghasilkan  peningkatan bandwidth  secara signifikan  jika  dibandingkan  dengan  tanpa U-slot  dan  hasil-hasil  penelitian  sebelumnya. Rekayasa U-slot  ganda  ini  juga  dapat  meningkatkan  gain  antenna,  namun  tidak  terlalu signifikan. Hasil desain antena MIMO 5G ini mampu menghasilkan bandwidth sebesar 2,845 GHz  dan gain  antena  sebesar  11,16  dB  atau  meningkatkan  bandwidth  sebesar  68% dibandingkan tanpa U-slot dan 76% dibandingkan hasil penelitian sebelumnya. Hasil penelitian ini juga memberikan bukti tambahan bahwa rekayasa U-slot pada antena mikrostrip mampu meningkatkan bandwidth  sehingga  memberi  kontribusi  bagi  pengembangan  desain  antena mikrostrip untuk berbagai aplikasi sistem komunikasi.

## DAFTAR RUJUKAN
Ancans, G., Bobrovs, V., Ancans, A. and Kalibatiene D. (2017). Spectrum Consideration for 5G
Mobile Communication Systems. Procedia Comput. Sci., 104, 509 - 516.
Ardianto,  F.  W.,  Renaldy,  S.,  Lanang,  F.  F.,  Yunita,  T.  (2019).  Desain  Antena  Mikrostrip
Rectangular Patch Array 1x2 dengan U-slot Frekuensi 28 GHz. Elkomika, 7(1), 43 - 56. Balanis, C.A. (2005). Antena Theory Analysis and Design 3nd Edition. USA: Wiley Inter-science.
Darimireddy, N.K., dkk. (2015). Design of triple-layer double U-slot patch antenna for wireless applications. Journal of Applied Research and Technology, 13(5), 526 - 534.
Ericsson Mobility Report. (2016). 5G radio access What is 5G?.
Garg, R. (2000). Microstrip Antenna Design Handbook. Boston: Artech House.
Hikmaturokhman, A., Ramli, K., Suryanegara, M.  (2018).  Spectrum Consideration for 5G in
Indonesia. International Conference on ICT for Rural Development (IC-ICTRuDev), (pp. 23-28).
Kevin,  J.,  Levy  Olivia  N  &  Syihabuddin.  (2017).  Perancangan  Antena  MIMO  2×2  Array
Rectangular Patch dengan U-Slot untuk Aplikasi 5G. JNTETI, 6(1), 93 - 98.
Kim, Y., Lee, H., Hwang, P., Patro, R. K., Lee, J., Roh, W. and Cheun, K. (2016). Feasibility of
Mobile Cellular Communications at Millimeter Wave Frequency. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 10(3), 589 - 599.
Recommendation ITU-R.2083-0. (2015). IMT Vision: Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond. ITU-R Radio Communication Sector of ITU.
Suaibur,  R.,  Mowla,  M.  &  Mahabub  Alam.  (2013).  Design  &  Simulation  of  Double  U-Slot Microstrip  Patch  Antenna  for  WiMAX  Application. International  Journal  of  Scientific Engineering Research, 4(7), 2013.
Swindlehurst, A. L., Ayanoglu, E., Heydari, P. and Capolino, F. (2014). Millimeter-Wave Massive MIMO: The Next Generation Revolution? IEEE Communications Magazine, 52(9), 56 - 62.
V.P., Patil. (2012). Enhancement of Bandwidth of Rectangular Patch Antenna Using two Square Slots  Techniques. International  Journal  of  Engineering  Sciences  &  Emerging Technologies, 3(2), 1 - 12.
Warren, D. and Dewar, C. (2014). Understanding 5G: Perspectives on Future Technological Advanced in Mobil. GSMA Intelligence.