InComTech: Jurnal Telekomunikasi dan Komputer vol.11, no.2, Agustus 2021, 143-153 http://publikasi.mercubuana.ac.id/index.php/Incomtech P-ISSN: 2085-4811 E-ISSN: 2579-6089

## Investigasi Perancangan Simulasi Antena MIMO 64 Elemen untuk Aplikasi 5G
Yusnita Rahayu * , Saftriansyah. MZ
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Jl. HR. Soebrantas, Pekanbaru 28293, Indonesia
* Email Penulis Koresponden: yusnita.rahayu@lecturer.unri.ac.id
Abstrak :
Teknologi 5G merupakan teknologi yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan layanan berbasis nirkabel berkecepatan  tinggi.  Frekuensi  28  GHz  merupakan  salah satu  rentang  frekuensi  yang  direkomendasikan  oleh Federal  Communications  Commission  (FCC) dalam pengembangan  teknologi  5G.  Dalam  perancangan  ini, antena  menggunakan patch berbentuk rectangular yang dirancang  agar  antena  dapat  bekerja  pada  frekuensi  28 GHz.  Rancangan  antena  5G  ini  menggunakan  pencatuan microstrip  line dan  Teknologi Multiple  Input  Multiple Output  ( MIMO).  MIMO  adalah  salah  satu  teknologi  yang mendukung 5G. Antena MIMO ini dirancang menggunakan  bahan  substrat  RT-Duroid  5880  untuk menghasilkan  nilai S 11 sebesar  -45,185  dB  dengan gain sebesar 24,22 dBi, dan bandwidth sebesar 840 MHz.
This is an open access article under the CC BY-NC license
Kata Kunci : 5G; MIMO; Antena Mikrostrip; Rectangular Patch ;

## Riyawat Artikel:
Diserahkan 12 Maret 2021 Direvisi 14 April 2021 Diterima 10 Juni 2021 Dipublikasi 21 Agustus 2021
DOI :
10.22441/incomtech.v11i2.10903

## 1. PENDAHULUAN
Laju perkembangan teknologi dan inovasi ilmu pengetahuan telekomunikasi di bidang  jaringan  tidak  pernah  berhenti. Dari  generasi  pertama  (1G)  komunikasi analog  ke  generasi  keempat  (4G)  Komunikasi  seluler  tidak  lagi  memiliki  peran sekunder  di  masa  sekarang  namun  telah  menjadi  kebutuhan  primer  yang  pada umumnya  semua  aktivitas  manusia  menggunakan  sistem  jaringan  untuk mempercepat dan mempermudah suatu pekerjaan. Antena adalah suatu perangkat telekomunikasi  yang  sangat  penting  untuk  mendukung  perkembangan  teknologi nirkabel.  Teknologi  nirkabel  generasi  kelima  (5G)  adalah  langkah  selanjutnya dalam  komunikasi  seluler.  Tujuan  dari  5G  adalah  untuk  menyediakan  koneksi kesemua  jenis  perangkat  dan  aplikasi  lainnya,  termasuk  komunikasi  seluler, terutama  kebutuhan  untuk very  high  data  rate,  great  service,  low  latency ,  dan
support  high  mobility yang  belum  dapat  terpenuhi  oleh  teknologi  sebelumnya salah satu kriteria dari teknologi 5G ini yaitu mampu beradaptasi dengan jumlah user yang  menggunakannya  [ 1 ].  Pada  sistem  seluler  masa  depan  (5G)  harus menyediakan  kecepatan  data  mulai  dari  5Gbps  hingga  50Gbps  [ 1 ].  Telkomsel telah  berhasil  melakukan  uji  coba  5G  bersamaan  dengan  Asian  Games  2018. Telkomsel melakukan s howcase sebagian use case 5G di dalam komplek Gelora Bung  Karno  (GBK). Use  case tersebut  terbagi  menjadi  4  bagian  yaitu: virtual reality (VR), interactive  live  streaming, robot  ( low  latency ), autonomous  bus . Total responden dalam survei ini sebanyak 1742 orang [ 2 ]. Pada  agenda the  last  World  Radio  communication  Conference (WRC)  yang terakhir pada tahun 2015 (WRC-15), ada agenda yang menarik perhatian pebisnis telekomunikasi satelit sedunia, yaitu WRC-2015 agenda item 1.1 yaitu permintaan Telekomunikasi  Bergerak  Internasional/ International  Mobile Telecommunication (IMT)  untuk  memberikan  penambahan  alokasi  frekuensi  sebagai  antisipasi lonjakan  kebutuhan  data  seluler  di  masa  mendatang  [ 3 ].  Teknologi  MIMO terkenal  dengan  kemampuannya  untuk  meningkatkan  kapasitas  sistem  dan mengurangi efek negatif gangguan multipath , MIMO juga dianggap sebagai kunci untuk  mewujudkan  komunikasi  jaringan Mobile [ 4 , 5 ]  dan Base  Transceiver Station (BTS)  yang  menggunakan  sistem  komunikasi  (5G)  [ 6 ].  Untuk  membuat antena MIMO 5G dibutuhkan metode–metode agar mendapatkan bandwidth yang sangat lebar [ 7 ]. Dalam perancangan antena mikrostrip, dengan bahan RT Duroid 5880  merupakan  substrat  yang  sesuai  untuk  frekuensi  tinggi.  Sedangkan  untuk material konduktor menggunakan tembaga [ 8 ]. Dengan mendesain patch persegi dan slot silang akan mendapatkan polarisasi sirkular  [ 9 ].  Dalam  penelitian  [ 10 ]  telah  dihasilkan  antena  yang  bekerja  pada frekuensi  28  GHz  menggunakan  metode  MIMO  untuk  meningkatkan  kapasitas sistem  dengan  dan  mengurangi  efek  negatif  gangguan multipath, dengan  hasil yang didapat  yaitu nilai gain > 20 dB memiliki lebar pita sebesar 667 MHz, S 11 berada di -20 dB, berjenis pola radiasi unidirectional. antena tersebut sangat baik menjadi referensi antena pengembangan sinyal 5G.
Dalam  penelitian  ini,  antena  telah  dirancang  untuk  aplikasi  jaringan komunikasi  5G.  yang  bekerja  pada  frekuensi  28  GHz  [ 11 ],  dengan  nilai S- parameter  S 11 yang  didapatkan  sebesar  -45,185  dB  sehingga  tidak  rentan  akan gangguan yang ada di udara dan gain sebesar 24,22 dBi. dengan lebar pita sebesar 840 MHz.

## 2. METODE
Perancangan  dilakukan  dengan  beberapa  percobaan  yaitu  menggunakan  2 elemen  antena,  8  elemen  antena  dan  64  elemen  antena  (struktur  antena  8×8). Karakterisasi  dan  optimisasi  dimensi  rancangan  dilakukan  untuk  mendapatkan hasil  yang  optimal.  Dalam  simulasi,  bentuk port koaksial  atau port SMA digunakan  untuk  menghasilkan  impedansi  50  ohm.  Antena  menggunakan substrate RT-Duroid 5880 dengan nilai ɛr = 2,2 tebal (h) = 0,254 mm, dan tan δ = 0,0009, dimana RT-Duroid tersebut sangat bagus digunakan untuk komunikasi 5G frekuensi  tinggi  yaitu  28  GHz.  Perancangan  ini  menggunakan  CST simulation software .
Antena  ini  menggunakan  cincin  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  1 dimana  tata  letak  dan  ukuran  cincin  tersebut  sangat  berpengaruh  terhadap frekuensi  kerja  dan  nilai  faktor  refleksi  (S 11 ).  Pada  penelitian  sebelumnya,  jika dibandingkan  dengan  penelitian  ini  bentuk  serta  ukuran  slot  dan  cincin  sangat jauh  berbeda  sehingga  dapat  dikatakan  antena  ini  adalah  desain  original.  Dalam hal ukuran rancangan antena ini menggunakan patch yang berbentuk rectangular. Adapun untuk  mengetahui  dimensi  antena,  menggunakan  rumus  umum  dalam pembuatan patch rectangular sebagai berikut [ 12 ]:
√ (1)
(2) √ (3)
( )( ) ( )( ) (4)
( √ )    (5)
c = kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di ruang bebas yaitu sebesar  3×10 8 m/det f r = Frekuensi kerja antena = Konstanta dielektrik substrate h = Tebal Substrate L eff
= Panjang patch efektif ∆L = Perbedaan panjang antara L dan L eff
= Konstanta dielektrik relatif
Spesifikasi antena dapat dilihat pada Tabel 1 .
Tabel 1. Spesifikasi Antena Parameter Nilai Frekuensi Kerja  28 GHz S 11 ≤ -10 Gain ≥ 5 dBi Pola Radiasi Unidirectional Impedansi 50 Ω
Antena  mikrostrip  persegi  panjang  ini  dirancang  untuk  memenuhi  dan mendukung  kebutuhan  jaringan  5G  sebagai  perangkat  pengirim  dan  penerimaan informasi  [ 13 ].  Bentuk  geometri  antena  tampak  depan  dan  tampak  belakang ditunjukkan  pada Gambar  1 dengan  dimensi  antena  yang  sudah  optimal  dapat dilihat pada Tabel 2 .
Antena  ini  memiliki  cincin  yang  berada  di  tengah  sehingga  terlihat  cincin tersebut sebagai penghubung antara patch dan feedline- nya. Slot dalam antena ini sangat  berpengaruh  terhadap  S 11 dimana  dengan  membuat  slot  yang  tepat  akan menghasilkan nilai S 11 yang baik.
(a)
(b)
Gambar 1. (a) Antena Sisi Depan (b) Antena Sisi Belakang
Tabel 2. Parameter Optimal Antena Parameter Lebar substrat antena Panjang substrat antena Lebar patch antena Panjang putch antena Lebar ground antena Panjang ground antena Nilai (mm) 5,76 5,01 4,24 3,49 5,76 5,01

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari  beberapa  percobaan  yang  dilakukan  yaitu  antena  dengan  2  elemen,  8 elemen  dan  64  elemen  maka  didapatkan  hasil  simulasi  antena  menunjukan semakin  banyak  elemen  yang  digunakan  maka  dapat  meningkatkan  nilai gain yang  lebih  baik  serta  menghasilkan  S 11 yang  lebih  bagus  dengan  nilai mutual coupling rata-rata < -20 dB.

## 3.1 Percobaan pertama desain dengan 2 elemen antena
Gambar  2 menunjukkan  antena  dengan  2  elemen  dengan  nilai mutual coupling- nya berada <-15 dB.
Gambar  3 adalah  hasil  simulasi  S 11 desain  antena  dengan  dua  elemen.  Nilai mutual coupling berada < -15 dB. Pada hasil simulasinya juga dapat dilihat antena ini  bekerja  pada  frekuensi  28,04  GHz  dengan  nilai  S 11 berada  pada  -33,578  dB dengan lebar pita 797 MHz. Bentuk pola radiasi ditunjukkan pada Gambar 4 .
Gambar 3. S-Parameter S 11 Antena dengan Dua Elemen
Pola radiasi yang dihasilkan berbentuk unidirectional yang memiliki side lobe level =  -7,5  dB  dengan  nilai gain didapatkan  sebesar  9.11  dBi. Gambar  5 menunjukkan Surface Current sebagai pergerakan arus yang mengalir pada antena dua elemen, didapatlah maksimal arus yang mengalir adalah sebesar 451 A/m.
(a)
(b)
Gambar 4. Pola Radiasi pada Antena dua Elemen (a) bentuk dua dimensi (b) bentuk tiga dimensi
Gambar 5. Surface Current Antena Dua Elemen

## 3.2 Percobaan kedua desain dengan 8 elemen antena
Pada  antena  dengan  8  elemen  ( Gambar  6 ),  berdasarkan  standar  5G,  desain antena ini memenuhi untuk pengaplikasian mobile station . Hal ini merujuk pada salah  satu  referensi  [ 14 , 15 ]  dengan gain 12,1  dBi,  dimana  antena  untuk mobile station dari beberapa jurnal menunjukkan nilai gain yang tidak lebih dari 15 dBi, pada antena 8 elemen ini telah mendapatkan nilai gain hingga 14,9 dBi.
Gambar 6. Susunan Antena dengan 8 Elemen
Pada Gambar 7 dapat dilihat hasil nilai S 11 -nya dan mutual coupling -nya yang lebih bagus dari antena  yang hanya memiliki 2  elemen antena saja dimana nilai rata-rata mutual coupling- nya berada < -20 dB dan namun nilai S 11 nya tidak jauh berbeda dengan antena 2 elemen dimana nilai S 11 -nya berada pada -35,616 dB.

## Gambar 7. S-Parameter S11 Antena dengan 8 Elemen
Pada Gambar 8 menunjukkan antena dengan 8 elemen memiliki pola radiasi unidirectional yang  memiliki  nilai side  lobe  level =  -6,2  dB  dengan  nilai gain didapatkan sebesar 14,89 dBi.
(a)
(b)
Gambar 8. Pola Radiasi pada Antena 8 Elemen (a) bentuk dua dimensi (b) bentuk tiga dimensi

## 3.3 Percobaan ketiga desain dengan 64 elemen antena
Gambar  9 menunjukkan  antena  dengan  64  elemen  yang  telah  memenuhi standar  antena  5G  untuk  pengaplikasian  BTS  dengan  nilai  gain  mencapai  24,22 dBi.
Gambar 9. Desain S usunan Antena dengan 64 Elemen Antena
Gambar  10 menunjukkan  nilai  S-Parameter  S 11 yang  berada  di  -45,185  dB dengan nilai rata mutual coupling berada <-20 dB.
Gambar 10. S-Parameter S 11 Antena dengan 64 Elemen
Pola radiasi antena pada Gambar 11 mempunyai banyak ripple dan side lobe , hal ini disebabkan karena banyaknya elemen antena yang digunakan. Bentuk ini masih  berbentuk unidirectional dengan  besar side  lobe level =  -4,2  dB,  dengan gain sebesar 24,22 dBi.
(a)
(b)
Gambar 11. Pola Radiasi pada Antena 64 Elemen (a) bentuk dua dimensi (b) bentuk tiga dimensi
Pada Gambar  12 setiap  antena  memiliki  arus  maksimal  yang  dapat  mengalir sebesar  407  A/m. Tabel  6 menampilkan  beberapa  hasil  perbandingan  parameter antena  dengan  1  elemen,  8  elemen  dan  64  elemen  pada  frekuensi  28  GHz. Sedangkan  data  hasil  perbandingan  dengan  antena  referensi  ditunjukkan  pada Tabel 7 .
Gambar 12. Surface Current dengan 64 Elemen Antena
Tabel 6. Data Hasil Perbandingan Antena 2 Elemen, Antena 8 Elemen dan Antena 64 Elemen
Parameter 2 Elemen 8 Elemen 64 Elemen Frekuensi Kerja  28,04 GHz 27,964 GHz 27,968 GHz S11 -33,578 dB -35,616 dB -45,185 dB Gain 9,11 dBi 14,89 dBi 24,22 dBi Pola Radiasi Unidirectional  Unidirectional  Unidirectional Impedansi 50 Ω 50 Ω 50 Ω Bandwidth 797 MHz 806 MHz 840 MHz Tabel 7. Data Hasil Perbandingan dengan Antena Referensi Parameter Antena 64 Elemen  Antena Referensi [9] 64 Elemen Frekuensi Kerja  27,968 GHz 28 GHz S11 -45,185 dB ≤ -10 dB Gain 24,22 dBi ≥ 20 dBi Pola Radiasi Unidirectional Unidirectional Impedansi 50 Ω - Bandwidth 840 MHz ≥667 MHz

## 4. KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini,  dilakukan  beberapa  percobaan  antena  yang  sama  dengan jumlah elemen antena  yang berbeda untuk aplikasi komunikasi 5G yang bekerja di frekuensi 28 GHz. Antena dirancang menggunakan bahan substrat RT-Duroid 5880  dengan  konstanta  dielektrik  2,2  dan  memiliki  ketebalan  0,254  mm, ketebalan patch sebesar 0,035 mm.
Pada antena frekuensi  28 GHz ini telah mencapai  kebutuhan untuk  teknologi 5G,  hal  ini  dikarenakan  parameter  S 11 telah  berada  di  <  -33,578  dB  dan  untuk gain dari antena yang telah di MIMO dengan jumlah antena 64 elemen mencapai 24,22  dBi,  nilai  impedansi  50  ohm  dengan  bentuk  pola  radiasi unidirectional, dengan nilai rata-rata mutual coupling < -20 dB.

## REFERENSI
[1] H. Ullah, F.  A. Tahir and Z. Ahmad, "A Dual-band Hexagon Monopole  Antenna  for 28 and 38 GHz Millimeter-Wave Communications," 2018 IEEE International Symposium on Antennas  and  Propagation  &  USNC/URSI  National  Radio  Science  Meeting ,  2018,  pp. 1215-1216, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608274.
[2] Tim Peneliti Puslitbang SDPPI, Studi Lanjutan 5G Indonesia 2018 Spektrum Outlook dan Use  Case  untuk  Layanan  5G  Indonesia ,  Puslitbang  Sumber  Daya,  Perangkat,  dan Penyelenggaraan Pos dan Informatika Badan Penelitian dan Pengembangan Sumber Daya Manusia Kementerian Komunikasi dan Informatika, 2018.
[3] B. Setiawan and L. Ode, “Studi Kasus Perebutan Frekuensi 3600-4200MHz Antara Fixed Satellite  Service  dan  International  Mobile  Telecommunication  Dengan  Pendekatan Regulatory Impact Analysis”, InComTech: Jurnal Telekomunikasi dan Komputer , vol. 7, no. 3, pp: 267-296, 2017, doi: 10.22441/incomtech.v7i3.1172.
[4] O. M. Haraz, M. M. M. Ali,  S.  Alshebeili and A. Sebak, "Design of a 28/38 GHz dual- band printed slot antenna for the future 5G mobile communication Networks," 2015 IEEE International  Symposium  on  Antennas  and  Propagation  &  USNC/URSI  National  Radio Science Meeting , 2015, pp. 1532-1533, doi: 10.1109/APS.2015.7305155.
[5] T. Firmansyah et al. , “Bandwidth and gain enhancement of MIMO antenna by using ring and  circular  parasitic  with  air-gap  microstrip  structure”, Telkomnika ,  vol.  15,  no.  3,  pp. 1155–1163, 2017, doi: 10.12928/TELKOMNIKA.v15i3.6377.
[6] K. Yang, "Research and Design of a High Isolation 5G Antenna for Smart Phone," 2020
3rd International Conference on Information and Computer Technologies (ICICT) , 2020, pp. 507-510, doi: 10.1109/ICICT50521.2020.00086.
[7] Y.  Rahayu,  L.  Afif,  M.  R.  Radhelan,  I.  Yasri,  and  F.  Candra,  “ Design  Of  28  Ghz Microstrip  Mimo  Antennas  For  Future  5g  Applications ”,  SINERGI,  vol.  22,  no.  3,  pp. 149–154, 2018, doi: 10.22441/sinergi.2018.3.002.
[8] S. Shoaib, N. Shoaib, R. Y. Khattak, and I. Shoaib, “Design and Development of MIMO Antennas  for  WiGig  Terminals”, Electronics ,  vol.  8,  no.  12,  pp:1–16,  2019,  doi: 10.3390/electronics8121548 .
[9] G. Dewangga, L. O. Nur, and B. Syihabbudin, “Antena Mikrostrip Single Feed Dual Band Frekuensi 15 Ghz dan 28 Ghz Polarisasi Sirkular Patch Persegi dengan Slot Silang pada Jaringan 5g”, eProceedings of Engineering, vol. 6, no. 2, pp. 3601–3608, 2019.
[10] Bambang  S.  Purnamasari,  Dyah  Alfrina,  Rina  Pudji  Astusi,  “Perancangan  Dan  Analisis Antena  Massive  Mimo  Mikrostrip  Patch  Persegi  Panjang  Dengan  Polarisasi”, eProceedings of Engineering , vol. 4, no. 3, pp. 3657–3664, 2017.
[11] H.  Park,  C.  Lee,  A.  Rehman,  M.  S.  Khattak,  S.  Kahng  and  M.  K.  Khattak,  "A  Lensing Case  for  the  5G  Handset  Antennas," 2018  IEEE  International  Symposium  on  Antennas and Propagation  & USNC/URSI National Radio Science Meeting , 2018, pp. 1697-1698, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608843.
[12] D.  Paragya  and  H.  Siswono,  “3.5  GHz  Rectangular  Patch  Microstrip  Antenna  with Defected  Ground  Structure  for  5G”, ELKOMIKA, vol.  8,  no.  1,  p.  31,  2020,  doi: 10.26760/elkomika.v8i1.31.
[13]      A. G. Persada et al. , “Perancangan Rectangular Microstrip Antenna untuk Komunikasi 5G dengan  Penambahan  Elemen  Parasitik”, Proc.  2018  Conference  on  Information Technology and Electrical Engineering , 2018, pp. 24–26.
[14]           M.  Stanley,  Y.  Huang,  H.  Wang,  H.  Zhou,  A.  Alieldin  and  S.  Joseph,  "A  Transparent Dual-Polarized  Antenna  Array  for  5G  Smartphone  Applications," 2018  IEEE International  Symposium  on  Antennas  and  Propagation  &  USNC/URSI  National  Radio Science Meeting , 2018, pp. 635-636, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8609096.
[15] W.  Zhang,  Z.  Weng  and  L.  Wang,  "Design  of  a  dual-band  MIMO  antenna  for  5G smartphone  application," 2018  International  Workshop  on  Antenna  Technology  (iWAT), 2018, pp. 1-3, doi: 10.1109/IWAT.2018.8379211.