JTERA (Jurnal Teknologi Rekayasa), Vol. 7, No. 1, Juni 2022, Hal. 115-120 Terakreditasi “ Peringkat 3” oleh Kemenristek/BRIN, Nomor SK: 85/M/KPT/2020 DOI: 10.31544/jtera.v7.i1.2022.115-120
Diterima: 7 April 2022; Direvisi: 6 Juni 2022; Disetujui: 8 Juni 2022 JTERA, Vol. 7, No. 1, Juni 2022 © 2022 JTERA (Jurnal Teknologi Rekayasa), Politeknik Sukabumi

## Optimasi Antena Mikrostrip Array Menggunakan Metode Air Gap pada Frekuensi 3,5 GHz
Nurul Halimah 1# , Hanny Madiawati 2 , Teguh Praludi 3 1,2 Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir, Ciwaruga, Kabupaten Bandung Barat, Jawa Barat, Indonesia
3 Pusat Riset Elektronika dan Telekomunikasi, Badan Riset dan Inovasi Nasional Jl. Sangkuriang, Komplek LIPI, Gd. 10 Lt. 2, Kec. Coblong, Kota Bandung, Jawa Barat, Indonesia
# nurul.halimah.tkom19@polban.ac.id

## Abstrak
Perkembangan teknologi telekomunikasi dalam bidang jaringan seluler sekarang ini sudah memasuki generasi 5 atau 5G. Aplikasi 5G ini mempunyai kinerja yang lebih mumpuni dibandingkan generasi sebelumnya sehingga diperlukan spesifikasi  antena  dengan bandwidth yang  lebar  dan gain yang  besar.  Antena  yang  dapat  digunakan  ialah  antena mikrostrip.  Antena  mikrostrip  memiliki  keunggulan  yaitu  mempunyai  massa  yang  ringan,  praktis,  dan  mudah difabrikasi. Namun, terdapat kekurangan pada parameter yang didapatkan yaitu bandwidth yang sempit dan gain yang kecil.  Untuk  mengatasi  kekurangan  tersebut  dapat  menggunakan  metode air  gap , dimana  metode  tersebut  dapat berfungsi untuk memperlebar bandwidth dan meningkatkan gain . Pada penelitian ini telah berhasil dilakukan optimasi pada antena mikrostrip array menggunakan metode airgap pada frekuensi 3,5 GHz. Hasil dari optimasi saat simulasi diperoleh  peningkatan bandwidth sebesar  54,28%  dan  peningkatan gain sebesar  32,86%.  Untuk  hasil  pengujian diperoleh bandwidth sebesar 280 MHz, dan gain sebesar 9,3 dB. Substrat yang digunakan pada antena ini merupakan FR4 yang mempunyai konstanta dielektrik 4,4, ketebalan 1,6 mm, dan loss tangent 0,019.
Kata kunci: antena mikrostrip, array , celah udara, FR4, 5G

## Abstract
The  development  of  telecommunication  technology  in  the  field  of  cellular  networks  has  now  entered  the  5th generation  or  5G.  This  5G  application  has  more  capable performance  than  the  previous  generation  so  that  antenna specifications  with  wide  bandwidth  and  large  gain  are  needed.  The  antenna  that  can  be  used  is  microstrip  antenna. Microstrip antennas have the advantages of having a light mass, practical, and easy to fabricate. However, there are disadvantages  in  the  parameters  obtained,  such  as  narrow  bandwidth  and  small  gain.  To  overcome  these disadvantages, you can use the air gap method, where the method can be used to widen bandwidth and increase gain. In this study, optimization has been successfully carried out on the microstrip array antenna using the airgap method at a frequency of 3.5 GHz. The results of the optimization during simulation obtained an increase in bandwidth of 54.28% and an increase in gain of 32.86%. For the realization results, a bandwidth of 280 MHz, and a gain of 9.3 dB were obtained. The substrate used in this antenna is FR4 which has a dielectric constant of 4.4, thickness of 1.6 mm, and loss tangent of 0.019.
Keywords: microstrip antenna, array, air gap, FR4, 5G

## I. P ENDAHULUAN
Perkembangan  teknologi  sekarang  ini  semakin berkembang  pesat,  salah  satunya  dalam  bidang telekomunikasi. Perkembangan  pada  teknologi telekomunikasi  ini  mencakup  perkembangan  pada teknologi  jaringan  seluler,  yang  mana  setiap generasinya  mempunyai  kelebihan  masing-masing
pada kinerjanya [1]. Teknologi tersebut sekarang ini sudah  memasuki  generasi  5  yaitu  5G  dengan dibekali  spesifikasi  yang  lebih  mumpuni  seperti kecepatan transfer data yang tinggi serta bandwidth yang  cukup  lebar  dan gain yang  cukup  besar. Berdasarkan  hasil  konverensi  pada World  Radio Communication di tahun 2015 yang dilakukan oleh ITU  salah  satu  frekuensi  yang  telah  disepakati
untuk  aplikasi  5G  ialah  pada  frekuensi  3,5  GHz, dengan  frekuensi  kerja  dari  3,3  –  3,8  GHz  yang mempunyai  minimal bandwidth sebesar  80  MHz [2].  Aplikasi  5G  tersebut  dapat  dikembangkan dengan  menggunakan  sistem  komunikasi  nirkabel berupa  antena.  Antena  yang  digunakan  pada aplikasi  5G  ini  tentunya  harus  mempunyai karakteristik  dan  spesifikasi  yang  mumpuni  untuk menunjang transmisi data yang baik dan lancar.
Salah  satu  jenis  antena  yang  dapat  digunakan adalah  antena  mikrostrip.  Antena  ini  memiliki keuntungan yaitu mempunyai massa ringan, mudah difabrikasi,  dengan  sifatnya  yang  konformal sehingga  dapat  ditempatkan  pada  hampir  semua jenis  permukaan  dan  ukurannya  kecil  jika dibandingkan  dengan  jenis  antena  lainnya  [3]. Namun,  terdapat  kekurangan  pada  antena mikrostrip  yaitu  parameter  yang  didapatkannya berupa bandwidth yang sempit dan gain yang kecil. Untuk  meningkatkan gain bisa  dilakukan  dengan menggunakan  metode array [4]  dan  metode penambahan celah udara [5], [6]. Terdapat beberapa percobaan  pada  penelitian  sebelumnya  dengan menggunakan  metode array ,  pada  penelitian dengan metode array 2x2 [7] didapatkan nilai gain sebesar  7,38  dB  saat  simulasi  sedangkan  saat realisasi  didapatkan  sebesar  8  dB.  Pada  penelitian lainnya  dengan array 1x2  [8]  tetapi  gain  yang didapatkan masih memiliki nilai yang lebih rendah dari  9  dB  yaitu  untuk patch segi  empat gain yang didapatkan  yaitu  hanya  1,70  dB.  Terdapat  pula penelitian  yang  menggunakan  metode  celah  udara, tetapi  nilai bandwidth yang  didapatkan  masih terlalu sempit [9] yaitu saat diberi celah udara 3 mm bandwidth yang  didapatkan  hanya  sebesar  72,87 MHz. Dengan demikian, hasil tersebut masih dapat dikembangkan  kembali  dengan  mengatur  jumlah patch dan  menyesuaikan  lebar  udara  yang diberikan, yaitu dengan membuat antena array 1x4 dan diberi celah udara 2 mm.
Pada  penelitian  ini  telah  berhasil  dilakukan optimasi  pada  antena  mikrostrip array pada frekuensi  3,5  GHz  dengan  menggunakan  metode air  gap .  Tujuan  dari  penelitian  ini  ialah  untuk mengetahui  bahwa  dengan  metode air  gap dapat diperoleh  peningkatan bandwidth dan gain pada antena tersebut.

## II. M ETODE P ENELITIAN
Perancangan  antena  mikrostrip  dilakukan  dalam beberapa  tahap  agar  perancangan  dilakukan  secara sistematis.  Tahapan  perancangan  yang  dilakukan dapat dilihat pada Gambar 1.

## A. Metode Celah Udara (Air Gap)
Penambahan gain antena  dan bandwidth dapat dilakukan  dengan  beberapa    teknik.  Salah  satunya dengan  menggunakan  teknik  celah  udara.  Teknik ini  merupakan  teknik  yang  dilakukan  dengan  cara meningkatkan ketebalan substrat dengan memasukkan  celah  udara  di  antara  elemen  radiasi dan  substrat  atau  dengan memasukkan  celah  udara di antara ground plane dan substrat.
Pemberian  celah  udara  ini  dapat  mengurangi konsentrasi  medan  listrik  pada epoxy  lossy dan menurunkan  konstanta  dielektrik  yang  efektif  dari bidang  yang  memancarkannya.  Hal  tersebut  dapat dibuktikan dengan menggunakan rumus berikut [5]:
(1)
dengan adalah  konstanta  dielektrik  FR4, adalah  konstanta  dielektrik  udara, adalah ketebalan FR4, dan adalah ketebalan udara.
Ketika  konstanta  dielektriknya  mengecil, bandwidth yang  didapatkan  akan  menjadi  lebih lebar  dan  untuk gain akan  bertambah  dengan menyesuaikan  ketebalan  dari  celah  udara  yang diberikan.

## B. Perancangan Antena
Pada tahap ini, pertama dilakukan studi literatur mengenai  frekuensi  yang  dapat  digunakan  untuk aplikasi  5G,  yaitu  dengan  frekuensi  kerja  3,3-3,8 GHz.  Selanjutnya  dilakukan  penentuan  bahan substrat  yang  digunakan.  Setelah  itu  dilakukan perhitungan dimensi-dimensi pada antena menggunakan  formula  yang  ada  sesuai  dengan spesifikasi  yang  ada  pada  Tabel  1.  Setelah mendapatkan dimensi antena dilakukan perancangan seperti pada Gambar 2.
Tabel 1. Spesifikasi antena mikrostrip array Spesifikasi Karakteristik Frekuensi kerja 3,3 – 3,8 GHz Bandwidth ≥ 100 MHz Gain ≥ 9 dB
Gambar 2. Antena mikrostrip array 1x4
Pembuatan  antena  mikrostrip  ini  menggunakan bahan  substrat  yaitu  FR4 Epoxy .  Substrat  ini merupakan  substrat  yang  paling  sering  digunakan dalam  pembuatan  antena  karena  mudah  diperoleh dan  harganya  lebih  murah  dibandingkan  dengan jenis  substrat  lainnya.  Karakteristik  dari  substrat yang  digunakan  memiliki  permitivitas  relatif dielektrik ( ɛ r ) 4,4, ketebalan dielektrik (h) 1,6 mm, dan tangent  loss (δ)  0,019.  Untuk  bagian groundplane menggunakan  bahan cooper dengan ketebalan (t) 0,035 mm.
C. Perhitungan Dimensi Antena
Sebelum  melakukan  proses  simulasi,  dilakukan perhitungan  dimensi patch , groundplane ,  saluran, dan  jarak  antar  elemen  dengan  menggunakan persamaan yang merujuk pada [1]. Persamaan yang digunakan ialah sebagai berikut dengan keterangan parameter ditampilkan pada Tabel 2.
1. Perhitungan lebar patch (W)
√ (2)
2. Perhitungan panjang patch (L) [( ) ] (3) (          )( ) (            )( ) (4)
√ (5)
3. Perhitungan ground plane
Lebar:
(6)
Panjang:
(7)
Tabel 2. Dimensi antena hasil perhitungan Parameter Nilai (mm) Keterangan W 26 Lebar patch L 20 Panjang patch Wg 35,6 Lebar ground Lg 29,59 Panjang ground Wf 3,17 Lebar saluran Lf 10,73 Panjang saluran d 21,42 Jarak antar elemen 4. Perhitungan saluran microstrip line
(8)
dimana
√ ( ) (9)

## 5. Perhitungan jarak antar elemen
(10)

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Simulasi
Sebelum  melakukan  perealisasian  dilakukan simulasi  terlebih  dahulu  untuk  mengetahui  nilai parameter  yang  didapatkan.  Berikut  ini  merupakan hasil  parameter  S 11 untuk  antena array tanpa penambahan  celah  udara  dan  dengan  penambahan celah udara yang dapat dilihat pada Gambar 3.
Penambahan  celah  udara  pada  substrat dilakukan  dengan  beberapa  ukuran.  Ukuran  yang diberikan dimulai dari 1 mm sampai dengan 5 mm. Hasil  dari  setiap  penambahan  ukuran  celah  udara dapat dilihat pada Gambar 4.
Berdasarkan  Gambar  3,  hasil  simulasi  antena  4 patch tanpa  celah  udara  diperoleh  nilai bandwidth sebesar  177,6  MHz  dan  diperoleh bandwidth sebesar  274  MHz  untuk  yang  menggunakan  celah udara  2  mm.  Berdasarkan  gambar   tersebut   juga
Gambar 4. Perbandingan parameter S 11 dengan berbagai ukuran penambahan celah udara
Gambar 5. Gain 4 patch tanpa celah udara
Gambar 6. Gain 4 patch dengan celah udara 2 mm
diperoleh  nilai return  loss sebesar  27,27  dB  untuk yang tidak menggunakan celah udara dan 41,96 dB untuk yang menggunakan celah udara 2 mm.
Gambar  4  menunjukan  hasil  simulasi  antena  4 patch dengan  penambahan  celah  udara  berbagai ukuran  dimana  dapat  dilihat  bahwa  hasil  yang paling  baik  didapatkan  ketika  pemberian  celah udara sebesar 2 mm.
Berdasarkan  Gambar  5  dan  Gambar  6, didapatkan  nilai gain dari  hasil  simulasi  antena tanpa  celah  udara  dan  yang  menggunakan  celah udara  2  mm.  Pada  antena  tanpa  celah  udara  nilai gain yang  didapatkan  yaitu  7,03  dB  dan  yang menggunakan celah udara 2 mm didapatkan sebesar 9,49 dB.
Gambar 7. Pola radiasi antena 4 patch tanpa celah udara
G ambar 8. Pola radiasi antena 4 patch dengan celah udara 2 mm
Tabel 3. Perbandingan parameter hasil simulasi Parameter Tanpa Udara Air gap (mm) 1 2 3 4 5 Bandwidth (MHz) 177,6 210 274 269 269 212 Return loss (dB) 27,27  21,98  41,96  41,05  25,99  20,94 Gain (dB) 7,03 9,78 9,34 9,21 8,97 8,56
Berdasarkan  Gambar  7  menunjukkan  hasil  pola radiasi  dari  antena  4 patch tanpa  menggunakan celah  udara.  Dari  hasil  simulasi  didapatkan  nilai HPBW  E-plane  yaitu  sebesar  76,9  deg  dan  nilai HPBW H-plane sebesar 36,4 deg. Sedangkan pada Gambar  8  menunjukkan  pola  radiasi  ketika  diberi celah udara 2 mm dimana didapatkan nilai HPBW E-plane sebesar 92,1 deg dan nilai HPBW H-plane sebesar 26,2 deg. Berdasarkan hasil tersebut ketika diberi  celah  udara  2  mm  pola  radiasinya  lebih menunjuk  ke  satu  arah  saja  atau  bisa  disebut unidirectional .
Dari  hasil  simulasi  berikut  dapat  dilihat perbandingan  hasil  yang  didapatkan  antara  yang menggunakan  celah  udara  dan  yang  tanpa menggunakan celah udara pada Tabel 3.

## B. Realisasi dan Pengujian
Setelah  mendapatkan  parameter  dari  hasil simulasi,  selanjutnya  dilakukan  realisasi  antena mikrostrip array 1x4.  Realisasi  dilakukan  dengan melakukan pencetakan desain antena hasil simulasi, kemudian  dilakukan  pengujian  langsung  terhadap bandwidth , gain ,  dan  pola  radiasi.    Hasil  cetak antena  dapat  dilihat  pada  Gambar  9  untuk  tampak depan dan Gambar 10 untuk pemasangan konektor dengan plat penghubung.
Pada  Gambar  11  menunjukkan  perbandingan hasil simulasi  dan  hasil  pengukuran  S 11 parameter. Pada  gambar tersebut didapatkan hasil pengukuran dengan bandwidth sebesar  280  MHz.  Berdasarkan gambar tersebut juga dapat dilihat return loss yang didapatkan saat pengukuran yaitu sebesar 31,76 dB. Dari  perbandingan  hasil  simulasi  dan  pengukuran tersebut  dapat  dilihat  bahwa  nilai return  loss mengalami penurunan dan terdapat pergeseran band frekuensi.  Hal  tersebut  disebabkan  oleh  adanya perbedaan nilai ɛ r pada bahan yang dicetak dengan yang ada pada simulasi.
Gambar 9. Antena mikrostrip array 1x4 tampak depan
Gambar 10. Pemasangan konektor kepada plat penghubung
Pada saat pengukuran dilakukan juga pengukuran gain ,  dimana  didapatkan  nilai gain sebesar  9,3  dB.  Dari  perbandingan  hasil  simulasi dan  hasil  pengukuran  untuk  parameter gain yang didapatkan  tidak  terjadi  perubahan.  Selanjutnya pada  Gambar  12  menunjukkan  hasil  pola  radiasi yang  didapatkan  saat  pengukuran,  dimana  pola radiasinya merupakan unidirectional dengan bentuk bidang  E-Plane  dan  H-Plane  yang  didapatkan mendekati hasil simulasi. Berdasarkan data tersebut dapat  dilihat  pada  Tabel  4  perbandingan  dari spesifikasi yang hendak dicapai, hasil simulasi, dan hasil  pengujian.  Pada  tabel  tersebut  dapat  dilihat bahwa  baik  hasil  simulasi  maupun  hasil  realisasi sudah memenuhi spesikasi yang diinginkan.

## IV. K ESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat dikatakan telah berhasil dilakukan  simulasi  antena  mikrostrip array 1x4 dengan penambahan celah udara pada frekuensi 3,5 GHz. Hasil simulasi tanpa penambahan celah udara didapatkan bandwidth sebesar  177,9  MHz sedangkan hasil untuk antena dengan celah udara 2 mm  didapatkan  nilai  sebesar  274  MHz  sehingga terjadi  kenaikan  sebesar  54,28%.  Untuk  hasil pengujian didapatkan bandwidth sebesar 280 MHz. Kemudian  saat  simulasi,    nilai return  loss yang didapatkan saat tanpa celah udara sebesar 27,27 dB sedangkan untuk antena  dengan celah udara 2 mm didapatkan sebesar 41,96 dB. Untuk hasil pengujian didapatkan nilai return loss sebesar 31,76 dB.
Gambar 12. Pola radiasi hasil pengujian dengan celah udara 2 mm
Tabel 4. Perbandingan spesifikasi, hasil simulasi dan
hasil pengujian Parameter Spesifikasi Hasil Simulasi Hasil Pengujian Bandwidth (MHz) ≥ 100 274 280 Return loss (dB) ≥ 10 41,96 31,76 Gain (dB) ≥ 9 9,34 9,3
Selain itu, saat simulasi nilai gain yang didapatkan sebesar  7,03  dB  untuk  antena  tanpa  celah  udara sedangkan untuk antena  dengan celah udara 2 mm didapatkan  nilai  sebesar  9,34  dB  sehingga  terjadi kenaikan  sebesar  32,86%.  Untuk  hasil  pengujian didapatkan  nilai gain sebesar  9,3  dB.  Baik  hasil simulasi  maupun  hasil  realisasi  untuk  pola  radiasi sudah  sesuai  yaitu  diperoleh  pola  radiasi unidirectional. Untuk  penelitian  selanjutnya,  akan dilakukan  realisasi  dengan  metode  pencatuan  lain untuk memperlebar bandwidth .

## R EFERENSI
[1]   N.  Aulia  and  Elisma,  “Desain  Antena  Mikrostrip Array  2x4  dengan  Teknik  Pencatuan  Proximity Coupled  untuk  Aplikasi  5G  pada  Frekuensi  2,6 GHz,” Prosiding  The  12th  Industrial  Research Workshop and National Seminar, pp. 717-723, 4-5 Agustus 2021.
[2]   D.  E.  K.  Anwar,  “Studi  Lanjutan  5G  Indonesia 2018  Spektrum  Outlook  dan  Use  Case  untuk Layanan 5G Indonesia,” Puslitbang Sumber Daya, Perangkat,  dan  Penyelenggaraan  Pos  dan Informatika , 2018.
[3]   P.  Aprilia,  “Modul  Praktikum  Antena  Mikrostrip Mimo  2x2  Rectangular  Patch  pada  Frekuensi  3,5 GHz dengan Tool Komputasi Numerik,” Politeknik Negeri Sriwijaya , Palembang, 2019.
[4]   M.  R.  Sumpena,  H.  Madiawati,  and  Elisma, “Desain  Antena  Susun  Mikrostrip  Rectangular Patch 4x2 untuk Aplikasi 5G,” Prosiding The 11th
Industrial  Research  Workshop  and  National Seminar, vol. 11, no. 1, pp. 591-595, 2020.
[5]   K.  Ozenc  and  M.  E.  Aydemir,  “Design  of  a  1.26 GHz  High  Gain  Microstrip  Patch  Antenna  using Double Layer with Airgap for Satelite Reconnaissance,” 6th  International  Conference  on Recent  Advances  in  Space  Technologies, pp.  499- 504, 2013.
[6]   S. S. Naik and P. G. Shet, “Design and Simulation of  Conventional  and  U-Slot  Circular  Microstrip Patch  Antenna  with and  without  Air Gap  for LTE Application,” Proceedings of The 2nd
Internasional Conference on Trends in Electronics and Informatics, pp. 126-131, 2018.
[7]   W.  Indani  and  A.  H.  Rambe,  “Rancang  Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan Teknik Planar  Array  untuk  Aplikasi  Wireless-LAN,” IET Microwaves Antenna & Propagation, 2017.
[8]   Y.  Christyono,  I.  Santoso,  and  R.  D.  Cahyo, “Perancangan  Antena  Mikrostrip  Array  pada Frekuensi  850  MHz,” Jurnal  e-ISSN  2407-6422, vol. 18 no.2, pp. 2407-6422, 2016.
[9]   K.  Al  Kharusi,  “Gain  Enchancement  of Rectangular  Microstrip  Patch  Antenna  using  Air Gap  at  2,4  GHz,” International  Journal  of Nanoelectronics  and  Materials, vol.  13,  pp.  211- 224, 2020.