## Perancangan dan Simulasi Antena Mikrostrip
Patch Lingkaran Multilayer Parasitic untuk
Aplikasi Wireless Local Area Network (WLAN)
Intan Cahyaningtyas 1 , Eva Yovita Dwi Utami 2
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
1 612015008@student.uksw.edu, 2 eva.utami@uksw.edu

## Ringkasan
Pada  penelitian  yang  dilaporkan  ini,  difokuskan  pada  simulasi  peningkatan gain antenna mikrostrip  dengan  bentuk patch lingkaran  menggunakan  metode multilayer parasitic dan metode  DGS  ( Defected Ground Structure ).  Rancangan  antena  yang  disimulasikan  memiliki frekuensi kerja 5,8 GHz untuk aplikasi WLAN ( wireless local area network ). Metode multilayer parasitic digunakan untuk meningkatkan gain antena. Sedangkan metode DGS dipilih untuk mengurangi  gelombang  permukaan  yang  bisa  menurunkan  efisiensi  antena.  Antena  yang dirancang dan disimulasikan memiliki 3 layer . Pada layer utama ditempatkan metode DGS berbentuk persegi panjang beserta pencatu antena. Layer end-parasitic ditempatkan di bawah layer utama  yang  terdiri  dari ground dan  substrat  tanpa patch .  Lalu layer front - parasitic ditempatkan di atas layer utama yang terdiri dari substrat dan patch saja tanpa ground . Antena ini dirancang dengan ground berbahan tembaga dengan ketebalan 0,035 mm, bahan substrat berupa  FR-4  Epoxy  dengan  ketebalan  1,6  mm  dan  permitivitas  relatif  bernilai  4,6.  Setelah dirancang dan disimulasikan, simulasi menunjukkan nilai return loss -17,548 dB, nilai VSWR 1,299, dan nilai gain 7,08 dB dengan pola radiasi direksional. Dengan menggunakan metode multilayer parasitic simulasi rancangan antena menghasilkan peningkatan gain sebesar 5,33 dB. Hal ini menunjukkan metode multilayer parasitic dapat digunakan untuk meningkatkan gain antena.
Kata kunci: Multilayer Parasitic, DGS, returnloss, VSWR, gain

## 1. Pendahuluan
WLAN  ( wireless  local  area  network )  adalah  jaringan  komputer  yang  menggunakan gelombang  radio  sebagai  media  transmisi  data.  Bentuk  implementasi  dari  WLAN  ini adalah Wi-Fi ( Wireless fidelity ). WLAN bekerja pada frekuensi 2,4 GHz dan 5,8 GHz [1]. Untuk  mendukung  kinerja  dari  teknologi  nirkabel  ini  dibutuhkan  antena.  Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang banyak dirancang untuk mendukung teknologi nirkabel, akan tetapi kelemahan dari antena mikrostrip ini adalah memiliki gain yang kecil dan efisiensi yang rendah[2].
Untuk  itu  dibutuhkan  metode  khusus  untuk  meningkatkan gain antena  mikrostrip. Salah satunya yaitu metode multilayer parasitic. Teknik multilayer parasitik adalah antena mikrostrip single  patch yang  disusun  secara  bertingkat. Gain antena  dapat  lebih  tinggi dibandingkan  dengan  sebuah patch berlapis  tunggal.  Semakin  tinggi  konfigurasi  yang
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 2 Oktober 2019 Hal 117 - 125
ditumpuk,  semakin  besar gain -nya  [3][4].  Antena  mikrostrip multilayer parasitik terdiri lebih  dari  satu  lapisan.  Lapisan  pertama  merupakan  antena  utama,  lapisan  kedua  dan seterusnya  merupakan  elemen  parasitik . Ketinggian  yang  memisahkan  masing-masing lapisan,  yaitu  udara  disebut  dengan air  gap. Sebelumnya  sudah  dilakukan  penelitian metode multilayer  parasitic untuk  meningkatkan gain pada  frekuensi  2,35  GHz  untuk aplikasi LongTerm  Evolution (LTE)  dengan  bentuk patch  rectangular [3]  dan  juga  pada frekuensi 2,4 GHz untuk aplikasi Wireless LAN [5]. Penelitian lainnya yaitu Supriyanto dan Firmansyah  melakukan  penelitian multilayer  parasitic dengan  substrat front-end  parasitic pada frekuensi 2,35 GHz dengan bentuk patch lingkaran [6].
Kelemahan  antena  mikrostrip  lainnya  adalah  terdapatnya  gelombang  permukaan yang  dapat  menurunkan  efisiensi.  Gelombang  permukaan  ini  dapat  ditekan  dengan menggunakan  metode  DGS  ( Defected  Ground  Structure )  seperti  yang  diusulkan  pada penelitian [7]. DGS adalah salah satu cara untuk menekan gelombang permukaan dengan cara  menghilangkan  ( etch )  sebagian  bidang  peradiasi  atau ground .  Teknik  DGS  tidak membutuhkan lubang  pada substrat.  Cukup  dengan  membuat slot pada ground antena mikrostrip.  Pengurangan  gelombang  permukaan  bertujuan  agar  antena  menjadi  lebih efisien[7].
Pada  makalah  ini  diusulkan  rancangan  antena multilayer  parasitic menggunakan metode  front-end  parasitic  seperti  dalam  penelitian  Supriyanto  &  Firmansyah  [6], digabung dengan metode yang diusulkan pada [7] yaitu metode DGS berbentuk persegi panjang, dan frekuensi yang digunakan yaitu 5,8 GHz.

## 2. Dasar Teori
Bentuk patch yang akan digunakan adalah patch berbentuk lingkaran. Hal ini didasari oleh  penelitian  sebelumnya  [8]  yang  menyimpulkan  bahwa patch berbentuk  lingkaran lebih  efisien  dibandingkan  dengan  antena  dengan patch berbentuk  segi  empat.  Antena dengan patch lingkaran memiliki gain yang lebih tinggi walaupun memiliki beamwidth yang hampir sama dengan patch segi empat.
Untuk lebar jari-jari (α) ditentukan dengan[9]
𝛼 = 𝐹 √1+ 2ℎ 𝜋𝜀𝑟𝐹 [𝑙𝑛( 𝜋𝐹 2ℎ )+1,7726] (1)
Dengan  adalah  dimensi  radius  sirkular  atau  jari-jari  lingkaran  (mm), h adalah ketebalan  substrat  (mm), 𝜀 𝑟 adalah  permitivitas  dielektrik  relatif  substrat  (F/m),  dan F adalah fungsi elemen peradiasi
Untuk menentukan fungsi elemen peradiasi ditentukan dengan[9]:
𝐹 = 8.791×10 9 𝑓√𝜀 𝓇 (2)
Dengan 𝑓 adalah  frekuensi  kerja  antena,  dan 𝜀 𝑟 adalah  permitivitas  relatif  bahan substrat (F/m).
Karena bentuk patch antena merupakan lingkaran maka untuk dimensi ground plane dan substrat minimal bergantung pada besar α dari patch lingkaran[10].
Selanjutnya  perhitungan  lebar  dimensi  saluran  mikrostripnya  menggunakan  rumus sebagai berikut[11] :
𝑊 𝑓 = { 2 𝜋 [𝐵 − 1 − ln(2𝐵 − 1) + 𝜀 𝑟 −1 𝜀 𝑟 {ln(𝐵 − 1) + 0,39 − 0,61 𝜀 𝑟 }] (3)
Dengan 𝜀 𝑟 adalah  permitivitas  relatif  substrat, 𝑤 𝑓 adalah  lebar  saluran  pencatu, ℎ adalah tebal substrat dan dengan nilai 𝐵 sebagai berikut[11] :
𝐵 = 60𝜋 2 𝑍 𝑜 √𝜀 𝑟 (4)
Untuk  menentukan  panjang  saluran  mikrostrip  adalah  dengan  panjang feed ( L f ) diasumsikan setengah dari dimensi groundplane [9].
Sedangkan  teknik  pencatuan  yang  digunakan  pada  perancangan  antena  ini  yaitu menggunakan microstrip  line  feed .  Pada  teknik  ini,  pencatuan  dilakukan  dengan  cara menghubungkan line pencatuan  dengan patch ,  dimana patch dan line pencatuan menggunakan  bahan  yang  sama  yang  difabrikasi  dengan  cara  di- etching -kan[12]. Diketahui  dari  penelitian  [13]  dengan  menggunakan microstrip  line  feed VSWR  yang didapat akan menjadi lebih baik.

## 3. Simulasi dan pembahasan Hasil

## Gambar 1. Diagram alir penelitian
Tahapan yang dilakukan dalam perancangan ini ditunjukkan pada Gambar 1 dengan spesifikasi desain antena seperti yang ada pada Tabel 1. Selanjutnya dipilih bahan yang digunakan yaitu tembaga dengan tebal 0,035 mm untuk ground serta patch dan FR-4 Epoxy dengan  tebal  1,6  mm  dan  memiliki  permitivitas  relatif  4,6  untuk  substrat.  Langkah selanjutnya  adalah  menentukan  dimensi  antena  mikrostrip patch lingkaran  dengan perhitungan matematis menggunakan Persamaan (1) sampai (4). Jika hasil sudah didapat,
Spesifikasi Antena sudah sesuai ? Running Simulasi Penentuan Ukuran Dimensi Antena Spesifikasi Desain Antena Mulai Tidak Seles ai Ya Optimasi dimensi antena Analisa Hasil Simulasi
maka  langkah  berikutnya  adalah,    mensimulasikannya  di  dalam CST  Microwave  Studio 2018. Jika simulasi sudah sesuai dengan spesifikasi maka hasil yang didapat dianalisa. Jika hasil yang didapat belum sesuai maka dilakukan optimasi pada dimensi antena.
Tabel 1. Spesifikasi Antena Parameter Spesifikasi Frekuensi Kerja 5.8 GHz VSWR ≤ 2 gain ≥ 6 dB Return loss ≤ -9,54
Setelah  mendapatkan  hasil  dimensi  antena  dengan  perhitungan  matematis,  maka dimensi tersebut disimulasikan ke CST Microwave Studio  2018. Hasil perhitungan dimensi ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Dimensi Antena berdasarkan Hasil Perhitungan
Rancangan bentuk antena dengan DGS ditunjukkan pada Gambar 2 sebagai berikut :
Gambar 2.  Perancangan antena dengan DGS berbentuk persegi panjang

## 3.1.     Antena Elemen Tunggal
Setelah  disimulasikan,  diperoleh  grafik  parameter  kinerja  antena  yang  dapat  dilihat pada Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5.
Parameter Nilai (mm) Keterangan α 5,2 Jari-jari patch lingkaran W g 25 Lebar groundplane L g 25 Panjang groundplane W f 3,26 Lebar saluran pencatu L f 12,5 Panjang saluran pencatu h s 1,6 Tebal Substrat h t 0,035 Tebal Tembaga
Gambar 3.  Return Loss antena elemen tunggal
Gambar 4.  VSWR  antena elemen tunggal
Gambar 5. Gain antena elemen tunggal
Pada Gambar 3 dapat dilihat nilai return loss antena elemen tunggal didapat sebesar  - 3,459 dB. Pada Gambar 4 nilai  VSWR antena elemen tunggal didapat sebesar 5,086. Pada Gambar 5 nilai gain antena elemen tunggal yaitu sebesar 1,75 dB, hal ini menunjukkan nilai return loss, VSWR, dan gain yang didapatkan belum sesuai spesifikasi yang diinginkan.

## 3.2.     Antena Elemen Tunggal dengan DGS
Rancangan antena elemen tunggal dengan DGS, disimulasikan dan mendapat grafik parameter antena  yang dapat dilihat pada Gambar 6, Gambar 7, dan Gambar 8.
Pada Gambar 6 nilai Return loss yang didapat setelah penambahan metode DGS yaitu -17,529  dB.  Pada  Gambar  7  terlihat  nilai  VSWR  yang  didapat  dari  hasil  penambahan metode DGS yaitu 1,306. Terlihat penurunan nilai return loss dan  VSWR yang signifikan setelah ditambahkan metode DGS dengan berbentuk persegi panjang. Hal ini sudah sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan.
Antena elemen tunggal yang ditambahkan DGS ini menghasilkan gain sebesar 2,25 dB seperti yang tampak pada Gambar 8.
Gambar 6. Return Loss antena elemen tunggal dengan DGS
Gambar 7. VSWR antena elemen tunggal dengan DGS
Gambar 8. Gain antena elemen tunggal dengan DGS
3.3.     Antena Multilayer parasitic dengan DGS
(a)                                                              (b )
Gambar 9.  Antena mikrostrip dengan Multilayer Parasitic 3 layer (a) Tampak Depan (b) Tampak belakang
Seperti yang terlihat pada Gambar 9, setelah simulasi dengan antena elemen tunggal maka ditambahkan 2 l ayer antena, yaitu layer end-parasitic dan layer front-parasitic. Layer end-parasitic ditambahkan di bawah layer utama, terdiri dari substrat dan ground tanpa ada patch . Sementara layer front-parasitic ditambah di atas layer utama, terdiri dari substrat dan patch tanpa adanya ground.
Gambar 10. Return Loss antena multilayer parasitic 3 layer dengan penambahan metode DGS
Gambar 11. VSWR antena multilayer parasitic 3 layer dengan penambahan metode DGS
Gambar 12. Gain antena multilayer parasitic 3 layer dengan penambahan metode DGS
Setelah  dilakukan  simulasi  pada  rancangan  antena multilayer  parasitic dengan  DGS diperoleh  nilai  VSWR  dan return  loss pada  Gambar  10  dan  Gambar  11,  dengan  nilai berturut-turut sebesar -17,548 dB dan 1,299. Sedangkan seperti yang terlihat pada Gambar 12 nilai gain yang diperoleh sebesar 7,08 dB. Dengan demikian dapat ditunjukkan bahwa penambahan layer dapat meningkatkan gain antena mikrostrip patch lingkaran.
Pada Gambar 13, pola radiasi yang didapat dari hasil penambahan antena multilayer parasitic 3 layer dengan metode DGS yaitu dihasilkan pola radiasi direksional. Pada gambar tampak  pola  yang  diterima  gelombang  elektromagnetik  lebih  efektif  hanya  pada  arah tertentu saja.
Parameter kinerja antena pada simulasi yang telah dilakukan dirangkum pada Tabel 3.
(a) (b)
Gambar 13. Hasil simulasi nilai pola radiasi antena mikrostrip patch lingkaran dengan multilayer parasitic (a) azimuth (b) elevasi Tabel 3. Perbandingan Kinerja Antena Parameter Kinerja Antena Elemen Tunggal Antena Elemen Tunggal dengan DGS Antena Multilayer parasitic 3 Layer dengan DGS Return Loss -3,459 dB -17,529 dB -17,548 dB VSWR 5,086 1,306 1,299 Gain 1,75 dB 2,25 dB 7,08 dB
Pada Tabel 3 dapat dilihat dengan menambahkan DGS dapat memperbaiki nilai Return Loss dan VSWR. Awalnya, nilai return loss pada antena elemen tunggal sebesar -3,459 dB menjadi -17,529 dB. Nilai VSWR antena elemen tunggal sebesar  5,086 menjadi 1,306.
Sementara itu dengan menambahkan layer end-parasitic dan layer front-parasitic dapat menambahkan gain secara signifikan. Awalnya gain antena elemen tunggal bernilai 1,75 dB ditambahkan DGS menjadi 2,25 dB. Setelah ditambahkan layer end-parasitic dan layer font-parasitic menjadi 7,08 dB.

## 4.      Kesimpulan
Berdasarkan simulasi perancangan yang telah dilakukan diperoleh hasil VSWR pada antena patch lingkaran multilayer parasitic dengan DGS sebesar 1,299. Return loss sebesar - 17,548  dB,  dan gain 7,08  dB.  Hasil  yang  diperoleh  telah  sesuai  spesifikasi  perancangan. Dengan penambahan layer parasitic pada antena utama, diperoleh peningkatan gain dari 1,75  dB  menjadi  7,08  dB.  Sementara  itu  pola  radiasi  yang  dihasilkan  yaitu  pola  radiasi direksional yaitu antena ini hanya efektif pada satu arah saja.

## Daftar Pustaka
[1]  S.Banerji, R. S. Chowdhury. “On IEEE 802.11: Wreless LAN Technology” International Journal of Mobile Network Communication & Telematics (IJMNCT) , Vol. 3, No.4, 2013
[2]  F. R. Medina, Edwar, .”Perancangan dan Simulasi Multi layer Parasitic Antena Array 1x2 dengan Patch Persegi Panjang untuk Aplikasi 2,45 GHz”, Seminar Nasional Sains dan Teknologi, Jakarta , 17 Oktober 2018.
[3]  A.B  Santiko,  K.Paramayudha,  Y  Wahyu,  Sumartono,  H.  Wijayanto,  “Design  and realization  multi  layer  parasitic  for  gain  enhancement  of  microstrip  patch antenna”, International  Seminar  on  Intelligent  Technology  and  Its  Applications  (ISITIA) ,  Lombok, Indonesia, 28-30 July 2016.
[4]  R. Abdullah, M.T. Ali, N. Ismail, S. Omar, N. N. S. N. Dzulkefli, . “Multilayer parasitic microstrip  antenna  array  for  WiMAX  application”, IEEE  Asia-Pasific  Conference  on Applied Electromagnetics (APACE) , Melaka, Malaysia, 11-13 December 2012.
[5]  E.Y.D. Utami, C. Prabelia, F.D. Setiaji, Y. Wahyu, “Peningkatan Gain dengan Teknik Multilayer Parasitic pada Perancangan Antena Mikrostrip Persegi Panjang 2,4 GHz”, Jurnal ELKHA , Vol. 11, No.2, pp. 72- 78, Oktober 2019
[6]  T.  Supriyanto  dan  T.  Firmansyah.  “Peningkatan  Gain  Antena  Mikrostrip  Lingkaran Menggunakan Parasitik Radiator”. Jurnal Ilmiah Elite Elektro , Vol.3, No. 1, pp. 1-5, Maret 2014
[7] L.  H.  Weng,  Y.  C.  Guo,  X.  W.  Shi,  and  X.  Q.  Chen,  “An  overview  on  defected groundstructure”, Progress In Electromagnetics Research B ,Vol.7, pp. 173–189, 2008
[8] T. D. Prasad and K. V. S. Kumar, "Comparisons of Circular and Rectangular Microstrip Patch Antennas," International Journal of Communication Engineering Applications, vol. 02, no. 04, pp. 187-197, 2011.
[9]  C.A.  Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, USA: John Willey and Son, 2005.
[10] F. Heryanto, “Antena Mikrostrip Patch Sirkular dengan Penambahan Elemen Parasitik Berpolarisasi  Sirkular  untuk  CP-SAR  S-Band  data  Transmit”.  Skripsi,  Universitas Telkom, Bandung,  2018
[11] R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl and A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook, Boston: Artech House, Inc., 2001.
[12] W. L. Stutzman, G. A. Thiele, Antenna Theory and Design , USA: John Wiley and Sons, 2012.
[13] R. Sinaga, A. H. Rambe, . “Analisis Perbandingan antara Saluran Pencatu Feed Line dan  Proximity  Coupled  untuk  antena  mikrostrip  patch  Segi  Empat”. SINGUDA ENSIKOM , Vol. 6 No.3, Maret 2014.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 18 No. 2 Oktober 2019 Hal 117 - 125