Jurnal Teknologi Elektro, Universitas Mercu Buana ISSN: 2086 ‐ 9479

## Perancangan Antena Mikrostrip Siw Cavity-Backed Modified Dumbell-Shaped Slot Untuk Pengaplikasian Pada 5G

## Sepryanto
Fakultas Teknik/Teknik Elektro Universitas Mercubuana Jakarta, Indonesia sepryanto14@gmail.com

## Said Attamimi
Fakultas Teknik/Teknik Elektro
Universitas Mercubuana Jakarta, Indonesia said.attamimi@mercubuana.ac.id

## Fadli Sirait
Fakultas Teknik/Teknik Elektro Universitas Mercubuana
Jakarta, Indonesia Fadli.sirait@mercubuana.ac.id
Abstrak— Perkembangan teknologi dan informasi yang semakin meningkat mengakibatkan kebutuhan masyarakat juga semakin meningkat salah satunya adalah kebutuhan  akan  teknologi  telekomunikasi  seluler  tanpa kabel  (wireless).  Perkembangan  teknologi  seluler  di Indonesia  yang  terakhir  berkembang  sejak  tahun  2010 adalah  4G  LTE  yang  berada  pada  pita  frekuensi  yang telah  ditentukan  pemerintah.  Perkembangan  teknologi wireless  di  Indonesia  juga  sudah  sampai  pada  teknologi 5G,  didukung  dengan  adanya  beberapa  kajian  mengenai implementasi  5G  di  Indonesia.  Frekuensi  untuk  teknologi 5G  termasuk  ke  dalam  frekuensi  tinggi,  yaitu  frekuensi dengan  panjang  gelombang  yang  kecil, frekuensi  ini  yang disebut  sebagai  millimeterwave  (mmWave).  Dalam penelitian  ini  dilakukan  perancangan  antena  Substrate Integrated  Waveguide  (SIW)  yang  dibuat  menggunakan PCB  berjenis  FR4  epoxy  dengan  ketebalan  1,6  mm  dan nilai  konstanta  dielektrik  4.4-4.9,  yang  bekerja  pada frekuensi  28  GHz,  dengan  menambahkan  slot  untuk memperbesar  gain  antena.  Perancangan  dilakukan menggunakan  software  Ansoft  High  Frequency  Structure Simulator  (HFSS)  v16.0.  Sedangkan  pengukuran  antena dilakukan  di  Laboratorium  Pusat  penelitian  Elektronika dan Telekomunikasi  LIPI Bandung. Hasil simulasi  antena bekerja pada frekuensi 27,9 – 29,3 GHz dengan bandwidth 1,4  GHz  dan  faktor  refleksi  mencapai  -27,43  dB. Sementara  hasil pengukuran  menunjukan  antena  bekerja pada  frekuensi  29,56  –  30,66  GHz  dengan  bandwidth  1,1 GHz  dan  faktor  refleksi  -24,35  dB.  Hasil  simulasi
menunjukkan adanya peningkatan gain, dengan peningkatan gain paling maksimum yaitu sebesar 5,49 dB. Perbedaan  ini  mungkin  disebabkan  kesalahan  dalam proses  fabrikasi,  proses  menyolder  yang  tidak  sempurna serta kesalahan dalam pengambilan data pengukuran.
Kata    Kunci  —  Mikrostrip,  Millimeter  Wave,  Slot, Substrate Integrated Waveguide (SIW),  HFSS .

## I. P ENDAHULUAN
Perkembangan  teknologi  dan  informasi  yang  semakin meningkat mengakibatkan kebutuhan masyarakat juga semakin meningkat  salah  satunya  adalah  kebutuhan  akan  teknologi telekomunikasi seluler tanpa kabel (wireless). [1]
Dengan  semakin  meningkatnya  pengguna  telekomunikasi seluler, menuntut teknologi wireless berkembang sangat pesat, teknologi  seluler  yang  terakhir  berkembang  sejak  tahun  2010 adalah  4G  LTE  yang  berada  pada  pita  frekuensi  yang  telah ditentukan  pemerintah  [2].  Perkembangan  teknologi  wireless sudah  sampai  pada  teknologi  5G,  di  Indonesia  teknologi  5G masih  terbilang  baru,  sudah  ada  beberapa  tulisan  membahas mengenai  persiapan  Indonesia  dalam  mengahadapi  dan mengidentifikasi teknologi 5G [3].
Berdasarkan timeline ITU
(International Telecommunication  Union),  5G  mulai  diterapkan  pada  tahun 2020. Teknologi ini diprediksi memiliki kecepatan data hingga 10  Gbit/s.  Frekuensi  untuk  teknologi  5G  termasuk  ke  dalam frekuensi  tinggi,  yaitu  frekuensi  dengan  panjang  gelombang yang kecil, frekuensi ini yang disebut sebagai millimeter wave
Jurnal Teknologi Elektro, Universitas Mercu Buana ISSN: 2086 ‐ 9479
(mmWave).  Spektrum  pita  frekuensi  mmWave  berada  pada rentang  frekuensi  kerja  antara  30GHz–300GHz.  Spektrum frekuensi  mmWave  yang  sudah  mendapatkan  lisensi  yaitu antara  28  GHz–39  GHz  [4].  Penggunaan  teknologi  mmWave pada  teknologi  5G  dimaksudkan  untuk  memenuhi  kebutuhan pengguna  perihal  kualitas  pengiriman  data  dengan  kapasitas dan kecepatan yang tinggi, namun dengan kerugian yang kecil [5].
Dengan berkembangnya teknologi tersebut, maka dibutuhkan  suatu  komponen  yang  sesuai  dan  memenuhi spesifikasi  pengaplikasian  teknologi  mmWave.  Oleh  karena itu,  digunakan  saluran  transmisi  yang  sesuai,  sehingga  dapat bekerja  dengan  baik  pada  frekunsi  tinggi.  Saluran  transmisi yang  dapat  bekerja  di  frekuensi  tinggi  yaitu  mikrostrip  dan waveguide [6], maka dirancang sebuah antena yang merupakan modifikasi  dari  dua  saluran  transmisi  tersebut.  Selain  itu, alasan  penggunaan  mikrostrip  dikarenakan  ukurannya  yang kecil,  tipis  dan  ringan  memudahkan  antena  tersebut  untuk ditempatkan  dimanapun.  Akan  tetapi,  antena    ini  hanya  dapat menghasilkan bandwidth dan gain yang kecil. [6]
Salah  satu  cara  untuk  mengatasi  hal  tersebut  adalah merancang  antena  mikrostrip  dengan  sebuah  antena  slot mikrostrip dengan mode SIW. Substrate Integrated Waveguide (SIW)  adalah  saluran  transmisi  yang  mampu  menghantarkan sinyal  frekuensi  tinggi  dengan  kerugian  yang  kecil,  tetapi memiliki kemampuan mengintegrasikan banyak komponen.
Pada  model  cavity,  daerah  interior  yaitu  rongga  antara patch  dan  ground  plane  diasumsikan  sebagai  sebuah  rongga (cavity) yang dilingkari oleh suatu dinding magnetik sepanjang tepinya,  dan  diapit  oleh  dinding  elektrik  dari  atas  dan  bawah. [7]
Dari beberapa jurnal yang dijadikan acuan, maka dirancang sebuah  antena  mikrostrip  slot  cavity  dimana  yang  berfungsi untuk meningkatkan bandwidth.  Antena ini diaplikasikan pada jaringan 5G yang bekerja pada frekuensi 28 GHz.
Penelitian  ini  berjudul  “Perancangan  Antena  Mikrostrip SIW  Cavity  Backed  Modified  Dumbell-Shaped  Slot  Pada Pengaplikasian 5G”.

## II. PENELITIAN TERKAIT
Pada  penelitian  [8],  sebuah  metode  meningkatkan bandwidth  low-profile  dengan  substrate  integrated  waveguide (SIW)  cavity  (rongga)  yang  didukung  slot  antena  disajikan dalam makalah ini. peningkatan bandwidth dicapai dengan Si- multaneously  menarik  dua  mode  Hybrid  SIW  Cavity  dan menggabungkan  mereka  dalam  rentang  frekuensi  yang diperlukan. Dibandingkan dengan orang-orang dari sebelumnya  yang  menyajikan  SIW  Cavity  (rongga  )  yang didukung  antena  slot,  impedansi  bandwidth  dari  antena  yang diusulkan  meningkatk  dari  1,4%  menjadi  6,3%,  gain  dan radiasi efisien juga sedikit membaik menjadi 6,0 dBi dan 90%, dan  ukuran  rongga  SIW  nya  berkurang  sekitar  30%.  antena
usulkan  menunjukkan  tingkat  polarisasi  silang  yang  rendah dan front back ratio yang tinggi.
Kemudian  oleh  [9],  Cavity-Backed  yang  didukung dimodifikasi  berbentuk  Dumbell  slot  antena  berdasarkan Substrate  Integrated  Waveguide  (SIW)  diusulkan  dalam makalah  ini.  Dibandingkan  dengan  slot  dumbbell  shaped tradisional,  yang  dimodifikasi  slot  dumbbell  shaped  tidak hanya  memperkenalkan  beberapa  poin  resonansi  baru,  tetapi juga  membuat  antena  mendapatkan  gain  yang  lebih  tinggi. Teknik  pencatuan yang digunakan adalah Grounded Coplanar Waveguide  (GCPW).  Hasil  yang  diukur  menunjukkan  bahwa antena  diusulkan  mencapai  bandwidth  impedansi  dari  26,7% dari 18,2 GHz menjadi 23,8 GHz dan gain  puncak 9,5 dBi di 20,4  GHz.  Level  polarisasi  antena  sekitar  -40  dB  pada  tiga frekuensi diukur.
Kemudian  [10],  membahas  tentang  antena  SIW  Cavity memperoleh  gain  yang  tinggi.  Antena  dirancang  berdasarkan teknologi  SIW  dengan  subtrate  menggunakan  TE440  High order  mode  yang  beroperasi  pada  28  GHz.  Antena  yang diusulkan  menawarkan  gain  tinggi,  efisiensi  radiasi  yang tinggi,  dan  sedikit  optimasi  parameter.  TE 440 yang  terdapat Cavity  dengan  Coaxial  Probe  mendistribusikan  energy  dan menghindari  terjadinya  loss  pada  pencatuan  jaringan.  Antena yang  diusulkan  kandidat  bagus  untuk  pengaplikasian  5G. Antena  yang  dihasilkan  menggunakan  simulasi  perangkat lunak  CST  dan  HFSS.  Menghasilkan  Frekuensi  kerja  28GHz dengan koefisien refleksi -35dB.

## A. Konsep Dasar Antena
Antena  adalah  sebuah  alat  yang  berfungsi  untuk memancarkan  atau  menerima  gelombang  elektromagnetika. Antena  sebagai  alat  pemancar  ( transmitter )  dapat  mengubah gelombang  listrik  di  dalam  saluran  transmisi  kabel,  menjadi gelombang  elektromagnetik,  dan  sebagai  alat  penerima ( receiver )  mengubah  gelombang  elektromagnetik  menjadi gelombang listrik. [11].

## B. Parameter Antena
Dalam melakukan penilaian pada sebuah antena digunakan parameter-parameter penilai. Yang dengan bantuan parameter ini  kita  bisa  menentukan  apakah  suatu  antena  cocok  dipakai pada  aplikasi  yang  kita  inginkan  atau  tidak.  Parameter- parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis  suatu  antena  adalah  faktor  refleksi,  bandwidth, gain, dan pola radiasi.

## C. Antena Mikrostrip
Antena  mikrostrip  merupakan  antena  yang  berbentuk bilah/potongan  dengan  ukuran  sangat  tipis/kecil.  Antena  ini merupakan  antena  yang  populer  penggunaannya  saat  ini  dan sangat  cocok  digunakan  untuk  perangkat  telekomunikasi,  hal ini sesuai dengan bentuk dan ukurannya.
Jurnal Teknologi Elektro, Universitas Mercu Buana ISSN: 2086 ‐ 9479

## Substrate Integrated Waveguide
Struktur dasar dari Substrate Integrated Waveguide (SIW) ditampilkan  di  gambar  1.  Bahan  dasar  SIW  adalah  sebuah substrate  dielektrika  dengan  ketebalan  h  dan  permitivitas relatif  εr.  Bagian  atas  dan  bawah  substrate  adalah  lapisan metal  dengan  ketebalan  yang  biasanya  diabaikan.  Struktur seperti  ini  secara  teoretis  mampu  untuk  melewatkan  sinyal pada  frekuensi  berapapun,  bahkan  juga  sinyal  DC.  Pada struktur  SIW  ditambahkan  dua  baris  silinder  metal  (tiang metal,  metallic  posts),  yang  menghubungkan  lapisan  metal sebelah  atas  dengan  lapisan  metal  sebelah  bawah  (ground). Diameter  dari  silinder  metal  ini  d  dan  jarak  dari  titik  tengah dua silinder sebaris adalah p (pitch), sedangkan jarak dari titik tengah barisan silinder parallel ini adalah a. Keberadaaan dua baris silinder metal ini menyebabkan sinyal yang berfrekuensi rendah  tidak  bisa  merambat  di  dalam  SIW,  struktur  SIW memberikan  suatu  nilai  frekuensi  cut-off  tertentu,  jika  sinyal yang  dilewatkan  melaluinya  memiliki  frekuensi  yang  lebih rendah dari frekuensi cut-off tersebut, sinyal akan ditolak.[11].
Gambar 1. Struktur Dasar SIW

## III. METODOLOGI PENELITIAN

## A. Diagram Alir Penelitian
Diagram  alir  atau  flowchart  berisikan  langkah-langkah penting  dalam  perancangan  antena  mulai  dari  proses penentuan  spesifikasi  antena,  penentuan    dimensi  antena, sampai  pada  proses  simulasi  menggunakan  software  Ansoft HFSS  dan  diakhiri  dengan  fabrikasi  serta  pengukuran  seperti yang terdapat pada gambar 2 berikut.
Gambar 2. Diagram Alir Penelitian

## B. Perancangan
Perancangan antena mikrostrip Slot Hybrid SIW Cavity ini didapatkan  tidak  menggunakan  rumus  melainkan  dari  sebuah jurnal IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies For Wireless Communications .  Adapun  bentuk  desain  antena  sebagai berikut:
Gambar 2. Desain antena Mikrostrip Slot Hybrid SIW Cavity
Antena ini dirancang pada frekuensi 28 GHz diatas substrat FR4  Epoxy  Double  Layer  yang  fleksibel  dengan  permitivitas relatif  4.4  –  4.9,  ketebalan  1,6  mm.  Berikut  adalah  Tabel  1, Dimensi Variabel Antena
Jurnal Teknologi Elektro, Universitas Mercu Buana ISSN: 2086 ‐ 9479
Tabel 1. Dimensi Variabel Antena No.  Nama Variabel Nilai Hasil Perhitungan Skala 1 W 20 mm 2 L 25 mm 3 H sub 1.6 mm 4 W 50 2.4 mm 5 d 0.65 mm 6 L i 8.8 mm 7 W i 0.8 mm 8 L il 7 mm 9 W il 2.5 mm 10 L 1 3.19 mm 11 W 1 3.15 mm 12 L 2 0.4 mm 13 L 3 0.405 mm 14 W 2 3 mm 15 W 3 5 mm 16 L 4 0.3 mm 17 W 4 0.5 mm 18 W 5 2.85 mm 19 D s 7.1 mm 20 D 1 2.1 mm 21 W s 20 mm 22 p 0.65 mm

## IV. H ASIL DAN ANALISA
Setelah  melakukan  perancangan  dan  optimasi  dengan menggunakan  software  Ansoft  High  Frequency  Structure Simulator  (HFSS)  v.16.0,  langkah  berikutnya  adalah melakukan  fabrikasi  dan  pengukuran  dengan  mengunakan Network Analyzer. Hasil fabrikasi ditunjukkan pada Gambar 3. Pada  gambar  tersebut  terdapat  4  buat  slot  yang  di  gabungkan dengan  tujuan  untuk  mendapatkan  faktor  refleksi,  Bandwidth, VSWR, dan gain yang maksimal.

## Gambar 3. Hasil Fabrikasi Antena Mikrostrip SIW Cavity Slot

## Simulasi dan Pengukuran Faktor Refleksi
Simulasi  dilakukan  menggunakan  software  HFSS  versi 16.0.  Parameter  antena  yang  diamati  yaitu  frekuensi  kerja,
faktor refleksi, dan gain. Untuk antena mikrostrip SIW Cavity Slot  dapat  dilihat  dari  gambar  4,  bahwa  saat  frekuensi  29,9 GHz  pada  pengukuran  menghasilkan  faktor  refleksi  sebesar  - 24,35  dB,  sedangkan  pada  saat  simulasi  saat  frekuensi  28,5 GHz dihasilkan faktor refleksi sebesar -27.43 dB.
Gambar 4. Perbandingan Hasil Faktor Refleksi Pada Antena

## Simulasi dan Pengukuran Gain
Untuk  gain  yang  dihasilkan  dari  perancangan  antena microstrip  Substrate Integrated Waveguide (SIW) Cavity Slot ini adalah sebesar 5,49 dB seperti terdapat pada Gambar 5, ini juga  telah  memenuhi  kualifikasi  parameter  yang  diinginkan peneliti.
Gambar 5. Hasil Simulasi Gain Untuk Antena
Untuk  lebih  jelas  mengenai  perbandingan  hasil  simulasi dan  pengukuran  antena  mikrostrip  SIW  Cavity  Slot  dapat dilihat pada Tabel 2 berikut ini
Tabel 2 Perbandingan parameter antena hasil simulasi dan hasil pengukuran Parameter Simulasi Pengukuran Frekuensi (GHz) 28,5 GHz 29,9 GHz Faktor Refleksi (dB) -27,43 dB -24,35 dB Bandwidth 1,4 GHz 1,1 GHz
Jurnal Teknologi Elektro, Universitas Mercu Buana ISSN: 2086 ‐ 9479
VSWR 1,088 1,039 Gain (dB) 5,49 dB -
Berdasarkan Tabel  2, dapat  disimpulkan bahwa perbedaan substrat  pada  antena  berpengaruh  besar  terhadap  pengukuran parameter antena, terlebih perbedaaan frekuensi resonansi saat pengukuran dan simulasi  ini juga di pengaruhi oleh konektor, material  substrat  yang  digunakan,  penyolderan.  Sedangkan untuk  faktor  refleksi  yang  dihasilkan  baik  pada  simulasi maupun pengukuran sudah memenuhi standar yaitu dibawah - 10 dB.

## V. K ESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan  dengan melalui beberapa tahap perencanaan, perancangan, pembuatan serta  pengujian  maka  dapat  diambil  kesimpulan  sebagai berikut:
• Telah dirancang antena mikrostrip substrate integrated  waveguide  yang  dapat  bekerja  pada frekuensi 29.9 GHz.
• Pada  simulasi,  antena  bekerja  pada  range  frekuensi 27,9-29,3  GHz  dengan  bandwidth  sebesar  1,4  GHz.
Frekuensi  resonansi  antena  berada  pada  28,5  GHz dengan  faktor  refleksi  mencapai  -27,43  dB. Sementara  hasil  pengukuran  menunjukan  bahwa antena  bekerja  pada  range  frekuensi  29,5-30,6  GHz dengan  bandwidth  hanya  1,1  GHz.  Frekuensi resonansi  antena  bergeser  sejauh  1,4  GHz  kekanan tepatnya  berada  pada  29,9  GHz  dengan  faktor refleksi -24,35 dB.
• Nilai  VSWR  yang  diperoleh  dari  hasil  simulasi adalah  1,088  pada  frekuensi  28,5  GHz.  Sedangkan nilai  VSWR  hasil  pengukuran  1,039  pada  frekuensi 29,99  GHz.  Nilai  tersebut  sudah  termasuk  baik, karena nilai VSWR < 2. Hal ini menunjukkan bahwa antena  hasil  fabrikasi  dapat  memancarkan  daya dengan baik dan minimnya energi yang direfleksikan kembali ke pemancar.
• Hasil  simulasi  menunjukan  antena  memiliki  gain sebesar  5,49  dB,  sedangkan  untuk  pengukuran  gain tidak dapat dilakukan dikarenakan perangkat chamber  tidak    mendukung  antena  dengan  frekuensi >20 GHz.
• Terdapat  perbedaan  selisih  hasil  simulasi  dengan hasil fabrikasi dikarenakan  beberapa kesalahan yang tidak dapat dihitung dalam simulasi seperti kesalahan dalam  proses  fabrikasi,  proses  menyolder  yang  tidak
sempurna,  material  yang  dipergunakan  FR4  tidak optimal untuk frekuensi tinggi.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Terima kasih kami ucapkan kepada semua pihak yang telah membantu  menyelesaikan  penelitian  ini.  Serta  terima  kasih kepada  universitas  mercu  buana  dan  tim  editorial  Jurnal Teknologi Elektro atas dipublikasikannya penelitian ini.

## D AFTAR P USTAKA
[1] Telekomunikasi  Seluler,  Tbk,  PT.  “Laporan  Tahunan 2011”. (htpp://www/telkomsel.co.id). 11 Januari 2020.
[2] Telekomunikasi  Seluler,  Tbk,  PT.  “Laporan  Tahunan 2017”. (htpp://www/telkomsel.co.id). 11 Januari 2020.
[3] Admaja,  A.  F.  S.  “Kajian  Awal  5G  Indonesia  (5G Indonesia Early Preview). Buletin Pos dan Telekomunikasi”. 2015 Desember 19; 13(2) : 99.
[4] The  Federal  Communications  Commission  (FCC).  “Use of  Spectrum  Bands  Above  24  GHz  for  Mobile  Radio Services”. FCC Fact Sheet. 2017 Oktober 26 : 52.
[5] T.S.  Rappaport  et  al.  “Milimeter  Wave  Mobile Communications for 5G Cellluar : It Will Works!”. IEEE Access. 2013 Mei 29; 1(1) : 335 – 349.
[6] Alaydrus,  M.,  2011.  “Antena  Prinsip  &  Aplikasi”, Yogyakarta : Graha Ilmu.
[7] Rambe,  A.  H.  2008.  ”Rancang  Bagun  Antena  Mikrostrip Slot  Triangular  Array  4  Elemen  Dengan  Pencatuan Aperture  Coupled  Untuk  Aplikasi  CPE  pada  WiMAX”. Tugas Akhir. Jakarta : Univeristas Indonesia.
[8] Luo,  Guo  Qing,  Zhi  Fang  Hu,  Wen  Jun  Li,  2012. “Bandwidth-Enhanced  Low-Profile  Cavity-Backed  Slot Antenna  by  Using  Hybrid  SIW  Cavity  Modes”,  IEEE Antennas  and  Wireless  Propagation  Letters,  Vol.  60. Issue.4: 1698 – 1704.
[9] Cheng, Tong, Wen Jiang. 2019 “Broadband SIW Cavity- Backed Modified Dumbbell-Shaped Slot Antenna “, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 18. Issue 5: 936 – 940.
[10] Asaadi, Muftah, Abdelrazik Sebak. 2016 “High Gain Low Profile Slotted SIW Cavity Antenna for 5G Applications”. IEEE  International  Symposium  on  Antennas  and Propagation (APSURSI).
[11] Alaydrus,  M.,  2016.  “Studi  Transisi  Saluran  Transmisi Planar-Substrate  Integrated  Waveguide”.  IncomTech, Jurnal Telekomunikasi dan Komputer, Vol.7, No.2.