InComTech: Jurnal Telekomunikasi dan Komputer vol.11, no.2, Agustus 2021, 100-117 http://publikasi.mercubuana.ac.id/index.php/Incomtech P-ISSN: 2085-4811 E-ISSN: 2579-6089

## Perancangan Antena Mikrostrip Rectangular
Array untuk Teknologi 5G pada Frekuensi 28

## GHz
Nurina Leila Yusup , Eka Setia Nugraha * , Petrus Kerowe Goran
Program Studi Teknik Telekomunikasi, Institut Teknologi Telkom Purwokerto JL. DI Panjaitan No. 128 Purwokerto, 53147 *Email Penulis Koresponden: eka_nugraha@ittelkom-pwt.ac.id

## Abstrak :
Teknologi  5G  memanfaatkan  spektrum millimeter  wave untuk menyediakan kapasitas, kecepatan data, dan cakupan yang luas untuk koneksi secara menyeluruh.  3GPP release 15  menyatakan  teknologi beamforming dapat  memenuhi karakteristik  jaringan  5G  karena  dapat  meningkatkan  5G broadcast dan traffic  beam  coverage . Beamforming merupakan proses penggabungan sinyal pada elemen array untuk  membentuk  sinar  radiasi  ( beam  radiation )  dan menyelaraskan  fasa  sinyal  untuk  membentuk beam pada arah  tertentu. Butler  matrix adalah  salah  satu  teknik  yang digunakan  pada beamforming yang  bertujuan  untuk mendapatkan beda fasa pada setiap elemen dari antena yang dirancang, sehingga arah radiasi yang dihasilkan dapat fokus pada  arah  yang  dibutuhkan.  Pada  penelitian  ini  dirancang antena  mikrostrip rectangular  array dengan  pemodelan MIMO  4×4  dan  metode butler  matrix .  Perancangan butler matrix 4×4  menggunakan  2  skenario  perancangan, kemudian menentukan skenario terbaik untuk digabungkan dengan antena mikrostrip array MIMO 4×4. Hasil simulasi didapatkan return  loss pada  pada  elemen  1,  elemen  2, elemen 3 dan elemen 4 sebesar -14,504 dB, -6,71 dB, -6,79 dB dan -15,129 dB. VSWR sebesar 1,46; 2,716; 2,687 dan 1,424. Gain sebesar 11,1 dBi; 10,8 dBi; 10,8 dBi dan 11 dBi. Pola radiasi secara unidirectional dengan arah radiasi antena yang berbeda-beda, dilihat dari sudut pandang elevasi arah pancar utama pada sudut 0,0 o ; 8,0 o ; -8,0 o ; dan -22,0 o . Hal ini membuktikan  bahwa  penggunaan butler  matrix 4×4  pada perancangan  antena  mikrostrip array MIMO  4×4  dapat meningkatkan  nilai gain dan  mendapatkan  pola  radiasi antena yang terarah dengan arah radiasi yang berbeda-beda.
This is an open access article under the CC BY-NC license
Kata Kunci: Teknologi 5G; Beamforming ; MIMO; Butler Matrix ;

## Riwayat Artikel:
Diserahkan 26 Januari 2021 Direvisi 1 Mei 2021 Diterima 7 Juni 2021 Dipublikasi 21 Agustus 2021
DOI :
10.22441/incomtech.v11i2.10814

## 1. PENDAHULUAN
Layanan 5G membutuhkan jaringan dengan kapasitas 1000 kali lebih besar dan 10-100 kali lebih cepat [ 1 ]. Untuk memenuhi persyaratan kecepatan data, jaringan 5G  harus  memiliki  3  lapisan  struktur,  yaitu ultra  experience  layer yang memanfaatkan ultra wide bandwidth dari spectrum millimeter wave , high capacity layers yang dapat mendukung teknologi massive MIMO, dan ubiquitous coverage layers yang  dapat  mengimplementasikan  lebar  dan  cakupan  radio  untuk  koneksi secara universal. Untuk memenuhi karakteristik teknologi 5G diatas, maka sebuah antena  harus  mendukung  teknologi beamforming .  3GPP release 15  menyatakan bahwa beamforming digunakan untuk meningkatkan 5G broadcast dan traffic beam coverage .  Untuk  menghasilkan beamforming  beams ,  pada  antena  5G  diperlukan minimal dua antena array pada masing-masing band , yang berarti antena tersebut mendukung  konfigurasi  4T4R.  Ketepatan beamforming ditentukan  oleh single- array  beam  vector dan  perbedaan  fasa array (Δϕ). Single-array  beam  vector ditentukan  oleh  desain  antena,  sedangkan  perbedaan  fasa array (Δϕ)  ditentukan oleh topologi antena array [ 1 ]. Beamforming mengacu pada proses penggabungan sinyal  pada  elemen array untuk  membentuk  sinar  radiasi  ( beam  radiation )  yang terarah. Selain itu juga digunakan untuk menyelaraskan fasa sinyal yang masuk dari elemen array sehingga membentuk beam pada arah tertentu [ 2 ]. Penelitian  yang  dilakukan [ 3 , 4 ]  menunjukkan  bahwa  jaringan beamforming dapat dilakukan dengan menggunakan teknik butler matrix. Butler matrix memiliki standar perancangan yang terdiri dari beberapa komponen yaitu 3 dB directional couple r, crossover dan phase shifter . Matrix ini memiliki N input port dan N output sehingga  sinyal  yang  berbeda  dapat  ditransmisikan  menggunakan  N  antena Mikrostrip yang berbeda. Suatu sistem butler matrix dengan empat beam terpisah memiliki sudut fasa ideal antar port yang berbeda yaitu sebesar -135 o , -45 o , +45 o , +135 o . Penggunaan butler matrix pada antena array 16 elemen dengan frekuensi 28,5 GHz menghasilkan arah radiasi utama sebesar -42 o , -13 o , 13 o , dan 42 o secara berturut-turut pada port 3,1,4 dan 2 [ 3 ]. Penelitian lain oleh [ 5 ], juga menyatakan bahwa  penggunaan butler  matrix pada  susunan  antena array dapat  memberikan keuntungan  diantara  memiliki  bentuk  yang  sederhana  dan  memiliki  kemampuan dalam switched-beam antenna . Pada penelitian tersebut dirancang jaringan butler matrix 4×4  dengan phase  feeding pada  elemen array -135 o ,  -45 o ,  +45 o ,  +135 o . Jaringan butler  matrix 4×4  untuk  frekuensi  gelombang  milimeter  terdiri  dari beberapa  komponen  penyusun  diantaranya  4 couplers ,  2 crossover ,  dan  4 phase delay . Hasil penelitian nilai fasa ketika input pada port 1 yaitu 251,58 o antara port 5 dan 6; 242, 58 o antara port 6 dan 7; 248,98 o antara port 7 dan 8 [ 5 ]. Frekuensi 28 GHz  merupakan  salah  satu  kandidat  5G.  Penelitian  yang  dilakukan  oleh  [ 6 ] menyatakan  bahwa  penggunaan  frekuensi  tinggi  dapat  menghasilkan bandwith yang  lebar,  akan  tetapi  dapat  menimbulkan multipath  fading karena  terjadinya pemantulan ( scattering ) sehingga untuk mengatasi hal tersebut digunakan antena dengan  susunan Multiple  Input  Multiple  Output (MIMO).  Selain  itu  penggunaan frekuensi  tinggi  dapat  memperkecil  dimensi  antena,  karena  pada  teknologi  5G dibutuhkan antena dengan integrasi yang mudah [ 6 ].
Pada penelitian ini dilakukan perancangan antena mikrostrip rectangular array dengan pemodelan MIMO 4 × 4 dan menggunakan metode butler matrix 4 × 4 untuk teknologi  5G  pada  frekuensi  28  GHz.  Perancangan  antena  menggunakan  bahan
substrat yaitu rogers RT duroid 5880 dengan permitivitas bahan 2,2 dan ketebalan bahan  0,254  mm.  Proses  perancangan  antena  akan  disimulasikan  menggunakan software simulator CST Suite Studio 2019. Penggunaan antena mikrostrip dengan patch berbentuk persegi  dikarenakan antena tersebut memiliki ukuran yang tipis, mudah diintegrasikan, dan dapat bekerja pada frekuensi tinggi. Perancangan antena secara array bertujuan  untuk  meningkatkan gain dan  direktivitas  antena. Pemodelan  MIMO  4 × 4  untuk  meningkatkan  laju  data  kirim.  Sedangkan  metode butler matrix 4 × 4 sebagai pembeda fasa pada setiap elemen antena. Parameter yang akan diuji adalah return loss ≤-10 dB, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) ≤2,
( bandwidth antena 1 GHz, gain ≥ 9dBi, pola radiasi unidirectional dan beda fasa antara output port sebesar -135 o , -45 o , +45 o , +135 o .

## 2. METODE

## 2.1 Spesifikasi Perancangan Antena
Penelitian  ini  dimulai  dengan  studi  literatur  terkait  perancangan  antena mikrostrip rectangular array 1×2 dengan pemodelan MIMO 4×4 dan metode butler matrix 4×4  yang  bekerja  pada  frekuensi  28  GHz  dengan  rentang  frekuensi  kerja 27,5  GHz  -  28,35  GHz  yang  dapat  diaplikasikan  pada  jaringan  5G.  Dalam melakukan perancangan ditentukan spesifikasi perancangan meliputi bahan antena yang akan digunakan pada substrat dan parameter kerja yang akan diamati seperti pada Tabel  1 dan Tabel  2 .  Selanjutnya  yaitu  perhitungan  dimensi  antena berdasarkan spesifikasi bahan substrat dan bahan patch yang digunakan, kemudian data  perhitungan  tersebut  dilakukan  simulasi  dengan  menggunakan software simulasi CST Suite Studio 2019. Perancangan antena dilakukan dalam 3 tahapan yaitu  perancangan  antena single  patch ,  dilanjutkan  dengan  perancangan  antena array 1×2  dan  yang  terakhir  perancangan  antena  MIMO  4×4.  Hasil  simulasi tersebut disesuaikan dengan spesifikasi antena yang telah ditentukan dan dilakukan analisis.
Tabel 1 Spesifikasi Parameter Antena Parameter Spesifikasi VSWR ≤ 2 Return Loss ≤ -10 dB Bandwidth 1 GHz Mutual Coupling ≤ -20 dB Koefisien Korelasi ≤ 0,3 Gain ≥ 9 dB Pola Radiasi Unidirectional Beda Phasa -135 o , -45 o , +45,+135 o T abel 2 Spesifikasi Bahan Antena Material
Spesifikasi Permitivitas Relatif (ε r ) Ketebalan (h) Copper (tembaga) 1 0,035 mm Rogers RT Duroid 5880 2,2 0,254 mm

## 2.2 Spesifikasi Perancangan Saluran Butler Matrix 4×4
Perancangan  saluran butler  matrix 4×4  dilakukan  ketika  antena  mikrostrip rectangular  array 1×2  dengan  pemodelan  MIMO  4×4  selesai  dilakukan.  Dalam melakukan  perancangan  saluran  ditentukan  spesifikasi  parameter  seperti  pada Tabel 3 dan bahan  yang digunakan untuk merancang saluran sama seperti bahan yang digunakan pada perancangan antena.
Tabel 3 Spesifikasi Parameter Saluran Butler Matrix 4×4 Parameter Spesifikasi VSWR ≤ 2 Return Loss ≤ -10 dB Isolation Loss ≤ -10 dB Insertion Loss ≥ -10 dB
Selain  spesifikasi  parameter  saluran butler  matrix 4×4,  dibutuhkan  juga spesifikasi  elemen penyusun  saluran butler  matrix 4×4  yang meliputi  90 o hybrid coupler, crossover , dan 45 o phase shifter ( Tabel 4 ).
Tabel 4 Spesifikasi Elemen Penyusun Saluran Butler Matrix 4×4 Elemen Butler Matrix Parameter Spesifikasi Hybrid Coupler VSWR ≤ 2 Return Loss ≤ -10 dB Isolation Loss ≤ -10 dB Insertion Loss ± 3 dB Beda fasa ± 90 o Crossover VSWR ≤ 2 Return Loss ≤ -10 dB Isolation Loss ≤ -10 dB Insertion Loss ≤ 0 dB Phase Shifter VSWR ≤ 2 Return Loss ≤ -10 dB Insertion Loss ≤ -0 dB Beda fasa ± 45 o
Setelah  mengetahui  spesifikasi  parameter  yang  digunakan,  selanjutnya  yaitu perhitungan  dimensi  saluran  berdasarkan  spesifikasi  bahan  yang  digunakan, kemudian  data  perhitungan  tersebut  dilakukan  simulasi  dengan  menggunakan software simulasi  CST Suite  Studio 2019.  Hasil  simulasi  tersebut  disesuaikan dengan spesifikasi antena yang telah ditentukan dan dilakukan analisis.

## 3.   DASAR TEORI

## 3.1 Antena Mikrostrip Rectangular Patch
Salah satu bentuk patch yang banyak digunakan adalah segiempat ( rectangular patch ). Patch berbentuk segiempat memiliki keuntungan diantaranya mudah dalam pembuatannya karena dapat  disimulasikan dengan software dan memiliki bentuk yang sederhana. Antena mikrostrip rectangular patch tersusun atas lebar (W) dan panjang  (L)  pada  sisi  dielektrik  substrat  dengan  ketebalan  (h)  dan  konstanta dielektrik (ε r ) [ 7 ].
Untuk  mencari  dimensi  panjang  (L)  dan  lebar  (W)  digunakan  persamaan  (1) sebagai berikut :
𝑊 = 𝑐 2𝑓 √ 2 ℇ𝑟+1 (1)
Pada persamaan (1), Ɛ r adalah konstanta dielektrik, c adalah kecepatan cahaya pada ruang  hampa  (3×108  m/s),  dan  f  adalah  frekuensi  resonansi  (Hz).  Untuk menentukan  panjang patch (L)  diperlukan  parameter  ∆L  yang  merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect yaitu efek pada elemen peradiasi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya.
ℇ𝑟𝑒𝑓𝑓 = ℇ𝑟+1 2 + ℇ𝑟−1 2 (1 + 12 ℎ 𝑤 ) − 1 2 (2)
∆𝐿 = 0,412ℎ ( ℇ𝑟𝑒𝑓𝑓+0,3 ℇ𝑟𝑒𝑓𝑓−0,258 ) ( 𝑤 ℎ +0,264 𝑤 ℎ −0,8 ) (3)
𝐿𝑒𝑓𝑓 = 𝑐 2√ℇ𝑟𝑒𝑓𝑓 (4) 𝐿 = 𝐿𝑒𝑓𝑓 − 2∆𝐿 (5) Pada persamaan  (5), h adalah tebal  dari substrat,  Ɛ reff adalah konstanta dielektrik relative , dan L eff adalah panjang patch efektif [ 8 ]. Sedangkan untuk mendapatkan dimensi  panjang ground  plane (Lg)  dan  lebar ground  plane (Wg)  digunakan persamaan (6) dan (7) sebagai berikut [ 9 ]:
𝐿𝑔 = 𝐿 + 6ℎ (6)
𝑊𝑔 = 𝑊 + 6ℎ (7)

## 3.2 Antena Mikrostrip Array
Antena array terdiri  dari  susunan  beberapa  antena  yang  identik.  Sinyal  dari antena tersebut digabung atau diproses guna meningkatkan performansi dari suatu antena. Tujuan dari pembuatan antena secara array yaitu untuk meningkatkan gain antena, meningkatkan directivity antenna , mengarahkan daya pancar menuju sektor yang  diinginkan,  menentukan  arah  kedatangan  sinyal,  dan  memaksimalkan  nilai Signal to Interference Plus Noise Ratio (SINR) [ 7 ].

## 3.3 Antena MIMO
Penggunaan  antena  MIMO  memiliki  peranan  penting  dalam  teknologi  5G, karena antena yang dihasilkan memiliki dimensi yang kecil. Pengembangan antena MIMO untuk teknologi 5G, dilakukan pada perubahan arah beam antena yang dapat berubah  sesuai  kondisi  lingkungannya,  seperti  pergerakan user ,  peningkatan jangkauan, serta peningkatan laju data kirim [ 10 ]. Terdapat dua parameter penting pada antena MIMO  yang perlu diperhatikan, pertama efek mutual coupling yang terjadi karena munculnya tegangan pada salah satu elemen antena yang diakibatkan letak  elemen  yang  terlalu  dekat  sehingga  dapat  mempengaruhi  kinerja  antena, kondisi mutual coupling umumnya ≤-20 dB [ 11 ]. Parameter kedua yaitu, koefisien korelasi (ρ) merupakan parameter penting untuk mengukur interferensi sinyal antar saluran. Koefisien korelasi antena MIMO dinyatakan dalam pendekatan parameter S dengan nilai kurang dari 0,3 [ 11 ].

## 3.4 Butler Matrix 4×4
Butler matrix merupakan rangkaian microwave yang memiliki N port masukan dan N port keluaran, untuk mengubah input pada satu port menjadi beberapa port diperlukan  pembagi  daya  dari  satu port ke  N port [ 12 ].  Sehingga  N  sinyal  yang berbeda  dapat  ditransmisikan  menggunakan  N  antena  mikrostrip  yang  berbeda [ 13 ]. Komponen butler  matrix menggunakan beberapa parameter uji diantaranya adalah isolation loss dan insertion loss. Isolation loss merupakan perbedaan level sinyal  dalam  dB  antara input port dan port  isolated ketika  kedua port tersebut
matched  load dengan  kondisi  ≤-10  dB.  Sedangkan insertion  loss merupakan kondisi hilangnya daya sinyal yang diakibatkan adanya penyisipan perangkat dalam saluran transmisi dan dinyatakan dalam satuan decibel (dB) [ 14 ].
Butler  matrix terdiri  dari  tiga  komponen  utama,  antara  lain  3  dB quadrature couplers,  crossover ,  dan  45 o phase  shifter .  Ketiga  komponen  tersebut  dapat diimplementasikan  menggunakan microstrip  line ,  karena  mudah  dalam  fabrikasi dan biaya sedikit. Pada sistem dapat menghasilkan narrow beams pada arah yang berbeda dengan gain yang lebih tinggi karena dibuat pada substrat yang sama [ 13 ].
1.  3 dB Quadrature Coupler
Hybrid  coupler atau  3  dB quadrature  coupler memiliki  kemampuan  untuk menghasilkan fasa sinyal 90 o pada output port . Bagian ini terdiri dari garis utama yang  digabungkan  dengan  dengan  garis  sekunder  yang  memiliki  karakteristik seperempat dari panjang gelombang (λ/4). Ketika sinyal masuk pada port 1, maka sinyal  pada  dua  saluran output 2  dan  3  memiliki  amplitudo  yang  sama  tetapi memiliki perbedaan fasa 90 o satu  dengan  yang lainnya.  Zp dan  Zs menunjukkan impedansi karakteristik pada masing-masing garis seri dan hunt, begitupun dengan panjang  gelombang.  Zs=Zo/√2  dan  Zp=Zo,  dimana  Zo  adalah  impedansi karakteristik dari sistem feeding [ 15 ].
2. Crossover
Crossover merupakan  jaringan  yang  terdiri  dari  empat port simetris,  dimana dua input port dan  dua output  port . Crossover yang  dirancang  secara  sempurna, semua port yang berdekatan dengan coupler harus diisolasi satu sama lain secara sempurna. Port 1 yang diumpankan dengan sinyal output port 2 dan 4 harus bernilai nol, sama seperti port 4 yang diumpankan dengan sinyal port 1 dan 3 juga harus bernilai nol [ 15 ]. 3.  45 o Phase Shifter Phase shifter digunakan untuk memberikan pergeseran fasa pada sinyal [ 15 ]. Pada penelitian ini digunakan phase shifter dengan pergeseran fasa 45 o .

## 4.   HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1 Antena Mikrostrip Single Patch
Dari persamaan (1) sampai (7) dilakukan perancangan antena mikrostrip single patch dengan  menggunakan software simulasi  CST  2019.  Dari  hasil  simulasi tersebut  parameter  antena  yang  diperlukan  belum  memenuhi  spesifikasi  yang diinginkan sehingga perlu dilakukan optimasi, sehingga didapatkan simulasi seperti Gambar 1 .
Hasil  optimasi  pada  antena  mikrostrip single  patch didapatkan  parameter VSWR sebesar 2,453 pada frekuensi 28 GHz, meskipun nilai VSWR yang didapat setelah  dilakukan  optimasi  masih  lebih  dari  2  akan  tetapi  nilai  tersebut  sudah mendekati VSWR=2 ( Gambar 2 ). Nilai return loss yang ditunjukan pada Gambar 3 memperlihatkan bahwa pada frekuensi rendah 27,5 GHz sebesar -6,283 dB; pada frekuensi tengah 28 GHz sebesar -7,516 dB; dan pada frekuensi tinggi 28,35 GHz sebesar -6,9603 dB. Untuk nilai bandwith belum mencapai batas -10 dB, sehingga pada rentang 27,5 GHz-28,35 GHz didapatkan nilai bandwidth sebesar 0,85 GHz.
Gambar 2. VSWR Antena Mikrostrip Single Patch
Gambar 3. Return Loss Antena Mikrostrip Single Patch
Gain yang dihasilkan oleh antena single patch setelah dilakukan optimasi cukup besar yaitu 7,22 dBi ( Gambar 4 ). Nilai tersebut belum memenuhi spesifikasi gain yang diharapkan yaitu ≥ 9 dBi. Pola radiasi antena mikrostrip single patch dilihat dari  elevasi  adalah unidirectional ,  dimana  pola  pancarnya  mengarah  pada  arah tertentu ( Gambar 5 ).
Gambar 4. Gain Antena Mikrostrip Single Patch
Gambar 5. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Single Patch

## 4.2 Antena Mikrostrip Array 1×2
Perancangan antena mikrostrip array menggunakan software CST 2019 seperti pada Gambar  6 .  Dari  hasil  perancangan  tersebut  didapatkan  nilai  VSWR  yang ditunjukkan pada Gambar 7 dan nilai parameter return loss yang ditunjukkan pada Gambar  8 .  Nilai  VSWR  pada  frekuensi  28  GHz  sebesar  1,514;  2,0016  pada frekuensi tinggi 28,808 GHz dan 2,0072 pada frekuensi rendah 27,713 GHz dengan batas VSWR=2. Bandwidth yang didapatkan untuk perancangan antena array 1×2 jika dilihat dari kurva VSWR dengan batas VSWR=2 sebesar 1,095 GHz dan telah memenuhi  spesifikasi  nilai bandwidth =1  GHz.  Parameter return  loss dari perancangan antena mikrostrip array 1×2 pada frekuensi 28 GHz sebesar -13,784 dB, frekuensi tinggi 28,765 GHz sebesar -10,006 dB dan frekuensi rendah 27,755 GHz sebesar -10,029dB.
Gambar 6. Antena Mikrostrip Array 1x
Gambar 7. VSWR Antena Mikrostrip Array 1×2
Gambar 8. Return Loss Antena Mikrostrip Array 1×2
Gambar  9 menunjukkan gain antena  mikrostrip array 1×2.  Parameter gain antena  mikrostrip array 1×2  yaitu  9,29  dBi,  dengan  pola  radiasi  antena unidirectional seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  10 . Hal  tersebut  sudah memenuhi spesifikasi perancangan.
Gambar 9. Gain Antena Mikrostrip Array 1×2
Gambar 10. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Array 1×2

## 4.3 Antena Mikrostrip MIMO 4×4
Dengan  menggunakan  perangkat  lunak  CST  2019  dilakukan  perancangan antena MIMO 4×4 seperti Gambar 11 . Dari perancangan tersebut didapatkan nilai VSWR sebesar 1,758; 1,906; 1,906; dan 1,758 ( Gambar 12 ). Hasil tersebut telah memenuhi  spesifikasi  parameter  VSWR  dibawah  2  dB  pada  frekuensi  28  GHz. Selain itu didapatkan juga nilai return loss (S11, S22, S33, S44) secara berurutan sebesar -11.215 dB; -10,116 dB; -10,116 dB dan -11,215 dB pada frekuensi 28 GHz ( Gambar 13 ). Dengan batas -10 dB dilihat dari kurva return loss , nilai bandwidth pada antena 1 dan 4 sebesar 0,778 GHz, sedangkan pada antena 2 dan 3 didapatkan bandwidth sebesar 0,698 GHz.
Gambar 11. Antena MIMO 4×4 Gambar 12. VSWR Antena MIMO 4×4 Gambar 13. Return Loss Antena MIMO 4×4
Hubungan antara antena yang satu dengan yang lainnya dipengaruhi oleh nilai d  yang  merupakan  jarak  antar patch antena  merupakan  efek mutual  coupling . Mutual coupling yang terjadi pada antena MIMO 4×4 dengan nilai ≤-20 dB terdapat pada S13 dan S42 sebesar -30,022 dB; S24 dan S31 sebesar -29,999; S14 dan S41 sebesar -37,889 dB. Sedangkan interferensi sinyal yang terjadi pada antena MIMO 4×4 merupakan nilai koefisien korelasi (ρ). Korelasi antara antena 1 dan 2 sebesar 0,021; korelasi antara antena 2 dan 3 sebesar 0,016; korelasi antara antena 3 dan 4 sebesar 0,021 sedangkan korelasi antara antena 4 dan 1 sebesar 0,0004961.  Nilai rata-rata koefisien korelasi (ρ) pada antena MIMO 4×4 yaitu ≤0,3.
Dari perancangan MIMO 4×4 didapatkan hasil simulasi parameter gain sebesar 9,17  dBi  pada  antena  1&4,  pada  antena  2&3  sebesar  8,93  dBi  ( Gambar  14 ). Sedangkan  pola  radiasi  yang  dihasilkan  pada  antena  MIMO  4×4  yaitu unidirectional , dengan arah pancar utama pada antena 1&4 sebesar 8,0 o dan arah pancar utama pada antena 2&3 sebesar 7,0 o ( Gambar 15 ).
Gambar 14. Gain Antena MIMO 4×4
Gambar 15. Pola Radiasi Antena MIMO 4×4

## 4.4 Perancangan Komponen Butler Matrix
Butler  matrix terdiri  dari  tiga  komponen  yaitu  90 o hybrid  coupler,  crossover dan 45 o phase shifter .
1. 90 o Hybrid Coupler
Berdasarkan perancangan hybrid coupler 90 o pada Gambar 16 , diketahui nilai S-parameter dan fasa pada output port pada frekuensi 28 GHz. Seperti pada Gambar
17 hasil simulasi nilai return loss (S1,1) dan isolation loss (S4,1) sudah memenuhi spesifikasi  ≤-10  dB.  Sedangkan  nilai insertion  loss (S2,1)  dan  (S3,1)  telah mendekati  -3  dB.  Perbedaan  fasa  antara port 2  dengan port 3  ditunjukkan  pada Gambar 18 . Nilainya mendekati 90 o dan telah memenuhi spesifikasi.
Gambar 16. Hybrid Coupler atau 3 dB Quadrature Coupler
Gambar 17. S-Parameter Hybrid Coupler 90 o
Gambar 18. Fasa Keluaran Hybrid Coupler 90 o
2. Crossover
Hasil  simulasi crossover pada Gambar  19 dapat  dilihat  pada Gambar  20 dan Gambar 21 . Dapat  dilihat bahwa nilai return  loss (S1,1) dan isolation loss (S2,1 dan S4,1) diperoleh nilai ≤-10 dB. Sedangkan nilai insertion loss (S3,1) mendekati
0 dB yang berarti fasa pada output port 3 sudah mendekati 0 o sehingga tidak terjadi pergeseran fasa.
Gambar 19. Crossover
Gambar 20. S-Parameter Crossover
Gambar 21. Fasa keluaran Crossover

## 3. 45 o Phase Shifter
Pada  penelitian  ini  digunakah phase  shifter dengan  pergeseran  fasa  45 o . Dari hasil simulasi pada Gambar 22 diperoleh nilai return loss (S1,1) ≤-10 dB ( Gambar
23 ). Sedangkan nilai insertion loss (S2,1) mendekati nilai 0 dB dengan perbedaan fasa antara port keluaran ±45 o ( Gambar 24 ). Sehingga perancangan phase shifter 45 o sudah memenuhi spesifikasi.
Gambar 22. 45 o Phase Shifter
Gambar 23. S-Parameter Phase Shifter 45 o
Gambar 24. Fasa Keluaran Phase Shifter 45 o

## 4.5 Butler Matrix 4×4
Susunan butler  matrix 4×4  pada  umumnya  terdiri  dari  2  komponen hybrid coupler 90 o ,  2 crossover ,  dan  2 phase  shifter 45 o .  Pada  penelitian  ini  hanya menggunakan  satu  komponen crossover dengan  menghilangkan  satu  komponen lainnya  pada  sisi output  port .  Hal  tersebut  dapat  memperkecil  dimensi  dan mengurangi rugi-rugi yang terjadi. Dengan menggunakan satu komponen crossover menyebabkan urutan port pada sisi output menjadi berubah, dimana port 6 berubah menjadi port 7 dan begitu sebaliknya, seperti pada Gambar 25 .
Gambar 25. Butler Matrix 4×4
Dari hasil simulasi pada frekuensi 28 GHz ( Gambar 26 ) diperoleh nilai return loss (S1,1) dan nilai isolation loss (S2,1; S3,1; S4,1) kurang dari -10 dB. Sedangkan nilai insertion loss (S5,1; S6,1; S7,1; S8,1) belum memenuhi spesifikasi ideal pada -6 dB, akan tetapi dari hasil simulasi sudah memenuhi spesifikasi perancangan ≥- 10 dB.
Gambar 26. Return Loss, Isolation Loss dan Insertion Loss Butler Matrix 4×4
Perbedaan fasa antara port keluaran ( port 5,6,7 dan 8) terhadap port masukan ( port 1,2,3  dan  4)  secara  berurutan  ditunjukkan  pada Gambar  27 , Gambar  28 , Gambar 29 dan Gambar 30 . Didapatkan bahwa perbedaan fasa belum memenuhi ±135 o , ±45 o , ±135 o , ±45 o . Akan tetapi masukan port 1,2,3 dan 4 dengan keluaran port 7 dan 6 memiliki perbedaan fasa +135 o . +45 o , -45 o , -135 o yang nilai tersebut mendekati beda fasa yang diharapkan. Nilai fasa keluaran butler matrix 4×4 dapat dilihat  pada Tabel  5 sedangkan  beda  fasa  masing-masing port ditunjukkan  pada Tabel 6 .
Gambar 27. Fasa Masukan Port 1
Gambar 28. Fasa Masukan Port 2
Gambar 30. Fasa Masukan Port 4
Tabel 5. Fasa Keluaran Butler Matrix 4×4 Output Input 5(deg) 6 (deg) 7 (deg) 8 (deg) Port 1 -112,52 -164,57 -27,07 -129,03 Port 2 -160,72 27,14 60,26 -41,09 Port 3 -41,09 60,26 27,14 -160,22 Port 4 -129,03 -27,07 -164,57 -112,52 Tabel 6. Beda Fasa Masing-Masing Port Butler Matrix 4×4 Output Input 5-7 (deg) 7-6 (deg) 6-8 (deg) Port 1 -85.45 138,5 -36,54 Port 2 -220,48 33,12 68,23 Port 3 -68,23 -33,12 220,48 Port 4 36,54 -138,5 85,45

## 4.6 Antena MIMO 4×4 dengan Butler Matrix 4×4
Untuk  mendapatkan  karakteristik beamforming maka  antena  5G  harus  dapat memancarkan sinar radiasi ( beam radiation ) pada arah tertentu. Hal tersebut dapat dicapai  dengan  minimal  menggunakan  2  antena array dan  menggunakan  teknik butler  matrix untuk  mendapatkan  fasa  pada  antena.  Perancangan  ini  dilakukan dengan menggabungkan antena mikrostrip MIMO 4×4 dengan butler matrix 4×4, seperti Gambar 31 .
Gambar 31. Antena Mikrostrip MIMO 4×4 dengan Butler Matrix 4×4
Hasil simulasi antena mikrostrip MIMO 4×4 dengan butler matrix ditunjukkan pada Gambar 32 dan Gambar 33 . Dari hasil simulasi yang memenuhi nilai return loss ≤ -10dB juga hanya pada antena 1 dan 4. Sedangkan nilai VSWR≤2 hanya pada antena  1  dan  4,  sedangkan  pada  antena  2  dan  3  nilai  VSWR≥2.  Hal  ini  dapat disimpulkan bahwa pada antena 2 dan 3 terjadi ketidak sesuaian antara impedansi dan  elemen  antena,  sehingga  hasil  simulasi  yang  dicapai  belum  sesuai  dengan spesifikasi parameter.
Gambar 32. Return Loss Antena Mikrostrip MIMO 4×4 dengan Butler Matrix 4×4
Gambar 33. VSWR Antena Mikrostrip MIMO 4×4 dengan Butler Matrix 4×4
Jika  dilihat  dari Gambar  31 dan Gambar  32 antena  MIMO  4×4  tanpa butler matrix 4×4 memiliki nilai return loss yang lebih baik. Sedangkan antena MIMO 4×4 dengan butler matrix 4×4 pada antena 2 dan 3 nilai return loss yang dihasilkan masih ≥-10 dB, yang artinya antara impedansi pada antena maupun saluran terjadi ketidak sesuaian. Dari gambar 12 dan gambar 33 dapat disimpulkan bahwa antena MIMO  4×4  tanpa butler  matrix 4×4  memiliki  nilai  VSWR  yang  lebih  bagus dibandingkan dengan menggunakan butler matrix 4×4. Efek mutual coupling yang terjadi pada antena MIMO 4×4 dengan butler matrix 4×4 tidak memenuhi nilai ≤-20 dB. Sedangkan pada antena MIMO 4×4 tanpa butler matrix 4×4  yang memenuhi nilai mutual coupling ≤-20 dB yaitu pada S1,3=S4,2 sebesar -30,022 dB; S1,4=S4,1 sebesar -37,889 dB dan S2,4=S3,1 sebesar -29,999 dB; yang artinya pada kondisi ini dapat menekan efek mutual coupling yang terjadi pada  antena.  Koefisien  korelasi  juga  salah  satu  parameter  penting  pada  antena MIMO, korelasi tidak boleh lebih dari 0,3 atau ≤0,3. Hal tersebut untuk mengurangi terjadinya error yang  disebabkan  oleh  kedua  antena  yang  saling  berdekatan  saat transmisi  sedang  berlangsung.  Hasil  simulasi  antena  MIMO  4×4  tanpa  maupun dengan butler matrix 4×4  menghasilkan  koefisien  korelasi  antara  antena  yang berdekatan yaitu ≤0,3.
Hasil simulasi antena MIMO 4×4 dengan butler matrix 4×4 dapat dilihat pada Gambar 34 dan Gambar 35 . Parameter gain yang dihasilkan dari juga memenuhi spesifikasi gain ≥9 dBi seperti Gambar 34. Nilai gain tersebut lebih tinggi dari pada antena MIMO 4×4 tanpa butler matrix 4×4 yang menghasilkan gain =9 dBi, seperti Gambar 14 .
Gambar 34. Gain Antena Mikrostrip MIMO 4×4 dengan Butler Matrix 4×4
Gambar 35. Pola Radiasi Antena Mikrostrip MIMO 4×4 dengan Butler Matrix 4×4
Dapat dilihat pada Gambar 35 kurva pola radiasi keempat antena memiliki arah pancar  yang  berbeda-beda.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  menggunakan butler matrix 4×4 pada antena MIMO 4×4 dapat membuat arah pancar antena bervariasi dan mengarah pada arah tertentu. Sedangkan antena MIMO 4×4 tanpa butler matrix 4×4 menghasilkan arah pancar antara antena satu dengan yang lain kurang spesifik pada arah tertentu yang ditunjukkan pada Gambar 15 .

## 5. KESIMPULAN
Dari  hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan  dapat  didapatkan  beberapa  kesimpulan. Perancangan  antena  mikrostrip  MIMO  4×4  menghasilkan  spesifikasi  parameter  yang diinginkan, diantaranya nilai return loss ≤ -10 dB, VSWR≤2, mutual coupling ≤ -20 dB, koefisien  korelasi  ≤  0.3, gain ≥9  dBi  pada  antena  1  dan  4  sedangkan  antena  2  dan  3 menghasilkan gain =9  dBi  dimana  nilai  tersebut  cukup  besar,  pola  radiasi  antena  yaitu
unidirectional dengan arah pancar antara antena 1 dengan yang lain belum berbeda-beda. Perancangan  antena  mikrostrip  MIMO  4×4  dengan butler  matrix 4×4  menghasilkan parameter  yang  sesuai  spesifikasi  yang  diinginkan  yaitu  nilai return  loss ≤  -10  dB  dan VSWR ≤ 2 hanya pada antena 1 dan 4 yang artinya pada antena 2 dan 3 antara impedansi pada antena maupun saluran terjadi ketidak sesuaian, nilai mutual coupling tidak tercapai pada  ≤  -20  dB  sedangkan  korelasi  antara  antena  memenuhi  kondisi  ≤  0.3, gain yang dihasilkan mencapai nilai gain ≥ 9dBi, dan pola radiasi yaitu unidirectional dengan arah pancar antena yang berbeda antara antena satu dengan yang lainnya. Hal tersebut berarti antena  MIMO  4×4  dengan butler  matrix 4×4  dapat  meningkatkan  nilai gain dan  dapat mengubah arah pancar antena pada arah tertentu.

## REFERENSI
[1] A. W. Paper, “New 5G Antenna White Paper,” Huawei , 2019.
[2] I. Uchendu and J. Kelly, “Survey of beam steering techniques available for millimeter wave applications,” Prog.  Electromagn.  Res.  B ,  vol.  68,  no.  1,  pp.  35–54,  2016,  doi: 10.2528/PIERB16030703.
[3] K. Klionovski, A. Shamim, and M. S. Sharawi, “5G antenna array with wide-angle beam steering and dual linear polarizations,” In 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation  & USNC/URSI National Radio Science Meeting , pp. 1469–1470, 2017, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072777.
[4] S. B. Akhade and P. F. I. Shaikh, “Application of Butler Matrix in Switched Beam Smart Antenna,” Int. J. Eng. Res. Technol. , vol. 3, no. 5, pp. 1400–1403, 2014.
[5]           S. P.  and  A.  T.  Alreshaid,  M.  S.  Sharawi  and  K.  Sarabandi,  “Compact  Millimeter-Wave Switched-Beam Antenna Arrays for Short Range Communication,” Microw. Opt. Technol. Lett. , vol. 58, no. 8, pp. 748–753, 2016, doi: 10.1002/mop.
[6] F.  W.  Ardianto,  N.  M.  A.,  and  B.  Syihabuddin,  “Analisis  Simulasi  Antena  MIMO  4  4 Susunan Persegi dan Sirkular pada Frekuensi 15 GHz,” Jurnal Nasional Teknik Elektro dan Teknologi Informasi , vol. 7, no. 2, pp. 174–182, 2018, doi: 10.22146/jnteti.v7i2.420.
[7] S.  Alam  and  F.  A.  Nugroho,  “Perancangan  Antena  Mikrostrip  Array  2x1  untuk Meningkatkan Gain untuk Aplikasi LTE pada Frekuensi 2300 MHz,” Jurnal  Teknik  dan Ilmu Komputer, vol. 6, no. 3, pp. 108–113, 2018.
[8] F. Deriko, and A. H. Rambe, “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Array Patch Segiempat Dual-Band  (2,3  Ghz  Dan  3,3  Ghz)  dengan  Pencatuan  Proximity  Coupled,” Singuda ENSIKOM , vol. 12, no. 32, pp. 18–22, 2015.
[9] S. Mishra, P. Wankhade, and A. Sahu, “Design and analysis of T and U shaped slots with truncated corner rectangular microstrip patch antenna for return loss enhancement,” Symp. Colossal Data Anal. Networking, CDAN 2016 , 2016, doi: 10.1109/CDAN.2016.7570902.
[10] R.  Hidayat,  R.  Rushendra,  and  E.  Agustina,  “Digital  beamforming  of  smart  antenna  in millimeter  wave  communication,” 2017  Int.  Conf.  Broadband  Commun.  Wirel.  Sensors
Powering, BCWSP 2017 , vol. 2018-January, pp. 1–5, 2018, doi:
10.1109/BCWSP.2017.8272564.
[11] Q. L. Yang, Y. L. Ban, Q. Q. Zhou, and M. Y. Li, “Butler matrix beamforming network based on substrate integrated technology for 5G mobile devices,” APCAP 2016 - 2016 IEEE 5th  Asia-Pacific  Conf.  Antennas  Propagation,  Conf.  Proc. ,  pp.  413–414,  2017,  doi: 10.1109/APCAP.2016.7843268.
[12] C. Tseng, C. Chen, and T. Chu,  “A Low-Cost 60-GHz Switched-Beam Patch Antenna,” IEEE Antennas Wireless. Propag. Lett. , vol. 7, pp. 432–435, 2008.
[13] S. V. Kalam and A. B. Rathi, “Optimum Design of 4×4 Symmetrically Structured Butler Matrix,” Int. J. Sci. Res. Eng. Technol. , vol. 5, no. 1, pp. 31–34, 2016.
[14] Kottkamp, M., and C. Rowell, “Antenna Array Testing - Conducted and Over the Air : The Way to 5G,” White Pap. , pp. 1–30, 2016.
[15] Shaikh,  F.  I.,  and  Sanjay  Bansidhar  Akhade,  “Smart  Antenna  System  using  4×4  Butler Matrix switched beam network for 2.4 GHz ISM band,” Int. J. Appl. or Innov. Eng. Manag. , vol. 4, no. 3, p. 282, 2015.