Elektron: Jurnal Ilmiah Volume 15  Nomor  2 Desember  2023                 TERAKREDITASI RISTEKDIKTI No. SK : 28/E/KPT/2019 DOI : https://doi.org/ 10.30630/eji.0.0.377

## Antena Ultrawideband Multiple Input Multiple Output (MIMO) Dengan Struktur Dekopling Pada Ground
Rini Tiara 1* , Firdaus 2* , Popy Maria 3 , dan Yulindon 4
1,234  Program Studi Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang
*Corresponding Author, Email : 20rinitiara@gmail.com , firdaus@pnp.ac.id
Abstrak — Perkembangan teknologi menuntut adanya percepatan pengiriman data, dimana penggunaan UWB MIMO merupakan solusi untuk mengatasi hal tersebut. Namun penggunaan teknik MIMO yang terdapat banyak pemancar dan penerima membuat nilai mutual coupling semakin meningkat. Hal ini menyebabkan terjadinya penurunan kinerja antena. Oleh karena itu, digunakanlah decoupling structure pada ground yang mampu menekan nilai mutual coupling sekecil  mungkin  dan  meningkatkan  nilai  isolasi.  Pada  penelitian  ini  dirancanglah  suatu  antena  UWB  MIMO menggunakan substrate FR-4 Epoxy berukuran 30 × 40 mm, dengan ketebalan 0,8 mm dan  konstanta dielektrik 4,4. Antena ini dirancang dengan aplikasi CST Studio 2019 lalu dilakukan fabrikasi dan selanjutnya dibandingkan hasil simulasi dan fabrikasi. Hasil yang diperoleh telah memenuhi spesifikasi antena UWB dari frekuensi 3,07 GHz – 11 GHz dengan mutual coupling pada simulasi yang dihasilkan < -15 dB dan nilai envelope correlation coefficient (ECC) < 0,01. Pola radiasi yang dihasilkan adalah pola radiasi omnidirectional. Pada pengukuran didapatkan nilai mutual coupling < -15 dB dan isolasi yang baik terdapat pada rentang frekuensi 4,3 GHz – 11 GHz.
Kata Kunci : MIMO, Ultrawideband, Decoupling structure, Mikrostrip
Abstract — The advancement of technology demands an acceleration in data transmission, where the utilization of UWB MIMO  presents  a  solution  to  address  this  issue.  However,  the  implementation  of  MIMO  techniques  involving  multiple transmitters and receivers leads to an increase in mutual coupling values. This results in a decline in antenna performance. Therefore, a decoupling structure on the ground is employed to minimize mutual coupling values and enhance isolation. The progress of technology calls for expedited data transmission, where the utilization of UWB MIMO presents a solution to address this issue. However, the use of MIMO techniques with numerous transmitters and receivers escalates mutual coupling values. This subsequently leads to a degradation in antenna performance. Hence, a decoupling structure on the ground is  employed  to minimize mutual  coupling  values  as much  as  possible and  enhance  isolation.  In  this  research, a UWB MIMO antenna was designed utilizing a 30 × 40 mm FR-4 Epoxy substrate with a thickness of 0,8 mm and a dielectric constant of 4,4. The antenna was designed using CST Studio 2019 software, followed by fabrication, and subsequently, a comparison was drawn between the simulation and fabrication results.The obtained results have fulfilled the UWB antenna specifications within the frequency range of 3,07 GHz to 11 GHz, with simulated mutual coupling values lower than -15 dB and  an  envelope  correlation  coefficient  (ECC)  value  less  than  0,01.  The  resulting  radiation  pattern  is  omnidirectional. During the measurements, mutual coupling values of less than  -15 dB and good isolation is found within the frequency range of 4,3 GHz to 11 GHz
Keywords : MIMO, Ultrawideband, Decoupling structure, Mikrostrip
© 2023 Elektron Jurnal Ilmiah

## I. PENDAHULUAN
Pesatnya  perkembangan  teknologi  telekomunikasi membuat kebutuhan akan pengiriman dan penerimaan data dengan kecepatan dan kapasitas tinggi meningkat [1].  Penggunaan  teknologi Ultra-wideband (UWB) merupakan solusi karena kelebihannya dalam bandwidth yang  lebar  dan  kecepatan  transmisi  yang tinggi. Untuk membuat kecepatan transfer data menjadi dua kali lebih cepat, maka digunakanlah sistem UWB dengan teknik MIMO. Untuk itu, dengan memperkenalkan teknik MIMO ke dalam sistem UWB menghasilkan  teknologi  komunikasi  UWB  –  MIMO [2].
Sistem multiple  input  multiple  output (MIMO) adalah  sistem  yang  menggunakan  banyak  pemancar ( transmitter )  dan  penerima  ( receiver ).  Menurut
Federal  Communication  Commission (FCC),  sistem komunikasi UWB beroperasi pada spektrum frekuensi 3.1 – 10.6 GHz. Kebutuhan teknologi akan  kecepatan yang  lebih  tinggi  bisa  dicapai  dengan  penggunaan antena MIMO, dimana antena memancarkan lebih dari satu  frekuensi  pada  satu  waktu  [3].  Penggunaan  lebih dari  satu  antena  pada  sistem  MIMO  dapat menimbulkan mutual  coupling ,  yang  mana  dapat mengurangi  kinerja antena.  Maka perlu  suatu  struktur untuk  menekan  nilai  tersebut  sekecil  mungkin  dan meningkatkan nilai isolasi.  Hal tersebut dapat dicapai dengan  menempatkan  sebuah stub diantara  elemen antena  sebagai decoupling  structure pada ground [4]. Disisi  lain  nilai  ECC  yang  dihasilkan  juga menunjukkan  kinerja  antena  dengan  sistem  MIMO, dimana  semakin  nilai  ECC  mendekati  nilai  0,  maka
Rini Tiara dkk: Antena Ultrawideband Multiple Input Multiple Output (MIMO) Dengan Struktur Dekopling Pada Ground
semakin  tidak  saling  berkolerasilah  antar  antena indenpenden tersebut [5].
Penelitian mengenai UWB - MIMO telah dilakukan sebelumnya.  Dalam  desain  antena  UWB  MIMO, ditemukannya  kesulitan  dalam  hal  isolasi wideband , pemeliharaan  ukuran  yang  ringkas,  dan  kemampuan menyaring pita interferensi pada saat yang bersamaan. Beberapa  metode  diusulkan,  diantaranya  penggunaan slot  di ground [6], decoupling antar port [2],  dan penambahan stub  rectangular diantara  antena  untuk meningkatkan  isolasi  dan  penurunan mutual  coupling [7],  [10].  Di  sisi  lain  juga  diterapkan  dua  slot  persegi panjang pada patch dan substrate untuk mengoptimasi nilai return loss [3]. Namun, beberapa desain ini hanya mencakup  operasi  pita  yang  lebih  rendah  (3.1  –  5.2 GHz) [8] dan ukuran antena yang besar [9].
Pada penelitian ini, diajukan sebuah antena UWB – MIMO yang merupakan desain dari paper sebelumnya [8],  dengan  mengecilkan  dimensi  antena  dan memodifikasi desain. Antena UWB – MIMO dirancang dengan frekuensi kerja 3 GHz – 11 GHz dengan teknik pencatuan microstrip line . Teknik ini digunakan karena mudah  dibuat,  pencocokan  impedansi  sederhana,  dan biaya  fabrikasi  yang  relatif  murah.  Antena  ini dirancang dengan bahan substrate FR-4 Epoxy (ɛ_r = 4.4),  dengan  jenis  polaradiasi omnidirectional dan menggunakan  teknik decoupling  structure untuk mengurangi  nilai mutual  coupling antena  MIMO. Antena  ini  dirancang  untuk  mendapatkan  nilai paramater yang baik dan dapat bekerja pada frekuensi ultrawideband , sehingga mampu menekan interferensi dan  dapat  digunakan  untuk  komunikasi wireless  high speed .
II. METODE
A. Perancangan

## Antena yang akan dirancang adalah antena MIMO
Ultra  Wideband (UWB)  dengan  menggunakan decoupling  structure pada ground nya  dan  teknik pencatu microstrip  line  feed .  Analisis  antena  dimulai dari perancangan pada aplikasi CST Studio 2019, lalu akan  dilakukan  simulasi  dan  optimasi  hingga  antena siap  untuk  di  fabrikasi.  Perancangan  antena  pada penelitian  ini  menggunakan  bahan substrate FR-4 dengan  spesifikasi substrate pada  Tabel  1  dan spesifikasi antena pada Tabel 2 sebagai berikut.
Tabel 1. Spesifikasi Substrate No Spesifikasi Substrate Nilai 1 Dielectric Constant ( 𝜀 𝑟 ) 4,4 2 Ketebalan Substrate 0,8 3 Loss Tangent 0,02
Tabel 2. Spesifikasi Antena
No Parameter Antena Nilai 1 Frekuensi Kerja 3.1 – 10.6 GHz 2 Return Loss  ( 𝑺 𝟏𝟏 ) ≤ -10 dB 3 Mutual coupling ( 𝑺 𝟏𝟐 ) ≤ -15 dB 4 Gain ≥ 2 dBi 5 ECC < 0.3 6 Pola Radiasi Omnidirectional
Adapun desain akhir antena ditunjukkan pada Gambar  1.  Pada  satu  sisi  terdapat partial ground dengan  menggunakan decoupling  structure .  Pada bagian patch terdapat  tiga  buah  slot  dibagian  bawah yang  berpengaruh  pada  impedansi bandwidth yang melebar.

## Gambar 1 - Desain Antena
Antena  ini  berukuran  30  x  40  x  0.8  mm^3 dengan  menggunakan  bahan  FR-4.  Pada  bagian  atas substrate terdapat patch rectangular (W1 dan L1) dan feedline  (L4),  sementara  pada  bagian  bawah  terdapat partial ground (Wg dan Lg) dan decoupling path (Lb, Wa,  Le).  Dimana decoupling path terhubung  dengan patch melalui penggunaan via (diameter 0.5). Adapun nilai  dari  parameter  antena  tersebut  ditunjukkan  pada Tabel 3.
Tabel 3. Parameter Antena Referensi

## B. Alur Perancangan
Alur  perancangan  penelitian  ini  dimulai  dari  studi literatur,  lalu  melakukan  perancangan,  setelah  itu dilakukan  simulasi  dan  optimasi  pada  aplikasi  CST Studio 2019, serta fabrikasi. Adapun alur perancangan ditunjukkan  pada  gambar  2  yang  berbentuk  diagram alir.
W Wg W1 W2 Wa Wd St Le 40 40 12 3 14,4 0,2 17 13,5 L Lg L1 L2 L3 L4 S Lb 30 16 11,2 3,5 3.9 18 5 4
Rini Tiara dkk: Antena Ultrawideband Multiple Input Multiple Output (MIMO) Dengan Struktur Dekopling Pada Ground
Gambar 2 - Diagram Alur Perancangan

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pendekatan Desain UWB MIMO Desain  antena  ini  dibuat  untuk  merealisasikan antena  UWB  MIMO  dengan  penggunaan decoupling structure .  Pada  desain  ini,  terdapat  dua  patch rectangular  untuk  mencakup  aplikasi  UWB.  Saat antena ini berada pada jarak yang dekat satu sama lain, maka  dapat  membuat  nilai mutual  coupling semakin meningkat, sehingga isolasi menjadi lebih buruk. Oleh karena  itu,  metode decoupling diperkenalkan  untuk mengatasi masalah ini. Gambar 3 menunjukkan desain antena pada penelitian ini, dimana decoupling structure berada  pada  sisi  bawah substrate dan  terhubung  ke patch melalui  via.  Struktur  ini  berkontribusi  pada penguraian  energi  kopling  asli  dengan  menghasilkan jalur kopling lain, untuk mengurangi energi kopling asli ke elemen antena lainnya, sehingga mampu menghasilkan  isolasi  yang  baik.  Pada  Gambar  3  ini menampilkan bahwa arus kopling di ground berkurang dan mengurangi aliran energi dari port 2 ke port 1 saat port 2 tereksitasi.
(a) (b)
Gambar 3 - Distribusi arus (a) tanpa jalur decoupling (b) dengan jalur decoupling
B. Studi Parametrik Studi parametrik merupakan cara untuk melakukan optimasi  dengan  membandingkan  beberapa  parameter yang  berbeda  untuk  mendapat  hasil  yang  optimal. Bagian  ini  mempelajari  efek decoupling terhadap performa antena. Mekanisme yang diusulkan dianalisis dengan  melakukan  perubahan  pada  panjang feedline (L4)  dan  lebar  jalur decoupling (Wd).  Disini,  hanya satu parameter yang disimulasikan, sementara parameter yang lain bernilai sama.
Gambar 4 - Perubahan Ukuran L4
Ukuran feedline yang  digunakan  pada  antena referensi  yaitu  L4  =  18,  lalu  dilakukan  perbandingan dengan 3 ukuran  yang berbeda. Pada Gambar 4 dapat dilihat  hasil  yang  terbaik  pada  L4  =  20.15,  dimana menghasilkan  nilai return  loss yang  lebih  baik dibanding ukuran pada antena referensi.
Optimasi Desain Analisa Selesai Desain Antena dan Simulasi pada aplikasi CST Studio 2019Menggunakan software CST Mulai Studi Literatur Sesuai Dengan Perencanaan Ya tidak Fabrikasi dengan teknik pencatu Microstrip Line Feed
Rini Tiara dkk: Antena Ultrawideband Multiple Input Multiple Output (MIMO) Dengan Struktur Dekopling Pada Ground
Selanjutnya perubahan ukuran L1, dengan membuatnya dalam 4 perubahan. Pada Gambar 5  dapat dilihat  bahwa  perubahan  ukuran  Lebar  Patch  yaitu parameter  L1  tidak  berpengaruh  terhadap  perubahan lebar bandwidth yang  didapatkan  dibandingkan simulasi awal. Pada nilai L1 = 10.7 didapatkan rentang frekuensi 3.4 GHz – 9.7 GHz yang menghasilkan nilai return loss terbaik sebesar -50 dB, akan tetapi memiliki bandwidth yang lebih sempit dibanding simulasi awal yaitu saat L1 = 11.2 dengan rentang frekuensi 3 GHz - 11 GHz. Jika nilai L1 yang digunakan lebih besar dari 11.2,  disini  menghasilkan bandwidth yang  semakin sempit yaitu L1 = 11.7 sebesar 3.2 GHz – 10.9 GHz dan L1 = 12.2 sebesar  4.5 GHz – 10.8 GHz. Maka dari itu nilai L1 terbaik adalah sesuai referensi sebesar 11.2.

## Gambar 6 – Perubahan Ukuran Wd
Dilakukan  simulasi  nilai  Wd  dengan  tiga  ukuran yang  berbeda,  yaitu  Wd  =  0.2,  Wd  =  0.4,  Wd  =  0.6. Berdasarkan  ketiga  simulasi  tersebut  didapatkan  nilai return  loss yang  dihasilkan  tidak  jauh  berbeda  dari ukuran  referensi  yaitu  Wd  =  0.2.  Jadi  dapat disimpulkan  bahwa  perubahan  nilai  Wd  tidak berpengaruh  terhadap  perubahan  nilai return  loss maupun bandwidth yang  dihasilkan.  Nilai return  loss perubahan nilai Wd ditampilkan pada Gambar 6.

## C. Hasil Fabrikasi
Setelah  dilakukan  simulasi  dan  optimasi  untuk mendapat hasil yang maksimal, maka dilakukan proses fabrikasi  dan  pengukuran  menggunakan  perangkat Vector  Analyzer (VA).  Adapun  hasil  fabrikasi ditunjukkan pada Gambar 7.
(a)

## (b)

## Gambar 7 - Hasil Fabrikasi (a) Tampak atas (b) Tampak bawah
Adapun parameter akhir antena ditunjukkan pada Tabel 4.
Tabel 4. Parameter Akhir Antena
Berikut  merupakan  perbandingan  hasil 𝑆 11 dan 𝑆 21 simulasi dan fabrikasi.
Gambar 8 - Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran
Pada  Gambar  8  menampilkan  perbandingan nilai  isolasi  antara  simulasi  dan  pengukuran.  Isolasi digunakan  untuk  melihat  kualitas  antena  MIMO  dan mengetahui  nilai mutual  coupling yang  dihasilkan dengan  memperhatikan  parameter 𝑆 21 .  Grafik 𝑆 11 pengukuran  yang  ditampilkan  hampir  menyerupai grafik 𝑆 11 pada  simulasi.  Dimana  pada  hasil  simulasi dan  pengukuran  mendapatkan  nilai mutual  coupling yang sama sebesar < -15 dB . Namun hasil pengukuran memiliki bandwidth yang  lebih  sempit  dibandingkan simulasi, yaitu pada frekuensi 4,3 GHz – 11 GHz. Jadi, untuk  nilai mutual  coupling dan  isolasi  pada  hasil simulasi  dan  pengukuran  sudah  lebih  baik  dibanding sebelumnya.  Selanjutnya pada Gambar 9 menampilkan pola  radiasi  pada  frekuensi  7  GHz    dan  11  GHz. Terlihat  bahwa  polaradiasi  yang  dihasilkan  adalah omnidirectional ,  yang  memancarkan  sinyal  kesegala arah.
W Wg W1 W2 Wa Wd St Le 40 40 12 3 14,4 0,2 17 13,5 L Lg L1 L2 L3 L4 S Lb 30 16 11,2 3,5 3.9 20,15 5 4
Rini Tiara dkk: Antena Ultrawideband Multiple Input Multiple Output (MIMO) Dengan Struktur Dekopling Pada Ground
(a)

## (b)
Gambar 9 – Pola radiasi (a) Farfield (f=7)  (b) Farfield (f=11)
Selanjutnya,  Gambar  10  menampilkan  ECC  yang dihasilkan  saat  simulasi  dan  fabrikasi.  Dimana  hasil yang didapatkan jauh berbeda, pada saat simulasi ECC yang didapat bernilai 0.01 sementara pada pengukuran bernilai  0.1.  Sehingga  dapat  disimpulkan  hasil  nilai ECC  pada  simulasi  lebih  baik  dibandingkan pengukuran.
(a)
(b)
Gambar 10 - Nilai ECC (a) simulasi (b) fabrikasi

## IV. KESIMPULAN
Antena UWB MIMO dengan decoupling structure pada ground telah  disajikan.  Antena  UWB  MIMO yang  dihasilkan  bekerja  pada  rentang  frekuensi  3.07 GHz  –  11  GHz.  Dimana  pada  penelitian  ini  UWB diperoleh  dengan  penggunaan partial ground .  Hasil simulasi  menunjukkan  bahwa  desain  antena  yang diusulkan telah  memenuhi  spesifikasi  yang  mencakup nilai return loss < -10 dB, nilai mutual coupling < -15 dB  dari  frekuensi  4  GHz  –  11  GHz, bandwidth yang lebih  lebar  pada  7930  MHz,  koefisien  korelasi  yang sangat rendah yaitu 0.01 dan pola radiasi omnidirectional .  Pada  hasil  pengukuran  didapatkan bandwidth yang  lebih  sempit  dibandingkan  hasil simulasi yaitu sebesar 5020 MHz, hal ini dapat  terjadi karena  pengaruh  penyolderan  konektor  pada  antena kurang tepat, nilai mutual coupling yang dihasilkan < - 15 dB pada frekuensi 4.3 GHz - 11 GHz.

## REFERENSI
[1] Bahrul  Anugrah  Mukti,  “Peningkatan  DirectivityAntena Mimo  Vivaldi  Coplanar  Dengan  Corrugated  SlotUntuk AplikasiUltra-Wideband(UWB),” pp. 306–313, 2022.
[2] Y. Li, Y. Kong, and K. Yu, “A Dual Band-Notched UWB- MIMO  Antenna  Using  Slot  and  Stub  Techniques,”  pp. 313–314, 2016.
[3] S. Soundarya, S. Meghana, and P. Shanthi, “Design of dual band micro strip antenna for 2.4 Ghz and 3.6 Ghz,” Int. J.
Recent Technol. Eng. , vol. 8, no. 1, pp. 2404–2406, 2019.
[4] R. Kurnia and I. Elfitri, “Ultra Wideband ( UWB ) Multiple Input Multiple Output ( MIMO ) Antenna : A Review,” vol.
1, pp. 35–43, 2023.
[5] Gandarrityaz,  dkk,  "  Perancangan,  Optimasi  dan  Analisis High  Isolation  Dual-Band  MIMO  5G  Antena  untuk
Implementasi pada Smartphone" vol.10, pp.783, 2022.
[6] J.  Firdaus  and  Y.  Rahayu,  “Perancangan  Antena Metamaterial  Supersrate  Untuk  Meningkatkan  Gain  Dan Bandwidth  Pada  Mimo  Microstrip  Patch  Array  Untuk Jaringan 5g,” vol. 6, pp. 1–10, 2019.
[7] Y. Zhao, F. Zhang, L. Cao, and D. Li, “A Compact Dual Band-Notched MIMO  Diversity  Antenna  for  UWB,”  vol.
89, no. January, pp. 161–169, 2019.
[8] T.  Chun  Tang  and  Dkk,  “An  Ultrawideband  MIMO Antenna With Dual Band Notched Function.”
[9] H. Hu, F. Chen, Q. Chu, and S. Member, “A Wideband U- Shaped  Slot  Antenna  and  Its  Application  in  MIMO
Terminals,” vol. 15, pp. 508–511.
[10]
W.  B.  Characteristics,  “Compact  Printed  UWB  Diversity Slot Antenna With 5.5-GHz Band-Notched Characteristics,” vol. 13, pp. 376–379.