Daftar Isi Kata Pengantar Komite Sponsor Exhibitor Keynote Speaker Peta Lokasi Susunan Acara Indeks Makalah ANT (Antena) ANT-1 ANT-2 ANT-3 ANT-4 ANT-5 ANT-6 (Tidak Presentasi) ANT-7 ANT-8 ANT-9 ANT-10 ANT-11 ANT-12 ANT-13 ANT-14 ANT-15 ANT-16 ANT-17 ANT-18 ANT-19 MW (Microwave) MW-1 MW-2 MW-3 MW-4 MW-5 MW-6 MW-7 STM (Sistem) STM-1 (Tidak Presentasi) STM-2
3 5 7 8 9 12 14 20 26 27 31 35 38 42 46 50 54 57 61 65 69 73 77 81 84 88 92 96 100 101 105 108 112 116 119 122 126 127 131 1
STM-3 STM-4 STM-5 STM-6 STM-7 STM-8 STM-9 STM-10 (Tidak Presentasi) STM-11 STM-12 STM-13
135 139 143 148 152 155 159 163 167 171 175
2
Kata Pengantar Selamat datang ke acara Seminar Nasional Microwave, Antena
dan
Propagasi(SMAP
2012)Seminar
Nasional
Microwave, Antena dan Propagasi (SMAP 2012) merupakan seminar nasional yang diselenggarakan pertama kali dan diinisiasi olehIEEE Indonesia Joint Chapter Microwave Theory and Techniques, and Antennas and Propagation (MTT/AP) Societies Chapter. Seminar ini bertujuan untuk menyediakan sebuah forum untuk mendorong penelitian di bidang microwave, antena, propagasi dan bidang terkait lainnya di Indonesia. SMAP 2012 merupakan kesempatan bagi para mahasiswa, peneliti, perekayasa, dan industri yang terkait dengan bidang komunikasi nirkabel, radar dan satelit, antena dan propagasi,
RF/Microwave
dan
Elektromagnetik
terapan
untuk
saling
berbagi
pengalaman dan membangun jaringan. Oleh karena itu, pada kesempatan ini SMAP 2012 mengangkat tema “Integrasi Pendidikan, Penelitian, Industri dan Penerapan Teknologi”. Kami sadari bahwa untuk kemajuan bangsa maka harus ada kerjasama dan sinergi dari semua pihak meliputi akademisi, pemerintahan maupun industri. Untuk mengangkat tema Integrasi tersebut maka pada acara pembukaan kami menghadirkan lima pembicara kunci. Pertama yang mewakili pemerintahan yaitu Dr. Muhammad Budi Setiawan, M.Eng., Dirjen Sumber Daya dan Perangkat Pos dan Informatika, Kemenkominfo RI. Kedua yang mewakili peneliti yaitu Dr. Ir. Marzan Azis Iskandar, Kepala Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Kemenristek RI. Ketiga dari perwakilan akademisi yaitu Prof.Dr.Ir. Gamantyo Hendrantoro, M.Eng dari ITS. Dilanjutkan dari perwakilan penerapan teknologi yaitu Bapak Rizkan Chandra, Direktur Network & Solution, PT Telkom Indonesia dan pembicara kunci kelima merupakan wakil dari industri yaitu Mr. Lau Yue Hoong, Agilent Technologies. Dalam seminar ini juga kami hadirkan pameran/eksibisi teknologi dari Agilent Technologies, Berca Hardayaperkasa, Solusi247/RCS, AMRG-UI dan PPET LIPI.
3
Pada kesempatan ini, saya ingin mengucapkan terima kasih kepada semua panitia dan juga IEEE Student Branch–UI, yang telah bekerja keras dalam mensukseskan acara ini. Terima kasih kami ucapkan khususnya kepada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia yang telah mendukung panitia sehingga seminar ini dapat diselenggarakan di UI. Terima kasih kami sebesar-besarnya kepada semua penulis makalah di SMAP 2012 yang turut berbagi hasil penelitian mereka dengan kita semua. Terakhir kami ingin juga mengucapkan terima kasih kepada semua sponsor acara kami yaitu Agilent Technologies, Berca Hardayaperkasa dan InfraRCS serta co-sponsor dari IEEE APS. Semoga kegiatan seminar ini bermanfaat bagi kita semua.
Dr. Fitri Yuli Zulkifli
Ketua Umum SMAP 2012
4
Komite Ketua Umum Fitri Yuli Zulkifli (Universitas Indonesia) Wakil Ketua Yuyu Wahyu (LIPI) Sekretaris Basari (Universitas Indonesia) Bendahara Catur Apriono (Universitas Indonesia) Komite Pengarah Adit Kurniawan (Institut Teknologi Bandung) Andaya Lestari (IRCTR-I) Eko Tjipto Rahardjo (Universitas Indonesia) Elyas Palantei, (Universitas Hasanudin) Gamantyo Hendrantoro (Institut Teknik Sepuluh November) Indra Surjati (Universitas Trisakti) Iskandar Fitri (Universitas Nasional) Mashury Wahab (LIPI) Mudrik Alaydrus (Universitas Mercubuana) Komite Teknis Achmad Munir (Institut Teknologi Bandung) Dadang Gunawan (Universitas Indonesia) Djoko Hartanto (Universitas Indonesia) Eko Setijadi (Institut Teknlogi Sepuluh November) Gunawan Wibisono (Universitas Indonesia) Muhamad Asvial (Universitas Indonesia) Purnomo Sidi Priambodo (Universitas Indonesia)
5
Koordinator Lapangan Feri Yusivar (Universitas Indonesia) Universitas Sultan AgengJakarta) Tirtayasa Teguh Firmansyah (Politeknik Negeri Sponsorship & Pameran Pamungkas Daud (LIPI) Dadin Mahmudin (LIPI) Catur Apriono (Universitas Indonesia) Web & Informasi Boma Anantasatya Adhi (Universitas Indonesia) Ruki Harwahyu (Universitas Indonesia) Komite Pendukung Reynhard Josian Sembiring (Universitas Indonesia) Gde Arvindo Anandira (Universitas Indonesia) Felix LF Sinaga (Universitas Indonesia) Adhitya Satria Pratama (Universitas Indonesia) Indah Pradina (Universitas Indonesia) Arcahyadi Indra (Universitas Indonesia) Eufrasia Inti Alphatia (Universitas Indonesia) Sarah Karimah (Universitas Indonesia) Muliasari Rahmadini (Universitas Indonesia) Madha Ajiyoga Susetya (Universitas Indonesia) Annisaa Primadini (Universitas Indonesia) Setiatmoko Adi Prakoso (Universitas Indonesia)
6
Sponsor
7
Exhibitor
AGILENT TECHNOLOGIES PT. BERCA HARDAYAPERKASA SOLUSI 247 / RCS AMRG-UI PPET-LIPI
8
Keynote Speaker
Dr. Muhammad Budi Setiawan, M.Eng Direktur Jenderal Sumber Daya dan Perangkat Pos dan Informatika “Regulasi Teknologi Komunikasi Nirkabel di Indonesia”
Dr. Ir. Marzan Azis Iskandar Kepala Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Kemenristek RI.* “Kebijakan Penerapan Teknologi Komunikasi Nirkabel di Indonesia”
9
Prof. Gamantyo Hendrantoro, Member IEEE Seminar Nasional Microwave, Antena, dan Propagasi (MAP) akan menghadirkan Prof. Gamantyo Hendrantoro dari ITS Surabaya sebagai keynote speaker.
Rizkan Chandra – Director of Network & Solution / COO Prior Experience: 2010-2012 CEO of PT Sigma Citra Caraka 2008-2010 Telkom Senior General Manager of Learning Center 2007-2008 Telkom Vice President of Infrastructure & Service Planning Education: Master of Science Management of Technology, National University of Singapore, 2000
Mr Lau Yue Hoong Mr Lau Yue Hoong is the Business Development Manager at Agilent Technologies’ Measurement Group. He is responsible for growing new markets for Agilent. Prior to
10
this, he was the Business Segment Manager at Agilent’s Basic Instruments Division. He also has experience in new product planning, product launching and go to market strategies. A 17 year veteran at the company, he has held various positions in both Agilent Technologies’ Electronics Measurement Group as well as the Semiconductor Products Group. Mr. Lau has a Bachelor’s degree in Electrical and Electronics Engineering from the University of Calgary, Canada.
11
Peta Lokasi
12
13
Susunan Acara Selasa, 2 Oktober 2012 Waktu
Acara
Tempat
08.00 – 09.00
Registrasi Peserta
Gedung Perpustakaan Lama,
09.00 – 10.00
Pengenalan Modeling
Antena dan Microwave Circuit
10.00 – 10.10
Coffea Break
10.10 – 12.00
Modeling dan Simulasi
12.00 – 13.00
ISHOMA
13.00 – 15.00
Modeling dan Simulasi
Ruang Training Center, Lantai 2,
Kampus Baru UI Depok
Antena (Modul 1 dan 2)
Antena (Modul 3) dan
Microwave Circuit (Modul 4) 15.00 – 15.10
Coffea Break
15.10 – 16.10
Diskusi dan Penutup
Modul 1: Waveguide dan Horn Antenna Modul 2: Antena Mikrostrip Modul 3: Wire Antenna Modul 4: Rangkaian Pasif Microwave (BPF)
14
Rabu, 3 Oktober 2012 Waktu
Acara
Tempat
08.00 - 08.30
Registrasi Peserta
Auditorium Pusat
08.30 - 08.35
Pembukaan Acara
08.35 - 09.00
Sambutan-Sambutan
Studi Jepang-UI
1. Sambutan Ketua Umum Panitia SMAP 2012
2. Sambutan Ketua IEEE Indonesia Section
3. Sambutan Ketua Departemen Teknik Elektro, FTUI
15
09.00 - 10.00
Keynote Speech (I)
Moderator: Prof. Dr. Indra Surjati, MT
Dr. Muhammad Budi
Setiawan, MEng, Dirjen
Sumber Daya dan Perangkat Pos dan Informatika, Kemenkominfo RI.
“Regulasi Teknologi
Komunikasi Nirkabel di Indonesia”
Dr. Ir. Marzan Azis Iskandar,
Kepala Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Kemenristek RI. (dalam
konfirmasi)
“Kebijakan Penerapan
Teknologi Komunikasi Nirkabel di Indonesia”
10.00 - 10.10
Coffea Break
16
10.10 - 12.00
Keynote Speech (II)
Moderator: Dr. Mudrik Alaydrus
Prof. Dr. Ir. Gamantyo
Auditorium Pusat Studi Jepang-UI
Hendrantoro, M.Eng, ITSSurabaya
“Pemodelan Kanal Propagasi untuk Aplikasi Baru dalam
Sistem Komunikasi Nirkabel”
Rizkan Chandra, Direktur Network & Solution, PT. Telkom Indonesia
“Meaningful Broadband
Services through Indonesia Digital Networks”
Mr. Lau Yue Hoong, Agilent Technologies
“Agilent’s Solution For Antenna Design And Measurement”
09.00 – 17.00
Eksibisi dari Agilent Technologies
17
12.00 - 13.00
Istirahat Sholat dan Makan (ISHOMA)
Auditorium Pusat
13.00 – 14.45
Sesi Presentasi Paralel Pertama
Kompleks PSJ-UI,
14.45 - 15.10
Coffea Break
15.10 - 16.40
Sesi Presentasi Paralel Kedua
Studi Jepang-UI Lantai 2.
Kompleks PSJ-UI, Lantai 2.
Sesi Paralel Pertama Ruang K212
Ruang K215
Ruang K218
Antena I
Microwave I
Sistem & Propagasi I
13.00 - 13.15
ANT-1
13.00 - 13.15
MW-1
13.00 - 13.15
STM-1
13.15 - 13.30
ANT-2
13.15 - 13.30
MW-2
13.15 - 13.30
STM-2
13.30 - 13.45
ANT-3
13.30 - 13.45
MW-3
13.30 - 13.45
STM-3
13.45 - 14.00
ANT-4
13.45 - 14.00
MW-4
13.45 - 14.00
STM-4
14.00 - 14.15
ANT-5
14.00 - 14.15
MW-5
14.00 - 14.15
STM-5
14.15 - 14.30
ANT-6
14.15 - 14.30
MW-6
14.15 - 14.30
STM-6
14.30 - 14.45
ANT-7
14.30 - 14.45
MW-7
14.30 - 14.45
STM-7
18
Sesi Paralel Kedua Ruang K212
Ruang K215
Ruang K218
Antena II
Antena III
Sistem dan Propagasi II
15.10 - 15.25
ANT-8
15.10 - 15.25
ANT-12
15.10 - 15.25
STM-8
15.25 - 15.40
ANT-9
15.25 - 15.40
ANT-13
15.25 - 15.40
STM-9
15.40 - 15.55
ANT-10
15.40 - 15.55
ANT-14
15.40 - 15.55
STM-10
15.55 - 16.10
ANT-11
15.55 - 16.10
ANT-15
15.55 - 16.10
STM-11
16.10 - 16.25
ANT-17
16.10 - 16.25
ANT-16
16.10 - 16.25
STM-12
16.25 - 16.40
ANT-18
16.25 - 16.40
ANT-19
16.25 - 16.40
STM-13
19
Indeks Makalah ANT-1
M. Darsono
“Rancang Bangun Antena Mikrostrip Array (1x2) Patch Bujur Sangkar Polarisasi Sirkular Pada S Band Satelit Mikro”
ANT-2
Rio Mubarak, Putri Wulandari, dan Octarina Nur Samijayani
“Perbandingan Karakteristik Antena Horn, Yagi-Uda dan Mikrostrip untuk Aplikasi WiFi 2,4 GHz” ANT-3
Putri Wulandari, Ratih S. K, dan Sofian Hamid
“Desain Antena Planar Berbahan Dasar Aluminium Foil
pada Frekuensi 470 - 890 MHz untuk Penerimaan Siaran
Televisi Indoor” ANT-4
Eko Tjipto Rahardjo, Catur Apriono dan Renita Danarianti “Rancang Bangun Antena Monopole Untuk Aplikasi
Nanosatelit pada Frekuensi 145.95 MHz dan 436.915 MHz”
ANT-5
Yusak Krisnanda S., Eko Tjipto Rahardjo, dan Basari
“Perancangan Antena untuk Aplikasi Cognitive Radio pada Alokasi Spektrum CDMA 1,9 GHz, WCDMA 2,1 GHz dan WiMAX 2,375 GHz Untuk Divais Elektronik”
ANT-6
Nadia Media Rizka, Liarto, dan Iskandar Fitri
“Rancang Bangun Butler Matrix 4x4 Untuk Aplikasi Wideband RADAR”
ANT-7
Dina Angela, Yuyu Wahyu, Roy Simorangkir, dan Denny “Desain dan Realisasi Antena Cetak Dualband dengan
Pencatuan Co-Planar Waveguide (CPW) untuk WiMAX dan WLAN”
20
ANT-8
Mochamad Yunus, Fitri Yuli Zulkifli, dan Eko Tjipto Rahardjo
“Perbaikan Gain dan Bandwidth Antena Mikrostrip
Berstruktur Spiral Resonator (SR) Sebagai Inklusi Magnetik Tiruan” ANT-9
Ambros Magnus Rudolf Mekeng dan Iskandar Fitri
“Antena Mikrostrip 24 GHz Patch Segi Tiga Ultra-Wideband dengan Menggunakan Teknik Proximity Kopling untuk Aplikasi Sistem Radar Otomotif”
ANT-10
Gunawan Wibisono, Teguh Firmansyah, dan Toto Supriyanto
“Desain Antena MIMO 2 x 2 Mikrostrip Lingkaran
Menggunakan Parasitik Substrat Untuk Aplikasi LTE” ANT-11
Toto Supriyanto, Gunawan Wibisono, dan Teguh Firmansyah
“Peningkatan Gain Antena Mikrostrip Lingkaran
menggunakan Front-end Parasitik Substrat Untuk Aplikasi LTE”
ANT-12
Sri Hardiati, Yuyu Wahyu, dan Kadek S. N
“Kinerja Antena Mikrostrip Slot Cincin Persegi pada
rentang frekuensi (1555,42 - 1595,42) MHz Dengan Teknik Pencatuan Proximity Coupled” ANT-13
Taufal Hidayat dan Fitri Yuli Zulkifli
“Pengembangan Antena Mikrostrip Dengan Pencatuan Aperture Coupled Pada Frekuensi S-Band”
21
ANT-14
Yussi Perdana Saputera, Bambang Sumajudin, Yuyu Wahyu,
dan Asep Yudi
“Desain dan Realisasi Antena Turnstile pada Frekuensi 2,4
GHz dan 9,4 GHz untuk Aplikasi Wifi dan Radar Pengawas Pantai” ANT-15
Tb. Tidra Barezna I., Eko Tjipto Rahardjo, dan Basari
“Antena Rekonfigurable untuk Aplikasi Cognitive Radio
pada Alokasi Spektrum 1,8 GHz, 2,1 GHz, 2,35 GHz, dan 2,4 GHz” ANT-16
I. G. N. Bara Artawa, Bambang Setia Nugroho, dan Yuyu Wahyu
“Perancangan dan Realisasi Antena Mikrostrip Sierpinski Carpet Dual Band Pada Pita Frekuensi ISM” ANT-17 ANT-18
Rastanto Hadinegoro, Indra Surjati, dan Yuli Kurnia Ningsih
“Antena MIMO Single Band untuk Aplikasi W-LAN”
Pamungkas Daud, Dadin Mahmudin, Yudi Yuliyus, Folin
Octaviani
“Simulasi Antena Patch Beserta Casing Cavity Radome untuk Antena MIMO” ANT-19
Arifin Djauhari, Fitri Yuli Zulkifli, Basari dan Yohanes Paulus
“Perancangan Antena Horn pada Frekuensi Kerja 5,5 GHz – 8,5 GHz”
22
MW-1
Gunawan Wibisono, Puspita Sulistyaningrum, Taufiq Alif Kurniawan, dan Teguh Firmansyah
“Perancangan Concurrent Multiband Low Noise Amplifier Menggunakan Teknologi CMOS 0.18 μm” MW-2
Dwyan Zakaria, Nugroho Adi Saputro, dan Basari
“Perancangan Low Noise Amplifier (LNA) Untuk Aplikasi
Sistem Penerima LTE di Frekuensi 2.35 GHz” MW-3
Desto Rina Ridla Nurwahibah, Uke Kurniawan Usman, dan Yuyu Wahyu
“Perancangan dan Implementasi Band Pass Filter dengan
Menggunakan Metode Hairpin Berbasis Mikrostrip pada Teknologi LTE (1850 MHz – 1910 MHz)” MW-4
Sandra Octaviani, A. A Pramudita, dan Karel Octavianus
MW-5
Folin Oktafiani, Pamungkas Daud, Dadin Mahmudin, Yudi
“Pengembangan Antena Adaptif Berbasis Algortima LMS” Yuliyus Maulana
“Desain dan Realisasi Antena Biquad Pada Frekuensi 2,3 -
2,4 GHz untuk aplikasi LTE” MW-6
Yusuf Fauzi, Basari, Fitri Yuli Zulkifli, dan Eko Tjipto Rahardjo
“Mikrostrip Filter Hairpin dengan Open Stub sebagai Stop Band Rejection” MW-7
Mudrik Alaydrus
“Perhitungan Matriks Penggandeng dalam Perancangan Prototip Filter Lowpass”
23
STM-1
Hendra Herdiana Sopandi, Arfianto Fahmi, Saleh Dwi Mardiyanto
“Analisis Kinerja Penggunaan Teknik Modulasi Adaptif dan MIMO Adaptif pada LTE arah Uplink dengan Berbagai Kecepatan User” STM-2
Wisnu Ari Adi dan Azwar Manaf
Absorpsi Gelombang Mikro Bahan Magnetik Ba-La
Manganite dengan Substitusi Fe-Ti pada Rentang Frekuensi 9–15 GHz STM-3
Ucuk Darusalam, Purnomo Sidi Priambodo, Harry Sudibyo, dan Eko Tjipto Rahardjo
“Efek Turbulensi Kuat pada Sistem Komunikasi Optik Terestrial Udara Bebas” STM-4
Alfin Hikmaturokhman, Eka Wahyudi, dan Triana Haslinda Perdana Wati
“Perbandingan Availability Non Diversity dan Space
Diveristy Pada Tranmisi Microwave menggunakan Model ITU” STM-5
R. Indra Wijaya, Cahya Edi Santosa, Teguh Praludi
“Realisasi Multi Waveform Repetition Frequency (MWRF)
Untuk Menghilangkan Ambiguitas Jarak Pada Radar FMCW Berbasis GNU Radio & USRP” STM-6
Gunawan Wibisono, Parmonangan Manalu, Taufiq Alif Kurniawan, danTeguh Firmansyah
24
“Perancangan Concurrent Down Converter Multiband
Mixer Pada Frekuensi 900 MHz, 2,1 GHz, 2,3 GHz dan 2,6 GHz dengan Teknologi CMOS 0,18 µm” STM-7
Dwyan Zakaria, Basari, dan Fitri Yuli Zulkifli
“Sistem Monitoring Berbasis Teknologi RFID untuk Tahanan Lembaga Pemasyarakatan”
STM-8
Dony Canisius Sirait1, Basari1, dan Fitri Yuli Zulkifli1
STM-9
Catur Apriono, Nofrizal, Mochamad Dandy, Fitri Yuli
“Sistem Monitoring Pasien dengan Teknologi RFID”
Zulkifli dan Eko Tjipto Rahardjo
“Tranformasi NF-FF Menggunakan Metode FFT-2D pada Simulasi Antena dengan Pemindaian Silindris”
STM-10
Timbul Manik dan Peberlin Sitompul
“Hasil Awal TEC Ionosfir Indonesia Berbasis Penerima Radio Beacon”
STM-11
Elyas Palantei, Zakiy Ubaid, Bayu Topalaguna,dan Syafruddin Syarif
“Pra-Konstruksi Prototipe Nanosatelit ISM Band 2,4 GHz untuk Aplikasi Telemonitoring Lingkungan”
STM-12
Yuyu Wahyu, Folin Oktafiani, Yussi Perdana Saputera dan Mashury Wahab
“Perancangan Antena Array Microstrip Planar Untuk Radar S-Band” STM-13
Syafruddin Syarif, Elyas Palantei, Andani Achmad dan Helmy Zainuddin
“Studi Infrastruktur VoD pada IPTV”
25
SMAP 2012
ANT (Antena)
26
ANT-10
SMAP 2012
Desain Antena MIMO 2 x 2 Mikrostrip Lingkaran Menggunakan Parasitik Substrat Untuk Aplikasi LTE 1
Gunawan Wibisono1, Teguh Firmansyah2, Toto Supriyanto3 Teknik Elektro, Universitas Indonesia. 2Teknik Elektro, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa. 3Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta 1
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstract - In this paper, Multiple Input Multiple Output (MIMO) microstrip circular antenna for application Long Term Evolution (LTE) will be designed and analyzed. This antenna operates at frequency 2.35 GHz which allocated for LTE applications. Two MIMO antenna structure with microstrip substrate with εr = 2.2 and h = 1.52 mm will be designed. The first antenna structure is a conventional circular MIMO antenna. Where the antenna structure has a return loss S11 = -30 dB, 55 MHz bandwidth at VSWR < 2, coupling coefficient S21 = 27 dB, and gain of 6.5 dBi. The structure of the second antenna is loop MIMO with additional parasitic radiator. The second antenna had return loss S11 = -21 dB bandwidth of 100 MHz at VSWR <2, the coupling coefficient S21 = -26.5 dB, and gain of 7.5 dBi. It is shown that the MIMO antenna structure with additional substrate parasitic will increase the gain antenna.
Gambar 1. Sistem komunikasi MIMO
Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan, di antaranya mempunyai bentuk yang kompak, dimensi kecil, mudah untuk difabrikasi. Selain itu, antena mikrostrip pun memiliki bentuk yang beragam, diantaranya persegi, persegi panjang, elips, segitiga, dan lingkaran. Namun, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan diantaranya yaitu gain rendah, bandwidth rendah, dan efisiensi yang rendah [1]. Struktur antena MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran konvensional dapat dilihat pada Gambar 2.
Keyword — Gain, LTE, MIMO, Parasitic Substrate. Abstrak — Pada makalah ini, antena Multiple Input Multiple Output (MIMO) mikrostrip lingkaran untuk aplikasi Long Term Evolution (LTE) akan dirancang dan dievaluasi. Antena ini beroperasi pada frekuensi 2,35 GHz yang merupakan alokasi untuk aplikasi LTE. Pada penelitian ini, diusulkan 2 buah struktur antena MIMO mikrostrip dengan substrat εr = 2,2 dengan h = 1,52 mm. Struktur antena pertama (I) yaitu antena MIMO lingkaran konvensional, hasil struktur antena tersebut memiliki nilai return loss S11 = -30 dB, bandwidth 55 MHz saat VSWR < 2, nilai kopling koefisien S21 = -27 dB, dan gain sebesar 6,5 dBi. Struktur antena kedua (II) yaitu antena MIMO lingkaran yang ditambahkan parasitic radiator. Hasilnya diantaranya memiliki nilai return loss S11 = -21 dB bandwidth 100 MHz saat VSWR < 2, nilai kopling koefisien S21 = -26,5 dB, dan gain sebesar 7,5 dBi. Pada penelitian ini dapat ditujukan bahwa gain antena MIMO akan meningkat dengan ditambahkan parasitic substrat.
L W
r d
Kata kunci —Gain, LTE, MIMO, Parasitic Substrate.
Gambar 2. Struktur MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran konvensional
I. PENDAHULUAN Sistem Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) merupakan sistem yang terdiri dari sejumlah terminal (antena) pengirim dan penerima. Tidak seperti sistem antenna konvensional yang sangat rentan terhadap multipath, sistem MIMO justru bekerja sangat baik pada komponen multipath. Pada Gambar 1 terlihat sistem MIMO dengan antena pengirim dan penerima yang lebih dari satu. Antena penerima akan menerima sinyal yang dikirimkan oleh antena pengirim setelah sinyal tersebut dikalikan dengan suatu matriks kanal. Untuk aplikasi CPE maka diperlukan sebuah antena yang kompak, namun memiliki gain yang tinggi, sebagai awal penelitian. Pada laporan ini akan dilakukan perancangan antena array MIMO yang menggunakan teknologi mikrostrip
Untuk meningkatkan cakupan area layanan suatu base station, maka diperlukan antena yang memiliki gain yang tinggi. Beberapa modifikasi dilakukan diantaranya dengan ditambahkan reflektor seperti yang diusulkan [2][3]. Dimana penambahan reflektor ini dapat meningkatkan gain akan tetapi memerlukan dimensi yang lebih besar dari antenanya sendiri. Pada [4]-[5] diusulkan untuk menggunakan metode array, yaitu membantuk antena yang sama dengan sebuah catu, teknik ini sudah banyak dilakukan. Teknik selanjutnya yaitu [6] menggunakan metode Defected Ground Structure (DGS), dengan menghilangkan sebagian bidang ground, sehingga rugi-rugi gelombang permukaan dapat dikurangi. Sementara itu, pada [7], diusulkan perancangan antena berbentuk lingkaran dengan
61
ANT-10
SMAP 2012
radiator parasitic berupa ring, sehingga dihasilkan gain antena sebesar 6 dBi.
L = 150 mm W = 70 mm
r d
H back side antenna Keterangan : εr = 2,2 (taconic) h = 1,52 mm tan δ = 0,0009
Sementara pada Gambar 3 ditambahkan parasitic meningkat. Sementara itu, proses karakterisasi dilakukan dengan mengubah nilai H untuk mendapatkan gain paling besar.
Gambar 3. Struktur antena MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran menggunakan parasitic substrat (Proposed) substrat, sehingga diharapkan nilai gain
Berbeda dengan metode-metode sebelumnya, pada penelitian ini diusulkan perancangan antena MIMO 2 x 2 mikrostrip lingkaran menggunakan parasitik substrat, seperti terlihat pada Gambar 3. Perancangan antena ini menggunakan perangkat lunak CST.
III. KARAKTERISASI DAN OPTIMASI ANTENA Pada subab ini akan dijelaskan karakteristik dari antena, diantaranya return loss, bandwidth, kopling koefisien dan gain. Pada Gambar 4 menunjukkan nilai return loss (S11) antena lingkaran konvensional pada Gambar 2.
II. PERANCANGAN STRUKTUR ANTENA Persamaan patch jari-jari antena lingkaran diberikan oleh [8].
dimana nilai F dinyatakan dengan
Pada pers. (1) nilai h dalam satuan cm, sementara pada pers. (2) nilai f harus dalah satuan Hz. Desain antena tersebut memiliki fundamental frekuensi yang bekerja pada dominan mode TM110. Nilai resonannya diberikan oleh
Gambar 4. Nilai S11 dan bandwidth antena lingkaran MIMO konvensional
Seperti ditunjukan pada Gambar 4. Nilai bandwidth antena saat S11 = -10 hanya mencapai 40 MHz. Nilai ini masih dapat ditingkatkan kembali apabila dipergunakan antena wideband mikrostrip.
Dimana nilai c merupakan kecepatan cahaya sebesar 3.108 m/s. Desani antena ini merupakan desain antena lingkaran yang konvensional seperti pada Gambar 2. nilai dimensi dan karakteristik subtrat terlihat pada Tabel 1. Tabel 1. Dimensi dan Karakteristik Antena
Spesifikasi W L R D εr (Taconic) h tan δ
Ukuran 70 mm 150 mm 26 mm 23 mm εr= 2,2 h = 1,52 mm tan δ = 0,0009
Keterangan Lebar Panjang Jari-jari Separator
Gambar 5. Nilai kopling koefisien S21 antena lingkaran MIMO konvensional
Substrat
62
ANT-10
SMAP 2012
Pada Gambar 5 terlihat bahwa nilai kopling koefisien antena lingkaran MIMO konvensional yang mencapai nilai 27 dB. Hal ini memperlihatkan bahwa kedua antena tersebut tidak saling berhubungan. Parameter selajutnya yang akan dianalisa yaitu gain antena seperti pada Gambar 6.
Sementara itu, pada Gambar 8 terlihat bahwa nilai koefisien kopling antena lingkaran MIMO ini mencapai nilai -26,5 dB. Hal ini memperlihatkan bahwa kedua antena tersebut tidak saling berhubungan. Untuk menganalisa nilai Gain, maka pada penelitian ini dilakukan karakterisasi nilai H dari antena MIMO, agar diperolah nilai gain paling besar. Hasil karakterisasi terlihat pada Gambar 9.
Gambar 6. Nilai far-field antena lingkaran MIMO konvensional
Pada Gambar 6 terlihat nilai gain antena mikrostrip pada frekuensi 2,35 GHz mencapai 6,5 dBi. Sementara itu, nilai HPBW sebesar 90,6º. Perancangan antena selanjutnya yaitu perancangan menggunakan parasitik substrat untuk meingkatkan gain antena MIMO. Pada Gambar 7 memperlihatkan nilai S11 dan bandwidth antena lingkaran MIMO dengan menambahkan parasitik radiator.
Gambar 9. Nilai gain antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat terhadap perubahan H
Pada Gambar 9. terlihat nilai gain antena mencapai maksimum saat H = 16 mm dengan nilai Gain 7,5 dBi. Sementara itu, nilai far-field terlihat pada Gambar 10.
Gambar 7. Nilai S11 dan bandwidth antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat
Gambar 10. Nilai far-field antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat
Seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Nilai bandwidth antena saat S11 = -10 dB hanya mencapai 100 MHz. Hal ini menunjukan bahwa dengan ditambahkannya parasitik radiator, maka akan meningkatkan nilai bandwidth.
Pada Gambar 10 terlihat nilai gain antena mikrostrip pada frekuensi 2,35 GHz mencapai 7,5 dBi. Sementara itu, nilai HPBW sebesar 90,6º. Hasil simulasi menunjukkan bahwa antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat parasitik dapat meningkatkan gain sampai 1 dB yang disertai pula pengingkatan nilai bandwidth. IV. ANALISA HASIL Tabel 2. menunjukkan perbandingan kinerja antena lingkaran MIMO konvensional dengan antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat.
Gambar 8. Nilai kopling koefisien S21 antena lingkaran MIMO dengan parasitik substrat
63
ANT-10
SMAP 2012 Tabel 2. Perbandingan Kinerja Antena
Kinerja Frekuensi MIMO Bandwidth (S11 < -10dB) Gain HPBW (-3dB) Dimensi (mm)
Antena lingkaran MIMO konvensional 2,35 GHz 2x2
Antena lingkaran MIMO dengan penambahan parasitik 2,35 GHz 2x2
55 MHz
100 MHz
6,5 dBi 90 150 x 70 x 1,52
7,5 dBi 67,3 150 x 70 x 16
DAFTAR ACUAN [1] Balanis C. A., Antenna Theory : Analysis and Design, John Wiley & Sons, New York, 1997. [2] Targonski, S.D.; Waterhouse, R.B. "Reflector elements for aperture and aperture coupled microstrip antennas". IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 3, Page : 1840 - 1843. 1997A [3] Seleznyov, D.G.; Reznik, I.I.; Seleznyov, A.D."A microstrip radiator for reflector antennas" Proceedings of the 5th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory. Page(s): 104 - 107. 2000 [4] M. Stoytchev, H. Safar, A. L. Moustakas, and S. Simon, “Compact antenna arrays for MIMO applications,” in IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp., Jul. 2001, vol. 3, pp. 708– 711. [5] Capobianco, A.D.; Pigozzo, F.M.; Boscolo, S.; Midrio, M.; Sacchetto, F.; Assalini, A.; Brunetta, L.; Zambon, N.; Pupolin, S.; “A Novel Compact MIMO Array based on PlanarYagi Antennas for Multipath Fading Channels” IEEE Conferences Publication Year: 2010 , Page(s): 93 – 96 [6] C.-Y. Chiu, R. D. Murch, and C. R. Rowell, “Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna elements,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 6, pp. 1732–1738, Jun. 2007. [7] Tilane, Pramendra, “ Gain Enhancement of circular microstrip antenna for Personal Communication Systems”. IACSIT Vol.2 No.2 April 2011. [8] I. J. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Antennas, Artech House, Norwood,MA,1980.
Hasil perbandingan memperlihatkan bahwa antena lingkaran MIMO dengan penambahan parasitik substrat dapat menhasilkan gain yang lebih tinggi dan memberikan nilai bandwidth yang lebih besar. VII. KESIMPULAN Pada penelitian ini juga diusulkan penambahan parasitik substrat pada antena lingkaran MIMO untuk dapat meningkatkan Gain dan bandwidth. Pada jenis subsrat taconic dengan εr= 2,2, h = 1,52 mm, dan tan δ = 0,0009 diperoleh jarak parasitik paling optimum sebesar 14 mm. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dibiayai dari Hibah Kolaborasi Internasional, Universitas Indonesia tahun 2012, dengan kontrak nomor 1165/H2.R12/HKP 05.00.Perjanjian/2012.
64
ANT-11
SMAP 2012
Peningkatan Gain Antena Mikrostrip Lingkaran menggunakan Front-end Parasitik Substrat Untuk Aplikasi LTE 1
Toto Supriyanto1, Gunawan Wibisono2, dan Teguh Firmansyah3 Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta. 2 Teknik Elektro, Universitas Indonesia. 3 Teknik Elektro, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa 1
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstract - The design of an enhanced gain compact circular microstrip antenna has been presented in this paper. This antenna is designed to operate at 2,35 GHz for Long Term Evolution (LTE) application with bandwidth 54 MHz at return loss (S11) = -14 dB or VSWR < -1,5 . The gain, return loss, and radiation characteristics of the proposed microstrip antenna are compared with the conventional circular antenna. A total gain enhancement 2 dB is achieved by front-end parasitic element. The spacing between the driven patch and frontparasitic element (H1) is optimized to maximize electromagnetic coupling and main lobe antenna. This paper also propose end-parasitic, the spacing between the ground and end-parasitik element (H2) to minimize back lobe antenna. The designed antenna makes it a potential antenna for various applications. Keyword —Back lobe, Gain enhancement, LTE, Main lobe, Parasitic Substrate.
Front parasitik
H1 Patch utama
H2 End parasitik
Abstrak — Pada makalah ini akan dijelaskan penelitian mengenai peningkatan gain antena mikrostrip lingkaran. Antena ini beroperasi pada frekuensi 2,35 GHz yang merupakan alokasi untuk aplikasi Long Term Evolution (LTE) yang memiliki bandwidth 54 MHz pada return loss (S11) = -14 dB atau saat VSWR < 1,5 dB. Nilai gain, return loss, dan karakteristik radiasi antena ini akan dibandingkan dengan antena mikrostrip lingkaran konvensional. Total peningkatan gain yang diperoleh sebesar 2 dB, dengan penempatan front-end parasitik subtrat. Jarak antara patch dengan front-parasitik (H1) dioptimasi untuk memaksimalkan kopling elektromagnetik dan lobe utama antena. Penelitian ini juga mengusulkan penambahan end-parasitik, jarak antara ground dan end-parasitik (H2) dioptimasi untuk meminimalkan back lobe antena. Desain antena ini sangat potensial dipergunakan untuk berbagai aplikasi. Kata kunci — Back lobe, Gain enhancement, LTE, Main lobe, Parasitic Substrate.
(1a.)
Patch utama
(1b.) (1c.) Gambar 1a. Struktur antena terlihat dari atas (proposed); 1b. Struktur antena terlihat dari bawah (proposed); 1c. Struktur antena lingkaran konvensional.
Salah satu metode untuk meningkatkan gain antena mikrostrip yang telah dikenal secara luas diantaranya metode antena susun (array), seperti yang dilakukan oleh [3]-[4]. Pada metode ini diusulkan perancangan beberapa antena yang sama untuk kemudian dihubungkan dengan pencatu tunggal, sehingga nilai gain meningkat. Namun metode ini memiliki kelemahan diantaranya yaitu memiliki bentuk yang luas, dan terdapatnya gelombang permukaan yang dapat menurunkan efisiensi. Gelombang permukaan ini dapat ditekan dengan menggunakan Defected Ground Structure (DGS), seperti yang diusulkan [5] yaitu dengan menghilangkan sebagian bidang ground. Metode yang lain diantaranya yaitu dipergunakan parasitik radiator, seperti yang diusulkan [6]-[9]. Pada penelitian [6] diusulkan perancangan menggunakan dielektrik resonator antena untuk dapat menghasilkan antena
I. PENDAHULUAN Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan, di antaranya mempunyai bentuk yang kompak, dimensi kecil, mudah untuk difabrikasi. Selain itu, antena mikrostrip pun memiliki bentuk yang beragam, diantaranya persegi, persegi panjang, elips, segitiga, dan lingkaran. Namun, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan diantaranya yaitu gain rendah, bandwidth rendah, dan efisiensi yang rendah [1]. Sebuah antena yang memiliki gain tinggi diperlukan untuk memenuhi permintaan yang tinggi terhadap layanan komunikasi nirkabel, sehingga coverage layanan semakin luas. Namun, pada antena mikrostrip, nilai gain justru yang menjadi salah satu kelemahannya. Gain didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic [2].
65
ANT-11
SMAP 2012 Dimana nilai c merupakan kecepatan cahaya sebesar 3.108 m/s. Desai antena ini merupakan desain antena lingkaran yang konvensional seperti pada Gambar 1c. Pada penelitian ini, antena yang dirancang memiliki frekuensi kerja sebesar 2,3 GHz untuk aplikasi Long Term Evolution (LTE). Sementara itu, struktur antena yang diusulkan terlihat pada Gambar 1a. dan Gambar 1b. dengan nilai dimensi dan karakteristik subtrat terlihat pada Tabel 1 dibawah ini.
yang memiliki gain yang tinggi. Namun antena ini masih memiliki dimensi yang besar. Sementara itu, pada [7] mengusulkan untuk dipergunakan parasitik radiator yang berbentuk ring persegi panjang dengan patch berbentuk persegi panjang untuk menghasilkan gain sebedar 7,5 dBi. Penelitian ini kemudian ditindak lanjuti oleh [8], dimana diusulkan perancangan antena yang memiliki bentuk lingkaran dengan radiator berupa ring, sehingga dihasilkan gain antena sebesar 6 dBi. Penelitian selanjutnya diantaranya diusulkan oleh [9] yaitu perancangan antena mikrostrip berbentuk persegi dengan radiator yang identik juga, sehingga dihasilkan gain antena sampai 7,5 dBi. Berbeda dengan penelitian sebelumnya, pada antena ini diusulkan perancangan menggunakan front-end parasitik substrat, seperti yang terlihat pada Gambar 1a. dan Gambar 1b. Geometri antena yang dipergunakan berbentuk lingkaran dengan front parasitik radiatornya berbentuk lingkaran pula, sehingga gain yang dihasilkan lebih besar. Selain itu, pada penelitian ini juga diusulkan perancangan menggunakan end parasitik yang berfungsi menurunkan back-lobe yang berakibat pada peningkatan gain antena. Pada makalah ini terdiri dari beberapa bab. Bab 1 membahas mengenai pendahuluan dan posisi penelitian, sementara Bab 2 dibahas mengenai perancangan struktur antena. Sementara bab 3 membahas optimasi antena yang dengan nilai iterasinya. Sementara bab 4 dibahas analisa dari hasil yang diperoleh. Selain itu, akan dibandingkan hasil antara antena lingkaran konvesional seperti Gambar 1c, antena lingkaran hanya dengan front-parasitik, antena lingkaran hanya dengan end-parasitik, dan antena yang menggunakan front-end parasitik seperti Gambar 1a dan Gambar 1b. Perancangan antena ini menggunakan perangkat lunak CST.
Tabel 1. Dimensi dan Karakteristik Substrat Antena
Spesifikasi W L r εr1 (Taconic) h1 tan δ1 εr2 (Taconic) h2 tan δ2 εr3 (Taconic) h3 tan δ3
1+
2ℎ 𝜋𝜋𝐹𝐹 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝜋𝜋𝜀𝜀𝑟𝑟 𝐹𝐹 2ℎ
+ 1,7726
Frontparasitik Patch Utama Endparasitik
III. KARANTERISASI DAN OPTIMASI ANTENA Seperti yang dijelaskan pada Bab 1, pada makalah ini akan dijelaskan empat buah desain antena. Diantaranya antena lingkaran konvesional seperti Gambar 1c, antena lingkaran hanya dengan front-parasitik, antena lingkaran hanya dengan end-parasitik, dan antena yang menggunakan front-end parasitik seperti Gambar 1a dan Gambar 1b. Pada Gambar 2 menujukan nilai return loss (S11) antena lingkaran konvensional pada Gambar 1c.
Salah satu keunggulan dari antena berbentuk lingkaran diantarannya adalah desain yang sederhana. Persamaan patch jari-jari antena lingkaran mengikuti persamaan [10] yang diberikan oleh. 𝐹𝐹
Keterangan Lebar Panjang Jari-jari
Luasan yang lebih ini diharapkan mendapatkan gain yang lebih besar. Sementara itu, proses karakterisasi dilakukan dengan mengubah nilai H1 dan H2.
II. PERANCANGAN STRUKTUR ANTENA
𝑟𝑟 =
Ukuran 60 mm 70 mm 26 mm εr1= 2,2 h1 = 1,52 mm tan δ1 = 0,0009 εr2= 2,2 h2 = 1,52 mm tan δ2 = 0,0009 εr3= 2,2 h3 = 1,52 mm tan δ3 = 0,0009
(1)
dimana nilai F memenuhi persamaan ; 𝐹𝐹 =
8,791. 109 𝑓𝑓𝑟𝑟 𝜀𝜀𝑟𝑟
(2)
Pada persamaan (1) nilai h harus dalam satuan cm, sementara pada persamaan (2) nilai f harus dalah satuan Hz. Desain antena tersebut memiliki fundamental frekuensi yang bekerja pada dominan mode TM110. Nilai resonannya diberikan oleh persamaan ; 𝑓𝑓𝑟𝑟
110
=
1,8412 1,8412𝑐𝑐 = 2𝜋𝜋𝑟𝑟 𝜇𝜇𝜀𝜀 2𝜋𝜋𝑟𝑟 𝜀𝜀𝑟𝑟
Gambar 2. Nilai S11 dan bandwith antena lingkaran konvensional
Seperti ditunjukan pada Gambar 2. Nilai bandwidth antena saat S11 < -14 hanya mencapai 29,6 MHz. Sementara itu, pada Gambar 3 menujukan hasil far-field antena lingkaran konvensional.
(3)
66
ANT-11
SMAP 2012 Hasil gain antena terhadap perubahan H2 terlihat pada Gambar 5. Selain itu dilakukan juga simulasi perubahan tinggi H2 terhadap perubahan nilai back-lobe, seperti pada Gambar 6.
Gambar 3. Nilai far-field antena lingkaran konvensional
Hasil far-field ini menunjukan nilai gain antena sebesar 6,2 dBi dengan angular width 88,8 dan back lobe sebesar -12,8 dBi. Perancangan selanjutnya yaitu dengan menambahkan front-parasitik. Dilakukan karakterisasi perubahan gain antena terhadap perubahan tinggi H1. Hasil gain antena terhadap perubahan H1 terlihat pada Gambar 4.
Gambar 6. Nilai back-lobe antena lingkaran dengan end-parasitik terhadap perubahan H2
Pada Gambar 6 dapat diperlihatkan bahwa, dengan menambahkan back-parasitik dihasilkan peningkatan gain sebesar 0,32 dB dari 6,2 dBi menjadi 6,5 dBi saat H2 sebesar 4 mm. Sementara itu pada gamba 6 memperlihatkan nilai back-lobe antena end-parasitik terhadap perubahan H2, nilai ini back-lobe ini mengalami penurunan sebesar 11, 72 dB, dari -12,18 dBi menjadi -24 dBi saat H2 bernilai 5 mm. Hai ini membuktikan, dengan menambahkan end-parasitik dapat meningkatkan gain sekaligus menurunkan nilai back-lobe antenna. Perancangan selajutnya yaitu dengan menambahkan frontend parasitik yang merupakan usulan dari makalah ini. Hasil simulasi gain terhadap perubahan H1 dan H2 terlihat pada Gambar 7 dibawah ini.
Gambar 4. Nilai gain antena lingkaran dengan front-parasitik terhadap perubahan H1
Nilai gain yang paling besar diperoleh saat H1 bernilai 10 mm dengan gain sebesar 7,9 dBi. Hal ini membuktikan dengan penambahan front-parasitik dapat meningkatkan gain sebesar 1,7 dB dari 6,2 dBi menjadi 7,9 dBi. Sementara itu, proses selanjutnya dilakukan simulasi dengan menambahkan end-parasitik. Untuk kemudian, dilakukan karakterisasi perubahan gain antena terhadap perubahan tinggi H2.
Gambar 7. Nilai gain antena front-end parasitik terhadap perubahan H1 dan H2
Nilai gain yang paling besar diperoleh saat H1 bernilai 14 dan H2 bernilai 4 mm dengan gain sebesar 8,2 dBi. Hal ini membuktikan dengan penambahan front-end parasitik dapat meningkatkan gain sebesar 2 dB dari 6,2 dBi menjadi 8,2 dBi.
Gambar 5. Nilai gain antena lingkaran dengan end-parasitik terhadap perubahan H2
67
ANT-11
SMAP 2012
Sementara itu, Gambar 8 memperlihatkan hasil simulasi return loss (S11) pada antena dengan penambahan front-end parasitik.
Hasil perbandingan memperlihatkan bahwa antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik dapat menhasilkan gain yang lebih tinggi dan memberikan nilai bandwidth yang lebih besar. V. KESIMPULAN Total peningkatan gain yang diperoleh sebesar 2 dB dengan penempatan front-end parasitik subtrat. Jarak antara patch dengan front-parasitik (H1) dioptimasi untuk memaksimalkan kopling elektromagnetik dan lobe utama antenna. Pada penelitian ini juga diusulkan penambahan end parasitik, jarak antara ground dan end-parasitik (H2) dioptimasi untuk meminimalkan back lobe antena. Nilai gain yang paling besar diperoleh saat H1 bernilai 14 dan H2 bernilai 4 mm dengan gain sebesar 8,2 dBi. Hal ini membuktikan dengan penambahan front-end parasitik dapat meningkatkan gain sebesar 2 dB dari 6,2 dBi menjadi 8,2 dBi.
Gambar 8. Nilai S11 dan bandwith antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik
Seperti ditunjukan pada Gambar 8. Nilai bandwidth antena saat S11 < -14 hanya mencapai 54,7 MHz. Sementara itu, pada Gambar 9 menujukan hasil far-field antena lingkaran penambahan front-end parasitik.
DAFTAR ACUAN [1] G. Kumar And K.P. Ray, Broaband Microstrip Antennas, First edition, USA, Artech House, 2003. [2] Balanis C. A., Antenna Theory : Analysis and Design, John Wiley & Sons, New York, 1997.. [3] M. Stoytchev, H. Safar, A. L. Moustakas, and S. Simon, ―Compact antenna arrays for MIMO applications,‖ in IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp., Jul. 2001, vol. 3, pp. 708– 711. [4] Capobianco, A.D.; Pigozzo, F.M.; Boscolo, S.; Midrio, M.; Sacchetto, F.; Assalini, A.; Brunetta, L.; Zambon, N.; Pupolin, S.; ―A Novel Compact MIMO Array based on PlanarYagi Antennas for Multipath Fading Channels‖ IEEE Conferences Publication Year: 2010 , Page(s): 93 – 96 [5] C.-Y. Chiu, R. D. Murch, and C. R. Rowell, ―Reduction of mutual coupling between closely-packed antenna elements,‖ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 6, pp. 1732–1738, Jun. 2007. [6] Nasimuddin and Karu P. Esselle, ―A Low-Profile Compact Microwave Antenna With High Gain and Wide Bandwidth,‖ IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 6, June 2007. [7] Bahadir Yildirim and Bedri A. Cetiner, ―Enhanced Gain Patch Antenna with a Rectangular Loop Shaped Parasitik Radiator,‖ Antennas and wireless propagation letters, IEEE, vol 7, issue, 2008 pages: 229-232 [8] Tilane, Pramendra, ― Gain Enhancement of circular microstrip antenna for Personal Communication Systems‖. IACSIT Vol.2 No.2 April 2011. [9] Anil Kumar Agrawal , ―Broadband and high gain microstrip patch antenna for WLAN‖. Indian Journal of Radio & Space Physics, Vol 40, October 2011, pp 282-286. [10] I. J. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Antennas, Artech House, Norwood,MA,1980.
Gambar 9. Nilai far-field antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik.
Hasil simulasi menujukan bahwa antena dengan penambahan front-end parasitik dapat meningkatkan gain sampai 2 dB. IV. ANALISA HASIL Tabel 2. Menujukan perbandingan kinerja antena lingkaran konvensional dengan antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik. Tabel 2. Perbandingan Kinerja Kinerja Frekuensi Bandwidth (S11 < -10 dB) Bandwidth (S11 < -14dB) Gain HPBW 3dB Dimensi
Antena lingkaran konvensional 2,35 GHz
Antena lingkaran dengan penambahan front-end parasitik 2,35 GHz
50 MHz
102 MHz
29,6 MHz
54,7 MHz
6,2 dBi 88,8 60 x 70 x 1,52
8,2 dBi 63,6 60 x 70 x 22,56
68
SMAP 2012
MW (Microwave)
100
MW-1
SMAP 2012
Perancangan Concurrent Multiband Low Noise Amplifier Menggunakan Teknologi CMOS 0.18 μm Gunawan Wibisono1, Puspita Sulistyaningrum2, Taufiq Alif K3 dan Teguh Firmansyah 4 Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, 4Teknik Elektro, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa 1
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected]
1,2,3
Abstract — Concurrent multiband LNA is one type of multiband LNA that could work at several frequency bands one time simultaneously. This paper, concurrent multiband LNA that works at four frequency bands (quadband) at 950 MHz, 1.85 GHz, 2.35 GHz, and 2.65 GHz will be designed and analyzed. The proposed LNA uses inductive source degeneration topology based on 0.18 μm CMOS technology. The design specifications of LNA are K > 1, gain > 10 dB, Noise figure (NF) < 3 dB, Input return loss < -10 dB, VSWR between 1-2, and power consumption < 20 mW. The proposed concurrent multiband LNA is design and simulated by advanced design system (ADS) software. Based on the simulation results, the design LNA achieves gain 15.113 21.035 dB for four frequency bands. Noise Figure 1.29 – 2.713 dB, input return loss -17.270 dB – -42.903 dB, and VSWR 1.014 - 1.317 And power comsumption is 15.44 mW. Keyword — 0.18 μm CMOS, concurrent multiband LNA, inductive source degeneration, quadband. Abstrak — Concurrent multiband LNA merupakan salah satu tipe multiband LNA yang dapat bekerja pada beberapa frekuensi berbeda secara simultan. Pada paper ini dirancang concurrent multiband LNA yang bekerja pada empat pita frekuensi (quadband) yaitu 950 MHz, 1,85 GHz, 2,35 GHz, dan 2,65 GHz. LNA yang dirancang menggunakan topologi inductive source degeneration dan berbasis teknologi CMOS 0.18 μm. Spesifikasi LNA yang dirancang meliputi kestabilan (K > 1), gain > 10 dB, Noise Figure (NF) < 3 dB, Input return loss < -10 dB, VSWR antara 1-2, dan disipasi daya < 20 mW. Perancangan dan simulasi dilakukan dengan perangkat lunak Advance Design System (ADS). Berdasarkan hasil simulasi yang dilakukan, rancangan LNA telah memenuhi spesifikasi yaitu memiliki gain sebesar 15,113 – 21,035 dB untuk keempat frekuensi. Noise Figure sebesar 1,29 – 2,713 dB, input return loss sebesar -17,270 dB – -42,903 dB, dan VSWR sebesar 1,014 – 1,317. Besarnya disipasi daya rangkaian adalah sebesar 15,44 mW. Kata kunci — CMOS 0.18 μm, concurrent multiband LNA, inductive source degeneration, quadband. I. PENDAHULUAN Low noise amplifier (LNA) adalah bagian paling depan dari sebuah sistem receiver. Fungsi LNA adalah menguatkan sinyal yang diterima receiver dengan kontribusi noise yang seminimal mungkin [1]. LNA merupakan bagian penting dari sistem receiver. Hal ini mengingat, sinyal yang diterima oleh receiver seringkali memiliki daya yang kecil, sehingga perlu dikuatkan terlebih dahulu sebelum diproses lebih lanjut. Di sisi lain, amplifier juga turut menambah noise pada receiver. Agar tambahan noise tersebut tidak berpengaruh besar terhadap sinyal yang diterima receiver, kontribusi noise LNA haruslah seminimal mungkin. Menjawab kebutuhan atas multiband LNA agar sebuah LNA dapat bekerja pada lebih dari satu rentang frekuensi secara simultan, maka tipe concurrent multiband LNA banyak digunakan. Concurrent LNA memiliki kelebihan
dibandingkan tipe multiband LNA yang lain seperti wideband LNA, switched mode LNA, dan parallel mode LNA. Dibandingkan parallel LNA, concurrent LNA dapat menghemat konsumsi daya dan memperkecil ukuran karena hanya membutuhkan satu driver untuk semua rentang frekuensi yang diinginkan. Pada wideband LNA, sinyal yang tidak diinginkan bisa ikut terkuatkan bersama dengan rentang frekuensi yang diinginkan, yang menyebabkan sensitivitas receiver berkurang secara drastis [2]. Sedangkan dengan switched mode LNA, LNA hanya dapat bekerja secara optimal pada satu frekuensi dalam satu waktu [3]. Pada paper ini, dirancang sebuah concurrent multiband LNA menggunakan teknologi CMOS 0.18 μm yang bekerja pada empat band frekuensi (quadband) yaitu pada frekuensi 950 MHz, 1,85 GHz, 2,35 Ghz, dan 2,65 GHz secara simultan. Spesifikasi LNA yang dirancang memiliki kestabilan (K > 1), gain > 10 dB, Noise Figure < 3 dB, input return loss < -10 dB, VSWR antara 1-2, dan konsumsi daya < 20 mW. Topologi LNA yang digunakan adalah inductive source degeneration yang telah banyak digunakan seperti di concurrent dualband LNA [2],[4], dan concurrent tripleband LNA [5]. Pada rangkaian LNA terdapat transistor CMOS yang disusun secara cascade, yang berfungsi sebagai isolasi antara port input dan output. Rancangan LNA disimulasikan dengan perangkat lunak Advance Design System (ADS). II. PERANCANGAN CONCURRENT M ULTIBAND LNA MENGGUNAKAN TEKNOLOGI CMOS 0.18 ΜM Dalam merancang concurrent multiband LNA ini, tahapan yang harus dilakukan dimulai dengan menentukan spesifikasi LNA yang akan dirancang. Kemudian memilih transistor yang akan digunakan, melakukan bias DC serta memilih topologi LNA. Saat bias DC dilakukan, dipastikan rangkaian dalam keadaan unconditionally stable yang ditunjukkan dengan nilai K > 1, dimana K adalah Stability Factor, sebuah faktor yang menunjukkan kestabilan rangkaian. Kemudian dibuat rangkaian impedance matching supaya LNA bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Kemudian dilakukan evaluasi simulasi sampai dicapai hasil yang optimum sesuai spesifikasi yang diinginkan. Terakhir dilakukan analisa hasil simulasi. Simulasi dilakukan dengan perangkat lunak ADS. A. Spesifikasi LNA Spesifikasi LNA yang dirancang secara lengkap terlihat pada Tabel 1.
101
MW-1
SMAP 2012
Tabel 1 Spesifikasi LNA yang Dirancang
untuk membangkitkan empat frekuensi resonansi. Akan tetapi, sebuah resonator LC ini tidak serta merta beresonansi di satu band frekuensi saja (misal L4 dan C4 hanya mempengaruhi f4, dan L1 dan C1 hanya mempengaruhi f1), tetapi ke-empat resonator LC ini saling berpengaruh terhadap keempat frekuensi resonansi yang ada. Rangkaian resonator LNA yang dirancang, ditunjukkan pada Gambar 2.
Frekuensi Tengah Spesifikasi 950 MHz
1.85 GHz
2.15 GHz
2.65 GHz
K
>1
>1
>1
>1
S 21
> 10 dB
> 10 dB
> 10 dB
> 10 dB
< 3dB
< 3dB
< 3dB
< 3dB
< -10 dB
< -10 dB
< -10 dB
< -10 dB
1 -2
1-2
1-2
1–2
< 20mW
< 20mW
< 20mW
< 20mW
Noise Figure S 11 VSWR Konsumsi Daya
L4
L2
L3
L1
C1
C4
C3
C2
Resonator 4
Resonator 3
Resonator 2
B. Pemilihan transistor Transistor CMOS sangat populer untuk rangkaian analog dan RF. Konsekuensi dari hal ini adalah adanya peluang besar untuk mengintegrasikan rangkaian analog, RF, dan dijital pada die yang sama, yang membuat CMOS menjadi teknologi yang sangat baik untuk implementasi System-onChip masa depan [6]. Pada paper ini dipilih transistor MOSFET berbasis teknologi CMOS 0.18 μm. C. Bias DC dan Topologi LNA Perancangan bias transistor merupakan hal mendasar yang dilakukan dalam mendesain LNA. Pada perancangan concurrent multiband LNA ini, dipilih topologi LNA inductive source degeneration yang ditambahkan cascode. Penambahan transistor yang dipasang secara cascode memiliki beberapa kelebihan seperti mengurangi efek Miller, dan menambah isolasi diantara input dan output [5]. Gambar 1. menunjukkan rangkaian bias LNA yang dirancang.
Resonator 1
Gambar 2. Rangkaian resonator LNA C1 selain sebagai komponen input impedance matching, juga berfungsi sebagai coupling capacitor bagi rangkaian bias LNA. Output impedance matching-nya terdiri dari C 5 dan L5 yang dipasang seri. C5 juga berfungsi sebagai coupling bagi rangkaian bias LNA, Gambar rangkaian keseluruhan concurrent multiband LNA yang dirancang ditunjukkan oleh Gambar 3. Vdd Ld L5 M2 L4
Vdd
L3
C5
L2 L1
Ld
M1 C1
Rs Vs
M2
C4
C3
C2
RG Ls
C5 Vgg
Gambar 3. Rangkaian concurrent multiband LNA yang dirancang.
M1 C1 RG Ls Vgg
III. HASIL SIMULASI DAN A NALISA Pada bagian ini akan diulas hasil simulasi dan analisa dari multiband LNA yang telah dirancang untuk bekerja pada frekuensi tengah 950 MHz, 1,85 GHz, 2.35 GHz dan 2.65 GHz . Temperatur simulasi diatur sebesar 16.85„C sesuai temperatur standar IEEE untuk analisa noise [7].
Gambar 1. Rangkaian bias LNA
D. Impedance matching dengan Komponen Lumped Rangkaian input impedance matching dibentuk dengan topologi inductive source degeneration, dimana induktor yang dipasang terhubung pada bagian source (Ls), yang selanjutnya akan ditambah resonator LC (kombinasi induktor dan kapasitor yang dipasang seri maupun paralel) yang terhubung seri dengan gate. Jumlah resonator ini akan mempengaruhi banyaknya jumlah frekuensi resonansi yang terbentuk. Pada penelitian terdapat empat resonator LC
A. Hasil Simulasi dan Analisa Input Return Loss (S11) Hasil simulasi input return loss (S11) rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 4. Terlihat bahwa LNA yang dirancang telah bekerja pada 4 band frekuensi tengah 950 MHz, 1,85 GHz, 2,35 GHz, serta 2,65 GHz. Nilai S11 LNA yang dirancang telah memenuhi spesifikasi yang diinginkan yaitu < -10 dB. S11 sebesar -42,903 dB pada frekuensi 950
102
RL
MW-1
SMAP 2012
MHz, -25,949 dB pada frekuensi 1,85 GHz, -17,270 dB pada 2,35 GHz, dan -19,874 dB pada frekuensi 2,65 GHz.
Gambar 4. Hasil simulasi input return loss (S11) Gambar 6. Hasil simulasi kestabilan
B. Hasil Simulasi dan Analisa Input Gain (S21) Hasil simulasi gain (S21) rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 5. Terlihat bahwa Nilai S21 LNA yang dirancang telah memenuhi spesifikasi yaitu S21 > 10 dB di keempat band frekuensi yang diinginkan. S21 sebesar 21,035 dB pada frekuensi 950 MHz, 19,357 dB pada 1,85 GHz, 16,317 dB pada 2,35 GHz, dan 15,113 dB pada frekuensi 2,65 GHz.
D. Hasil Simulasi dan Analisa Noise Figure Hasil simulasi Noise Figure (NF) rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 7. Terlihat bahwa pada keempat band frekuensi yang diinginkan, NF telah memenuhi spesifikasi yaitu NF < 3 dB. NF sebesar 2,713 dB pada frekuensi 950 MHz, 1,495 dB pada 1,85 GHz, 1,290 dB pada 2,35 GHz, dan 1,398 dB pada frekuensi 2,65 GHz.
Gambar 7. Hasil Simulasi NF D. Hasil Simulasi dan Analisa Noise Figure
Gambar 5. Hasil simulasi gain (S21) C. Hasil Simulasi dan Analisa Kestabilan Hasil simulasi stability factor (K) rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 6. Terlihat bahwa pada keempat band frekuensi yang diinginkan, nilai K > 1. K sebesar 1,072 pada frekuensi 950 MHz, 1,048 pada frekuensi 1,85 GHz, 1,059 pada frekuensi 2,35 GHz, dan 1,065 pada frekuensi 2,65 GHz, dengan nilai K paling kecil adalah 1,043 pada frekuensi 1,46 GHz.
Hasil simulasi VSWR rangkaian multiband LNA tampak pada Gambar 8. Terlihat bahwa pada keempat band frekuensi yang diinginkan, nilai VSWR telah memenuhi spesifikasi yaitu VSWR antara 1-2. VSWR sebesar 1,014 pada frekuensi 950 MHz, 1,106 pada 1.85 GHz, 1,317 pada 2,35 GHz, dan 1,226 pada 2,65 GHz.
103
MW-1
SMAP 2012
PERNYATAAN Penelitian ini dibiayai dari Program Penelitian Strategis Nasional, Dikti, tahun 2012, dengan kontrak nomor. 3393/H2.R12/HKP.05.00/2012
DAFTAR ACUAN
Gambar 8. Hasil simulasi VSWR VI. KESIMPULAN Telah dirancang concurrent multiband LNA dengan menggunakan topologi inductive source degeration berbasis teknologi CMOS 0,18 μm yang dapat beroperasi pada 4 frekuensi frekuensi secara bersamaan. Frekuensi tengah operasi LNA adalah 950 MHz, 1,85 GHz, 2,35 GHz, dan 2,65 GHz. Dari hasil simulasi terlihat bahwa concurrent multiband LNA yang dirancang telah memenuhi kriteria perancangan untuk kestabilan, gain, input return loss, VSWR, NF, dan konsumsi daya. Hasil rancangan siap untuk dilakukan fabrikasi.
[1] John Rogers, and Calvin Plett, Radio Frequency Integrated Circuit Design, London: Artech House, 2003. [2] Sambit Datta, Kunal Datta, Ashudeb Dutta, Tarun Kanti Bhattacharyya, “Fully Concurrent Dual-Band LNA Operating in 900 MHz/2.4 GHz Bands for Multi-Standard Wireless Receiver with sub-2dB Noise Figure”, IEEE Third International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, pp. 731-734, 2010. [3] Hosein Hasemi. “Integrated Concurent Multiband Radios and Multiple Antenna System”. Ph.D. Dissertation. California Institute of Technology. California. September 2003 [4] Hossein Hashemi and Ali Hajimiri, “Concurrent Dual-Band CMOS Low Noise Amplifier and Receiver Architecture”, IEEE Symposium on VLSI Circuit, pp. 247-250, 2001 [5] Chih-Yuan Kao, Yueh-Ting Chiang, and Jeng-rern Yang, “A Concurrent Multi-Band Low-Noise Amplifier for WLAN/WiMAX Application”. IEEE Explore 2008. [6] Stefan Andersson, “Multiband LNA Design and RF-Sampling Front-Ends for Flexible Wireless Receivers”, Link‡ping Studies in Science and Technology Dissertation No. 1036, 2006 [7] Agilent Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements, Application Note 57-1, Agilent Technologies. Available: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/59528255E.pdf
104
