5/14/2018 Poster Tugas Akhir - Mohammad Anggasta - 13207113 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/poster-tugas-akhir-mohammad-anggasta-13207113 1/2

Pendahuluan Kebutuhan pelanggan telekomunikasi semakin meningkat pesat seiring

berjalannya waktu. Seiring berkembangnya dunia internet, pelanggan kini

menginginkan sesuatu yang lebih daripada hanya sekedar voice dan pesan

singkat. Tingginya tingkat mobilitas manusia juga membuat adanya kebutuhan

mengakses internet di mana saja dan kapan saja. Hadirnya layanan 3G dengan

data rate yang lebih tinggi ternyata belum mampu mengakomodasi kebutuhan

bandwidth yang semakin tinggi. Maka sebagai pengembangannya

diperkenalkanlah teknologi Long Term Evolution (LTE). Dengan teknologi LTE ini,data rate secara teoritis dapat meningkat hingga 100 Mbps untuk downlink dan

hingga 50 mbps untuk uplink sehingga dapat memenuhi kebutuhan pengguna.

Teknologi LTE diharapkan dapat meningkatkan berbagai parameter pada

sistem komunikasi seluler, salah satunya pada signal reliability . Hal ini

dimungkinkan karena LTE menggunakan sistem antena pintar yang bernama

Multiple Input Multiple Output (MIMO). Sistem MIMO menggunakan lebih dari

satu antena baik untuk transmitter maupun receiver sehingga dapat

meningkatkan throughput sistem.

Pemanfaatan teknologi MIMO pada handset merupakan sebuah tantangan

tersendiri yaitu bagaimana merancang antena ganda MIMO dan melakukan

optimasi penempatan pada ruang terbatas pada handset dengan tetap menjaga

nilai koefisien korelasi dan coupling yang baik. Terdapat tiga parameter utama

perancangan, namun satu sama lain saling bertolak belakang sehingga harus

dilakukan trade-off antara ketiganya. Ketiga parameter itu adalah ukuran ruang

yang diperlukan untuk dua elemen antena, ukuran ruang yang tersedia dari

handset, dan seberapa besar jarak antar antena untuk mendapatkan nilai

coupling dan koefisien korelasi yang baik. Pada penelitian ini, penulis akan

mengoptimasi penggunaan sistem MIMO pada handset LTE sehingga didapatkan

konfigurasi yang paling tepat untuk diaplikasikan pada berbagai handset yang

tersedia di pasaran.

Teori DasarAda beberapa tantangan yang muncul dalam pendesainan antena pada

handset dewasa ini. Salah satunya ialah semakin mengecilnya ukuran handset

dengan berbagai fungsi yang digabungkan sehingga mengurangi ruang yang

tersisa untuk antena selain juga ukuran ground plane yang terbatas. Biasanya

desainer antena harus menyesuaikan antena yang akan dipasang dengan ruang

yang tersedia di antara item seperti loudspeaker , kamera, dll. Hal-hal tersebut

dapat mengurangi performa antena sehingga harus diperhatikan dengan baik.

Tipe antena yang paling populer untuk penggunaan pada handset ialah

tipe antena planar , salah satu jenisnya ialah PIFA ( Planar Inverted F Antenna).

Antena planar mempunyai fitur yang menarik seperti low profile, ukuran yang

kecil, dan kemampuan untuk disesuaikan dengan tempat pemasangan. Antena

PIFA beresonansi pada seperempat panjang gelombang (λ/4) sehingga

mengurangi spasi yang dibutuhkan pada telepon seluler. PIFA memiliki radiasi

backward menuju kepala pengguna yang minimal sehingga mengurangiSpecific

Absorption Rate (SAR) dan meningkatkan performa antenna. Dengan ukuran

gain sedang hingga tinggi yang dihasilkannya baik pada polarisasi vertikal

maupun horisontal, PIFA sangat cocok digunakan pada komunikasi nirkabeldimana orientasi antena tidak tetap dan dapat terjadi refleksi dari beberapa

sudut yang berbeda pada lingkungan sekitar.

Multiple Input Multiple Output (MIMO) merupakan sistem antena yang

menggunakan lebih dari satu antena baik untuk transmitter maupun receiver .

Sistem yang umum ialah MIMO 2x2 , 4x2 dan 4x4 dimana angka yang disebut

pertama ialah jumlah transmitter dan angka kedua adalah receiver . Gambar di

atas menunjukkan sistem MIMO 2x2. Pada sistem 2x2 secara teoritis dapat

meningkatkan data rate hingga 2 kali lipat jika hanya menggunakan antena

tunggal dan begitu juga sistem 4x4 secara teoritis dapat meningkatkan data rate

hingga 4 kali lipat. MIMO menawarkan peningkatan yang signifikan dalam data

throughput dan jangkauan link tanpa tambahan bandwidth atau daya transmisi

karena efisiensi spektral yang lebih tinggi (lebih banyak bit tiap detik tiap hertz

bandwidth) dan kehandalan link atau diversitas ( fading yang lebih rendah).

Desain dan Realisasi Sistem Antena

MIMO 2x2 untuk Handset 4G TDD LTE

pada Frekuensi 2,3 GHz

aMohammad Anggasta Paramartha ,

bJoko Suryana ,Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro,Sekolah Teknik Elektro dan Informatika,Institut Teknologi BandungJalan Ganesha No. 10 Bandung 40132, Indonesiaanggasta@gmail.com joko.suryana@stei.itb.ac.id

a

b

Perancangan1. Perancangan Antena PIFA Tunggal

Model PIFA yang dirancang akan bekerja pada band frekuensi 2,3 Ghz.

Antena dirancang pada sebuah substrat dengan ukuran 20x20 mm. Substrat

yang digunakan ialah FR-4 Epoxy dengan konstanta dielektrik 4,3. Spesifikasi

yang diinginkan antara lain S11 -10 dB, VSWR 2, Bandwidth yang didapat

minimal 50 MHz, dan pola radiasi mendekati omnidirectional . Antena PIFA yang

didesain menggunakan bentuk meander yaitu memiliki pola berkelok sehingga

dapat mengurangi panjang secara keseluruhan hingga 30 %. Bentuk ini cocok

untuk digunakan pada MIMO 2x2 pada handset karena dapat mengurangi ruang

yang dibutuhkan. Bentuk desain akhir antena PIFA tunggal, grafik S11 dan ukuran

berbagai variabelnya ditunjukkan pada gambar dan tabel berikut:

2. Perancangan Sistem Antena MIMO 2x2

3. Pengaruh Kepala dan Tangan Terhadap Sistem MIMO

Setelah didapat antena tunggal dengan karakteristik yang baik, maka

dirancanglah sistem antena MIMO 2x2 menggunakan dua buah antena tersebut

yang identik. Beberapa karakteristik yang menjadi pertimbangan antara lain S-

Parameter masing-masing antena (S11 dan S22), Coupling (S12 dan S21), dan

Koefisien Korelasi. Akan dilihat pengaruh beberapa variabel seperti jarak antar

antena, orientasi antena, dan orientasi antena terhadap antena satunya terhadap

karakteristik tersebut. Setelah mengubah-ubah variabel tersebut dan mempelajari

pengaruhnya didapatlah konfigurasi kedua antena yang menghasilkan karakteristik

yang dapat memenuhi spesifikasi yang disyaratkan seperti diperlihatkan pada

gambar berikut :

Konfigurasi dua buah antena horisontal ini memberikan hasil yang paling baik

untuk semua karakteristik sistem antena MIMO. Nilai S11 kurang lebih -24 dB dan

S22 bernilai -22 dB pada frekuensi 2,344 GHz. S12 dan S21 j uga bernilai sangat baik

yaitu -29,95 dB dengan nilai koefisien korelasi 0,0006 dan dapat dianggap

mendekati nol. Hal ini menunjukkan coupling dan korelasi antar antena sangat kecil.

Sebagai antena pada handset tentunya pada penggunaannya akan terjadi

interaksi dengan tubuh manusia, terutama bagian kepala dan tangan. Untuk itu

dilakukan perancangan dengan menggunakan model yang dibuat menyerupai

kepala manusia, dari bentuk, material maupun karakteristiknya. Model kepala

terdiri dari bagian fluid dan shell , dimana fluid adalah cairan di dalam kepala (otak

dan sebagainya) dan shell ada tengkorak kepala dan kulitnya. Material fluid memiliki

Mue 1 dan rho 1000 g/m3 sedangkan shell memiliki epsilon 3,7, Mue 1 dan

konduktivitas 0,0016 S/m

Dengan adanya penambahan model tangan, nilai S12 dan S21 yang diperoleh

masih cukup baik yaitu sekitar -26,7 dB. Nilai koefisien korelasi menjadi kurang baikyaitu 0,08. Karakteristik yang sangat terpengaruh pada penambahan model tangan

ini ialah efisiensi radiasi antena. Untuk antena 1 terjadi penurunan efisiensi radiasi

menjadi 28,8 % dan untuk antena 2 menjadi 40 %.

Realisasi dan Karakterisasi

1. Hasil dan Analisis Pengukuran Koesifien Refleksi

Setelah didapatkan hasil yang sesuai, antena dicetak dengan teknik etching

pada FR-4 Epoxy. Untuk ground plane digunakan pelat kuningan dengan ketebalan

0.4 mm yang dipotong sehingga berukuran 55 x 100 mm. Ground plane dibor untuk

pemasanganSMA (subminiature version A) connector dengan impedansi 50 Ω dari

bagian bawah dan disolder pada bagian bawah ground plane. Karena antena harus

ditempatkan melayang di atas ground plane, maka konduktor dalam dari SMA

connector dan shorting strip akan menjadi “penyangga”nya. Pada bagian substrat

antena harus dibor sedikit untuk memasukkan konduktor dalam dan shorting strip

dari bawah lalu akan disolder pada bagian atas substrat. Berikut gambar antena PIFA

MIMO konfigurasi dua antena horizontal yang sudah berhasil direalisasikan:

Kemudian dilakukan pengukuran parameter-parameter antena seperti koefisien

refleksi, VSWR, pola radiasi dan koefisien korelasi serta dibandingkan dengan hasil

simulasi. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan VNA dan Spectrum Analyzer.

i Terjadi sedikit pergeseran frekuensi pada hasil pengukuran namun masih

dalam batas wajar. Pada hasil simulasi, antena memiliki frekuensi dengan return loss

terendah diperoleh pada frekuensi 2,344 GHz dengan S11 sebesar -24,67 dB

sedangkan pada hasil pengukuran 2,3175 GHz dengan S11 sebesar -18,55 dB. Dari

segi bandwidth, antena pada simulasi memiliki bandwidth sebesar kurang lebih 100

MHz dari 2296 MHz hingga 2392 MHz. Sedangkan pada hasil pengukuran didapat

bandwidth sebesar 90 MHz pada 2272,5 MHz hingga 2362,5 MHz.Begitu pula dengan hasil pengukuran yang didapat untuk S22, terjadi

pergeseran frekuensi pada hasil pengukuran yang lebih besar dibandingkan hasil

pada S11. Namun bandwidth yang didapat lebih besar yaitu sekitar 122 MHz dari

frekuensi 2242,5 MHz hingga 2370 MHz.

Untuk nilai pengukuran S21 dan S12 sudah cukup baik dan memiliki

karakteristik yang hampir sama dengan hasil simulasi dimana pada frekuensi 2,344

GHz didapat S21 dan S12 sebesar -29.94 dB yang menunjukkan coupling antara

kedua antena sangat kecil. Untuk hasil pengukuran didapat nilai sebesar -17 dB

pada frekuensi 2,3175 GHz.

2. Hasil dan Analisis Pengukuran Pola Radiasi Antena

3. Hasil dan Analisis Pengukuran Koefisien Korelasi

4. Perbandingan Pengaruh Kepala pada Karakteristik Antena

Melalui pengukuran diperoleh pola radiasi hasil pengukuran untuk tiap

frekuensi dan perbandingannya dengan hasil simulasi yang diperlihatkan seperti

pada gambar-gambar berikut :

p ola radiasi bidang XY antena 1 pola radi asi bidang XY antena 2

p ola radiasi bidang XZ antena 1 pola radi asi bidang XZ antena 2

Penulis merancang file Matlab untuk membaca data input berupa bilangan

kompleks dari parameter S untuk kemudian diolah dan menghasilkan data

koefisien korelasi menggunakan persamaan

Berikut merupakan perbandingan antara koefisien korelasi hasil pengukuran

dengan hasil simulasi :

Dapat terlihat adanya perbedaan untuk daerah frekuensi di bawah 2 GHz.

Namun untuk daerah frekuensi di atas 2 GHz, yang menjadi perhatian penulis,

diperoleh hasil yang tidak terlampau jauh. Pada frekuensi 2,34 GHz diperoleh

koefisien korelasi sebesar sekitar 0,0008, tidak berbeda jauh dengan nilai yang

didapat melalui simulasi yaitu 0,00068.

Melalui percobaan ini akan dilihat pengaruh adanya kepala dan tangan

terhadap daya terima antena dan karakteristik lain seperti parameter S, coupling

dan koefisien korelasi. Transmitter menggunakan antena bow tie seperti yang

digunakan pada percobaan pengukuran pola radiasi. Daya transmisi diatur pada

0 dBm.Untuk antena dalam posisi awal, diperoleh daya penerimaan sebesar -

45,21 dBm. Sedangkan dengan adanya pengaruh kepala, ada penurunan daya

yang diterima menjadi -47,12 dBm. Sehingga dapat disimpulkan adanya

pengaruh kepala memberikan penurunan gain sekitar 2 dB.

Nilai koefisien korelasi yang didapat pada hasil pengukuran lebih baik yaitu

0,005 dibandingkan dengan yang diperoleh pada simulasi yaitu 0,045 pada

frekuensi 2,344 GHz. Sama seperti pengukuran sebelumnya, terdapat

perbedaan yang cukup terlihat pada daerah frekuensi di bawah 2 GHz. Semua

karakteristik yang diperoleh tetap dapat memenuhi spesifikasi sistem antena

MIMO yang disyaratkan.

KesimpulanBeberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian tugas akhir ini

adalah:

1. Hasil simulasi perancangan antena tunggal menunjukkan hasil dengan

frekuensi dengan return loss paling baik pada 2,308 GHz

sebesar 29,25 dB dan gain sekitar 0.7 dB. Dimensi antena meander

cukup kompak dan memiliki panjang 11 mm dengan lebar 7 mm.

2. Hasil simulasi perancangan sistem antena MIMO dengan dua antena

dengan konfigurasi dua antena horisontal menghasilkan karakteristik

antena yang paling baik. Pada frekuensi 2,344 GHz menunjukkan return

loss paling baik yaitu 24,67 dB, bandwidth 100 MHz, coupling yang sangat

rendah yaitu -29 dB dan koefisien korelasi sangat rendah yaitu 0.0006.

3. Hasil yang didapat pada pengukuran antena MIMO 2x2 tidak berbeda jauh

dengan hasil simulasi dimana terjadi pergeseran frekuensi menjadi sedikit

lebih rendah yaitu 2,3175 GHz dengan S11 sebesar -18,55 dB. Untuk

karakteristik lain seperti coupling juga tidak berbeda jauh dengan hasil

simulasi dan nilainya dapat memenuhi spesifikasi di bawah -15 dB.

4. Penambahan model kepala dan tangan memberikan hasil yang kurang

lebih sama untuk karakteristik parameter S, namun terjadi pengurangan

cukup besar pada efisiensi radiasi. Efisiensi radiasi antena 1 berkurang

menjadi 28,48 % dan antena 2 menjadi 40 %. Koefisien korelasi hampir

melewati batas spesifikasi yaitu 0,1 dengan hasil yang didapat ialah 0,08..

5. Untuk pengukuran koefisien korelasi dengan menggunakan data

parameter S dalam bentuk bilangan kompleks didapat nilai yang sangat

baik dan mendekati hasil simulasi dengan koefisien korelasi bernilai

0,0008.

6. Pada pengukuran pengaruh kepala terhadap karakteristik antena, didapat

penurunan gain sebesar 2 dB jika dibandingkan dengan kondisi tanpa

adanya kepala. Nilai koefisien korelasi yang diperoleh lebih baik yaitu

sebesar 0,005 dibandingkan dengan yang diperoleh pada simulasi yaitu

0,045 pada frekuensi 2,344 GHz

Variabel Ukuran (mm)

Panjang Patch 11

Lebar patch 7

Tinggi dari ground 8

Lebar shorting strip 3

Jarak strip dari feed 2

Ketebalan substrat 1,6

Panjang ground 100

Lebar ground 55

5/14/2018 Poster Tugas Akhir - Mohammad Anggasta - 13207113 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/poster-tugas-akhir-mohammad-anggasta-13207113 2/2