Makalah Anggasta Fix

5/13/2018 Makalah Anggasta Fix - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/makalah-anggasta-fix-55a74f6d27a5c 1/6

M1

Desain dan Realisasi Sistem Antena MIMO

2x2 untuk Handset 4G TDD-LTE pada

Frekuensi 2.3 GHzMohammad Anggasta (13207113), Dr. Ir. Joko Suryana

Teknik Telekomunikasi, Institut Teknologi Bandung

Jalan Ganesha 10, Bandung, Indonesia

[email protected]

Abstraksi — Pada generasi sistem komunikasi mobile

berikutnya, kebutuhan akan performa handset yang lebih

baik dapat direalisasikan dengan meningkatkan kapasitas

atau mengurangi interferensi multipath. Fading padasinyal yang disebabkan oleh propagasi multipath dapat

direduksi dengan menggunakan teknik diversity antara

lain dengan penggunaan dua buah fungsi antena pada

terminal mobile.

MIMO adalah suatu sistem antena yang muncul dengan

menggunakan prinsip diversity dengan tujuan

meningkatkan data rate tanpa membutuhkan bandwidth

atau daya transmisi yang besar. Sistem MIMO ini terdiri

dari beberapa antena pemancar dan penerima yang

menciptakan diversity antara transmiter dan receiver.

Pada penelitian ini, penulis akan melakukan perancangan

dan pengaplikasian untuk penggunaan sistem antenaMIMO pada handset 4G TDD-LTE dengan frekuensi 2,3

GHz. Optimasi yang dilakukan terkait dengan dimensi

antena, konfigurasi beberapa buah posisi dan orientasi

antena pada handset sehingga didapat hasil yang baik

untuk parameter-parameter penting seperti S-parameter,

koefisien korelasi, mutual coupling, dan diversity gain.

Pertama-tama dilakukan perancangan model antena

dengan menggunakan software simulator. Dari software

tersebut akan didapat analisis pada berbagai kondisi

sehingga dapat dilakukan optimasi. Setelah didapat

konfigurasi yang paling tepat maka tahap selanjutnya

ialah realisasi desain antena pada handset lalu dilakukanpengukuran pada kondisi sebenarnya. Dari penelitian ini

diharapkan akan didapat suatu rancangan antena MIMO

yang optimal pada handset LTE sehingga dapat

diaplikasikan pada berbagai jenis dan dimensi handset di

pasaran.

Kata kunci — LTE, MIMO, antena, handset, diversity

I. PENDAHULUAN

Dewasa ini terjadi perubahan dalam dunia internet

dimana semakin menjamurnya situs – situs dengan kebutuhan

bandwidth tinggi seperti video dan photo sharing, social

networking, file sharing dan sebagainya . Tingginya tingkat

mobilitas manusia juga membuat adanya kebutuhanmengakses internet di mana saja dan kapan saja. Hadirnya

layanan 3G dengan data rate yang lebih tinggi ternyata belummampu mengakomodasi kebutuhan bandwidth tinggi pada

situs-situs tersebut. Maka sebagai pengembangannya

diperkenalkanlah teknologi LTE. Dengan teknologi LTE ini,

data rate secara teoritis dapat meningkat hingga 12 Mbpsuntuk downlink dan hingga 5mbps untuk uplink sehingga

dapat memenuhi kebutuhan pengguna untuk mengakses

berbagai situs multimedia tersebut.

Teknologi LTE diharapkan dapat meningkatkan berbagai

parameter seperti signal reliability. Hal ini dimungkinkan

karena LTE menggunakan sistem antena pintar yang bernamaMIMO (Multiple Input Multiple Output). Sistem MIMO

menggunakan lebih dari satu antena baik untuk transmitter

maupun receiver sehingga dapat meningkatkan throughput

antena. Pemanfaatan teknologi MIMO pada handset

merupakan sebuah tantangan tersendiri karena dimensi

handset yang sedemikian rupa (relatif kecil) , sedangkan ada

beberapa parameter penting yang harus diperhatikan seperti

dimensi antena, jarak antar antena dan sebagainya. Pada

penelitian ini, penulis akan mengoptimasi penggunaan sistem

MIMO pada handset LTE sehingga didapatkan konfigurasi

yang paling tepat dan dapat diaplikasikan pada berbagaihandset yang tersedia di pasaran.

II. TEORI DASAR

A.

Perkembangan Teknologi Sistem Komunikasi SelulerSistem komunikasi seluler terus berkembang sejak

pertama kali ditemukan pada tahun 1980an. Generasi pertama

(1G) seperti AMPS menggunakan sistem analog dengan

penggunaan hanya sebatas pada layanan suara. Lalu

berkembanglah sistem komunikasi yang menggunakan sistem

digital yang memiliki beberapa kelebihan. Kebutuhan akan

komunikasi data melalui jaringan seluler mengakibatkan

pengembangan teknologi seluler lebih lanjut dandiperkenalkanlah teknologi bernama GRPS dan kemudian 3G

dan HSDPA.Tetapi dengan semakin bertambahnya kebutuhan

akan teknologi dengan data rate yang semakin tinggi

membuat layanan 3G dan HSDPA dirasa sudah tidak

mencukupi lagi. Oleh karena itu dikembangkanlah sebuahsistem 4G dengan nama Long Term Evolution (LTE) [1]



M2

B. Long Term Evolution (LTE) [2]

LTE merupakan pengembangan dari teknologi seluleryaitu GSM (3G) dan HSDPA dengan kelebihan terutama

berupa throughput data yang jauh lebih tinggi, coverage jauh

lebih luas, end to end IP network dan akses broadband dimana

saja kapan saja. Keuntungan lain ialah latency yang lebih

rendah, efisiensi spektral yang lebih tinggi, dan sekuriti yang

lebih baik. LTE juga menjamin interkoneksi dengan legacynetwork seperti GSM 2G, 3G, CDMA, dan UMTS. Frekuensi

yang digunakan bervariasi, mulai dari 700 , 800, 1800, 1900,

2300, 2600 MHz.

Berbagai peningkatan teknologi digunakan pada LTE

seperti penggunaan antena MIMO, teknologi modulasi

OFDMA untuk download dan SCFDMA untuk upload, dan

beberapa perubahan pada perangkat jaringan seperti BTS dan

perangkat core network. Dengan meningkatnya kebutuhan

komunikasi multimedia saat ini, sistem komunikasi wireless

seperti LTE diharapkan dapat memenuhi berbagai parameter

seperti bagaimana meningkatkan signal reliability,

mengurangi daya yang dibutuhkan, meningkatkan data rate

dan bahkan bagaimana memanfaatkan pita frekuensi yang

dimiliki dengan seoptimal mungkin.

Sistem LTE tradisional menggunakan sistem FDD

(Frequency Division Duplexing) dimana transmitter dan

receiver beroperasi pada frekuensi pembawa yang berbeda.BTS harus mampu mengirim dan menrima sebuah transmisi

sinyal di waktu yang sama. Syarat ini dapat dipenuhi dengan

mengubah sedikit frekuensi untuk pengiriman dan

penerimaan. Pada operasi dengan sistem FDD, terdapat dua

buah frekuensi carrier, satu untuk transmisi uplink (fUL) dan

satu lagi untuk downlink (fDL).

Di satu sisi, dengan semakin terbatasnya spektrum yangdapat digunakan, dikembangkanlah teknologi LTE yang

menggunakan sistem TDD (Time Division Duplexing).

Dengan menggunakan metode TDD, sebuah kanal frekuensi

tunggal ditetapkan untuk transmitter dan receiver. Baik trafik

pada uplink dan downlink menggunkan frekuensi yang sama

f0 tapi pada waktu yang berbeda. Dengan metode ini utilisasi

spektrum akan lebih efisien.

C. Perancangan Antena pada Handset Seluler [3]

Teknologi komunikasi nirkabel telah berkembang dengan

sangat pesat dewasa ini dan ukuran handset seluler menjadi

semakin kecil saja. Pada awalnya antena pada handset

diperlakukan hanya sebagai bagian tambahan, tapi tren yangberkembang belakangan ini adalah menjadikannya

terintegrasi dengan bodi handset. Untuk memenuhi kebutuhan

miniaturisasi handset, antena yang ditempatkan pada handset

arus memiliki dimensi yang tereduksi dengan cukup.

Ada beberapa tantangan yang muncul dalam pendesainan

antena pada handset dewasa ini. Yang pertama ialah dengan

semakin mengecilnya ukuran handset dengan berbagai fungsi

yang digabungkan sehingga mengurangi ruang yang tersisa

untuk antena. Biasanya desainer antena harus menyesuaikanantena yang akan dipasang dengan ruang yang tersedia di

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

dapat mengurangi performa antena. Ukuran ground yang

terbatas pun harus menjadi perhatian. Pada teori antena

konvensional menggunakan teknik bayangan untuk

memungkinkan ground plane tidak terbatas. Teknik ini tidak

dapat digunakan pada ground plane dengan panjang elektris

yang kecil..

D. Antena PIFA dan Penggunaannya pada Handset Seluler[4]

Tipe antena yang paling populer untuk penggunaan pada

handset ialah tipe antena planar, salah satu jenisnya ialah

PIFA (Planar Inverted F type 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.

Gambar 1 Antena PIFA secara umum

PIFA memiliki radiasi backward menuju kepala

pengguna yang minimal sehingga mengurangi Specific

Absorption Rate (SAR) dan meningkatkan performa antenna.

Dengan ukuran gain sedang hingga tinggi yang dihasilkannyabaik pada polarisasi vertikal maupun horisontal, PIFA sangat

cocok digunakan pada komunikasi nirkabel dimana orientasiantena tidak tetap dan dapat terjadi refleksi dari beberapa

sudut yang berbeda pada lingkungan sekitar.

E. Multiple Input Multiple Output

Multiple Input Multiple Output (MIMO) merupakan

sistem antena yang menggunakan lebih dari satu antena baik

untuk transmitternya maupun receivernya. Sistem yang umumialah MIMO 2x2 , 4x2 dan 4x4 dimana angka yang disebut

pertama ialah jumlah transmitter dan angka kedua adalah

receiver. Pada sistem 2x2 secara teoritis dapat meningkatkan

data rate hingga 2 kali lipat jika hanya menggunakan antenatunggal 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)



M3

Gambar 2 Sistem antena MIMO 2x2

III. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI

A. Rancangan Awal Antena PIFA Tunggal

Desain awal antena akan diambil dari referensi sebuah

paper tentang meander PIFA. (Wang, Plettemeier, & Zhang)

Desain tersebut ditunjukkan seperti pada Gambar 3. Antena

tersebut mempunyai frekuensi resonansi 2.6 GHz sehingga

harus diubah beberapa variabelnya agar didapat frekuensi

resonansi 2.3 GHz dan dilakukan optimasi lebih lanjut dengan

mengubah-ubah beberapa variabel lain

Gambar 3 Realisasi antena PIFA referensi

Antena referensi direalisasikan menggunakan potongan

pelat logam yang berdiri di atas ground plane pada PCB

dengan bahan FR-4 Epoxy seperti pada Substrat yang

digunakan ialah udara, sedangkan penulis melakukanperancangan desain di atas substrat FR-4 epoxy dengankonstanta dielektrik 4,3 dengan ketebalan 1.6 mm pada bagian

bawah elemen planar. Substrat berukuran 20x20 mm karena

merupakan ukuran terkecil yang dapat difabrikasi.

Gambar 4 Rancangan antena menggunakan software simulator

Desain inilah yang akan menjadi desain awal untuk

digunakan pada perancangan berikutnya. Selanjutnya akandilakukan optimasi pada berbagai variabel sehingga didapat

spesifikasi dan dimensi yang optimal. Perubahan variabel

menggunakan fitur Parametric Sweep pada Microwave CST

dimana dalam satu kali run simulasi akan didapat semua hasil

untuk setiap perubahan variabel. Variabel desain pada antenaini yang dapat diubah-ubah antara lain tinggi elemen planar

dari ground plane, lebar shorting strip, jarak shorting strip dari

feed pin, ketebalan substrat dan panjang ground plane.

Setelah mengubah-ubah variable tersebut dan

mempelajari pengaruhnya terhadap karakteristik antena,

diperoleh desain akhir dengan spesifikasi dimensi dan

variable seperti dijelaskan pada table berikut :

Tabel 1 Ukuran desain akhir antena PIFA tunggal

Variabel Ukuran (mm)

Panjang Patch Keseluruhan 11

Lebar Patch Keseluruhan 7

Tinggi dari Ground 8

Lebar Shorting Strip 3

Jarak Shorting Strip dari Feed 2

Ketebalan Substrat 1.6

Panjang Ground 100

Lebar Ground 55

Antena tersebut memiliki frekuensi resonansi pada 2.308 GHz

dengan S11 sebesar -29 dB dan bandwidth sekitar 60 MHz

atau 2,6 %.. Nilai VSWR juga cukup baik yaitu 1,07.

Gambar 5 S11 desain akhir antena PIFA tunggal

B. Perancangan dan Implementasi Antena MIMO

Setelah didapat antena tunggal yang optimal, 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),

Koefisien Korelasi, dan Diversity Gain. Akan dilihatpengaruh beberapa variabel seperti jarak antar antena,

orientasi antena, dan orientasi antena terhadap antena satunya

terhadap karakteristik tersebut. Setelah mengubah-ubah

variable tersebut dan mempelajari pengaruhnya didapatlah

konfigurasi kedua antena yang menghasilkan karakteristik

paling optimal adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 6



M4

Gambar 6 Konfigurasi MIMO paling optimal

Jarak antar kedua antena ialah sekitar 30 mm. Coupling antar

kedua antena sangat baik yaitu -29.44 dB. Koefisien korelasi

sangat kecil yaitu 0.00068 dan diversity gain sangat baik yaitu

9.9999 dB. Ketika karakteristik tersebut secara berturut-turut

ditampilkan pada Gambar 7, Gambar 8dan Gambar 9

Gambar 7 Grafik S21 dan S12

Gambar 8 Grafik koefisien korelasi

Gambar 9 Grafik Diversity gain

C. Pengaruh Kepala dan Tangan pada Kemampuan Sistem

MIMO

Sistem antena MIMO yang dirancang pada penelitian ini akan

diaplikasikan pada handset LTE yang akan tersedia di

pasaran. Sebagai antena pada handset tentunya pada

penggunaannya akan terjadi interaksi dengan tubuh manusia,

terutama bagian kepala dan tangan. Untuk itu penulis

melakukan dengan menggunakan model yang dibuatmenyerupai kepala manusia, dari bentuk, material maupun

karakteristiknya. Model kepala dan tangan ini sudah

disediakan templatenya oleh software CST Microwave.

Model kepala terdiri dari bagian fluid dan shell, dimana fluid

adalah cairan di dalam kepala (otak dan sebagainya) dan shellada 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 .

Gambar 10 Perancangan dengan model kepala dan tangan

Dengan adanya penambahan model tangan, nilai S12 dan S21

yang diperoleh masih cukup baik yaitu sekitar -26,7 dB. Nilai

koefisien korelasi menjadi kurang baik yaitu 0,08. Begitu juga

diversity gain yang menjadi 9,96 dB.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 %.IV. ANALISIS IMPLEMENTASI SISTEM

A. Hasil dan Analisis Pengukuran Parameter S

Berikut karakteristik antena yang didapat melalui pengukuran.

Dapat diamati terjadi sedikit pergeseran frekuensi namun

masih dalam batas wajar. Pada hasil simulasi, antena memiliki

frekuensi resonansi 2,344 GHz dengan S11 sebesar -24,67

dB sedangkan pada hasil pengukuran 2,3175 GHz dengan S11sebesar -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



M5

kedua antena sangat kecil. Untuk hasil pengukuran didapat

nilai sebesar -17 dB pada frekuensi resonansinya yaitu 2,3175

GHz.

B. Hasil dan Analisis Pengukuran Pola Radiasi Antena

Pola Radiasi theta 90 bidang XY antena kiri dari depan

Pola Radiasi theta 90 bidang XY antena kanan dari depan

Pola Radiasi phi 0 bidang XZ antena kanan dari depan

Pola Radiasi phi 0 bidang XZ antena kiri dari depan

Pola radiasi yang diperoleh melalui pengukuran secara

keseluruhan masih serupa dengan hasil simulasi.

C. Hasil dan Analisis Pengukuran Koefisien Korelasi

dan Diversity Gain

Penulis merancang file Matlab untuk membaca data input

berupa bilangan kompleks dari parameter S untuk kemudian

diolah dan menghasilkan data koefisien korelasi. 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.

00.20.40.60.8

10

1020304050

60708090100

110120

130140

150160170180

190200210220

230240

250260270280290

300310320

330340350

simulasi

pengukuran

0

0.5

10

10203040

5060

708090100

110120

130140

150160170180

190200210220

230240

250260270280290

300310

320330340350

simulasi

pengukuran

0

0.20.4

0.6

0.81

0102030

4050

60708090100

110120

130

140150160170180

190200210220

230240

250260270280290

300310

320330340350

simulasi

pengukuran

0

0.20.4

0.6

0.81

0102030

4050

60708090100

110120

130140

150160170180

190200210220

230240

250

260270280290

300310

320330340350

simulasi

pengukuran

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.5 2 2.5 3

K o e f i s

i e n

K o r e l a s i

Frekuensi (GHz)

Koefisien Korelasi

pengukuran

simulasi



M6

Pada frekuensi 2,34 GHz diperoleh nilai diversity gain

sebesar 9,9999 dB baik dalam simulasi maupun pengukuran.Nilai yang sangat tinggi ini memperlihatkan berkurangnya

SNR yang diperlukan untuk bit error rate (BER) yang

diberikan secara rata-rata selama fading terjadi.

V. KESIMPULAN

Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian tugas

akhir ini adalah:

1. Hasil simulasi perancangan antena tunggal paling

optimal menunjukkan hasil yang baik dengan

frekuensi resonansi 2,308 GHz dan S11 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 paling optimal dengan

konfigurasi feeding kedua antena saling berhadapan

seperti ditunjukkan pada bab Error! Referencesource not found. dan menunjukkan hasil yang baik dengan frekuensi resonansi 2,344 GHz dan S11

sebesar -24,67 dB, bandwidth 100 MHz, coupling

yang sangat rendah yaitu -29 dB, koefisien korelasi

sangat rendah yaitu 0.0006 dan diversity gain sangat

besar yaitu 9.9999 dB

3. Hasil yang didapat pada pengukuran antena MIMO2x2 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 -15dB.

4. Dengan penambahan model kepala dan tangan pada

perancangan, didapatkan hasil yang kurang lebih

sama untuk karakteristik parameter S, namun terjadi

pengurangan cukup besar pada efisiensi radiasi dan juga terjadi perubahan pada pola radiasi antena. Nilai

koefisien korelasi yang dihasilkan pun semakin besar

dan diversity gain semakin kecil namun masih dalam

batas spesifikasi yang disyaratkan.

5. Hasil yang diperoleh pada pengukuran pola radiasi

antena secara keseluruhan mendekati hasil simulasi

dengan perbedaan yang tidak terlalu signifikan.

6. Untuk pengukuran koefisien korelasi dan diversity

gain dengan menggunakan data parameter S didapat

nilai yang sangat baik dan mendekati hasil simulasi

dengan koefisien korelasi bernilai 0,0008 dan

diversity gain bernilai 9,999 dB.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Rosu, Iulian; PIFA – Planar Inverted F Antenna

[2] Wang, Qiong, Plettemeier, Dirk ; ―Diversity Performance

of an Optimized Meander PIFA Array for MIMO

Handset‖

[3] Wong, Kin-Lu ; ―Planar Antenna for Wireless

Communnication,‖ John Wiley and Sons. 2003

[4] Harri Holma and Antti Toskala, "LTE for UMTS

OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access," John

Wiley and Sons, Ltd., 2009.

[5] Mishra, Kanchan; ―Design of a Compact PIFA for PCS

Application‖

-2

0

2

4

6

8

10

1.5 2 2.5 3

D i v e r s i t y G a i n

( d B )

Frekuensi (GHz)

Diversity Gain

pengukuran

simulasi

Makalah Anggasta Fix

Documents

Transcript of Makalah Anggasta Fix