Makalah Anggasta Fix

5/12/2018 Makalah Anggasta Fix - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/makalah-anggasta-fix 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 — MIMO adalah sistem antena yang muncul

dengan menggunakan prinsip diversity dengan tujuan

meningkatkan data rate dalam range yang lebih besar

tanpa membutuhkan bandwidth atau daya transmisi yang

besar. Sistem ini terdiri dari beberapa antena pemancar

dan penerima dengan ide dasar untuk menciptakan

spatial diversity sinyal pemancar dari lokasi yang

berbeda. Konsep dasar ini merupakan akar dari sistem

komunikasi kooperatif.

Pada penelitian ini, penulis akan melakukan

perancangan dan pengaplikasian untuk penggunaan

sistem antena MIMO 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, diversity

gain, dan lainnya yang akan dijelaskan lebih lanjut pada

bab dasar teori.

Pertama akan dilakukan perancangan model antena

terlebih dahulu dengan menggunakan software simulator

Microwave CST hingga didapat konfigurasi yang paling

optimal maka tahap selanjutnya ialah realisasi desain

antena pada handset lalu dilakukan pengukuran 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 tingkatmobilitas 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 tinggi pada

situs-situs tersebut. Maka sebagai pengembangannyadiperkenalkanlah teknologi LTE. Dengan teknologi LTE ini,

data rate secara teoritis dapat meningkat hingga 12 Mbps

untuk downlink dan hingga 5mbps untuk uplink sehingga

dapat memenuhi kebutuhan pengguna untuk mengakses

berbagai situs multimedia tersebut.

Teknologi 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. Untuk meningkatkan

signal reliability, LTE menggunakan sistem antena pintar

yang bernama MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Sistem MIMO merupakan sistem antena yang

menggunakan lebih dari satu antena baik untuk transmitter

maupun receiver. Sistem MIMO ini menawarkan peningkatanyang signifikan dalam data throughput dan jangkauan link

tanpa tambahan bandwidth atau daya transmisi. Hal ini dapat

dicapai dengan efisiensi spektral yang lebih tinggi ( lebih

banyak bit tiap detik tiap hertz bandwidth) dan kehandalan

link atau diversitas ( fading yang lebih rendah) .

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 berbagai handset yang

tersedia di pasaran.

II. TEORI DASAR

Sistem 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 mengakibatkanpengembangan teknologi seluler lebih lanjut dan

diperkenalkanlah 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

A. 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 modulasiOFDMA 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 yangdimiliki 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 yang

dapat 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.

B. Perancangan Antena pada Handset Seluler [3]

Teknologi komunikasi nirkabel telah berkembang dengansangat pesat dewasa ini dan ukuran handset seluler menjadi

semakin kecil saja. Pada awalnya antena pada handset

diperlakukan hanya sebagai bagian tambahan, tapi tren yang

berkembang belakangan ini adalah menjadikannya

terintegrasi dengan bodi handset. Untuk memenuhi kebutuhanminiaturisasi 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 menyesuaikan

antena 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. Harus mengetahui distribusi arus pada ground

agar dapat memposisikan coaxial feed pada antena dengan

baik dan coupling dengan pemasangan lain pada handset.

C. 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. Bentuk antena tersebut

menyerupai F terbalik sehingga dinamakan PIFA.

Gambar 1 Antena PIFA secara umum

PIFA memiliki radiasi backward menuju kepalapengguna yang minimal sehingga mengurangi SpecificAbsorption 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 nirkabel dimana orientasi

antena tidak tetap dan dapat terjadi refleksi dari beberapa

sudut yang berbeda pada lingkungan sekitar. Pada kasustersebut, parameter yang perlu dipertimbangkan adalah total

medan yang merupakan vektor penjumlahan dari polarisasi

vertikal dan horizontal.

D. Multiple Input Multiple Output

Multiple Input Multiple Output (MIMO) merupakansistem 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 antena

tunggal dan begitu juga sistem 4x4 secara teoritis dapat

meningkatkan data rate hingga 4 kali lipat.



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 Realisasi

antena PIFA referensi. Antena tersebut mempunyai

frekuensi resonansi 2.6 GHz sehingga harus diubah beberapavariabelnya 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 PCBdengan bahan FR-4 Epoxy seperti pada Substrat yang

digunakan ialah udara, sedangkan penulis melakukan

perancangan desain di atas substrat FR-4 epoxy dengan

konstanta 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 akan

dilakukan 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 antena

ini 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.

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

Gambar 5 S11 desain akhir antena PIFA tunggal

Antena tersebut memiliki frekuensi resonansi pada 2.308 GHz

dengan S11 sebesar -29 dB dan bandwidth sekitar 70 MHz.

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. Konfigurasi kedua antena

yang menghasilkan karakteristik paling optimal adalah seperti

diperlihatkan pada Gambar 6

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



M4

Gambar 7 S21 dan S12

Gambar 8 Koefisien korelasi

Gambar 9 Diversity gain

IV. ANALISIS IMPLEMENTASI SISTEM

A. Hasil dan Analisis Pengukuran S- Parameter

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 S11

sebesar -18,55 dB. Dari segi bandwidth antena pada simulasimemiliki bandwidth sebesar kurang lebih 100 MHz dari 2296MHz 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 didapatnilai sebesar -17 dB pada frekuensi resonansinya yaitu 2,3175

GHz.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

1.5 2 2.5 3

S 1 1

( d B )

Frekuensi (GHz)

Pengu

kuran

-25

-20

-15

-10

-5

0

1.5 2 2.5 3

S 2 2

( d B )

Frekuensi (GHz)

Pengu

kuran

-80

-60

-40

-20

0

1.5 2 2.5 3

S 2 1

( d B )

Frekuensi (GHz)

Pe…



M5

B. Hasil dan Analisis Pengukuran Pola Radiasi Antena

Gambar 0.10Pola Radiasi theta 90 bidang XY antena kiri dari depan

Gambar 0.11 0.12Pola Radiasi theta 90 bidang XY antena kanan dari depan

Menurut hasil simulasi, pola radiasi kedua antena pada bidang

XY

Gambar 0.13 0.14Pola Radiasi phi 0 bidang XZ antena kanan dari depan

Gambar 0.15 16Pola Radiasi phi 0 bidang XZ antena kiri dari depan

V. KESIMPULAN

Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian tugasakhir 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! Reference

source 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 juga tidak berbeda jauh

dengan hasil simulasi.

4. Pola radiasi hasil simulasi sudah sesuai dengan

karakteristik antena PIFA yaitu mendekati isotropis(memiliki gain yang sama ke segala arah) dan

backward radiation yang sedikit. Hasil pengukuran

menunjukkan pola yang sedikit berbeda dengan hasil

simulasi.

DAFTAR PUSTAKA

-8-6

-4-202

010203040

506070

8090100

110120

130140150160170

180190200210220

230240

250260270280

290300

310320330340350

Pengukura

n

Simulasi

-8

-6

-4

-20

20

102030

405060

708090100

110120

130140

150160170

180190200

210220

230240

250260270280290

300310320

330340350

Pengukuran

Simulasi

-10-505

100

1020304050

60708090100

110120

130140

150160170180

190200210220

230240

250260270280290300

310320330340350

Pengukura

n

Simulasi

-6-4-20246

010 20

3040

5060

70

80

90

100110

120130

140150

160170180

190200210

220230

240250

260

270

280

290300

310320

330340350

Pengukuran

Simulasi



M6

[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 WirelessCommunnication,‖ 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‖

Makalah Anggasta Fix

Documents

Transcript of Makalah Anggasta Fix