JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 1-5

Peningkatan Gain Antena Mikrostrip Lingkaran

Menggunakan Parasitik Radiator

Toto Supriyanto 1*

dan Teguh Firmansyah2

1. Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok 16425, Indonesia

2. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Banten 42435, Indonesia

*E-mail: totosupr@yahoo.com

Abstrak

Pada penelitian ini akan dikaji 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 dBi atau saat VSWR < 1,5 dBi. Nilai gain, return loss, dan karakteristik radiasi antena

ini akan dibandingkan dengan antena mikrostrip lingkaran konvensional. Total peningkatan gain yang diperoleh sebesar 2 dBi, 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.

Abstract

Gain Enhancement Microstrip Antenna Using Parasitic Radiator. 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 dBi 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 dBi is achieved by front-end parasitic element. The spacing between the driven patch and front-parasitic 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.

Keywords: back lobe, gain enhancement, LTE, main lobe, parasitic substrate

1. Pendahuluan

Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan,

diantaranya 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 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].

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

1

2 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 1-5

(DGS), seperti yang diusulkan Deng yaitu dengan

menghilangkan sebagian bidang ground [5].

Metode yang lain diantaranya yaitu penggunaan

parasitik radiator, seperti yang diusulkan [6-9]. Pada

penelitian Capstick [6] perancangan menggunakan

dielektrik resonator antena untuk dapat menghasilkan

antena yang memiliki gain yang tinggi. Namun antena

ini masih memiliki dimensi yang besar.

Sementara itu, Hong & Lancaster [7] mengusulkan

untuk penggunaan 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 Bhargava

et al. [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 Pozar

[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 (Gambar 1a, Gambar 1b).

Geometri antena yang dipergunakan berbentuk

lingkaran dengan front parasitik radiatornya berbentuk

lingkaran pula, sehingga gain yang dihasilkan lebih

besar. Pada penelitian ini juga diusulkan perancangan

menggunakan end parasitik yang berfungsi menurunkan

back-lobe yang berakibat pada peningkatan gain antena.

Selanjutnya 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.

2. Metode Penelitian Salah satu keunggulan dari antena berbentuk lingkaran

diantarannya adalah desain yang sederhana. Persamaan

patch jari-jari antena lingkaran mengikuti Pers. (1) yang

diberikan oleh [10].

dengan nilai F memenuhi persamaan

Pada persamaan (1) nilai h harus dalam satuan cm,

sementara pada Pers. (2) nilai f harus dalam satuan Hz.

Desain antena tersebut memiliki fundamental frekuensi

yang bekerja pada dominan mode TM110. Nilai

resonannya diberikan oleh Pers. (3)

dengan nilai c merupakan kecepatan cahaya sebesar

3.108 m/s. Desain 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 (Tabel 1).

Tabel 1. Dimensi dan Karakteristik Substrat Antena

Spesifikasi Ukuran Keterangan

W 60 mm Lebar

L 70 mm Panjang

r 26 mm Jari-jari

Gambar 1a. Struktur Antena terlihat dari Atas (proposed);

1b. Struktur Antena terlihat dari Bawah (proposed);

�r1 (Taconic)

h1

tan �1

�r2 (Taconic)

h2

tan �2

�r3 (Taconic)

h3

�r1= 2,2

h1 = 1,52 mm

tan �1 = 0,0009

�r2= 2,2

h2 = 1,52 mm

tan �2 = 0,0009

�r3= 2,2

h3 = 1,52 mm

Front-

parasitik

Patch

Utama

End-

parasitik 1c. Struktur Antena Lingkaran Konvensional tan �3 tan �3 = 0,0009

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 1-5 3

Luasan yang lebih ini diharapkan mendapatkan gain

yang lebih besar. Sementara itu, proses karakterisasi

dilakukan dengan mengubah nilai H1 dan H2

3. Hasil dan Pembahasan

Seperti yang dijelaskan pada pendahuluan, pada

penelitian ini akan dikaji 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.

Gambar 2 menunjukkan nilai return loss (S11) untuk

antena lingkaran konvensional (Gambar 1c). Nilai bandwidth antena saat S11 < -14 hanya mencapai 29,6

MHz. Sementara itu, Gambar 3 menunjukkan hasil far-

field antena lingkaran konvensional.

Hasil far-field ini menunjukkan 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 2. Nilai S11 dan Bandwith Antena

Lingkaran Konvensional

Gambar 3. Nilai Far-Field Antena Lingkaran

Konvensional

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. 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 4. Nilai Gain Antena Lingkaran dengan Front-

Parasitik terhadap Perubahan H1

Gambar 5. Nilai Gain Antena Lingkaran dengan End-

Parasitik terhadap Perubahan H2

Gambar 6. Nilai Back-Lobe Antena Lingkaran dengan

End-Parasitik terhadap Perubahan H2

4 JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 1-5

Gambar 6 memperlihatkan 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. Nilai back-lobe antena end-parasitik

terhadap perubahan H2. Nilai back-lobe ini mengalami

penurunan sebesar 11,72 dB, dari -12,18 dBi menjadi

-24 dBi saat H2 bernilai 5 mm. Hal ini

membuktikan, dengan menambahkan end-parasitik dapat meningkatkan gain sekaligus menurunkan nilai back-lobe antena.

Perancangan selajutnya yaitu dengan menambahkan

front-end parasitik yang merupakan usulan dari

penelitian ini. Hasil simulasi gain terhadap perubahan

H1 dan H2 (Gambar 7).

Nilai gain yang paling besar diperoleh saat H1 bernilai

14 dan H2 bernilai 4 mm dengan gain sebesar 8,2 dBi.

Gambar 9. Nilai Far-Field Antena Lingkaran dengan

Penambahan Front-End Parasitik

Tabel 2. Perbandingan Kinerja

Hal ini membuktikan dengan penambahan front-end

parasitik dapat meningkatkan gain sebesar 2 dB dari 6,2

dBi menjadi 8,2 dBi.

Kinerja

Antena

lingkaran

konvensional

Antena lingkaran

dengan penambahan

front-end parasitik

Frekuensi 2,35 GHz 2,35 GHz Sementara itu, Gambar 8 memperlihatkan hasil simulasi

return loss (S11) pada antena dengan penambahan front-

end parasitik.

Bandwidth

(S11 < -10 dB)

Bandwidth

(S11 < -14dB)

50 MHz 102 MHz

29,6 MHz 54,7 MHz

Gambar 7. Nilai Gain Antena Front-End Parasitik

terhadap Perubahan H1 dan H2

Gambar 8. Nilai S11 dan Bandwith Antena

Lingkaran dengan Penambahan Front-End

Parasitik

Gain 6,2 dBi 8,2 dBi

HPBW 3dB 88,8° 63,6°

Dimensi 60 x 70 x 1,52 60 x 70 x 22,56 Gambar 8, nilai bandwidth antena saat S11 < -14 hanya

mencapai 54,7 MHz. Sementara itu, pada Gambar 9 menunjukkan hasil far-field antena lingkaran penambahan front-end parasitik.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa antena dengan

penambahan front-end parasitik dapat meningkatkan

gain sampai 2 dB. Tabel 2. menunjukkan perbandingan

kinerja antena lingkaran konvensional dengan antena

lingkaran dengan penambahan front-end parasitik.

Hasil perbandingan memperlihatkan bahwa antena

lingkaran dengan penambahan front-end parasitik dapat

menghasilkan gain yang lebih tinggi dan memberikan

nilai bandwidth yang lebih besar.

4. Simpulan 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

JURNAL ILMIAH ELITE ELEKTRO, VOL. 3, NO. 1, MARET 2012: 1-5 5

penambahan front-end parasitik dapat meningkatkan

gain sebesar 2 dB dari 6,2 dBi menjadi 8,2 dBi.

Daftar Acuan

[1] Y. Toutain, C. Person, J.Ph. Coupez, Proc. Int.

MIKON’02 Conf., Gdansk, Poland, 2002, p.187.

[2] H. Cabral, IEEE MTT-S International Microwave

and Optoelectronics Conference, 2009, p.215.

[3] R.Y. Yang, Progress In Electromagnetics Research,

107 (2010) 101.

[4] A.F. Sheta, J.P. Coupez, G. Tanne, S. Toutain, J.P.

Blot, IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 2006,

p.607.

[5] P.-H. Deng, C.-H. Wang, C.H. Chen, Asia-Pacific

Microwave Conference” Yokohama, 2006, p.1228.

[6] M.H. Capstick, Electron. Lett., 35/22 (1999) 1958.

[7] J.S Hong, M.J. Lancaster, Microstrip Filters for

RF/Microwave Applications, John Wiley & Sons,

Inc., New York, 2001, p.471.

[8] A. Bhargava et al., Advanced Design System

Circuit Design Cookbook 1.0, Agilent

Technologies, Preliminary version, California, 2008.

[9] D.M. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless

System, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York,

2000, p.384.

[10] C.A. Balanis. Antenna Theory: Analysis and

Design, John Willey and Sons, USA, 1982, p.790.