Upload
mohammad-anggasta
View
203
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
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
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]
5/13/2018 Makalah Anggasta Fix - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-anggasta-fix-55a74f6d27a5c 2/6
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)
5/13/2018 Makalah Anggasta Fix - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-anggasta-fix-55a74f6d27a5c 3/6
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
5/13/2018 Makalah Anggasta Fix - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-anggasta-fix-55a74f6d27a5c 4/6
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
5/13/2018 Makalah Anggasta Fix - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-anggasta-fix-55a74f6d27a5c 5/6
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
5/13/2018 Makalah Anggasta Fix - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-anggasta-fix-55a74f6d27a5c 6/6
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