1. Generasi berikutnya dari jaringan seluler bertujuan untuk memungkinkan koneksi di mana-
mana di antara ratusan perangkat berbeda, dimana dituntut meningkatkan kemampuan yang
lebih tinggi dari besarnya, seperti antara lain adalah kapasitas, jangkauan, konektivitas, dan
efisiensi. Tantangan baru diberikan pada bagian RF, yaitu pada antena, terdiri dari puluhan
elemen memancar, yang mempunyai kemampuan beamforming merupakan komponen
penting, dikombinasikan dengan mengurangi ukuran dan memiliki keuntungan lebih tinggi.
Dalam karya ini, planar modular array microstrip disajikan, dirancang untuk frekuensi 28GHz
band, dalam konfigurasi 4x4, dengan kemampuan untuk dihubungkan ke a RF front-end yang
memungkinkan beamforming. Antena ini memilik dimensi kecil sehingga menjadi solusi untuk
aplikasi 5G berikutnya jaringan.
I. PENDAHULUAN
Dunia dalam era komunikasi saat ini, hampir setiap hari muncul fitur dan aplikasi baru, yang
mampu menghubungkan orang dan benda. Jumlah data yang dikonsumsi tumbuh lebih banyak
dan banyak lagi, bersama dengan harapan teknologi di masyarakat yang semakin meningkat,
lebih pintar dan dengan layanan yang lebih baik. Diharapkan dalam tahun-tahun mendatang
volume data lalu lintas yang dikonsumsi dan pertumbuhan jumlah perangkat yang terhubung.
Generasi baru seluler komunikasi 5G bertujuan untuk mampu menjadi solusi teknologi maju
saat ini, memberikan peningkatan kapasitas, cakupan,konektivitas, efisiensi energi, dan
mengurangi biaya, kapan dibandingkan dengan 4G saat ini.
2. Jaringan 5G yang digambarkan dalam Gambar. 1, memungkinkan komunikasi di mana saja, baik
statis atau bergerak, dari lokasi yang terpadat ke lokasi yang paling terpencil, dan aplikasinya
dapat dikelompokkan menjadi tiga utama topik dengan persyaratan dan prioritas sendiri:
Internet massif Things (IoT), Mission Critical Service dan broadband selular yang
Disempurnakan.
IoT masif adalah komunikasi berbiaya rendah, biasanya menghubungkan ratusan sensor kecil,
dan memiliki aplikasi khas di bidang pertanian, otomatisasi, rumah pintar atau kota pintar.
Layanan Mission-Critical membutuhkan fitur yang tinggi throughput, latensi rendah, dengan
keandalan dan keamanan tingkat tinggi, dan memiliki aplikasi di kendaraan otonom, drone, dan
lainnya aplikasi kritis. Broadband Seluler yang Disempurnakan mengacu pada tinggi throughput,
jangkauan luas dan layanan internet lebih cepat.
Spektrum yang tersedia untuk 5G, yang sudah dialokasikan oleh Generation Partnership Project
(3GPP), dibagi menjadi beberapa band di bawah 6GHz dan di atas 6GHz (dalam hal ini dalam
gelombang millimeter pada 28GHz dan 39GHz). Karena itu, jaringan 5G seharusnya Sistem RF
front-end memungkinkan fleksibilitas tinggi untuk beradaptasi berbagai skenario, sangat
efisien, dan terintegrasi.
Untuk memenuhi tantangan baru komunikasi 5G (diberbagai skenario aplikasi), dan untuk
memungkinkan penyaringan spasial, beamforming, serta cakupan yang lebih besar,
penggunaan adaptif diperlukan susunan antena, dengan kemampuan mengarahkan bentuk
radiasi (beamforming)yang di inginkan, baik secara digital maupun hybrid dengan menggunakan
pemindah fase. Penggunaan beamforming juga memungkinkan untuk mengatasi masalah
propagasi yang dapat diamati saat beroperasi di Frekuensi mmWave. Array ini terdiri dari
puluhan pancaran elemen, dikontrol secara individual, untuk memungkinkan mengarahkan
sinarnya.
Dalam tulisan ini, antena planar array disajikan, dirancang untuk beroperasi di 5G pada
frequency 28GHz, untuk digunakan sebagai bagian dari sensor dalam jaringan 5G. Antena ini
terdiri dari empat independenelemen yang dapat dikontrol secara individual oleh front-end RF,
memungkinkan untuk mengarahkan pola radiasi yang merupakan fungsi dari beamforming.
Masing-masing dari empat elemen itu sendiri adalah array linier antena microstrip,
memungkinkan untuk keuntungan yang lebih tinggi, berkontribusi untuk komunikasi yang lebih
baik.
Makalah ini dibagi menjadi empat bagian, dimulai dengan pengantar topik dan memasukkan
tujuan dari pekerjaan ini. Bagian II menjelaskan proses desain array yang diusulkan sedangkan
3. hasil simulasi dan pengukuran utama disajikan dan dianalisis dalam Bagian III. Akhirnya, Bagian
IV melaporkan utama kesimpulan diambil dari karya ini.
II STRUKTUR DAN DESAIN ANTENA
Untuk memenuhi kebutuhan jaringan 5G dalam hal fleksibilitas, efisiensi, dan integrasi, antena
mikrostrip adalah sebuah solusi menarik karena menggabungkan semua karakteristik ini,
memungkinkan solusi yang ringkas dan hemat biaya yang mudah dikembangkan dan mudah
diintegrasikan dalam papan sirkuit cetak front-end RF. Antena ini terdiri dari bahan dielektrik
yang ditutup dengan melakukan bahan di kedua sisi, satu terisi penuh, bekerja sebagai bidang
tanah, dan yang lainnya, dengan struktur spesifik yang dirancang bekerja sebagai elemen yang
memancar.
Array antena, untuk menyajikan kemampuan beamforming dan memungkinkan mengarahkan
signalnya, pemeliharaan masing-masing elemen harus hati-hati dengan mempertimbangkan
struktur modular, yang dapat diperpanjang sesuai dengan aplikasi, dalam pekerjaan ini
diasumsikan array linier dari N = 4 elemen yang disusun di sepanjang bidang x, sebagai
ditunjukkan pada Gambar. 2 a). Memperhatikan radiasi karakteristik, terutama tingkat sidelobe
dan kekuatan setengah beamwidth (HPBW), dan dimensi modular struktur, jarak antara elemen
ditetapkan d = 0,75λ.
Gambar 2. Struktur Antenna array : a) Linear array b) Planar array
Untuk mencapai keuntungan yang lebih tinggi, berkontribusi untuk yang lebih baik kinerja
komunikasi, dan semua manfaat yang diusulkan oleh jaringan 5G, masing-masing elemen N
daripada tunggal antena dianggap sebagai gain memancarkan struktur yang lebih tinggi,
subarray dari M = 4 elemen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 b). Nomor ini elemen
4. adalah kompromi antara ukuran keseluruhan dan direktivitas yang disediakan oleh setiap
antena subarray (elemen M). Namun, untuk aplikasi lain M dapat berubah.
Untuk menghubungkan semua elemen subarray M sehingga dimasukkan fase, teknik Series
Feed digunakan karena solusi singkat dan sederhana (dengan kerugian lebih rendah) untuk
pemeliharaan susunan antena dibandingkan dengan alternatif lain. Dalam teknik konfigurasi, ini
tepi berbagai tambalan microstrip dihubungkan oleh bagian garis microstrip panjang
gelombang terarah.
Akhirnya, untuk menghubungkan masing-masing subarrays N secara individual,
mempertimbangkan relatif ukuran fisik konektor terhadap ukuran keseluruhan antena, ekstensi
garis microstrip dibuat, dirancang dengan baik dan dipisahkan, memastikan input listrik semua
subarrays sama. Teknik feed array jaringan berakhir dengan transformator seperempat panjang
gelombang yang cocok impedansi input subarray dengan garis microstrip 50Ω pada input.
Susunan planar patch microstrip N × M telah dirancang dengan benar dalam simulator
elektromagnetik CST MWS untuk frekuensi pusat 28GHz, menggunakan substrat dielektrik
Rogers RO4350b yang karakteristik utamanya adalah: relatif konstanta dielektrik εr = 3.48,
ketebalan h = 0.762mm dan kehilangan tangen tgδ = 0,0037. Struktur susunan antena akhir
adalah disajikan pada Gambar. 3, di mana dimungkinkan untuk mengamati keempat subarrays,
masing-masing dengan empat antena microstrip.
Gambar 3. Designed 4×4 planar antenna array
Parameter desain utama antena yang dikembangkan adalah diringkas dalam Tabel 1
5. Array ini dapat memberikan kontrol pola radiasi di x-plane, menyesuaikan umpan masing-
masing dari empat port input. Ada lebih atau kurang algoritma yang kompleks yang dapat
diterapkan untuk mengarahkan dan membentuk pola radiasi [5], namun ini berhasil akan
dicontohkan dengan penerapan prinsip paling sederhana, array bertahap, dengan menerapkan
penundaan fase progresif antara berbagai port, diberikan oleh:
dimana θi adalah arah di mana radiasi maksimum diagram harus berorientasi, d adalah jarak
antar elemen, dan β konstanta fase.
III. HASIL
Array yang dirancang dibuat dan gambarnya adalah ditunjukkan pada Gambar. 4. Dimensi
global adalah 78,5 × 42 mm2.
Antena diukur dan hasilnya dibandingkan dengan mereka diperoleh dengan simulasi.
6. Gambar. 5 menyajikan perbandingan antara simulasi dan diukur S11 dari susunan antena.
Karena arraynya adalah simetris, pada gambar hanya ditunjukkan hasil untuk port # 1 dan # 2 (#
1 & # 4 dan # 2 & # 4 masing-masing sama). Kedua kurva yang disimulasikan dan diukur
menyajikan hasil yang dapat diterima dengan lebih dari 1.5GHz bandwidth (dengan asumsi
kriteria S11 <-10dB) meskipun ada perubahan kecil dalam port S11 yang diukur# 2.
Gambar. 6 menunjukkan pola radiasi yang disimulasikan dalam bidang y dari masing-masing
dari empat subarrays. Adalah mungkin untuk mengamati bahwa ada perbedaan kecil antara
kurva, keduanya menyajikan sangat bentuk direktif dengan keuntungan masing-masing 11.5dBi
dan 12.9dBi.
7. Pola radiasi susunan antena yang dirancang adalah disimulasikan dengan konsep beamforming,
menggunakan berbagai set fase diterapkan ke 4 port-nya, diperkirakan dengan hati-hati
menggunakan (1) untuk mengarahkan berkas ke titik yang berbeda. Nilai yang dihitung adalah
diringkas dalam Tabel 2, dan radiasi yang disimulasikan masing-masingpola ada pada Gambar.
7.
Menurut Gambar. 7 adalah mungkin untuk mengamati bahwa radiasi pola dapat diarahkan
pada bidang x dengan menerapkan progresif fase dalam umpan masing-masing dari 4 sub-
sisinya. Untuk boresight arah (θ = 0º) gain maksimum adalah 18dBi, yang secara alami
berkurang sedikit karena diarahkan ke posisi sudut yang berbeda.
IV. KESIMPULAN
Susunan antena mikrostrip planar 4 × 4 telah dikembangkan untuk beroperasi di jaringan 5G
pada 28GHz. Antena ini memiliki bandwidth yang cukup besar di atas 1.5GHz dan dapatkan
sekitar 18dBi, dan disajikan sebagai solusi untuk skenario aplikasi beamforming. Apalagi
memiliki dimensi kecil dan struktur modular itu dapat dengan mudah diskalakan untuk
sejumlah besar port dan elemen.
8. PENGAKUAN
Pekerjaan ini didukung oleh Regional Eropa Dana Pengembangan (FEDER), melalui Daya Saing
dan Program OperasionalisasiInternasionalisasi(COMPETE 2020) kerangka kerja Portugal 2020,
Proyek, RETIOT, POCI-01-0145-FEDER-016432;
REFERENCES
[1] Qualcomm, "Making 5G NR a reality", December 2016 [available:
https://www.qualcomm.com/documents/whitepaper-making-5g-nrreality]
[2] G. A. Akpakwu, B. J. Silva, G. P. Hancke and A. M. Abu-Mahfouz, "A Survey on 5G Networks
for the Internet of Things: Communication Technologies and Challenges," in IEEE Access, vol. 6,
pp. 3619-3647, 2018.
[3] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, no. 3. 2005.
[4] T. Metzler, "Microstrip series arrays," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,
vol. 29, no. 1, pp. 174-178, Jan 1981.
[5] T.Varum, J.N.Matos, P.Pinho, "Detect and pointing algorithm's performance for a planar
smart antenna array: a review", Applied Computational Electromagnetics Society Journal,
Vol.30, No.8, pp.824-837, August 2015
