COMPLETE
Journal of Computer.
Electronic, and Telecommunication ISSN 2723-4371.
E-ISSN 2723-5912 Artikel Rancang Bangun Buttler Matrix 4X4 Untuk Beamforming Antena Array Pada Aplikasi 5G Alfiqril Khaikal 1.
Fannush Shofi Akbar.
Nilla Rachmaningrum 3 1-3 Program Studi Teknik Telekomunikasi.
Telkom University Surabaya.
Surabaya.
Indonesia Korespondensi : fannushakbar@telkomuniversity.
Received: 10 Februari 2024.
Revised: 15 Maret 2024.
Accepted: 15 Maret 2024 Abstrak: Penelitian ini membahas perancangan Buttler Matrix 4x4 untuk beamforming antena array pada aplikasi 5G.
Antena array digunakan untuk menciptakan variasi arah pancaran radiasi utama dengan mengatur fasa suplai arus secara berbeda untuk setiap elemen.
Buttler Matrix adalah rangkaian microwave dengan N input dan N output yang digunakan dalam beamforming.
Hasil pengukuran menunjukkan reflection coefficient dan transmission coefficient yang sesuai dengan target frekuensi 2.
35 GHz.
Antena array menggunakan antena mikrostrip rectangular Hasil dari penyusunan Buttler matrix dan antena array menunjukkan perubahan frekuensi kerja setelah fabrikasi, dengan beberapa perbedaan antara hasil simulasi dan pengukuran.
Meskipun demikian, hasil pengukuran hampir memenuhi atau sudah memenuhi spesifikasi yang ditentukan.
Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kinerja dan efisiensi antena untuk aplikasi 5G, dengan fokus pada peningkatan cakupan, kapasitas, beamforming, dan struktur array.
Kata Kunci : Buttler Matrix.
Beamforming.
Antena Array.
Reflection Coefficient.
Transmission Coefficient.
Pendahuluan Dunia media dan komunikasi mengambil langkah maju baru dengan rencana koneksi jaringan fifth generation .
G).
Jaringan 5G merupakan pengembangan lebih lanjut dari jaringan nternet 4G LTE (Long Term Evolutio.
berkecepatan tinggi yang saat ni banyak digunakan di ponsel pintar.
Di masa depan, jaringan 5G akan menawarkan nternet nirkabel yang lebih cepat untuk berbagai tujuan .
, .
Antena 5G memerlukan setidaknya dua antena di setiap pita frekuensi, yang berarti antena tersebut mendukung multiple input-multiple output (MIMO) dan beamforming.
Antena array adalah susunan beberapa antena dentik.
Tujuan dari pembuatan antena array antara lain meningkatkan gain antena, meningkatkan arah antena, mengarahkan daya pancaran ke daerah sudut yang diinginkan, menentukan arah sinyal masuk, dan memaksimalkan SINR (Signal-to-Interference Noise Rati.
, .
Beamforming adalah pembuatan pola radiasi antena yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan Beamforming memiliki fungsi untuk memfokuskan sinyal .
Pada beamforming analog terdapat Buttler Matrix yang kedepannya akan di gunakan pada tugas akhir ni.
Buttler matrix adalah suatu jenis matriks yang digunakan dalam sistem antena array untuk membagi sinyal Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
ittelkom-sby.
Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
2 of 12 masukan ke setiap elemen antena dan mengkombinasikan sinyal keluaran dari setiap elemen antena menjadi sinyal keluaran tunggal .
Matrix Buttler mempunyai N input dan N output, dan dapat digunakan untuk membagi daya input ke setiap elemen antenna yang terhubung ke dalamnya dengan cara yang terukur .
, .
Pada penelitian terdahulu yang berjudul dengan judul A Compact Design of 4X4 Buttler Matrix with Four Liniear Array Antenna at 38 GHz membahas mengenai pembuatan buttler matrix 4X4 yang terhubung dangan antena array yang bekerja pada frekuensi 38 GHz.
Pada pembuatan design nya buttler matrix dan antena array digabung menjadi 1 komponen dan bekerja pada frekuensi 38 GHz.
Maka dari itu pada penelitian ini akan dirancang Buttler Matrix 4x4 yang memiliki 4 input dan 4 output pada frekuensi 2.
35 GHz dan akan digunakan pada antenna array.
Pada proses perancangan Buttler Matrix 4x4 komponen buttler matrix akan dibuat terpisah dengan antena array untuk mengetahui apakah ketika kedua komponen tersebut dipisah akan mempengaruhi hasil polaradiasinya atau tidak serta frekuensi yang dighunakan berada pada 2.
35 GHz untuk aplikasi 5G.
Pemilihan mengunakan Buttler Matrix 4x4 tergantung pada persyaratan aplikasi tertentu.
Contohnya pada penelitian ni membuat Buttler Matrix yang dimana setiap port output yang berjumlah 4 akan di sambungkan ke antenna array.
Pembuatan desain antena menggunakan aplikasi CST Studio suite 2019.
Pada perancangan, antena yang dibuat memiliki target frekuensi 2.
35 GHz dengan reflection coefficient > 10 dB sebagai input untuk P1.
P2.
P3.
P4 dan transmission coefficient > 6dB sebagai output untuk P5.
P6.
P7.
P8 serta beda fase setiap port output yaitu 45o.
Setelah dilakukan perancangan akan ada fabrikasi dengan menggunakan bahan FR 4 sebagai media pencetakan desain Buttler Matrix 4x4.
Kemudian akan dilakukan pengujian prototipe untuk memastikan kinerja dan kekurangan dari antenna array yang telah di buat dengan cara melihat nilai dari Reflection Coefficient.
Transmission coefficient.
Bandwdith, dan polaradiasi dengan menggunakan alat Virtual Network Analyzer (VNA).
Perancangan Bu#ler matrix Buttler Matrix terdiri dari beberapa komponen utama yaitu Brach-line Coupler.
Crossover.
Phase Shifter.
Ketiga komponen ni dapat digunakan pada jalur mikrostrip karena mudah pembuatannya dan murah.
Sistem ni dapat menghasilkan sinar sempit dalam arah berbeda dengan penguatan lebih tinggi karena diproduksi pada platform yang sama.
Perancangan Branch-line Coupler Branch-line Coupler sering disebut coupler 3 dB atau hybrid 90o.
Komponen ni dimaksudkan untuk membagi daya input menjadi dua daya output pada port output secara merata.
Secara teoritis, coupler harus mentransmisikan setengah daya (-3 dB) ke kedua port output dan menghasilkan perbedaan fase 90o.
Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
(A)
3 of 12
(B)
Gambar 1.
Branch-line Coupler (A) Struktur, (B) Parameter impedansi Dapat dilihat pada gambar 1 (A) struktur dari branch-line coupler terdapat daya input pada port 1, daya output pada port 2 dan port 3, dan solasi pada port 4.
Cabang horizontal dan vertikal diwakili oleh impedansi dan, masing-masing kedua cabang memiliki electrical lengths.
Pada gambar (B) ditunjukkan parameter pengukuran impedansi pada Branch-line Coupler yang berupa Z01 dan Z02.
Formulasi matematis untuk mendapatkan impedansi kedua garis cabang ditunjukkan dalam rumus berikut .
ycs!" = ycs# y $ 1 = ycs! ' .
ycs!$ = ycs! y ' = ycs! Oo1 Berikut merupakan hasil simulasi dari branch-line coupler yang telah dibuat dan telah dilakukan optimasi yang bekerja pada frekuensi 2.
35 GHz.
(A)
(B)
Gambar 2.
Hasil SImulasi Branch-line Coupler (A) Magnitude, (B) Phase Gambar 3.
Struktur Crossover Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
4 of 12 Pada gambar 4 (A) setelah dilakukan optimasi didapatkan hasil transmission coefficient S2.
1 : -3.
dB dan S3.
1 : -3.
77 dB pada frekuensi 2.
35 GHz.
Hasil tersebut sudah sesuai dengan hasil yang diinginkan yang dimana hasil output dari S2.
1 dan S3.
1 hasilnya harus sama.
Serta didapatkan juga reflection coefficient sebesar S1.
1 : -20.
45 dB dan solation sebesar S4.
1 : -27.
26 dB pada frekuensi 2.
GHz.
Pada gambar 4 (B) dapat dilihat perbedaan fasa antara parameter S2.
1 : 89.
020 dan S3.
1 : -1.
hasil dari perbedaan fasa antara port 2.
1 dan port 3.
1 yaitu 90.
10 sangat mendekati 900 yang dimana secara teori hasil tersebut sangat bagus dan sesuai dengan target Crossover Komponen utama kedua yang telah dibuat adalah crossover.
Komponen ni umumnya dibuat dengan menggabungkan dua coupler 3 dB.
Crossover adalah komponen yang terdiri dari empat port simetris dengan dua port input dan dua port output.
Untuk mencapai antarmuka yang dirancang sempurna, semua port yang berdekatan dengan konektor harus dipisahkan secara sempurna satu sama lain.
Berikut merupkan hasil dari simulasi crossover (A) (B) Gambar 4.
Hasil Simulasi Crossover (A) Magnitude, (B) Phase Gambar 5.
Struktur BuCler Matrix 4X4 Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
Gambar 4 5 of 12 merupakan hasil desain pada aplikasi CST yang sudah dirancang baik setelah dilakukan optimasi.
Hasil dari S-Parameter magnitude setelah dioptimasi didapatkan hasil S3.
1 : -1.
dB pada frekuensi 2.
35 GHz.
Hasil dari S-Parameter crossover setelah dioptimasi masih < 0 dB.
Akan tetapi hasil S3.
1 tersebut sudah sangat mendekati 0 dB.
Bu#ler Matrix 4X4 Butler Matrix dirancang setelah tiga komponen utama: branch-line coupler, crossover, dan Phase Shifter.
Matriks Butler 4x4 dalam penelitian ni terdiri dari empat branch-line coupler, dua crossover, dan ada beberapa Phase Shifter.
Gambar 5 menunjukkan struktur Buttler Matrix 4x4.
Perancangan Antena Array Mikrostrip Bentuk patch yang banyak digunakan dalam pembuatan antenna mikrostrip adalah persegi panjang .
ectangular patc.
Antena patch persegi panjang adalah susunan beberapa antena mikrostrip persegi panjang yang beroperasi bersama-sama.
Antena ni biasa digunakan dalam berbagai aplikasi seperti radar kapal, komunikasi satelit, dan teknologi komunikasi nirkabel 5G.
Patch persegi panjang adalah bagian dari antena mikrostrip dan bertindak sebagai pemancar gelombang elektromagnetik.
Antena patch mikrostrip persegi panjang terdiri dari lebar (W) dan panjang (L) pada permukaan dielektrik substrat dengan ketebalan .
dan konstanta dielektrik (A.
Pada penelitian ni mengunakan antena mikrostrip rectangular patch sebagai antenna array atau antena output dari buttler matrix yang telah dibuat.
Dimensi antenna microstrip patch persegi dengan pencatuan insert feeding dapat dilihat pada Setelah didapatkan ukuran dimensi dari rectangular patch selanjutnya patch tersebut di susun menjadi antenna array seperti pada gambar 7.
Tabel 1.
Ukuran Dimensi Rectangular Patch Parameter Gambar 6.
Struktur Rectangular Patch Gambar 7.
Struktur Antenna Array Nilai 2 mm 2 mm 1 mm 5 mm 2 mm 10 mm Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
6 of 12 Hasil dan Analisa Pada desain Buttler Matrix 4X4 yang bekerja pada frekuensi 2.
35 GHz yang telah dibuat memiliki dimensi 16 mm X 17 mm X 1.
6 mm serta desain antenna array yang telah dibuat memiliki dimensi 16 mm X 5 mm X 1.
6 mm.
Berikut merupakan hasil dari simulasi serta pengukuran Buttler Matrix 4X4 dan antenna array yang telah dibuat.
Bu#ler Matrix 4X4 Buttler Matrix yang sempurna dan deal untuk di fabrikasi terdiri dari gabungan antara Branchline Coupler, crossover, dan Phase Shifter.
Phase Shifter memiliki ukuran panjang (L) dan lebar (W) yang berbeda-beda.
Phase shifter juga berperan dalam mengoptimalkan kinerja antena array.
Dapat dilihat pada gambar 8 hasil dari fabrikasi buttler matrix 4X4 yang dimana P1.
P2.
P3, dan P4 sebagai input dan P5.
P6.
P7, dan P8 sebagai output.
Berikut merupakan nilai reflection coefficient dari pengukuran battler matrix yang telah difabrikasi.
Gambar 8.
BuCler Matrix 4X4 yang Telah Difabrikasi Tabel 2.
Nilai Hasil Pengukuran Buttler Matrix Port Gambar 9.
GraAk hasil Pengukuran ReCection CoeEcient BuCler Matrix 4X4 S-Parameter 23 dB 53 dB 63 dB 17 dB 76 dB 97 dB 05 dB 36 dB Bandwidth 600 MHz 760 MHz 790 MHz 560 MHz 400 MHz 411 MHz 432 MHz 456 MHz Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
7 of 12 Tabel 3.
Nilai Transmission Coefficient Buttler Matrix 4X4 Port Gambar 10.
GraAk Hasil Pengukuran Transmission CoeEcient BuCler Matrix 4X4 Transmissio Coefficient 889119 dB 115906 dB 936133 dB 861545 dB 288182 dB 65578 dB 169137 dB 559458 dB 721014 dB 162804 dB 5356 dB 675084 dB 585118 dB 762975 dB 979973 dB 986133 dB Bisa dilihat pada tabel 2 hasil yang didapatkan berbeda-beda terdapat jarak yag cukup jauh.
Dari hasil pengukuran nilai reflection coefficient yang paling rendah terdaapat pada port 8 yaitu 10.
36 dB dan nilai reflection coefficient yang paling tinggi yaitu di port 3 yaitu 24.
63 dB.
Pada hasil bandwdith yang didapatkan hasil juga berbeda-beda.
Bandwdith terendah teradpat pada port 5 yaitu 400 MHz dan yang paling tinngi ada di port 3 yaiut 790 MHz.
Berikut merupakan nilai hasil dari simulasi pengukuran transmission coefficient pada Buttler Matrix 4X4 Dapat dilihat Tabel 3 yang merupakan hasil dari pengukuran transmission coefficient Buttler matrix 4X4.
Dari hasil pengukuran tersebut hasilnya cukup stabil walaupun hasil dari pengukuran yang didapatkan tidak sesuai dengan target yang diinginkan yaitu > 6 dB serta error yang didapatkan juga cukup tinggi, ada beberapa yang error nya berada di atas 50% dan efisiensi nilai transmission coefficient hasil dari pengukuran setelah fabrikasi yaitu rata-rata berada di 50% pada setiap port put.
Pada tabel 4 merupakan hasil pengukuran Phase output pada setiap port nput yang telah di normalisasi pada port output 5 pada buttler marix.
Dari hasil di atas dapat dilihat banyak terjadi error dari hasil yang didapatkan.
Hasil perbedaan fasa didapat dari hasil simulasi menggunakan CST dan hasil dari pengukuran menggunakan VNA.
Error dari perbedaan fasa hasil pengukuran berbeda beda, ada yang error nya tinggi dan ada juga yang error-nya rendah.
Dapat dilihat juga hasil polaradiasi pada bagian main lobe direction yang juga terdapat error setelah dilakukan pengukuran pada Buttler Matrix.
Tabel 4.
Hasil Pengukuran Phase Output BuCler Matrix 4X4 Port Keterangan Target Hasil Target Hasil Target Hasil Target Hasil Perbedaan Fasa Main Lobe Direction Main Lobe Direction (Erro.
Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
8 of 12 Antena Array Gambar 11.
Antena Array Setelah Fabrikasi Pada tabel 5 merupakan hasil pengukuran S-Parameter menggunakan VNA.
Hasil pengukuran yang dilakukan terjadi pergeseran frekuensi saat fabrikasi sehingga menyebabkan nilai atau titik terendah dari S-Parameter tidak tepat berada di frekuensi 2.
35 GHz.
Sehingga hasil dari pengukuran S-Parameter tidak sesuai dengan hasil simulasi yang telah dilakukan.
Integrasi Bu#ler Matrix dan Antena array Berikut merupakan hasil dari pengukuran Buttler Matrix yang sudah dihubungkan dengan antenna array menggunakan kabel konektor dan di ukur untuk mecari polaradiasi dari antenna output setelah terhubung dengan Buttler Matrix .
Untuk gambar dari penggabungan antara Buttler Matrix dengan antenna array dapat dilihat pada gambar 12.
Tabel 5.
Nilai Hasil Simulasi dan Sesudah Fabrikasi Antena Array Port S-Parameter Simulasi Pengukuran 36 dB 42 dB 85 dB 18 dB 87 dB 53 dB 49 dB 56 dB Bandwdith Simulasi Pengukuran 88 MHz 53 MHz 75 MHz 72 MHz 75 MHz 69 MHz 86 MHz 69 MHz Gambar 12.
BuSler Matrix 4X4 dan Antena Array Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
9 of 12 Tabel 6.
Nilai Hasil Pengukuran Buttler Matrix 4X4 dan Antena Array Port S-Parameter 54 dB 02 dB 89 dB 88 dB Bandwidth 579 MHz 561 MHz 451 MHz 545 MHz Gambar 13.
GraAk Hasil Pengukuran BuCler Matrix 4X4 dan Antena Array Pada tabel 6 terdapat nilai reflection coefficient dan bandwdith dari Buttler Matrix yang telah digabung dengan antenna array.
Hasil yang didapatkan yaitu bervariatif, nilai terendah terdapat pada port nput 2 yaitu 13.
03 dB dan nilai tertinggi terdapat pada port nput 1 yaitu 22.
54 dB.
Bandwdith yang didapatkan juga bervariatif yang terendah pada port nput 3 yaitu 451 MHz dan yang tertinggi di port nut 1 yaitu 579 MHz.
Setalah dilakukan pengukuran menggunakan VNA untuk mencari nilai dari reflection coefficient dan bandwdith selanjutnya dilakukan pengukuran untuk mancari hasil polaradiasi dari Buttler Matrix yang telah digabungkan dengan antenna array.
Pengukuran dapat dilihat pada Pada gambar 14 merupakan hasil polaradiasi dari buttler matrix dan antena array.
Dari hasil simulasi pada aplikasi CST Studio polaradiasi yang dapatkan yaitu pada port 1 hasil -210, pada port 2 hasilnya yaitu 590, pada port 3 hasilnya -370, dan pada port 4 hasilnya -190.
sedangkan dari hasil perngukuran polaradiasi Buttler Matrix with antenna array didapatkan hasilnnya yaitu port 1 polaradiasinya yaitu -190 dan dengan gain sebesar -29.
2 dBi, pada port 2 polaradiasinya yaitu 350 dan dengan gain sebesar -31.
9 dBi, pada port 3 polaradiasinya yaitu -330 dan dengan gain sebesar -28.
dBi, dan padaport 4 polaradiasinya yaitu 200 dan dengan gain sebesar -30.
5 dBi.
Perbedaan hasil dari simulasi dan hasil pengukuran terjadi dikarenakan adanya pergeseran frekuensi yang terjadi pada saat fabrikasi akibat adanya penambahan atau pengurangan dimensi secara tidak sengaja sehingga terjadinya pergesaran frekuensi.
(A)
(B)
Gambar 14.
Hasil Polaradiasi BuCler Matrix 4X4 dan Antena Array (A) Simulasi, (B) Pengukuran Complete 2024, 8.
Vol.
No.
1, doi: 10.
52435/complete.
10 of 12 Kesimpulan Dari hasil penyusunan Buttler matrix, diperoleh kesimpulan bahwa setiap patch menghasilkan parameter yang berbeda karena dimensi yang berbeda pula.
Buttler matrix 4X4 dengan dimensi 16,4 cm x 17 cm memiliki 4 port input dan 4 port output, sedangkan desain antenna array memiliki dimensi 16 cm x 5 cm dengan 4 port input.
Kedua desain tersebut menggunakan bahan dasar FR-4 untuk substrate dan copper untuk patch dan ground.
Keduanya digabungkan menggunakan 4 kabel coaxial, di mana port 5 pada Buttler matrix disambungkan dengan port 1 antena array, port 6 Buttler matrix dengan port 2 antena array, port 7 Buttler matrix dengan port 3 antena array, dan port 8 Buttler matrix dengan port 4 antena array.
Adanya perubahan frekuensi kerja pada Buttler matrix dan antenna array terjadi setelah fabrikasi karena penambahan atau pengurangan dimensi serta perubahan nilai Ar pada saat fabrikasi antena.
Pergeseran frekuensi ini berdampak pada perubahan parameter seperti S-Parameter, reflection coefficient, bandwidth, transmission coefficient, phase output, dan polarisasi dari Buttler matrix dan antenna array yang telah difabrikasi.
Hasil pengukuran Buttler matrix dan antenna array setelah fabrikasi menunjukkan beberapa perbedaan dengan hasil simulasi, dengan reflection coefficient pada frekuensi 35 GHz menunjukkan nilai S1.
1: 22.
45 dB.
S2.
2: 13.
12 dB.
S3.
3: 14.
78 dB, dan S4.
4: 21.
78 dB.
Serta efisiensi hasil transmission coefficient pada port 1 : 50%, port 2 : 50%, port 3 : 51%, port 4 : 55%, dan hasil Polaradiasi pada Port 1: -190.
Port 2: 350.
Port 3: -330.
Port 4: 200.
Hasil dari pengukuran Buttler matrix
dan antenna array setelah fabrikasi hampir memenuhi atau sudah memenuhi spesifikasi yang telah Referensi