TELKOM NIKA , Vol.14, No .4, Dece mbe r  2016, pp. 13 51~135 5   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i4.4164    1351      Re cei v ed  Jun e  6, 2016; Re vised Septem ber  16, 20 16;  Accept ed Se ptem ber 30, 2016   Optically Switched Frequency for Reconfigurable  Dipole Antenna Using Photodiode Switches      Erna Risfaul a  Kusuma w a ti 1 , Yono Hadi Pramono 2 , Agus Rubiy a nto Ph y s ics De part m ent, F a cult y   of  Mathematic s and Natur a Scienc e,   Sepu luh N o p e m ber Institute of  T e c hnol og y,  Suraba ya (IT S ), Indonesi a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : risfaula@ gm ail.com 1 , y o no h adi pramo no@ gmail.c o .id 2 agus.ru b i@ ya h oo.co.id 3       A b st r a ct   T he des ig n, fabricati on,   a nd me asur e m ent of  reconfi gur ab le  a n ten na  usi ng p hoto d io de  sw itches   have b e e n  inv e stigate d . T he anten na h ad di me nsi on  10 4 mm x 41 mm x  1.6 mm and F R 4 substrate w i th   relativ e  p e r m ittivity 4.8. It stru cture w a s Co pl anar  Stripl ine  ( C PS) di po le. T w o photo d i ode s ha d ass e mbl e d   on g a p  in  both  dip o l e  ar ms,  w h ich w a s acti vated  by  6 50  nm red  las e r.  T here w a s sh ifting fre que ncy  an d   return loss at und er  i llu min a ted by  l a ser.  T he exper i m e n tally  an d th eor etically  res u lt f o r the  pro pos ed   reconfi gura b l e  anten na ar e ha ving a g o o d  ag ree m e n t w i th large frequ ency  shifting. T he fa bricate d  ante n n a   w a s easi l y fa br icated, s i mpl e   structure, an possi ble  to  r eal i z e  i n   many  ap plicati o n  of W i - f i co mmu n icati o n   w h ich usin g op tical sw itching.     Ke y w ords : CP S, dipol e, frequ ency shiftin g , o p tica l sw itchin g ,  photodi od e, reconfi gura b l e   anten na      Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Antenna i s   a  ba sic  co mp onent in  co mmuni cation  system. It i s  very im po rtant and  need ed  i n  co mmuni cation  system, sp eci f ically  wi rele ss comm uni ca tion  sy stem whi c h ha b e en  runni ng rema rka b ly and dy namic. It ca u s e s  the in cre a se d e ma nd  of antenna s.  Comm uni cati on   system  whi c h  is gene rally  compl e x nee ds ante nna whi c h have a d vance ca pa bilities an d g ood  perfo rman ce s. So, many  resea r chers  have co ndu cted experim e n ts attemptin g  to improv cap abilities  a nd pe rform a n c e s  of anten na in or de r to meet the n eed of comm unication sy stem  whi c h grows  contin uou sly.   One type  of antenn wh ich i s  a b le t o  a c commod a te the  cha n ge of  comm unicatio n   system ne ce ssity is re co nfigura b le an tenna [1 ]. Such an ante n na is able to  adjust with the  necessity of  the co mmuni cation  syste m . In som e   ways it  can   conve r t op erating fre quen cy,  radiatio n p a ttern, im ped an ce, b and widt h via  sho r ting /reactive l oad ing to  req u ire  re son ant m o de  swit chin g, by moving pa rt (me c ha nical reco nfigur atio n), optical switching,  ele c tronic  swit chin g,  and fee d  n e twork  switchi n g. Due  to the  fact t hat  reco nfigura b le ant enna adju s ta ble,  this ante nna  can elimi nate  the need of multiple ante nna for  comm unication sy stems.   An innovative approa ch to  the  synthe si s of pha se -o nly rec onfigu r able, iso pho ri c linea sparse arrays has been i n vestigat ed i n  previous  research [2].  T he result shows the  abililit y to  comm ute the i r pattern  within an a r bitrary numb e of radiation  modalitie s which le ad s to an   effective p r o c ed ure  for th e fast  anten nas de sig n   with hi gh  pe rforma nce. In  othe r resea r ch,   pre s entin g at [3-5], mentioned that re config ura b le  antenn a we re fabri c ated  on high -resi s tivity   silicon  and equipped with tw silicons as material  switches. Th en t he laser  was  used to  cont rol   the photo c o n ductive  swit ching mate rial.  The techni q ue is  con d u c ted to prove  that cha nge s of  effective leng th of antenna , it can chan g e  antenn a re son a n c e freq uen cy. Howe ver, using  sili con   as ph otocond uctive switch es will requi re comp li cate d techni que  durin g it inse rtion process on  antenn a su bstrate and sili con ha s high  co st. Other  tech niqu es, is done previo usly by Kiriazi  et  al . in [6]. In this work, op en  and  sho r t of  RF-M EMS switch es  we re  assembl ed o n  anten na  wh ich   has a  high-resi s tivity silicon  subs trate. In [7], varactor di ode is  used  as switches.  T he other  swit chin g ele m ents which  are PIN diode s [8-13],  an air gap  [14-15], sol a r cell [16], and   photodi ode [ 17] have al so bee n u s e d  at previo u s  re se arch.  Therefore, in  this pa per  we   introdu ce  a n e w opti c al  switche s  geo me try and techn i que of recon f igurabl e ant enna s by u s i ng  photodi ode a s  optical switchin g.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1351 – 135 5   1352 2. Optical Sw i t che s   The switchin g device i s  u s ed o n  this p aper  i s  photo d iode. Photo d iode i s  one  of kind of   s e mic o nduc tor devic whic h has   ability to c h ange p hoton (light) into elec tric   current [18]. When  the  light ha s certai n wavel ength on  th e photodi ode,  it  is  ab so rbe d . The n , the  p hoton  ene rgy  is  distrib u ted to  valence ele c tron a nd en ha nce s  them  to  the con d u c tio n  gap. Thi s  p r ocess a w a k es  electron -hole  pairs whi c called ph oto carri er. Phot carrie r is p r o duced in de pletion regi on. The   high  ele c tric field a r ise o n   depletio n regi on  will  devel o p  ph otocurre nt on  photo d i ode. Th e u s e  of  photodi ode a s  optical switchin g in tran smissio n   line  is based on  the cha r a c te ristic  differen c e   betwe en ph otodiod e that is illuminated b y  light and  un illuminated.  Whe n  it is illu minated by li ght,   photodiode that is  loc a ted  on gap of trans m is s i on line will ac ts   as s h ort c i rcuit. The photodiode  act as  a brid g e  is co nne cti ng one of the  transmi ss ion  line part s  to others. This  condition  cau s es  an in cre a se  of electri c al l ength of tra n s missio n line ,  loweri ng th e imped an ce  of transmission  line. On the  other ha nd , on unillum i nated ph ot o d iode, it act s  as  open  circuit an d the  transmissio line imp eda n c e i s   high [1 9 ]. The chan g e  in el ect r ical  length  is  clo s ely related   with   the ope rating  freque ncy o f  transmi ssi o n  line as i s   given by Equation (1) an d (2) [2 0]. For  operating fre quen cy in  u n illuminate d   state (OFF -state) is give n by [21 - 23] , mean while  in  illuminated  state (O N-state )  is  given by Equation (4).     0 g eff       ( 1 )     2 g l       ( 2 )     of f g ef f c f           ( 3 )     on g ef f c f           ( 4 )       From Equ a tio n  (3) a nd (4 ), we can defin e shifting of freque ncy a s   off o n f ff            ( 5 )     1 of f ff               (6)       Whe r e,   g   wavele ngth in  antenna   0   wavele ngth in  free sp ace   ef f   effective diele c tri c  co nstant   f   = freque ncy  shi fting    electri c al le ng th of transmi ssion lin e   l physi cal lengt h of transmi ssion lin e   off f   antenn a freq uen cy on unill uminated (off-state)  on f   antenna frequency on  illuminated (on-state)  veloc i ty in free s p ac the ratio of ph otocu r rent to dark cu rrent   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Opticall y Swit che d  Fre que ncy for Reco nfigura b le Di pole Antenn a  (Ern a Risf aula Kusum a wati)  1353 3. Rese arch  Metho d   Antenna d e si gn is  a bala n ce d dipol e i n  CPS (Copl anar Stri pline )  fabri c ate d   on fibe sub s trate  wit h  permittivity of 4.8 and 1. 6 mm thick.  The dime nsio n  of the sub s trate is 10 4 m m  ×   41 mm ×1.6   mm. The  an tenna  wa equip ped  wit h  two  p hoto d iode s P D -1  and  PD-2   as  photo c on du ctive switching .  The input matchin g  im peda nce (Z 0 ) is 50 Ohm  according t o   impeda nce from con n e c to r. Figure 1  sho w the p hotodio de G a As type SLD61 6 2 R LI. The  photodi ode chara c te risti c s are prese n te d by [24]. Th e antenn a is desi g ne d in the form of pl ana r   stru ctures. T he fabri c ated  antenna  de si gn is given b y  Figure 2 wit h  the fixed param eter si ze  on   Table 1.     Table 1. Dim ensi on of Fab r icate d  Anten n a   Parameter Size  (mm)  L 104  L 1  17.48   L 2  39.59   L 3  18.27   w 41  w 1  2.2  w 2  3.54  w 3  3.54  s 1  2.7  s 2  2.4        (a) Typ e  SLD6162 RLI     (b) Pin  config uration   1. Red la ser;  2. Photodiod e; 3. Infrared;  4. Groun d     Figure 1. Laser diod e           Figure 2. Fab r icate d  anten na de sign   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1351 – 135 5   1354 3. Results a nd Discu ssi on  The characte ristic  re sult of antenna i s   meas ured by  using a  Net w ork Analy z e r  in “OF F - state” and “ON-st ate”. OF F-state i s  dark or unill uminat ed condition. ON-state i s  illuminated by  red la ser  with 650 nm wavelength.Th e measur e m ents are also cond ucte d  in chamb e r to  eliminate noi se. Figure 3  sh ows the retu rn loss re spo n d s to freq uen cie s .           Figure 3. Gra ph re son ant frequ en cy with  return loss  of fabricate d  antenn a       If RL value -1 7 dB set as t h re shol d (sim ilar lo w p a ss  filter), the re sonan ce fre q u ency of  fabricated a n tenna  2720  M H z i n  OFF - st ate and 8 00  MHz i n  O N -st a te. It shows  that resona nce  freque ncy of antenn a shifts  1 920   MHz. Theo riti cally, 1942   MHz  f r e quen cy shifting cal c ulate d   by  usin g Equatio n (6 ) with  = 3 . 5 which   value obtain ed f r om the g r a p h  ratio of ph o t ocurre nt to   dark  cu rrent  for G a As ph otodiod e [24] . If the fre q u ency  shifting  from  mea s u r eme n t result i s   comp ared wi th theoreti c al ly calcul ation ,  it s hows n early eq ual  value. Ho we ver, if freque ncy   shifting i s   compa r ed  wit h  othe re se arche s , it   shows  sig n ificant result. As the  research   c o nd uc te d  by Kir i a z et a l .  [6], showe d  that the antenna that  swit che d  by usin g RF -ME M operate in d u a l frequ en cie s  an d have  shifting frequ e n cie s  2 0  MHz for first fre quen cy an 260   MHz for  se cond frequ en cy. In anothe r re sea r ch [7] ,  whe r e th antenn a swit che d  by u s in g   varacto r  dio d e , achieve d u a l freque ncy  shifting 35 7 a nd 126 M H z.       4. Conclusio n   The d e si gn, f abri c ation,  an d mea s u r em ent of   reconfi gura b le CPS dipole anten n a   u s ing  photodi ode  switch es have  bee pre s e n t ed. The  exp e ri me ntally a nd the o retical l y re sult fo r t h e   fabricated re config ura b le antenn a r e having a  g o o d  ag ree m ent  with la rge  fre quen cy  shifting .   The p r o p o s e d  ante nna  woul d ma ke  it po ssibl e   to re alize i n  many  app lication  of  Wi-fi   comm uni cati on whi c h u s in g optical  swit chin g.      Ackn o w l e dg ements   This  wo rk wa s supp orte d b y  Ministry of  Re sea r ch, Te chn o logy a n d  High er E ducation of   the Rep ubli c  of Indone sia.       Referen ces   [1]    Bernh a rd JT . R e confi gura b l e  Antenn a. Ur ba na– Cham pa ign :  Morgan & Cla yp oo l. 200 7: 1-2.  [2]    Morabit o  AF , Iserni a T ,  Di Donato L. Optima l S y nt hesis  of Phase-On l y  Re c onfig urab le L i near Sp arse  Arra y s  H a vi ng  Uniform-Amp lit ude E x cit a tion s.  Progress in  Electro m a gneti cs Researc h  ( P IER) . 2012;   124: 40 5-4 23.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Opticall y Swit che d  Fre que ncy for Reco nfigura b le Di pole Antenn a  (Ern a Risf aula Kusum a wati)  1355 [3]    Pana gam u w a   CJ, Ch aura y a  A, Vard a x o g l ou J C . F r equ enc and  Be a m  Reco nfig ura b le  Ante nna   Using  Ph otoco nducti ng S w i t c hes.  IEEE Transactions on  A n tenna and Pr opagation . 2 0 0 6 ; 54(2):  449- 454.   [4]    T a w k  Y, Albr echt AR, H e mmad y  S, B a lakris hn an G ,   Christod ou lo u CG. Optica lly Pu mpe d   Reco nfigur ab le  Antena Syste m s (OPRAS) . IEEE Antenna s and Pro p a g a tion S o ciet y  Internati o n a l   S y mp osi u m.  T o ronto. 20 10: 1 - 4.  [5]    Liu D, C har ette D, Berg eron  M, Kar w a cki H ,   Adams S, La nni ng B, Kusta s   F. Stru ctu r a l l y  Embe dded  Photoco n d u cti v e Silic on Bo w t ie Anten na.  IEEE Photonics  Technology  Letters.  1998; 10( 5): 716-7 18.   [6]    Kiriazi J, Ghal i e  H, Rada ie H  & Haddar a H.   Reconfi gura b l e  Dua l -Ban Dipo l e Ante nn a on Sil i co Using S e ries  MEMS Sw itch es.  Proceedings of the IEEE/URSI Inte rnational S y m pos ium on Antenna  and Pro p a gatio n. Colum bus . 2 003; 1: 40 3-40 6.  [7]    Sh ynu  SV, A ugusti n G, A ana nd a CK,  Moha nan  P  & Vasu dev an  K. Desi gn   of Com pact  Reco nfigur ab le  Dual F r eq u enc y Micros tri p  Antenn as  Using V a ract or Dio des . Progress i n   Electro m a gneti cs Researc h  ( PIER ). 2006; 6 0 : 197-2 05.   [8]    Razal i  AR, Abbos h AM, Antoni ad es MA. Compact Pl anar Mu ltib an d Anten nas for Mobi l e   Appl icatio ns Croatia: InT e ch.  201 3: 86-8 9 [9]    Sung  Y. A S w i t chabl e Micr ostrip P a tch Ant e nna  for D u a l  F r equ enc y O per ation.  ET RI J o urna l . 20 08;  30(4): 60 3-6 0 5 .   [10]    Roma no N. D e sig n  of A R e confi gura b l e   Antenn a for  Ground P e n e trating R a d a Appl icatio ns.  Progress in Electrom agnetics Research  ( PIER ). 2009; 94: 1 - 18.   [11]    Kang W, Ko K H , Kim K. A   C o mpact B eam   Reco nfigur ab le  Anten n a  for S y mmetric  Be a m  S w itchi ng.   Progress in Electrom agnetics Research  ( PIER ). 2012; 12 9: 1-16.   [12]    Perou lis D, Sa raba ndi K, Kat ehi L.  D e sig n  of Reconfi gur a b le Sl ot Anten nas.  IEEE Transactions on  Antenn as an d Propa gati o n . 2 005; 53( 2): 645 -654.   [13]    Gupta KC, Li J,  Ramadoss R,  W ang C.  Desi gn of F r equ en cy-Reco nfigur a b le R e ctan gul a r  Slot Ring   Antenn as . Antenn as and Pro pag atio n Socie t y  Internati ona l  S y mpos ium IEEE. Salt Lake Cit y .  20 00 ;   1: 326.   [14]    F o rtaki T D , Benkou da S, Am i r  M, Beng hal ia   M. Air Gap T uni ng Effect o n  the  Reso na n t  F r eque nc and H a lf-po w e r  Band w i dth of  Super c o n ducti ng Microstri p  Patch.  PIERS online . 20 09; 5( 4): 350-3 54.   [15]    Nings ih YK, H adi neg oro  R. L o w  Mutu al C o upli ng  D u al ba nd  MIMO Mi cro s tri p  Antenna  Parasitic  w i t h   Air Gap.  T E LKOMNIKA T e lecommunic a tio n  Computi ng El ectronics a nd  Contro l . 201 4; 12(2): 405- 410.   [16]    Kusuma w a ti E R , Pramon o Y H , Rub i yant A.  Reconfi gur a b le  Dip ol e Mic r ostrip Ante nn a usi ng S o lar   Cell  as S ubstr ate C ontrol l ed   by Optica l So u r ce .   Proce edi n g  of 3 rd Makass ar Intern ation a l  Conf erenc on Electric al E ngi neer in g and  Informatics (MI CEEI). Makassar. 2012; 3: 2 21-2 24.   [17]    Kusuma w a ti E R , Pramono Y H , Rubi ya nto  A.  Design a nd  F abricati on of T unab le Micro s trip Antenn a   usin g Ph otodi o de as Optic a Sw itching C ont rolle d by Infrar ed Comm unic a tion Net w ork and  S a tel lit e   (COMNET S A T ) IEEE International Conf erenc e. Yogy akart a . 2013: 55-58.  [18]   Sale h BEA,  T e ich MC. Funda m ental of Ph otonics. Ne w  Y o r k : J ohn Wile y   & Sons. 199 1: 657- 6 65.   [19]   Kumar G, Ra y   KP. Broadb and  Microstrip An tenn as. Boston:  Artech House.  2003: 2 62-2 6 3 .   [20]    Ed w a r d s T C Steer MB. F oundati ons  Of Intercon nect an d Microstrip Des i gn. 3 rd ed. Ne w York: John  W ile y  & So ns. 200 0: 90.   [21]   Bala nis CA, An tenna. 2 nd . New   York: Jo hn  W ile y  & So ns. 199 7: 729.   [22]    Darso no M, Wija ya E. Cir cu larl y Pr o x im it y - F ed Micr os trip Arra y  A n tenn a for Micro Satell ite.   T E LKOMNIKA T e leco mmunic a tion C o mputi n g Electron ics a nd Co ntrol . 20 13; 11(4): 8 03- 810.   [23]    Z a ino l  N, Z a ka ria Z ,  Abu M  & Yunus MM.  Harmon i c Su p p ressi on R e cta ngu lar Patch  A n tenn w i th  C i r cu la rly  Po lari ze d .   TELKOMNIKA Teleco mmu n icati on  Co mp uting El e c tronics an d C ontrol . 20 16;  14(2): 47 1-4 7 7 .   [24]    Liu  X, Li M, Ch en Z ,  Jia G, Bi an T  & Li Y.  Photo-an d-Dark- C urrent-V oltag e  Char acteristi cs of Norma l - Incide nce GaA s  Photod etecto rs W i th T w o Types of El ectro de C onfig urati ons.  Pro c ee di ng s o f  SPIE Confer ences  o f  the Photoe le ctr onic T e chno log y  C o mmitte e of the Ch ine s e Societ y of  Astronautics.   Beiji ng. 20 14;  952 2: 1-8.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.