Model Dan Analisis Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan Aperture-Coupled Dengan GAP Udara Di Antara Substrat Patch Dan Ground Plane Untuk Memperlebar Bandwidth

(1)

MODEL DAN ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT

PENCATUAN APERTURE-COUPLED DENGAN GAP UDARA

DI ANTARA SUBSTRAT PATCH DAN GROUND PLANE

UNTUK MEMPERLEBAR BANDWIDTH

DISERTASI

Oleh

ALI HANAFIAH RAMBE

108108005

PROGRAM PASCASARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

2 0 1 4

(2)

MODEL DAN ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT

PENCATUAN APERTURE-COUPLED DENGAN GAP UDARA

DI ANTARA SUBSTRAT PATCH DAN GROUND PLANE

UNTUK MEMPERLEBAR BANDWIDTH

DISERTASI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor

dalam Program Studi Doktor Ilmu Fisika pada Program

Pascasarjana Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara

Oleh

ALI HANAFIAH RAMBE

108108005

PROGRAM PASCASARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

2 0 1 4

(3)

PERNYATAAN ORISINALITAS

MODEL DAN ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT

PENCATUAN APERTURE-COUPLED DENGAN GAP UDARA

DI ANTARA SUBSTRAT PATCH DAN GROUND PLANE

UNTUK MEMPERLEBAR BANDWIDTH

DISERTASI

Dengan ini saya nyatakan bahwa saya mengakui semua karya disertasi ini adalah hasil kerja saya sendirio kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumbernya dengan benar.

Medan, 6 Januari 2014

Ali Hanafiah Rambe NIM. 108108005

(4)

Telah diuji pada

Tanggal : 6 Januari 2014

______________________________________________________________________

PANITIA PENGUJI DISERTASI

Ketua : Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc. Anggota : 1. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc.

2. Dr. Fitri Arnia, ST., M.Eng.Sc. 3. Prof. Dr. M. Zarlis, M.Sc. 4. Prof. Dr. Tulus, M.Sc. 5. Dr. Susilawati, M.Si.

(5)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa dipanjatkan kehadirat Allah subhanahu wata’ala atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga disertasi ini dapat diselesaikan serta shalawat dan salam kepada Rasul-Nya.

Dengan selesainya disertasi ini, perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

Rektor Universitas Sumatera Utara, Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp. A(K) atas kesempatan yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Doktor.

Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Dr. Sutarman, M.Sc. atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Doktor pada Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.

Ketua Program Studi Doktor Ilmu Fisika, Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc., Sekeretaris Program Studi Doktor Ilmu Fisika, Dr. Anwar Dharma Sembiring, M.S. beserta seluruh staf pengajar pada Program Studi Doktor Ilmu Fisika Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara

Terimakasih yang tak terhingga dan penghargaan setinggi-tingginya penulis ucapkan kepada Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc. selaku Promotor yang dengan penuh perhatian telah memberikan dorongan dan bimbingannya, demikian juga kepada Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc. dan Dr. Fitri Arnia, ST., M.Eng.Sc. selaku Co. Promotor yang penuh kesabaran menuntun dan mengarahkan kami hingga selesainya penelitian ini.

Kepada Bapak Prof. Dr. M. Zarlis, M.Sc dan Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Sc yang telah memberikan arahan dalam penyusunan laporan penelitian disertasi ini, serta Ibu Dr. Susilawati, M.Si atas motivasinya untuk menyelesaikan penelitian ini. Kepada Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME., Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si. dan Rahmad Fauzi, ST., MT. yang telah memberi kesempatan dan dukungan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Doktor.

Kepada Bapak Prof. Dr. Usman Baafai dan Bapak Ir. M. Zulfin, MT yang telah memberikan rekomendasi tertulis yang baik kepada penulis untuk mengikuti Program Doktor ini dan juga dukungan moril maupun materilnya.

(6)

Kepada Ayahanda Drs. Kasdullah Rambe dan Ibunda Sri Guntur Harahap, S.Pd. yang senantiasa mendukung dan mendo’akan penulis, serta istri tersayang Salma Pinem, S.Si, Apt. dan anak-anak terkasih Hanifah Rambe dan Umar Abdussalam Rambe yang selalu memberi semangat dalam kehidupan ini.

Kepada Abanganda Dr. Maksum Pinem, ST., MT yang juga sebagai rekan dan teman seperjuangan dalam mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Doktor ini.

Kepada rekan-rekan mahasiswa S3 angkatan 2010 dan sekretariat Program Studi Doktor Ilmu Fisika Universitas Sumatera Utara, serta rekan-rekan sejawat pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara atas dukungannya juga dalam menyelesaikan pendidikan Program Doktor ini.

Kepada semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu atas dukungan, bantuan, saran dan lainnya kepada penulis.

Demikianlah yang dapat penulis sampaikan pada kata pengantar dari buku ini, semoga manfaat ilmu yang diperoleh selama mengikuti Program Doktor membawa keberkahan dunia dan akhirat. Walhamdulillah washolatu wasalam ala rasulillah. Allahumma inni as-aluka ilman nafia wa rizqan thayyiba wa amalan mutaqabbala. Amin ya rabbal ’alamin.

Medan, 6 Januari 2014 Penulis,

(7)

MODEL DAN ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT PENCATUAN APERTURE-COUPLED DENGAN GAP UDARA

DI ANTARA SUBSTRAT PATCH DAN GROUND PLANE UNTUKMEMPERLEBAR BANDWIDTH

ABSTRAK

Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang mampu menawarkan bentuknya yang kompak, ukuran yang kecil dan ringan, mudah dipabrikasi, serta bersifat conformal (dapat menyesuaikan dengan tempat dimana antena tersebut diletakkan). Akan tetapi memiliki keterbatasan berupa bandwidth yang sempit. Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk melebarkan bandwidth adalah dengan pencatuan aperture coupled. Pada penelitian ini telah dilakukan modifikasi antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled

dengan penambahan sebuah gap (celah) udara di antara substrat patch dan ground plane. Hal ini dibahas secara simulasi model, pengukuran dan analisisnya. Adapun hasil yang diperoleh dari modifikasi tersebut adalah peningkatan

bandwidth mencapai 353 % dibandingkan dengan antena pencatuan aperture coupled yang konvensional. Hasil pengukuran terhadap prototipe dari antena mikrostrip patch segiempat pencatuan aperture coupled dengan gap udara tersebut diperoleh bandwidth sebesar 512 MHz (2,044 – 2,556 GHz) pada VSWR

≤ 2 dan gain mencapai 5,85 dB. Nilai VSWR dan return loss minimum yang dicapai masing-masing adalah 1,02 dan -42,65 dB.

Kata kunci : mikrostrip, aperture coupled, return loss, VSWR, bandwidth, gain,

(8)

MODEL AND ANALYSIS RECTANGULAR PATCH APERTURE COUPLED MICROSTRIP ANTENNA WITH AIR GAP

BETWEEN PATCH SUBSTRATE AND GROUND PLANE TO WIDEN BANDWIDTH

ABSTRACT

Microstrip antenna is an antenna that is able to offer a compact form, small size, lightweight, easily fabricated, and conformal. However, having a narrow bandwidth. One technique that can be used to widen the bandwidth is the aperture coupled feeding. In this study were modified aperture coupled rectangular patch microstrip antenna with the insertion of a air gap between the patch substrate and the ground plane. It is discussed in simulation model , measurement and analysis. The results obtained from the modifications is an increase in bandwidth up to 353% compared to the conventional aperture coupled microstrip antenna. The measurement of the model obtained a bandwidth of 512 MHz (2.044 - 2.556 GHz) at VSWR < 2 with gain about 5.85 db.

Key words : microstrip, aperture coupled, return loss, VSWR, bandwidth, gain,

(9)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR i

ABSTRAK iii

ABSTRACT iv

DAFTAR ISI v

DAFTAR GAMBAR vii

DAFTAR TABEL x

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 LATAR BELAKANG 1 1.2 PERUMUSAN MASALAH 5

1.3 TUJUAN PENELITIAN 5

1.4 MANFAAT PENELITIAN 5

1.5 BATASAN MASALAH 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 7

2.1 ANTENA MIKROSTRIP 7

2.2 PARAMETER KINERJA ANTENA MIKROSTRIP 12 2.2.1 Frekuensi Resonansi 12 2.2.2 Impedansi Input 12 2.2.3 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) 13 2.2.4 Return Loss 14

2.2.5 Bandwidth 14

2.2.6 Pola Radiasi 15

2.2.7 Gain 16

2.3 ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT 17 2.4 TEKNIK PENCATUAN APERTURE COUPLED 20

2.5 MODEL ANALISIS 21

2.6 SALURAN MIKROSTRIP 24 2.7 BAHAN DIELEKTRIK SUBSTRAT 25

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 27

3.1 TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN 27

3.2 ALAT DAN BAHAN 27

3.3 PERANCANGAN 28

3.3.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional 28 3.3.2 Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan Pencatuan

Aperture Coupled 31

3.3.3 Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled dengan Gap Udara di Antara Substrat patch dan

(10)

3.4 PELAKSANAAN PENELITIAN 34 3.5 VARIABEL YANG DIAMATI 36

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 37

4.1 HASIL SIMULASI 37

4.1.1 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Konvensional 37

4.1.2 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat

ApertureCoupled Konvensional 42

4.1.3 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat

ApertureCoupled dengan Gap Udara 46

4.2 HASIL PENGUKURAN 51

4.2.1 Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Konvensional 51

4.2.2 Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat

ApertureCoupled Konvensional 53

4.2.3 Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat

ApertureCoupled dengan Gap Udara 56

4.3 ANALISIS HASIL SIMULASI DAN PENGUKURAN 58 4.3.1 Analisis Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Konvensional 58

4.3.2 Analisis Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture

Coupled Konvensional 59

4.3.3 Analisis Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture

Coupled dengan Gap Udara 60

4.3.4 Analisis Kesalahan Umum 62 4.4 ANALISIS CAPAIAN SPESIFIKASI ANTENA 63 4.5 ANALISIS PENGARUH GAP UDARA TERHADAP

BANDWIDTH 65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 68

5.1 KESIMPULAN 68

5.2 SARAN 69

DAFTAR KEPUSTAKAAN 70

LAMPIRAN A DATA SIMULASI L-1

LAMPIRAN B DATA PENGUKURAN L-12

(11)

DAFTAR GAMBAR

Nomor

Gambar Judul Hal.

1.1 Diagram Blok Sistem Penerima SDR Ideal 1 1.2 Antena Mikrostrip pada Laptop 2 2.1 Konfigurasi dasar antena mikrostrip 7 2.2 Representatif bentuk-bentuk patch 8 2.3 Rancangan Antena Mikrostrip pada Handphone 10 2.4 Rancangan Antena Mikrostrip pada notebook 10 2.5 Aplikasi Antena Mikrostrip pada Sistem RFID 11 2.6 Antena Mikrostrip untuk Aplikasi WiMAX (2,3 GHz, 3,3 GHz

dan 5,8 GHz)

11 2.7 Antena Mikrostrip MIMO 4-Kanal untuk Sistem UWB 11 2.8 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth 15

2.9 Pola radiasi antena 16

2.10 Antena Mikrostrip Patch Segiempat 18 2.11 Teknik pencatuan aperture coupled 20 2.12 Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan pencatuan

Aperture Coupled

22 2.13 Rangkaian Ekivalen Model Saluran Transmisi dari Antena

Mikrostrip Patch Segiempat dengan pencatuan Aperture Coupled

2.14 Konstruksi dan pola medan microstrip 24 2.15 Kapasitor Keeping Sejajar 25 2.16 Kapasitor Keping Sejajar dengan Dua Jenis Bahan Dielektrik 26

3.1 Diagram Alir Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional

3.2 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional 30 3.3 Diagram Alir Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Pencatuan Aperture Coupled

3.4 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan

Aperture Coupled

3.5 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan

ApertureCoupled dengan Gap Udara

3.6 Konfigurasi pengukuran port tunggal 35 3.7 Konfigurasi pengukuran port ganda 36 4.1 Hasil Simulasi Rancangan Awal Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Konvensional

(12)

4.2 Diagram Alir Proses Iterasi untuk Mendapatkan Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional

4.3 Grafik VSWR Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Konvensional tanpa Stub

4.4 Grafik VSWR Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Konvensional dengan Single Stub

4.5 Hasil Simulasi Return Loss Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

4.6 Hasil Simulasi Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Konvensional dengan Single Stub

4.7 Geometri Hasil PerancanganOptimum Antena Mikrostrip

Patch Segiempat Konvensional

4.8 Hasil Simulasi Rancangan Awal Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Aperture Coupled

4.9 Diagram Alir Proses Iterasi untuk Mendapatkan Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture Coupled

Konvensional

4.10 Hasil Simulasi VSWR Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Aperture Coupled konvensional

4.11 Hasil Simulasi Return Loss Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Aperture Coupled Konvensional

4.12 Hasil Simulasi Pola radiasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat

ApertureCoupled

4.13 Geometri Hasil PerancanganOptimum Antena Mikrostrip

Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled Konvensional

4.14 VSWR Hasil Simulasi Rancangan Awal Antena Mikrostrip

Patch Segiempat Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.15 Diagram Alir Proses Iterasi untuk Mendapatkan Rancangan Optimal Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture Coupled

dengan Gap udara

4.16 Hasil Simulasi VSWR Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.17 Hasil Simulasi Return Loss Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.18 Hasil Simulasi Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.19 Geometri Hasil PerancanganOptimum Antena Mikrostrip

Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled dengan Gap

Udara

(13)

4.20 Grafik VSWR Antena Mikrostrip patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

4.21 Grafik Return Loss Antena Mikrostrip patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

4.22 Hasil Pengukuran Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch

Segiempat dengan Single Stub

4.23 Grafik VSWR Antena Mikrostrip patch Segiempat Aperture Coupled Konvensional

4.24 Grafik Return Loss Antena Mikrostrip patch Segiempat

Aperture Coupled Konvensional

4.25 Hasil Pengukuran Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Aperture Coupled Konvensional

4.26 Grafik VSWR Antena Mikrostrip patch Segiempat Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.27 Grafik Return Loss Antena Mikrostrip patch Segiempat

Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.28 Hasil Pengukuran Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.29 Perbandingan Grafik VSWR antara Hasil Simulasi dan

Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

4.30 Perbandingan Grafik Return Loss antara Hasil Simulasi dan Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

4.31 Perbandingan Grafik VSWR antara Hasil Simulasi dan Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture Coupled Konvensional

4.32 Perbandingan Grafik Return Loss antara Hasil Simulasi dan Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat Apeture Coupled Konvensional

4.33 Perbandingan Grafik VSWR antara Hasil Simulasi dan Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.34 Perbandingan Grafik Return Loss antara Hasil Simulasi dan Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture Coupled dengan Gap Udara

4.35 Grafik Pengaruh Gap Udara yang Diberikan Terhadap nilai konstanta dielektrik dan Bandwidth

(14)

DAFTAR TABEL

Nomor

Tabel Judul Halaman

1.1 Beberapa Rancangan Antena Mikrostrip yang Mampu Memberikan Bandwidth yang Lebar (Wideband)

2 2.1 Konstanta Bahan Dielektrik 8 4.1 Perbandingan Kinerja Antena 63 4.2 Perolehan bandwidth dari hasil modifikasi antena mikrostrip

patch segiempat dengan pencatuan aperturecoupled

64 4.3 Hasil Perhitungan Aproksimasi Konstanta Dielektrik (εr) 66

(15)

MODEL DAN ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT PENCATUAN APERTURE-COUPLED DENGAN GAP UDARA

DI ANTARA SUBSTRAT PATCH DAN GROUND PLANE UNTUKMEMPERLEBAR BANDWIDTH

ABSTRAK

≤ 2 dan gain mencapai 5,85 dB. Nilai VSWR dan return loss minimum yang dicapai masing-masing adalah 1,02 dan -42,65 dB.

Kata kunci : mikrostrip, aperture coupled, return loss, VSWR, bandwidth, gain,

(16)

MODEL AND ANALYSIS RECTANGULAR PATCH APERTURE COUPLED MICROSTRIP ANTENNA WITH AIR GAP

BETWEEN PATCH SUBSTRATE AND GROUND PLANE TO WIDEN BANDWIDTH

ABSTRACT

Key words : microstrip, aperture coupled, return loss, VSWR, bandwidth, gain,

(17)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Seiring dengan meningkatnya perekonomian, taraf hidup dan kemajuan teknologi khususnya komunikasi tanpa kabel (radio), meningkat pula kebutuhan masyarakat akan jasa telekomunikasi yang cepat, mudah diakses kapan saja dan dimana saja sehingga mampu mendukung mobilitas yang tinggi. Berbagai jasa layanan telah menawarkan hal tersebut tetapi memiliki sistem yang berbeda-beda. Salah satu perbedaannya adalah alokasi frekuensi dari masing-masing layanan. Pada awalnya, perbedaan ini mengharuskan seorang pengguna harus memiliki lebih dari satu peralatan CPE (Costumer Premises Equipment). Setelah ditemukannya sistem software defined radio (SDR), peralatan CPE tersebut dapat digabungkan menjadi hanya satu perangkat saja dan mampu digunakan untuk sistem yang berbeda.

Secara umum sistem SDR yang ideal dapat digambarkan dengan diagram blok seperti diperlihatkan pada Gambar 1.1 (Boracchini, 2000), (Rambe, 2004). Sistem ini terdiri atas antena, bandpass filter (BPF), low noise amplifier (LNA),

analog to digital converter (ADC) dan digital signal processing (DSP).

LNA

BPF

ADC

DSP

antena

(18)

Untuk mendukung mobilitas yang nyaman, perangkat CPE haruslah memiliki bentuk yang relatif lebih kecil dan ringan. Salah satu kebutuhan dari perangkat CPE ini adalah komponen antena yang kecil dan mampu bekerja pada pita frekuensi lebar (wideband). Dan antena mikrostrip merupakan sebuah kandidat yang mampu memberikan kebutuhan tersebut. Gambar 1.2 mengilustrasikan sebuah antena mikrotrip pada sebuah laptop.

Gambar 1.2 Antena Mikrostrip pada Laptop (Abdel-Rahman, 2005).

Untuk mendapatkan bandwidth yang lebar, sebuah antena mikrostrip harus memiliki teknik perancangan yang khusus. Beberapa rancangan antena mikrostrip yang pernah dipublikasikan dan dapat menyediakan bandwidth yang lebar ditunjukkan pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Beberapa Rancangan Antena Mikrostrip yang Mampu Memberikan

Bandwidth yang Lebar (Wideband) No. Jenis Rancangan Deskripsi

1. A Stacked Square Patch Slotted Broadband Microstrip

Antenna

Antena ini terdiri atas 2 lapisan substrate dan memiilki 5 buah slot pada elemen pencatu (driven). Bandwidth yang dicapai 4,95-11,05 GHz pada VSWR ≤ 2 (Singhal, 2003).

2. Dual semi disc microstrip patch antenna

Antena ini terdiri atas 2 buah setengah lingkaran yang berbeda jari-jarinya.

Bandwidth yang dicapai 1,862-2,225 GHz pada returnloss≤ -10dB (Wang et al, 2004). 3. Single Element Aperture

Coupled Microstrip Antenna

Antena sederhana ini memiliki sebuah patch

segiempat tunggal dengan bandwidth sebesar 1,47 GHz yaitu 11,08-12,55 GHz (Abdel-Rahman, 2005).

(19)

Tabel 1.1 Lanjutan… 4. L-probe fed inverted

hybrid E-H shaped microstrip patch antenna array.

Antena linear array ini terdiri atas 4 elemen.

Bandwidth yang dicapai 420 MHz (1,84-2,26 GHz) pada return loss ≤ -10dB (Islam et al, 2007).

5. CPW-fed slot antenna with inverted-F shaped tuning stub.

Antena ini memiliki bandwidth sekitar 100 MHz pada return loss -10 dB pada 2,4-2,5 GHz (Prapoch et al, 2007).

6. broadband microstrip antenna fed by coplanar waveguide with a H-shape slot.

Antena ini memiliki bandwidth sebesar 26,5 % pada frekuensi 3,6-4,7 GHz (1.1 GHz) dengan VSWR ≤ 2 (Chai et al, 2007).

7. Aperture coupled microstrip antenna for HIPERLAN/2

Rancangan antena ini memiliki bandwidth

sebesar 400 MHz yaitu 5,4 – 5,8 GHz pada

return loss≤ -10dB (Deb et al, 2011). 8. Aperture Coupled

Microstrip Short Backfire Antenna

Antena ini menggunakan 6 lapisan substrate

dan ground plane berbentuk lingkaran.

Bandwidth yang dicapai 2 GHz (11,25 – 13,25 GHz) pada VSWR ≤ 2 dan gain

mencapai 11,5 dBi (Kirov et al, 2012). 9. A Compact Proximity

Coupled Fed Antenna

Antena ini memiliki 2 buah slot pada ground plane dan dapat bekerja dengan baik pada frekuensi 2,4 – 2,5 GHz (Mehdi et al, 2012).

Berdasarkan pertimbangan dan pengamatan dari beberapa jenis antena mikrostrip seperti pada Tabel 1.1, model antena yang digunakan pada penelitian ini adalah antena mikrostrip pencatuan aperture coupled dengan patch dan slot

yang berbentuk segiempat (rectangular).

Antena mikrostrip dengan pencatuan aperture coupled sudah mulai dianalisis sejak tahun 1980-an, diantaranya D.M. Pozar (1985), Sullivan dan Schaubert (1986), dan Himdi et al (1989). Hingga kini (tahun 2013), berbagai penelitian dan pengembangan terhadap antena tersebut telah banyak dilakukan. Diantaranya, Yazidi et al (1993) telah merancang sebuah antena mikrostrip

aperture coupled yang mampu menghasilkan dual-frequency. Hall, R. C. (1993) menganalisis antena mikrostrip aperture coupled dengan metode full-wave. Rao, Q. et al (2005) memodifikasi antena mikrostrip aperture coupled dengan

(20)

menempatkan saluran pencatu dan patch pada substrat yang sama. Aijaz, Z. dan Shrivastava, S.C. (2011) merancang antena mikrostrip aperture coupled dengan slot yang berbentuk H, dog-bone, bowtie dan hourglass. Deb et al (2011) merancang antena mikrostrip aperture coupled yang dapat digunakan untuk sistem HIPERLAN/2 dengan frekuensi kerja 5,47 GHz – 5,725 GHz. Vishwakarma, R.K. dan Tiwari, S. (2011) merancang antena mikrostrip aperture coupled yang mampu menghasilkan dual-band (2,9 GHz dan 6,1 GHz). Naji, D.K. et al (2012) merancang antena mikrostrip aperture coupled dengan

Minkowski fractal untuk aplikasi RFID (radio frequency identification). Raina, T.K. et al (2012) merancang antena mikrostrip aperture coupled yang bekerja pada frekeunsi 5,8 GHz. Kirov, G.S. et al (2012) merancang antena mikrostrip

aperture coupled dengan short backfire (reflector) untuk frekuensi Ku-Band. Kaur, M. et al (2013) merancang antena mikrostrip aperture coupled yang mampu menghasilkan dualband (2 GHz dan 5,8 GHz).

Pada penelitian ini, antena mikrostrip pencatuan aperture coupled

dimodifikasi dengan menambahkan celah (gap) udara di antara substrat patch dan

ground plane. Untuk mengetahui lebar bandwidth yang dicapai dari modifikasi tersebut, telah dirancang juga antena mikrostrip aperture coupled konvensional dan antena mikrostrip pencatuan langsung (feedline). Adapun patch yang digunakan adalah persegiempat karena memiliki bentuk yang umum dan sederhana. Perancangan antena didasarkan pada teori yang telah ada dan hasil yang optimum akan diperoleh berdasarkan simulasi menggunakan simulator AWR. Parameter yang dianalisis dari penelitian ini adalah VSWR, return loss,

(21)

1.2 PERUMUSAN MASALAH

Dari uraian latar belakang tersebut di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan yaitu :

1. Parameter-parameter apa saja yang dibutuhkan untuk perancangan antena mikrostrip patch segiempat.

2. Bagaimana teknik pencatuan aperture coupled dengan slot aperture berbentuk segiempat.

3. Bagaimana meningkatkan bandwith pada antena mikrostrip aperture coupled. 4. Bagaimana pengaruh penambahan celah (gap) udara pada antena mikrostrip

aperture coupled sehingga menghasilkan bandwidth yang lebar.

1.3 TUJUAN PENELITIAN

Tujuan Penelitian ini adalah untuk meningkatkan bandwidth antena mikrostrip dengan sebuah formula yaitu sebuah model yang diperoleh dari memodifikasi antena mikrostrip patch segiempat pencatuan aperture coupled

konvensional. Modifikasi tersebut dilakukan dengan cara memberikan sebuah celah (gap) udara di antara substrate patch dan bidang pentanahan (ground plane). Formula tersebut dianalisis dengan metode perhitungan, simulasi dan pengukuran.

1.4 MANFAAT PENELITIAN

Penelitian ini menghasilkan sebuah prototype antena mikrostrip pencatuan

aperture coupled yang mampu memberikan bandwidth yang lebih lebar dibandingkan antena mikrostrip pencatuan aperture coupled yang konvensional. Dari hasil yang telah dicapai, prototype tersebut dapat digunakan untuk aplikasi WiMAX/LTE dan Wifi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pemberian gap udara di antara substrate patch dan bidang pentanahann (ground plane) dapat

(22)

meningkatkan bandwidth pada antena mikrostrip patch segiempat pencatuan

aperture coupled. Teknik ini mungkin dapat juga digunakan untuk aplikasi-aplikasi lain yang membutuhkan bandwidth yang lebar. Penelitian ini juga dapat digunakan sebagai panduan bagi siapa saja yang akan merancang antena mikrostrip dengan menggunakan simulator dan merealisasikannya.

1.5 BATASAN MASALAH

Pembahasan masalah yang dilakukan pada penelitian ini memiliki batasan-batasan sebagai berikut :

1. Hanya membahas antena mikrostrip patch segiempat dengan teknik pencatuan aperture coupled.

2. Proses iterasi dilakukan dengan bantuan simulator AWR 2004.

3. Tidak membahas mekanisme secara terperinci tentang simulator AWR 2004. 4. Jenis substrat yang digunakan adalah FR4 (epoxy) dengan ketebalan 1,6 mm

dan konstanta dielektrik (εr

5. Frekuensi resonansi antena yang digunakan adalah 2,4 GHz. ) sebesar 4,4.

(23)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 ANTENA MIKROSTRIP

Konsep tentang antena mikrostrip pertama sekali diusulkan oleh Deschamps pada tahun 1953, dan mendapatkan hak patennya pada tahun 1955 atas nama Gutton dan Baissinot. Perkembangan yang pesat terhadap antena mikrostrip ini baru terjadi 20 tahun setelahnya yaitu sekitar tahun 1970an. Hal ini disebabkan adanya dukungan berupa ketersediaan bahan substrate yang baik dengan loss tangent yang kecil, kondisi parameter thermal dan mekanik yang menarik, adanya peningkatan di dalam teknik pencetakannya, dan bertambahnya teori tentang model-model antena mikrostrip (Garg et al, 2001).

Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 4 elemen yaitu: elemen peradiasi (patch), elemen substrat (substrate) elemen saluran pencatu (feed line) dan elemen pentanahan (ground plane), seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1 (Rambe, 2012).

Patch

Substrate

Ground plane Feed line

Gambar 2.1 Konfigurasi dasar antena mikrostrip

Elemen peradiasi (patch) merupakan sebuah lempengan bahan konduktor tipis yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara.

(24)

Bentuk patch sangat bervariasi sesuai dengan rancangan yang diinginkan. Bentuk-bentuk yang umum dan sederhana dari patch sepertti segiempat, segitiga, strip (dipole) dan lingkaran dapat dilihat pada Gambar 2.2 (Balanis, 2005).

Gambar 2.2 Representatif Bentuk-Bentuk patch

Elemen substrat (substrate) merupakan bahan dielektrik yang memisahkan antara patch dan bidang pentanahan (ground plane). Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik (εr

Tabel 2.1 Konstanta Bahan Dielektrik

) dan loss tangent. Tabel 2.1 memperlihatkan nilai konstanta dielektrik dan loss tangent dari beberapa jenis bahan dielektrik (Garg et al, 2001).

Jenis Bahan (material) Konstanta

Dielektrik Loss Tangent

Udara 1 0

Foam 1,07 0,0009

Epoxy FR 4 4,4 0,01

RT/Duroid 5880 2,2 0,0009 Polysterene-quartz 2,6 0,0005 Teflon-ceramic 2,3 0,001 Polyolefin-ceramic 3 – 10 0,001 Polyester-ceramic 6 0,017 Silicon 3 – 25 0,0005

Elemen saluran pencatu merupakan saluran yang menghubungkan patch

(25)

Ray (2003) membagi ke dalam 2 (dua) teknik pencatuan yang dikenal yaitu pencatuan langsung (excited directly) dan pencatuan tidak langsung (excited indirectly). Teknik pencatuan langsung yang umum digunakan adalah microstrip

-line feed dan coaxial-line feed. Sedangkan teknik pencatuan tidak langsang antara lain electromagnetically coupled, aperture coupled, dan coplanar waveguide

(Rambe, 2012).

Elemen pentanahan (ground plane) merupakan pembumian bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi.

Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang mempunyai kelebihan dan kekurangan sebagai berikut (James dan Hall, 1989), (Garg et al, 2001),

1. Kelebihan, diantaranya :

a Low-profile dan ringan.

b Low-fabrication : fabrikasi mudah dan murah, dan diproduksi dengan menggunakan teknik printed-circuit.

c Bisa menghasilkan polarisasi sirkular maupun linier.

d Bisa dibuat compact sehingga cocok untuk sistem komunikasi bergerak. e Bisa beropersai pada single, dual, ataupun multiband.

2. Kekurangan, diantaranya : a Bandwidth yang sempit. b Gain yang rendah.

c Struktur pencatuan yang kompleks untuk jenis array.

Berbagai aplikasi komunikasi radio tidak luput dari penggunaan antena ini, seperti perangkat CPE (Costumer Premises Equipment) pada komunikasi bergerak, WLAN, WiMAX, RFID, sistem MIMO dan ultra wideband (UWB) (Rambe, 2012). Peralatan komunikasi bergerak seperti handphone dan notebook

sangatlah membutuhkan antena yang compact dan dapat diintegrasikan dengan komponen lainnya. Sebuah rancangan antena mikrostrip yang dapat diaplikasikan pada sebuah handphone untuk sistem GSM (900MHz), (DCS (1710-1880 MHz),

(26)

PCS (1850-1990 MHz), dan UMTS (1920-2170 MHz) ditunjukkan pada Gambar 2.3 (Park, G. et al, 2008). Rancangan antena mikrostrip tersebut mampu bekerja pada 4 band frekuensi sekaligus (multi band).

Gambar 2.3 Rancangan Antena Mikrostrip pada Handphone

Sebuah rancangan antena mikrostrip pada sebuah notebook diperlihatkan pada Gambar 2.4 (Huang, W. dan Kishk, A. A., 2008). Antena mikrostrip yang berbentuk L ini mampu bekerja untuk sistem Wireless Local Area Network

(WLAN) pada frekuensi 2,4 GHz.

Gambar 2.4 Rancangan Antena Mikrostrip pada notebook

Sebuah aplikasi antena mikrostrip pada tag RFID (Radio Frequency Identification) dapat dilihat pada Gambar 2.5 (Young, L. et al, 2008).

(27)

Gambar 2.5 Aplikasi Antena Mikrostrip pada Sistem RFID

Sebuah rancangan antena mikrostrip yang dapat bekerja pada 3 frekuensi WiMAX yaitu 2,3 GHz, 3,3 GHz dan 5,8 GHz diperlihatkan pada Gambar 2.6 (Zulkifli, F. Y. et al, 2008).

Gamabr 2.6 Antena Mikrostrip untuk Aplikasi WiMAX (2,3 GHz, 3,3 GHz dan 5,8 GHz)

Gambar 2.7 memperlihatkan sebuah rancangan antena mikrostrip yang dapat bekerja pada sistem UWB (ultra wideband) dengan rentang frekuensi 2 – 6 GHz (Lin, S.Y. et al, 2008). Antena ini bekerja dengan sistem MIMO 4 kanal.

(28)

Dari beberapa rancangan antena mikrostrip tersebut dapat dilihat bahwa antena mikrostrip memiliki keunikan yang cukup luas. Berbagai modifikasi baik pada patch, saluran pencatu, substrate dan ground plane dapat dilakukan untuk mendapatkan spesifikasi antena yang diinginkan.

2.2 PARAMETER KINERJA ANTENA MIKROSTRIP

Kinerja (performansi) dari sebuah antena mikrostrip dapat dilihat dari beberapa parameter utamanya yaitu frekuensi resonansi, impedansi input, VSWR (voltage standing wave ratio), return loss, bandwidth, pola radiasi dan gain.

2.2.1 Frekuensi Resonansi

Resonansi dapat diartikan dengan ikut bergetarnya sebuah benda akibat benda lain yang bergetar dengan frekuensi tertentu. Resonansi pada antena merupakan peristiwa ikut bergetarnya sebuah antena akibat adanya getaran (frekuensi radio) yang ada di sekitarnya. Frekuensi resonansi ini dapat disebut juga sebagai frekuensi kerja dari antena.

2.2.2 Impedansi Input

Impedansi input (Zin) adalah impedansi pada terminal masukan antena atau rasio tegangan terhadap arus pada terminal input atau perbandingan komponen-komponen bersesuaian dari medan elektrik terhadap medan magnetik pada sebuah titik. Impedansi masukan terdiri dari komponen real (Rin) dan komponen imajiner (Xin

in in in

Z =R + jX

). Impedansi masukan dituliskan sebagai berikut :

(Ohm) (2.1) Dimana: Zin

= impedansi antena in

= resistansi antena in = reaktansi antena

(29)

Kondisi matching terjadi ketika besar impedansi input antena sama dengan besar impedansi karakteristik saluran transmisi.

2.2.3 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

VSWR adalah perbandingan amplitudo tegangan antara gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dan minimum (|V|min

1 1

VSWR= + Γ − Γ

). Secara khusus, VSWR dapat dinyatakan dengan persamaan (Wadell, 1991), (Volakis, 2007) :

(unitless) (2.2)

Dimana Γ merupakan koefisien rerfleksi tegangan yang memiliki nilai kompleks dan merepresentasikan besarnya magnitude dan fasa refleksi. Refleksi tegangan terjadi akibat tidak sesuainya impedansi saluran transmisi dan impedansi beban terminasi yang dinyatakan sebagai (Wadell, 1991) :

0 0 L L Z Z Z Z − Γ =

+ (unitless) (2.3)

Di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0

•

adalah impedansi karakteristik saluran. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian

imajiner dari Γ adalah nol, maka (Wadell, 1991) :

Γ = − 1

•

: refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat (short circuit), VSWR = ∼ : 1.

Γ = 0

•

: tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan sesuai sempurna (perfect match), VSWR = 1 : 1.

Γ = + 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka (open circuit), VSWR = ∼ : 1.

Kondisi yang paling baik adalah ketika tidak ada refleksi gelombang tegangan yang berarti bahwa saluran dalam keadaan sesuai sempurna (perfect match) sehingga VSWR bernilai 1 : 1. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang masih memungkinkan untuk

(30)

digunakan adalah < 2 yaitu pada saat | Γ| bernilai 1/3 atau pada saat ZL= 2 Z0.

(Volakis, 2007).

2.2.4 Return Loss

Return loss merupakan koefisien refleksi dalam bentuk logaritmik yang menunjukkan daya yang hilang karena beban dan saluran transmisi tidak

matching. Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara impedansi saluran transmisi dengan impedansi masukan beban. Sehingga tidak semua daya dapat diradiasikan dan terdapat daya yang dipantulkan balik. Return loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

20 log | |

return loss

= −

Γ

(dB) (2.4)

Atau

1 20 log

1 VSWR

return loss

VSWR

+

= −

−

(dB) (2.5)

Apabila nilai VSWR < 2, maka dengan menggunakan persamaan di atas akan didapatkan nilai return lossnya lebih kecil dari – 9,54 dB.

2.2.5 Bandwidth

Bandwidth didefenisikan sebagai rentang frekuensi kerja dari suatu antena. Nilai bandwidth dapat diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas sudah diketahui. Frekuensi bawah (fb) adalah nilai frekuensi awal dari frekuensi

kerja antena, sedangkan frekuensi atas (fa

) merupakan nilai frekuensi akhir dari frekuensi kerja antena. Bandwidth secara umum dapat dinyatakan sebagai (Volakis, 2007) :

a b

bandwidth

= −

f

(Hz) (2.6) Frekuensi tengah (f0) dari sebuah bandwidth dapat dinyatakan sebagai

(31)

2

a b

f

=

−

(Hz) (2.7)

Bandwidth dapat juga dinyatakan dalam bentuk persentase yang dirumuskan sebagai berikut (Volakis, 2007) :

100%

a b

f f

bandwidth f −

= × (%) (2.8)

dengan: fa f

= frekuensi atas dalam band (Hz)

b f

= frekuensi bawah dalam band (Hz)

Gambar 2.8 mengilustrasikan sebuah bandwidth yang diperoleh berdasarkan grafik VSWR versus frekuensi dari nilai standar VSWR yaitu ≤ 2.

= frekuensi tengah dalam band (Hz),

Gambar 2.8 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth

2.2.6 Pola Radiasi

Pola radiasi (radiation pattern) adalah fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan flux, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Biasanya sifat dari radiasi yang sangat dipentingkan adalah persebaran secara tiga dimensi atau dua dimensi dari energi yang diradiasikan antena. Contoh gambaran dari pola radiasi antena secara tiga dimensi dan dua dimensi dapat dilihat dari Gambar 2.9 (Balanis, 2005).

(32)

(a) Tampilan tiga dimensi (b) Tampilan dua dimensi Gambar 2.9 Pola radiasi antena

Sebuah pola radiasi memiliki beberapa bagian yaitu main lobe (berkas pancaran utama), side lobe (berkas pancaran pada sisi-sisi) dan backlobe (berkas pancaran ke arah belakang). Besar arah pancaran radiasi maksimum dari sebuah antena dinyatakan sebagai HPBW (half power beamwidth) yaitu sudut di antara titik setengah daya (atau – 3dB) dari main lobe (Balanis, 2005).

2.2.7 Gain

Secara umum, gain merupakan perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena dengan intensitas radiasi maksimum antena referensi yang daya inputnya sama. Hal ini dapat dituliskan dengan rumus (Balanis, 2005) :

mr U G

= (2.9) dimana :

G = gain

(33)

Umr = intensitas radiasi maksimum antena referensi dengan daya input

yang sama

Gain dapat dinyatakan sebagai perkalian dari efisiensi radiasi dan direkstivitas yaitu (Stutzman, 1981) :

G= ⋅e D (2.10) Dimana direktivitas (D) merupakan keterarahan intensitas radiasi antena dan e merupakan efisiensi radiasi yang muncul akibat adanya rugi-rugi ohmic dari struktur antena.

Secara umum, hubungan antara direktivitas dan gain terhadap dimensi fisik dari antena dapat dinyatakan dengan (Stutzman, 1981), (Huang dan Boyle, 2008) :

D

4

₂

A

π

λ

=

(2.11)

G

4

₂

A

π

λ

=

(2.12) dengan : Ae =

ε

ap⋅Ap

0≤

ε

_ap≤1 (2.13) Dimana : Ap

= Aperture fisik antena

= Aperture efektif antena

ap = efisiensi aperture antena

2.3 ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT

Patch berbentuk segiempat (rectangular) merupakan bentuk yang paling sederhana dan umum digunakan pada antena mikrostrip. Bentuk ini memiliki dimensi panjang (L) dan lebar (W). Gambar 2.10 menunjukkan bagian-bagian dari sebuah antena mikrostrip patch segiempat.

(34)

Patch Substrate Ground plane W L h

(εR)

Gambar 2.10 Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Panjang dan lebar dari patch segiempat ini merupakan parameter utama untuk mendapatkan frekuensi resonansi yang diinginkan. Dimana ukuran keduanya dipengaruhi oleh ketebalan (h) dan nilai konstanta dielektrik (εr

(

)

2 2 r r c W f ε = + ) dari substrate yang digunakan. Lebar patch dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (James dan Hall, 1989), (Balanis, 2005) :

(2.14)

Dimana c adalah kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di ruang bebas yaitu sebesar 3x108 m/det, fr adalah frekuensi resonansi dari antena dan εr

adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat. Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) dirumuskan sebagai (James dan Hall, 1989), (Balanis, 2005):

eff

L=L − ∆L (2.15)

Dimana Leff

merupakan panjang patch efektif yang dapat ditentukan dengan (Balanis, 2005), (Hamad, 2012) :

2 eff r reff c L f ε

= (2.16) Dan ∆L adalah perbedaan panjang antara L dan Leff yang dirumuskan

(35)

(

)

(

)

0.3 0.264 0.412 0.258 0.8 reff reff W h L h W h ε ε   + _ + _   ∆ =   − _ + _   (2.17)

Dengan εreff

adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai (Hamad, 2012) :

1 1 1

2 2 1 12

r r

reff

h W

ε ε

ε = + + − _ _

 

(2.18)

Persamaan-persamaan tersebut masih memiliki deviasi terhadap rancangan aktualnya. Hal ini disebabkan antara lain nilai toleransi konstanta dielektrik, keseragaman tebal bahan dielektrik dan ketidak-akuratan fabrikasi (etching) terhadap ukuran panjang dan lebar patch (Garg et al, 2001).

Impedansi input (Zin

) antena mikrostrip patch segiempat diaproksimasikan sebagai (Huang dan Boyle, 2008) :

2 2 90 1 r in r L Z W ε

ε  

≈ _ _

−   (Ohm) (2.19)

Secara formula, bandwidth yang dapat dicapai oleh antena mikrostrip

patch segiempat untuk VSWR < 2 adalah (Huang dan Boyle, 2008) :

₂ ₂ 0 1 1 16 3, 77 3 2 r r r r

f Lh Lh

f W W

ε ε

ε λ ε λ

− −

∆ ₌ _≈

(2.20.a)

Patil V. P. (2012) mengungkapkan bahwa aproksimasi perhitungan

bandwidth antena mikrostrip patch segiempat dapat dihitung dengan :

% 180. o r h W BW L λ ε

= (2.20.b)

Huang dan Boyle (2008) menyatakan bahwa semakin besar nilai W, maka akan semakin besar juga nilai direktivitas antena mikrostrip. Maksimum nilai direktivitas antena mikrostrip tersebut dinyatakan sebagai (Huang dan Boyle, 2008) :

(36)

0 0

6, 6 8, 2 ,

8 / ,

dBi W D W W λ λ λ =  =   ฀

฀ (2.21)

Gain antena mikrostrip patch segiempat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

4₂ ( )

G π L W

= × (2.22)

dengan g 0 r

λ λ

= (2.23)

Dimana λ0 merupakan panjang gelombang pada frekuensi resonansi (fr).

2.4 TEKNIK PENCATUAN APERTURE COUPLED

Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Terdapat berbagai konfigurasi teknik yang telah dikembangkan yang masing-masingnya tentu memiliki kelebihan dan kekurangan. Untuk mendapatkan bandwidth yang lebar, salah satu teknik yang dapat digunakan adalah dengan teknik pencatuan aperture coupled. Arsitektur teknik pencatuan ini ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Slot Aperture h2 Saluran Pencatu Patch h1 Substrat-1 Ground plane Substrat-2

(37)

Pada konfigurasi teknik pencatuan aperture copled, terdapat sebuah slot pada ground plane yang untuk mengkopel patch dari saluran pencatu. Bentuk, ukuran, dan lokasi penempatan slot aperture dapat mempengaruhi pengkopelan tersebut, begitu juga dengan tinggi substrat yang digunakan dapat bervariasi dengan susunan yang berlapis-lapis (multilayer) (Kumar et al, 2003).

Teknik pencatuan jenis ini pertama sekali dibuat pada tahun 1985 yang bertujuan untuk meningkatkan bandwidth dari antena mikrostrip. Dengan pengoptimalan beberapa parameter termasuk dimensi slot aperture, maka dapat dicapai bandwidth mendekati 70 % (Kumar et al, 2003). Untuk menentukan dimensi slotaperture dari teknik pencatuan ini dapat digunakan Persamaan 2.24 dan 2.25 (Abdel-rahman, 2005).

Panjang slot aperture (La

(0,1 0, 2)

= −

L λ (2.24)

Lebar slot aperture (Wa

a = 0,10La (2.25)

2.5 MODEL ANALISIS

Untuk menganalisis sebuah antena mikrostrip diperlukan suatu pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena tersebut ke dalam sebuah kondisi persamaan. Berbagai pemodelan untuk antena mikrostrip telah banyak dikembangkan dan satu diantaranya yang populer adalah model saluran transmisi (transmission line model). Gambar 2.12 memperlihatkan konstruksi fisik sebuah antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled dan Gambar 2.13 memperlihatkan rangkaian ekivalennya dengan model analisis saluran transmisi (Garg et al, 2001), (Deb et al, 2011).

(38)

W L

Gambar 2.12 Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan pencatuan Aperture Coupled

Bopen Bopen

Gr n1

L1 L2

Y0 , β Z1 Z2 Y0 , β

Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Model Saluran Transmisi dari Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan pencatuan ApertureCoupled

Pada rangkaian ekivalen tersebut, pengkoplingan patch oleh slot aperture

dimodelkan sebagai sebuah transformator dengan nilai rasio lilitan n1

(Garg et al, 2001) :

1 = La Dimana L

/ W (2.26)

a adalah panjang slot aperture dan W adalah lebar patch. Adapun patch direpresentasikan sebagai 2 buah impedansi (Z1 dan Z2

) karena slot aperture tepat berada ditengah patch. Impedansi patch dapat dinyatakan sebagai (Garg et al, 2001) :

(39)

Dimana Y1 dan Y2 merupakan admitansi dari impedansi Z1 dan Z2. Impedansi masukan (Zin

) dari saluran pencatu dinyatakan sebagai (Deb et al, 2011) : 2 2 0 2 1 cot( ) in s patch ap n

Z jZ L

n Y Y β

= −

⋅ + (2.28)

Dimana Ypatch adalah admitansi patch, Z0 dan β masing-masing adalah impedansi karakteristik dan konstanta fasa dari saluran pencatu. Ls merupakan panjang stub yaitu pertambahan panjang saluran pencatu. Sedangkan n2 adalah nilai rasio lilitan transformator yang merepresentasikan pengkoplingan patch oleh saluran pencatu yang dinyatakan sebagai (Garg et al, 2001) :

0 0 2

2 2 2

2 1 1 1

2 1

1 1 2 1

( / 2) ( / 2)

cos sin

S f a f rf

S f rf

J W J W k

k k h k k h

β β β ε

β β ε

β  = _ + _ −  + _ + _ (2.29)

Dimana J0

merupakan fungsi Bessel untuk order-nol, dan parameter lainnya dinyatakan sebagai (Garg et al, 2001) :

1 0 rf res ref

k =k

ε

−

ε

−

ε

(2.30)

k2 =k0

ε

res−

ε

ref −1 (2.31)

β

s =k0

ε

res (2.32) β_f =k₀ ε_ref (2.33) Dimana εrf merupakan konstanta dielektrik dari substrate saluran pencatu (feed substrate), εref = konstanta dielektrik efektif feed substrate, εres = konstanta dielektrik efektif stub. βs = konstanta redaman saluran stub dan βf

Admitansi aperture (Y

= konstanta redaman saluran feed.

ap) dan return loss (S11) dapat diperoleh dengan persamaan (Garg et al, 2001), (Deb et al, 2011) :

(40)

(2.34)

(2.35)

Dimana Yos merupakan admitansi karakteristik stub dan La adalah panjang

slot aperture. Z0 adalah impedansi karakteristik saluran pencatu.

2.6 SALURAN MIKROSTRIP

Saluran mikrostrip (microstrip line) merupakan saluran transmisi yang bentuk fisiknya bersifat kaku (rigid). Saluran jenis ini biasanya digunakan untuk bekerja pada daerah frekuensi gelombang mikro (orde GHz) dan digunakan untuk menghubungkan piranti-piranti elektronik yang berjarak dekat. Saluran mikrostrip biasanya dibuat dalam bentuk PCB dengan bahan khusus yang mempunyai rugi-rugi rendah pada frekuensi gelombang mikro. Bentuk fisik dan pola medannya dapat dilihat pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Konstruksi dan pola medan microstrip

Impedansi karakteristik dari saluran mikrostrip untuk lebar saluran yang sempit dengan w/h≤ 2 dapat dinyatakan sebagai (Fooks dan Zakarevicius, 1990) :

(41)

dan untuk w/h ≥ 2 :

0 2

1 1

376, 7

0,8825 0,1645 1, 4516 ln 0, 94

2 r r r r r w w Z h h ε ε ε πε ε −   −  +    = _ + + _ _+ _ + _ + ___      

  (2.37)

Dimana : h = ketebalan bahan dielektrik [m]

w = lebar konduktor mikrostrip [m]

εr = konstanta bahan dielektrik

2.7 BAHAN DIELEKTRIK SUBSTRAT

Pada antena mikrostrip, bahan dielektrik substrat merupakan komponen yang cukup penting. Berbagai parameter antena mikrostrip seperti ukuran patch

dan lebar saluran pencatu sangat bergantung dari nilai konstanta bahan dielektriknya. Salah satu perhitungan yang terkait padanya nilai konstanta bahan dielektrik adalah perhitungan nilai kapasitansi. Susunan antena mikrostrip yang berupa patch, substrat, dan ground plane merupakan sebuah kapasitor keping sejajar seperti dipelihatkan pada Gambar 2.15.

Pelat konduktor

Gambar 2.15 Kapasitor Keeping Sejajar

Nilai kapasitansi dari keping sejajar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Hayt, 1989) :

o rA

C d

ε ε

(42)

Dimana : εo = permitivitas udara = 8,854 x 10-12

F/m

A = luas permukaan kepingan

= permitivitas relatif bahan (konstanta dielektrik bahan)

d = jarak antar kepingan

Susunan bahan dielektrik rangkap bertingkat seperti diperlihatkan pada Gambar 2.16 menghasilkan nilai kapasitansi dengan dua kapasitor yang dipasang seri.

Pelat konduktor

ε1 d2 ε2

Gambar 2.16 Kapasitor Keping Sejajar dengan Dua Jenis Bahan Dielektrik

Nilai kapasitansi dari dua kapasitor yang dipasang seri dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Hayt, 1989) :

1 2

1 1 1

C C

+ (2.39)

dimana C1 = ε1.A/d1 dan C2 = ε2.A/d2

(43)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN

Penelitian ini terdiri atas 4 (empat) tahapan. Tahapan pertama adalah studi literatur, yaitu mempelajari berbagai sumber informasi yang terkait dengan penelitian berupa buku teks, tulisan atau jurnal publikasi dan laporan penelitian. Hal ini dilakukan di perpustakaan/ruang baca dan Sebagian besar sumber informasi tersebut diperoleh melalui jaringan Internet. Tahapan kedua merupakan simulasi yaitu melakukan pemodelan dan analisis dengan menggunakan komputer. Simulator yang digunakan adalah Simulator AWR versi 2004 dengan spesifikasi umum dapat dilihat pada Lampiran C. Tahapan ketiga adalah fabrikasi yaitu pencetakan antena yang dilakukan dengan menggunakan jasa perusahaan pembuat rangkaian PCB di Bandung. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan cetakan yang lebih presisi karena menggunakan sistem komputer. Sedangkan tahapan keempat yaitu pengukuran yang dilakukan di Laboratorium Telekomunikasi Departemen Teknik Elektro FT USU dengan alat ukur Network Analizer. Waktu yang digunakan untuk melakukan penelitian ini adalah 12 (dua belas) bulan yaitu Oktober 2012 – September 2013.

3.2 ALAT DAN BAHAN

Peralatan dan bahan yang dibutuhkan untuk penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Untuk tahap studi literatur, bahan yang dibutuhkan adalah buku dan jurnal referensi. Dalam hal ini, jaringan Internet sangatlah berperan untuk

(44)

mendapatkan jurnal-jurnal publikasi yang up to date yang terkait dengan penelitian.

2. Untuk tahap simulasi : perangkat keras personal computer dengan prosesor

quad-core RAM 2 GB, perangkat lunak Simulator AWR, Microsoft Office Excel dan Microsoft Office Visio 2003.

3. Untuk tahap fabrikasi : substrate FR4 double side, substrate FR4 single side, busa (foam) dan spacerplastic yang kecil dan tipis.

4. Untuk tahap pengukuran : solder, timah putih, SMA conector female dan

Network Analyzer yang memiliki 2 buah port.

3.3 PERANCANGAN

Secara garis besar, terdapat 3 (tiga) rancangan yang digunakan pada penelitian ini, yaitu rancangan antena mikrostrip patch segiempat konvensional yaitu dengan pencatuan langsung berupa saluran mikrostrip, antena mikrostrip

patch segiempat dengan pencatu aperture coupled dan antena mikrostrip patch

segiempat pencatuan aperturecoupled dengan gap udara di antara substrat patch

dan ground plane. Rancangan-rancangan tersebut digunakan untuk mengetahui karakteristik-karakteristik yang telah dicapai dan membandingkannya.

3.3.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional

Parameter-parameter yang diperlukan untuk rancangan antena mikrostrip dengan patch yang berbentuk segiempat konvensional ini adalah lebar dan panjang patch serta lebar saluran pencatu. Proses yang dilakukan untuk mendapatkan rancangan antena mikrostrip dengan pencatuan saluran mikrostrip dapat digambarkan dengan sebuah diagram alir seperti diperlihatkan pada Gambar 3.1.

(45)

Mulai

Menentukan frekuensi kerja dan jenis substrate

Selesai Menghitung panjang dan

lebar patch

Menghitung lebar saluran pencatu (Wf)

Rancangan antena patch

segiempat konvensional

Gambar 3.1 Diagram Alir Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional

Berdasarkan diagram alir tersebut, tahapan perancangan antena patch

segiempat dengan pencatu saluran mikrostrip ini dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Menentukan jenis substrat dan frekuensi kerja

Pada rancangan ini, frekuensi yang digunakan adalah frekuensi yang umum untuk komunikasi broadband wireless yaitu 2,4 GHz. Adapun jenis substrat yang digunakan adalah FR4 (evoksi) dengan konstanta dielektrik (εr

2. Perhitungan dimensi patch

) sebesar 4,4 dan ketebalan 1,6 mm.

Dengan menggunakan Persamaan (2.14) hingga (2.18) dimana nilai parameter c = 3 x 108 m/det, fr = 2,4 GHz, h = 1,6 mm, dan εr = 4,4 diperoleh

panjang (L) dan lebar (W) patch masing-masing adalah 28,44 mm dan 38,04 mm. Untuk penyederhanaan dan penyesuaian grid pada simulator, ukuran panjang dan lebar patch dibulatkan menjadi 28 mm dan 38 mm.

(46)

3. Perhitungan lebar saluran pencatu

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan merupakan saluran transmisi mikrostrip yang memiliki nilai impedansi karakteristik sebesar 50 Ω. Dengan menggunakan Persamaan (2.36) diperoleh lebar saluran pencatu untuk impedansi tersebut adalah 3,058816 mm yang dibulatkan menjadi 3 mm. Dengan pembulatan tersebut nilai impedansi dari saluran pencatu menjadi 50,59 Ohm. Kelebihan 0,59 Ω ini masih dapat ditolerir.

Berdasarkan perhitungan-perhitungan tersebut maka diperoleh sebuah rancangan antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan langsung berupa saluran mikrostrip seperti diperlihatkan pada Gambar 3.2.

Patch

28 mm

38 mm

Saluran mikrostrip

Wl = 3 mm

(a). Tampilan Atas

1,6 mm FR4

Patch

Saluran mikrostrip

(b). Tampilan Samping FR4

(47)

3.3.2 Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan Pencatuan Aperture Coupled

Parameter-parameter yang diperlukan untuk rancangan antena mikrostrip dengan patch yang berbentuk segiempat dengan pencatuan aperture coupled

adalah lebar dan panjang patch, lebar dan panjang slot aperture, serta lebar saluran pencatu. Proses yang dilakukan untuk mendapatkan rancangan antena mikrostrip dengan pencatuan aperturecoupled dapat digambarkan dengan sebuah diagram alir seperti diperlihatkan pada Gambar 3.3.

Mulai

Menentukan frekuensi kerja

dan jenis substrate

Selesai Menghitung panjang dan

lebar patch

Menghitung lebar saluran

pencatu (Wf)

Rancangan antena patch

segiempat konvensional Menghitung panjang dan

lebar slot aperture

Gambar 3.3 Diagram Alir Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled

(48)

Tahapan perancangan antena patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled ini dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Menentukan jenis substrat dan frekuensi kerja. Penentuan ini sama seperti pada rancangan antena mikrostrip patch segiempat konvensional, yaitu jenis substrat yang digunakan adalah FR4 (evoksi) dengan konstanta dielektrik (εr

2. Perhitungan dimensi patch sama seperti pada rancangan antena mikrostrip

patch segiempat konvensional, yaitu diperoleh panjang (L) dan lebar (W)

patch masing-masing adalah 28 mm dan 38 mm.

) sebesar 4,4 dan ketebalan 1,6 mm serta frekuensi kerja 2,4 GHz.

3. Perhitungan lebar saluran pencatu, sama juga seperti pada rancangan antena mikrostrip patch segiempat konvensional dimana lebar saluran pencatu hasil pembulatan yang digunakan adalah 3 mm.

4. Perhitungan dimensi slot aperture. Slot aperture yang digunakan adalah berbentuk persegi panjang yang diletakkan tepat di tengah bawah dari patch. Dimensinya diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.24) dan (2.25) dimana λ0 = 0,125 meter yang merupakan panjang gelombang frekuensi kerja

yang diinginkan dari antena yaitu sebesar 2,4 GHz. Sehingga panjang slot

(La) adalah 0,2 x 0,125 x 1000 = 25 mm dan lebar slot (Wa

Berdasarkan perhitungan-perhitungan tersebut maka diperoleh sebuah rancangan antena mikrostrip patch segiempat pencatuan aperture coupled seperti diperlihatkan pada Gambar 3.4.

) adalah 0,1 x 25 = 2,5 mm (dibulatkan menjadi 3 mm untuk menyesuaikan grid pada simulator).

(49)

(a). Tampilan atas

38 mm

28 mm

Wf= 3 mm

= 25 mm

Patch

Wa= 3 mm

FR4

(b). Tampilan samping FR4 FR4

Patch

1,6 mm 1,6 mm

Gambar 3.4 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan

Aperture Coupled

3.3.3 Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled dengan Gap Udara di Antara Substrat patch dan Ground plane

Parameter-parameter yang diperlukan untuk rancangan antena mikrostrip dengan patch segiempat pencatuan aperture coupled dengan gap udara adalah sama seperti pada pencatuan aperture coupled yaitu lebar dan panjang patch, lebar dan panjang slot aperture, serta lebar saluran pencatu. Perbedaannya adalah pada rancangan ini terdapat gap udara di antara substrat patch dan ground plane

(50)

(a). Tampilan atas

38 mm

28 mm

Wf = 3 mm

= 25 mm

Patch

Wa = 3 mm

FR4

(b). Tampilan samping FR4

FR4 Patch

1,6 mm

1,6 mm Udara

Gambar 3.5 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled dengan Gap Udara

3.4 PELAKSANAAN PENELITIAN

Kegiatan penelitian ini merupakan sebuah studi analisis tentang antena mikrostrip patch segiempat pencatuan aperture coupled dengan penambahan gap

udara di antara substrat atas dan bawah. Pencatuan aperture coupled dikenal sebagai salah satu teknik untuk memperlebar bandwidth. Dengan penambahan

gap udara akan diperoleh peningkatan bandwidth yang lebih lebar. Analisis yang dilakukan terhadap rancangan berupa simulasi, fabrikasi dan pengukuran, serta pembuatan model metematis dengan pendekatan model saluran transmisi.

Pada perancangan awal, ukuran fisik antena ditentukan berdasarkan persamaan teoritis. Rancangan teoritis tersebut selanjutnya disimulasikan dengan

(51)

menggunakan simulator AWR. Pada simulasi ini dilakukan beberapa iterasi untuk mendapatkan rancangan yang optimal dari antena mikrostrip. Rancangan yang optimal adalah rancangan yang memberikan nilai VSWR ≤ 2 dengan nilai VSWR minimum tepat berada pada frekuensi resonansi yang diinginkan (yaitu 2,4 GHz) serta memiliki nilai parameter bandwidth dan gain yang terbaik. Rancangan antena yang memberikan hasil yang optimal selanjutnya difabrikasi. Untuk mendapatkan hasil yang lebih presisi, fabrikasi dilakukan secara komputerisasi pada sebuah perusahaan pencetakan papan PCB di Bandung. Setelah difabrikasi, antena yang telah dihasilkan diukur menggunakan Vector Network Analyzer

(VNA) merk Anritsu MS 2034B yang memiliki 2 buah port di Laboratorium Telekomunikasi Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan. Paramater antena yang akan diukur pada laboratorium tersebut adalah return loss, VSWR, pola radiasi, dan gain. keempat parameter antena yang akan diukur ini dikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu pengukuran port tunggal (untuk mengukur VSWR dan return loss), pengukuran

port ganda (untuk mengukur pola radiasi dan gain).

Pengukuran port tunggal merupakan pengukuran parameter sebuah antena tanpa melibatkan antena lain sebagai pemancar atau penerima. Konfigurasi pengukuran port tunggal terlihat pada Gambar 3.6.

Port 2 _{Antena dipasang} pada port 1 Network Analyzer

Gambar 3.6 Konfigurasi pengukuran port tunggal

Pada pengukuran port ganda digunakan dua buah port yaitu port-1 dan

(52)

selain dari antena yang ingin diukur dan harus memiliki frekuensi kerja yang sama. Antena yang ingin diukur dihubungkan dengan port 2 dan antena lain tersebut dihubungkan dengan port 1. Konfigurasi pengukuran port ganda diperlihatkan pada Gambar 3.7.

port-1 port-2

Tx Rx

Gambar 3.7 Konfigurasi pengukuran port ganda

3.5 VARIABEL YANG DIAMATI

Variabel yang akan diamati dari penelitian ini adalah ukuran patch dan

aperture, jarak gap udara, dan ukuran ground plane. Hasil yang optimal dari variabel-variabel tersebut diperoleh berdasarkan pencapaian parameter kinerja antena berupa VSWR ≤ 2 dan return loss ≤ -9,54 dB dengan bandwidth yang paling lebar, pola radiasi dan gain yang paling maksimum.

(53)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 HASIL SIMULASI

Berdasarkan rancangan antena mikrostrip yang telah dilakukan pada Subbab 3.3, selanjutnya dilakukan pemodelan dan simulasi dengan menggunakan simulator AWR. Pada subbab ini akan dibahas hasil simulasi yang telah dilakukan.

4.1.1 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional Gambar 4.1 menunjukkan grafik VSWR hasil simulasi rancangan awal yang merupakan hasil rancangan berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan pada Subbab 3.3.1. Untuk penyesuaian grid pada simulator, dilakukan pembulatan menjadi L = 28 mm dan W = 38 mm.

Gambar 4.1 Hasil Simulasi Rancangan Awal Antena Mikrostrip Patch

(54)

Dari hasil simulasi tersebut dapat dilihat bahwa frekuensi tengah dari resonansi yang dihasilkan adalah 2,52 GHz dengan VSWR sebesar 3,519. Sedangkan pada frekuensi resonansi yang diharapkan yaitu pada 2,4 GHz, diperoleh VSWR sebesar 8,19. Hal ini masih jauh dari spesifikasi yang diharapkan yaitu VSWR ≤ 2. Untuk mendapatkan rancangan yang optimal maka dilakukan iterasi dengan mengubah beberapa nilai parameter hasil perhitungan. Proses iterasi ini dapat digambarkan dengan sebuah diagram alir seperti diperlihatkan pada Gambar 4.2.

Mulai

Rancangan awal (hasil perhitungan)

Simulasi dengan AWR

simulator

Apakah hasil telah optimal ?

Selesai

tidak

Analisis dan optimasi dengan mengatur

ukuran patch, letak saluran pencatu, dan

penggunaan stub

Rancangan antena yang optimal

Gambar 4.2 Diagram Alir Proses Iterasi untuk Mendapatkan Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional

(55)

Proses iterasi yang dilakukan dengan menggunakan simulator AWR

bertujuan untuk mendapatkan parameter kinerja yang optimal dari rancangan yaitu nilai VSWR yang paling mendekati 1 pada frekuensi resonansi yang diharapkan yaitu 2,4 GHz. Hal yang dapat dilakukan untuk mendapatkan rancangan optimal adalah dengan kombinasi pengaturan antara ukuran patch, letak titik pencatuan dan penggunaan stub sebagai penyesuai impedansi. Data hasil iterasi dapat dilihat pada Lampiran A.1.

Hasil yang optimal dari rancangan antena mikrostrip patch segiempat konvensional dengan pengaturan terhadap ukuran patch dan letak titik pencatuan (tanpa penggunaan stub) untuk parameter VSWR diperlihatkan pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3 Grafik VSWR Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional tanpa Stub

Dari hasil simulasi tersebut dapat dilihat bahwa VSWR yang terbaik hanya mencapai 1,7187. Frekuensi atas dan bawah untuk nilai VSWR ≤ 2 masing-masing adalah 2,4305 GHz dan 2,3684 GHz. Dari nilai VSWR ini dapat diketahui bahwa bandwidth yang dicapai dari rancangan adalah sebesar :

2, 4305 2,3684 0,0621 62,1

atas bawah

bandwidth

=

f

−

f

=

GHz

−

GHz

=

GHz

=

MHz

atau

2, 4364 2,3656

100% 2,95 % 2, 4

GHz GHz

bandwidth

GHz −

(56)

Hasil ini masih dapat ditingkatkan dengan penggunaan stub sebagai penyesuai impedansi (matching impedance). Data hasil iterasi pengaturan stub

dapat dilihat pada Lampiran A.2. Grafik VSWR yang dapat dicapai dengan menggunakan sebuah single stub diperlihatkan pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Grafik VSWR Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

Dari Gambar 4.4 tersebut dapat dilihat bahwa nilai VSWR yang diperoleh pada frekuensi 2,4 GHz adalah 1,086. Frekuensi atas dan bawah untuk nilai VSWR ≤ 2 masing-masing adalah 2,4364 GHz dan 2,3656 GHz. Dari nilai VSWR ini dapat diketahui bahwa bandwidth yang dicapai dari rancangan adalah sebesar :

2, 4364 2,3656 0,0708 70,8

atas bawah

bandwidth

=

f

−

f

=

GHz

−

GHz

=

GHz

=

MHz

atau

2, 4364 2,3656

100% 2,95 % 2, 4

GHz GHz

bandwidth

GHz −

= × =

Untuk parameter return loss dan pola radiasi yang dihasilkan dari rancangan tersebut masing-masing diperlihatkan pada Gambar 4.5 dan 4.6.

(57)

Gambar 4.5 Hasil Simulasi Return Loss Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

Gambar 4.6 Hasil Simulasi Pola Radiasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Konvensional dengan Single Stub

Dari Gambar 4.5 dapat dilihat bahwa nilai return loss yang diperoleh pada frekuensi 2,4 GHz adalah -27,66 dB. Frekuensi atas dan bawah untuk nilai return loss ≤ -10 dB masing-masing adalah 2,4347 GHz dan 2,367 GHz. Dan dari

(58)

Gambar 4.6 dapat dilihat bahwa pola radiasi yang dihasilkan memiliki beamwidth

sekitar 78o dan magnitude tertinggi sebesar 6,179 dB pada sudut 0o. Adapun geometri hasil rancangan yang memberikan nilai optimum tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.7.

Patch 29 40 3 57 60 9 17 Saluran mikrostrip Patch FR4 Patch 29 40 3 Stub 70 60 31 27 9 11 4 Saluran mikrostrip Patch FR4

(a) tanpa Stub (b). dengan Single Stub

Gambar 4.7 Geometri Hasil PerancanganOptimum Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Konvensional

4.1.2 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture Coupled Konvensional

Gambar 4.8 menunjukkan grafik VSWR hasil simulasi rancangan awal antena mikrostrip patch segiempat aperture coupled yang merupakan hasil rancangan berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan pada Subbab 3.3.2.

Dari hasil simulasi tersebut dapat dilihat bahwa nilai VSWR terendah yang diperoleh sebesar 2,767 pada frekuensi 4,3 GHz. Sedangkan pada frekuensi resonansi yang diharapkan yaitu pada 2,4 GHz, diperoleh VSWR mencapai 20,81. Hal ini masih jauh dari spesifikasi yang diharapkan yaitu ≤ 2. Untuk mendapatkan rancangan yang optimal maka dilakukan iterasi dengan mengubah beberapa nilai parameter hasil perhitungan. Proses iterasi ini dapat digambarkan dengan sebuah diagram alir seperti diperlihatkan pada Gambar 4.9.

(59)

Gambar 4.8 Hasil Simulasi Rancangan Awal Antena Mikrostrip Patch

Segiempat Aperture Coupled

Mulai

Rancangan awal (hasil perhitungan)

Simulasi dengan AWR

Simulator

Apakah hasil telah optimal ?

Selesai

tidak

Analisis dan optimasi dengan mengatur

ukuran patch, ukuran slot aperture, dan

panjang saluran pencatu

Rancangan antena yang optimal

Gambar 4.9 Diagram Alir Proses Iterasi untuk Mendapatkan Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Aperture Coupled Konvensional

(60)

Proses iterasi yang dilakukan dengan menggunakan simulator AWR ini bertujuan untuk mendapatkan parameter kinerja yang optimal dari rancangan yaitu nilai VSWR yang paling mendekati 1 pada frekuensi resonansi yang diharapkan yaitu 2,4 GHz. Hal yang dapat dilakukan untuk mendapatkan rancangan optimal adalah dengan kombinasi pengaturan antara ukuran patch, slot aperture dan panjang saluran pencatu. Data hasil iterasi dapat dilihat pada Lampiran A.3.

Hasil VSWR yang optimal dari rancangan antena mikrostrip patch

segiempat aperturecoupled konvensional diperlihatkan pada Gambar 4.10.

Gambar 4.10 Hasil Simulasi VSWR Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Aperture Coupled konvensional

Dari Gambar 4.10 dapat dilihat bahwa nilai VSWR yang diperoleh pada frekuensi 2,4 GHz adalah 1,146. Frekuensi atas dan bawah untuk nilai VSWR ≤ 2 masing-masing adalah 2,4429 GHz dan 2,359 GHz. Dari nilai VSWR ini dapat diketahui bahwa bandwidth yang dicapai dari rancangan adalah sebesar :

2, 4429 2,359 0,0839 83,9

atas bawah

bandwidth

=

f

−

f

=

GHz

−

GHz

=

GHz

=

MHz

atau

2, 4429 2,359

100% 3, 496 % 2, 4

GHz GHz

bandwidth

GHz −

= × =

Untuk parameter return loss dan pola radiasi yang dihasilkan dari rancangan tersebut masing-masing diperlihatkan pada Gambar 4.11 dan 4.12.

(61)

Gambar 4.11 Hasil Simulasi Return Loss Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Aperture Coupled Konvensional

Dari Gambar 4.11 dapat dilihat bahwa nilai return loss yang diperoleh pada frekuensi 2,4 GHz adalah -23,36 dB. Frekuensi atas dan bawah untuk nilai

return loss ≤ -10 dB masing-masing adalah 2,4405 GHz dan 2,3612 GHz. Dan dari Gambar 4.12 dapat dilihat bahwa pola radiasi yang dihasilkan memiliki

beamwidth sekitar 82,21o dan magnitude tertinggi (gain) sebesar 5,691 dB pada sudut 0o. Adapun geometri hasil rancangan yang memberikan nilai optimum tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.13.

Gambar 4.12 Hasil Simulasi Pola radiasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat

(1)

B.4 Hasil Fabrikasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan Single Stub

B.5 Hasil Fabrikasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled

(2)

B.6 Hasil Fabrikasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pencatuan Aperture Coupled dengan Gap Udara

(3)

LAMPIRAN C : AWR DESIGN ENVIRONMENT

C.1 Introduction

The AWR Design Environment comprises two powerful tools that can be used together to create an integrated system and RF design environment: Visual System Simulator™ (VSS) and Microwave Office (MWO). These powerful tools are fully integrated in the AWR Design Environment and allow you to incorporate circuit designs into system designs without leaving the AWR Design Environment.

Microwave Office enables you to design circuits composed of schematics and electromagnetic (EM) structures from an extensive electrical model database, and then generate layout representations of these designs. You can perform simulations using one of Microwave Office’s simulation engines -- a linear simulator, an advanced harmonic balance simulator, a 3D-planar EM simulator (EMSight), or an optional HSPICE simulator -- and display the output in a wide variety of graphical forms based on your analysis needs. You can then tune or optimize the designs and your changes are automatically and immediately reflected in the layout.

VSS enables you to design and analyze end-to-end communication systems. You can design systems composed of modulated signals, encoding schemes, channel blocks and system level performance measurements. You can perform simulations using VSS’s predefined transmitters and receivers, or you can build customized transmitters and receivers from basic blocks. Based on your analysis needs, you can display BER curves, ACPR measurements, constellations, and power spectrums, to name a few. VSS provides a real-time tuner that allows you to tune the designs and then see your changes immediately in the data display.

At the core of MWO and VSS capability is advanced object-oriented technology. This technology results in software that is compact, fast, reliable, and easily enhanced with new technology as it becomes available.

Support is also available from the Applied Wave Research website at

Environment Help menu. The Support page provides links to the following:

• the current software version

• the KnowledgeBase, which contains Frequently Asked Questions (FAQs) from MWO and VSS users, Application Notes, Tutorials, and project examples

(4)

C.2 Design Flow

The basic design flow in the AWR Design Environment is shown in the following flow chart.

C.3 Starting Awr Programs

To start the AWR Design Environment: 1. Click Start on your desktop.

2. Choose Programs > AWR Suite 2004 > AWR Design Environment. The following AWR Design Suite main window displays.

(5)

C.4 AWR Design Environment Components

The AWR Design Environment contains the windows, components, menu selections and tools you need to create linear and nonlinear schematics, set up EM structures, generate circuit layouts, create system diagrams, perform simulations, and display graphs. Most of the basic procedures apply to both Microwave Office (MWO) and Visual System Simulator (VSS).

C.5 Creating EM Structures

EM structures are arbitrary multi-layered electrical structures such as spiral inductors with air bridges. To create an EM structure, right-click EM Structures in the Project Browser, and choose New EM Structure.

(6)

C.6 Adding EM Structure Drawings

Before you draw an EM structure, you must define an enclosure. The enclosure specifies things such as boundary conditions and dielectric materials for each layer of the structure. To define an enclosure, double-click Enclosure under your new EM structure in the Project Browser to display a dialog box in which you can specify the required information.

After you define the enclosure, you can create drawings by accessing options from the Draw menu to draw components such as rectangular conductors, vias, and edge ports. You can view EM structures in 2D (structure) and 3D by using the View menu, and you can view currents and electrical fields using the Animate menu.

C.7 Creating Output Graphs and Measurements

You can view the results of your circuit and system simulations in various graphical forms. Before you perform a simulation, you create a graph and specify the data, or measurements, that you want to plot. Measurements can include for example, gain, noise or scattering coefficients. To create a graph, right-click Graphs in the Project Browser, and choose Add Graph to display a dialog box in which to specify a graph name and graph type.