Analisis Antena Mikrostrip Susun 2 Elemen Patch Segiempat dengan Defected Ground Structure Berbentuk Segiempat

ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP SUSUN 2 ELEMEN PATCH SEGIEMPAT DENGAN DEFECTED GROUND STRUCTURE BERBENTUK SEGIEMPAT

Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) Pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Telekomunikasi

Disusun oleh

Rinesia Citra Amalia Bangun (120422032)

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Pada tugas akhir ini dilakukan perancangan antena mikrostrip susun 2 elemen pa tch segiempa t denga n defected ground structure berbentuk segiempa t

yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz - 3,4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz. Pada perancangan ini akan dirancang dua buah antena mikrostrip yang disusun paralel pada sebuah substrat dan dengan penambahan teknik defected ground structure yang diharapkan mampu meningkatkan kinerja antena. Hal ini terukur melalui perbaikan nilai VSWR dan return loss, peningkatan gain dan penekanan efek mutual coupling. Perancangan dilakukan dengan menggunakan simulator AWR Microwave 2004. Adapun perancangan antena optimal yang didesain dengan DGS berukuran (26x26) mm dan posisi DGS (Y-4 mm). Hasil simulasi menunjukkan bahwa penggunaan DGS pada antena mikrostrip 2 elemen memperbaiki nilai VSWR hingga 1,096 dan nilai return loss berkisar -26,8 dB sedangkan antena tanpa DGS memiliki nilai VSWR dan return loss masing-masing sebesar 1,371 dan -16,12 dB. Hal ini menunjukkan penggunaan DGS memperbaiki kinerja antena.

Kata kunci : Antena Mikrostrip, Gelombang Permukaan, Defected Ground

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik dan tepat waktu.

Tugas Akhir ini berjudul ”ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP SUSUN 2 ELEMEN PATCH SEGIEMPAT DENGAN DEFECTED GROUND STRUCTURE BERBENTUK SEGIEMPAT”. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini penulis tidak terlepas dari perhatian dan dukungan keluarga oleh karena itupenulis mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada kedua orang tua tersayang Drs.Alexander Bangun, Almh. Emsyahwati br Sitepu, Sulastri br Sitepu, K. Surbakti sebagai nenek serta kedua abang Rizki A Roy Bangun, SE., Robert R Bangun, SE., adik -adik tercinta Rora Ria S Bangun dan Rio Andhika Bangun. Dalam kesempatan ini juga penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar – besarnya kepada :

1. Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku dosen pembimbing Tugas Akhir atas bimbingan, dukungan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Ir. Raja Harahap,MT selaku Dosen Pembimbing Akademik selama mengikuti perkuliahan.

3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku dosen pembanding yang membantu dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.

6. Bapak Emerson P. Sinulingga, ST, M.Sc, PhD selaku dosen pembanding yang membantu dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.

7. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah mengajar dan mendidik penulis.

8. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

9. Indra Gunawan Fiandi Mirza, S.Ked selaku pendamping yang setia membantu dan menyemangati dalam proses pengerjaan Tugas Akhir ini. 10. Teman – teman Ekstensi Teknik Telekomunikasi angkatan 2012, Syarifah

Assyura, Meinarty Sinurat, Debora Sinaga, Ummu Handasah dan semua teman buat kebersamaan dalam mengikuti pendidikan, serta untuk semua senior dan junior Ekstensi Teknik Telekomunikasi USU.

11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu oleh penulis, yang selalu membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih sangat jauh dari sempurna, baik dari segi materi maupun cara penyajiannya. Oleh karena itu, penulis menerima saran dan kritik dari pembaca yang sifatnya membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.Akhir kata, penulis berharap agar Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan penulis.

Medan, Maret 2015 Penulis,

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ... i

ABSTRAK ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penulisan ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 3

1.5 Metodologi Penulisan ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Antena... 5

2.2 Antena Mikrostrip ...5

2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip ... 6

2.3 Parameter Antena Mikrostrip... 8

2.3.2 Frekuensi Resonansi ... 9

2.3.3 VSWR ... 10

2.3.4 Bandwidth ... 11

2.3.5 Axial Ratio... 12

2.3.6 Gain Antena ... 13

2.3.7 Return Loss ... 14

2.3.8 Polarisasi Lingkaran ... 15

2.3.9 Impedansi Masukan ... 16

2.3.10 Pola Radiasi ... 17

2.3.11 Keterarahan ... 18

2.3.12 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip ... 19

2.4 Jenis – Jenis Patch Antena Mikrostrip ... 19

2.4.1 Antena mikrostrip Patch Segiempat ... 21

2.5 Teknik Pencatuan Microstrip Line ... 21

2.5.1 Karakteristrik Saluran Mikrostrip W/h<1 ... 22

2.5.2 Karakteristrik Saluran Mikrostrip W/h>2 ... 22

2.6 Antena Array ... 23

2.6.1 Dua Elemen Array ... 24

2.7 Sistem Komunikasi Broadband 3,3 GHz – 3,4 GHz ... 25

2.7.1 Broadband Wireless Access ... 25

2.8 Gelombang Permukaan ... 26

2.9 Mutua l Coupling ... 27

2.10 Defected Ground Structure... 28

2.11.1 Proses Pencarian Solusi Simulator AWR ... 30

2.11.2 Spesifikasi Settingan Parameter SImulasi ... 30

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ANTENA DENGAN DAN TANPA DGS 3.1 Umum ... 34

3.2 Diagram Alir Perancangan Antena ... 36

3.3 Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS ... 37

3.4 Perancangan Antena………... 38

3.5 Perancangan DGS Segiempat Pada Antena Mikrostrip... 45

3.θ Variabel Yang Dianalisis ……….………..…….... 46

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum ...48

4.2 Analisis AntenaTanpa DGS ...48

4.3 Analisis Antena Dengan DGS ………...η0 4.3.1 Analisis Antena dengan DGS Berukuran (10x10) mm...50

4.3.2 Analisis Perbandingan Antena Tanpa dan Dengan DGS 10x10 mm2…………...………..η2 4.3.3 Analisis Antena Perubahan Ukuran DGS ...56

4.3.4 Analisis Antena Perubahan Posisi DGS ...59

4.4.1 VSWR ...62

4.4.2 Return Loss ...63

4.4.3 Gain ...64

4.4.4 Impedansi ………....θ5

4.5 Analisis Perbandingan Antena Dengan atau Tanpa DGS Optimal ...66

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ...,72

5.2 Saran ...73

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur Antena Mikrostrip ... 6

Gambar 2.2 Rentang Frekuensi Mencari Bandwidth ………...………...….11

Gambar 2.3 Polarisasi Melingkar……...………..15

Gambar 2.4 Pola Radiasi Antena……….………...……...17

Gambar 2.5 Jenis – Jenis Patch Antena Mikrostrip ………...…...….20

Gambar 2.6 Antena Mikrostrip Patch Segiempat ……….……….…………21

Gambar 2.7 Geometri Saluran Mikrostrip …………...……….…..…..22

Gambar 2.8 Antena Array………...………23

Gambar 2.9 Gelombang Permukaan………..………...26

Gambar 2.10 Rangkaian RLC DGS……….………...……….28

Gambar 2.11 Tampilan Awal Simulator AWR……..…..……..…...….…....…..30

Gambar 2.12 Settingan Nilai Frekuensi Pada Simulator .………...…..31

Gambar 2.13 Settingan Pada Harmonic Balance …...………...…..32

Gambar 2.14 SettingContoh Model Simulasi Pada Spesifikasi Low Mesh.…....32

Gambar 2.15 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Normal Mesh…..…..33

Gambar 2.16 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi High Mesh..………..33

Gambar 3.2 Rancangan Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS ..……...37

Gambar 3.3 Pembuatan EM Structure Pada Simulator ………....….38

Gambar 3.4 Pengisian Enclosure Pada Simulator……...……..………....……...38

Gambar 3.5 Pengisian Dielectric Layers Pada Simulator…………...……….…39

Gambar 3.6 Pengisian Boundaries Pada Simulator ………...…………..39

Gambar 3.7 Pembuatan Patch Antena Pada Saluran Pencatu……….….….…...40

Gambar 3.8 Pengisian Port Eksitasi ……..………..………....40

Gambar 3.9 Pengisian Frekuensi Kerja………..……….………....……41

Gambar 3.10 Pengisian Spesifikasi Mesh...………....……...41

Gambar 3.11Pembuatan Grafik Keluaran………..,……...42

Gambar 3.12 Pembuatan Grafik Keluaran VSWR…….………….….….……..42

Gambar 3.13 Pembuatan Grafik Keluaran Return Loss...…………..….…..…..43

Gambar 3.14 Pembuatan Grafik Keluaran Gain……..……..…………..…..…..43

Gambar 3.15 Visualisasi 3D Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS...…....44

Gambar 3.16 Antena Mikrostrip 2 Elemen Dengan DGS…….………...44

Gambar 3.17 Visualisasi 3D Antena Mikrostrip 2 Elemen Dengan DGS……..45

Gambar 3.18 Antena Mikrostrip 2 Elemen Segiempat Dengan DGS....…...46

Gambar 3.20 Perubahan Posisi DGS………...…...47

Gambar 4.1 Nilai VSWR Tanpa DGS………...48

Gambar 4.2 Nilai Return Loss Tanpa DGS………...…...49

Gambar 4.3 Nilai Gain Tanpa DGS………...……..49

Gambar 4.4 Nilai Impedansi Tanpa DGS……...………...…...η0

Gambar 4.5 Nilai Simulasi VSWR DGS (10x10) mm ….………...η1 Gambar 4.6 Nilai Simulasi Return Loss DGS (10x10) mm ….………...η1 Gambar 4.7 Nilai Simulasi Gain DGS (10x10) mm ….……...…...…...η2 Gambar 4.8 Nilai Simulasi impedansi DGS (10x10) mm ….………...52

Gambar 4.9 Nilai VSWR Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm …...η3 Gambar 4.10 Nilai Return Loss Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm..54

Gambar 4.11 Nilai Gain Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm …...η4 Gambar 4.12 Nilai Impedansi Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm...55

Gambar 4.13 Nilai VSWR Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS….…...η7

Gambar 4.14 Nilai Return Loss Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS...57

Gambar 4.15 Nilai Gain Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS……..…...η8

Gambar 4.16 Nilai Impedansi Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS.…...η8

Gambar 4.17 Nilai VSWR Hasil Simulasi Pengubahan Posisi DGS..…...θ0

Gambar 4.18 Nilai Return Loss Hasil Simulasi Pengubahan Posisi DGS.…...θ0

Gambar 4.20 Nilai Impedansi Hasil Simulasi Pengubahan Posisi DGS….…...θ1

Gambar 4.21 Antena Dengan Posisi DGS Optimal ………...θ2

Gambar 4.22 Nilai VSWR Hasil Simulasi DGS Optimal ...………...θ3

Gambar 4.23 Nilai Return Loss Hasil Simulasi DGS Optimal ………..…...θ4

Gambar 4.24 Nilai Gain Hasil Simulasi DGS Optimal ………..…….…..…...θ5

Gambar 4.25 Nilai Impedansi Hasil Simulasi DGS Optimal ………..……...65

Gambar 4.26 Perbandingan Nilai VSWR Antena Tanpa DGS dan Dengan

DGS Optimal ...66

Gambar 4.27 Perbandingan Nilai RL Antena Tanpa DGS dan Dengan

DGS Optimal ...67

Gambar 4.28 Perbandingan Nilai Gain Antena Tanpa DGS dan Dengan

DGS Optimal..……….………..……...…...θ8

Gambar 4.29 Perbandingan Nilai Impedansi Antena Tanpa DGS dan

Dengan DGS Optimal ……….…...………..69

Gambar 4.30 Perbandingan Nilai Mutual Coupling Antena Tanpa DGS dan

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Spesifikasi Substrate………..………..34

Tabel 3.2 Dimensi Antena………...………37

Tabel 4.1 Hasil Simulasi Antena dengan Mengubah Ukuran DGS………..…η6 Tabel 4.2 Hasil Simulasi Antena dengan Mengubah Posisi DGS……….59 Tabel 4.3 Perbandingan Nilai Parameter Antena Tanpa DGS Dan

Dengan DGS Optimal ….………..…...71

ABSTRAK

Pada tugas akhir ini dilakukan perancangan antena mikrostrip susun 2 elemen pa tch segiempa t denga n defected ground structure berbentuk segiempa t

yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz - 3,4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz. Pada perancangan ini akan dirancang dua buah antena mikrostrip yang disusun paralel pada sebuah substrat dan dengan penambahan teknik defected ground structure yang diharapkan mampu meningkatkan kinerja antena. Hal ini terukur melalui perbaikan nilai VSWR dan return loss, peningkatan gain dan penekanan efek mutual coupling. Perancangan dilakukan dengan menggunakan simulator AWR Microwave 2004. Adapun perancangan antena optimal yang didesain dengan DGS berukuran (26x26) mm dan posisi DGS (Y-4 mm). Hasil simulasi menunjukkan bahwa penggunaan DGS pada antena mikrostrip 2 elemen memperbaiki nilai VSWR hingga 1,096 dan nilai return loss berkisar -26,8 dB sedangkan antena tanpa DGS memiliki nilai VSWR dan return loss masing-masing sebesar 1,371 dan -16,12 dB. Hal ini menunjukkan penggunaan DGS memperbaiki kinerja antena.

Kata kunci : Antena Mikrostrip, Gelombang Permukaan, Defected Ground

BAB I

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

Antena sangat dibutuhkan dalam teknologi nirkabel baik untuk komunikasi suara maupun untuk transmisi data. Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas energi elektromagnetik dari dan ke udara atau ruang bebas.

Pada tugas akhir ini akan dibahas mengenai antena mikrostrip. Struktur dari antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian, yaitu elemen peradiasi atau patch antena, substrat dan ground plane. Semakin tebal substrat, maka bandwidth akan meningkat, tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan [1]. Gelombang permukaan adalah gelombang yang disebabkan adanya gelombang yang terjebak di dalam substrat [1]. Gelombang permukaan pada antena mikrostrip merupakan efek yang merugikan karena akan mengurangi sebagian daya yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke arah yang diinginkan serta dapat menimbulkan efek mutual coupling yang terjadi pada antena susun atau dua antena yang berdekatan [1].

Mutua l coupling adalah suatu fenomena yang terjadi pada array (susun) dimana energi suatu antena bocor menuju antena lain sehingga mempengaruhi kinerja antena. Efek mutual coupling ini berdampak negatif bagi antena karena sebagian energi datang pada satu atau kedua elemen antena dapat dihamburkan kembali ke arah yang berbeda seolah menjadi sebuah transmitter yang baru [2]. Selain itu efek mutual coupling berpengaruh terhadap parameter antena yang diinginkan seperti Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), return loss, gain, impedansi antena ,dan bandwidth pada antena susun atau dua antena yang berdekatan [2].

Oleh karena itu, untuk mengatasi efek mutual coupling ini adalah dengan menggunakan teknik Defected Ground Structure (DGS). DGS adalah suatu cara menekan gelombang permukaan dengan cara menghilangkan (etching) sebagian bidang ground.

Pada Tugas Akhir ini akan dianalisis antena menggunakan DGS berbentuk segi empat pada antena mikrostrip susun 2 elemen yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz. Antena dengan DGS ini dirancang untuk menekan gelombang permukaan agar dapat mengurangi efek mutual coupling yang terjadi antara elemen antena susun sehingga kinerja antena dapat meningkat [3].

1.2

Rumusan Masalah

Untuk mendapatkan hasil yang diinginkan, maka pada tugas akhir ini ditetapkan rumusan masalah sebagai berikut :

1 Pengaruh mutual coupling terhadap kinerja antena mikrostrip susun 2 elemen pa tch segi empat yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz – 3.4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz.

2 Teknik Defected Ground Structure (DGS) mengatasi pengaruh mutual coupling pada antena mikrostrip 2 elemen patch segiempat yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz – 3.4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz.

3 Analisis parameter-parameter antena mikrostrip susun 2 elemen patch segiempat tanpa atau dengan DGS juga berbentuk segiempat yang telah didesain.

1.3

Tujuan Penelitian

Adapun tujuan yang diharapkan dari skripsi ini adalah untuk menghasilkan desain antena yang optimum. Adapun parameter yang dianalisis untuk desain optimum tersebut adalah VSWR, return loss, gain, dan bandwidth.

1.4

Batasan Masalah

Penulisan Tugas Akhir ini memiliki batasan masalah dan ruang lingkup sebagai berikut :

a. Antena yang akan dibentuk pada tugas akhir ini adalah antena mikrostrip pa tch segi empat dua elemen dengan defected ground structure (DGS) berbentuk segi empat.

b. Simulator yang digunakan adalah simulator Applied Wave Research (AWR) Microwa ve Office 2004.

c. Substrat yang digunakan dalam perancangan antena ini adalah epoxy fR4 (εr = 4,4) dengan ketebalan h= 1,6 mm.

1.5 Metodologi Penelitian

Adapun metode penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut : a. Studi Literatur : membahas pengertian dan pengaplikasian DGS atau Defected

Ground Structure dalam menangani gelombang permukaan dan menekan mutua l coupling pada antena mikrostrip dengan resensi dari beberapa buku-buku yang terkait.

b. Desain DGS : Merancang antena mikrostrip susun 2 elemen patch segiempat yang bekerja pada frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz dengan dan tanpa DGS berbentuk segiempat.

c. Simulasi : simulasi dilakukan untuk mendapatkan nilai parameter antena mikrostip tanpa dan dengan DGS dengan simulator AWR. Pengukuran yang dilakukan meliputi, pengukuran VSWR, gain, return loss, impedansi antena, dan bandwidth.

d. Analisis : Membandingkan kelebihan yang didapat untuk antena dua elemen menggunakan DGS segiempat terhadap antena tanpa DGS.

e. Optimasi desain berdasarkan perubahan ukuran DGS dan perubahan posisi DGS.

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk memberikan gambaran mengenai tugas akhir ini, secara singkat penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan dari Tugas Akhir ini.

BAB II DASAR TEORI

Bab ini berisi penjelasan tentang antena secara umum dan penjelasan mengenai antena Mikrostrip, Wifi dan Teknik DGS dalam memperbaiki kinerja antena mikrostrip.

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ANTENA DENGAN DAN

TANPA DGS

Bab ini membahas perancangan antena tanpa DGS dan antena dengan DGS dengan simulator AWR Microwave Office 2004

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini membahas mengenai hasil dari perancangan antena mikrostrip susun dua elemen patch segiempat tanpa atau dengan teknik DGS berbentuk segiempat dan parameter – parameter hasil simulasi antena mikrostrip tanpa atau dengan teknik DGS.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil pembahasan Tugas Akhir.

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Pengertian Antena

Antena merupakan perangkat yang digunakan untuk merubah besaran listrik dari saluran transmisi menjadi suatu gelombang elektromagnetik untuk diradiasikan ke udara bebas. Sebaliknya antenna juga dapat menangkap gelombang elektromagnetik dari udara bebas untuk kemudian dijadikan besaran listrik kembali melalui saluran transmisi. Pemancaran merupakan satu proses perpindahan gelombang radio atau elektromagnetik dari saluran transmisi ke ruang bebas melalui antenna pemancar. Sedangkan penerimaan adalah satu proses penerimaan gelombang radio atau elektromagnetik dari ruang bebas melalui antena penerima. Karena merupakan perangkat perantara antara saluran transmisi dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan saluran pencatunya.

Pada saat proses transmisi, gelombang elektromagnetik akan ditransmisikan sepanjang jalur transmisi dan menyebar ke udara. Jalur transmisi ini dapat berupa kabel koaksial, terkadang juga ditambahkan dengan pipa untuk memperluas jalur transmisi dan dikenal sebagai gelombang terbimbing (waveguide) [4]. Perkembangan teknologi komunikasi yang saat ini berkembang pesat menyebabkan pengembangan dan penelitian antena juga semakin pesat seiring dengan kebutuhan teknologi saat ini.

2.2 Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip diusulkan pertama kalinya oleh Deschamps pada awal tahun 1950 dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan merupakan salah satu antenna gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini seperti : Personal Communica tion System (PCS), Mobile Satelite Communications, Direct Broa dca st Television (DBS), Radio Detection And Ranging (Radar) dan Global Positioning System (GPS). Melalui beberapa penelitiannya, diketahui bahwa

kemampuan beroperasi antena mikrostrip diatur terutama oleh bentuk geometri dari elemen peradiasi (patch) dari karakteristik material substrat [3].

2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip

Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu mikro (sangat kecil/tipis) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai salah satu antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran yang sangat kecil. Secara garis besar struktur dari antenna mikrostrip atas 3 bagian, yaitu elemen peradiasi atau patch antena, substrat dan ground pla ne. Pa tch terletak diatas subtrat dan ground plane terletak paling bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 [3].

Gambar 2.1 Struktur Dasar Antena Mikrostrip [3]

Pada susunan ini, lapisan konduktor atas atau “patch” berfungsi sebagai sumber radiasi dimana energi elektromagnetik menyusur tepian dan sisi patch ke dalam substrat. Lapisan konduktor bawah bertindak sebagai bidang ground pemantulan sempurna yang kemudian mengembalikan energi kembali melalui substrat menuju udara bebas. Lapisan konduktor bawah dicetak pada satu atau lebih dielektrik substrat. Patch (elemen peradiasi) terbuat dari bahan konduktor tipis seperti tembaga atau emas yang mempunyai bentuk bermacam-macam. Bentuk patch ini bermacam-macam seperti : lingkaran, persegi, persegi panjang,

segitiga, ataupun cincin. Patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara.

Substrat berfungsi sebagai bahan dialektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pertanahan. Bagian ini memiliki nilai konstanta dielektrik εr dimana nilai dari konstanta dielektrik ini mempengaruhi frekuensi kerja, efisiensi, dan juga bandwidth dari antena. Karakteristik substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan ketebalan substrat akan memperbesar bandwidth. Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dialektrik dan ketebalannya. Ketebalan substrat jauh lebih besar daripada ketebalan konduktor metal peradiasi. Semakin tebal substart maka bandwidth akan semakin meningkat, tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave). Gelombang permukaan pada antena mikrostrip merupakan efek yang merugikan sebagian daya yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik kearah yang diinginkan.

Material substrat yang tersedia dapat digunakan untuk frekuensi-frekuensi RF dan microwave. Pemilihannya berdasarkan karakteristik material yang diinginkan untuk daya yang optimal pada suatu jarak frekuensi tertentu. Spesifikasi umum termasuk nilai konstanta dielektrik, dielektrik loss tangent, dan ketebalan. Nilai konstanta dielektrik antara 2,2 < εr< 12 digunakan untuk frekuensi operasi dari 1 hingga 100 GHz [3]. Konstanta dielektrik adalah perbandingan energi listrik yang tersimpan pada suatu bahan substrat jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap ruang hampa [5]. Dielektrik loss tangent merupakan rugi-rugi dielektrik.

Ketebalan substrat penting untuk diperhatikan ketika akan mendesain antena mikrostrip. Kebanyakan substrat yang diinginkan untuk kehandalan suatu antena dipilih yang tebal dengan konstanta dielektrik yang rendah. Hal ini cenderung menghasilkan antenna dengan bandwith yang lebar dan efisiensi yang tinggi akibat bebas dari loncatan medan tepi yang berasal dari patch dan berpropagasi kedalam substrat. Namun hal ini menyebabkan volume antena

menjadi besar dan meningkatkan kemungkinan pembentukan gelombang permukaan. Akan tetapi dengan substrat yang tipis dengan konstanta dielektrik yang tinggi mengurangi ukuran antena. Namun akibat adanya disipasi faktor yang lebih tinggi, menyebabkan efisiensinya menjadi rendah dan bandwith yang kecil [3]. Oleh karena itu terdapat timbal balik yang menjadi dasar dalam pembuatan antena mikrostrip yang harus diperhatikan.

Ground pla ne terbuat dari bahan konduktor. Ukurannya selebar dan sepanjang substrat. Ground plane berfungsi sebagai ground antena (pembumian) yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.

2.3 Parameter – Parameter Antena Mikrostrip

Ada beberapa parameter dari antena mikrostrip yang biasanya digunakan dalam simulasi maupun pengukuran untuk mengetahui spesifikasi standar dari antena yang dirancang. Parameter antena tersebut antara lain yaitu dimensi antena, frekuensi resonansi, VSWR, bandwidth, axial ratio, gain antena, return loss,pola risa si, impedansi masukan, pola radiasi, dan keterarahan (directivity).

2.3.1 Dimensi Antena Mikrostrip

Untuk mencari dimensi antena, yaitu lebar (W) dan panjang (L) maka harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan, yaitu tebal dialektrik (h), konstanta dialektrik (εr), tebal konduktor (t) dan rugi – rugi bahan. Panjang antena mikrostrip antena (L) harus disesuaikan, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth akan sempit sedangkan apabila terlalu panjang bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari antena mikrostrip (W) impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan (2.1) sebagai berikut [2] :

W= c

√ � + (2.1)

dimana :

W : lebar konduktor (mm) : konstanta dialektrik

c : kecepatan elektromagnetik diruang bebas (3 x 108 ) (m/s2) fo : frekuensi kerja antena (Hz)

Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dirumuskan dengan persamaan (2.2) sebagai berikut [2] :

ΔL = 0,412h

� ℎ+ ,

� − , �_ℎ+ , (2.2)

dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat dan adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan pada persamaan (2.3) berikut [2] :

= � + +� − (

√ + ℎ⁄ ) (2.3)

Panjang patch (L) dirumuskan pada persamaan (2.4) berikut [2] :

= − ∆ (2.4) dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan pada persamaan (2.5) berikut [2] :

=

√� (2.5)

2.3.2 Frekuensi Resonansi

Frekuensi resonansi adalah frekuensi kerja dari suatu antena. Rentang frekuensi kerja dari suatu antena dapat dilihat dari grafik VSWR dan grafik return loss, sebagai contoh ketika nilai VSWR – nya lebih kecil atau sama dengan 2 dan ketika nilai return loss – nya bernilai sama dengan – 9,54 dB [1]. Dengan frekuensi resonansi yang dirumuskan pada persamaan (2.6) :

= _√� [ _� + ] / (2.6)

dengan m dan n adalah indeks mode pada arah x dan y, W dan L adalah lebar dan panjang patch antena persegi panjang namun pada segi empat adalah panjang

sisinya, c adalah kecepatan cahaya 3x108 m/s2, dan εr adalah konstanta dielektrik relatif.

2.3.3 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) merupakan perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min) [6]. Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Gelombang berdiri terjadi akibat interferensi antara V0+ dan V0- .

Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut koefisien refleksi yang dinyatakan dengan simbol Г [7]. Harga koefisien pantul dapat bervariasi antar 0 sampai 1. Jika bernilai 0, artinya tidak ada pantulan dan jika bernilai 1 artinya sinyal yang datang ke beban seluruhnya dipantulkan kembali ke sumbernya. Dapat dinyatakan dengan persamaan (2.7) sebagai berikut [8] :

Γ= −+ (2.7) Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik dan impedansi beban dapat dinyatakan seperti persamaan (2.8) berikut [8] :

Γ = −₊= �−

�+ (2.8)

dimana :

 ZL : impedansi beban (load)

 Zo : impedansi saluran lossess

Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian ima jiner dari Г adalah nol, maka:

Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat, Г = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna, Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka,

Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Secara sederhana rumus untuk menentukan VSWR [8].

Kondisi VSWR yang ideal adalah bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi atau pantulan ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Nilai dari VSWR menjadi salah satu acuan untuk melihat, apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan. Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan semakin besar. Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaa n matching sempurna [8]. Adapun rumusnya dapat dilihat pada persamaan (2.9).

= | | �

| | = +|Г|

−|Г| (2.9)

2.3.4 Bandwidth

Ba ndwidth suatu antena merupakan besar rentang frekuensi kerja dari suatu antena dimana kinerjanya berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, bandwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, a xia l ra tio) memenuhi spesifikasi standar [8]. Nilai bandwidth dapat diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas dari suatu antena sudah diketahui, seperti yang terlihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Rentang Frekuensi Mencari Bandwidth [4]

Frekuensi bawah adalah nilai frekuensi awal dari frekuensi kerja antena, sedangkan frekuensi atas merupakan nilai frekuensi akhir dari frekuensi kerja antena.

Pada persamaan 2.10 berikut adalah rumus mencari nilai bandwidth [8] :

bandwidth

f1 f2

fc

-10dB

-20dB return loss minimum

= − % (2.10)

dimana :

BW = bandwidth (%)

f2 = frekuensi tertinggi (Hz) f1 = frekuensi terendah (Hz) fc = frekuensi tengah (Hz)

Adapun beberapa jenis dari bandwidth yang berkaitan dengan antena mikrostrip adalah sebagai berikut [8] :

a) Impeda nce bandwidth : yaitu rentang frekuensi dimana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing – masing adalah kurang dari -9.54 dB dan 2.

b) Pa ttern ba ndwidth : yaitu rentang frekuensi dimana bandwidth, sidelobe, atau gain,yang bervariasi menurut freekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai ba ndwidth dapat dicari.

c) Pola riza tion atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi dimana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.

2.3.5 Axial Ratio

Axia l ra tio (AR) merupakan perbandingan sumbu mayor terhadap sumbu minor dalam suatu bentuk polarisasi, baik itu polarisasi melingkar atau elips. Adapun rumus AR terlihat pada persamaan (2.11) [1] berikut :

= _� = ; ≤ ≤ ∞ (2.11) Dimana:

= [ {⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ − (⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ cos ∆∅ ) / }] / (2.13)

Nilai axial ratio yang ideal adalah ≤ dB. Nilai 3 dB merupakan beda atau selisih antara medan E dan medan H dari gelombang yang dipancarkan oleh antena. Ini berarti antena tersebut memiliki polarisasi yang melingkar [1].

2.3.6 Gain Antena

Ga in antena atau penguatan adalah perbandingan antara intensitas radiasi dari suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropik yang menggunakan sumber daya masukan yang sama Satuan yang digunakan untuk gain, adalah besar suatu gain antena yang merupakan besaran relatif terhadap acuan gain antena yang mudah dihitung. Dimana gain dapat dirumuskan seperti persamaan (2.14) [2] berikut :

G = D . η (2.14) D adalah direktivitas dan adalah efisiensi antena. Ga in memiliki 2 jenis parameter, yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain adalah perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena (Pin) teradiasi secara isotropik. Gain juga dapat dicari seperti persamaan (2.15) sebagai berikut [2]:

� = �� _� � _� � � _{� � �}ℎ _� (2.15)

Sedangkan relatif gain adalah sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama diantara kedua antena tersebut yang dirumuskan seperti persamaan (2.16) berikut [2] :

� = � �,� (2.16)

Untuk menentukan dimensi elemen peradiasi, maka terlebih dahulu harus ditentukan frekuensi kerja ( ) yang digunakan, untuk mencari panjang gelombang diruang bebas (� ) dirumuskan seperti persaman (2.17) [2] :

� = (2.17) Setelah nilai � diperoleh, maka � dapat dihitung. Dimana � merupakan panjang gelombang pada bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan persamaan (2.18) [2] :

� = _√�� (2.18)

Ga in dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.19) [1] : � = �

� ∙ (2.19)

dimana :

G = gain antena

� = panjang gelombang bahan dielektrik ∙ = Luas patch segiempat

2.3.7 Return Loss

Return loss merupakan perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Retur n loss digambarkan sebagai peningkatan amplitude dari gelombang yang direflesikan (V0-) sebanding dengan gelombang yang dikirim (V0+). Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban. Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (misma tched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi dengan menggunakan persamaan (2.20) [8] :

= log|Γ| (2.20) Nilai return loss yang baik adalah dibawah -9.54 dB, sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan apakah antena sudah bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak. Besaran nilai return loss diukur dari nilai

S11 pada saat melakukan simulasi. Hal ini dikarenakan pada saat melakukan simulasi terhadap return loss yang digunakan hanya 1 port saja pada antena array.

2.3.8 Polarisasi Lingkaran

Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum [1]. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefenisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo vektor medan electric yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefenisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu. Polarisasi yang terdapat pada antena mikrostrip dapat diklasifikasikan sebagai polarisasi linear, polarisasi circular (melingkar), dan polarisasi elliptical (elips).

Polarisasi melingkar terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik(atau magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Polarisasi melingkar terlihat seperti Gambar 2.3 berikut [1].

Gambar 2.3 Polarisasi Melingkar [9]

Untuk membangkitkan polarisasi melingkar pada antena mikrostrip dapat dilakukan dengan 2 metode, yaitu pencatuan ganda (dual feed) dan pencatuan tunggal (single feed). Polarisasi melingkar dapat dihasilkan dengan menggunakan pencatuan ganda yang saling tegak lurus (dual orthogonal feed) atau memiliki beda fasa 900

diantara yang satu dengan yang lainnya. Untuk mendapatkannya dilakukan dengan berbagai cara, seperti quadrature hybrid atau phase shifter. Selain itu, untuk dapat memperoleh beda fasa sebesar 900 dapat dilakukan dengan cara mengatur saluran catu sehingga selisihnya sebesar λ/4.

Selain dengan pencatuan ganda, polarisasi melingkar juga dapat dibangkitkan dengan menggunakan pencatuan tunggal. Pada umumnya patch dengan saluran tunggal akan menghasilkan polarisasi linier. Untuk menghasilkan polarisasi melingkar maka perlu dibangkitkan dua mode arus yang tegak lurus dengan amplitude yang sama dan berbeda phase 900, maka polarisasi melingkar akan di dapat [8].

2.3.9 Impedansi Masukan

Impedansi masukan adalah perbandigan tegangan terhadap arus pada terminal atau perbandingan dari komponen-komponen bersesuaian dari medan elektrik terhadap medan magnetic pada suatu titik [10]. Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang ada disekitarnya, tetapi pada umumnya sebuah antena diasumsikan sudah terisolasi. Secara matematis impedansi masukan dapat dirumuskan pada persamaan (2.21) sebagai berikut [1] :

Zin = (Rin + j Xin) Ω (2.21) dimana :

Zin = impedansi masukan Rin = tahanan terminal antena Xin = reaktansi masukan

Dari persamaan Zin tersebut, komponen yang diharapkan adalah daya real (Rin) yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui panas atau radiasi. Komponen imajiner (Xin) mewakili reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan pada medan dekat antena. Adapun Zin untuk antena mikrostrip patch segiempat untuk nilai VSWR ≤ 2 dapat dirumuskan pada persamaan (2.22) sebagai berikut [10] :

2 2 1 90         W L Z r r in





(ohm) (2.22)

2.3.10 Pola Radiasi

Pola radiasi merupakan fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional. Parameter pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional. Parameter pola radiasi terdiri dari main lobe, side lobe, HPBW (Half Power Beamwidth), FNBW ( First Null Bea mwidth ), SLL (Side Lobe Level), dan FBR ( Front to Back Ratio) seperti terlihat pada Gambar 2.4 dibawah ini [1].

Gambar 2.4 Pola Radiasi Antena [11]

Defenisi dari istilah – istilah parameter pola radiasi adalah sebagai berikut [1] : a) Ma jor Lobe

Ma jor lobe disebut juga main lobe didefenisikan sebagai radiation lobe yang berisi arah radiasi maksimum. Ma jor lobe merupakan daerah pancaran terbesar sehingga dapat menentukan arah radiasi dan mempunyai daya yang besar.

b) Side Lobe

Side Lobe terdiri dari :

1. first side lobe yaitu minor lobe yang posisinya paling dekat dengan ma in lobe.

2. second side lobe yaitu minor lobe yang posisinya setelah first side lobe.

3. ba ck lobe yaitu minor lobe yang posisinya berlawanan dengan main lobe.

c) Ha lf Power Bea mwidth ( HPBW)

Ha lf Power Bea mwidth adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titik titik ½ daya atau -3 dB atau 0.707 dari medan maksimum pada lobe utama. d) First Null Bea mwidth (FNBW)

First Null Bea mwidth adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada ma in lobe yang intensitas radiasinya nol.

e) Side Lobe Level (SLL)

Side Lobe Level adalah perbandingan antara first lobe dan main lobe. Side Lobe Level menyatakan besar dari side lobe.

f) Front to Ba ck Ra tio (FBR)

Front to Ba ck Ra tio adalah perbandingan antara main lobe terhadap back lobe.

Semakin besar sudut yang membentuk main lobe-nya maka keterarahan antena semakin kecil, sedangkan lobe-lobe kecil didekat main lobe yang disebut minor lobe merupakan berkas radiasi yang tidak terarah dan sebenarnya tidak dibutuhkan [1].

2.3.11 Keterarahan (Directivity)

Pengarahan (directivity) merupakan perbandingan antara intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Directivity dapat dirumuskan seperti pada Persamaan (2.23) berikut [1] :

= = �

� (2.23) Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang dapat dicari menggunakan Persamaan (2.24) berikut [1] :

= = � ₌ � �

dimana :

D = keterarahan (directivity) D0 = keteraharan maksimum U = intensitas radiasi

Umax = intensitas radiasi maksimum

U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropik Prad = daya total radiasi

2.3.12 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip

Antena Mikrostrip mengalami kenaikan popularitas khususnya pada aplikasi wireless dikarenakan bentuknya yang kecil, mudah dibawa, sederhana, dan proses pembuatannya tidak membutuhkan biaya yang sangat mahal. Selain itu, antena ini juga kompatibel dan dapat diintegrasikan langsung dengan sirkuit utamanya, seperti telepon genggam, missile, dan peralatan lainnya.

Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip antara lain [1] : a) Dimensi antena yang kecil

b) Bentuknya sederhana memudahkan dalam proses perakitan c) Dapat bekerja dalam dual-frequency dan triple frequency d) Dapat diintegrasikan pada Microwa ve Integrated Circuit (MIC)

e) Tidak membutuhkan biaya yang sangat besar dalam proses pembuatannya. Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti [1] :

a) Efisiensi yang rendah b) Gain yang rendah

c) Memiliki daya (power) yang rendah

d) Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan e) Ba ndwidth yang sempit

2.4 Jenis – Jenis Patch Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch seperti : bentuk segiempat, lingkaran, cincin dan segitiga samasisi. Analisis untuk bentuk-bentuk

pa tch antena tersebut menggunakan metode cavity (modal rongga). Model cavity adalah suatu model dimana geometri antena dikelilingi oleh medan radiasi dan dinding-dinding medan radiasi tersebut memiliki kondisi batas tertentu. Medan listrik dalam substrat hanya mempunyai arah komponen z, dan arah medan magnet memiliki arah x dan y. Karena ketebalan substrat dielektrik (h) << λ0 (wa velength), maka medan listrik tidak bervariasi sepanjang arah z, dan medan dapat diasumsikan sebagai Transverse Magnetic (TM). Komponen arus yang normal terhadap tepi antenna mikrostrip mendekati nol pada tepi tersebut, dan ini menunjukkan bahwa komponen tangensial dari medan magnet pada tepi adalah sangat kecil sehingga dapat diabaikan [1].

Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch, diantaranya: 1. Pa tch persegi (Square)

2. Pa tch segitiga (Triangular) 3. Pa tch lingkaran (Circular)

4. Pa tch persegi panjang (Rectangular) 5. Pa tch elips (Elliptical)

6. Pa tch cincin melingkar (Circular Ring) 7. Pa tch garis tipis (Dipole)

Bentuk patch antena mikrostrip ditunjukkan pada Gambar 2.5 berikut [1]:

2.4.1 Antena Mirkrostrip Patch Segiempat (Rectangular)

Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat yang memiliki dimensi elemen peradiasi yang terdiri atas parameter lebar (W) dan panjang (L). Antena mikrostrip patch segiempat ditunjukkan seperti Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Antena mikrostrip patch segiempat [11]

Dimana L adalah panjang dari patch antena dan W adalah lebar dari patch antena.

2.5 Teknik Pencatuan Microstrip Line

Teknik pencatuan microstrip line merupakan metode yang paling mudah digunakan. Saluran transmisi mikrostrip tersusun dari dua konduktor, yaitu sebuah garis (strip) dengan lebar W dan bidang pentanahan, keduanya dipisahkan oleh suatu substrat yang memiliki permitivitas relatif εr dengan tinggi h seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. Parameter utama yang penting untuk diketahui pada suatu saluran transmisi adalah impedansi karakteristik Z0. Impedansi karakterisik Z0 dari saluran mikrostrip ditentukan oleh lebar strip (W) dan tinggi substrat (h).

Pada teknik pencatuan microstrip line saluran pencatu berada pada lapisan yang sama dengan elemen peradiasi. Saluran pencatu berada pada lapisan yang sama dengan elemen peradiasi dan pada umumnya pencatu memiliki lebar yang sempit dibandingkan elemen peradiasi. Keuntungan dari pencatuan microstr ip line ini antara lain mudah untuk difabrikasi, matching mudah dilakukan hanya dengan mengubah letak inset, dan memiliki bentuk yang sederhana. Selain itu teknik

pencatuan ini juga menghemat bahan karena hanya menggunakan substrat saja, yaitu substrat yang sama dengan substrat digunakan untuk meletakkan patch dibandingkan dengan teknik pencatuan lain. Sedangkan kekurangan dari teknik pencatuan ini adalah semakin tebal substrat yang digunakan maka akan memperbesar radiasi dari saluran catu yang efeknya akan membatasi bandwidth antena (2-5%) [1].

Gambar 2.7 Geometri Saluran Mikrostrip [11]

2.5.1 Karakteristik Saluran Mikrostrip (microstrip line) untuk W/h<1 Konstanta dielektrik efektif (εeff) dirumuskan pada persamaan (2.25) [1]: = � + +� − [_{√ + ℎ/} + . − _ℎ ] (2.25) dan Karakteristik Impedansi dapat dirumuskan seperti persamaan (2.26) [1]: =_√� ln ℎ+ _ℎ (2.26)

2.5.2 Karakteristik Saluran Mikrostrip (microstrip line) untuk W/h > 1 Konstanta dielektrik efektif (εeff) dirumuskan pada persamaan (2.27) [1]: = � + +� − _[

√ + ℎ/ ] (2.27)

dan karakteristik impedansi dirumuskan pada persamaan (2.28) [1]:

=� � /√� ℎ+ . + ln�ℎ+ .

2.6 Antena Array

Antena array (antena susun) adalah antena yang terdiri dari beberapa elemen yang saling berhubungan dan diatur dalam struktur yang teratur untuk dibentuk menjadi suatu antena. Antena array merupakan susunan dari beberapa antena identik. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara array adalah pada bagian patch. Gambar antena array terlihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Antena Array 4 Elemen [12]

Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal. Untuk membentuk pola yang memiliki keterarahan tertentu, diperlukan medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruktif pada arah yang diinginkan dan berinterferensi secara dekstruktif pada arah yang lain. Terdapat 5 kontrol yang dapat digunakan untuk membentuk pola antena, yaitu [2]:

a. Konfigurasi geometri (linear, melingkar, rectangular, spherical, dll) b. Pemindahan relatif antara elemen

c. Amplitudo eksitasi dari setiap elemen d. Fasa eksitasi dari setiap elemen e. Pola relatif dari setiap elemen

Ada beberapa macam konfigurasi antena array, diantaranya : linear, pla na r, dan circular. Masing-masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya

linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendali arah pola radiasi. Pada penelitian ini dirancang antena linear array.

Pada antena array terdapat Array Factor (AF) yang merupakan vektor pengali dari medan elektrik dari elemen tunggal. Array factor inilah yang menentukan bagaimana pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang diradiasikan oleh antena tersebut.

2.6.1 Dua Elemen Array

Antena susun dimisalkan sebagai susunan dari dipole horizontal

yang sangat kecil, adapun medan total (Et) yang diradiasikan oleh kedua elemen tersebut terlihat pada Persamaan (2.29) berikut [2]:

Et = E1 + E2 = ̂ �

� {

− [ −(�)]

+ − [ −(�)] } (2.29) Dimana β adalah perbedaan eksitasi fasa diantara elemen, k = 2π/λ , r1 dan r2 adalah jarak observasi. Magnitudo eksitasi pada radiator adalah identik. Jika ditinjau dari sudut pandang medan jauh, maka :

θ1 = θ1 = θ1 r1 = r – d/2 cos θ r2 = r + d/2 cos θ r1 ≈ r2 ≈ r

Sehingga persamaan (2.29) menjadi [2] : Et = ̂ � −

� [

�+�

+ − �+� ]

Et = ̂ � −

� cos [ + � ] (2.30)

Dari persamaan (2.30) terlihat bahwa medan total dari array adalah sama dengan medan dari elemen tunggal dikalikan dengan faktor yang disebut sebagai faktor array (AF). Untuk 2 elemen array, nilai array factor adalah [2]:

AF = [ cos + � ] (2.31) Dan dinormalisasi menjadi :

Dengan d adalah jarak pisah antar elemen. Sehingga untuk mencari sudut null ( n), yaitu pada saat medan listrik total Et = 0, nilai AF diset menjadi nol, terlihat pada Persamaan (2.33) berikut [2]:

[ + � ] = ⟹ + � = ± ( + ) �

⟹ = − �

� [−� ± + �] (2.33)

n = 0,1,2,….

2.7 Sistem Komunikasi Broadband 3,3 GHz – 3,4 GHz

Frekuensi merupakan sumber daya (resource) yang sangat penting pada Telekomunikasi nirkabel. Oleh karena itu, penggunaan frekuensi perlu ditata agar dapat bermanfaat secara lebih efisien dan optimal. Adapun perangkat yang bekerja pada rentang frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz adalah wimax.

2.7.1 Broadband Wireless Access (BWA)

Broadband wireless access adalah sistem komunikasi yang bekerja pada 3,3 GHz – 3,4 GHz serta memiliki kemampuan transmisi nirkabel pada pita lebar, kapabilitas multi-layanan diferensiasi perlakuan sesuai prioritas trafik, jalinan QoS dan mekanisme keamanan. Adapun contoh aplikasi BWA adalah WIMAX.

Kemampuan layanan sistem BWA ini mendukung jenis layanan-layanan sebagai berikut :

a. Layanan real time : layanan yang membutuhkan jaminan delay minimal dan jaminan jaminan kesediaan alokasi sumber daya tertentu VoIP, audio, dan video streaming.

b. Layanan non-real time : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay minimal namun membutuhkan jaminan ketersediaan alokasi sumber daya agar layanan dapat berjalan dengan baik (FTP dengan bandwidth yang besar)

c. Layanan Best Effort : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay minimal maupun jaminan ketersediaaan alokasi sumber daya agar layanan dapat berjalan dengan baik (web browsing dan email).

2.8 Gelombang Permukaan (Surface Wave)

Gelombang permukaan dibangkitkan pada antena mikrostrip ketika substrat memiliki konstanta dielektrik sebesar εr > 1. Selain radiasi end-fire, gelombang permukaan juga meningkatkan kopling diantara beberapa susunan elemen [9]. Gelombang permukaan dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Gelombang Permukaan [3]

Ketika patch peradiasi dari antena mikrostrip meradiasikan gelombang ke udara, maka juga ada gelombang yang terjebak di dalam substrat. Gelombang-gelombang ini membentuk Gelombang-gelombang permukaan. Gelombang permukaan ini masuk ke substrat pada sudut elevasi c (yang besarnya c = Arc sin (1√ )) [13] lalu timbul pada bidang pentanahan kemudian direfleksikan ke perbatasan udara-dielektrik yang juga kemudian merefleksikan gelombang itu. Jalur yang ditempuh oleh gelombang permukaan ini menyerupai bentuk zigzag, dan akhirnya mencapai batas dari struktur mikrostrip sehingga gelombang tersebut direfleksikan dan dibelokkan kembali oleh ujung dan menyebabkan meningkatnya radiasi end-fire. Jika terdapat antena yang dekat dengan antena ini (seperti antena susun), maka gelombang permukaan ini membentuk gandengan (coupling). Karena gelombang permukaan menurun sebanding dengan /√ , maka gandengan (coupling) juga menurun ketika titik eksitasi semakin jauh [13].

Gelombang permukaan dikatakan sangat merugikan bagi antena mikrostrip karena dapat mereduksi efisiensi ga in, membatasi bandwidth, meningkatkan radiasi end-fire, meningkatkan cross-polarization, membatasi rentang frekuensi,

meningkatkan mutual coupling pada antena array, serta menurunkan efisiensi antena[2]. Adapun rumus efisiensi antena [2] seperti yang terlihat pada Persamaan 2.34 :

= ∙ ……….………(2.34)

er= efisiensi refleksi = 1-|Г|2 ecd = efisiensi radiasi =

+ � � Pr = daya radiasi

Psw = daya dari gelombang permukaan

2.9 Mutual Coupling

Mutua l coupling adalah suatu efek yang menyebabkan terjadinya penurunan kualitas parameter antena karena adanya interferensi elektromagnetik dari dua antena atau lebih yang jaraknya terlalu berdekatan. Sebagian dari energi datang pada satu atau kedua elemen antena array yang dapat dihamburkan kembali pada arah yang berbeda seperti suatu transmiter yang baru[2]. Efek mutual coupling berpengaruh terhadap meningkatnya standing wave, dan koefisien refleksi yang otomatis menganggu kinerja parameter antena seperti VSWR dan return loss [2].

Besaran nilai efek mutual coupling biasanya diukur dari nilai S12 yang terjadi pada antena array. Adapun S parameter dapat dilihat dari Persamaan (2.35) [2] matriks :

= | | (2.35)

dimana :

S11 = return loss dari port 1 S22 = return loss dari port 2

S21 = mutual coupling dari port 1 ke port 2 S12 = mutual coupling dari port 2 ke port 1

b = mewakili amplitude tegangan gelombang reverse (mundur) jadi,

a1 = a2 =

√ (2.36)

b1 = b2 =

√ + (2.37)

Mutua l coupling ini dapat merubah besaran arus, fase dan distribusi pada tiap elemen sehingga pola radiasi keseluruhan antena berbeda dibandingkan yang tidak mengalami coupling. Besar kecilnya dampak mutual coupling terhadap performansi antena susun tergantung pada:

a. jenis antena dan parameter desainnya seperti impedansi elemen dan koefisien refleksi

b. letak posisi elemen-elemen pada antena susunnya c. pencatu dari antena susun.

2.10Defected Ground Structure (DGS)

DGS merupakan bentuk pola tersketsa pada bidang ground. Struktur DGS biasanya digunakan pada rangkaian filter dalam microstrip line yang akan menolak suatu frekuensi tertentu atau bandgap. Gangguan ini dapat mengubah karakteristik transmisi mikrostrip karena unit DGS dapat direpresentasikan dengan rangkaian ekivalen kapasitansi dan induktansi (LC) [3]. Dimensi fisik dari unit DGS dapat mempengaruhi parameter-parameter ekivalen sirkit. Rangkaian ekivalen slot DGS dapat diartikan sebagai berikut : R diartikan sebagai efek dari radiasi, L atau induktansi diartikan sebagai fluks magnetic yang melewati groundpla ne, sedangkan kapasitansi atau C, dapat diartikan sebagai besarnya gap kapasitansi [3]. Adapun rangkaian ekivalen R, L, dan C dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Metode DGS bersifat Electromagnetic Bandgap (EBG), dimana EBG yang diaplikasikan pada DGS untuk menekan radiasi cross-polarized dari patch antena [14] dan menekan harmonisasi [15].

Pada teknik DGS segiempat ini, dilakukan dengan cara meng-etch bagian ground yang akan memberi beban pada substrat secara periodik sehingga pancaran gelombang permukaan membentuk rentang frekuensi terlarang di sekitar frekuensi operasi antena [13]. Oleh karena itu gelombang permukaan tidak dapat berpropagasi disepanjang substrat, sejumlah besar daya yang teradiasi saling menggandeng ke udara begitu juga dengan gelombang permukaan lain seperti mutua l coupling antara elemen array juga berkurang [13]. Pola yang di etching juga akan menganggu distribusi arus dan merubah impedansi antena.

2.11Applied Wave Research (AWR) Microwave 2004

Microwa ve office merupakan solusi perangkat lunak yang paling komprehensif dalam merancang berbagai jenis rangkaian microwave dan Radio Frekuensi (RF). Microwave office terkenal karena memiliki user interface yang intutitif. Keunikan dari arsitekturnya membuat perangakat ini dapat berintegrasi dengan produk AWR yamg lain, perangkat-perangkat terbaru, perangkat lunak dengan aplikasi khusus dari perusahaan mitra dengan tujuan untuk memudahkan dan mempercepat dalam menyelesaikan rancangan-rancangan pada frekuensi tinggi. Adapun kemampuan dan aplikasi dari Microwave Office adalah sebagai berikut :

1. Perancangan schematic/layout.

2. Simulasi rangkaian linier dan non linier. 3. Analisa EM

4. Sintesis, optimasi, dan analisis hasil 5. DRC/L vs skematik

6. Process designskits (PDKs) digunakan oleh berbagai perancangan aplikasi yaitu :

a. Microwa ve Integra ted Circuits (MIC). b. Papan cetak perancangan RF (PCB).

c. Rakitan microwave terpadu.

Adapun tampilan dari AWR Microwave 2004 terlihat pada Gambar 2.11 berikut:

Gambar 2.11 Tampilan Dekstop Simulator AWR Microwave 2004

2.11.1 Proses Pencarian Solusi Simulator AWR Microwave Office

AWR Microwa ve Office dapat mensimulasikan struktur berupa 3D planar yang berbahan metal dan lapisan dielektrik. Simulator ini menggunakan metode Galerkin moments (MoM) dalam domain spectral, metode yang sangat akurat untuk menganalisa mikrostrip, stripline, struktur coplanar serta media yang lainnya.

Berdasarkan proses pemberhentiannya, simulasi dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu : terminating simulation dan non terminating simulation. Pada simulasi ini sistem pemberhentian simulasi menggunakan nonterminating simula tion. Simulasi ini akan berhenti berdasarkan absolute error dan r elative error. Simulasi akan berhenti apabila error telah berada dibawah absolute error dan relative error yang telah ditetapkan. Adapun besar dari absolute error dan rela tive error adalah masing-masing sebesar 1 − dan 1 − (default).

2.11.2 Spesifikasi Setting Parameter Simulasi Untuk Pengambilan Data Dalam menggunakan simulator diperlukan beberapa setting parameter yang bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi yang mendekati hasil dari pengukuran secara langsung. Adapun setting simulator yang digunakan dalam menjalankan simulasi adalah sebagai berikut.

1. Rentang frekuensi simulasi adalah 3,3 – 3,4 GHz dengan frekuensi resonansinya 3.35 GHz. Adapun cara untuk settingan nilai frekuensi dijelaskan pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Settingan nilai frekuensi pada simulator

Untuk mendapatkan tab seperti pada Gambar 2.12 dapat dilakukan dengan cara memilih Option>Project Option atau bisa juga dengan cara memilih langsung dari Project Option. Dari Gambar 2.12 dapat diketahui bahwa frekuensi pada simulasi dimulai pada 3,2 GHz dan berakhir pada 3,5 GHz dengan frekuensi tingkatan 0.015 GHz.

2. Menggunakan fitur Harmonic Balance yang merupakan salah satu fitur pada AWR Microwa ve Office yang berfungsi untuk meningkatkan akurasi dari hasil simulasi yang diinginkan. Untuk mendapatkan settingan Harmonic Balance dapat dilakukan dengan memilih Option>Default Circuit Option. Adapun cara untuk melakukan settingan pada Harmonic Balance dijelaskan pada Gambar 2.13

Gambar 2.13 Settingan pada Harmonic Balance

Dari Gambar 2.13 dapat diketahui bahwa nilai default yang digunakan pada a bsolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1 − dan 1 − dengan jumlah maksimum dari iterasinya adalah sebesar 25.

3. Dalam simulator AWR Microwave Office 2004 terdapat 3 spesifikasi mesh yang ditawarkan dalam perancangan, yaitu : low, normal dan high. Spesifikasi tersebut akan mempengaruhi keakuratan hasil simulasi yang didapatkan. Gambar 2.13 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan spesifikasi low mesh.

Gambar 2.14 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Low Mesh

Pada Gambar 2.14 dapat diketahui bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi low dalam perancangan akan akan memiliki ukuran jaring yang lebih besar dan akan memiliki nilai akurasi yang lebih rendah. Gambar 2.15 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan spesifikasi normal mesh.

Gambar 2.15 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Normal Mesh

Dari Gambar 2.15 dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi normal memiliki ukuran jaring yang lebih kecil dibandingkan dengan spesifikasi low. Sedangkan hasil yang diperoleh akan memiliki nilai keakuratan yang lebih baik dibandingkan dengan spesifikasi low mesh. Gambar 2.16 menunjukkan suatu model simulasi yang menggunakan spesifikasi high. Dari gambar dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi high memiliki ukuran jaring yang paling kecil dibandingkan dengan spesifikasi low dan normal.

Gambar 2.16 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi High Mesh

Pada perancangan ini, mesh yang digunakan (dipilih) adalah yang bertipe high. Hal ini dikarenakan hasil simulasi yang diperoleh dengan menggunakan spesifikasi high memiliki tingkat keakuratan yang paling baik dibandingkan dengan mesh yang berspesifikasi low dan normal.

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN

3.1 Umum

Pada umumnya perkembangan teknologi saat ini sudah berkembang pesat sehingga kebutuhan akan antena juga semakin meningkat. Oleh karena itu, pengembangan terhadap antena juga terus dilakukan dari segi bentuk dan ukuran. Contohnya seperti antena mikrostrip yang juga terus berkembang. Pada skripsi ini akan membahas antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen yang dilengkapi dengan teknik defected ground structure berbentuk segiempat. Adapun alasan utama perancangan antena mikrostrip susun ini adalah untuk membandingkan beberapa nilai parameter, seperti VSWR, return loss, gain, impedansi dan ba ndwidth antena mikrostrip tanpa dan dengan DGS guna memperoleh antena mikrostrip yang lebih baik untuk sistem komunikasi yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz - 3,4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz.

Untuk menghasilkan antena mikrostrip susun 2 elemen patch segiempat yang baik, maka terlebih dahulu kita mereduksi gelombang permukaan yang menjadi penyebab menurunnya efisiensi antena serta timbulnya efek mutual coupling dengan cara menggunakan teknik DGS. Namun, untuk membuktikan teknik DGS mampu mereduksi gelombang permukaan, dilakukan simulasi terhadap beberapa parameter antena. Adapun ukuran-ukuran antena mikrostrip pa tch segiempat 2 elemen tanpa DGS diperoleh dari sebuah rancangan yang telah ada berdasarkan penelitian Achmad Yustandi [12]. Dengan karakteristik substrat yang digunakan seperti yang diperlihatkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat

Jenis substrat FR-4 epoxy

Konstanta Dielektrik relative ( ) 4,4

Dielektrik Loss Tangent ( tan ) 0,002

Adapun perangkat lunak yang membantu dalam pengerjaan tugas akhir ini adalah: a. Perangkat lunak AWR Microwave Office 2004, perangkat yang digunakan

untuk mensimulasikan parameter - paramaeter antena.

b. TXLine 2003, digunakan untuk menentukan dimensi dari saluran pencatu antena mikrostrip.

Sebelum perancangan antena, maka ditentukan terlebih dahulu spesifikasi antena yang diinginkan. Antena mikrostrip patch segiempat pada frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz yang akan dirancang memiliki spesifikasi teknik sebagai berikut :

 Frekuensi kerja : 3,3 GHz – 3,4 GHz

 VSWR : ≤ 1,η

 return loss : < -15 dB

 Impedansi terminal : η0 Ω

 Ga in : ≥ 5 dBi

3.2 Diagram Alir Perancangan Antena

Dalam perancangan antena diperlukan tahap-tahap untuk membantu dalam proses perancangan tersebut. Adapun perancangannya seperti yang terlihat pada Gambar 3.1. Mulai Merancang Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS

Merancang DGS Berbentuk Segiempat dengan Ukuran

yang Berbeda-beda

Menganalisis Hasil Simulasi Melakukan Simulasi Pada Setiap Rancangan dengan AWR Microwave Office

2004

Selesai Rancangan

Antena Optimal Merancang DGS Berbentuk

Segiempat dengan Posisi yang Berbeda-beda

Hasil Simulasi Sesuai Spesifikasi ?

YA

Optimasi Ukuran BELUM

Hasil Simulasi

Sesuai Spesifikasi ? Optimasi Posisi

Melakukan Simulasi Pada Setiap Rancangan dengan AWR Microwave Office

2004

BELUM

YA

3.3 Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS

Pada tugas akhir ini, akan digunakan perancangan antena mikrostrippatch segiempat 2 elemen yang sudah dilakukan oleh Achmad Yustandi [12]. Dimensi dari rancangan tersebut ditunjukkan pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2 Dimensi Antena

Adapun geometri dari rancangan antena tersebut diperlihatkan pada Gambar 3.2.

Wp 10,6 mm

Lp

Ls1

Ls2

Ws1

Ws2

9,6 mm

9,6 mm Wp

Gambar 3.2 Rancangan Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS Komponen Dimensi

Lp 21,4 mm

Wp 27,25 mm

Lg 51,71 mm

Wg 74,7 mm

Ls1 10,6 mm

Ws1 0,69 mm

Ls2 10,6 mm

3.4 Perancangan Antena Pada Simulator

Adapun langkah-langkah perancangan antena pada simulator AWR Microwa ve Office 2004 adalah :

1. Pembuatan EM Structure

Pada pembuatan EM structure ini diberikan nama perancangan yang akan kita dirancang seperti yang ditunjukkan Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Pembuatan EM Structure pada Simulator

2. Penentuan Enclosure (Substrat Information)

Pada tahap ini, dilakukan pengisian enclosure dengan mengisi box dimensions sesuai dengan perhitungan lebar ground Wg dan panjang ground Lg seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Kemudian dilanjutkan dengan pengisian pada dielectric layers sesuai dengan substrat yang digunakan seperti yang tergambar pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Pengisian Dielectric Layers pada Simulator

Selanjutnya dilakukan pengisian boundaries kemudian klik OK seperti tergambar pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Pengisian Boundaries pada Simulator

3. Pembuatan Pa tch Antena Dan Saluran Pencatuannya

Pembuatan patch antena dan saluran pencatu dirancang sesuai dengan ukuran yang telah diperhitungkan. Adapun tampilan keseluruhan perancangan antena tersebut seperti yang ditunjukkan Gambar 3.7.

Gambar 3.7 Pembuatan Patch Antena dan Saluran Pencatu

4. Pembuatan Port Eksitasi

Pembuatan port eksitasi yang dimaksudkan adalah dengan menambahkan port pada akhir saluran pencatu η0Ω. Lalu mengklik bagian ujungnya sehingga akan muncul kotak seperti yang ditunjukkan Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Pengisian Port Eksitasi

5. Penentuan Frekuensi

Penentuan frekuensi ini diatur pada option – project option maka akan timbul kotak seperti yang ditunjukkan Gambar 3.9.

Gambar 3.9 Pengisian Frekuensi Kerja

Frekuensi yang diisi berkisar antara 3,2 GHz – 3.5 GHz dengan step 0,015 lalu klik apply.

6. Penentuan Spesifikasi Mesh

Penentuan spesifikasi mesh ini didapat pada structure – option sehingga muncul kotak seperti yang ditunjukkan Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Pengisian Spesifikasi Mesh

Pada spesifikasi mess ini akan dipilih low dikarenakan selain karena lebih ringandan hasil yang didapat juga tidak jauh berbeda dari high.

7. Pembuatan Output (Grafik Keluaran)

Pada tahap ini, akan dilakukan pembuatan output parameter yang akan diteliti dengan mengklik graph – add graph sehingga muncul kotak yang ditunjukkan pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Pembuatan Grafik Keluaran

Setelah itu maka pada grafik keluaran yang telah dibuat klik lalu pilih add mea surement maka akan muncul seperti Gambar 3.12.

Pembuatan grafik keluaran Return Loss (S11) ditunjukkan pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13 Pembuatan Grafik Keluaran Return Loss

Pembuatan grafik keluaran Gain ditunjukkan pada Gambar 3.14.

Gambar 3.14 Pembuatan Grafik Keluaran Gain

Adapun gambar visualisasi 3D dari perancangan antena tersebut seperti yang ditunjukkan Gambar 3.15.

Gambar 3.15 Visualisasi 3D Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS

8. Pembuatan DGS

Pembuatan DGS pada simulator dilakukan pada layer 3 dengan menghilangkan sedikit konduktor dengan bentuk segiempat dan ukuran yang diuji. Adapun gambar dari DGS tersebut seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.16.

Gambar 3.16 Antena Mikrostrip 2 Elemen dengan DGS

Berikut adalah hasil visualisasi 3D antena mikrostrip 2 elemen dengan DGS seperti yang ditunjukkan Gambar 3.17.

Gambar 3.17 Visualisasi 3D Antena Mikrostrip 2 Elemen Dengan DGS

3.5 Perancangan DGS Segiempat Pada Antena Mikostrip

Defected Ground Structure merupakan bentuk pola tersketsa pada bidang ground. Teknik DGS dilakukan dengan cara meng-etch daerah ground pada substrat. Dengan kata lain, di bagian ground dari antena mikrostrip dibuat slot. Teknik ini adalah suatu mode dimana substrat diberi beban secara periodik sehingga pancaran gelombang permukaan membentuk rentang frekuensi terlarang di sekitar frekuensi operasi antena [13]. Oleh karena itu gelombang permukaan tidak dapat berpropagasi sepanjang substrat, sejumlah besar daya yang teradiasi saling menggandeng ke udara begitu juga dengan gelombang permukaan lain seperti mutual coupling antara elemen array juga diperkecil [13].

Perancangan antena mikrostrip susun 2 elemen dengan DGS segiempat menggunakan hasil perancangan pada Sub Bab 3.3 sebelumnya sebagai antena konvensionalnya. Pada perancangan antena konvensional tersebut akan dilakukan penelitian terhadap DGS berbentuk segiempat yang akan diletakkan diantara kedua elemen antena seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.18 sebagai berikut:

Gambar 3.18 Antena Mikrostrip Patch Segiempat 2 Elemen dengan DGS Segiempat

Pada penelitian ini dirancang elemen DGS berbentuk segiempat. Luas dari DGS segiempat tersebut dirancang sesuai dengan ukuran yang bervariasi dengan ukuran keempat sisi yang sama panjang. DGS segiempat ini kemudian disimulasikan dengan menggeser-geser posisi DGS terhadap sumbu Y namun tetap menjaga posisinya terhadap sumbu X agar DGS tersebut tetap berada ditengah. Parameter yang perlu diperhatikan pada saat pensimulasian ini adalah nilai VSWR, return loss, gain, impedansi dan mutual coupling yang dimana nilai-nilai tersebut akan dibandingkan dengan nilai-nilai parameter antena tanpa DGS.

3.6 Variabel yang Dianalisis

Variabel yang akan dianalisis adalah ukuran dan posisi DGS berbentuk segiempat. Ukuran DGS yang akan dianalisis dimulai dari ukuran DGS segiempat dimulai dari 10 mm - 30 mm dengan space 2 mm. Adapun gambar perubahan ukuran DGS ditunjukkan pada Gambar 3.19

DGS

DGS

Y X

Gambar 3.19 Perubahan Ukuran DGS

Pada posisi DGS adalah pergeseran letak DGS secara vertical (diantara kedua patch) dengan menggeser-geser posisi DGS terhadap sumbu Y namun tetap menjaga posisinya terhadap sumbu X agar DGS tersebut tetap berada ditengah yang disesuaikan dengan ukuran DGS optimal yang diilustrasikan pada Gambar 3.20

DGS

Y + X Y

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Umum

Pada tugas akhir ini dirancang sebuah antena mikrostrip susun 2 elemen pa tch segiempat dengan penggunaan defected ground structure berbentuk segiempat pada bagian ground . Adapun dimensi antena seperti yang tertera pada Tabel 3.2. Antena mikrostrip ini bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz.

Hasil simulasi ini ditentukan oleh beberapa parameter yang akan dibahas antara lain VSWR, return loss, dan gain. VSWR merupakan indikator antena yang menunjukkan bahwa antena tersebut dapat bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Apabila nilai VSWR = 1 maka tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna namun kondisi ini sulit didapat, sehingga pada umumnya nilai VSWR yang dianggap baik ≤ 2.

4.2 Analisis Antena Tanpa DGS

Hasil perancangan antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen tanpa DGS seperti Gambar 3.2 dilanjutkan ke tahapan simulasi menggunakan simulator AWR Microwa ve Office 2004 . Adapun hasil grafik keluaran simulasi ditunjukkan pada Gambar 4.1, Gambar 4.2, Gambar 4.3 dan Gambar 4.4 untuk masing-masing nilai VSWR, return loss, gain, dan impedansi.

Gambar 4.1 Nilai Simulasi VSWR Tanpa DGS

Gambar 4.3 Nilai Simulasi Gain Tanpa DGS

Gambar 4.4 Nilai Simulasi Impedansi Tanpa DGS

Pada antena tanpa DGS tersebut maka diperoleh nilai VSWR 1,371 , nilai return loss -16,12 dB , nilai gain 7,502 dB, nilai impedansi 38,83 – j 8,37 Ω dan nilai bandwidth yang diperoleh 131 MHz.

4.3 Analisis Antena dengan DGS

Analisis antena dengan teknik DGS ini terlebih dahulu akan dilakukan untuk antena dengan DGS berukuran (10 x10) mm, namun apabila hasilnya kurang optimal maka akan dilakukan simulasi dengan mengubah-ubah ukuran dan posisi DGS.

4.3.1 Analisis Antena Dengan DGS Berukuran (10 x10) mm

Antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan DGS berukuran (10x10) mm seperti Gambar 3.18 akan disimulasikan beberapa parameternya seperti VSWR, return loss, gain, dan impedansi. Berikut adalah hasil simulasi seperti yang diperlihatkan pada masing-masing Gambar 4.5, Gambar 4.6, Gambar 4.7, dan Gambar 4.8.

Gambar 4.6 Nilai Simulasi Return Loss DGS (10x10) mm

Gambar 4.8 Nilai Simulasi Impedansi DGS (10x 10) mm

Dari hasil simulasi didapat nilai VSWR 1,345 , return loss -16,65 dB, gain 7,462 dB dan impedansi 42,44 – j 11,42 Ω.

4.3.2 Analisis Perbandingan Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm

Setelah melakukan simulasi terhadap antena mikrostrip 2 elemen

segiempat tanpa DGS dan dengan DGS (10x10) mm maka diperoleh perbandingan nilai VSWR, bandwidth, return loss, gain, dan impedansi. Nilai perbandingan VSWR dan bandwidth antara antena tanpa dan dengan DGS (10x10) mmdapat dilihat pada Gambar 4.9.

Dari hasil simulasi yang diperoleh menunjukkan bahwa antena dengan DGS pada posisi Y- 4 mm mampu memperbaiki nilai mutual coupling 1 %.

% = − ,99 − − , 9

− , 9 % = %

Tabel 4.3 berikut menunjukkan hasil simulasi parameter-parameter perbandingan antena tanpa dan antena dengan DGS. Dari Tabel 4.3 terdapat nilai parameter antena mikrostrip susun 2 elemen patch segiempat dengan defected ground structure berbentuk segiempat yang menghasilkan perbaikan nilai VSWR sebesar 20,1 % terhadap antena tanpa dan antena dengan DGS juga mampu memperlebar bandwidth sebesar 71,4 %.

Tabel 4.3 Perbandingan Nilai Parameter Antena Tanpa dan Dengan DGS Optimal

Parameter Antena Antena Tanpa DGS Antena dengan DGS Keterangan

VSWR Min 1,371 1,096 Penurunan nilai

VSWR 20,1 % Bandwidth (MHz)

VSWR ≤ 2

131 MHz 224,5 MHz Kenaikan Bandwidth

71,4 %

Return Loss -16,12 dB -26,79 dB Penurunan RL 66,2 %

Gain (dB) 7,502 dB 6,935 dB Pelemahan 7,6 % dB Impedansi 38,84 –j 8,37 Ω η4,1θ + j 2,32 Ω

Mutual Coupling - 21,79 dB - 21,997 dB Penurunan mutual

coupling 1 %

Nilai RL juga mengalami penurunan sebesar 66,2 % antena DGS mampu memperbaiki kinerja antena menjadi lebih baik. Pada gain terlihat antena tanpa

DGS memiliki penguatan yang lebih besar dari antena dengan DGS. Adapun nilai impedansi antena DGS lebih match mendekati η0 Ω daripada antena tanpa DGS. Nilai berikutnya adalah nilai mutual coupling. Antena dengan DGS mampu memperkecil nilai mutual coupling sebesar 1%.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

Pada tugas akhir ini telah dirancang antena mikrostrip susun 2 elemen pa tch segiempat dengan penerapan DGS pada bagian ground antena tersebut. Adapun ukuran DGS optimal adalah (26x26) mm dengan posisi (Y- 4 mm). Hal ini dilakukan guna memperbaiki kinerja performa parameter-parameter antena susun tersebut yang nilainya tidak stabil akibat terkena gangguan dari efek gelombang permukaan. Perbaikan tersebut terbukti dari hasil simulasi dan analisa yang didapat sehingga diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Nilai VSWR yang dihasilkan dari simulasi pada perancangan antena tanpa DGS adalah 1,371 sedangkan hasil simulasi antena dengan DGS menghasilkan nilai VSWR sebesar 1,096 hal ini membuktikan bahwa antena yang menggunakan DGS mampu memperbaiki kinerja VSWR dimana kedua antena tersebut bekerja pada frekuensi yang sama yaitu 3,3 GHz – 3,4 GHz.

2. Nilai Return Loss (S11) yang dihasilkan dari simulasi pada perancangan antena tanpa DGS adalah -16,12 dB sedangkan hasil yang diperoleh untuk return loss pada antena yang menggunakan DGS adalah -26,8 dB. Hal ini membuktikan bahwa antena dengan DGS memberikan nilai yang lebih unggul dalam memperbaiki performa kinerja return loss pada antena mikrostrip susun 2 elemen yang bekerja pada frekuensi 3,3 GHz-3,4 GHz. Sehingga diperoleh kesimpulan antena dengan DGS mampu melakukan penekanan sebesar 10,68 dB terhadap antena tanpa DGS.

3. Nilai Gain yang diperoleh melalui hasil perancangan antena tanpa DGS adalah 7,502 dB sedangkan nilai gain pada antena dengan DGS menghasilkan nilai yang lebih rendah yaitu 6,93 dB. Hal ini menunjukkan terjadi pelemahan pada antena yang menggunakan DGS.

4. Nilai impedansi pada perancangan antena tanpa DGS 38,84 –j 8,37 Ω dan antena denganDGS menghasilkan 54,16 + j 2,32 Ω terlihat bahwa antena dengan DGS lebih match daripada antena tanpa DGS.

5. Nilai mutual coupling pada antena tanpa DGS menghasilkan nilai -21,997 dB sedangkan antena dengan DGS 4 mm kebawah dari posisi Y atau (Y – 4mm) menghasilkan nilai -21,79 dB hal ini menunjukkan bahwa DGS pada posisi optimal ini mampu memperbaiki nilai mutual coupling daripada antena tanpa DGS hingga 0,207 dB. Hal ini menunjukkan keberadaan DGS mampu menekan efek mutual coupling.

5.2 Saran

Adapun saran yang dapat penulis berikan adalah :

1. Pada perancangan antena ini diperlukan waktu yang lama dalam

pensimulasian yangdilakukan dengan simulator AWR Microwave Office 2004 sehingga dapat dicoba dengansimulator lain, seperti CST

2. Penggunaanya pada aplikasi WIMAX yang saat ini terus dikembangkan memungkinkanagar perancangan antena mikrostrip ini dilanjutkan pada tahap proses pabrikasi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Surjati, Indra. 2010. “Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya”. Jakarta: Penerbit Universitas Trisakti.

[2] Constantine. A. Balanis, Antenna Theory : Analysis and Design, (USA : John Willey and Sons, 1997).

[3] Zulkifli, F. Y. (2008). “Studi Tentang Antena Mikrostrip Dengan Defected Ground Structure (DGS)”.

[4] Kraus, J. D.,”Antennas”,2nd ed., Mc.Graw Hill, New Delhi, 1988.

[η] D.R. Lide, Ed. “CRC Ha ndbook of Chemistry a nd Physics, 8η th Ed”. CRC press. Boca Raton. Halaman 8-141. 2004.

[θ] Fawwaz T, Ulaby. “Fundamentals of Applied Electromagnetic”. USA : Prentice Hall. 2001.

[7] Lee, K.F., Luk K.M., dan Dahele, J.S., "Characteristics of the Equilateral Tria ngula r Microstrip Antenna,” Electron. Lett. Vol.34, pp. 319-321, 1998. [8] Rambe, Ali Hanafiah. 2008. “Rancang Bangunan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Planar Array 4 Elemen Dengan Pencatuan Aperture-Coupled Untuk Aplikasi CPE Pada WIMAX”. Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia.

[9] Amirullah, Lestari. (2008). “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dengan Menggunakan Teknik DGS Bentuk Dumbbell Square – Hea d Pada Patch Segitiga Linear Array”. Skripsi Teknik Elektro Universitas Indonesia.

Wiley & Sons.

[11] Tobing, Robby Ramdani Gilang. “Analisa Pengaruh Mutua l Coupling Terhadap Susunan Dua Antena Mikrostrip Segitiga Sama Sisi Dengan Frekuensi Resonan Yang Berbeda (1,η GHz dan 1,7 GHz)”. Skripsi Teknik Elektro dan Komunikasi IT Telkom. Bandung.

[12] Yustandi Achmad, Dr. Ir. Heroe Wijanto, MT, Dr. Ir. Yuyu Wahyu, MT, “Perancangan Dan Analisis Antena Microstrip Rectangular Susun Dua Elemen Dengan Penerapan Defected Ground Stucture Berbentuk Persegi Pada FrekuensI 3.3–3.4GHz”, IT Telkom,Bandung, 2010.

[13] Garg, R. (Ed.). (2001). “Microstrip Antenna Design Ha ndbook”. Artech House.

[14] Liu, Haiwen, et al., “Ha rmonic SuppressiWith Photonic Ba ndga p and Defected Ground Structure for a Microstrip Pa tch Antenna”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 15, no. 2, pp.55-56, February 2005.

[15] Hirasawa, K. dan Haneishi, M., “Ana lysis, Design, a nd Mea surement of Sma ll a nd Low- Profile Antena s”, Artech House, Norwood MA, 1992.