Studi Perancangan Antena Susun Mikrostrip Patch Segiempat Dual-Band (2.4 GHz dan 3.3 GHz)

(1)

STUDI PERANCANGAN ANTENA SUSUN MIKROSTRIP

PATCH SEGIEMPAT DUAL-BAND (2.4 GHz dan 3.3 GHz)

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

APLI NARDO SINAGA

110422021

(2)

(3)

ABSTRAK

Perkembangan komunikasi wireless di abad ini sangat dibutuhkan. Hal ini dikarenakan manusia ingin berkomunikasi dengan sesamanya tanpa dibatasi oleh jarak dan tempat. Komunikasi wireless yang sedang berkembang saat ini adalah WLAN dan WiMAX dimana kelebihan dari kedua teknologi ini adalah mobilitas dan produktivitas tinggi, kemudahan dan kecepatan instalasi serta fleksibel. Teknologi WLAN dan WiMAX sangat didukung oleh perkembangan antena. Antena yang dikembangkan untuk menunjang pengembangan teknologi ini adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip dual-band adalah salah satu jenis antena yang dapat bekerja pada dual frekuensi sehingga dapat menunjang teknologi tersebut secara bersamaan.

Pada Tugas Akhir ini dirancang antena mikrostrip dual-band dengan menggunakan patch segiempat, dimana dua buah patch segiempat disusun dan dihubungkan dengan saluran mikrostrip. Software yang digunakan dalam mendesain antena ini adalah AWR 2004, software ini diperlukan untuk mengoptimasi antena agar didapatkan nilai VSWR yang diinginkan.

Nilai VSWR yang diperoleh dari studi perancangan ini adalah 1,379 untuk frekuensi 2,45 GHz dan VSWR sebesar 1,263 untuk frekuensi 3,35 GHz. Gain yang diperoleh dari studi perancangan ini adalah 7,535 dB pada frekuensi 2,45 GHz dan 7,129 dB pada frekuensi 3,35 GHz. Nilai ini menunjukkan bahwa hasil perancangan yang dibuat telah memenuhi spesifikasi perancangan awal yang sudah ditentukan.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur serta hormat kepada Tuhan Yang Maha Esa sumber segala pengetahuan yang telah memberikan hikmat, kekuatan, kebijaksanaan, serta bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik dan tepat pada waktunya.

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada Ibunda tercinta, yaitu Ibunda Lortina br. Damanik, abang penulis Bernard Sinaga, Loren Sisko Sinaga, Alwindo Sinaga dan adik penulis Dewi Sulastri Sinaga yang senantiasa mendukung serta mendoakan penulis hingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Tugas Akhir ini adalah bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu (S-1) di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah :

STUDI PERANCANGAN ANTENA SUSUN MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT DUAL-BAND (2.4 GHz dan 3.3 GHz)

Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis telah banyak mendapatkan bantuan baik moril maupun material dari berbagai pihak. Dan pada kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe,ST. MT selaku dosen pembimbing penulis, atas bimbingan, pengarahan dan dukungannya.

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

(5)

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

4. Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku dosen pembanding Tugas Akhir, atas saran dan semangatnya.

5. Seluruh Bapak/ Ibu Dosen yang telah mengajar dan mendidik penulis selama ini.

6. Teman-teman pelayanan di YAKPM BPC-Medan Andri, Herbet, Elwin, Dahnur dan seluruh pengurus YAKPM BPC-Medan tahun 2012-2014. 7. Sahabat-sahabat penulis ekstensi teknik elektro telekomunikasi stambuk

2011 Mediska Simanjuntak, Daniel, Feni, dan adik Nevia Sihombing terima kasih buat kasih dan dukungannya.

Penulis tetap menyadari bahwa Tugas Akhir ini belum begitu sempurna baik dari segi materi, pengolahan maupun penyajian. Oleh karena itu, saran dan kritik yang membangun selalu penulis harapkan. Kiranya Tuhan selalu memberikan karunia-Nya kepada kita semua. Akhir kata, penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan bagi yang memerlukannya.

Medan, Maret 2014 Hormat saya,

Apli Nardo Sinaga NIM 110422021

(6)

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN. ... i

ABSTRAK……….. ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penulisan ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

1.5 Metodologi Penulisan ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1. Pengertian Antena ... 5

2.2. Antena Mikrostrip ... 6

2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip ... 6

2.2.2 Jenis-Jenis Antena Mikrostrip ... 7

2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip ... 8

2.2.4 Teknik Pencatuan ... 8

2.3 Antena Mikrostrip Patch Segiempat ... 9

(7)

2.4.1 Bandwith ... 10

2.4.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) ... 11

2.4 3 Return Loss ... 11

2.4.4 Pola Radiasi ... 12

2.4.5 Direktivitas Antena ... 14

2.4.6 Gain ... 15

2.4.7 Impedansi Masukan ... 15

2.5 Dimensi Antena Mikrostrip ... 16

2.6 Antena Susun Mikrostrip ... 17

2.7 Antena Susun Mikrostrip Dual-Band ... 19

2.8 Impedance Matching ... 19

2.9 Power divider ... 20

2.10 T-Junction 50 Ohm ... 21

2.11 Perangkat Lunak AWR Microwave Office ... 21

2.12 Proses Pencarian Solusi Simulator AWR Microwave Office ... 22

2.13 Spesifikasi Setting Parameter Simulasi Untuk Pengambilan Data ... 23

BAB III PERANCANGAN ANTENA SUSUN MIKROSTRIP ... 27

3.1 Umum ... 27

3.2 Perangkat Yang Digunakan ... 27

3.3 Jenis Substrat yang Digunakan ... 27

3.4 Diagram Alir Perancangan Antena ... 29

3.5 Perancangan Elemen Antena ... 30

3.5.1 Perancangan Dimensi Patch WLAN ... 30

(8)

3.6 Pengaturan Jarak Antar Elemen ... 34

3.7 Perancangan T-Juntion 50 ohm ... 35

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 36

4.1 Umum ... 36

4.2 Simulasi Elemen WLAN (2,45 GHz) ... 36

4.3 Simulasi Elemen WiMAX (3,35GHz) ... 37

4.4 Simulasi Antena Susun Mikrostrip Dual-Band ... 38

4.5 Analisis Hasil Simulasi ... 42

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 47

5.1 Kesimpulan ... 47

5.2 Saran ... 47 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN A

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur Antena mikrostrip ... 6

Gambar 2.2 Jenis-Jenis Patch Antena Mikrostrip ... 7

Gambar 2.3 Bentuk Geometri Mikrostrip Patch Segiempat ... 9

Gambar 2.4 Rentang Frekuensi yang Menjadi Bandwith ... 10

Gambar 2.5 Pola Radiasi Antena ... 12

Gambar 2.6 Antena Mikrostrip dengan Teknik Array ... 18

Gambar 2.7 Trasformator λ/4 ... 20

Gambar 2.8 N-way Wilkinson Combiner ... 20

Gambar 2.9 T-Junction untuk Antena Mikrostrip ... 21

Gambar 2.10 Settingan Nilai Frekuensi Pada Simulator ... 23

Gambar 2.11 Settingan Pada Harmonic Balance ... 24

Gambar 2.12 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi Low Mesh ... 25

Gambar 2.13 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi Normal Mesh ... 25

Gambar 2.14 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi High Mesh ... 26

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Antena susun mikrostrip Dual-Band ... 29

Gambar 3.2 Perhitungan Lebar Saluran dan Panjang Pencatu WLAN ... 31

Gambar 3.3 Rancangan Mikrostrip patch 2,45 GHz ... 32

Gambar 3.4 Perhitungan Lebar Saluran dan Panjang Pencatu WiMAX ... 33

(10)

Gambar 3.6 Tampilan TXLine 2003 untuk Perancangan T-Junction ... 35

Gambar 4.1 Nilai VSWR Rancangan Awal WLAN ... 37

Gambar 4.2 Nilai Gain Rancangan Tunggal WLAN... 37

Gambar 4.3 Nilai VSWR Rancangan Tunggal WiMAX ... 38

Gambar 4.4 Nilai Gain Rancangan Tunggal WiMAX ... 38

Gambar 4.5 Model Rancangan Antena Susun Mikrostrip Dual-Band ... 39

Gambar 4.6 Nilai VSWR Rancangan Awal Antena Susun Mikrostrip Dual-Band ... 39

Gambar 4.7 Nilai VSWR Yang Optimal Antena Susun Mikrostrip Dual-Band ... 42

Gambar 4.8 Pola Radiasi dan Gain WLAN ... 43

Gambar 4.9 Pola Radiasi dan Gain WiMAX ... 43

Gambar 4.10 Nilai Zin Antena Dual-Band Pada Smith Chart ... 45

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat Yang Digunakan ... 28 Tabel 4.1 Hasil Iterasi Letak Titik Pencatu Antar Elemen ... 40

(12)

ABSTRAK

(13)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan komunikasi wireless di abad ini sangat dibutuhkan. Hal ini dikarenakan manusia ingin berkomunikasi dengan sesamanya tanpa dibatasi oleh jarak dan tempat. Oleh karena itu, banyak akademik dan industri berlomba untuk mengembangkan teknologi wireless. Komunikasi wireless yang sedang berkembang saat ini adalah WLAN dan WiMAX. Kelebihan dari kedua teknologi ini adalah mobilitas dan produktivitas tinggi, kemudahan dan kecepatan instalasi serta fleksibel.

Teknologi WLAN dan WiMAX sangat didukung oleh perkembangan antena. Antena yang dikembangkan untuk menunjang pengembangan teknologi ini adalah antena mikrostrip, dimana selain bentuknya kecil antena ini sangat praktis dan mudah dibawa. Selain itu, dalam perakitan proses pembuatannya tidak membutuhkan biaya yang besar. Salah satu jenis antena mikrostrip yang dapat menunjang teknologi WLAN dan WiMAX secara bersamaan adalah antena mikrostrip dual-band karena antena ini dapat bekerja pada dual frekuensi.

Pada Tugas Akhir ini dirancang antena mikrostrip dual-band dengan menggunakan patch segiempat, dimana dua buah patch segiempat disusun dan dihubungkan dengan saluran mikrostrip. Software yang digunakan dalam mendesain antena ini adalah AWR 2004, software ini diperlukan agar memudahkan merancang antena yang diinginkan. Adapun parameter-parameter

(14)

yang akan diamati dari studi perancangan antena ini adalah nilai VSWR, pola radiasi, bandwith dan gain antena.

1.2 Perumusan Masalah

Adapun perumusan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Apa yang dimaksud dengan antena susun mikrostrip dual-band ? 2. Bagaimana merancang antena susun mikrostrip dual-band dengan

patch segiempat?

3. Berapakah nilai VSWR, bandwith, gain, dan bentuk pola radiasi dari antena susun mikrostrip dual-band dengan patch segiempat?

1.3 Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk menganalisis perancangan antena susun mikrostrip pacth segiempat dual-band (2.4 GHz dan 3.3 GHz).

1.4 Batasan Masalah

Agar pembahasan lebih terarah, maka pembahasan dibatasi oleh sebagai berikut:

1. Hanya membahas tentang antena mikrostrip patch segiempat.

2. Parameter yang akan dibahas adalah VSWR, gain antena,bandwith dan bentuk pola radiasi.

3. Bentuk perancangan antena susun mikrostrip adalah bentuk linear array.

4. Perancangan hanya dalam bentuk simulasi menggunakan perangkat lunak AWR2004.

(15)

1.5 Metodologi Penulisan

Metodologi Penulisan yang dilakukan penulis adalah sebagai berikut : 1. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan lain yang terkait serta dari layanan internet berupa jurnal-jurnal penelitian.

2. Simulasi

Perancangan dan simulasi antena dilakukan dengan menggunakan bantuan software AWR2004.

3. Analisa

Analisa dilakukan dengan menganalisis parameter-parameter antena hasil simulasi.

1.6 Sistematika Penulisan

Adapun yang menjadi sistematika Penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, serta sistematika penulisan.

BAB II DASAR TEORI

Bab ini berisi tentang teori penjelasan tentang antena mikrostrip secara umum dan penjelasan tentang antena mikrostrip patch segiempat serta perangkat lunak yang digunakan.

(16)

BAB III PERANCANGAN ANTENA SUSUN MIKROSTRIP

Bab ini berisi tentang perancangan antena susun mikrostrip patch segiempat dual-band (2.4 GHz dan 3.3 GHz)

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang hasil simulasi antena susun mikrostrip

dual-band dan analisa parameter-parameter hasil simulasi antena.

BAB V PENUTUP

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran-saran dari hasil pembahasan

(17)

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Pengertian Antena

Antena merupakan bagian penting dalam sistem komunikasi radio, karena antena sebagai alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran tranmisi menjadi gelombang bebas di udara dan sebaliknya. Antena berfungsi untuk memancarkan gelombang elektromagnetik menuju ruang bebas atau sebaliknya menangkap gelombang elektromegnetik dari ruang bebas. Energi listrik dari pemancar dikonversi menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas kemudian pada penerima gelombang elektromagnetik tersebut ditangkap lalu dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan antena.

Antena juga dapat dikatakan sebagai struktur transisi antara ruang bebas dengan alat pembimbing. Alat pembimbing yang dimaksud dapat berupa saluran koaksial ataupun pipa yang digunakan sebagai alat transportasi energi elektromagnetik dari sumber transmisi ke antena atau dari antena ke penerima. Pada sistem komunikasi radio, perancangan antena yang baik akan mempertinggi unjuk kerja dari keseluruhan sistem tersebut. Antena juga memiliki sifat resonansi artinya antena akan beroperasi pada daerah tertentu saja sesuai dengan frekuensi kerjanya. Kekuatan dalam memfokuskan sinyal radio satuannya dalam antena adalah dB. Semakin besar jumlah dBnya maka jangkauan jarak yang ditempuh antena semakin besar pula. Jenis antena yang digunakan harus sesuai dengan

(18)

sistem yang akan kita bangun dan disesuaikan dengan kebutuhan penyebaran sinyalnya.

2.2 Antena Mikrostrip

Salah satu antena yang terkenal saat ini adalah antena mikrostrip. Hal ini dikarenakan bentuk dan ukuran yang kecil sehingga cocok dengan perangkat telekomunikasi sekarang ini yang memperhatikan bentuk dan ukuran. Ukuran antena yang kecil, massa yang ringan dan mudah difabrikasi menjadikan antena ini sesuai dengan kebutuhan saat ini.

2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip

Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu mikro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefinisikan sebagai salah satu antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran yang sangat kecil. Secara umum, antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian, yaitu patch, substrat, dan ground plane. Patch terletak diatas substrat dan ground plane terletak paling bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1[1].

(19)

Patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Substrat berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan, sedangkan ground plane berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan dan terletak dilapisan paling bawah.

2.2.2 Jenis-Jenis Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip dikenal dalam beberapa bentuk sesuai dengan bentuk patch-nya, diantaranya :

a) Antena mikrostrip patch persegi panjang (rectangular) b) Antena mikrostrip patch persegi (square)

c) Antena mikrostrip patch elips (elliptical) d) Antena mikrostrip patch segitiga (triangular) e) Antena mikrostrip patch lingkaran (circular) f) Antena mikrostrip patch cicular ring

Bentuk patch antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Jenis-Jenis Patch Antena Mikrostrip

Eliptical Square Circular

(20)

2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip mengalami kenaikan popularitas khususnya diaplikasi 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 adalah : a) Dimensi antena yang kecil.

b) Bentuknya sederhana memudahkan dalam proses perakitan. c) Dapat bekerja dalam dual-frekuency dan triple frekuency. d) Dapat diintegrasikan pada Microwave Integrated Circuit (MIC).

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

a) Efisiensi yang rendah. b) Gain yang rendah.

c) Memiliki daya (power) yang rendah.

d) Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan. e) Bandwith yang sempit.

2.2.4 Teknik Pencatuan

Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dapat dibagi dua, yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling). Awalnya teknik pencatuan langsung sering digunakan karena sangat sederhana dalam pencatuan. Tetapi disamping itu ada beberapa kekurangan yang terdapat pada pencatuan ini, contohnya mempunyai

(21)

kesulitan jika disusun secara array dan antena mikrostrip akan menghasilkan pita frekuensi atau bandwith yang sempit sekitar 2% - 5 %[2].

Oleh karena kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya dikenalkan pencatuan tidak langsung (electromagnetic coupling). Keuntungannya adalah dapat memperlebar bandwith dan dapat mengurangi proses penyolderan. Beberapa teknik pencatuan yang sering digunakan, yaitu : coaxial probe, teknik microstrip line, aperture coupling dan proximity coupling.

2.3 Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Antena mikrostrip dalam perancangan ini menggunakan patch segiempat. Bentuk segiempat adalah bentuk antena mikrostrip yang paling banyak digunakan karena bentuknya sederhana. Selain itu, patch segiempat mudah dalam analisis dan proses fabrikasi. Gambar 2.3[3] menunjukkan bentuk geometri dari patch mikrostrip segiempat dimana W dan L adalah lebar dan panjang dari patch, h adalah tebal substrat dan

ɛ

r merupakan nilai konstanta dielektrik dari substrat.

(22)

2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip

Unjuk kerja dari suatu antena mikrostrip dapat dilihat dari parameternya. Beberapa parameter utama yang dimaksud adalah bandwith, gain antena, pola radiasi, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dan Return Loss.

2.4.1 Bandwith

Bandwith (Gambar 2.4) suatu antena didefinisikan sebagai besar rentang frekuensi kerja dari suatu antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar [4].

Gambar 2.4 Rentang Frekuensi yang menjadi Bandwith Berikut adalah rumus yang digunakan untuk mencari nilai bandwith[4] :

BW = �2_�−�1

� � 100% (2.1)

Dimana :

�2 = frekuensi atas (Hz)

�1 = frekuensi bawah (Hz)

(23)

2.4.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min)[2]. Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ)[2]:

Γ = �0

−

�0+ =

��−�0

��+�0 (2.2) Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran. Sedangkan rumus untuk mencari nilai Voltage Standing Wave Ratio adalah [2] :

�

=

|V|max

|V|min

=

1+|Γ|

1−|Γ| (2.3) Kondisi yang paling baik adalah ketika nilai VSWR-nya sama dengan satu atau S=1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam matching sempurna tetapi pada prakteknya kondisi ini sulit didapatkan. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diizinkan untuk simulasi dan pabrikasi antena mikrostrip adalah lebih kecil atau sama dengan 2.

2.4.3 Return Loss

Return Loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return Loss digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0-) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0+).

(24)

Return Loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [3].

Return Loss = 20 log10 |Γ | (2.4) Nilai return loss yang baik adalah dibawah -9,54 dB, sehingga dikatakan nilai gelombang yang dipantulkan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain saluran transmisi sudah dalam keadaan matching. Nilai ini menjadi acuan apakah antena sudah bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau belum.

2.4.4 Pola Radiasi

Pola radiasi adalah fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang [2]. 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 terdiri dari main lobe, side lobe, HPBW (Half Beamwidth), FNBW (First Null Beamwidth), SLL (Side Lobe Level) dan FBR (front to back ratio) seperti terlihat pada Gambar 2.5.

(25)

Definisi dari istilah- istilah dari parameter pola radiasi adalah sebagai berikut : a) Major Lobe

Major lobe disebut juga main lobe didefinisikan sebagai radiation lobe yang berisi arah radiasi maksimum. Major 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 main lobe.

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

3. back lobe yaitu minor lobe yang posisinya berlawanan dengan main lobe.

c) Half Power Beamwidth ( HPBW)

Half Power Beamwidth 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 Beamwidth (FNBW)

First Null Beamwidth adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada main 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.

(26)

f) Front to Back Ratio (FBR)

Front to Back Ratio 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.

2.4.5 Direktivitas Antena

Direktivitas antena merupakan parameter yang menunjukkan kemampuan antena untuk memfokuskan energi kearah tertentu dibandingkan ke arah yang lain. Keterarahan sebuah antena merupakan perbandingan intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Direktivitas antena dapat dituliskan dalam persamaan berikut [2] :

�

=

�

�0

=

4��

�_�� (2.4)

Dimana :

D = keterarahan U = Intensitas Radiasi

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

Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π.

(27)

2.4.6 Gain

Gain menunjukkan seberapa efisien sebuah antena dapat mentransformasi daya yang ada pada terminal masukan menjadi daya yang teradiasi pada arah tertentu[2]. Gain antena mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan Persamaan 2.5[5].

(

LxW

)

λπ

= (2.5)

Dengan

r g

ε λ

λ = 0

(2.6)

Dimana λ₀merupakan panjang gelombang pada frekuensi resonansi

( )

f_r . 2.4.7 Impedansi Masukan

Impedansi masukan adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena pada terminalnya. Terminal yang sesuai sangat dibutuhkan untuk sebuah antena. 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 sebagai berikut [2]:

Zin = (Rin + j Xin) Ω (2.7) Dimana :

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

Dari persamaan Zin tersebut diatas, komponen yang diharapkan adalah daya real (Rin) yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui panas

(28)

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 sebagai[5].

2 2 1 90       − = W L Z r r in

εε (Ohm) (2.8)

2.5 Dimensi Antena Mikrostrip

Dalam perancangan antena mikrostrip terlebih dahulu kita harus menghitung dimensi antena yang akan dibuat yang meliputi panjang dan lebar patch-nya. Untuk mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr), tebal konduktor (t) dan rugi-rugi bahan (rugi-rugi tangensial). Persamaan yang dapat digunakan untuk mencari lebar dan panjang antena mikrostrip adalah sebagai berikut[2] :

Lebar patch

�= � 2�_� ��₂+1

(2.9)

Dimana :

W = lebar patch (mm)

f = frekuensi resonansi (Hz)

�r = konstanta dielektrik relative c = kecepatan cahaya (m /s) 2

Sedangkan untuk mencari nilai Panjang patch diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect.

(29)

Δ�=0,412 ℎ

�εeff + 0,3� (

�

ℎ+ 0,264)

�εeff −0,258� (

� ℎ+ 0,8)

(2.10)

Panjang elemen peradiasi efektif dirumuskan sebagai :

L = L – _eff 2 ΔL (2.11) Jika dihubungkan dengan frekuensi resonansi adalah :

L = eff

�

2�� ε_eff

(2.12)

Dengan nilai konstanta dielektrik efektif adalah Persamaan 2.13.

ε_eff = ��+1 2 +

��−1 2 �

�1+12 _�ℎ

� (2.13)

Dimana :

L = panjang patch (mm)

eff

L = panjang patch efektif (mm) h = ketebalan substrat

ε = konstanta dielektrik relatif

eff

ε = konstanta dielektrik efektif 2.6 Antena Susun Mikrostrip

Antena susun mikrostrip (array) adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Antena mikrostrip array dapat berbentuk seri, paralel, atau gabungan dari keduanya. Dalam antena mikrostrip array, yang disusun secara array adalah bagian patch. Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal [2].

(30)

Untuk membentuk pola yang memiliki keterarahan tertentu, diperlukan medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruksi pada arah yang diinginkan dan berinterferensi secara destruktif pada arah yang lain. Ada beberapa macam konfigurasi antena array, di antaranya: linear, planar, dan circular, seperti terlihat pada Gambar 2.6[4].

Antena array linear adalah array dengan titik pusat elemen array berada pada satu garis lurus. Antena array planar adalah array dengan susunan elemen array membentuk sebuah area yang berbentuk kotak. Antena array circular adalah array dengan elemen array terletak pada suatu lingkaran dengan radius tertentu. Masing-masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi[4].

(31)

2.7 Antena Susun Mikrostrip Dual -Band

Antena susun mikrostrip dual-band adalah antena yang patchnya disusun dengan teknik array supaya antena dapat bekerja di dua frekuensi berbeda. Pada Tugas Akhir ini, dirancang sebuah antena yang dapat bekerja pada frekuensi 2,45 GHz dan frekuensi 3,35 GHz.

2.8 Impedance Matching

Impedance Matching merupakan cara atau teknik yang dipakai untuk menyesuaikan dua impedansi yang tidak sama, yaitu impedansi karakteristik saluran (Z0) dan impedansi beban (ZL). Beban dapat berupa antena atau rangkaian lain yang mempunyai impedansi ekivalen [2]. Impedance Matching mempunyai peranan yang sangat penting untuk memaksimalkan transfer daya dari sumber sinyal ke beban. Kondisi yang sesuai (match) antara impedansi karakteristik saluran dengan beban akan menghasilkan transfer daya yang maksimal, karena redaman yang disebabkan daya pantul akan diminimalkan.

Pada prinsipnya, untuk menyesuaikan impedansi saluran dengan impedansi beban dilakukan dengan menyisipkan suatu “transformator impedansi” yang berfungsi mengubah impedansi beban sama dengan impedansi karakteristik saluran. Ada beberapa bentuk atau model teknik penyesuaian impedansi ini, diantaranya adalah, transformator �/4, single stub tuner, double stub tuner, dan lumped circuit. Pada Tugas Akhir ini digunakan teknik transformator �/4 untuk memperoleh keadaan impedance matching seperti pada Gambar 2.7[4].

(32)

Gambar 2.7 Transformator λ/4

Transformator �/4 adalah suatu teknik impedance matching dengan cara memberikan saluran transmisi dengan impedansi ZT di antara dua saluran transmisi yang tidak match. Panjang saluran transformator �/4 ini adalah sebesar l= ¼ �g. Nilai impedansi ZT dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.14[4].

��=��₁�₃ (2.14) 2.9 Power Divider

Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider (combiner). Dalam hal ini, metode Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 2.8 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson [4].

(33)

Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan Persamaan 2.15 berikut [4].

�= �₀√� (2.15) Dimana N adalah jumlah titik pencabangan.

2.10 T-Junction 50 Ohm

T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Jenis T-junction 50 Ohm yang dapat digunakan sebagai power divider terlihat pada Gambar 2.9[4]. Pada Tugas Akhir ini T-junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70,7 ohm.

Gambar 2.9 T-Junction Untuk Antena Mikrostrip

2.11 Perangkat Lunak AWR Microwave Office

Microwave Office merupakan solusi perangkat lunak yang paling komprehensif dalam merancang berbagai jenis rangkaian microwave dan RF. Microwave office terkenal karena memiliki user interface yang intutitif. Keunikan dari arsitekturnya membuat perangakat ini dapat berintegrasi dengan produk AWR yang 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 :

(34)

Kemampuan :

• Perancangan schematic/layout.

• Simulasi rangkaian linier dan non linier.

• Analisa EM

• Sintesis, optimasi, dan analisis hasil

• DRC/L vs skematik

• Process designs kits (PDKs) dari berbagai perancangan Aplikasi :

• Microwave Integrated Circuits (MIC).

• Papan cetak perancangan RF (PCB).

• Rakitan microwave terpadu.

2.12 Proses Pencarian Solusi Simulator AWR Microwave Office

AWR Microwave 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 non terminating simulation. Simulasi ini akan berhenti berdasarkan absolute error dan relative error. Simulasi akan berhenti apabila error telah berada dibawah absolute error dan relative error yang telah ditetapkan. Adapun besar dari absolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1�−9 dan 1�−5 (default).

(35)

2.13 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 2.2-2.6 GHz dengan frekuensi resonansinya sebesar 2.45 GHz. Adapun cara untuk settingan nilai frekuensi dijelaskan pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Settingan Nilai Frekuensi Pada Simulator

Untuk mendapatkan tab seperti pada Gambar 2.10 dapat dilakukan dengan cara memilih Option > Project Option atau bisa juga dengan cara memilih langsung dari Project Option. Dari Gambar 2.10 dapat diketahui bahwa frekuensi pada simulasi dimulai pada 2.3 GHz dan berakhir pada 2.6 GHz dengan frekuensi tingkatan 0.01 GHz.

2. Menggunakan fitur Harmonic Balance yang merupakan salah satu fitur pada AWR Microwave Office yang berfungsi untuk meningkatkan akurasi

(36)

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 2.11.

Gambar 2.11 Settingan Pada Harmonic Balance

Dari Gambar 2.11 dapat diketahui bahwa nilai default yang digunakan pada absolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1�−9 dan 1�−5 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 2.12 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan spesifikasi low mesh.

(37)

Gambar 2.12 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi Low Mesh

Dari Gambar 2.12 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 2.13 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan spesifikasi normal mesh.

Gambar 2.13 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi Normal Mesh Dari gambar 2.13 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

(38)

yang lebih baik dibandingkan dengan spesifikasi low mesh. Gambar 2.14 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 2.14 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.

(39)

BAB III

PERANCANGAN ANTENA SUSUN MIKROSTRIP

3.1 Umum

Kebutuhan akan antena saat ini semakin berkembang sehingga menyebabkan teknologi perancangan antena juga harus semakin meningkat. Antena yang dibutuhkan juga semakin lama semakin kompak dan harus memiliki performa yang tinggi. Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang dapat memenuhi kebutuhan ini. Yang dilakukan pada tahap ini adalah penentuan frekuensi resonansi yang diinginkan, penentuan spesifikasi substrate yang akan digunakan, penentuan dimensi patch antena dan penentuan dimensi saluran pencatunya. Setelah proses pada tahap pertama selesai dilakukan, dilanjut dengan tahap kedua yaitu perancangan pada dua buah patch antena elemen tunggal yang disusun sehingga menghasilkan rancangan antena susun mikrostrip dual-band. 3.2 Perangkat yang digunakan

Perancangan antena ini menggunakan perangkat lunak untuk melakukan simulasi untuk mengetahui karakteristik atau kinerja antena yang dirancang. Adapun perangkat lunak yang digunakan adalah AWR Microwave office 2004, perangkat ini digunakan untuk merancang dan mensimulasikan antena yang akan dibuat. Program TXLine 2003 digunakan untuk menentukan impedansi karakteristik dan lebar saluran dari saluran mikrostrip.

3.3 Jenis Substrat yang Digunakan

Dalam pemilihan jenis substrate sangat dibutuhkan pengetahuan tentang spesifikasi umum dari subsrat tersebut. Pemilihan substrat untuk antena microstrip

(40)

patch segiempat yaitu memilih bahan dielektrik yang cocok dengan menyesuaikan tingkat ketebalan h dan rugi-rugi garis singgung. Semakin tebal substrat disamping secara fisik terlihat lebih kuat dan kokoh, akan meningkatkan daya radiasi, mengurangi rugi-rugi konduktor, dan memperbaiki impedansi bandwidth. Bagaimanapun hal ini juga akan meningkatkan berat, rugi dielektrik, rugi-rugi gelombang permukaan.

Konstanta substrate dielektrik �_� memiliki fungsi yang sama seperti ketebalan susbtrate. Nilai �_� yang rendah akan meningkatkan daerah pinggir dari keliling patch, sehingga akan meradiasikan daya. Oleh karena itu substrate dengan nilai ε_r ≤2,5 lebih baik kecuali jika diinginkan ukuran patch yang lebih kecil. Meningkatnya ketebalan substrat akan memiliki dampak yang sama ketika menurunnya nilai �_� dari karakteristik antena. Rugi-rugi garis singgung yang tinggi akan meningkatkan rugi-rugi dielektrik oleh karena itu hal ini akan menurunkan efisiensi antena.

Adapun spesifikasi substrat yang digunakan dalam perancangan ini dapat dilihat pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat Yang Digunakan

Jenis Substrat FR4 epoxy

Konstanta Dielektrik Relatif �_� 4,4 Dieletric Loss Tangent (tan δ) 0,02 Ketebalan Substrat (h) 1,6 mm

(41)

3.4 Diagram Alir Perancangan Antena

Dalam merancang antena diperlukan tahapan-tahapan untuk membantu dalam proses perancangan. Gambar 3.1 merupakan gambar diagram alir dari perancangan antena susun mikrostrip patch segiempat dual-band.

(42)

3.5 Perancangan Elemen Antena

Pada Tugas Akhir ini perancangan dimensi patch dibagi menjadi dua, yaitu dimensi patch untuk frekuensi WLAN (2,4-2,5) GHz dan frekuensi WiMAX (3,3-3,4) GHz.

3.5.1 Perancangan Dimensi Patch 2,45 GHz

Berdasarkan Persamaan 2.9 dengan frekuensi kerja 2,45 GHz diperoleh lebar patch sebesar 37,26 mm.

� = 3 � 10 8

2 � 2,45� 109�4,4+1₂

= 37,26 mm

Kemudian, untuk memperoleh nilai panjang patch L digunakan Persamaan 2.10 sampai dengan Persamaan 2.13.Sehingga diperoleh panjang patch sebesar 28,82 mm.

eff

ε = 4,4 +1 2

+

4,4 −1

�

�1+12 _37,261,6

�

= 4,0810

Δ�= 0,412 x 1,6

(4,0810 + 0,3) ( 37,26

1,6 + 0,264) (4,0810−0,258) (37,26

1,6 + 0,8)

= 0,7386

eff

L = 3 � 10 8

2� 2,45�109_√4,0810 = 30,30 mm

L = L_eff – 2 ΔL = 30,30 – 1,4772 = 28,82 mm.

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan awal WLAN mempunyai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Dengan bantuan program TXLine 2003

(43)

diperoleh lebar dan panjang pencatu sebesar 3,05 mm dan 16, 645 mm seperti terlihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Perhitungan Lebar Saluran dan Panjang Pencatu WLAN Untuk perancangan awal dari dimensi antena digunakan perhitungan pada antena mikrostrip dengan patch berbentuk persegi panjang seperti yang telah dijelaskan di Persamaan (2.9) hingga (2.13).

Dari perhitungan tersebut diperoleh panjang dan lebar patch masing-masing adalah 28,82 mm dan 37,26 mm, lebar saluran pencatu dan panjang pencatu masing-masing 3,05 mm dan 16,645 mm. Untuk memudahkan dalam perancangan awal maka panjang dan lebar patch dibulatkan menjadi 29 mm dan 37 mm. Kemudian untuk lebar dan panjang pencatu menjadi 3 mm dan 17 mm seperti terlihat pada Gambar 3.3

(44)

Gambar 3.3 Rancangan Mikrostrip Patch 2,45 GHz 3.5.2 Perancangan Dimensi Patch 3,35 GHz

Untuk perancangan dimensi patch WiMAX digunakan Persamaan 2.9 dengan frekuensi kerja 3,35 GHz. Diperoleh lebar patch W = 27,24 mm.

mm x

x x

W 27,24

2 1 4 , 4 10 35 , 3 2 10 3 9 8 = + =

Untuk mencari nilai panjang patch L digunakan Persamaan 2.10 sampai dengan Persamaan 2.13.Terlebih dahulu mencari nilai ε_eff dengan menggunakan Persamaan 2.13. 0019 , 4 24 , 27 6 , 1 12 1 1 2 1 4 , 4 2 1 4 , 4 =             + − + + = eff ε

(

)

(

)

0,8 0,7346

6 , 1 24 , 27 258 , 0 0019 , 4 264 , 0 6 , 1 24 , 27 3 , 0 0019 , 4 6 , 1 412 , 0 =       ₊ −       ₊ + =

(45)

eff

L = 3 � 10 8

2� 3,35�109_√4,0019 = 22,38 mm

Sehingga diperoleh nilai panjang patch sebesar 20,91 mm dengan menggunakan Persamaan 2.12.

L = Leff – 2 ΔL = 22,38 – 2 x 0,7346 = 20,91

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan awal WiMAX mempunyai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Dengan bantuan program TXLine 2003 diperoleh lebar dan panjang pencatu sebesar 3,06 mm dan 12,125 mm seperti terlihat pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Perhitungan Lebar Saluran dan Panjang Pencatu WiMAX Seperti perancangan patch 2,45 GHz perancangan awal dari dimensi antena untuk patch 3,35 GHz digunakan perhitungan pada antena mikrostrip dengan patch berbentuk persegi panjang seperti yang telah dijelaskan di Persamaan (2.9) hingga (2.13).

Dari perhitungan tersebut diperoleh panjang dan lebar patch masing-masing adalah 20,91 mm dan 27,24 mm, lebar pencatu dan panjang pencatu

(46)

masing-masing 3,06 mm dan 12,125 mm. Untuk memudahkan dalam perancangan awal maka panjang dan lebar patch dibulatkan menjadi 21 mm dan 27 mm. Kemudian untuk lebar dan panjang pencatu menjadi 3 mm dan 12 mm seperti terlihat pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Rancangan Mikrostrip Patch 3,35 GHz

3.6 Pengaturan Jarak Antar Elemen

Pada perancangan antena susun mikrostrip dual-band jarak antar elemen perlu diperhatikan. Jarak antar elemen pada antena adalah d = λ/4[2].

mm x

x x f

d 30,61

10 45 , 2 4

10 3 4

4 9

= =

= =λ

Dari hasil perhitungan diatas diperoleh jarak antar elemen adalah 30,61 mm. Untuk memudahkan perancangan dibulatkan menjadi 31mm.

(47)

3.7 Perancangan T-Junction 50 Ohm

Pada hasil rancangan elemen tunggal diketahui bahwa saluran pencatu yang digunakan adalah 50Ω. Untuk merancang antena susun mikrostrip, dibutuhkan T-Junction 50Ω yang berfungsi sebagai power divider. Pada pengerjaan Tugas Akhir ini, T-Junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70,7 Ω. Penggunaan T-Junction dapat mendukung untuk meminimalisir ukuran antena. Impedansi 70,7 Ω tersebut berfungsi sebagai transformator

λ . Untuk mendapatkan panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,7 Ω digunakan program TXLine 2003. Dari hasil perhitungan dengan program TXLine 2003 diperoleh lebar dan panjang pencatu sebesar 2 mm dan 17 mm seperti terlihat pada Gambar 3.6.

(48)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Umum

Pada Tugas Akhir ini dirancang sebuah antena susun mikrostrip patch segiempat dual-band pada frekuensi kerja 2,45 GHz dan 3,35 GHz kemudian disimulasikan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak AWR2004. Adapun parameter yang akan dibahas adalah frekuensi resonansi, bandwith, VSWR, Gain antena dan pola radiasi.

Untuk frekuensi resonansi dari WLAN ialah 2,45 GHz sedangkan untuk WiMAX frekuensi resonansinya adalah 3,35 GHz. Hal ini disesuaikan dengan range frekensi dari WLAN yaitu dari 2,4 GHz hingga 2,5 GHz. Sedangkan untuk WiMAX range frekuensi kerjanya dari frekuensi 3,3 GHz hingga 3,4 GHz.

Kondisi yang paling baik untuk VSWR adalah sama dengan 1 yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini dalam praktiknya sulit didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap baik adalah VSWR ≤ 2.

4.2 Simulasi Elemen WLAN (2,45 GHz)

Setelah semua langkah perancangan patch 2,45 GHz selesai maka dilakukan simulasi dengan perangkat lunak AWR2004. Dari hasil simulasi untuk range frekuensi 2,2 GHz hingga 2,6 GHz diperoleh nilai VSWR sebesar 2,016 terlihat pada Gambar 4.1.

(49)

Gambar 4.1 Nilai VSWR Rancangan WLAN

Adapun hasil gain yang diperoleh adalah 5,974 dB terlihat pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Nilai Gain Rancangan Tunggal WLAN

4.3 Simulasi Elemen WiMAX (3,35 GHz)

Setelah semua langkah perancangan patch 3,35 GHz selesai maka dilakukan simulasi dengan perangkat lunak AWR2004. Dari hasil simulasi untuk range frekuensi 3,2 GHz sampai dengan 3,6 GHz diperoleh nilai VSWR sebesar 2,678 terlihat pada Gambar 4.3.

(50)

Gambar 4.3 Nilai VSWR Rancangan Tunggal WiMAX

Adapun besar gain yang diperoleh dari perancangan elemen tunggal WiMAX adalah 6,202 terlihat pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Nilai Gain Rancangan Tunggal WiMAX

4.4 Simulasi Antena Susun Mikrostrip Dual-Band

Setelah diperoleh dimensi patch pada perancangan dimensi patch WLAN dan WiMAX maka diperolehlah model rancangan antena susun mikrostrip dual-band seperti terlihat pada Gambar 4.5.

(51)

Gambar 4.5 Model Rancangan Antena Susun Mikrostrip Dual-Band

Kemudian model antena ini disimulasikan dengan AWR2004. Dari hasil simulasi untuk range frekuensi 2,2 GHz sampai dengan frekuensi 3,6 GHz diperoleh nilai VSWR sebesar 2,309 untuk frekuensi 2,45 GHz dan VSWR bernilai 8,488 untuk frekuensi 3,35 GHz terlihat pada Gambar 4.6.

(52)

Oleh karena nilai VSWR yang diharapkan belum sesuai maka dilakukan iterasi pada rancangan model antena susun mikrostrip dual-band. Adapun iterasi yang dilakukan adalah menggeser letak titik pencatu dari setiap elemen antena. Dimana letak titik awal rancangan saluran pencatu antena berada pada jarak

x 17= untuk WLAN dan jarak y=12mmuntuk WiMAX. Hasil iterasi perubahan jarak letak titik pencatu dapat dilihat pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Hasil Iterasi Letak Titik Pencatu Antar Elemen Jarak X

(mm)

Jarak Y (mm)

Nilai VSWR

Frekuensi 2,45 GHz Frekuensi 3,35 GHz

17 12 2,309 8,488

16 12 2,302 8,585

18 12 2,264 10,52

19 12 2,207 11,71

20 12 2,139 10,38

21 12 2,062 7,333

22 12 1,976 4,730

23 12 1,886 3,094

24 12 1,792 2,139

25 12 1,699 1,575

26 12 1,607 1,270

27 12 1,521 1,269

16 8 2,784 9,249

17 8 2,785 9,139

18 8 2,661 11,23

19 8 2,52 12,31

20 8 2,363 9,926

21 8 2,197 5,911

22 8 2,024 3,280

23 8 1,852 1,968

24 8 1,681 1,323

25 8 1,521 1,129

26 8 1,370 1,406

27 8 1,235 1,738

16 9 2,682 9,231

17 9 2,684 9,129

18 9 2,573 11,15

19 9 2,446 12,15

20 9 2,304 10,02

(53)

Tabel 4.1 Lanjutan Jarak X (mm) Jarak Y (mm) Nilai VSWR

Frekuensi 2,45 GHz Frekuensi 3,35 GHz

22 9 1,995 3,6

23 9 1,837 2,183

24 9 1,683 1,447

25 9 1,534 1,044

26 9 1,379 1,263

27 9 1,252 1,588

16 10 2,567 9,098

17 10 2,57 9,001

18 10 2,476 10,99

19 10 2,367 12,00

20 10 2,244 10,13

21 10 2,113 6,622

22 10 1,974 3,964

23 10 1,833 2,459

24 10 1,692 1,647

25 10 1,556 1,201

26 10 1,428 1,172

27 10 1,313 1,456

16 11 2,439 8,876

17 11 2,443 8,781

18 11 2,371 10,77

19 11 2,286 11,85

20 11 2,187 10,25

21 11 2,08 6,985

22 11 1,965 4,348

23 11 1,847 2,770

24 11 1,727 1,884

25 11 1,611 1,382

26 11 1,500 1,177

27 11 1,400 1,345

16 13 2,164 8,234

17 13 2,173 8,134

18 13 2,16 10,22

19 13 2,138 11,58

20 13 2,105 10,51

21 13 2,063 7,665

22 13 2,012 5,103

23 13 1,954 3,423

24 13 1,89 2,403

25 13 1,882 1,778

26 13 1,75 1,400

(54)

Dari hasil iterasi letak titik saluran pencatu diperoleh bahwa Nilai VSWR yang optimal adalah pada jarak x=26mm untuk WLAN dan jarak y=9mmmm untuk WiMAX. Dimana nilai VSWR yang diperoleh pada letak titik pencatu ini sebesar 1,379 untuk frekuensi 2,45 GHz dan nilai VSWR sebesar 1,263 untuk frekuensi 3,35 GHz seperti terlihat pada Gambar 4.7.

Gambar 4.7 Nilai VSWR Yang Optimal Antena Susun Mikrostrip Dual-Band 4.5 Analisis Hasil Simulasi

Adapun hasil simulasi yang dibahas adalah bandwith, VSWR, Gain dan Pola Radiasi.

a) Pola Radiasi dan Gain

Dari hasil simulasi diperoleh bahwa pola radiasi dari antena adalah Uni directional dan nilai gain yang diperoleh sebesar 7,535 dB pada frekuensi 2,45 GHz dan gain sebesar 7,129 dB pada frekuensi 3,35 GHz seperti terlihat pada Gambar 4.8 dan Gambar 4.9.

(55)

Adapun hasil gain pada perancangan antena susun mikrostrip Dual-Band mengalami peningkatan dari hasil gain simulasi Tunggal WLAN dan Tunggal WiMAX yaitu sebesar 26% untuk WLAN dan 15% untuk WiMAX.

Gambar 4.8 Pola Radiasi dan Gain WLAN

(56)

Sedangkan untuk hasil perhitungan nilai gain pada elemen tunggal WLAN diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2.5 dan Persamaan 2.6.

mm 449 , 122 122449 , 0 10 45 , 2 10 3 9 8

0 = =

× × = λ r g ε λ

λ = 0

Diperoleh nilai _g 58,37mm

4 , 4 45 , 122 = = λ

Maka nilai gain elemen tunggal untuk frekuensi 2,45 GHz adalah

(

LxW

)

λπ

= =

(

0.029 0.037

)

3,95dB 4dB

05837 , 0 14 , 3 4

2 × = ≈

Hasil perhitungan nilai gain untuk elemen tunggal WiMAX adalah

mm 55 , 89 08955 , 0 10 35 , 3 10 3 9 8

0 = =

× × = λ r g ε λ

λ = 0

Diperoleh nilai _g 42,691mm

4 , 4 55 , 89 = = λ

(

LxW

)

λπ

= =

(

0.027 0.021

)

3,907dB 4dB

04269 , 0 14 , 3 4

2 × = ≈

b) VSWR

Dari hasil simulasi diperoleh bahwa pada perancangan awal nilai VSWR tidak optimal yaitu VSWR tidak bernilai ≤ 2. Artinya keadaan saluran tidak matching. Oleh karena itu, dilakukan iterasi dengan menggeser letak titik pencatu dari setiap elemen antena dan diperoleh nilai VSWR yang baik sehingga dapat dianalisis bahwa posisi letak titik pencatu pada setiap elemen antena pada perancangan antena susun mikrostrip Dual-Band sangat berpengaruh pada nilai VSWR antena.

(57)

Untuk memperoleh nilai VSWR dari perhitungan dicari Zin dengan menggunakan Gambar smith chart seperti terlihat pada Gambar 4.10.

Gambar 4.10 Nilai Zin Antena Dual-Band Pada Smith Chart

Nilai Zin yang diperoleh dari Gambar smith chart diatas untuk 3,35 GHz adalah

Zin = 50,0462-j 11,5081

(

)

(

)

100,0462 11,5081

5081 , 11 0462 , 0 50 5081 , 11 0462 , 50 50 5081 , 11 0462 , 50 0 0 j j j j Z Z Z Z L L − − = + − − − = + − = Γ

(

)

(

)

(

100,4062 11,5081

)

5081 , 11 0462 , 100 5081 , 11 0462 , 100 5081 , 11 0462 , 0 j j x j j + + − − = Γ 11347 , 0 0135 , 0 67 , 10141 8 , 1150 052 , 137 j j − = − = Γ = − + =

Γ 2 2

) 11347 , 0 ( ) 0135 . 0 ( 0,11428

Maka nilai VSWR yang diperoleh untuk frekuensi 3,35 GHz adalah

258 , 1 88572 , 0 11428 , 1 11428 , 0 1 11428 , 0 1 = = − + = VSWR

(58)

Sedangkan untuk Zin frekuensi 2,45 GHz adalah 50,248+j16,4637

(

)

(

)

100,248 16,4637

4637 , 16 248 , 0 50 4637 , 16 248 , 50 50 4637 , 16 248 , 50 0 0 j j j j Z Z Z Z L L + + = + + − + = + − = Γ

(

)

(

)

(

100,248 16,4637

)

4637 , 16 248 , 100 4637 , 16 248 , 100 4637 , 16 248 , 0 j j x j j − − + + = Γ 1595 , 0 02866 , 0 6 , 10320 3 , 1646 86 , 295 j j − = − = Γ 1620 , 0 ) 1595 , 0 ( ) 02866 , 0

( 2 + − 2 =

= Γ

Maka nilai VSWR yang diperoleh untuk frekuensi 2,45 GHz adalah

386 , 1 838 , 0 1620 , 1 1620 , 0 1 1620 , 0 1 = = − + = VSWR c) Bandwith

Adapun nilai bandwith yang diperoleh dari hasil simulasi adalah 2397 MHz-2471 MHz (3%) untuk frekuensi 2,45 GHz dan 3313 MHz-3410 MHz (2,8%) untuk frekuensi 3,35 GHz seperti terlihat pada Gambar 4.11.

(59)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Adapun yang menjadi kesimpulan dalam Tugas Akhir ini adalah :

1. Antena susun mikrostrip dual-band dapat bekerja pada dua frekuensi yang berbeda yaitu frekuensi 2,45 GHz dan frekuensi 3,35 GHz.

2. Nilai VSWR yang diperoleh dari studi perancangan ini adalah 1,379 untuk frekuensi 2,45 GHz dan VSWR sebesar 1,263 untuk rekuensi 3,35 GHz. 3. Gain yang diperoleh dari studi perancangan antena susun mikrostrip

dual-band ini adalah 7,535 dB pada frekuensi 2,45 GHz dan 7,129 dB pada frekuensi 3,35 GHz.

4. Gain yang diperoleh menunjukkan bahwa gain antena yang disusun lebih besar dari gain antena pada elemen tunggal.

5.2Saran

Beberapa saran yang bisa penulis berikan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah :

1. Perancangan Antena Susun Mikrostrip patch segiempat dual-band dapat dilakukan dengan teknik-teknik yang lain, agar dapat dibandingkan dan dilihat hasil yang lebih optimum.

2. Akan lebih baik jika perancangan antena ini tidak hanya pada perancangan dan simulasi, tetapi dapat dilakukan proses fabrikasi agar segala teorinya dapat dipraktekkan secara langsung.

(60)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Garg R. , 2001, Microstrip Antenna Design Handbook, First Edition, Artech House, Hal: 17-24.

[2] Surjati, Indra. 2010. Antena Mikrostrip : Konsep dan Aplikasinya. Jakarta : Universitas Trisakti.

[3] Balanis, C.A. 2005, Antena Theory Analysis and Design, Third Edition, Willey, Hal: 859-871.

[4] Hanafiah, Ali. “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Planar

Array 4 Elemen dengan Pencatuan Aperture-Coupled untuk Aplikasi CPE pada

Wimax”, Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia, 2008.

[5] Huang, Yi and Boyle. 2008, Antennas From Theory To Practice, Willey, Hal 184-191.

[6] AWR Microwave Office 2004.

(61)

LAMPIRAN A

Spesifikasi Teknis Antena Untuk WLAN (2,4 GHz -2,5 GHz)

Gain Antena Min 5 dBi

VSWR 1,9-1,1

Polarisasi Vertikal

Impedansi 50 ohm

Spesifikasi Teknis Antena Untuk WiMAX (3,3 GHz -3,4 GHz)

Gain Antena Min 5 dBi

VSWR 1,9-1,1

Polarisasi Vertikal

(1)

Sedangkan untuk hasil perhitungan nilai gain pada elemen tunggal WLAN diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2.5 dan Persamaan 2.6.

mm 449 , 122 122449 , 0 10 45 , 2 10 3 9 8

0 = =

× × = λ r g ε λ

λ = 0

Diperoleh nilai _g 58,37mm 4 , 4 45 , 122 = = λ

Maka nilai gain elemen tunggal untuk frekuensi 2,45 GHz adalah

(

LxW

)

G g 2

4 λπ

= =

(

0.029 0.037

)

3,95dB 4dB 05837 , 0 14 , 3 4

2 × = ≈

Hasil perhitungan nilai gain untuk elemen tunggal WiMAX adalah

mm 55 , 89 08955 , 0 10 35 , 3 10 3 9 8

0 = =

× × = λ r g ε λ

λ = 0

Diperoleh nilai _g 42,691mm 4 , 4 55 , 89 = = λ

(

LxW

)

G g 2

4 λπ

= =

(

0.027 0.021

)

3,907dB 4dB 04269 , 0 14 , 3 4

2 × = ≈

× b) VSWR

(2)

Untuk memperoleh nilai VSWR dari perhitungan dicari Zin dengan menggunakan Gambar smith chart seperti terlihat pada Gambar 4.10.

Gambar 4.10 Nilai Zin Antena Dual-Band Pada Smith Chart

Nilai Zin yang diperoleh dari Gambar smith chart diatas untuk 3,35 GHz adalah

Zin = 50,0462-j 11,5081

(

)

(

)

100,0462 11,5081

5081 , 11 0462 , 0 50 5081 , 11 0462 , 50 50 5081 , 11 0462 , 50 0 0 j j j j Z Z Z Z L L − − = + − − − = + − = Γ

(

)

(

)

(

100,4062 11,5081

)

5081 , 11 0462 , 100 5081 , 11 0462 , 100 5081 , 11 0462 , 0 j j x j j + + − − = Γ 11347 , 0 0135 , 0 67 , 10141 8 , 1150 052 , 137 j j − = − = Γ = − + =

Γ 2 2

) 11347 , 0 ( ) 0135 . 0 ( 0,11428

Maka nilai VSWR yang diperoleh untuk frekuensi 3,35 GHz adalah 11428 , 1 11428 , 0 1 = = + =

(3)

Sedangkan untuk Zin frekuensi 2,45 GHz adalah 50,248+j16,4637

(

)

(

)

100,248 16,4637

4637 , 16 248 , 0 50 4637 , 16 248 , 50 50 4637 , 16 248 , 50 0 0 j j j j Z Z Z Z L L + + = + + − + = + − = Γ

(

)

(

)

(

100,248 16,4637

)

4637 , 16 248 , 100 4637 , 16 248 , 100 4637 , 16 248 , 0 j j x j j − − + + = Γ 1595 , 0 02866 , 0 6 , 10320 3 , 1646 86 , 295 j j − = − = Γ 1620 , 0 ) 1595 , 0 ( ) 02866 , 0

( 2 + − 2 =

= Γ

Maka nilai VSWR yang diperoleh untuk frekuensi 2,45 GHz adalah

386 , 1 838 , 0 1620 , 1 1620 , 0 1 1620 , 0 1 = = − + = VSWR c) Bandwith

(4)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Adapun yang menjadi kesimpulan dalam Tugas Akhir ini adalah :

1. Antena susun mikrostrip dual-band dapat bekerja pada dua frekuensi yang berbeda yaitu frekuensi 2,45 GHz dan frekuensi 3,35 GHz.

dual-band ini adalah 7,535 dB pada frekuensi 2,45 GHz dan 7,129 dB pada frekuensi 3,35 GHz.

4. Gain yang diperoleh menunjukkan bahwa gain antena yang disusun lebih besar dari gain antena pada elemen tunggal.

5.2Saran

Beberapa saran yang bisa penulis berikan dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah :

1. Perancangan Antena Susun Mikrostrip patch segiempat dual-band dapat dilakukan dengan teknik-teknik yang lain, agar dapat dibandingkan dan dilihat hasil yang lebih optimum.

2. Akan lebih baik jika perancangan antena ini tidak hanya pada perancangan dan simulasi, tetapi dapat dilakukan proses fabrikasi agar segala teorinya dapat dipraktekkan secara langsung.

(5)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Garg R. , 2001, Microstrip Antenna Design Handbook, First Edition, Artech House, Hal: 17-24.

[2] Surjati, Indra. 2010. Antena Mikrostrip : Konsep dan Aplikasinya. Jakarta : Universitas Trisakti.

[3] Balanis, C.A. 2005, Antena Theory Analysis and Design, Third Edition, Willey, Hal: 859-871.

[4] Hanafiah, Ali. “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Planar

Array 4 Elemen dengan Pencatuan Aperture-Coupled untuk Aplikasi CPE pada Wimax”, Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia, 2008.

[5] Huang, Yi and Boyle. 2008, Antennas From Theory To Practice, Willey, Hal 184-191.

[6] AWR Microwave Office 2004.

(6)

LAMPIRAN A

Spesifikasi Teknis Antena Untuk WLAN (2,4 GHz -2,5 GHz)

Gain Antena Min 5 dBi

VSWR 1,9-1,1

Polarisasi Vertikal

Impedansi 50 ohm

Spesifikasi Teknis Antena Untuk WiMAX (3,3 GHz -3,4 GHz)

Gain Antena Min 5 dBi

VSWR 1,9-1,1

Polarisasi Vertikal