3
2. Hanya membahas tentang antena mikrostrip array patch segiempat dual-band dengan teknik pencatuan proximity coupled.
3. Parameter antena yang akan dibahas VSWR, return loss, bandwidth, dan pola radiasi.
4. Perancangan antena dilakukan dengan menggunakan software simulator Ansoft HFSS v.10
5. Antena mikrostrip bekerja pada frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz.
1.5 Sistematika Penulisan
Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan
sistematika penulisan.
BAB II : DASAR TEORI
Bab ini berisikan penejelasan tentang antena mikrostrip secara umum dan penjelasan tentang antena mikrostrip
patch segiempat secara khusus, teknik pencatuan yang digunakan, parameter antena, rugi-rugi pada antena
mikrostrip
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisikan tentang perancangan antena mikrostrip patch segiempat dengan simulasi menggukan software
Universitas Sumatera Utara
4
simulator yang diterapkan pada band frekuensi 2.3 GHz dan 3.3 GHz.
BAB IV : HASIL DAN ANALISIS
Bab ini berisikan tentang hasil simulasi menggunakan simulator dan hasil pengukuran setelah antena difabrikasi.
Dan membahas hasil yang diperoleh untuk pengambilan kesimpulan.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian Tugas Akhir ini.
Universitas Sumatera Utara
5
BAB II DASAR TEORI
2.1 Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip adalah salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator yang efisien untuk sistem telekomunikasi modern saat
ini, seperti radar, global positioning system GPS, WiFi Wireless Fidelity, dan
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access. Antena mikrostrip menjadi pilihan didalam berbagai aplikasi gelombang mikro karena bentuknya yang
sederhana, efisien, ekonomis dan dapat diintegrasikan dengan microwave integrated circuits MIC serta mudah dalam pembuatannya.
Antena mikrostrip tersusun atas 3 bagian yaitu : bagian peradiasi patch, bagian substrat substrate, dan bagian pentanahan ground. Bagian-bagian
tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.1 [1] :
Gambar 2.1 Antena Mikrostrip
Adapun fungsi dari setiap elemen yang ada pada antena mikrostrip adalah sebagai berikut :
1. Pacth, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi sebagai elemen peradiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas yang terletak
Universitas Sumatera Utara
6
dibagian paling atas antena. Bentuk patch antena mikrostrip bermacam- macam, diantaranya segiempat, lingkaran, segitiga, circular ring dan lain
sebagainya. 2. Substrate dielektrik, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi
untuk menyalurkan gelombang elektromagnetik yang berasal dari patch. Dalam perancangan antena mikrostrip, karakteristik substrat sangat
berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Ketebalan dielektrik substrat memiliki pengaruh besar terhadap bandwidth antena mikrostrip,
dengan menambah ketebalan substrate dapat memperbesar bandwidth namum dengan penambahan ini akan menimbulkan surface wave gelombang
permukaan. 3. Groundplane, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk
memisahkan antena substrate dielektrik dengan benda lain yang dapat menggangu radiasi sinyal.
Dielektrik substrat yang biasa digunakan untuk perancangan antena mikrostrip berkisar 2.2 ≤
r
≤12. Jenis substrat yang paling baik digunakan untuk antena ialah yang memiliki konstanta dielektrik yang paling rendah dari rentang
tersebut karena akan menghasilkan efisiensi yang lebih baik, bandwidth yang lebar serta radiasi yang lebih bebas. Namun, dengan penggunaan bahan dielektrik
substrat yang paling rendah tersebut menjadikan ukuran antena yang lebih besar. Prinsip dari antena adalah mengubah gelombang terbimbing dari saluran
transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Saluran transmisi merupakan alat yang memiliki fungsi untuk menghantar atau menyalurkan energi
gelombang elektromagnetik. Sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi
Universitas Sumatera Utara
7
yang memilki panjang tak berhingga menimbulkan gelombang berjalan yang seragam sepanjang saluran itu. Apabila saluran ini dihubung singkat maka akan
muncul gelombang berdiri standing wave yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang direfleksikan. Konsentrasi-konsentrasi
energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi listrik seluruhnya ke energi magnet total dua kali setiap periode gelombang. Gambar 2.2 [1] memperlihatkan
sumber atau pemancar yang dihubungkan dengan sebuah saluran transmisi ke antena. Jika saluran transmisi disesuaikan dengan impedansi antena, maka hanya
akan ada gelombang berjalan ke arah antena saja. Di daerah antena energi diteruskan ke ruang bebas sehingga daerah ini merupakan transisi antara gelombang
terbimbing dengan gelombang bebas.
gelombang berdiri gelombang datang
gelombang pantul
a Gelombang berdiri pada antena
b Transisi gelombang elektromagnetik Gambar 2.2 Antena sebagai peralatan transisi
Universitas Sumatera Utara
8
2.2 Parameter-Parameter Antena Mikrostrip
Kualitas antena dapat dilihat dari unjuk kerja parameter antena tersebut. Dengan mengetahui nilai parameter antena, dapat ditentukan apakah suatu antena
cocok digunakan pada aplikasi yang diinginkan. Ada beberapa parameter- parameter penting sebagai karakteristik antena yang biasanya ditentukan pada
pengamatan medan jauh far field [2].
2.2.1 VSWR
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri standing wave
maksimum │V│max dengan minimum │V│min. Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan V
+ dan tegangan yang direfleksikan V
-. Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi
tegangan г. Persamaan 2.1 digunakan untuk mencari nilai VSWR atau S.
=
│⊽│
��
│⊽│
�
=
+ │г│ − │г│
2.1
Koefisien refleksi tegangan г memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan phasa dari refleksi. Dimana besar г
ditentukan dengan Persamaan 2.2 [3].
г =
− +
=
� − � � + �
2.2
dimana Z adalah impedansi saluran lossless dan Z
L
adalah impedansi beban. Untuk beberapa kasus sederhana, ketika bagian imaginer dari г sama dengan nol, maka :
Universitas Sumatera Utara
9
1. Г = -1 : Merefleksikan negatif maksimum, ketika saluran terhubung
singkat 2.
Г = 0 : Tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna
3. Г = +1 : Refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian
terbuka Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 atau S = 1, yang
berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada prakteknya sulit didapatkan. Oleh karena itu nilai standar VSWR
yang diijikankan untuk simulasi dan pabrikasi antena mikrostrip adalah VSWR lebih kecil sama dengan 2 [4].
2.2.2 Bandwidth
Bandwidth merupakan daerah rentang frekuensi kerja dari suatu antena, dimana pada rentang tersebut antena dapat bekerja dengan efektif agar dapat
menerima dan memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu. Pengertian dapat bekerja dengan efektif adalah distribusi arus dan impedansi dari antena pada
range frekuensi tersebut benar-benar belum banyak mengalami perubahan yang berarti. Sehingga pola radiasi yang sudah direncanakan serta VSWR yang
dihasilkannya masih belum keluar dari batas yang diizinkan. Nilai Bandwidth dapat diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi
atas dari suatu antena sudah diketahui. Misalkan sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar f
c
, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f
1
dibawah f
c
sampai dengan f
2
diatas f
c
, maka lebar bandwidth dari
Universitas Sumatera Utara
10
antena tersebut adalah f
1
– f
2
. Tetapi apabila dinyatakan dalam persen, maka bandwidth antena tersebut dinyatakan dengan Persamaan 2.3 [3].
=
−
× 2.3
Pada antena mikrostrip, ada beberapa jenis bandwidth yang biasanya digunakan dalam perancangan ataupun pengukuran, yaitu :
1. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana 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.
2. Pattern Bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana beamwidth, sidelobe,
atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai
bandwidth dapat dicari.
3. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana
polarisasi linier atau melingkar masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah lebih kecil dari 3 dB.
2.2.3 Return Loss
Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban antena, sehingga tidak semua daya
yang diradiasikan melainkan ada yang dipantulkan kembali. Return loss menunjukkan adaya perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Nilai return loss
Universitas Sumatera Utara
11
dapat dicari dengan cara memasukkan koefisien tegangan [Г] ke dalam Persamaan 2.4 [4]
� �
= Log │г│ 2.4
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 dalam keadaan matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan untuk
melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.2.4 Gain
Gain adalah perbandingan antara intensitas radiasi suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropik yang menggunakan
sumber daya masukan yang sama dan dinyatakan dengan Persamaan 2.5 [4]. � = . 2.5
Dengan D adalah directivity dan η adalah efisiensi antena. Ketika antena digunakan
pada suatu sistem, biasanya lebih menarik pada bagaimana efisien suatu antena untuk memindahkan daya yang terdapat pada terminal input menjadi daya radiasi.
Untuk menyatakan ini, power gain atau gain saja didefenisikan sebagai 4 π kali
ratio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan dengan persamaan 2.6[5].
� , ∅ = �
�,∅ �
�
2.6
Universitas Sumatera Utara
12
2.2.5 Pola Radiasi
Pola radiasi didefenisikan sebagai sebuah fungsi matematika atau representasi grafik dalam fungsi koordinat ruang dari sifat radiasi antena. Sifat
radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.3 [1] yang meliputi kerapatan flux, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Biasanya sifat dari radiasi yang sangat penting
ialah persebaran secara tiga dimensi atau dua dimensi dari energi yang diradiasikan antena.
Gambar 2.3 Bentuk Grafis Pola Radiasi Antena
2.2.6 Directivity
Keterarahan dari sebuah antena didefenisikan sebagai perbandingan rasio intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-
rata pada satu arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Dengan demikian, keterarahan dapat
dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.7. = =
� �
��
2.7
Universitas Sumatera Utara
13
Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang didapat dengan Persamaan 2.8 [4].
= =
��
=
�
��
�
��
2.8
Dimana : D
: Keterarahan D
: Keterarahan maksimum U
: Intensitas radiasi U
max
: Intensitas radiasi maksimum U
: Intensitas radiasi pada sumber isotropik P
rad
: Daya total radiasi Keterarahan biasanya dinyatakan dalam dB, yaitu 10 Log D
dB. Dimana D
o
merupakan maximum directivity dari sebuah antena. Directivity sebuah antena isotropis adalah 1, karena daya yang diradiasikan ke segala arah sama. Untuk antena
yang lain, directivity akan selalu lebih dari satu, dan ini adalah figure of merit relatif yang memberikan sebuah indikasi karakteristik pengarahan antena dibandingkan
dengan karakteristik pengarahan antena isotropis.
2.2.7 Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah perbandingan antara tegangan dan arus. Impedansi masukan disebut juga sebagai impedansi dari antena tersebut pada
terminalnya. Impedansi masukan Z
in
terdiri dari bagian real R
in
dan imajiner X
in
dan dapat ditulis sesuai Persamaan 2.9 [4]. �
��
= �
��
+ �
��
Ω 2.9
Universitas Sumatera Utara
14
Daya real R
in
merupakan daya terdisipasi yang menggambarkan hilangnya daya akibat dari panas atau radiasi. Sedangkan komponen imajiner X
in
reaktansi input mewakili reaktansi antena serta daya yang tersimpan dekat antena.
2.3 Dimensi Antena Mikrostrip
Dimensi antena mempresentasikan bentuk serta ukuran dari antena mikrostrip. Untuk dapat menentukan dimensi antena patch segiempat, terlebih
dahulu harus diketahui parameter bahan yang akan digunakan seperti ketebalan dielektrik h, konstanta dielektrik
ε
r
, frekuensi kerja yang diharapkan f
Hz
. Pengaturan panjang dan lebar antena mikrostrip harus sesuai agar bandwidth yang
dihasilkan lebar, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth yang dihasilkan sempit sedangkan apabila terlalu panjang maka akan dihasilkan bandwidth yang
lebar tetapi efisiensi radiasi nya menjadi kecil. Pendekatan yang digunakan untuk mancari panjang dan lebar antena
mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan Persamaan 2.10 [1].
=
�
√
�
�
+
2.10
Dimana : W
: lebar patch m
r
: konstanta dielektrik c
: kecepatan cahaya diruang bebas 3×10
8
ms
2
f
r
: frekuensi kerja antena Hz Untuk menentukan lebar patch L dip
erlukan parameter Δδ yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect yaitu efek
pada elemen peradiasi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya.
Universitas Sumatera Utara
15
Pertambahan panjang dari δ Δδ tersebut dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.11 [1].
∆� = . ℎ
�
�
+ .
� ℎ
+ . �
�
− .
� ℎ
+ .
2.11 dimana h merupakan tebal substrat dan
r eff
merupakan konstanta dielektrik relatif yang ditentukan dengan Persamaan 2.12 [1].
� =
�
�
+
+
�
�
−
[ +
ℎ
]
− ⁄
2.12 lebar patch L dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.13 [1].
� = � − ∆� 2.13
dimana L
eff
merupakan lebar patch efektif yang dapar dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.14 [1].
� =
�
√�
�
2.14 Penentuan besar ground plane pada desain antena mikrostrip patch
segiempat perlu dilakukan sesuai ketentuan karena akan berpengaruh pada tinggi rendahnya gain yang dihasilkan. Idealnya, luas dan tebal dari ground plane tidak
terbatas atau dikenal dengan istilah infinite ground plane namun dalam prakteknya tidak mungkin terealisasi hanya bisa disiasati sesuai kebutuhan.
Setelah penentuan dimensi patch dan ground plane, penentuan dimensi feeder sebagai saluran mikrostrip yang menghubungkan catuan berupa konektor
SεA 50 Ω dengan patch antena mikrostrip. Secara simulasi akan diperoleh ukuran panjang dan lebar feeder dengan cara mengubah ukuran secara iterasi sampai
mendapatkan hasil yang sesuai dengan spesifikasi antena yang diinginkan.
Universitas Sumatera Utara
16
2.4 Teknik Pencatuan
Dalam perancangan antena, teknik pencatuan merupakan hal yang sangat penting karena salah satu syarat antena yang baik ialah apabila impedansi input
sesuai matched dengan impedansi karakteristik kabel pencatunya serta dapat memancarkan dan menerima energi gelombang radio dengan arah polarisasi yang
sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan. Teknik pencatuan yang digunakan pada antena mikrostrip diklasifikasikan menjadi dua yaitu pencatuan secara langsung
direct coupled dan secara tidak langsung proximity coupled. Pada teknik pencatuan langsung direct coupled, power RF langsung dicatu ke patch
menggunakan elemen penghubung pada jalur mikrostrip tersebut. Kelebihan pencatuan secara langsung adalah sangat sederhana dalam proses pencatuannya
tetapi sulit jika antena mikrostrip disusun secara array dan bandwidth yang dihasilkan sempit.
Dengan kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya diperkenalkan apa yang disebut pencatuan tidak langsung atau electromagnetic
coupling. Keuntungan dari teknik pencatuan ini adalah dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi proses penyolderan. Ada 4 macam teknik
pencatuan yang paling populer digunakan, yakni proximity coupling, microstrip line, coaxial probe, dan aperture coupling [1].
2.4.1 Proximity Coupled
Proximity coupled seperti yang terlihat pada Gambar 2.4 [4] merupakan teknik pencatuan yang memiliki keunggulan pada bandwidth yang dihasilkan
paling besar dan radiasi tambahan spurious radiation yang kecil.
Universitas Sumatera Utara
17 Ground plane
Patch
Sustrate bawah Saluran pencatu
Substrate atas
Gambar 2.4 Antena mikrostrip dengan pencatuan proximity coupled Untuk dapat menganalisis sebuah antena mikrostrip, maka diperlukan
sebuah pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena ke dalam sebuah kondisi persamaan yang dapat dianalisis secara akurat. Berbagai pemodelan untuk
antena mikrostrip tersebut telah banyak dikembangkan dan satu diantaranya yang popular adalah model cavity.
Pada model cavity, daerah interior yaitu ruang antara patch dan bidang pentanahan diasumsikan sebagai sebuah ruang cavity yang dilingkari oleh suatu
dinding magnetik sepanjang tepinya, dan diapit oleh dinding elektrik dari atas dan bawah. Model cavity dari sebuah antena mikrostrip diperlihatkan pada Gambar 2.5
L
eff
L
L Patch Antena
Substrat 2 Substrat 1
Groundplane Gambar 2.5 Model Cavity untuk pencatuan proximity coupled
Universitas Sumatera Utara
18
Beberapa asumsi model cavity berdasarkan observasi dari substrat tipis h ≪ λo :
a. Medan elektrik hanya terdiri atas komponen transverse di dalam daerah yang dibatasi oleh patch dan bidang pentanahan.
b. Medan-medan dalam daerah ini tidak berubah-ubah bebas terhadap koordinat z untuk semua frekuensi yang digunakan.
c. Komponen tangensial H sepanjang tepi diabaikan. d. Memasukkan medan tepi fringing field dalam perhitungan dengan sedikit
memperlebar tepi-tepi.
2.4.2 Microstrip Line
Teknik microstrip line sangat mudah untuk difabrikasi, memiliki model yang sederhana serta mudah untuk match hanya dengan mengatur posisi feed
tersebut. Teknik ini menggunakan strip kecil sebagai line tambahan yang langsung dihubungkan ke patch antena seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6 [1].
Ground plane Substrate
Patch Microstrip feed
Gambar 2.6 Antena Mirostrip dengan Pencatuan Microstrip Line
2.4.3 Coaxial Probe
Pada teknik pencatuan coaxial probe seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 [1], bagian dalam konduktor dari coax ditambahkan kedalam patch radiasi
sementara bagian luar konduktornya dihubungkan dengan ground plane. Teknik
Universitas Sumatera Utara
19
pencatuan ini juga sering digunakan karena mudah difabrikasi dan memiliki radiasi palsu yang kecil.
patch
substrate Ground
plane Coaxial
connector
Gambar 2.7 Antena Mikrostrip Dengan Pencatuan Coaxial Probe
2.4.4 Aperture Coupling
Dari keempat jenis teknik pencatuan, teknik aperture coupling merupakan yang paling sulit untuk difabrikasi dan memiliki bandwidth yang sempit. Untuk
mengoptimalkan desain, aperture coupling terdiri atas dua buah substrat yang terpisahkan oleh sebuah ground plane seperti Gambar 2.8 [4]. Pada dasar substrat
yang bawah terdapat sebuah mikrostrip line feed yang memiliki energi terkopel dengan patch melalui suatu slot pada ground plane yang memisahkan kedua
substrat tersebut
.
patch
Saluran pencatu Slot aperture
Ground plane Substrate 1
Substrate 2
Gambar 2.8 Antena mikrostrip dengan pencatuan aperture coupling
Universitas Sumatera Utara
20
2.5 Antena Mikostrip Dual-band
Antena mikrostrip dual-band merupakan suatu jenis antena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda. Terdapat tiga jenis teknik
untuk mendapatkan antena mikrostrip dual-band, yaitu : a. Orthogonal mode dual-frequency patch antennas
b. Multi-patch dual-frequency antennas c. Reactively-loaded dual-frequency patch antennas
Orthogonal mode dual-frequency patch antennas adalah satu jenis antena mikrostrip yang dicatu oleh dua mode dominan yang orthogonal satu dengan
lainnya. Sedangkan Multi-patch dual-frequency antennas adalah satu jenis antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masing-
masing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda – beda. Adapaun
jenis yang ketiga adalah Reactively-loaded dual-frequency patch antennas, yaitu satu jenis antena mikrostrip yang diberi beban reaktif tambahan sehingga secara
keseluruhan antena tersebut akan beresonansi pada dua frekuensi yang berbeda.
2.6 Rugi-rugi Saluran Mikrostrip
Rugi-rugi pada saluran mikrostrip terjadi pada substrat dan elemen peradiasi antena yang dinyatakan dalam faktor pelemahan α. Faktor pelemahan yang paling
dominan pada antena mikrostrip tergantung pada faktor geometri, sifat dielektrik dari substrat dan kondukton, serta frekuensi yang digunakan . Ada 3 jenis rugi-rugi
yang utama yaitu rugi-rugi dielektrik, rugi-rugi konduktor, dan rugi-rugi radiasi.
Universitas Sumatera Utara
21
2.6.1 Rugi-rugi dielektrik
Rugi-rugi dielektrik disebabkan oleh sifat konduktivitas dielektrik dan dinyatakan sebagai koefisien pelemahan dielektrik α
d
. Besarnya rugi-rugi dielektrik pada saluran mikrostrip dinyatakan dengan Persamaan 2.15.
� = .
� √�
� −
�
�
−
√
�
⁄ 2.15
dimana: α
d
: rugi-rugi dielektrik dBcm σ
d
: konduktivitas dielektrik mhom
eff
: permitivitas dilektrik relatif efektif Fm
r
: permitivitas dielektrik relatif substrat Fm
o
: permitivitas ruang hampa 8.854×10
-12
Fm µ
o
: permeabilitas ruang hampa 4π×10
-7
Hm
2.6.2 Rugi-rugi Konduktor
Suatu saluran mikrostrip yang memiliki rugi-rugi dielektrik yang rendah, maka sumber rugi-rugi utama diakibatkan tidak sempurnanya konduktor yang ada
dan besarnya rugi-rugi konduktor dinyatakan dengan Persamaan 2.16 dan 2.17 � =
. �.�
� ⁄
2.16
� = √
�. . �
Ω 2.17
dimana: α
c
: rugi-rugi konduktor dBcm R
s
: resistansi permukaan Ω
Zo
: impedansi karakteristik saluran Ω
Universitas Sumatera Utara
22
w : lebar saluran mikrostrip mm
µ : permeabilitas bahan
σ
c
: konduktivitas konduktor mhocm Berdasarkan persamaan diatas diperoleh besarnya koefisien pelemahan α
merupakan penjumlahan antara rugi- rugi dielektrik α
d
dan rugi-rugi konduktor α
c
yang dinyatakan dengan Persamaan 2.18 [ ] � = � + �
⁄ 2.18
dimana : α
: koefisien pelemahan dBcm α
d
: rugi-rugi dielektrik dBcm α
c
: rugi-rugi konduktor dBcm
2.6.3 Rugi-rugi Radiasi
Rugi-rugi radiasi sangat tergantung pada ketebalan dan konstanta dilektrik substrat. Rugi-rugi ini dinyatakan dalam bentuk rasio daya yang diradiasikan
terhadap daya total yang diberikan ke saluran. Rasio daya yang diradiasikan oleh saluran microstrip open circuit dinyatakan oleh Persamaan 2.19 dan 2.20 :
�
��
�
�
=
.� �
ℎ
[
� +
�
−
� −
� √�
√� +
√� −
]
2.19
�
��
�
�
=
�
�
�
2.20
Dari substitusi persamaan diatas, diperoleh Persamaan 2.21:
� = . �
ℎ
[
� +
�
−
� −
� √�
√� +
√� −
] ⁄
2.21
Universitas Sumatera Utara
23
dimana : R
r
: rugi-rugi radiasi dBcm P
t
: daya total yang diberikan saluran dB P
rad
: daya yang diradiasikan dB �
o
: panjang gelombang di udara m h
: tebal substrat mm ε
eff
: permitivitas dielektrik relatif efektif Fm
2.7 WiMAX
WiMAX adalah singkatan dari Worldwide Interoperability for Microwave
Access yang merupakan perkembangan dari teknologi WiFi. Salah satu kelebihan dari teknologi WiMAX adalah memiliki kapasitas yang tinggi sehingga mampu
melayani banyak pengguna dengan jarak mencapai 50 km dan laju transmisi lebih dari 100 Mbps.
Kesuksesan WiMAX sangat bergantung pada ketersediaan dan kesesuaian spektrum frekuensi. WiMAX Forum menetapkan 2 band frekuensi utama pada
certication profile untuk Fixed WiMAX band 3,5 GHz dan 5,8 GHz, sementara untuk Mobile WiMAX ditetapkan 4 band frekuensi pada sistem profile release-1,
yaitu band 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz dan 3,5 GHz. Sistem WiMAX terdiri atas 2 bagian yaitu :
a. WiMAX Tower, memiliki konsep yang sama dengan tower telepon seluler. Menara WiMAX dapat terhubung secara langsung ke internet dengan
mempergunakan koneksi kabel berkecepatan tinggi.
Universitas Sumatera Utara
24
b. WiMAX receiver, perangkat receiver atau antena dapat berupa sebuah kotak kecil atau PCMCIA card, atau bisa juga build-in dalam laptop seperti WiFi
access saat ini. Untuk mengakses jaringan WiMAX , maka setiap perangkat yang dimiliki
costumer station harus dilengkapi peralatan yang disebut dengan Costumer Premises Equipment CPE seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9. Perangkat
CPE tersusun atas komponen sistem radio yang terdiri atas antena, filter, mixer, amplifier, dan alat modulatordemodulator.
a b
Gambar 2.9 a Indoor CPE b Outdoor CPE
Agar dapat diintegrasikan pada perangkat CPE dengan mudah, maka dibutuhkan suatu struktur antena yang memiliki desain kompak dan memiliki
performa yang baik seperti low-profile, berukuran kecil serta memiliki biaya produksi yang rendah. Antena mikrostrip dapat memenuhi persyaratan tersebut
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 [7].
Gambar 2.10 Penggunaan antena mikrostrip pada CPE WiMAX
Universitas Sumatera Utara
25
2.8 Impedance Matching
Impedance matching adalah teknik yang digunakan untuk menyesuaikan dua impedansi yang berbeda, yaitu impedansi karateristik saluran Zo dan
impedansi beban Z
L
. Beban dapat berupa antena atau rangkaian yang mempunyai impedansi ekivalen.
Impedance matching mempunyai peranan penting untuk mengoptimalkan transfer daya dari sumber sinyal ke beban. Kondisi yang sesuai match antara
impedansi karateristik saluran dengan beban akan menghasilkan transfer daya yang optimal, sebab redaman yang diakibatkan daya pantul akan diminimalkan. Ada
beberapa teknik penyesuaian impedansi ini, diantaranya adalah balun balance to unbalance transformator, transformator
λ4, single stub tuner, double stub tuner, dan lumped circuit
2.9 Power Divider
Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khusunya untuk antena mikrostrip array adalah power divider. Dalam hal
ini metode Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 2.11 memperlihatkan power divider metode Wilkinson.
Gambar 2.11 N-Way Wilkinson Combiner
Universitas Sumatera Utara
26
Nilai impedansi Z diberikan dengan persamaan berikut : Z = Zo
√� 2.22 Dimana N adalah jumlah titik percabangan dan Zo adalah impedansi
masukkan awal.
2.10 T-Junction 50 Ohm
T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Terdapat dua jenis T-junction 50 Ohm yang dapat
digunakan sebagai power divider seperti ditunjukkan pada Gambar 2.12 [5].
Gambar 2.12 T-Junction 50 Ohm
2.11 Ansoft High Frequency Structure Simulator v.10
HFSS ialah simulator yang digunakan untuk menghitung kinerja medan gelombang penuh elektromagnetik dalam bentuk pemodelan bangun ruang 3
dimensi. Ansoft HFSS menggunakan metode Finite Element Method FEM, adaptive meshing, dan brilliant graphics untuk memberikan performa yang lebih
baik dalam penyelesaian masalah gelombang elektromagnetik secara 3 dimensi. Ansoft dapat digunakan untuk menghitung parameter-parameter antena seperti S-
parameters, resonant frequency, dan fields.
Universitas Sumatera Utara
27
Tipe solusi yang digunakan pada simulator Ansoft HFSS 10.0 ada 3 yaitu driven modal, driven terminal, dan eigenmode. Untuk pemodelan tentang antena,
saluran mikrostrip, dan waveguide, dipergunakan tipe solusi driven modal. Tipe ini dipergunakan karena merupakan tipe khusus untuk mengkalkulasi mode dasar
parameter S untuk elemen pasif berstruktur frekuensi tinggi yang arus tegangannya dikendalikan oleh sumbergenerator.
Sebelum proses simulasi pencarian solusi dilakukan maka harus diinisialisasikan parameter analisa terlebih dahulu solution
setup. Parameter ini meliputi: 1.
Frekuensi unit. Parameter ini berfungsi untuk menentukan nilai frekuensi kerja mesh dalam proses pencarian solusi yang
menggunakan sistem adaptive mesh. 2.
Nilai maksimum jumlah siklus mesh. Nilai ini adalah kriteria nilai jumlah siklus mesh untuk menghentikan proses pencarian solusi
adaptive.
Universitas Sumatera Utara
28
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN
3.1 Umum
Pada bab ini akan dirancang dan disimulasikan antena mikrostrip array patch segiempat dual-band yang bekerja pada frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz
dengan menggunakan metode pencatuan proximity coupled. Sebelum melakukan perancangan antena mikrostrip dengan pencatuan
proximity coupled, dilakukan studi literatur mengenai antena itu sendiri termasuk parameter antena seperti VSWR, return loss, bandwidth. Ada beberapa tahap dalam
perancangan antena ini, diantaranya ialah penentuan spesifikasi substrat yang akan digunakan , penentuan dimensi antena, penentuan dimensi saluran pencatu. Hasil
dari perhitungan tersebut selanjutnya disimulasikan dengan menggunakan simulator Ansoft HFSS v.10 untuk memperoleh parameter-paremeter antena yang
dihasilkan seperti nilai VSWR, return loss, bandwidth dan pola radiasi. Adapun spesifikasi antena mikrostrip array patch segiempat yang akan dirancang
ditunjukkan pada Tabel 3.1 berikut.
Tabel 3.1 Spesifikasi antena mikrostrip yang akan dirancang Frekuensi
Bandwidth VSWR
Return loss 2.3 GHz
– 2.4 GHz 100 MHz
≤ 2 ≤ -9,54
3.3 GHz – 3.4 GHz
100 MHz ≤ 2
≤ -9,54 .
Universitas Sumatera Utara
29
3.2 Alat Yang Digunakan
Untuk melakukan perancangan antena pada Tugas Akhir ini digunakan perangkat keras hardware dan perangkat lunak software.
Perangkat lunak yang digunakan dalam perancangan antena antara lain: 1. Ansoft HFSS v.10
2. Microsoft Visio 2007 3. Microsoft Excel 2007
4. TXLine 203 Perangkat keras digunakan untuk fabrikasi dan pengukuran antena setelah
difabrikasi, diantaranya : 1. Substrat FR4-Epoxy
2. Connector SMA 50 ohm 3. Kabel coaxial 50 ohm
4. Network Analyzer Anritsu MS2034B 5. Adapter female 50 0hm dari n-connector ke konekstor SMA
6. Solder 7. Timah
3.3 Flowchart Perancangan Antena
Gambar 3.1 menggambarkan diagram alir dalam perancangan antena hingga pengukuran parameter antena. Perancangan dimulai dengan menentukan jenis
substrat yang digunakan serta frekuensi kerja yang ingin dicapai. Kemudian melakukan simulasi hingga memeperoleh hasil parameter yang baik sesuai standar,
lalu melakukan fabrikasi antena agar dapat melakukan pengukuran dan membandingkan dengan hasil simulasi.
Universitas Sumatera Utara
30
Mulai
Menentukan frekuensi kerja, substrat yang
digunakan
Simulasi rancangan antena menggunakan simulator ansoft v.10
Hasil simulasi sesuai dengan spesifikasi
Penentuan ukuran dimensi antena
Optimasi posisi saluran pencatu
menggunakan metode trial and error
tidak
Fabrikasi desain antena hasil simulasi
ya
Pengujian antena
Selesai Membandingkan hasil simulasi
dan pengukuran
Gambar 3.1 Diagram alir perancangan antena
Universitas Sumatera Utara
31
3.4 Jenis Substrat yang Digunakan
Substrat merupakan bahan utama pembuatan antena mikrostrip. Dalam penentuan jenis substrat perlu dilakukan pengkajian karena akan berpengaruh pada
kualitas spesifikasi antena tersebut. Substrat memiliki nilai konstanta dielektrik
r
, dielectric loss tangent
tan dan ketebalan h tertentu. Ketiga nilai tersebut mempengaruhi nilai efisiensi antena yang akan dibuat. Ukuran dimensi patch dan
feeder berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik. Semakin kecil konstanta dielektrik, maka dimensi patch dan feeder yang dibutuhkan akan semakin luas.
Ketebalan substrat berpengaruh pada besarnya bandwidth. Semakin tebal substrat maka bandwidth bandwidth yang dihasilkan akan semakin lebar, namun akan
timbul gelombang permukaan surface wave [1]. Pada Tugas Akhir ini digunakan dielektrik substrat FR4 evoksi dengan
spesifikasi seperti Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Spesifikasi substrat
Jenis substrat FR4 evoksi
Konstanta dielektrik relatif
r
4.4 Dielectric loss tangent
tan 0.02
Ketebalan substrat h 1.6 mm
3.5 Perancangan Ukuran Antena
Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini ialah antena mikrostrip patch segiempat dengan motede pencatuan proximity coupled pada frekuensi kerja
2.3 Ghz dan 3.3 GHz. Pada perancangan ini digunakan substrat Epoxy-FR4 dengan
Universitas Sumatera Utara
32
konstanta dielektrik 4.4 dan ketebalan substrat 1.6 serta impedansi masukan Z nya bernilai 50
Ω.
3.5.1 Menentukan Dimensi Patch 2.3 GHz
Perhitungan lebar patch diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2.10, = √ � +
= ×
. × √
. + =
, Perhitungan panjang patch diperoleh dengan menggunakan Persamaan
2.11 sampai Persamaan2.14.
� =
. + +
. − [ +
. . ]
− ⁄
� = .
∆� = . .
. + .
, . + .
. − .
, . + .
∆� = .
� =
× × . √ .
� = .
Sehingga diperoleh nilai panjang patch menggunakan Persamaan 2.14, � = �
− ∆� � = . − × .
� = ,
Universitas Sumatera Utara
33
Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan ini diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati
impedansi masukan sebesar 50 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran
pencatu dengan menggunakan bantuan perangkat lunak TXLine 2003. Untuk nilai Zo = 50 Ω, ɛr = 4.4, dan h = 1.6 mm, maka didapat lebar pencatu 3 mm.. Adapun
perhitungan lebar saluran pencatu ditunjukkan pada Gambar 3.2 berikut
Gambar 3.2 Perhitungan Lebar dan Panjang Pencatu Mikrostrip 2,3 GHz
Dengan demikian saluran pencatu mikrostrip 50 Ω didapat 3 mm, tahapan berikutnya adalah mencari panjang saluran penc
atu mikrostrip 50 Ω. Sebelumnya periksa terlebih dahulu perbandingan lebar
saluran pencatu mikrostrip 50 Ω terhadap tebal substrat Wh.
ℎ = + . = , Karena
ℎ ⁄
1, maka dengan menggunakan persamaan 2.11 didapatkan nilai konstanta dielektrik efektif
� = 4,097
Dari persamaan diatas maka diperoleh :
Universitas Sumatera Utara
34
� = �
√� � = =
� = √ ,
= ,
Maka panjang saluran mikrostrip 50 Ω adalah :
= �
= ,
= ,
Dari perhitungan tersebut diperoleh lebar dan panjang patch masing –
masing adalah 30,6 mm dan 39,7 mm. untuk memudahkan dalam perancangan awal maka panjang dan lebar patch dibulatkan menjadi 30 mm dan 40 mm. Kemudian
untuk lebar dan panjang pencatu menjadi 3 mm dan 32 mm.
3.5.2 Menentukan Dimensi Patch 3.3 GHz
Perhitungan lebar patch diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2.10, =
× . ×
√ . +
= ,
Perhitungan panjang patch diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2.11 sampai Persamaan2.14.
� =
. + +
. − [ +
. , ]
− ⁄
� = .
∆� = . .
. + .
, . + .
. − .
, . + .
Universitas Sumatera Utara
35
∆� = . �
= ×
× . √ . �
= , Sehingga diperoleh nilai panjang patch menggunakan Persamaan 2.14,
� = � − ∆�
� = , − × . � = ,
Saluran pencatu antena mikrostrip frekuensi 3.3 GHz mempunyai impedansi masukan sebesar 50
Ω, dengan bantuan TXδine 2003 diperoleh lebar saluran pencatu sebesar 3,01. Adapun perhitungan lebar saluran pencatu
ditunjukkan pada Gambar 3.3 berikut.
Gambar 3.3 Perhitungan Lebar dan Panjang Pencatu Mikrostrip 3,3 GHz Dengan demikian saluran pencatu mikrostrip 50 Ω didapat 3 mm, tahapan
berikutnya adalah mencari panjang saluran penc atu mikrostrip 50 Ω. Sebelumnya
Universitas Sumatera Utara
36
periksa terlebih dahulu perbandingan lebar saluran pencatu mikrostrip 50 Ω
terhadap tebal substrat Wh. ℎ = + . = ,
Karena
ℎ ⁄
1, maka dengan menggunakan persamaan 2.11 didapatkan nilai konstanta dielektrik efektif
� = 4,003
Dari persamaan diatas maka diperoleh : � =
� √�
� = =
� = √ ,
= ,
Maka panjang saluran mikrostrip 50 Ω adalah :
= �
= ,
= ,
Dari perhitungan tersebut diperoleh lebar dan panjang patch adalah 30,6 mm dan 39,7 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 23 mm.
3.6 Pengaturan Jarak Antar Elemen
Pada perancangan antena susun mikrostrip dual band jarak antar elemen antena perlu diperhatikan. Jarak antar elemen pada antena adalah
= ɽ
= =
× × . ×
= ,
Dari hasil perhitungan diatas diperoleh jarak antar elemen 32,6 mm
Universitas Sumatera Utara
37
3.7 Perancangan T-junction
Untuk merancang antena susun mikrostrip dibutuhkan T-junction yang berfungsi sebagai power divider. Pada tugas akhir ini digunakan salah satu jenis T-
junction seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.4 berikut.
Gambar 3.4 T-Junction
Penggunaan T-junction dapat meminimalisir ukuran antena. Untuk mendapatkan T-junction digunakan program TXLine 2003. Dari hasil perhitungan
dengan program TXLine 2003 diperoleh lebar dan panjang pencatu sebesar 3 mm dan 18,3 mm yang ditunjukkan pada Gambar 3.5
Gambar 3.5 Perhitungan Lebar dan Panjang T-Junction
Universitas Sumatera Utara
38
3.8 Rancangan Antena Mikrostrip Dual Band 2.3 GHz dan 3.3 GHz
Setelah melakukan perhitungan dimensi dari patch dan saluraan pencatu maka didapatkan gambar rancangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.6
13 mm 40 mm 32 mm 21 mm 13 mm
13 mm
30 mm
32 mm
a Tampak atas patch substrat 1
3 mm 3 mm
32 mm 18 mm 23 mm
36 mm 10 mm 26 mm
b Tampak atas feedline substrat 2
Gambar 3.6 Gambar hasil rancangan antena
Universitas Sumatera Utara
39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil simulasi
Kinerja suatu antena dapat dilihat berdasarkan spesifikasi atau nilai-nilai dari parameter antena itu sendiri. Parameter yang dapat diuji pada dasarnya cukup
banyak seperti yang di jelaskan pada Bab 2 sebelumnya. Pada Antena mikrostrip yang dirancang, dilakukan pengujian untuk memperoleh VSWR, return loss,
bandwidth, dan pola radiasi. Pada tahap awal, hasil rancangan disimulasikan menggunakan perangkat
lunak simulator Ansoft HFSS v.10. Gambar 4.1 menunjukkan grafik nilai S- parameter return loss dan VSWR setelah simulator dijalankan.
Gambar 4.1 Grafik return loss
Universitas Sumatera Utara
40
Gambar 4.2 Grafik VSWR hasil simulasi
Pada hasil rancangan awal diperoleh nilai return loss yang beresonansi pada frekuensi 2.61 GHz dengan nilai S-parameter sebesar -15,58 dB dan VSWR 1.40
dan pada frekuensi 3,74 GHz nilai S-parameter sebesar -16,39 dan VSWR sebesar 1,37. Hasil ini belum sesuai dengan spesifikasi awal yang diinginkan yaitu bekerja
pada frekuensi 2.3 GHz dan 3.3 GHz. Untuk itu perlu dilakukan iterasi pada dimensi antena agar diperoleh hasil yang maksimal. Iterasi dilakukan dengan mengubah
posisi saluran pencatu pada antena ini. Berdasarkan rancangan awal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3
arah b arah a arah d arah c
Gambar 4.3 Gambar rancangan awal antena
Universitas Sumatera Utara
41
Posisi saluran pencatu antena berada pada titik tengah masing-masing patch dan dilakukan iterasi dengan mengeser posisi saluran pencatu untuk tiap 2 mm
seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2 Proses iterasi dilakukan dengan menggeser saluran pencatu ke arah a dan
ke arah b untuk frekuensi 2.3 GHz serta ke arah c dan ke arah d untuk frekuensi 3.3 GHz. Sehingga di dapatkan hasil proses iterasi seperti yang ditunjukkan pada
Tabel 4.1 dan 4.2.
Tabel 4.1 Hasil iterasi posisi saluran pencatu untuk frekuensi 2.3 GHz
Posisi Pencatu mm Frekuensi Resonansi
Return Loss dB VSWR
14 mm ke arah a 2,61
-15,58 1,40
12 mm ke arah a 2,53
-23,37 1,15
10 mm ke arah a 2,50
-13,98 1,50
8 mm ke arah a 2,48
-14,91 1,46
6 mm ke arah a 2,55
-14,06 1,49
4 mm ke arah a 2,53
-14,99 1,43
2 mm ke arah a 2,48
-12,06 1,66
20 mm ke arah b 2,20
-12,60 1,64
18 mm ke arah b 2,14
-9,94 1,87
16 mm ke arah b 2,32
-11,24 1,75
14 mm ke arah b 2,30
-11,50 1,72
12 mm ke arah b 2,12
-10,11 1,91
10 mm ke arah b 2,15
-9,83 1,95
8 mm ke arah b 2,53
-15,48 1,40
6 mm ke arah b 2,55
-15,12 1,43
4 mm ke arah b 2,38
-10,79 1,81
2 mm ke arah b 2,28
-28,68 1,08
Universitas Sumatera Utara
42
Tabel 4.2 Hasil iterasi posisi saluran pencatu untuk frekuensi 3.3 GHz Posisi Pencatu mm
Frekuensi Resonansi Return Loss dB VSWR 10 mm ke arah c
3,33 -15,88
1,42 8 mm ke arah c
3,54 -10,39
1,87 6 mm ke arah c
3,46 -15.90
1.37 4 mm ke arah c
3.30 -11,23
1,76 2 mm ke arah c
3.37 -9,96
1,93 10 mm ke arah d
2,42 -13,61
1,53 8 mm ke arah d
2,40 -12,96
1,58 6 mm ke arah d
3,50 -10,30
1,88 4 mm ke arah d
3,33 -10,50
1,85 2 mm ke arah d
3,54 -10,39
1,53
Setelah melakukan perbaikan rancangan dengan melakukan iterasi posisi saluran pencatu antena mikrostrip, maka diperoleh rancangan antena mikrostrip
dual-band pada simualator Ansoft v.10 seperti pada Gambar 4.4
Gambar 4.4 Rancangan antena mikrostrip pada simulator
Universitas Sumatera Utara
43
Setelah mendapatkan rancangan antena mikrostip yang sesuai, selanjutnya rancangan dijalankan pada simulator Ansoft v.10 sehingga didapatkan return loss
antena seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.5
Gambar 4.5 Grafik return loss hasil simulasi
Selain parameter return loss, dari hasil simulasi didapatkan juga parameter VSWR dari antena mikrostrip yang telah diiterasi seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 4.6
Gambar 4.6 Grafik VSWR hasil simulasi
Universitas Sumatera Utara
44
4.2 Hasil pengukuran
Pengukuran antena dilakukan di Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara menggunakan alat ukur Network Analyzer Anritsu MS2034B. Hasil
fabrikasi antena mikrostrip array patch segiempat dual-band 2,3 GHz dan 3.3 GHz dengan pencatuan proximity coupled dapat dilihat pada Gambar 4.7
a Tampak Atas Substrat 1 patch
b Tampak Atas Substrat 2 feedline
Gambar 4.7
Antena mikrostrip patch segiempat yang telah difabrikasi
Universitas Sumatera Utara
45
Setelah dilakukan pengukuran, diperoleh hasil seperti grafik pada Gambar 4.8 dimana nilai VSWR pengukuran adalah 1.39 pada frekuensi 2.3 GHz dan 2.20
pada frekuensi 3.3 GHz dan nilai return loss yang diperoleh dari pengukuran adalah -15,63 dB pada frekuensi 2,3 GHz dan -9,67 pada frekuensi 3,3 GHz.
a
b
Gambar 4.8 Grafik hasil pengukuran a VSWR b return loss
Universitas Sumatera Utara
46
4.3 Analisis Hasil Simulasi dan Pengukuran
Hasil pengukuran return loss antena yang diperoleh dari rancangan antena fabrikasi dapat dilihat pada Tabel 4.3 dan Tabel 4.4
Tabel 4.3 Perbedaan nilai return loss dari 2.2 GHz sampai 2.4 GHz.
Frekuensi Hasil Pengukuran
Hasil simulasi 2,200
-13,50 -8,73
2,225 -11,90
-8,52 2,250
-11,50 -8,65
2,275 -12,33
-9,64 2,300
-15,63 -11,50
2,325 -16,67
-11,26 2,350
-19,24 -11,12
2,375 -12,62
-10,78 2,400
-9,56 -10,36
Tabel 4.4 Perbedaan nilai return loss dari 3.2 GHz sampai 3.4 GHz.
Frekuensi Hasil Pengukuran
Hasil simulasi 3.200
-10,31 -8,68
3.225 -9,50
-9,42
3.250
-9,05 -10,05
3.275 -8,65
-10,53
3.300
-9,67 -11,23
3.325 -9,47
-10,97
3.350
-8,57 -10,63
3.375 -9,99
-10,52
3.400 -12,41
-10,27
Universitas Sumatera Utara
47
Perbandingan grafik return loss simulasi dan pengukuran dapat dilihat pada Gambar 4.9.
Gambar 4.9 Perbandingan grafik return loss hasil simulasi Ansoft dan pengukuran
Hasil pengukuran VSWR antena yang diperoleh dari rancangan antena fabrikasi dapat dilihat pada Tabel 4.5
Tabel 4.5 Perbedaan nilai VSWR dari 2.2 GHz sampai 2.4 GHz.
Frekuensi Hasil Pengukuran
Hasil simulasi 2,200
1,55 2,16
2,225 1,68
2,21 2,250
1,72 2,19
2,275 1,65
1,92 2,300
1,39 1,72
2,325 1,10
1,75 2,350
1,24 1,78
2,375 1,61
1,79 2,400
2,00 1,86
-25 -20
-15 -10
-5
2,2 2,4
2,6 2,8
3 3,2
3,4 RE
T U
RN LOSS
d B
FREKUENSI GHz
RETURN LOSS PENGUKURAN RETURN LOSS SIMULASI
Universitas Sumatera Utara
48
Tabel 4.6 Perbedaan nilai VSWR dari 3.2 GHz sampai 3.4 GHz.
Frekuensi Hasil Pengukuran
Hasil simulasi 3.200
1,87 2,15
3.225 1,99
2,02
3.250 2,09
1,93
3.275 2,17
1,87
3.300 2,20
1,76
3.325
2,21 1,79
3.350 2,18
1,84
3.375 1,92
1,83
3.400
1,85 1,88
Perbandingan VSWR simulasi dan pengukuran dapat dilihat pada Gambar 4.10.
Gambar 4.10 Perbandingan VSWR hasil simulasi Ansoft dan pengukuran
Dari data yang diperoleh bahwa frekuensi kerja antena saat simulasi dan pengukuran tidak sama, namun memiliki karakteriktik yang mirip. Hal ini dapat
dikarenakan pada saat simulasi, antena yang diukur memiliki kondisi yang ideal
0,5 1
1,5 2
2,5 3
3,5 4
2,2 2,4
2,6 2,8
3 3,2
3,4 VSWR
FREKUENSI GHz
VSWR PENGUKURAN VSWR SIMULASI
Universitas Sumatera Utara
49
tanpa ada pengaruh ruang sekitar. Sedangkan pada saat pengukuran, terdapat banyak losses yang disebabkan oleh ruang sekitar saat pengukuran, ataupun nilai
substrat yang sedikit berbeda. Dan pola radiasi antena mikrostrip array patch segiempat yang diperoleh berupa pola omnidirectional yaitu memancarakan dan
menerima gelombang secara merata pada semua sudut seperti diperlihatkan pada Gambar 4.11 dan Gambar 4.12.
Gambar 4.11 Pola radiasi antena mikrostrip 2.3 GHz
Gambar 4.12 Pola radiasi antena mikrostrip 3.3 GHz
-80 -75
-70 -65
-60 -55
10 20 30
40 50
60 70
80 90
100 110
120 130
140 150
160 170
180 190
200 210
220 230
240 250
260 270
280 290
300 310
320 330
340 350360
POLA RADIASI 2.3 GHz Hasil Simulasi
Hasil Pengukuran
-100 -95
-90 -85
-80 -75
-70 10 20
30 40
50 60
70 80
90 100
110 120
130 140
150 160
170 180
190 200
210 220
230 240
250 260
270 280
290 300
310 320
330 340
350360
POLA RADIASI 3.3 GHz
Hasil Simulasi
Universitas Sumatera Utara
50
4.4 Analisis Capaian Spesifikasi Antena
Berdasarkan hasil simulasi menggunakan simulator Ansoft dan pengukuran antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan proximity coupled dapat
dilihat perbandingannya dengan antena standar depkominfo seperti diperlihatkan pada Tabel 4.7 dan Tabel 4.8
Tabel 4.7 Analisis Perbandingan Antena untuk frekuensi 2,3 GHz
Parameter
Standar Depkominfo
Spesifikasi yang diperoleh dari hasil
simulasi
Spesifikasi yang diperoleh dari
hasil pengukuran Frekuensi kerja
2,3 GHz –
2,390 GHz 2,47 GHz
– 2,26 GHz
2,299 GHz –
2,400 GHz
VSWR ≤ 1.9
1,72 1,39
Bandwidth 90 MHz
210 MHz 101 MHz
Return loss -
-15,63 -9,67
Pola Radiasi -
omnidirectional omnidirectional
Tabel 4.8 Analisis Perbandingan Antena untuk frekuensi 3,3 GHz
Parameter
Standar Depkominfo
Spesifikasi yang diperoleh dari hasil
simulasi
Spesifikasi yang diperoleh dari
hasil pengukuran Frekuensi kerja
3,3 GHz – 3,4
GHz 3.22 GHz
– 3.44 GHz
3.300 GHz –
3,401 GHz
VSWR ≤ 2
1,86 2,20
Bandwidth 100 MHz
220 MHz 101 MHz
Return loss -
-11,23 -11,50
Pola Radiasi -
omnidirectional omnidirectional
Universitas Sumatera Utara
51
4.5. Analsisis kesalahan umum
Berdasarkan hasil pengukuran dengan hasil simulasi menggunakan software simulator, diperoleh hasil pengukuran yang kurang akurat. Hal ini dapat
disebabkan oleh: 1. Pada simulasi menggunakan software Ansoft HFSS v.10 R tidak
memperhitungkan tingkat temperatur dan kelembaban udara, tetapi pada saat pengukuran dilakukan temperatur dan tingkat kelembaban berpengaruh
pada propagasi gelombang dan resistansi udara. 2. Terdapat rugi-rugi pada kabel penghubung, tembagakonduktor pada
substrat, port SMA, Adapter dari n-connector ke konektor SMA, dan konektor pada Network Analyzer.
3. Terdapat udara diantara subtrat pertama dan substrat yang kedua. 4. Adanya interferensi dan refleksi gelombang yang dipancarkan antena yang
disebabkan oleh frekuensi-frekuensi atau benda-benda yang ada disekitar antena saat pengukuran.
5. Penyolderan saluran pencatu antena dan konektor SMA yang kurang baik
Universitas Sumatera Utara
52
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan
Pada Tugas Akhir ini telah dirancang dan realisasi antena mikrostrip array patch segiempat dengan metode pencatuan proximity coupled. Dari hasil
perancangan, simulasi, dan pengukuran diperoleh kesimpulan, yaitu: 1. Pada simulasi dengan menggunakan simulator Ansoft HFSS v.10 diperoleh
nilai return loss terbaik pada frekuensi 2.3 GHz sebesar
-11,50
dB dan pada frekuensi 3.3 GHz sebesar -11,23 dB, sedangkan hasil pengukuran setelah
simulasi yaitu -15,63 dB pada frekuensi 2.3 GHz dan -8,51 dB pada frekuensi 3.3 GHz.
2. Nilai VSWR yang diperoleh pada simulator Ansoft HFSS v.10 sebesar 1,72 pada frekuensi 2.3 GHz dan 1,76 pada frekuensi 3.3 GHz, sedangkan pada
saat pengukuran diperoleh nilai VSWR sebesar 1,39 pada frekuensi 2.3 GHz dan 2.20 pada frekuensi 3.3 GHz.
3. Pola radiasi yang diperoleh dari perancangan dan pengukuran antena adalah omnidirectional.
5.2 Saran
Saran yang dapat Penulis sampaikan setelah mengerjakan Tugas Akhir ini antara lain :
1. Pada penelitian selanjutnya, pengukuran parameter antena ditambahkan dengan gain.
2. Dapat memengganti bentuk patch menjadi segitiga, trapesium ataupun lingkaran.
Universitas Sumatera Utara
53
DAFTAR PUSTAKA
[1] Balanis, Constantine . 2005. Antenna Theory Analysis and Design, 3
rd
edition, Willey Inc. [2]
Alaydrus,M.2011. Antena: Prinsip dan Aplikasi. Jakarta:Graha Ilmu. [3]
Misra,D.K. 2004. Radio Frequency And Microwave Communication Circuit: Analysis and Design,Second edition,Wiley-Interscince:New Jersey.
[4] Surjati, I. 2010. Antena Mikrostrip Konsep dan Aplikasinya. ISBN:978-979-
26-8952-0,Universitas Trisakti: Jakarta. [5]
Kumar,G Ray,K.P. 2003.”Broadband Microstrip Antennas”,ISBN:1- 58053-244-6, Artech House.Inc:London.
[6] Ramesh Garge. 2000. Microstrip Antenna Design Handbook. Artech House,
Boston, London. [7]
Sweeney Daniel. 2006. WiMAX Operator’s Manual. Apress, New York,
United States of Amerika. [8]
Rambe, Ali Hanafiah. 2008. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Plannar Array 4 Elemen Dengan Pencatuan Aperture-Coupled
Untuk Aplikasi CPE pada WIMAX. Jakarta, Universitas Indonesia. [9]
Pasaribu, Denny. 2014. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pada Frekuensi 2,4 GHz Dengan Metode Pencatuan Inset.
Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara, Medan. [10]
Balemurli. 2010. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Sirkular Untuk Aplikasi WLAN Menggunakan Simulator Ansoft HFSS v10. Departemen
Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara, Medan.
Universitas Sumatera Utara
54
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN 1 Pengukuran VSWR
Gambar 1 Pengukuran VSWR
Adapun langkah-langkah pengukuran VSWR menggunakan Networ Analyzer Anritsu MS2034B adalah
1. Hubungkan antena ke salah satu port, pada Networ Analyzer Anritsu
MS2034B seperti Gambar 1 2.
Pilih tombol ON untuk menghidupkan Network Analyzer Anritsu
MS2304B
Universitas Sumatera Utara
3. Tekan tombol MODE dan pilih VSWR
4. Pilih range frekuensi yang akan diukur misalnya frekuensi kerja yang akan
diukur 2.3 GHz dan 3.3 GHz, maka frekuensi yang akan di atur adalah dari 2.2 GHz sampai 3.6 GHz
a. Pilih F1, masukan range frekuensi terbawah dan tekan ENTER b. Pilih F2, masukan range frekuensi teratas dan tekan ENTER
5. Mengambil data untuk nilai VSWR berupa gambar yang ditampilkan
Networ Analyzer Anritsu MS2034B 6.
Bila ingin melihat nilai VSWR pada titik tertentu, gunakan tombol
MARKER M1 sd M6 untuk menandai 4 titik berbeda pada tampilan
layar Hasil pengukuran VSWR antena yang diperoleh dari rancangan antena
fabrikasi dapat dilihat pada Tabel 1 Tabel 1 Perbedaan nilai VSWR dari 2.2 GHz sampai 3.5 GHz.
Frekuensi Hasil Pengukuran
Hasil simulasi 2,200
1,55 2,16
2,225 1,68
2,21 2,250
1,72 2,19
2,275 1,65
1,92 2,300
1,39 1,72
2,325 1,10
1,75 2,350
1,24 1,78
2,375 1,61
1,79 2,400
2,00 1,86
2,425 2,36
1,90 2,450
2,63 1,96
Universitas Sumatera Utara
2,475 3,07
2,01 2,500
3,37 2,06
2,525 3,61
2,14 2,550
3,71 2,17
2.575 3,68
2,24 2,600
3,55 2,28
2,625 3,20
2,34 2,650
2,87 2,31
2,675 2,80
2,20 2,700
2,34 1,98
2,725 2,12
1,91 2,750
1,87 1,90
2,775 1,91
1,94 2,800
1,54 1,98
2,825 1,41
1,99 2,850
1,33 1,97
2,875 1,41
1,91 2,900
1,54 1,84
2.925 1,67
1,83
2.950
1,73 1,86
2.975 1,75
1,93
3.000
1,71 2,04
3.025 1,64
2,08
3.050
1,53 1,96
3.075 1,44
1,91
3.100
1,40 1,96
3.125 1,46
2,00
3.150
1,59 2,10
3.175 1,73
2,16
3.200
1,87 2,15
3.225 1,99
2,02
3.250
2,09 1,93
3.275 2,17
1,87
3.300
2,20 1,76
3.325 2,21
1,79
3.350
2,18 1,84
3.375 1,92
1,83
3.400
1,85 1,88
3.425 1,43
1,93
3.450
1,33 2,02
3.475 1,33
2,07
3.500
1,44 2,16
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN 2 Pengukuran
Return Loss
Gambar 2 Pengukuran Return Loss Adapun langkah-langkah pengukuran return loss menggunakan Networ
Analyzer Anritsu MS2034B adalah 1.
Hubungkan antena ke salah satu port, pada Networ Analyzer Anritsu MS2034B seperti Gambar 2
2. Pilih tombol ON untuk menghidupkan Network Analyzer Anritsu
MS2304B 3.
Tekan tombol MODE dan pilih return loss
Universitas Sumatera Utara
4. Pilih range frekuensi yang akan diukur misalnya frekuensi kerja yang akan
diukur 2.3 GHz dan 3.3 GHz, maka frekuensi yang akan di atur adalah dari 2.2 GHz sampai 3.6 GHz
a. Pilih F1, masukan range frekuensi terbawah dan tekan ENTER b. Pilih F2, masukan range frekuensi teratas dan tekan ENTER
5. Mengambil data untuk nilai return loss berupa gambar yang ditampilkan
Networ Analyzer Anritsu MS2034B 6.
Bila ingin melihat nilai return loss pada titik tertentu, gunakan tombol
MARKER
M1 sd M6 untuk menandai 4 titik berbeda pada tampilan layar
Hasil pengukuran return loss antena yang diperoleh dari rancangan antena fabrikasi dapat dilihat pada Tabel 2 berikut.
Tabel 2 Perbedaan nilai return loss dari 2.2 GHz sampai 3.5 GHz.
Frekuensi Hasil Pengukuran
Hasil simulasi 2,200
-13,50 -8,73
2,225 -11,90
-8,52 2,250
-11,50 -8,65
2,275 -12,33
-9,64 2,300
-15,63 -11,50
2,325 -16,67
-11,26 2,350
-19,24 -11,12
2,375 -12,62
-10,78 2,400
-9,56 -10,36
2,425 -7,81
-10,12 2,450
-6,71 -9,75
2,475 -5,84
-9,52 2,500
-5,15 -9,21
2,525 -4,93
-8,95
Universitas Sumatera Utara
2,550 -4,79
-8,62
2.575
-4,83 -8,33
2,600 -5,03
-8,16 2,625
-5,65 -7,87
2,650 -6,24
-8,00 2,675
-7,03 -8,58
2,700 -7,91
-9,74 2,725
-8,87 -10,10
2,750 -10,00
-10,02 2,775
-11,56 -9,84
2,800 -13,41
-9,63 2,825
-15,78 -9,54
2,850 -16,83
-9,73 2,875
-15,32 -10,05
2,900 -13,43
-10,57
2.925
-11,94 -10,69
2.950 -11,52
-10,39
2.975
-11,31 -10,03
3.000 -11,68
-9,32
3.025
-12,30 -9,12
3.050 -13,54
-10,05
3.075
-14,87 -10,18
3.100 -15,51
-9,70
3.125
-14,56 -9,55
3.150 -12,78
-8,45
3.175
-11,44 -8,59
3.200 -10,31
-8,68
3.225
-9,50 -9,42
3.250 -9,05
-10,05
3.275
-8,65 -10,53
3.300 -9,67
-11,23
3.325
-9,47 -10,97
3.350 -8,57
-10,63
3.375
-9,99 -10,52
3.400 -12,41
-10,27
3.425
-15,09 -9,96
3.450 -17,02
-9,39
3.475
-17,07 -9,16
3.500 -15,61
-8,78
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN 3 Pengukuran Pola Radisasi
Gambar 2 Pengukuran Pola Radiasi
Adapun langkah langkah dari pengukuran pola radiasi ini adalah 1.
Antena yang ingin diukur dihubungkan dengan port-2 dan antena lain tersebut dihubungkan dengan port-2 dan antena lain tersebut dihubungkan
dengan port-1 diperlihatkan pada Gambar 3 2.
Menghidupkan Network Analyzer Anritsu MS2304B 3.
Kemudian mengatur frekuensi ke frekuensi kerja seperti 2.3 GHz
Universitas Sumatera Utara
4. Memastikan bahwa semua alat berfungsi sebagaimana mestinya
5. Mencatat nilai level sinyal yang tertera pada Network Analyzer Anritsu
MS2304B pada posisi 0 6.
Memutar posisi antena dengan perubahan masing-masing 10 sampai
dengan 360 7.
Mencatat nilai level sinyal yang tertera pada Network Analyzer Anritsu MS2304B setiap perubahan 10
Universitas Sumatera Utara
LAMPIRAN 4
LAMPIRAN :
PERATURAN DIREKTUR JENDERAL POS DAN
TELEKOMUNIKASI NOMOR : 96 DIRJEN 2008
TANGGAL : 26 PEBRUARI 2008
PERSYARATAN TEKNIS ALAT DAN PERANGKAT TELEKOMUNIKASI
ANTENA BROADBAND WIRELESS ACCESS BWA MODE TIME DIVISION DUPLEX TDD NOMADIC PADA PITA FREKUENSI 2.3 GHz
BAB I KETENTUAN UMUM
1 Ruang Lingkup
Persyaratan teknis ini meliputi ruang lingkup, definisi, singkatan, karakteristik sistem, alat dan perangkat telekomunikasi Antena Broadband Wireless
Access Nomadic pada pita frekuensi 2.3 GHz, yang selanjutnya disebut Antena BWA 23.
2 Definisi
Yang dimaksud dengan alat dan perangkat Antena BWA 23 dalam standar ini adalah bagian dari sistem komunikasi radio BWA 23 yang merupakan
antarmuka antara sistem radio dan lingkungan eksternal yang bekerja pada pita frekuensi 2.300
– 2.390 MHz.
3 Singkatan
a. BS : Base Station
b. BWA : Broadband Wireless Access
c. CPE : Customer Premises Equipment
d. dB : Decibell
e. dBi : Decibell Isotropic
f. dBm
: Decibell Milliwatt g. DC
: Direct Current
Universitas Sumatera Utara
h. EIRP : Effective Isotropically Radiated Power
i. Mbps
: Mega byte per second j.
MHz : Mega Hertz
k. N : Jenis konektor
l. PMP
: Point-to-Multi Point m. PTP
: Point-to-Point n. RF
: Radio Frequency o. SMA
: Jenis konektor p. SS
: Subscriber Station q. TDD
: Time Division Duplex r.
VSWR : Voltage Standing Wave Ratio
s. XPD : Cross Polarization Discrimination
4 Istilah
Untuk tujuan standardisasi ini beberapa istilah didefinisikan sebagai berikut : a. Base
Station : Suatu set perangkat yang yang berfungsi untuk menyediakan
konektivitas, manajemen dan kontrol terhadap SS. b. Broadband
: Kemampuan untuk transfer data melebihi 1.5 Mbps dan atau menggunakan total bandwith minimal 1 MHz.
c. BWA : Jaringan akses nirkabel pita lebar.
d. Daya : Daya yang keluar dari perangkat pemancar.
e. CPE : Perangkat terminasi jaringan di sisi pelanggan.
f. dBi : Gain suatu antena terhadap antena isotropic sebagai referensi
g. EIRP : Level daya terukur yang dipancarkan oleh antena
h. Jaringan BWA
: Kumpulan elemen jaringan akses nirkabel pita lebar yang terdiri dari BS dan SS
i. Nomadic : Penerapan wireless access dimana lokasi terminal end user dapat
berpindah tempat dan pada saat digunakan terminal end user tidak boleh bergerak
Universitas Sumatera Utara
j. Subscriber : Perangkat BWA yang berada di sisi pelanggan.
k. Telekomuni kasi
: Setiap pemancaran, pengiriman, atau penerimaan tiap jenis tanda, gambar, suara dan informasi dalam bentuk apapun melalui sistem
kawat, optik, radio atau sistem elektromagnetik lainnya. l. XPD
: Perbandingan antara radiasi maksimum co-polar dengan minimum cross-polar.
5 Model Referensi
6 Entitas Model
Berikut penjelasan dari entitas-entitas yang terdapat dalam model referensi. 6.1 BS
- Merupakan perangkat yang berfungsi sebagai pusat transmisi data. - Berfungsi sebagai pusat koordinasi manajemen sumber daya radio.
6.2 SS - Merupakan perangkat terminasi jaringan di sisi pelanggan CPE.
- Berfungsi sebagai sarana transmisi data pelanggan.
6.3 Antenna BS dan Antenna SS - Merupakan perangkat transmisi yang berfungsi mengubah energi elektrik
menjadi gelombang radio elektromagnetik.
7 Titik Referensi
7.1 U
- Radio Interface BWA. 7.2
U’ - Titik referensi antara BS atau SS dengan antena.
Base Station Subscriber
Station U
Antena SS
U’ Antena
BS U’
Cakupan Standardisasi
Universitas Sumatera Utara
BAB II KARAKTERISTIK UMUM DAN OPERASIONAL
