Perancangan Antena Helix Secara Simulasi Untuk Aplikasi Bluetooth

i

TUGAS AKHIR

PERANCANGAN ANTENA HELIX SECARA SIMULASI UNTUK APLIKASI BLUETOOTH

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

O L E H

ORLANDO RISTUA P. SI MANGUNSO NG 05 0402 002

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ii ABSTRAK

Saat ini pertukaran informasi ini tidak hanya terjadi pada lokasi yang berdekatan saja, tetapi sudah mengglobal keseluruh penjuru dunia. Hal ini dapat dimungkinkan dengan tumbuhnya teknologi jaringan komputer, baik yang memanfaatkan media kabel maupun non kabel (wireless) sebagai saluran transmisinya.

Sejak ditemukan oleh Hertz dan Marconi, antena menjadi semakin dibutuhkan dalam kehidupan manusia. Karena antena merupakan salah satu elemen penting dalam sistem komunikasi tanpa kabel (wireless). Dalam penyampaian informasi, penggunaan antena sangat besar manfaatnya apalagi dalam pengiriman informasi yang dibatasi oleh jarak.

Tulisan ini menguraikan tentang perancangan dan simulasi antena Helix yang digunakan dalam komunikasi Bluetooth yang beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz atau dapat juga berfungsi sebagai antena pengganti pada client. Antena Helix dirancang untuk bekerja pada mode Axial dan diharapkan memiliki pola radiasi (pattern) yang sifatnya direksional. Perancangan antena ini menggunakan software simulator Ansoft Designer HFSS v10.0. Hasil dari perancangan antena Helix ini diperoleh nilai VSWR sebesar 1,4 untuk frekuensi 2,4 GHz dan 1,4 untuk frekuensi 2,5 GHz, pola radiasi direksional, dan gain sebesar 10,5 dB.

iii KATA PENGANTAR

Pujian dan syukur, penulis berikan kepada Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan kemampuan dan kekuatan dalam menghadapi segala hambatan, halangan, dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayahanda (B. Simangunsong) dan Ibunda (M. br. Siagian), serta Kakanda (Susi Simangunsong dan Camry Simangunsong) dan Adinda (Lia Simangunsong) tercinta yang merupakan bagian dari hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga sekarang.

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

PERANCANGAN ANTENA HELIX SECARA SIMULASI UNTUK APLIKASI BLUETOOTH

Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Ir. Arman Sani, MT, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas nasehat, bimbingan, dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen, selaku Penasehat Akademis penulis, atas

iv 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi, M.Si dan Bapak Rachmad Fauzi ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas segala bantuannya.

5. Mikha Raymond Lumban Tobing, Herman Salim, Alexander Siregar, yang berperan banyak atas kerjasama, masukan, dan bantuan selama proses penulisan Tugas Akhir ini.

6. Sahabat-sahabat seperjuangan sesama angkatan 2005 Departemen Teknik Elektro yang telah memberikan dukungan kepada Saya. Semoga silaturahmi kita terus terjaga.

7. Senior dan junior yang telah membantu selama proses penulisan Tugas Akhir ini.

8. Teman-teman IMPERATIF.

9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu saran dan kritik dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan.

v Akhir kata penulis berserah diri pada Tuhan Yang Maha Esa, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca sekalian terutama bagi penulis sendiri.

Medan, Mei 2011 Penulis,

vi DAFTAR ISI

ABSTRAK ...i

KATA PENGHANTAR ...ii

DAFTAR ISI ...v

DAFTAR GAMBAR ...viii

DAFTAR TABEL ...ix

I. PENDAHULUAN ...1

1.1 Latar Belakang Masalah ...1

1.2 Rumusan Masalah ...2

1.3 Tujuan Penulisan ...2

1.4 Batasan Masalah...2

1.5 Metode Penulisan ...3

1.6 Sistematika Penulisan...3

II. ANTENA HELIX ...5

2.1 Pengertian Antena ...5

2.2 Daerah Antena ...6

2.3 Parameter Antena ...8

2.3.1 Impedansi Masukan...8

2.3.2 Voltage Standing Wave Ratio ...9

2.3.3 Return Loss ...10

vii

2.3.5 Keterarahan (Directivity)...12

2.3.6 Penguatan (Gain)...13

2.3.7 Pola Radiasi ...14

2.3.8 Frekuensi Resonansi ...14

2.4 Antena helix ...14

2.4.1 Pola radiasi (patern) antena helix pada mode axial ...17

2.4.2 Operasi antena helix pada mode axial ...18

2.5 Simulator Ansoft HFSS v 10.0 ...20

2.6 Proses Pencarian Solusi Simulator Ansoft HFSS v 10.0 ...22

III. BLUETOOTH ...25

3.1 Latar Belakang Bluetooth ...25

3.2 Aplikasi dan Layanan ...25

3.3 Deskripsi Umum Sistem Bluetooth ...27

3.4 Karakteristik Radio ...27

3.5 Pita Frekuensi dan Kanal RF ...28

3.6 Time Slot ...29

3.7 Protokol Bluetooth ...30

3.8 Pengukuran Bluetooth...31

3.9 Fungsi Security ...33

viii IV. PERANCANGAN ANTENA HELIX UNTUK APLIKASI

BLUETOOTH ...35

4.1 Umum ...35

4.2 Perancangan Dimensi Antena ...35

4.3 Perancangan Model Antena Helix ...37

4.4 Simulasi Model Antena ...41

4.5 Mengubah-ubah nilai jarak antar lilitan (pitch angle)...45

V. KESIMPULAN DAN SARAN ...49

5.1 Kesimpulan ...49

5.2 Saran ...49

ix DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Antena sebagai peralatan transisi ...6

Gambar 2.2 Daerah Antena ...7

Gambar 2.3 (a) Bantuk dasar dari antena helix ...15

(b) Hubungan antara D, S, C, L ...15

Gambar 2.4 Antena helix dengan Ground Plane...16

Gambar 2.5 Susunan array dari titik sumber isotropis ...17

Gambar 2.6 Tampilan awal Ansoft HFSS v 10.0 ...22

Gambar 2.7 Proses Pencarian solusi HFSS v 10.0 ...23

Gambar 3.1 Contoh modul aplikasi beberapa Bluetooth ...26

Gambar 3.2 Blok fungsional pada sistem Bluetooth ...27

Gambar 3.3 Time slot ...29

Gambar 3.4 Protokol dalam layer di pada stack protokol Bluetooth...30

Gambar 3.5 Sturktur profile Bluetooth ...33

Gambar 4.1 (a) Diameter Helix ...40

(b) Panjang Helix ...40

(c) Model Antena Helix ...40

Gambar 4.2 Grafik VSWR hasil simulasi awal ...43

Gambar 4.3 Gain hasil simulasi awal ...44

Gambar 4.4 Pola radiasi hasil simulasi awal ...45

Gambar 4.5 Grafik VSWR hasil simulasi ...46

Gambar 4.6 Gain hasil simulasi ...47

x DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Karakteristik radio Bluetooth sesuai dengan dokumen

Bluetooth SIG ...27

Tabel 3.2 Batas frekuensi serta kanal RF yang digunakan oleh beberapa negara ...29

Tabel 3.3 Protokol-protokol dan layer-layer di stack protokol Bluetooth ...31

Tabel 4.1 Tabel data gain yang diperoleh hasil simulasi awal ...44

Tabel 4.2 Karakteristik perubahan jarak antar lilitan ...45

ii ABSTRAK

Saat ini pertukaran informasi ini tidak hanya terjadi pada lokasi yang berdekatan saja, tetapi sudah mengglobal keseluruh penjuru dunia. Hal ini dapat dimungkinkan dengan tumbuhnya teknologi jaringan komputer, baik yang memanfaatkan media kabel maupun non kabel (wireless) sebagai saluran transmisinya.

Sejak ditemukan oleh Hertz dan Marconi, antena menjadi semakin dibutuhkan dalam kehidupan manusia. Karena antena merupakan salah satu elemen penting dalam sistem komunikasi tanpa kabel (wireless). Dalam penyampaian informasi, penggunaan antena sangat besar manfaatnya apalagi dalam pengiriman informasi yang dibatasi oleh jarak.

Tulisan ini menguraikan tentang perancangan dan simulasi antena Helix yang digunakan dalam komunikasi Bluetooth yang beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz atau dapat juga berfungsi sebagai antena pengganti pada client. Antena Helix dirancang untuk bekerja pada mode Axial dan diharapkan memiliki pola radiasi (pattern) yang sifatnya direksional. Perancangan antena ini menggunakan software simulator Ansoft Designer HFSS v10.0. Hasil dari perancangan antena Helix ini diperoleh nilai VSWR sebesar 1,4 untuk frekuensi 2,4 GHz dan 1,4 untuk frekuensi 2,5 GHz, pola radiasi direksional, dan gain sebesar 10,5 dB.

1 BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Dalam ere globalisasi ini, pertukaran informasi telah menjadi bagian yang sangat penting dalam kehidupan. Pertukaran informasi ini tidak hanya terjadi pada lokasi yang berdekatan saja, tetapi sudah mengglobal keseluruh penjuru dunia. Hal ini dapat dimungkinkan dengan tumbuhnya teknologi jaringan komputer, baik yang memanfaatkan media kabel maupun non kabel (wireless) sebagai saluran transmisinya. Jaringan non kabel memanfaatkan udara sebagai saluran transmisinya dengan menggunakan jalur frekuensi 2,4 GHz (gelombang mikro).

Bluetooth adalah sebuah teknologi komunikasi wireless (tanpa kabel) yang beroperasi dalam pita frekuensi 2,4 GHz unlicensed ISM (Industrial, Scientific and Medical) dengan menggunakan sebuah frequency hopping tranceiver yang mampu menyediakan layanan komunikasi data dan suara secara real-time antara host-host Bluetooth dengan jarak jangkauan layanan yang terbatas.

Pada proses pengiriman dan penerimaan sinyal informasi ini diperlukan suatu alat yang dapat merubah sinyal gelombang mikro terbimbing pada saluran transmisi menjadi sinyal gelombang mikro di udara bebas demikian pula sebaliknya. Alat seperti ini lazimnya disebut dengan antena. Pada komunikasi antar titik dalam jaringan komputer non kabel diperlukan antena yang punya pola radiasi direksional (spesifik ke suatu arah). Salah satu antena yang dapat digunakan dalam situasi ini adalah antena Helix.

2 Pada Tugas Akhir ini, akan dibahas tentang perancangan antena Helix secara simulasi untuk aplikasi Bluetooth. Antena Helix mempunyai struktur geometri yang mirip dengan pegas, dengan jarak antar lilitan, diameter lilitan dan jumlah lilitan yang diatur sedemikian rupa sehingga dapat memenuhi kebutuhan. Dengan struktur geometri yang sedemikian rupa, pembuatan antena Helix dirasakan sederhana dan dapat dijadikan alternatif antena.

1.2 Rumusan Masalah

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

1. Apa yang dimaksud dengan antena Helix? 2. Apa saja bagian dari sistem Bluetooth?

3. Bagaimana merancang antena Helix untuk aplikasi Bluetooth yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz?

1.3 Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah merancang antena helix untuk aplikasi Bluetooth yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz (2,4 – 2,5 GHz). Perancangan antena dilakukan dengan menggunakan simulator Anfoft Designer HFSS versi 10.0.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah:

1. Parameter yang dibahas hanya : dimensi antena, VSWR, bandwidth, pola radiasi dan gain.

3 2. Tidak membahas arsitektur Bluetooth secara mendalam.

3. Perancangan dilakukan dengan menggunakan simulator Ansoft Designer HFSS versi 10.0.

4. Perancangan hanya diatas kertas, tidak sampai pada tahap fabrikasi.

1.5 Metodologi Penulisan

Metode penulisan yang dilakukan pada penulisan Tugas Akhir ini adalah: 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. Merancang antena Helix

Merupakan proses merancang antena Helix dengan menggunakan software Ansoft Designer HFSS versi 10.0.

3. Analisis

Berupa analisis terhadap antena yang dirancang menggunakan software Ansoft Designer HFSS versi 10.0.

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini, secara singkat dapat diuraikan sistematika penulisan sebagai berikut :

4

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menguraikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, serta sistematika penulisan.

BAB II ANTENA HELIX

Bab ini berisi penjelasan tentang antena Helix secara umum.

BAB III BLUETOOTH

Bab ini berisi teori tentang Bluetooth.

BAB IV PERANCANGAN ANTENA HELIX SECARA SIMULASI

UNTUK APLIKASI BLUETOOTH

Bab ini berisi tentang perancangan antena Helix secara simulasi untuk aplikasi Bluetooth dan hasil yang dicapai dari perancangan tersebut.

BAB V PENUTUP

Berisi kesimpulan dan saran dari hasil pembahasan-pembahasan sebelumnya.

5 BAB II

ANTENA HELIX

2.1 Pengertian Antena

Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai penerima energi itu dari ruang bebas. Antena merupakan bagian yang penting dalam sistem komunikasi sehari-hari. Antena kita jumpai pada pesawat televisi, telepon genggam, radio, dan lain-lain.

Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Saluran transmisi adalah alat yang berfungsi sebagai penghantar atau penyalur energi gelombang elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi yang tak berhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang uniform sepanjang saluran itu. Jika saluran ini dihubung singkat maka akan muncul gelombang berdiri yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan. Jika gelombang datang sama besar dengan gelombang yang dipantulkan akan dihasilkan gelombang berdiri murni. Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi listrik seluruhnya ke energi magnet total dua kali setiap periode gelombang itu.

Gambar 2.1 memperlihatkan sumber atau pemancar yang dihubungkan dengan saluran transmisi AB ke antena [1]. Jika saluran transmisi disesuaikan dengan impedansi antena, maka hanya ada gelombang berjalan ke arah B saja. Pada A ada saluran transmisi yang dihubungkan singkat dan merupakan

6 resonator. Di daerah antena energi diteruskan ke ruang bebas sehingga daerah ini merupakan transisi antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas [1].

Gambar 2.1 Antena sebagai peralatan transisi

2.2 Daerah Antena

Daerah antena merupakan pembatas dari karakteristik gelombang elektromagnetika yang dipancarkan oleh antena. Pembagian daerah di sekitar antena dibuat untuk mempermudah pengamatan struktur medan di masing-masing daerah antena tersebut. Gambar 2.2 menjelaskan tentang daerah-daerah di sekitar antena [1].

sumber sal. transmisi antena Gel. ruang bebas teradiasi

7 Gambar 2.2 Daerah Antena

Ruang-ruang di sekitar antena dibagi ke dalam 3 daerah, yaitu : 1. Daerah medan dekat reaktif

Daerah ini didefenisikan sebagai bagian dari daerah medan dekat di sekitar antena, di mana daerah reaktif lebih dominan. Apabila λ adalah panjang gelombang dan D adalah dimensi terluar antena, untuk kebanyakan antena batas terluar daerah ini adalah [1]:

(2.1) Sedangkan untuk mencari panjang gelombang dapat dicari dengan menggunakan pesamaan berikut:

(2.2)

2. Daerah medan dekat radiasi

Daerah ini didefenisikan sebagai daerah medan antena antara medan dekat reaktif dan daerah medan jauh di mana medan radiasi dominan dan

R

Medan Jauh (Fraunhofer (Freshnel)

Medan Dekat Radiasi

Medan Dekat Reaktif

8 distribusi medan bergantung pada jarak dari antena. Daerah ini sering juga disebut daerah Freshnel dimana [1]:

(2.3) 3. Daerah medan jauh

Daerah medan jauh merupakan daerah antena di mana distribusi medan tidak lagi bergantung kepada jarak dari antena. Di daerah ini, komponen medan transversal dan distribusi angular tidak bergantung pada jarak radial di mana pengukuran dibuat. Semua spesifikasi diperoleh dari pengukuran yang dilakukan di daerah ini, dengan syarat [1]:

(2.4)

2.3 Parameter Antena

Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena tersebut [1]. Beberapa dari parameter-parameter tersebut saling berhubungan satu sama lain. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, Voltage Wave Standing Ratio (VSWR), return loss, bandwidth, keterarahan, dan penguatan.

2.3.1 Impedansi masukan

Impedansi masukan adalah perbandingan (rasio) antara tegangan dan arus. Impedansi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu [1].

9 (2.5)

dimana Zin merupakan perbandingan antara jumlah tegangan (tegangan masuk dan tegangan refleksi (V) terhadap jumlah arus (I) pada setiap titik z pada saluran, berbeda dengan karakteristik impedansi saluran (Z0) yang berhubungan dengan tegangan dan arus pada setiap gelombang.

Pada saluran transmisi, nilai z diganti dengan nilai _– , sehingga persamaan di atas menjadi [1]:

(2.6)

2.3.2 Voltage Standing Wave Ratio (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 (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan ( ), yaitu :

(2.7)

di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran lossless.

10 Koefisien refleksi tegangan ( ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari adalah nol, maka :

a. : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat b. : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna. c. : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka. Rumus untuk mencari nilai VSWR adalah [1]:

(2.8)

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan untuk fabrikasi antena adalah VSWR≤2.

2.3.3 Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas di antara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi seperti yang ditunjukkan oleh [1]:

11 Nilai dari return loss yang baik adalah di bawah -9,54 dB, nilai ini diperoleh untuk nilai VSWR 2 sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.

2.3.4 Bandwidth

Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar. Bandwith dapat dicari dengan rumus berikut ini [1]:

(2.10)

Keterangan :

= frekuensi tertinggi = frekuensi terendah = frekuensi tengah

Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :

a. 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

12 frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9,54 dB. b. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana bandwidth, sidelobe, atau

gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari.

c. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.

2.3.5 Keterarahan (Directivity)

Keterarahan dari sebuah antena dapat didefenisikan sebagai perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud. Keterarahan ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut ini [1]:

(2.11)

Dan jika arah ini tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang didapat dengan rumus [1]:

13 Keterangan :

D = keterarahan

D0 = keterarahan maksimum U = intensitas radiasi maksimum Umax = intensitas radiasi maksimum

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

2.3.6 Penguatan (gain)

Ada dua jenis penguatan (gain) pada antena, yaitu penguatan absolut (absolute gain) dan penguatan relatif (relative gain). Penguatan absolut pada sebuah antena didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4π. Penguatan absolut ini dapat dihitung dengan rumus [1]:

(2.13)

Selain penguatan absolut, ada juga penguatan relatif. Penguatan relatif didefenisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama di antara kedua antena itu. Akan tetapi, antena referensi merupakan sumber isotropic yang lossless. Secara umum dapat dihubungkan sebagai berikut [1]:

14 (2.14)

2.3.7 Pola radiasi

Pola radiasi pada sebuah antena didefenisikan sebagai sebuah fungsi matematis atau sebuah gambaran grafis dari komponen-komponen radiasi sebuah antena. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional.

2.3.8 Frekuensi Resonansi

Frekuensi resonansi sebuah antena dapat diartikan sebagai frekuensi kerja antena dimana pada frekuensi tersebut seluruh daya dipancarkan secara maksimal. Pada umumnya frekuensi resonansi menjadi acuan menjadi frekuensi kerja antena.

2.4 Antena Helix

Antena Helix terdiri dari konduktor tunggal atau multi konduktor terbuka yang berbentuk Helix. Antena Helix merupakan antena yang mempunyai bentuk tiga dimensi. Bentuk dari antena Helix menyerupai per atau pegas dan diameter lilitan serta jarak antar lilitan berukuran tertentu.

Antena Helix mempunyai bentuk geometri tiga dimensi seperti pada Gambar 2.3. Gambar tersebut memperlihatkan bentuk dasar dari sebuah antena Helix dengan parameter-parameternya adalah sebagai berikut [2]:

D = diameter dari Helix

15 S = jarak antara lilitan

α = sudutjepit (pitch angle) = arctan S/πD L = panjang dari 1 lilitan

n = jumlah lilitan A = axial length = nS

d = diameter konduktor Helix

Gambar 2.3 (a) Bantuk dasar dari antena Helix (b) Hubungan antara D, S, C, L

Diameter dan keliling (circumference) digunakan sebagai parameter dalam menentukan frekuensi kerja dari Helix, biasanya dinyatakan pula dalam panjang gelombang Dλ dan Cλ. Axial length dan pitch angle menentukan gain dari Helix. Untuk mencari diameter antena Helix dapat menggunakan persamaan berikut:

(2.15) Sementara untuk menghitung circumference dapat menggunakan persamaan berikut:

16 (2.16) Untuk mencari pitch angle dapat menggunakan persamaan

(2.17)

Makin panjang axial length maka makin besar pula gain dari Helix. Relasi ini dapat dilihat dari persamaan berikut [3]:

(2.18) Dan untuk mencari panjang dari antena Helix dapat menggunakan persamaan berikut:

(2.19)

Antena Helix biasanya dipasang diatas sebuah ground plane seperti pada Gambar 2.4. Ground plane dapat berbentuk apa saja, tetapi biasanya berbentuk segi empat atau lingkaran dengan diameter satu sampai satu setengah kali panjang gelombang. Ground plane dapat berbentuk reflektor kerucut atau dapat pula berbentuk datar. dengan menggunakan ground plane, diharapkan back lobe dari antena dapat diminimalisasi.

17 Antena Helix dapat dioperasikan dalam dua mode, yaitu mode transmisi (transmission mode) dan mode radiasi (radiation mode). Mode transmisi digunakan untuk menjelaskan bagaimana gelombang elektromagnetik dioperasikan sepanjang Helix dapat diasumsikan sebagai saluran transmisi tak hingga atau waveguide, dimana beberapa mode transmisi yang berbeda dapat dioperasikan.

Mode radiasi digunakan untuk mengetahui bentuk dari medan jauh (far field pattern) dari sebuah Helix. Pada mode radiasi dikenal dua macam mode, yaitu mode axial dan mode normal.

2.4.1 Pola radiasi (pattern) antena helix pada mode axial

Secara teori, antena helix dapat dimodelkan sebagai jajaran sejumlah titik sumber isotropis (isotropsi point source) yang tersusun seperti pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Susunan array dari titik sumber isotropis

Masing-masing titik merepresentasikan satu buah lilitan dari Helix, sementara jarak antara titik merepresentasikan jarak antara lilitan pada antena Helix. Jumlah titik sumber isotropis analogi dengan jumlah lilitan pada Helix.

18 Pola radiasi dari antena Helix diturunkan dengan menggunakan prinsip pattern multiplication, dimana pola radiasi Helix merupakan produk dari semua titik sumber isotropis yang tersusun secara array, sehingga disebut array pattern atau array factor (faktor array).

Dengan asumsi bahwa satu lilitan dari antena Helix mempunyai gelombang bejalan (traveling wave) yang seragam disepanjang antena, maka pola radiasi total dari antena Helix dengan jumlah lilitan n merupakan produk dari faktor array dengan pola radiasi satu lilitan Helix.

2.4.2 Operasi Antena Helix pada Mode Axial

Mode operasi axial terjadi jika circumference (C) dari Helix bernilai kurang lebih satu kali panjang gelombang pada frekuensi tengah dari frekuensi kerjanya (0,75λ<C<1,3λ). Sementara sudut jepit, α yang optimal adalah antara 10°<α<20°.

Antena Helix pada mode operasi axial adalah antena yang sederhana dan mudah untuk dibuat kerena sifatnya yang non-critical. Ada beberapa parameter penting dari antena yang perlu diperhatikan, yaitu :

1. Beamwidth (lebar berkas) 2. Gain (penguatan)

3. Impedance (impedansi)

Parameter-parameter diatas merupakan fungsi dari banyaknya lilitan (n), jarak antar lilitan (S), dan frekuensi. Untuk jumlah lilitan yang telah ditentukan, sifat dari beamwidth, gain dan impedansi dapat menentukan lebar bandwith.

19 Sementara itu, nilai dari bandwith juga berhubungan erat dengan circumference dari antena Helix.

Parameter lain yang mempunyai peranan penting dalam perancangan antena Helix adalah bentuk dan ukuran dari ground plane, diameter konduktor Helix, struktur penunjang Helix, dan pengaturan feed. Ground plane dapat dibuat dalam bebagai macam bentuk. Namun umumnya dibuat dalam bentuk lingkaran atau persegi yang datar atau flat dengan ukuran diameter atau sisi minimal 3λ/4. Ukuran konduktor dapat dipilih dari 0,005λ sampai dengan mendekati 0,05λ.

Antena Helix dihubungkan dengan saluran transmisi (kabel coaxial) melalui feeder. Pada pemasangan feeder, konduktor antena Helix dihubungkan dengan bagian dalam dari kabel coaxial melalui bagian dalam dari feeder, sementara bagian luar dari feeder berfungsi menghubungkan bagian luar dari kabel coaxial dengan ground plane. Pemasangan feeder ini dapat pula mempengaruhi impedensi dari antena Helix.

Pada antena Helix, feeder dapat dipasang dengan 2 macam model, yaitu: 1. Peripheral feed

2. Axial feed

Dengan model peripheral feed, impedensi antena Helix mempunyai nilai yang dihitung dengan persamaan berikut [2]:

(2.20)

Sementara dengan menggunakan axial feed impedansi antena Helix bernilai [2]:

20 (2.21)

Impedansi antena Helix dapat diatur sedemikian rupa sehingga sesuai dengan impedansi yang diinginkan dengan cara memodifikasi ¼ lilitan terakir.

Beamwidth dari antena Helix dapat dihitung dengan persamaan berikut [2]:

(2.22)

Sementara itu, beamwidth between first null dihitung berdasarkan persamaan berikut [2]:

(2.23)

2.5 Simulator Ansoft HFSS 10.0

Dalam tugas akhir ini simulator yang digunakan adalah Ansoft HFSS 10.0. Pada HFSS, model geometri secara otomatis dibagi kedalam sejumlah besar tetrahedron. HFSS adalah simulator gelombang elektromagnetik penuh dengan performa yang baik untuk pemodelan benda 3 dimensi yang memiliki volume yang berubah-ubah. HFSS ini menyatukan proses simulasi, visualisasi, dan proses pemodelan ke dalam suatu bentuk yang mudah untuk dipelajari. Simulator ini dapat dimanfaatkan untuk menghitung parameter seperti S parameter, frekuensi resonansi, dan medan.

Simulator ini khususnya digunakan pada bidang:

21

• PCB Board Modeling  Power/Ground planes, Mesh Grid

Grounds,Backplanes

• Silicon/GaAs  Spiral Inductors, Transformers

• EMC/EMI  Shield Enclosures, Coupling, Near- or Far-Field Radiation

• Antennas/Mobile Communications  Patches, Dipoles, Horns,

ConformalCell Phone Antennas, Quadrafilar Helix, Specific Absorption Rate(SAR), Infinite Arrays, Radar Cross Section(RCS), Frequency Selective Surfaces(FSS)

• Connectors – Coax, SFP/XFP, Backplane, Transitions

HFSS adalah simulator interaktif yang elemen dasar mesh-nya adalah tetrahedron. Hal ini membuat kita dapat menyelesaikan persoalan yang berhubungan dengan bentuk geometri 3 dimensi yang berubah-ubah khususnya yang memilki bentuk dan kurva yang kompleks.

HFSS adalah kependekan dari High Frequency Structure Simulator. Ansoft merupakan software pelopor yang menggunakan Finite Element Method (FEM) untuk simulasi elektromagnetik dengan mengembangkan serta menerapkan teknologi seperti tangential vector finite elements, adaptive meshing, dan Adaptive Lanczos-Pade Sweep (ALPS). Adapun tampilan dari HFSS dapat dilihat pada Gambar 2.6.

22 Gambar 2.6 Tampilan Awal Ansoft HFSS v10.0

2.6 Proses Pencarian Solusi Simulator HFSS 10.0

Untuk mendapatkan grafik VSWR suatu antena, bisa dicari dari nilai koefisien pantul (Г) dan koefisien pantul ini erat hubungannya dengan parameter S. Sebelum mengkomputasi nilai VSWR kedalam grafik, maka HFSS Menghitung dulu nilai matrik parameter S pada suatu struktur port tertentu dalam setiap frekuensi dan hal ini dilakukan dengan skema seperti pada Gambar 2.7.

23 Gambar 2.7 Proses pencarian solusi HFSS 10.0

Dari Gambar 2.7 dapat dijelaskan bahwa :

• 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 sumber generator.

• Parametric model adalah susunan yang terdiri dari bentuk geometri dan

material yang tersusun didalamnya, yang akan membangun bentuk pemodelan simulasi. Pada tahap ini juga, kita memberikan pembatasaan

24 lingkup pada device pemodelan (Boundaries) dan mendefinisikan letak pencatuan model (Excitation).

• 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.

3. Delta S. Nilai ini adalah nilai perubahan didalam magnituda parameter S antara dua lintasan yang saling berhubungan

Pada tahap ini juga kita memberikan nilai range frekuensi (frequency sweep) yang merupakan range frekuensi yang akan dicari nilai solusinya.

25 BAB III

BLUETOOTH

3.1 Latar Belakang Bluetooth

Bluetooth adalah sebuah teknologi komunikasi wireless (tanpa kabel) yang beroperasi dalam pita frekuensi 2,4 GHz unlicensed ISM (Industrial, Scientific and Medical) dengan menggunakan sebuah frequency hopping tranceiver yang mampu menyediakan layanan komunikasi data dan suara secara real-time antara host-host Bluetooth dengan jarak jangkauan layanan yang terbatas (sekitar 10 meter). Bluetooth sendiri dapat berupa card yang bentuk dan fungsinya hampir sama dengan card yang digunakan untuk wireless local area network (WLAN) dimana menggunakan frekuensi radio standar IEEE 802.11, hanya saja pada Bluetooth mempunyai jangkauan jarak layanan yang lebih pendek dan kemampuan transfer data yang lebih rendah.

Pada dasarnya Bluetooth diciptakan bukan hanya untuk menggantikan atau menghilangkan penggunaan kabel didalam melakukan pertukaran informasi, tetapi juga mampu menawarkan fitur yang baik untuk teknologi mobile wireless dengan biaya yang relatif rendah, konsumsi daya yang rendah, interoperability yang menjanjikan, mudah dalam pengoperasian dan mampu menyediakan layanan yang bermacam-macam.

3.2 Aplikasi dan Layanan

Protokol Bluetooth menggunakan sebuah kombinasi antara circuit switching dan packet switching. Bluetooth dapat mendukung sebuah kanal data

26 asinkron, tiga kanal suara sinkron simultan atau sebuah kanal dimana secara bersamaan mendukung layanan data asinkron dan suara sinkron. Setiap kanal suara mendukung sebuah kanal suara sinkron 64 kb/s. Kanal asinkron dapat mendukung kecepatan maksimal 723,2 kb/s asimetris, dimana untuk arah sebaliknya dapat mendukung sampai dengan kecepatan 57,6 kb/s. Sedangkan untuk mode simetris dapat mendukung sampai dengan kecepatan 433,9 kb/s.

Sebuah perangkat yang memiliki teknologi wireless Bluetooth akan mempunyai kemampuan untuk melakukan pertukaran informasi dengan jarak jangkauan sampai dengan 10 meter (~30 feet). Sistem Bluetooth menyediakan layanan komunikasi point to point maupun komunikasi point to multipoint.

Produk Bluetooth dapat berupa PC card atau USB adapter yang dimasukkan ke dalam perangkat. Gambar 3.1 menggambarkan perangkat-perangkat yang dapat diintegerasikan dengan teknologi Bluetooth antara lain: mobile PC, mobile phone, PDA (Personal Digital Assistant), headset, kamera, printer, router dan sebagainya. Aplikasi-aplikasi yang dapat disediakan oleh layanan Bluetooth ini antara lain: PC to PC file transfer, PC to PC file synch (notebook to desktop), PC to mobile phone, PC to PDA, wireless headset, LAN connection via ethernet access point dan sebagainya [4].

27 3.3 Diskripi Umum Sistem Bluetooth

Sistem Bluetooth terdiri dari sebuah radio transceiver, baseband link controller dan sebuah link manager. Baseband link controller menghubungkan perangkat keras radio ke base band processing dan layer protokol fisik. Link manager melakukan aktivitas-aktivitas protokol tingkat tinggi seperti melakukan link setup, autentikasi dan konfigurasi. Gambar 3.2 menjelaskan blok fungsional pada sistem Bluetooth secara umum [4].

Gambar 3.2 Blok fungsional pada sistem Bluetooth

3.4 Karakteristik Radio

Berikut beberapa karaketristik radio Bluetooth sesuai dengan dokumen Bluetooth SIG yang dirangkum dalam Tabel 3.1 [4].

Tabel 3.1 Karaketristik radio Bluetooth sesuai dengan dokumen Bluetooth SIG

Parameter Spesifikasi

Transmitter

Frekuensi ISM band, 2400 - 2483.5 MHz (mayoritas), untuk beberapa negara mempunyai batasan frekuensi sendiri (lihat tabel 3.2), spasi kanal 1 MHz.

Maximum Power class 1 : 100 mW (20 dBm)Power class 2 : 2.5 mW (4 dBm)Power

28 Tabel 3.1 Lanjutan

Parameter Spesifikasi

Output Power class 3 : 1 mW (0 dBm)

Modulasi GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), Bandwidth Time : 0,5; Modulation Index : 0.28 sampai dengan 0.35.

Out of band Spurious

Emission

30 MHz - 1 GHz : -36 dBm (operation mode), -57 dBm (idle mode)1 GHz –12.75 GHz: -30 dBm (operation mode), -47 dBm (idle mode)1.8 GHz – 1.9 GHz: -47 dBm (operation mode), -47 dBm (idle mode)5.15 GHz –5.3 GHz: 47 dBm (operation mode), -47 dBm (idle mode)

Receiver Actual

Sensitivity Level

-70 dBm pada BER 0,1%.

Spurious Emission

30 MHz - 1 GHz : -57 dBm1 GHz – 12.75 GHz : -47 dBm

Max. usable level

-20 dBm, BER : 0,1%

3.5 Pita Frekuensi dan Kanal RF

Bluetooth beroperasi dalam pita frekuensi 2,4 GHz ISM, walaupun secara global alokasi frekuensi Bluetooth telah tersedia, namun untuk berbagai negara pengalokasian frekuensi secara tepat dan lebar pita frekuensi yang digunakan

29 berbeda. Batas frekuensi serta kanal RF yang digunakan oleh beberapa negara dapat dilihat pada Tabel 3.2 [4].

Tabel 3.2 Batas frekuensi serta kanal RF yang digunakan oleh beberapa negara

Negara Range Frekuensi Kanal RF

Eropa *) dan USA 2400 – 2483,5 MHz f = 2402 + k MHz k = 0,…,78 Jepang 2471 – 2497 MHz f = 2473 + k MHz k = 0,…,22 Spanyol 2445 – 2475 MHz f = 2449 + k MHz k = 0,…,22 Perancis 2446,5 – 2483,5 MHz f = 2454 + k MHz k = 0,…,22 *) Kecuali Spanyol dan Perancis

3.6 Time Slot

Kanal dibagi dalam time slot-time slot, masing-masing mempunyai panjang 625 ms. Time slot-time slot tersebut dinomori sesuai dengan clock Bluetooth dari master piconet. Batas penomoran slot dari 0 sampai dengan 227-1 dengan panjang siklus 227. Di dalam time slot, master dan slave dapat mentransmisikan paket-paket dengan menggunakan skema TDD (Time-Division Duplex). Gambar 3.3 menerangkan bahwa master hanya memulai melakukan pentransmisiannya pada nomor time slot genap saja sedangkan slave hanya memulai melakukan pentransmisiannya pada nomor time slot ganjil saja [4].

30 3.7 Protokol Bluetooth

Protokol-protokol Bluetooth dimaksudkan untuk mempercepat pengembangan aplikasi-aplikasi dengan menggunakan teknologi Bluetooth. Layer-layer bawah pada stack protokol Bluetooth dirancang untuk menyediakan suatu dasar yang fleksibel untuk pengembangan protokol yang lebih lanjut. Protokol-protokol yang lain seperti RFCOMM diambil dari protokol-protokol yang sudah ada dan protokol ini hanya dimodifikasi sedikit untuk disesuaikan dengan kepentingan Bluetooth. Pada protokol-protokol layer atas digunakan tanpa melakukan modifikasi. Dengan demikian, aplikasi-aplikasi yang sudah ada dapat digunakan dengan teknologi Bluetooth sehingga interoperability akan lebih terjamin.

Stack protokol Bluetooth dapat dibagi ke dalam empat layer sesuai dengan tujuannya. Gambar 3.4 dan Tabel 3.3 menjelaskan protokol-protokol dalam layer-layer pada stack protokol Bluetooth [3].

31 Tabel 3.3 Protokol-protokol dan layer-layer di stack protokol Bluetooth

(sumber : Bluetooth SIG)

Protocol Layer Protocols in the stack

Bluetooth Core Protocols Baseband, LMP, L2CAP, SDP

Cable Replacement Protocol RFCOMM

Telephony Control Protocols TCS Binary, AT-commands

Adopted Protocols PPP, UDP/TCP/IP, OBEX, WAP, vCard, vCal, IrMC, WAE

3.8 Pengukuran Bluetooth

Pada dasarnya ada tiga aspek penting didalam melakukan pengukuran Bluetooth yaitu pengukuran RF (Radio Frequency), protokol dan profile. Pengukuran radio dilakukan untuk menyediakan compatibility perangkat radio yang digunakan di dalam sistem dan untuk menentukan kualitas sistem. Pengukuran radio dapat menggunakan perangkat alat ukur RF standar seperti spectrum analyzer, transmitter analyzer, power meter, digital signal generator dan bit-error-rate tester (BERT). Hasil pengukuran harus sesuai dengan spesifikasi yang telah di ditetapkan diantaranya harus memenuhi parameter-parameter yang tercantum pada Tabel 3.1.

Dari informasi Test & Measurement World, untuk pengukuran protokol, dapat menggunakan protocol sniffer yang dapat memonitor dan menampilkan pergerakan data antar perangkat Bluetooth. Selain itu dapat menggunakan perangkat Ericsson Bluetooth Development Kit (EBDK). Ericsson akan segera merelease sebuah versi EBDK yang dikenal sebagai Blue Unit.

32 Pengukuran profile dilakukan untuk meyakinkan interoperability antar perangkat dari berbagai macam vendor. Struktur profile Bluetooth sesuai dengan dokumen SIG dapat dilihat pada Gambar 3.5 [4].

Gambar 3.5 Sturktur profile Bluetooth

Contoh :

• LAN access profile menentukan bagaimana perangkat Bluetooth mampu mengakses layanan-layanan pada sebuah LAN menggunakan Point to Point Protocol (PPP). Selain itu profile ini menunjukkan bagaimana mekanisme PPP yang sama digunakan untuk membentuk sebuah jaringan yang terdiri dari dua buah perangkat Bluetooth.

• Fax profile menentukan persyaratan-persyaratan perangkat Bluetooth yang harus dipenuhi untuk dapat mendukung layanan fax. Hal ini memungkinkan sebuah Bluetooth cellular phone (modem) dapat digunakan oleh sebuah komputer sebagai sebuah wireless fax modem untuk mengirim atau menerima sebuah pesan fax. Selain ketiga aspek di atas

33 yaitu radio, protokol, profile maka sebenarnya ada aspek lain yang tidak kalah pentingnya untuk perlu dilakukan pengukuran yaitu pengukuran Electromagnetic Compatibility (EMC) dimana dapat mengacu pada standar Eropa yaitu ETS 300 8 26 atau standar Amerika FCC Part 15.

3.9 Fungsi Security

Bluetooth dirancang untuk memiliki fitur-fitur keamanan sehingga dapat digunakan secara aman baik dalam lingkungan bisnis maupun rumah tangga. Fitur-fitur yang disediakan Bluetooth antara lain sebagai berikut:

• Enkripsi data.

• Autentikasi user

• Fast frekuensi-hopping (1600 hops/sec)

• Output power control

Fitur-fitur tersebut menyediakan fungsi-fungsi keamanan dari tingkat keamanan layer fisik/ radio yaitu gangguan dari penyadapan sampai dengan tingkat keamanan layer yang lebih tinggi seperti password dan PIN.

3.10 Bluetooth FHSS vs WLAN DSSS

Sebenarnya mengapa Bluetooth lebih memilih metode FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) dibandingkan dengan DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Alasan yang membuat mengapa Bluetooth tidak menggunakan DSSS antara lain sebagai berikut :

1. FHSS membutuhkan konsumsi daya dan kompleksitas yang lebih rendah dibandingkan DSSS hal ini disebabkan karena DSSS

34 menggunakan kecepatan chip (chip rate) dibandingkan dengan kecepatan simbol (symbol rate) yang digunakan oleh FHSS, sehingga cost yang dibutuhkan untuk menggunakan DSSS akan lebih tinggi. 2. FHSS menggunakan FSK dimana ketahanan terhadap gangguan noise

relatif lebih bagus dibandingkan dengan DSSS yang biasanya menggunakan QPSK (untuk IEEE 802.11 2 Mbps) atau CCK ( IEEE 802.11b 11 Mbps).

Walaupun FHSS mempunyai jarak jangkauan dan transfer data yang lebih rendah dibandingkan dengan DSSS tetapi untuk layanan dibawah 2 Mbps FHSS dapat memberikan solusi cost-efektif yang lebih baik.

35 BAB IV

PERANCANGAN ANTENA HELIX SECARA SIMULASI UNTUK APLIKASI BLUETOOTH

4.1 Umum

Pada tugas akhir ini akan dirancang sebuah antena helix yang dapat digunakan pada sistem Bluetooth. Perancangan antena ini dilakukan dengan menggunakan simulator antena Ansoft HFSS v10.0.

Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan beberapa karakterisasi berupa diameter Helix dan jarak antar lilitan. Dengan simulator Ansoft HFSS v10.0, dapat diperoleh parameter–parameter antena yang dihasilkan berupa nilai VSWR, gain antena dan pola radiasinya.

4.2 Perancangan Dimensi Antena

Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini adalah antena Helix dengan frekuensi kerja 2,4 GHz. Untuk perancangan awal antena digunakan perhitungan sehingga antena tersebut dapat bekerja pada frekuensi 2.4 GHz. Untuk menhitung panjang gelombang dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2.2) pada bab 2.

36 Sementara untuk menghitung circumference (C) dapat dihitung dengan persamaan (2.16) pada bab 2.

Untuk jarak antar lilitan memiliki keterkaitan seperti segitiga siku-siku yang telah dijelaskan pada Gambar 2.3. Jadi dalam menentukan jarak antar lilitan, maka perlu untuk mengetahui pitch angle Helix. Maka untuk mencari besar sudutnya dapat menggunakan persamaan (2.17) pada bab 2.

Panjang antena Helix dicari dengan menggunakan pesamaan (2.19) pada bab 2.

Impedansi antena dicari dengan menggunakan persamaan (2.20) pada bab 2.

Melihat impedansi diatas, maka diperlukan jaringan penyesuai impedansi antena agar sesuai dengan impedansi transmisi (50 ohm) dengan cara memodifikasi ¼ putaran terakir.

37 4.3 Perancangan Model Antena Helix

Dalam Tugas Akhir ini, perancangan antena Helix dilakukan dengan menggunakan bantuan software Ansoft designer HFSS versi 10.0. Ada beberapa tahapan dalam perancangan, yaitu dimulai dengan perancangan inner, perancangan outer, perancangan groundplane, perancangan lilitan Helix dan perancangan strip. Adapun langkah-langkah untuk membuat model antena ini adalah :

a. Perancangan inner

Adapun langkah-langkah untuk merancang inner antena adalah : 1) Pilih menu Draw lalu pilih cylinder.

2) Tentukan radius, yaitu 1 mm. 3) Tenukan height, yaitu -23 mm.

4) Masukkan nilai center potition, yaitu 20, 0, 3 (satuan mm). 5) Klik attribute tab dan kemudian namanya diisi dengan inner.. 6) Atur material menjadi perfect conductor.

b. Perancangan outer

1) Pilih menu Draw lalu pilih cylinder. 2) Tentukan radius, yaitu 2.25 mm. 3) Tenukan height, yaitu -20 mm.

4) Masukkan nilai center potition, yaitu 20, 0, 3 (satuan mm). 5) Klik attribute tab dan kemudian namanya diisi dengan outer.

38 6) Membuat subtract dengan cara pilih menu Draw lalu pilih cylinder. Tentukan radius, yaitu 1 mm. Tenukan height, yaitu -23 mm. Masukkan nilai center potition, yaitu 20, 0, 3 (satuan mm).

7) Kemudian blok kedua gambar, klik kanan, pilih edit, pilih boolean, lalu klik subtract.

8) Atur material menjadi vacuum.

c. Perancangan Groundplane

1) Pilih item Draw lalu pilih circle.

2) Masukkan nilai center potition, yaitu 0, 0, 0 (satuan mm). 3) Tentukan radius, yaitu 80 mm.

4) Membuat subtract dengan cara pilih menu Draw lalu pilih cylinder. Tentukan radius, yaitu 2.25 mm. Tenukan height, yaitu -4 mm. Masukkan nilai center potition, yaitu 20, 0, 3 (satuan mm).

5) Kemudian blok kedua gambar, klik kanan, pilih edit, pilih boolean, lalu klik subtract.

6) Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan ground.

d. Perancangan lilitan helix

1) Pilih item Draw lalu pilih line.

2) Masukkan nilai point 1 = 0 ,-21 ,3, dan point 2 = 0 ,-19 ,3 (satuan mm).

39 4) Tentukan direction = 0, 0, 10 (satuan mm), picth (38 mm), dan

number of turn (8).

5) Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan helix.

e. Perancangan strip.

1) Pilih item Draw lalu pilih circle.

2) Tentukan center potition = 0, 0, 3 (satuan mm). 3) Tentukan radius (22.25 mm).

4) Membuat subtract dengan cara pilih menu Draw lalu pilih circle. Tentukan center potition = 0, 0, 3 (satuan mm). Tentukan radius, yaitu 17.75 mm. Pilih Draw lalu pilih rectangle. Tentukan potition = 0, -60, 3 (satuan mm). Tentukan xsize (-50 mm) dan ysize (110 mm). Pilih Draw lalu pilih rectangle. Tentukan potition = 0, 0, 3 (satuan mm). Tentukan xsize (50 mm) dan ysize (60 mm).

5) Kemudian blok ke-4 gambar, klik kanan, pilih edit, pilih boolean, lalu klik subtract.

6) Klik attribute tab dan kemudian isi namanya dengan strip.

Setelah semua langkah tersebut dilakukan maka akan dihasilkan model antena Helix seperti yang tampak pada Gambar 4.1.

40 Gambar 4.1 (a) Diameter Helix, (b) Panjang Helix, (c) Model Antena Helix

(a)

(b)

41 4.4 Simulasi Model Antena

Setelah model antena selesai dibuat langkah selanjutnya adalah menjalankan simulasinya. Hasil rancangan model akan disimulasikan dengan menggunakan simulator Ansoft HFSS v 10.0.

Untuk menjalankan simulasi ini langkah selanjutnya adalah klik menu HFSS kemudian pilih analysis setup, lalu pilih add solution setup, maka akan muncul solution setup window. Kemudian isi nilai dari solution frequency menjadi 2,4 GHz. Lalu isi nilai maximum number of phases menjadi 10. Kemudian isi nilai maximum delta S sebesar 0,02 lalu pilih OK.

Selanjutnya klik menu HFSS kemudian pilih analysis setup lalu pilih add sweep. Pilih solution setup-nya setup1 dan klik tombol OK. Kemudian edit window sweep-nya, atur sweep type menjadi fast dan diatur juga frequency setup type menjadi linear step. Kemudian atur frekuensi start sebesar 2,3 GHz, frekuensi stop: 2,6 GHz. Lalu klik tombol OK.

Setelah itu langkah selanjutnya adalah klik menu HFSS lalu pilih validation check. Tujuan dari validation check ini adalah untuk memeriksa apakah model yang kita buat sudah layak dan benar untuk dijalankan. Jika model yang kita buat telah layak dan benar untuk dijalankan maka akan muncul tanda check list berwarna hijau. Tetapi jika belum maka akan muncul tanda silang berwarna merah. Hal ini menandakan bahwa ada error pada model yang kita buat. Untuk melihat pesan error gunakan message manager yang ada di sudut kanan bawah. Ada beberapa hal yang diperiksa pada validation check ini, yaitu :

a) 3D model

42

c) Mesh Operation

d) Analysis Setup e) Optimetrics f) Radiation

Jika ada salah satu dari keenam hal ini yang tidak terpenuhi (dalam hal ini ada error) maka proses simulasi tidak dapat dilanjutkan.

Setelah melewati validation check, langkah selanjutnya adalah menganalisis model. Untuk menganalisis model ini dengan klik menu HFSS lalu pilih analyze. Proses menganalisis ini berlangsung sekitar 20 menit. Setelah proses analisis selesai maka dapat ditampilkan grafik VSWR, pola radiasi, dan gain.

Untuk menampilkan grafik VSWR, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi modal S parameter dan atur display set menjadi rectangular plot, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window traces ini atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi VSWR, atur juga quantity menjadi VSWR(lumport1), kemudian tekan add trace lalu tekan done. Maka akan muncul grafik VSWR.

Untuk menampilkan pola radiasi, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi far field dan atur display set menjadi 3D polar plot, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window traces ini atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi directivity, atur juga

43 quantity menjadi DhirTotal, kemudian tekan add trace lalu tekan done. Maka akan muncul grafik pola radiasi.

Untuk menampilkan gain, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi far field dan atur display set menjadi data table, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window traces ini atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi gain, atur juga quantity menjadi GainTotal, kemudian tekan add trace lalu tekan done. Maka akan muncul tabel gain.

Dari model yang telah dibuat dengan jumlah lilitan (N) = 3, dan jarak antar lilitan (S) = 27 mm, maka hasil simulasi yang didapat, yakni:

a) VSWR

Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan, didapatkan nilai VSWR sebesar 1,95 untuk frekuensi 2,4 GHz, 1,93 untuk frekuensi 2,45 GHz, dan 1,85 untuk frekuensi 2,5 GHz.

44 b) Gain

Dari simulasi yang telah dilakukan maka di dapat data gain seperti pada Tabel 4.1

Tabel 4.1 Tabel Data Gain yang Diperoleh Hasil Simulasi awal

No Theta (deg)

dB (Gain Total) Phi=0 deg, Freq=2,45 GHz

Setup1:Sweep1

1 0 11,002787

2 2 11,005845

3 4 10,969794

4 6 10,895165

5 8 10,782687

6 10 10,633272

7 12 10,448000

8 14 10,228101

Dari tabel data gain diperoleh dari hasil simulasi yaitu dengan nilai sebesar 11.003 dB untuk frekuensi kerja 2,45 GHz terletak pada .

Dan radiation pattern gain diperoleh yaitu seperti yang terlihat oleh Gambar 4.3.

45 c) Pola radiasi

Dari simulasi yang dilakukan maka diperoleh pola radiasi seperti yang tampak pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Pola radiasi hasil simulasi awal

4.5 Mengubah-ubah nilai jarak antar lilitan (pitch angle)

Simulasi yang pertama dilakukan untuk jarak antar lilitan sebesar 27 mm. Jika hasil dari simulasi untuk jarak antar lilitan sebesar 27 mm telah didapatkan, maka lakukan lagi simulasi untuk jarak antar lilitan sebesar 28 mm sampai 38 mm dengan kelipatan 1 mm. Kemudian didapat hasil yang paling baik dan sesuai dengan acuan yaitu VSWR ≤ 2.

Untuk data hasil simulasi dengan perubahan jarak antar lilitan dapat dilihat pada Tabel 4.2 dengan perolehan nilai VSWR pada frekuensi 2,4 GHz, 2,45 GHz, dan 2,5 GHz.

Tabel 4.2 Karakteristik perubahan jarak antar lilitan JARAK ANTAR

LILITAN (mm)

VSWR

Pada 2,4 GHz Pada 2,45 GHz Pada 2,5 GHz

27 1,95 1,93 1,85

28 2,19 2,13 2,02

29 1,90 1,82 1,71

46 Tabel 4.2 Lanjutan

31 1,72 1,64 1,54

32 167 159 150

33 1,55 1,47 1,40

34 1,63 1,56 1,50

35 1,57 1,50 1,47

36 1,56 1,51 1,49

37 1,51 1,48 1,50

38 1,4 1,37 1,4

39 1,33 1,35 1,41

40 1,29 1,39 1,47

41 1,36 1,42 1,50

42 1,4 1,48 1,55

43 1,53 1,59 1,64

Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan maka dapat dilihat bahwa nilai yang diinginkan berada pada saat jarak antar lilitan sebesar 38 mm, maka didapatkan hasil simulasi yang memenuhi nilai VSWR ≤ 2 sebagai berikut :

a) VSWR

Gambar 4.5 menunjukkan grafik VSWR hasil simulasi yang memenuhi (VSWR ≤ 2), dengan nilai VSWR sebesar 1,4 untuk frekuensi 2,4 GHz, 1,37 untuk frekuensi 2,45 GHz, dan 1,4 untuk frekuensi 2,5 GHz.

47 b) Gain

Dari simulasi yang telah dilakukan maka di dapat data gain seperti pada Tabel 4.3

No Theta (deg)

dB (Gain Total) Phi=0 deg, Freq=2,45 GHz

Setup1:Sweep1

1 0 10,501387

2 2 10,482480

3 4 10,420447

4 6 10,316034

5 8 10,170185

6 10 9,984055

7 12 9,759026

8 14 9,496716

Tabel 4.3 Tabel Data Gain yang Diperoleh Hasil Simulasi

Dari tabel data gain diperoleh dari hasil simulasi yaitu dengan nilai sebesar 10.5 dB untuk frekuensi kerja 2,45 GHz terletak pada .

Dan radiation pattern gain diperoleh yaitu seperti yang terlihat oleh Gambar 4.6.

48 c) Pola radiasi

Dari simulasi yang dilakukan maka diperoleh pola radiasi seperti yang tampak pada Gambar 4.7.

Gambar 4.7 Pola radiasi hasil simulasi

Beamwidth dari antena Helix dapat dihitung dengan persamaan 2.19 sebagai berikut:

49 BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan simulasi yang dilakukan, maka didapat beberapa kesimpulan, yakni:

1. Dari hasil perancangan yang memenuhi standar (VSWR ≤ 2) diperoleh VSWR untuk frekuensi 2,4 GHz sebesar 1,4 dan untuk frekuensi 2,5GHz sebesar 1,4 dengan Bandwidth sebesar 100 MHz.

2. Lebar berkas setengah daya (Half Power Beamwidth) dari antena helix adalah

3. Dari hasil perancangan diperoleh gain sebesar 10,55 dB terletak pada . 4. Pola radiasi spesifik ke suatu arah.

5. Terdapat back loop pada pola radiasi.

5.2 Saran

Berdasarkan hasil simulasi yang didapat, ada beberapa saran yang dapat diberikan, yakni:

1. Antena helix baik digunakan pada komunikasi antar titik.

2. Sebelum membuat model antena helix harus diperhatikan beberapa parameter yang sangat berpengaruh terhadap kinerja antena seperti jarak antar lilitan, diameter helix, dan jumlah lilitan.

50 DAFTAR PUSTAKA

[1] Balanis, Constantine A, 2005, Antena Theory Analysis and Design, third edition, Willey inc, hal. 1 – 84.

[2] Kraus, John Daniel, 1988, Antennas, third edition, McGraw Hill, hal. 271 – 294

[3] Kammer, David, 2002, Bluetooth,Syngress Publishing Inc.

[4]

45 c) Pola radiasi

Dari simulasi yang dilakukan maka diperoleh pola radiasi seperti yang tampak pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Pola radiasi hasil simulasi awal

4.5 Mengubah-ubah nilai jarak antar lilitan (pitch angle)

Simulasi yang pertama dilakukan untuk jarak antar lilitan sebesar 27 mm. Jika hasil dari simulasi untuk jarak antar lilitan sebesar 27 mm telah didapatkan, maka lakukan lagi simulasi untuk jarak antar lilitan sebesar 28 mm sampai 38 mm dengan kelipatan 1 mm. Kemudian didapat hasil yang paling baik dan sesuai dengan acuan yaitu VSWR ≤ 2.

Untuk data hasil simulasi dengan perubahan jarak antar lilitan dapat dilihat pada Tabel 4.2 dengan perolehan nilai VSWR pada frekuensi 2,4 GHz, 2,45 GHz, dan 2,5 GHz.

Tabel 4.2 Karakteristik perubahan jarak antar lilitan JARAK ANTAR

LILITAN (mm)

VSWR

Pada 2,4 GHz Pada 2,45 GHz Pada 2,5 GHz

27 1,95 1,93 1,85

28 2,19 2,13 2,02

29 1,90 1,82 1,71

46 Tabel 4.2 Lanjutan

31 1,72 1,64 1,54

32 167 159 150

33 1,55 1,47 1,40

34 1,63 1,56 1,50

35 1,57 1,50 1,47

36 1,56 1,51 1,49

37 1,51 1,48 1,50

38 1,4 1,37 1,4

39 1,33 1,35 1,41

40 1,29 1,39 1,47

41 1,36 1,42 1,50

42 1,4 1,48 1,55

43 1,53 1,59 1,64

Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan maka dapat dilihat bahwa nilai yang diinginkan berada pada saat jarak antar lilitan sebesar 38 mm, maka didapatkan hasil simulasi yang memenuhi nilai VSWR ≤ 2 sebagai berikut :

a) VSWR

Gambar 4.5 menunjukkan grafik VSWR hasil simulasi yang memenuhi (VSWR ≤ 2), dengan nilai VSWR sebesar 1,4 untuk frekuensi 2,4 GHz, 1,37 untuk frekuensi 2,45 GHz, dan 1,4 untuk frekuensi 2,5 GHz.

47 b) Gain

Dari simulasi yang telah dilakukan maka di dapat data gain seperti pada Tabel 4.3

No Theta (deg)

dB (Gain Total) Phi=0 deg, Freq=2,45 GHz

Setup1:Sweep1

1 0 10,501387

2 2 10,482480

3 4 10,420447

4 6 10,316034

5 8 10,170185

6 10 9,984055

7 12 9,759026

8 14 9,496716

Tabel 4.3 Tabel Data Gain yang Diperoleh Hasil Simulasi

Dari tabel data gain diperoleh dari hasil simulasi yaitu dengan nilai sebesar 10.5 dB untuk frekuensi kerja 2,45 GHz terletak pada .

Dan radiation pattern gain diperoleh yaitu seperti yang terlihat oleh Gambar 4.6.

48 c) Pola radiasi

Dari simulasi yang dilakukan maka diperoleh pola radiasi seperti yang tampak pada Gambar 4.7.

Gambar 4.7 Pola radiasi hasil simulasi

Beamwidth dari antena Helix dapat dihitung dengan persamaan 2.19

49 BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan simulasi yang dilakukan, maka didapat beberapa kesimpulan, yakni:

1. Dari hasil perancangan yang memenuhi standar (VSWR ≤ 2) diperoleh VSWR untuk frekuensi 2,4 GHz sebesar 1,4 dan untuk frekuensi 2,5GHz sebesar 1,4 dengan Bandwidth sebesar 100 MHz.

2. Lebar berkas setengah daya (Half Power Beamwidth) dari antena helix adalah

3. Dari hasil perancangan diperoleh gain sebesar 10,55 dB terletak pada . 4. Pola radiasi spesifik ke suatu arah.

5. Terdapat back loop pada pola radiasi.

5.2 Saran

Berdasarkan hasil simulasi yang didapat, ada beberapa saran yang dapat diberikan, yakni:

1. Antena helix baik digunakan pada komunikasi antar titik.

2. Sebelum membuat model antena helix harus diperhatikan beberapa parameter yang sangat berpengaruh terhadap kinerja antena seperti jarak antar lilitan, diameter helix, dan jumlah lilitan.

50 DAFTAR PUSTAKA

[1] Balanis, Constantine A, 2005, Antena Theory Analysis and Design, third edition, Willey inc, hal. 1 – 84.

[2] Kraus, John Daniel, 1988, Antennas, third edition, McGraw Hill, hal. 271 – 294

[3] Kammer, David, 2002, Bluetooth,Syngress Publishing Inc.

[4]