22
BAB III PERANCANGAN SALURAN PENCATU UNTUK ANTENA
MIKROSTRIP ARRAY ELEMEN 2X2
3.1 Umum
Pada Tugas Akhir ini akan dirancang beberapa konfigurasi saluran pencatu dengan pencatuan aperture coupled untuk antena mikrostrip array
elemen 2x2 bekerja pada frekuensi 2.45 GHz 2.4-2.5 GHz yang merupakan salah satu frekuensi kerja WLAN. Dari beberapa konfigurasi yang dirancang
akan dipilih konfigurasi yang memiliki nilai gain dan VSWR yang terbaik dari sistem pencatuan.
Sebelum merancang antena mikrostrip array elemen 2x2, tentukan terlebih dahulu antena mikrostrip elemen tunggal. Proses tersebut bertujuan agar
dalam merancang antena mikrostrip array elemen 2x2 tidak ada diantara tiap-tiap konfigurasi yang memiliki dimensi patch yang berbeda-beda.
Jenis antena mikrostrip elemen tunggal yang dirancanng adalah antena dengan patch berbentuk segiempat dengan teknik pencatuan aperture-coupled.
Pada proses ini kegiatan yang dilakukan adalah menentukan spesifikasi jenis substrat yang digunakan, dimensi patch antena, slot pada bidang pertanahan, dan
dimensi saluran pencatunya. Jika dari proses tersebut didapatkan hasil yang baik, maka data dari proses tersebut dapat dijadikan acuan dalam merancang antena
mikrostrip array elemen 2x2.
Universitas Sumatera Utara
23
3.2 Perancangan
Patch Segiempat Elemen Tunggal
Tahapan perancangan antena pertama kali adalah menentukan karakteristik antena yang diinginkan. Salah satu karakteristik antena yang
dimaksud adalah frekuensi kerja antena. Pada rancangan antena ini, diinginkan antena dapat bekerja pada frekuensi 2.45 GHz yang merupakan titik tengah dari
salah satu kerja frekuensi WLAN 2.4-2.5 GHz.
3.2.1 Diagram Alir Perancangan Element Tunggal
Proses tahapan perancangan antena mikrostrip elemen tunggal digambarkan dalam diagram alir seperti pada Gambar 3.1. Diagram alir
menjelaskan bagaimana proses mendapatkan hasil perancangan yang paling optimal yaitu memiliki nilai VSWR ≤ 2.
Sebelum proses simulasi dilakukan, terlebih dahulu menentukan parameter-parameter antena yang akan digunakan yaitu jenis substrat, dimensi
patch, lebar saluran pencatu, dan dimensi slot aperture. Proses simulasi memungkinkan untuk melakukan modifikasi beberapa
parameter yang telah ditentukan untuk mendapatkan hasil yang paling optimal. Diantaranya adalah memodifikasi dimensi patch dan panjang saluran pencatu
antena.
Universitas Sumatera Utara
24
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Elemen Tunggal
Universitas Sumatera Utara
25
3.2.2 Penentuan Jenis Substrat dan Perhitungan Dimensi Patch Antena
Setiap substrat memiliki parameter yang berbeda-beda. Oleh karena itu perlu ditentukan terlebih dahulu jenis substrat yang digunakan sebagai antena
mikrostrip. Jenis substrat yang digunakan dalam perancangan ini adalah FR-4 evoksi. Jenis substrat ini dipilih selain harganya yang terjangkau, substrat jenis
ini juga banyak diproduksi dan memiliki kualitas yang cukup baik. Adapun parameter substrat ini dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi parameter yang digunakan
Frekuensi Kerja 2,45 GHz
Jenis Substrat FR4 evoksi
Konstanta Dielektrik Relatif
ε
r
4,4 Dielectric Loss Tangen tan δ
0,02 Ketebalan Substrat h
1,6 mm
Dari parameter yang terdapat pada Tabel 3.1 dapat ditentukan dimensi patch antena yang akan dirancang. Perhitungan antena mikrostrip dengan patch
berbentuk persegi panjang seperti yang dijelaskan di dalam Bab 2 yaitu pada Persamaan 2.1 hingga Persamaan 2.5. Dari hasil perhitungan dan iterasi
diperoleh dimensi patch dengan panjang L
P
dan lebar W
P
masing-masing adalah 32 mm dan 37mm.
Universitas Sumatera Utara
26
3.2.3 Perhitungan Lebar Saluran Pencatu dan Perancangan
Slot Aperture
Saluran pencatu yang digunakan dalam perancangan sebaiknya mempunyai atau mendekati impedansi masukan sebesar 50Ω . Untuk
mendapatkan nilai impedansi yang diharapkan dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan Persamaan 2.15 dan 2.16.
B
=
=
. .
= 5.64 Ω
W = 1
2 1 +
1 + 0.39
.
=
. .
5.64 1
ln2 5.64 1 +
. .
5.64 1 + 0.39
. .
= 1.02 { 4.64
ln10.28 + 0.386[ln4.64 + 0.39 0.14]}
= 1.02 [ 2.31 + 0.3861.78]
= 3.05 mm = 3 mm
Dengan demikian lebar saluran pencatu dengan impedansi masukan 50Ω adalah 3 mm. Nilai lebar saluran pencatu dibulatkan dengan tujuan untuk
memepermudah perancangan antena. Sedangkan untuk panjang saluran pencatu bisa didapatkan dengan cara iterasi dengan tujuan agar mendapatkan hasil yang
optimal.
Universitas Sumatera Utara
27
Pencatuan dengan menggunakan aperture coupled memiliki beberpa parameter yang dapat mempengaruhi pengkopelan dari saluran pencatu ke patch
diantaranya bentuk slot, ukuran slot, dan lokasi penempatannya. Pada perancangan ini slot aperture yang digunakan berbentuk persegi
panjang yang diletakkan tepat di bawah patch. Untuk menghitung dimensi dari slot dapat menggunakan Persamaan 2.12 dan 2.13.
Dari Persamaan 2.12, diperoleh : L
a
= 0.2 λ
o
= 0.2
.
= 24.5 mm Perhitungan lebar slot dapat menggunakan Persamaan 2.13 sebagai berikut :
W
a
= 0.1 L
a
= 0.1 24.5 = 2.45 mm
Dari hasil perhitungan didapatkan masing – masing panjang dan lebar slot aperture adalah 24.5 mm dan 2.45 mm. Akan tetapi nilai tersebut dapat
dibulatkan menjadi masing – masing mempunyai panjang dan lebar sebesar 25 mm dan 3 mm. Hal ini dilakukan agar mempermudah perancangan antena dan
disesuaikan dengan grid yang ada di software.
Universitas Sumatera Utara
28
Universitas Sumatera Utara
29
Universitas Sumatera Utara
30
3.3 Perancangan Konfigurasi Saluran Pencatu Antena Mikrostrip
Array Elemen 2x2
Perancangan ini akan menggunakan data-data yang telah diperoleh dari perancangan antena mikrostrip element tunggal. Data tersebut antara lain : jenis
substrat yang digunakan, dimensi patch antena, dan dimensi slot aperture coupled.
Pada proses perencanaan ini terdapat 4 patch yang memiliki data yang sama disusun secara planar 2x2. Sebelum merancang konfigurasi saluran
pencatu, tentukan dahulu jarak antar elemen patch terdekat. Untuk mengurangi besar VSWR, jarak antar elemen dapat diatur dengan
range antara λ
g
2 - λ
g
. Jarak tersebut diukur dari titik tengah antara satu patch dengan patch lain yang terdekat. Akan tetapi jarak tersebut dapat diubah-ubah
untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Gambar 3.4 menunjukkan tampilan antena mikrostrip array elemen 2x2 dengan jarak yang sesuai dengan teori.
Universitas Sumatera Utara
31
Gambar 3.4 Antena Mikrostrip Array Elemen 2x2 dengan Jarak yang Sesuai
dengan Teori Untuk sistem pencatu antena mikrostrip array elemen 2x2 terdapat
beberapa jenis konfigurasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5.
Universitas Sumatera Utara
32
Gambar 3.5 Beberapa Konfigurasi Saluran Pencatu Antena Mikrostrip
Array Elemen 2x2
3.3.1 Perancangan Konfigurasi-1
Proses perancangan ini menggunakan data-data yang sudah ditentukan pada sub bab sebelumnya. Adapun bentuk Konfigurasi-1 saluran pencatu yang
akan dirancang seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Konfigurasi-1 Saluran Pencatu Mikrostrip yang Akan Dirancang
Universitas Sumatera Utara
33
Saluran pencatu yang digunakan dalam perancangan mempunyai impedansi masukan sebesar 50Ω . Lebar saluran pencatu ini sama seperti yang
diperoleh pada bagian 3.2.3 yaitu sebesar 3 mm. Sedangkan untuk panjangnya dapat berubah – ubah sesuai dengan jarak antar elemen patch yang bertujuan
untuk mendapatkan hasil yang optimal. Pada perancangan ini setelah mendapatkan impedansi masukan sebesar
50Ω digunakan T-junction yang memiliki impedensi sebesar 70.7Ω . Hal ini disebabkan terdapat 2 titik percabangan impedansi. Hal ini sesuai dengan metode
Wilkinson pada sub bab 2.9 dimana nilai impedensi Z dapat diperoleh dari Persamaan 2.14.
Z = Zo = 50
2
= 70.7 Ω Lebar saluran pencatu mikrostrip
70.7Ω dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.15 dan 2.16.
B
=
=
. .
.
= 3.99 Ω
Universitas Sumatera Utara
34
1 2
1 + 1 + 0.39
.
. .
3.99 1
ln2 3.99 1 +
. .
3.99 1 + 0.39
. .
{2.99 ln6.98 + 0.386[ln2.99 + 0.39
0.14]} [2.99
1.94 + 0.3861.345]
Universitas Sumatera Utara
35
Gambar 3.8 T-Junction yang Memiliki Impedansi Sebesar 70.7Ω
Untuk saluran pencatu mikrostrip 50 Ω yang lain, lebar saluran pencatu
tersebut memiliki lebar yang sama seperti yang diperoleh pada bagian 3.2.3 yaitu sebesar 3 mm. Sedangkan panjang salurannya dapat berubah-ubah sesuai dengan
jarak antar elemen patch yang dirancang.
3.3.2 Perancangan Konfigurasi-2
Pada proses perancangan Konfigurasi-2 saluran pencatu ini, data-data yang digunakan telah diperoleh pada sub bab sebelumnya. Adapun bentuk
Konfigurasi-2 saluran pencatu yang akan dirancang seperti yang tampak pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Konfigurasi-2 Saluran Pencatu yang Akan Dirancang
Universitas Sumatera Utara
36
Proses perancangan Konfigurasi-2 ini menggunakan impedansi masukkan sebesar 50Ω . Lebar saluran pencatunya sama dengan yang diperoleh pada bagian
3.2.3 yaitu sebesar 3 mm dan panjang saluran pencatunya dapat berubah-ubah sesuai dengan jarak antar elemen patch yang dirancang.
Pada perancangan ini setelah mendapat impedansi masukan sebesar 50Ω terdapat 2 T-Junction yang digunakan. Sesuai dengan metoda Wilkinson pada
bagian 2.9, oleh karena terdapat 3 titik percabangan impedansi maka T-Junction I pertama dapat diperoleh nilai impedansinya sesuai dengan Persamaan 2.14.
Z = Z
o
= 50 3
= 86.60 Ω Lebar saluran impedansi 86.60 Ω dapat diperoleh dengan menggunakan
Persamaan 2.15 dan 2.17.
B
=
=
. .
.
= 3.26 Ω
Universitas Sumatera Utara
37
W = 1
2 1 +
1 + 0.39
.
=
. .
3.26 1
ln2 3.26 1 +
. .
3.26 1 + 0.39
. .
= 1.02 { 2.66
ln5.52 + 0.386[ln2.26 + 0.39 0.14]}
= 1.02 2.66
1.71 + 0.41 = 0.979 mm
= 1 mm Untuk mendapatkan panjang saluran impedansi 86.6 Ω dapat menggunakan
TXLine 2003 seperti pada Gambar 3.8. Dengan memasukkan data-data yang
sudah ditentukan maka diperoleh panjang saluran impedansi 86.6 Ω sebesar 17mm.
Gambar 3.10
T-Junction impedansi 86.60 Ω
Universitas Sumatera Utara
38
Untuk T-Junction II kedua karena terdapat dua titik percabangan maka nilai impedansi Z yang diperoleh adalah 70.7 Ω . Panjang dan lebar impedansi ini
sama seperti yang diperoleh pada bagian 3.3.1 yaitu masing-masing sebesar 17 dan 1.6 mm. Untuk saluran impedansi 50 Ω mempunyai lebar sebesar 3 mm
sedangkan panjang saluran dapat berubah-ubah sesuai dengan jarak elemen patch yang dirancang.
3.3.3 Perancangan Konfigurasi-3
Proses perancangan
Konfigurasi-3 saluran
pencatu mikrostrip
menggunakan data yang telah diperoleh sebelumnya. Adapun bentuk konfigurasi saluran pencatu yang akan dirancang seperti yang tampak pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11 Konfigurasi-3 Saluran Pencatu yang Akan Dirancang
Universitas Sumatera Utara
39
Perancangan Konfigurasi-3 saluran pencatu mikrostrip ini menggunakan impedansi masukan 50 Ω . Lebar saluran impedansi adalah 3 mm dan panjang
saalurannya dapat berubah-ubah sesuai dengan jarak antar elemen patch yang dirancang.
Setelah mendapat impedansi masukan 50 Ω digunakan T-Junction sebesar 35.35 Ω sesuai dengan teori yang ada di bagian 2.10. Lebar saluran pencatu
35.35 Ω dapat diperoleh dari Persamaan 2.15 dan 2.17.
B
=
=
. .
.
= 7.98 Ω
W = 1
2 1 +
1 + 0.39
.
=
. .
7.98 1
ln2 7.98 1 +
. .
7.98 1 + 0.39
. .
= 1.02 { 6.98
ln14.96 + 0.386[ln6.98 + 0.39 0.14]}
= 1.02 6.98
2.075 + 0.845
= 5.2 mm = 5 mm
Sedangkan untuk mendapatkan panjang saluran impedansi 35.35 Ω dapat menggunakan TXLine seperti yang tampak pada Gambar 3.8. Dengan
Universitas Sumatera Utara
40
memasukkan data-data yang telah ditentukan sebelumnya, maka diperoleh panjang saluran impedansi ini sebesar 16 mm.
Gambar 3.12 T-Junction Impedansi 35.35 Ω
Untuk T-Junction impedansi 70.7 Ω panjang dan lebar saluran pencatunya adalah masing-masing 1.6 mm dan 17 mm sama seperti yang digunakan pada
bagian 3.3.1. Sedangkan untuk lebar saluran impedansi 50 Ω adalah 3 mm dan panjangnya dapat berubah-ubah sesuai dengan jarak antar elemen patch yang
dirancang.
3.3.4 Perancangan Konfigurasi-4
Pada perancangan ini bentuk konfigurasi saluran pencatu hampir sama dengan bentuk Konfigurasi-1. Akan tetapi pada rancangan ini arah aliran saluran
pencatunya searah tidak seperti pada Konfigurasi-1 yang dimana arah aliran saluran pencatunya berhadapan berlawanan.
Saluran impedansi masukkan 50 Ω sedikit dibuat berbeda dengan tujuan agar tidak terjadi tabrakan antara saluran impedansi masukkan 50 Ω dengan
saluran impedansi 50 Ω yang berada di patch.
Universitas Sumatera Utara
41
Untuk lebar dan panjang T-Junction sama dengan yang telah diperoleh pada bagian 3.3.1 yaitu masing-masing sebesar 1.6 mm dan 17 mm. Sedangkan
untuk lebar pada saluran impedansi 50 Ω adalah 3 mm dan panjang salurannya dapat berubah-ubah sesuai dengan jarak patch yang dirancang. Adapun bentuk
konfigurasi saluran pencatu mikrostrip yang akan dirancang seperti yang tampak pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13 Konfigurasi-4 saluran Pencatu yang Akan Dirancang
3.4 Spesifikasi Komputer Untuk Melakukan Simulasi
Simulasi Antena mikrostrip array elemen 2x2 menggunakan simulator AWR Microwave Office 2004. Dalam menggunakan simulator ini diperlukan
perangkat komputer untuk menjalankan aplikasi simulator tersebut. Adapun spesifikasi komputer yang digunakan untuk menjalankan simulasi adalah sebagai
berikut :
Universitas Sumatera Utara
42
1. Prosesor Intel®CoreTM i3-2350M CPU 2.30GHz 4CPUs, ~2.3GHz 2. Kapasitas RAM 2 GB.
3. Harddisk 480 GB. 4. Sistem operasi Windows 7 Ultimate 32-bit 6.1, Build 7600
3.5 Perangkat Lunak
AWR Microwave Office
Microwave Office merupakan solusi perangkat lunak yang paling
komprehensif dalam merancang berbagai jenis rangkaian microwave dan RF. Microwave office terkenal karena memiliki user interface yang intutitif. Keunikan
dari arsitekturnya membuat perangakat ini dapat berintegrasi dengan produk AWR yamg lain, perangkat-perangkat terbaru, perangkat lunak dengan aplikasi
khusus dari perusahaan mitra dengan tujuan untuk memudahkan dan mempercepat dalam menyelesaikan rancangan-rancangan pada frekuensi tinggi.
Adapun kemampuan dan aplikasi dari Microwaeve Office adalah sebagai berikut : Kemampuan :
• Perancangan schematiclayout.
• Simulasi rangkaian linier dan non linier.
• Analisa EM
• Sintesis, optimasi, dan analisis hasil
• DRCL vs skematik
• Process designs kits PDKs dari berbagai perancangan
Aplikasi : •
Microwave Integrated Circuits MIC. •
Papan cetak perancangan RF PCB. •
Rakitan microwave terpadu.
Universitas Sumatera Utara
43
3.6 Proses Pencarian Solusi Simulator
Kategori