dimana: Z
in
= impedansi masukan R
in
= tahanan terminal antena X
in
= reaktansi masukan Dari persamaan Z
in
di atas, komponen yang diharapkan adalah daya real R
in
yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui panas atau radiasi. Komponen imajiner X
in
mewakili reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan pada medan dekat antena. Adapun Z
in
untuk antena mikrostrip patch rectangular untuk nilai VSWR
≤ 2 dapat dirumuskan sebagai [1]:
�
��
= 90
�
� 2
�
�
−1
�
� �
�
2
Ohm 2.13
2.3 Lokasi Titik Pencatu
Teknik pencatuan pada antena mikrostrip dapat dilakukan dengan beberapa metode. Metode-metode yang dapat digunakan di bagi dalam dua
kategori, yaitu terhubung contacting dan tidak terhubung non-contacting. Untuk metode terhubung, daya RF dicatukan secara langsung ke patch radiator
dengan menggunakan elemen penghubung[5]. Untuk metode tidak terhubung, dilakukan pengkopelan medan elektromagnetik untukk menyalurkan daya di
antena saluran mikrostrip dengan patch. Beberapa teknik pencatu yang sering dugunakan, yaitu : teknik microstrip line, coaxial probe, aperature coupling dan
proximity coupling [4].
2.4 Teknik Array
Antena mikrostrip memiliki beberapa kelebihan, namun juga memiliki kelemahan yang sangat mendasar, yaitu bandwidth yang sempit keterbatasan gain
dan daya yang rendah. Hal ini dapat diatasi dengan menambah patch secara array. Antena array merupakan gabungan dari beberap eleman peradiasi yang
membentuk suatu jaringn. Antenamikrostrip array dapat berbentuk seri, pararel atau gabungan keduanya. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara
array adalah bagian patch[5 ].
Pada antenna array terdapat array factor yang merupakan factor pengali medan elektrik dari elemen tunggal. Array factor inilah yang menentukan
bagaimana bagaimana pola radiasi dan seberapa besar daya yang di radiasikan oleh antena tersebut. Antena array yang terdiri dari elemen dan magnitude yang
identik serta setiap elemen memiliki fasa progresif yang disebut uniform array. Untuk menghasilkan pola radiasi yang mengarah pada sudut tertentu pada
berkas aksimumnya dan nilai null pada berkas minimumnya diperlukan pengaturan jarak dan beda fasa eksitasi pada masing-masing element antena
array. Pengaturan jarak antar elemen dilakukan dengan cara mengeser elemen- elemen pada antena array dengan jarak pisah tertentu, sedangkan untuk
memberikan perbedaan fasa eksitasi antar elemen antena array dapat dilakukan dengan beberapa cara salah satunya dengan memberikan perbadaan ukuran dan
panjang saluran mikrostrip pada masing-masing elemen.
2.5 Antena Triple – Band
Antena triple band merupakan suatu jenis antena yang dapat bekerja secara bersamaan pada 3 range frekuensi yang berbeda tanpa memerlukan 3 buah
antena yang berbeda fisik. Kelebihan lainnya dapat mengurangi drop call dan gangguan network busy[5]. Jenis antena ini dapat menjangkau lebih jauh lagi
frekuensi gelombang elektromagnetik dibanding dengan antena single band dan dual band sehingga hubungan internasional akan semakin meningkat karena
frekuensi akan semakin mudah untuk dijangkau. Antena tiple-band merupakan solusi untuk mencakup daerah yang berbeda frekuensi jaringannya[5].
2.5.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Untuk mencari dimensi antena mikrostrip W dan L, harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan yaitu tebal dielektrik h,
konstanta dielektrik ε
r
, tebal konduktor t dan rugi – rugi bahan. Panjang antena mikrostrip harus disesuaikan, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth akan
sempit sedangkan apabila terlalu panjang bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan menjadi kecil[5]. Dengan mengatur lebar dari antena
mikrostrip W impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan
persamaan [5]: � =
� 2
� �
��+1 2
2.14
dimana : W
: lebar konduktor �
�
: konstanta dielektrik
c : kecepatan cahaya di ruang bebas 3x10
8
f
o
: frekuensi kerja antenna
Sedangkan untuk menentukan panjang patch L diperlukan parameter ΔL yang
merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L
ΔL tersebut dirumuskan dengan [8]: ∆� = 0,412ℎ
��
����
+0,3 ��
� ℎ
+0,264 �
��
����
−0,258��
� ℎ
+0,8 �
2.15 dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat, dan
�
����
adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai berikut [8]:
�
����
=
�
�
+1 2
+
�
�
−1 2
�
1 �1+12ℎ �
�
� 2.16
dengan panjang patch L dirumuskan oleh [8]: � = �
���
− 2∆� 2.17 dimana L
eff
merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan [6]: �
���
=
� 2
� ��
����
2.18
2.5.2 Antena Mikrostrip patch segiempat Array
Antena array adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Dalam antena mikrostrip yang di susun secara array adalah bagian patch. Medan total
dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal[5]. Proses perancangan antena yang dilakukan
untuk mendapatkan antena array pada dasarnya sama dengan pendesainan antena
elemen tunggal. Hal yang membedakan pada sistem array adalah peletakan masing-masing patch pada jarak tertentu yang sesuai dengan panjang gelombang
yang merambat pada bidang dielektrik[8]. Proses pendesainan ini dilakukan dengan menggunakan frekuensi 2.35 GHz, 3.35 GHz dan 5.8 GHz. Bentuk patch
antena segiempat elemen tunggal dan segiempat array dapat dilihat seperti pada Gambar 2.5 :
a b
Gambar 2.5 Struktur Antena Mikrostrip a patch segiempat elemen tunggal, b patch segiempat tiga elemen
2.6 T-Junction
T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Gambar 2.5 Menunjukkan bentuk T-
junction pada AWR 2004.
1 1
1 1
Gambar 2.6 T-junction
T-junction berfungsi untuk menggabungkan pencatu pada patch tiap-tiap frekuensi, baik dua frekuensi maupun tiga frekuensi menjadi satu pencatu yang
akan dihubungkan ke konektor[5]. Power divider adalah salah satu teknik yang dapat mendukung impedansi matching pada saluran transmisi khususnya untuk
antena mikrostrip array[5]. Untuk mendukung impedansi matching pada saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip diperlukan tekhnik power devider.
2.7 Perangkat Lunak AWR AWR Microwave 2004 adalah penggabungan dari microwave office dan
office analog yang merupakan perangkat lunak untuk mendesain dan menganalisis alat integrasi yang kuat untuk RF, microwave, millimeterwave, analog dan desain
RFIC [9]. Microwave office dan office analog digunakan untuk merancang desain sirkuit yang linear dan non-linear dan struktur EM serta menghasilkan tata letak
representasi dari hasil desain tersebut. Metode yang digunakan dalam menganalisis antena antena adalah method
of moment MoM. Metode MoM pertama kali diperkenalkan pada metode
1 1
50 Ω
50 Ω
50 Ω
50 Ω
86,6 Ω
matematika dimana ide dasarnya adalah untuk mengubah satu persamaan integral kedalam suatu persamaan matriks yang kemudian dapat diselesaikan dengan
persamaan numerik [3]. Adapun kemampuan dan aplikasi dari Microwaeve Office adalah sebagai berikut :
a. Perancangan schematiclayout. b. Simulasi rangkaian linier dan non linier.
c. Analisa EM d. Sintesis, optimasi, dan analisis hasil
e. DRCL vs skematik f.
Process designskits PDKs dari berbagai perancangan g. Microwave Integrated Circuits MIC.
h. Papan cetak perancangan RF PCB. i.
Rakitan microwave terpadu.
Dalam menggunakan simulator AWR Microwave Office 2004 diperlukan beberapa setting parameter yang bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi yang
mendekati hasil dari pengukuran secara langsung. Adapun setting simulator yang digunakan dalam menjalankan simulasi adalah sebagai berikut :
1. Melakukan setting rentang frekuensi simulasi dengan menentukan frekuensi awal dan batas frekuensi serta step frekuensi. Ini dilakukan dengan cara
memilih Option Project Option atau bisa juga dengan cara memilih langsung dari Project Option.
2. Menggunakan fitur Harmonic Balance yang merupakan salah satu fitur pada AWR Microwave Office berfungsi meningkatkan akurasi hasil simulasi yang
diinginkan. Untuk mendapatkan settingan Harmonic Balance dilakukan dengan memilih Option Default Circuit Option.
3. Dalam simulator AWR Microwave Office 2004 terdapat 3 spesifikasi mesh yang ditawarkan dalam perancangan yaitu; low, normal dan high. Spesifikasi
tersebut akan mempengaruhi keakuratan hasil simulasi yang didapatkan[9].
BAB III PERANCANGAN ANTENA
3.1 Perancangan Antena
Pada tugas akhir ini, akan dirancang antena mikrostrip untuk mendapatkan karakteristik antena yang ditentukan. Jenis antena mikrostrip yang dirancang
adalah antena mikrostrip array patch segiempat yang bekerja pada frekuensi 2,3 GHz 3,3 GHz dan 5.8 GHz. Tahapan pertama adalah perancangan antena
mikrostrip patch segiempat elemen tunggal. Yang dilakukan pada tahap ini adalah penentuan frekuensi resonansi yang diinginkan, penentuan spesifikasi substrate
yang akan digunakan, penentuan dimensi patch antena dan penentuan dimensi saluran pencatunya.
Setelah proses pada tahap pertama selesai dilakukan, dilanjut dengan tahap kedua yaitu perancangan untuk tiga buah patch antena elemen tunggal yang
disusun, sehingga menghasilkan antena mikrostrip patch array. Pada perancangan tiga buah patch yang disusun akan ditentukan jarak masing-masing patch dan
menentukan ukuran junction yang menghubungkan saluran pencatu masing- masing patch[11]. Hal ini dilakukan agar antenna dapat memenuhi spesifikasi
yang diinginkan Sesuai dengan peraturan Direktur Jendral Pos dan Telekomunikasi No. 96
tahun 2008 tentang persyaratan teknis alat dan perangkat telekomunikasi harus memiliki spesifikasi yaitu rentang frekuensi 100 MHz gain maksimum 15 dBi
impedansi sebesar 50 ohm dan nilai VSWR lebihkecil atau sama dengan dua. Adapun spesifikasi antena yang dibutuhkan dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi Antena
Parameter Frekuensi
2,3-2,4 GHz 3,3-3,4 GHz
5,7-5,8 GHz
VSWR ≤ 2
≤ 2 ≤ 2
Bandwidth 100 MHz
100 MHz 100 MHz
Gain Maksimum 15 dBi
- -
Impedansi 50 Ω
50 Ω 50 Ω
Pola radiasi Unidirectional
omnidirectional -
-
3.2 Perangkat yang Digunakan
Perancangan antena menggunakan perangkat lunak dalam melakukan simulasi. Adapun perangkat lunak yang digunakan adalah AWR Microwave office
2004, perangkat ini digunakan merancang dan mensimulasikan antena yang dibuat. TXLine 2003 digunakan untuk menentukan impedansi karakteristik dan
lebar saluran dari saluran mikrostrip, Microsoft Visio digunakan untuk membantu memvisualisasikan diagram alir dan beberapa visualisasi yang digunakan dalam
tugas akhir ini serta Microsoft excel untuk mengolah data hasil simulasi. Perangkat lainnya yang digunakan antara lain
1. Laptop untuk melakukan simulasi antena 2. FR4-Epoxy untuk substrat antena
3. Solder dan timah
4. VNA master Spectrum Analyzer Anritsu MS2034B 9kHz – 4Ghz. Untuk
pengukuran VSWR, Return Loss, dan pola radiasi.
5. Konektor SMA 50 ohm dan kabel Coaxial 50 ohm.
3.3 Diagram Alir Perancangan Antena
Dalam merancang antena diperlukan tahapan-tahapan untuk membantu dalam proses perancangan. Gambar 3.1 merupakan diagram alir dari perancangan
antena.
Mulai
Jenis Substrat : FR4-Epoxy ε
r
= 4.4 tan
δ = 0.02 h = 1.6 mm
Return Loss ≤ -10 dB dan VSWR ≤ 2 untuk kedua
frekuensi dengan bandwidth ≥ 100 MHz
Fabrikasi Antena Karakterisasi antena
Melakukan simulasi dengan program simulator termasuk melakukan pengaturan besar dan jarak
untuk menciptakan frekuensi ganda pada antena Menghitung panjang dan lebar antena
untuk frekuensi 2.3 Ghz 3,3 GHz dan 5,8 GHz
Menentukan lebar saluran pencatu
Menentukan frekuensi kerja yang diinginkan
Ya Tidak
Pengukuran Antena Optimalisasi antena
Sudah sesuai dengan karakteristik
Selesai Ya
Tidak
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Antena Triple Band