Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Rancang Bangun Antena Mikrostrip 2,4 GHz untuk Aplikasi Wireless Fidelity (Wifi)

Rancang Bangun Antena Mikrostrip 2,4 GHz untuk
Aplikasi Wireless Fidelity (Wifi)

Oleh
Daniel Pebrianto
NIM: 612010006

Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh
Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana
Salatiga

Juli 2015

i

ii

INTISARI

Pada sistem komunikasi nirkabel, antena berfungsi memancarkan gelombang
elektromagnetik ke udara pada sisi pengirim dan menerima gelombang elektromagnetik
pada sisi penerima. Salah satu komunikasi nirkabel adalah Wireless Local Area Network
(WLAN). Wifi adalah salah satu teknologi WLAN yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz.
Untuk mendukung teknologi wifi diperlukan antena yang berukuran kecil dan mudah
diintegrasikan dengan peralatan lain tetapi dengan biaya yang murah, untuk itu antena
mikrostrip menjadi kandidat utamanya.
Pada skripsi ini dirancang antena mikrostrip patch persegi panjang yang bekerja
pada frekuensi 2,4 GHz (2,4 GHz – 2,49 GHz) dengan VSWR ≤ 2 dan mempunyai gain
minimal 3 dB. Untuk meningkatkan gain antena dilakukan perancangan antena susun,
yaitu antena array dua elemen. Simulasi antena menggunakan software Anshoft High
Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1.
Dari hasil pengukuran antena yang telah dirancang, antena mikrostrip elemen
tunggal mampu bekerja pada rentang frekuensi 2,4 GHz – 2,5 GHz dengan VSWR ≤ 2
dan mempunyai gain 3,9 dB. Sedangkan hasil pengukuran antena mikrostrip array dua
elemen mampu bekerja pada rentang frekuensi 2,35 GHz – 2,5 GHz dengan VSWR ≤
1,5 dan mempunyai gain 6,67 dB.

i

ABSTRACT

On the wireless communication system, antenna has function emitting
electromagnetic wave to the air as the transmitter function, and receiving
electromagnetic wave as the receiver function. One of wireless communication is
Wireless Local Area Network (WLAN). Wifi is one of WLAN technology which work
at the frequency of 2,4 GHz. To support wifi technology, antenna which has small size
and easily be integrated with other device but with low cost is required. Therefore,
antenna microstrip is become the main candidate.
In this final project, the rectangular patch microstrip antenna which work at the
frequency of 2.4 GHz (2,4 GHz – 2,49 GHz) with VSWR ≤ 2 and minimal gain 3 dB
have been designed and fabricated. To increase the antennas gain, array antenna which
has two rectangular patch elements microstrip array antenna is designed. Antenna
simulation use Anshoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1
software.
The result of fabricated antenna measurement shows that, the single patch
microstrip antenna is capable of working at frequency range of 2,4 GHz – 2,5 GHz with
the VSWR ≤ 2 and gain 3.9 dB, while two elements rectangular patch array microstrip

antenna is capable of working at frequency range of 2,35 GHz – 2,5 GHz with the
VSWR ≤ 1,5 and gain of 6,67 dB.

ii

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang selalu
menyertai, membimbing dan melimpahkan berkat-Nya kepada penulis selama
menempuh pendidikan sampai sekarang, sehingga penulis dapat menyelesaikan
perancangan serta penulisan tugas akhir sebagai syarat kelulusan di Fakultas Teknik
Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana.
Pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada
berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam
menyelesaikan skripsi ini :
1. Orang tua dan keluarga penulis yang selalu mendukung dan mendoakan
penulis dalam segala hal.
2. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang sudah memberikan
waktunya untuk memberi bimbingan, kritik dan saran kepada penulis selama
mengerjakan skripsi ini.
3. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing II, terima kasih atas kerja

sama, bimbingan dan saran-saran yang telah diberikan kepada penulis.
4. Ariza Chrisananda, Bapak Yuyu Wahyu dan Bapak Hendrawan yang telah
membantu dalam proses pengukuran antena di Puslit PPET-LIPI Bandung.
5. Sahabat terkasih, Widita Retno Prayogung yang mendampingi dan
memberikan perhatian sehingga penulis dapat mengerjakan skripsi ini dengan
baik.
6. Keluarga besar Kontrakan Jambewangi, KBM Sepak Bola, Cafe Rindang dan
Brandals yang telah menemani penulis bersenang-senang selama berkuliah.
7. Keluarga besar 2010 (Jamet, Jambrong, Roma, Wedha, Bintang, Adit, Kana,
Yudha, Rizal, Grace, Ganteng, Bandot) serta Ruth dan Sekar sebagai “Teman
Seperjuangan Telkom” yang selalu memberi dukungan kepada penulis.
8. Kakak angkatan dan adik angkatan, Demas ’08, Tiras ’11 yang telah
memberikan bantuan serta pinjaman buku selama penulis berkuliah.
9. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK yang memfasilitasi penulis
selama belajar di FTEK UKSW.
10. Berbagai pihak yang tidak dapat dituliskan satu persatu, penulis mengucapkan
terimakasih.
iii

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena

itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga
skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik telekomunikasi.

Salatiga, Juli 2015

Penulis

iv

DAFTAR ISI
INTISARI ..................................................................................................................... i
ABSTRACT ................................................................................................................. ii
KATA PENGANTAR ................................................................................................ iii
DAFTAR ISI .................................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ viii
DAFTAR TABEL ....................................................................................................... xi
DAFTAR SIMBOL ................................................................................................... xii
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................................1
1.1.

Tujuan ............................................................................................................1

1.2.

Latar Belakang ...............................................................................................1

1.3.

Spesifikasi Alat ..............................................................................................2

1.4.

Sistematika Penulisan ....................................................................................2

BAB II DASAR TEORI ...............................................................................................4
2.1.

WLAN .............................................................................................................4

2.2.

Antena ............................................................................................................5

2.3.

Antena Mikrostrip ..........................................................................................6

2.4.

Model Cavity ..................................................................................................9

2.5.

Parameter Umum Antena Mikrostrip ..........................................................10

2.5.1.

Impedansi Masukan ...............................................................................10

2.5.2.

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

2.5.3.

Return Loss ............................................................................................12

2.5.4.

Bandwidth ..............................................................................................12

2.5.5.

Keterarahan (Directivity) .......................................................................13

2.5.6.

Penguatan (Gain) ...................................................................................14

2.5.7.

Pola Radiasi ...........................................................................................15

2.5.8.

Frekuensi Resonansi ..............................................................................16

2.6.

Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang ...................................................16

2.7.

Teknik Pencatuan .........................................................................................18

2.7.1.

Microstrip Line Feed .............................................................................19

2.7.2.

Coaxial Feed ..........................................................................................19

2.7.3.

Aperture Coupling .................................................................................20
v

Proximity Coupling ................................................................................21

2.7.4.
2.8.

Antena Mikrostrip Array .............................................................................21

2.9.

Penyesuaian Impedansi (Impedance Matching) ...........................................23

2.10.

T-Junction 50 Ohm ......................................................................................24

2.11.

Prosedur Pengukuran Antena .......................................................................24

2.11.1.

Pengukuran Port Tunggal ......................................................................24

2.11.2.

Pengukuran Pola Radiasi .......................................................................25

2.11.3.

Pengukuran Gain ...................................................................................26

BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI ...............................................27
3.1.

Peralatan yang Digunakan ...........................................................................27

3.1.1.

Perangkat Keras .....................................................................................27

3.1.2.

Perangkat Lunak ....................................................................................27

3.2.

Jenis Substrat Yang Digunakan ...................................................................28

3.3.

Perancangan Patch Persegi Panjang Elemen Tunggal ................................28

3.3.1.

Diagram Alir Perancangan Elemen Tunggal .........................................28

3.3.2.

Menentukan Karakteristik Antena .........................................................29

3.3.3.

Perancangan Dimensi Patch Persegi Panjang .......................................29

3.3.4.

Perancangan Panjang dan Lebar Saluran Pencatu .................................29

3.3.5.

Menyimulasikan Rancangan ..................................................................30

3.3.6.

Karakterisasi Antena Elemen Tuggal ....................................................32

3.3.7.

Hasil Simulasi Elemen Tunggal ............................................................36

3.4.

Perancangan Array Patch Persegi Panjang Dua Elemen .............................38

3.4.1.

Pengaturan Jarak Antar Elemen .............................................................38

3.4.2.

Perancangan T-Junction .........................................................................39

3.4.3.

Desain Antena Array Dua Elemen .........................................................40

3.4.4.

Karakterisasi Antena Array Dua Elemen ...............................................40

3.4.5.

Hasil Simulasi Antena Array Dua Elemen ............................................42

BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS ..............................................................45
4.1.

Hasil Pengukuran Parameter Antena ...........................................................45

4.1.1.

Pengukuran VSWR dan Return Loss ......................................................46

4.1.1.1. Hasil Pengukuran VSWR dan Return Loss Antena Elemen Tunggal ...46
4.1.1.2. Hasil Pengukuran VSWR dan Return Loss Antena Array Dua Elemen 48
4.1.2.

Pengukuran Gain ...................................................................................51
vi

4.1.2.1. Hasil Pengukuran Gain Antena Elemen Tunggal ................................51
4.1.2.2. Hasil Pengukuran Gain Antena Array Dua Elemen .............................52
4.1.3.
4.2.

Pengukuran Pola Radiasi .......................................................................53
Analisis Hasil Pengukuran ...........................................................................56

4.2.1.

Antena Elemen Tunggal ........................................................................56

4.2.2.

Antena Array Dua Elemen .....................................................................59

4.2.3.

Hasil Pengujian Antena Mikrostrip Pada Router Wifi ...........................62

4.3.

Analisis Kesalahan Umum ...........................................................................63

BAB V KESIMPULAN ..............................................................................................64
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................65

vii

DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Struktur dari sebuah antena mikrostrip ....................................................6
Gambar 2.2. Bentuk Patch [2] ......................................................................................6
Gambar 2.3. Distribusi muatan dan densitas arus pada patch mikrostrip [4] ...............9
Gambar 2.4. Rentang Frekuensi yang menjadi bandwidth ..........................................13
Gambar 2.5. Bidang Pola Radiasi Antena [2] .............................................................15
Gambar 2.6. Microstrip Line Feed [2] ........................................................................19
Gambar 2.7. Coaxial feed [2] ......................................................................................20
Gambar 2.8. Aperture Coupling [2] .............................................................................20
Gambar 2.9. Proximity Coupling [2] ..........................................................................21
Gambar 2.10. Antena array (a). Linear (b). Circular (c). Planar ..............................22
Gambar 2.11. Pemberian transformator � 4 untuk memperoleh impedance matching 23
Gambar 2.12. T-Junction 50 Ohm ...............................................................................24

Gambar 2.13. Konfigurasi Pengukuran Port Tunggal ................................................25
Gambar 2.14. Rangkaian peralatan pada pengukuran pola radiasi .............................25
Gambar 2.15. Rangkain peralatan pada pengukuran gain antena ...............................26
Gambar 3.1. Diagram alir perancangan patch elemen tunggal ....................................28
Gambar 3.2. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal .........................31
Gambar 3.3. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal ....................................................31
Gambar 3.4. Return Loss simulasi elemen tunggal ....................................................31
Gambar 3.5. Smith Chart elemen tunggal....................................................................32
Gambar 3.6. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal dengan
insert feed ....................................................................................................................33
Gambar 3.7. Smith Chart elemen tunggal (a). panjang insert feed = 5 mm, (b). panjang
insert feed = 8.78 mm, (c). panjang insert feed = 10 mm ...........................................34
Gambar 3.8. Grafik nilai VSWR elemen tunggal ........................................................35
Gambar 3.9. Grafik nilai return loss elemen tunggal .................................................35
Gambar 3.10. Bentuk hasil perancangan antena elemen tunggal ...............................36
Gambar 3.11. Hasil simulasi VSWR elemen tunggal ..................................................37
Gambar 3.12. Hasil simulasi return loss elemen tunggal ...........................................37
Gambar 3.13. Hasil simulasi gain elemen tunggal ......................................................38
Gambar 3.14. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi elemen tunggal ......................38
viii

Gambar 3.15. Perancangan T-Junction impedansi 70,711 Ω .....................................39
Gambar 3.16. (a). Bentuk rancangan array dua elemen, (b). Bentuk rancangan line feed
array dua elemen ........................................................................................................40
Gambar 3.17. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen ......................................41
Gambar 3.18. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen ...............................41
Gambar 3.19. Bentuk hasil rancangan array dua elemen ...........................................42
Gambar 3.20. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen .......................................42
Gambar 3.21. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen ...............................42
Gambar 3.22. Hasil simulasi gain array dua elemen .................................................43
Gambar 3.23. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi array dua elemen ...................44
Gambar 4.1. (a) Hasil fabrikasi antena mikrostrip elemen tunggal (b) Hasil fabrikasi
antena mikrostrip array dua elemen ...........................................................................45
Gambar 4.2. Grafik hasil pengukuran VSWR antena elemen tunggal ........................46
Gambar 4.3. Grafik hasil pengukuran return loss antena elemen tunggal ..................47
Gambar 4.4. Smith Chart impedansi hasil pengukuran antena elemen tunggal .........47
Gambar 4.5. Grafik hasil pengukuran VSWR antena array dua elemen .....................49
Gambar 4.6. Grafik hasil pengukuran return loss antena array dua elemen ..............49
Gambar 4.7. Smith Chart impedansi hasil pengukuran antena array dua elemen ......49
Gambar 4.8. Daya yang diterima antena uji ...............................................................52
Gambar 4.9. Daya yang diterima antena referensi (antena horn) ...............................52
Gambar 4.10. Daya yang diterima antena uji .............................................................53
Gambar 4.11. Daya yang diterima antena referensi (antena horn) .............................53
Gambar 4.12. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth pada sudut elevasi = 90
antena elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz .......................................................54
Gambar 4.13. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi pada sudut azimuth = 0
antena elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz .......................................................55
Gambar 4.14. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth pada sudut elevasi = 90
antena array dua elemen pada frekuensi 2,45 GHz ....................................................55
Gambar 4.15. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi pada sudut azimuth = 0
antena array dua elemen pada frekuensi 2,45 GHz ....................................................56
Gambar 4.16. Grafik perbedaan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena
elemen tunggal ............................................................................................................57

ix

Gambar 4.17. Grafik perbedaan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran
antena elemen tunggal ................................................................................................57
Gambar 4.18. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Elemen Tunggal ...............................59
Gambar 4.19. Grafik perbedaan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena
array dua elemen ........................................................................................................59
Gambar 4.20. Grafik perbedaan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran
antena array dua elemen .............................................................................................60
Gambar 4.21. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Array Dua Elemen ............................61

x

DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Saluran wifi [1] ............................................................................................5
Tabel 2.2. Nilai Permitivitas Relatif Beberapa Bahan Dielektrik .................................8
Tabel 3.1. Spesifikasi substrat yang digunakan ..........................................................28
Tabel 4.1. Gain antena elemen tunggal ......................................................................51
Tabel 4.2. Gain antena array dua elemen ...................................................................52
Tabel 4.3. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena elemen
tunggal ........................................................................................................................58
Tabel 4.4. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena array dua
elemen .........................................................................................................................61
Tabel 4.5. Hasil pengujian antena mikrostrip pada router wifi ..................................62

xi

DAFTAR SIMBOL
Ω

Ohm

��

Permitivitas relatif bahan substrat

h

Ketebalan bahan substrat

��

Kerapatan arus bagian atas patch

�

W

Lebar patch

L

Panjang patch

�

Koefisien refleksi tegangan

Kerapatan arus bagian bawah patch

�

VSWR

�

Sudut Azimuth

D

Keterarahan

Sudut Elevasi

�

��

�

Keterarahan maksimum

��

�

Intensitas radiasi maksimum

U

�0

��
�

�

Intensitas radiasi

Intensitas radiasi pada sumber isotropic
Daya total radiasi
Kecepatan cahaya (3 × 108 m/s)
frekuensi resonansi antena
Impedansi karakteristik

∆�

Pertambahan panjang patch

��

Panjang gelombang diruang bebas

�

Panjang patch efektif

�

Panjang gelombang pada bahan

�

Lebar saluran pencatu
Panjang insert feed

R

Jarak antara Antena TX dengan RX

D

Dimensi Antena

◦

Derajat

�

�

Panjang saluran pencatu

xii