Umum Peralatan Yang Digunakan

BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP

PATCH CIRCULAR

3.1 Umum

Pada bagian ini akan dirancang antena mikrostrip patch c i r c u l a r p l a n a r array 4 elemen dengan pencatuan Electro Magnetic coupled EMC, yang dapat beroperasi pada frekuensi 2,45GHz 2,4–2,5GHz untuk diaplikasikan pada teknologi wi-fi. Secara umum, perancangan antena ini dapat dikelompokan atas 2 tahapan. Tahapan pertama adalah perancangan antena mikrostrip patch cir cul ar elemen tunggal. Kegiatan yang dilakukan pada tahapan ini adalah penentuan frekuensi resonansi yang diinginkan, penentuan spesifikasi substrat yang akan digunakan, penentuan dimensi patch antena dan penentuan dimensi saluran pencatunya. Hasil yang diperoleh dari tahapan pertama selanjutnya dilanjutkan pada tahapan kedua. Pada tahapan ini, empat buah patch elemen tunggal disusun dengan konfigurasi planar array sehingga menghasilkan antena mikrostrip patch circular planar array 4 elemen. Jenis antena mikrostrip yang dirancang adalah antena dengan patch ber- bentuk circular dengan teknik pencatuan Electromagnetic couple. Teknik ini memberikan peningkatan performansi yaitu meningkatkan lebar bandwith, tetapi membutuhkan ketelitian penyesuaian kedua layernya agar tepat berada pada koordinat yang sama.

3.2 Peralatan Yang Digunakan

Dalam tahap perancangan ini ada beberapa peralatan yang digunakan, terdiri dari software dan hardware. Software digunakan untuk melakukan simulasi sebelum antena yang akan dirancang, sedangkan hardware digunakan untuk fabrikasi serta pengujian antena. Berikut ini adalah beberapa peralatan yang akan digunakan dalam perancangan antena mikrostrip patch circular : a. Ansoft HFSS V.10, dengan progam ini, rancangan fisik antena mikrostrip dapat dimodelkan dan disimulasikan serta dilihat parameter-parameter antena antara lain VSWR dan gain. b. TXLine 2003, digunakan untuk menentukan impedansi karakteristik dan lebar saluran dari saluran mikrostrip. c. Microsoft Visio 2007, digunakan untuk melakukan visualisasi desain pe- rancangan dan juga berbagai macam visualisasi yang digunakan dalam Tu gas Akhi r ini. d. Kabel coaxial 50 Ω untuk pencatu. e. Substrat mikrostrip FR4 epoxy. f. Konektor dengan impedansi karakteristik 50 Ω SMA konektor. 3.3 Perancangan Antena Elemen Tunggal Pada perancangan patch circular elemen tunggal ini terdapat beberapa tahapan yang diawali dengan menentukan frekuensi kerja yang diinginkan beserta spesifikasi yang akan dicapai. Selanjutnya menentukan jenis substrat yang akan digunakan. Dalam pemilihan jenis substrat harus mempertimbangkan kesesuaian antara karakteristik substrat dengan spesifikasi antena yang dirancang, hal ini bertujuan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Sebelum simulasi dilakukan, terlebih dahulu menentukan parameter dari antena yaitu dimensi patch, lebar saluran pencatu dengan menggunakan peralatan bantu ataupun persamaan yang telah dibahas pada bab II. Pada proses simulasi, dimungkinkan untuk memodifikasi beberapa parameter yang telah ditentukan untuk mendapatkan hasil yang diingin- kan, diantaranya adalah dengan mengatur lebar patch yang umumnya dapat mengatur frekuensi resonansi menjadi lebih tinggi atau lebih rendah, sedangkan pengaturan lebar atau panjang saluran pencatu, umumnya dilakukan untuk mendapatkan nilai VSWR yang diinginkan. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk mendapatkan sebuah elemen tunggal dengan dimensi patch dan l ebar pencatu yang optimal yaitu mampu memberikan nilai VSWR ≤ 2, gain ≥ 2 pada rentang frekuensi 2,4 - 2,5 GHz. Diagram alir perancangan antena mikrostrip patch circular elemen tunggal dapat dilihat pada Gambar 3.1. Mulai Menghitung dimensi patch satu elemen Menghitung panjang dan lebar pencatu Simulasi dengan Ansoft HFSS V.10.0 Apakah VSWR ≤ 2, gain ≥ 2 pada frekuensi 2,4-2,5 GHz? Selesai Iterasi dimensi patch dan lebar pencatu Tidak Ya Menentukan karakteristik yang diinginkan frekuensi kerja, VSWR , gain dan jenis substrate yang digunakan Membuat model rancangan antena mikrostrip Gambar 3.1 Diagram alir perancangan patch elemen tunggal

3.3.1 Menentukan Karakteristik Antena

Pada rancangan antena mikrostrip ini, diinginkan dapat bekerja pada frekuensi 2,4-2,5 GHz. Hal ini berarti, frekuensi resonansinya adalah 2,4-2,5 GHz dengan frekuensi tengah 2,45 GHz. Frekuensi tengah resonansi ini, selanjutnya akan menjadi nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lainnya seperti dimensi patch dan lebar saluran pencatu. Pada rentang frekuensi kerja tersebut 2,4 - 2,5 GHz, diharapkan antena memiliki parameter VSWR ≤ 2 serta gain ≥ 2.

3.3.2 Jenis Substrat Yang Digunakan

Dalam pemilihan jenis substrat sangat dibutuhkan pengetahuan tentang spesfikasi umum dari susbtrat tersebut, kualitasnya, ketersediannya, dan yang tidak kalah penting adalah harga atau biaya yang harus dikeluarkan untuk mendapatkannya, karena akan mempengaruhi nilai jual ketika akan dipabrikasi secara massal untuk dipasarkan. Jenis substrat yang digunakan pada perancangan antena ini adalah dua buah substrat jenis fiber dengan ketebalan yang sama h 1 = h 2 . Adapun parameter substrat dapat dilihat pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Spesifikasi substrat yang digunakan Jenis Substrat FR-4 epoxy Konstanta Dielektrik Relatif εr 4,4 Dielektrik Loss Tangent tan δ 0,02 Ketebalan substrat h 1,6 mm

3.3.3 Perancangan Dimensi Patch Circular Elemen Tunggal

Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini adalah antena mikrostrip patch circular dengan frekuensi kerja 2,45 GHz 2,4-2,5 GHz. Untuk perancangan awal dari dimensi antena digunakan perhitungan antena mikrostrip patch circular pada Persamaan 2.7. � = 8.794 � 10 9 f r x10 9 √� � � = 8,794 � 10 9 2,45 x 10 9 √4.4 = 17,1 mm Dari perhitungan diatas, didapatlah nilai spesifikasi substrat yang akan digunakan, m a k a diperoleh nilai radius patch adalah 17,1 mm.

3.3.4 Perancangan Lebar Saluran Pencatu

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip patch circular ini, diharapkan mendekati nilai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 2003. Tampilan dari program TXLine 2003 untuk mencari lebar pencatu agar mempunyai impedansi 50 Ω dapat dilihat pada Gambar 3.2. Gambar 3.2. Tampilan TXLine 2003 untuk mencari dimensi saluran pencatu Pada Gambar 3.2, setelah dimasukkan semua parameter yang digunakan, maka program ini akan menampilkan nilai lebar dari saluran pencatu agar menghasilkan nilai imp edansi 50 Ω. Melalui perangkat lunak TXLine 2003 ini diperoleh bahwa untuk menghasilkan impedansi 50 Ω dibutuhkan lebar saluran pencatu sebesar 3,00593 mm. Untuk memudahkan dalam proses perancangan maka lebar ini dibulatkan menjadi 3 mm.

3.3.5 Simulasi

Setelah semua langkah perancangan diatas dilakukan dengan meng- gunakan simulator ansoft HFSS V.10 maka didapatlah model antena mikrostrip patch circular elemen tunggal seperti yang tampak pada Gambar 3.3. Gambar 3.3 Model antena mikrostrip patch circular elemen tunggal Setelah model antena mikrostrip patch circular elemen tunggal disimulasi- kan, maka didapat parameter yang diinginkan pada Tugas Akhir ini antara lain besar nilai VSWR dan gain, namun secara teori VSWR dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.13, sebelumnya terlebih dahulu harus dicari besar impedansi beban dari antena mikrostrip. Untuk mencari impedansi beban dapat menggunakan Persamaan 2.8 sampai 2.10, hasilnya sebagai berikut: � = � � = 3×10 8 2,45×10 9 = 122,449 mm = 122 mm Setelah nilai panjang gelombang di ruang bebas � diperoleh, maka panjang gelombang pada saluran transmisi △ � dengan Persamaan berikut ini: △ � = � √4,4 = 122 √4,4 = 58,37527 mm � �� = 60 △ � � = 60 58,37527 34,2 = 102,41257 Ω Dari nilai impedansi beban diatas maka dicari besar koefisien refleksi Γ dengan menggunakan Persamaan 2.12. Dan hasilnya sebagai berikut ini: Γ = Z L − Z Z L + Z = 102,41257 − 50 102,1257 + 50 = 102,41257 − 50 102,41257 + 50 = 52,41257 152,41257 = 0,342 Selanjutnya dari nilai koefisien refleksi diatas maka dicari VSWR secara teori. Untuk menghitung nilai VSWR dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.13. Adapun hasilnya sebagai berikut: VSWR = 1 − |Γ| 1 + | Γ| = 1 + |0,342| 1 − |0,342| = 1,342 0,658 = 2,0396 Dari nilai diatas diketahui nilai VSWR secara teori didapat adalah 2,0396. Dari hasil simulasi, didapatkan nilai VSWR seperti yang terlihat pada Gambar 3.4. 2,40 GHz 1,48 2,50 GHz 3,69 Gambar 3.4 Grafik VSWR hasil simulasi awal Dari Gambar 3.4, didapatkan nilai VSWR pada saat frekuensi 2,45 Ghz sebesar 2,42. Secara perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya didapatkan nilai VSWR sebesar 2,1, namun kalau dilihat dari Gambar 3.4 diatas bahwa ketika frekuensi 2,4 Ghz-2,5 Ghz besarnya VSWR berkisar dari 1,48 sampai 3,69, hal ini menandakan bahwa secara teori nilai VSWR yang didapat tidak jauh berbeda dengan hasil simulasi. Dari nilai VSWR yang didapatkan tidak sesuai dengan diinginkan karena itu diperlukan proses iterasi pada antena mikrostrip ini, sehingga hasil VSWR mencapai nilai yang diinginkan. Hal ini didapatkan dengan cara mengubah nilai besaran dimensi patch dan mengubah lebar pencatu sehingga dihasilkan nilai VSWR yang diinginkan VSWR ≤ 2. Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain yang dihasilkan belum sesuai dengan yang diharapkan. Diperlukan iterasi pada antena tersebut agar didapat nilai VSWR dan gain yang optimal. Banyak hal yang mempengaruhi nilai VSWR dan gain tersebut antara lain besaran dimensi patch, lebar pencatu, dan panjang pencatu. Maka untuk tahap awal yang perlu diiterasi adalah dimensi patch. Hasil iterasi dimensi patch dapat dilihat pada Tabel 3.2. Tabel 3.2 Hasil Iterasi Dimensi Patch Elemen Tunggal No Radius Patch mm VSWR Gain dBi 2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz 2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz 1 17,1 1,48 2,42 2,20 2,79 2,74 2,62 2 17,0 1,46 2,37 3,62 2,64 2,68 2,54 3 16,9 1,24 1,85 2,92 2,79 2,77 2,69 4 16,8 1,30 1,60 2,50 2,77 2,77 2,71 5 16,7 1,41 1,44 2,20 2,77 2,79 2,74 6 16,6 1,59 1,34 1,90 2,74 2,78 2,75 7 16,5 1,77 1,32 1,71 2,74 2,79 2,78 8 16,4 2,06 1,37 1,46 2,69 2,76 2,77 Dari Tabel 3.2 diatas didapat hasil iterasi radius patch dengan nilai VSWR 1,32 pada frekuensi 2,45 Ghz dan gain 2,79 dBi yang memenuhi saat radius patch 16,5 mm, namun dalam hal ini perlu adanya perbaikan agar mendapatkan nilai gain yang diinginkan, sehingga diperlukan iterasi kembali. Pada tahap kedua ini, bagian yang perlu diiterasi adalah lebar pencatu dengan mengubah nilai lebar pencatu dan tidak mengubah nilai radius patch karena telah mencapai nilai yang diinginkan. Untuk hasil iterasi lebar patch dapat dilihat pada Tabel 3.3. Tabel 3.3 Hasil Iterasi Lebar Pencatu Elemen Tunggal No Lebar Pencatu Radius Patch mm VSWR Gain dBi 2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz 2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz 1 3 16,5 1,76 1,33 1,70 2,74 2,79 2,78 2 2,9 16,5 1,85 1,30 1,61 2,76 2,83 2,84 3 2,8 16,5 1,70 1,29 1,77 2,76 2,81 2,79 4 2,7 16,5 1,80 1,27 1,68 2,72 2,77 2,75 Dari Tabel 3.3, dapat ketahuai bahwa VSWR yang dihasilkan sudah optimal dengan nilai 1,29 pada frekuensi 2,45 Ghz hal ini didapat dengan cara mengubah lebar pencatu dari 3 mm menurun hingga menjadi 2,7 mm, sehingga dihasilkan nilai VSWR yang optimum pada frekuensi antara 2.40-2.50 Ghz. Nilai tersebut menunjukan bahwa VSWR yang dihasilkan dari iterasi lebar pencatu berada dibawah 2, karena itu paremeter yang dilihat selanjutnya adalah besar gain yang dihasilkan dari hasil iterasi lebar pencatu tersebut, sehingga diperoleh gain tertinggi dengan lebar pencatu 2,8 mm yaitu gain dengan nilai 2,81 dBi. Adapun nilai VSWR yang dihasilkan dari lebar pencatu 2,7 adalah 1,27 tetapi nilai gain yang didapat lebih rendah dibandingkan ketika lebar pencatu berukuran 2,8 mm . Gambar 3.5 menunjukan grafik VSWR yang didapat dari proses iterasi. 2,50 GHz 1,77 2,40 GHz 1,70 Gambar 3.5 Grafik VSWR hasil iterasi elemen tunggal Dari Gambar 3.5, diketahui bahwa nilai VSWR yang dihasilkan setelah iterasi sebesar 1,70 pada frekuensi 2,40 Ghz, 1,29 pada frekuensi 2,45 Ghz, dan 1,77 pada frekeunsi 2,50 Ghz. VSWR yang dihasilkan sudah mencapai nilai yang diinginkan untuk antena dengan patch elemen tunggal. Adapun gain yang dihasilkan setelah proses iterasi dilakukan seperti ditunjukan oleh Gambar 3.6. 2,45 GHz 2,81 Gambar 3.6 Grafik gain hasil iterasi antena elemen tunggal Dari Gambar 3.6, besar gain yang dihasilkan pada saat frekuensi 2,45 Ghz adalah 2,81 dBi. Maka gain yang dihasilkan setelah iterasi telah optimal untuk antena elemen tunggal.

3.4 Perancangan Antena 4 Elemen Planar Array