BAB IV PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH
SEGIEMPAT POLARISASI MELINGKAR MENGGUNAKAN ANSOFT HFSS V.10
4.1 Umum
Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sebuah antena mikrostrip patch segiempat yang berpolarisasi melingkar yang bekerja pada frekuensi 2.45 GHz
dan kemudian disimulasikan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Ansoft HFSS v.10.
Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat, kemudian menghitung dimensi substrat, menghitung dimensi patch, lalu menghitung ukuran
sudut patch yang akan dipotong serta ukuran slot yang akan diletakkan pada patch.
Kemudian antena hasil rancangan akan disimulasikan pada simulator Ansoft HFSS v.10 untuk mendapatkan parameter-parameter seperti VSWR,
bandwidth, dan axial ratio.
4.2 Perancangan Antena
Antena mikrostrip patch segiempat yang akan dirancang terdiri dari beberapa elemen, yaitu patch, substrat patch, groundplane, saluran pencatu feed
line, substrat pencatu. Disini akan dirancang dua jenis patch, yang mana salah satu patch akan dimodifikasi dengan memotong sudutnya dan patch lainnya
dimodifikasi dengan memberikan slot dengan posisi diagonal pada patch.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
4.2.1 Menentukan Bahan Substrat
Pada perancangan antena mikrostrip ini, digunakan substrat yang diproduksi oleh Rogers Corporation, yaitu Rogers RTDuroid 5880 untuk substrat
patch dan FR4 epoxy digunakan sebagai substrat feed. Spesifikasi kedua substrat yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2.
Tabel 4.1 Spesifikasi Substrat Patch yang Digunakan
Substrat Patch duroid
Konstanta Dielektrik ε
r
2,2 Rugi-
Rugi Tangent δ
p
= δ
f
0,00019 Tebal substrat patch h
5 mm
Tabel 4.2 Spesifikasi Substrat Feed yang Digunakan
Substrat Feed : FR4 epoxy
Konstanta Dielektrik ε
r
4,4 :
Rugi- Rugi Tangent δ
f
0,02 :
Tebal substrat feed h : 1.6 mm
4.2.2 Menentukan Dimensi Patch
Pada Tugas Akhir ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat yang dapat bekerja maksimal pada frekuensi 2.45 GHz 2.4 GHz – 2.5 GHz.
Untuk perancangan digunakan perhitungan pada antena mikrostrip dengan patch berbentuk segiempat seperti yang telah dijelaskan pada Bab 2, pada Persamaan
2.1. Berdasarkan perhitungan, maka diperoleh lebar patch W adalah 48,43 mm.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
W
=
� 2
� �
�� +1 2
=
3 �10
8
2 �2,45.10
9
�
2.2+1 2
=
48,43 mm
Kemudian dari nilai W kita dapat mencari nilai
ε
reff
ε melalui Persamaan 2.3.
reff =
2,2+1 2
−
2,2 −1
2
�
1 �1+12
5 48.43
�
�
=
Setelah itu kita dapat mencari nilai L 1,204
eff
L
dan ΔL melalui Persamaan 2.5 dan 2.2
ΔL =
0,412x5
1,204 +0,3
48,43 5
+0,624 1,204
−0,258
48,43 5
+0,8
=
3,129 mm
eff =
3 �10
8
2 �2,45�10
9
√1,204
=
55,797 mm
Sehingga melalui Persamaan 2.4 kita memperoleh nilai L, yaitu: L = L
eff
4.2.3 Menentukan Dimensi Groundplane
- 2 ΔL = 55,797 – 23,129 = 49.539 mm.
Dimensi groundplane diperoleh melalui Persamaan berikut: Wg = 6h + W = 6 6,6 + 48,43 = 88,03mm ;
Lg = 6h + L = 6 6,6 + 49,539 = 89,139mm; Dimana, Wg = lebar groundplane; Lg = panjang groundplane
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
4.2.4 Menentukan Dimensi Pertubasi pada patch
a Menentukan besar dimensi potong pada sudut patch.
Untuk menentukan besarnya sudut yang akan dipotong pada patch, maka akan dilakukan iterasi. Seperti yang terlihat pada Gambar 4.1, pada iterasi akan
kita mengubah-ubah besar nilai x, dalam hal ini akan dilakukan iterasi dimulai dari x dengan besar 4 mm hingga 10 mm.
Gambar 4.1 Antena patch segiempat dengan sudut terpotong.
b Menentukan Dimensi Slot pada patch
Untuk menentukan panjang dan lebar slot, antena dianggap memiliki panjang dan lebar yang sama antena berbentuk persegi . Dalam hal ini,
ditetapkan bahwa ukuran yang digunakan adalah ukuran lebar dari dimensi antena yang telah diperoleh.
Slot pada patch dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 3.1 dan 3.2. Dari Persamaan 3.1 dapat ditentukan panjang dari slot c, yaitu:
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
c =
48,43 2,72
= 17,80mm
dan, lebar slot ditentukan dari Persamaan 3.2;
d =
48,43 27,2
=
1,78mm
4.2.5 Menentukan Lebar dan Panjang Saluran Pencatu Feed Line
Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan ini diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati impedansi karakteristik saluran transmisi
Z sebesar 50
Ω. Pada perancangan ini digunakan lebar feed 9.62 mm dan panjang feed L
f
= L
g
4.3 Perancangan Model Antena dan Simulasi Antena
2 = 40 mm.
Dalam tugas akhir ini, perancangan antena mikrostrip patch segiempat berpolarisasi melingkar, dilakukan melalui beberapa tahapan, yaitu dimulai
dengan perancangan patch, perancangan saluran pencatufeed line, perancangan groundplane, perancangan substrat atas dan bawah, dan perancangan port saluran
pencatu. Pada perancangan ini juga dilakukan 2 dua jenis modifikasi pada patch, yaitu dengan memotong sudut patch dan member slot tipis pada patch. Oleh sebab
itu, akan dirancang dua jenis model antena mikrostrip yang berbeda pada model patchnya. Adapun langkah-langkah untuk membuat model antena ini adalah :
a. Perancangan substrat
Adapun langkah-langkah untuk merancang patch antena adalah : 1.
Pilih item Draw Box 2.
Masukkan nilai koordinatnya besar dan posisinya
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
3. Klik Attribute tab pada Properties window, kemudian isi namanya
dengan Substrat 4.
Ganti material dengan Rogers RTduroid 5880 tm
Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan atur transparansi warnanya b.
Perancangan feed line 1.
Pilih item Draw Rectangle 2.
Masukkan nilai koordinatnya besar dan posisinya 3.
Klik Attribute tab dari Properties window, dan kemudian isi namanya dengan Feed
4. Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan atur transparansi
warnanya 5.
Pilih object Feed, lalu klik HFSS Boundaries Assign Perfect E OK
c. Perancangan ground plane
1. Pilih item Draw Rectangle
2. Masukkan nilai koordinatnya besar dan posisinya
3. Klik Attribute tab dari Properties window dan kemudian isi namanya
dengan Ground 4.
Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan atur transparansi warnanya
5. Pilih object Ground, lalu klik HFSS Boundaries Assign Perfect E
OK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
d. Perancangan patch
1. Pilih item Draw Rectangle
2. Masukkan nilai koordinatnya besar dan posisinya
3. Klik Attribute tab pada Properties window, kemudian isi namanya
dengan Patch 4.
Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan atur transparansi warnanya
5. Pilih object Patch, lalu klik HFSS Boundaries Assign Perfect E
OK e.
Perancangan ruang bebas 1.
Pilih item Draw Box 2.
Masukkan nilai koordinatnya besar dan posisinya 3.
Klik attribute tab pada Properties window, kemudian isi namanya dengan Air, kemudian checklist pada Display Wireframe OK
4. Klik Edit Select Faces
5. Pilih seluruh sisi permukaan object AIR kecuali sisi permukaan Z = 0
mm 6.
Setelah itu klik HFSS Boundaries Assign Radiation OK f.
Pengaturan radiasi 1.
Klik HFSS Radiation Insert Far Field Setup Infinite Sphere 2.
Atur parameter dialog Far Field Radiation Sphere Setup. Pilih tab Infinite Sphere, masukkan namanya, Phi: Start: 0, Stop:90,
Step Size:90, Theta: Start: -180, Stop: 180, Step Size: 2 OK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
3. Pilih Object Air, lalu pada project tree klik kanan pada Mesh
Operations Assign On Selection Length Based. 4.
Lalu akan muncul kotak dialog Element Length Bases Refinement, isi Maximum Length of Elements
sebesar λ6 dari frekuensi kerja antena yang diinginkan OK
g. Perancangan Source
1. Pilih item Draw Rectangle
2. Masukkan nilai koordinatnya besar dan posisinya
3. Klik attribute tab pada Properties window kemudian isi namanya
dengan Source 4.
Kemudian pilih warnanya sesuai keinginan dan atur transparansi warnanya
5. Pilih Object Source, lalu klik HFSS Excitation Lumped Port
6. Tempatkan Feed pada Conducting Object dan Ground pada Reference
Conductor OK Tampilan awal dari model rancangan antena dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Model rancangan antena mikrostrip patch segiempat
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Setelah mendapatkan model antena, selanjutnya kita melakukan proses modifikasi pada patch antena. Seperti telah dijelaskan sebelumnya, bahwa kita
akan melakukan 2 jenis modifikasi pada patch antena, oleh sebab itu, kita merancang 2 buah model antena. Berikut adalah langkah-langkah dalam
modifikasi patch antena: A. Patch segiempat dengan sudut yang dipotong
1. Pilih item Draw Rectangle
2. Masukkan nilai ukurannya, dalam hal ini harus berbentuk persegi panjang
dan lebar sama 3.
Pilih item EditArrangeRotate, kemudian ketik 45 4.
Pilih item EditArrangeMove, klik tepat di tengah kotak, lalu drag kearah sudut patch yang telah dirancang sebelumnya, tepat pada tengah
kotak. 5.
Lakukan langkah 1.- 4. Dengan posisi kotak yang telah di drag sebelumnya berada pada sudut yang saling bersilangan, sehinngga pada
kedua sudut patch telah ditambahkan 2 buah kotak. 6.
Pilih item Editselectby name, kemudian pilih Patch dan Rectangle1 serta Rectangle1_1.
7. Pilih item ModelerBooleanSubstract, tempatkan Patch pada blank parts
dan Rectangle1 serta Rectangle1_1 pada tool part OK. Setelah selesai melakukan langkah-langkah tersebut, maka akan didapatkan
model rancangan yang telah dimodifikasi, seperti yang terlihat pada Gambar 4.3.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Gambar 4.3
Model rancangan patch segiempat dengan sudut dipotong. B. Patch segiempat dengan slot diagonal.
1. Pilih item Draw Rectangle.
2. Masukkan nilai ukurannya nilai ukuran dari slot pada patch yang telah
ditentukan sebelumnya 3.
Pilih item EditArrangeRotate, kemudian ketik 45 4.
Pilih item EditArrangeMove, lalu drag kearah tengah patch yang telah dirancang sebelumnya.
.
5. Pilih item Editselectby name, kemudian pilih Patch dan Rectangle1.
6. Pilih item ModelerBooleanSubstract, tempatkan Patch pada blank parts
dan Rectangle1 pada tool part OK. Jika telah selesai melakukan langkah-langkah diatas, maka diperoleh model
antena seperti pada Gambar 4.4.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Gambar 4.4 Model rancangan patch segiempat dengan slot menyilang.
Setelah model antena selesai dibuat langkah selanjutnya adalah menjalankan simulasinya. 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. Lalu isi nama setup-nya, ikuti
saja yang ada di dalam tab misalnya setup1, setup2, dan seterusnya, kemudian isi nilai dari solution frequency, menjadi 2,45 GHz. Nilai solution frequency ini
sama untuk tiap setup. Lalu isi nilai maximum number of passes menjadi 20. Kemudian isi nilai maximum delta S sebesar 0,02 lalu pilih OK.
Selanjutnya klik menu HFSS kemudian pilih analysis setup lalu pilih add Frequency sweep. Pilih solution setup-nya setup1 dan klik OK. Kemudian edit
window sweep-nya, atur sweep type menjadi fast dan atur pula frequency setup type menjadi linear count. Kemudian atur frequency start sebesar 1 GHz,
frequency stop 3,5 GHz dan atur nilai count menjadi 30 dan checklist pada Save Fields. Lalu klik OK.
Setelah itu langkah selanjutnya adalah klik menu HFSS lalu pilih validation check. Tujuan dari validation check ini adalah untuk memeriksa
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
apakah model yang kita buat sudah layak dan benar untuk dijalankan. Jika model yang kita buat sudah layak dan benar untuk dijalankan maka akan muncul tanda
checklist berwarna hijau. Tetapi jika belum 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:
1. 3D model
2. boundaries dan excitation
3. mesh operation
4. analaysis setup
5. optimetrics
6. radiation
Jika ada salah satu dari keenam hal ini 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 caranya adalah dengan
menekan menu HFSS lalu pilih analyze all. Proses analisis ini berlangsung sekitar 30 menit. Untuk menampilkan grafik VSWR, caranya adalah dengan
menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih Create Modal Solution Data Report Rectangular Plot. Atur solution menjadi setup1:sweep1.
Kemudian atur category menjadi VSWR, atur juga quantity menjadi VSWR lumport1, kemudian tekan New Report lalu tekan Close maka akan muncul
grafik VSWR.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Untuk menampilkan grafik Axial Ratio, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih Create Far Field Report
Rectangular Plot. Atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian atur category menjadi Axial Ratio, atur juga quantity menjadi AxialRatioValue, kemudian tekan
New Report lalu tekan Close akan muncul grafik Axial Ratio. Adapun flowchart dari simulasi perancangan ini dapat dilihat pada Gambar 4.5
tidak tidak
Ya
Gambar 4.5 Flowchart simulasi dan perancangan antena
Tentukan model awal antena
Lakukan modifikasi pada antena
Ubah nilai x pada antena sudut dipotong dan besar slot
pada antena slot diagonal
Dimensi antena sudah
ideal? Dimensi antena
ideal disimpan Dimensi
antena ideal
Selesai
Mulai
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
4.4 Simulasi Rancangan Awal