Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Rancang Bangun Antena Horn Pyramidal pada Frekuensi S-Band

RANCANG BANGUN ANTENA HORN PYRAMIDAL PADA
FREKUENSI S-BAND

Oleh
Triloka Mahesti
NIM: 612011042

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

April 2016

INTISARI

Perangkat komunikasi nirkabel bekerja pada frekuensi microwave yang memiliki
alokasi band frekuensi sesuai standar IEEE. S-Band merupakan salah satu band

frekuensi microwave dengan rentang 2 GHz – 4 GHz yang banyak digunakan perangkat
komunikasi nirkabel sebagai frekuensi kerja seperti bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, GPS, dan
radar cuaca. Salah satu komponen penting pada sistem komunikasi nirkabel adalah
antena dengan kinerja yang baik agar proses transmisi data berlangsung dengan lancar.
Untuk mengetahui kinerja antena, perlu dilakukan pengukuran parameter antena yang
membutuhkan sebuah antena referensi. Antena referensi dengan bandwidth yang lebar
sangat dibutuhkan agar dapat mencakup banyak frekuensi kerja. Untuk itu antena horn
merupakan antena yang tepat sebagai antena referensi.
Pada skripsi ini dirancang antena horn pyramidal yang memiliki bandwidth
sebesar 2 GHz sepanjang frekuensi S-Band dengan VSWR ≤ 2, dan mempunyai gain
minimal 15 dB. Untuk memenuhi bandwidth antena, dilakukan perubahan pada dimensi
antena horn pyramidal yaitu perubahan dimensi monopole, tinggi monopole, jarak
monopole dan luas waveguide. Simulasi antena dilakukan menggunakan software CST
Microwave Studio.
Dari hasil pengukuran antena yang telah dirancang dan difabrikasi, antena horn
pyramidal mampu bekerja pada rentang frekuensi S-Band (2 GHz - 4 GHz) dengan
bandwidth sebesar 2 GHz . Antena horn pyramidal memiliki VSWR ≤ 2 dan mempunyai
gain 19,75 dB. Pola radiasi hasil pengukuran antena horn pyramidal adalah direksional
dengan beamwidth

yang berarti dapat menerima gelombang elektromagnetik

lebih efektif pada arah tertentu.

i

ABSTRACT

Wireless communication devices work on microwave frequencies that have an
allocation bands frequency according to the IEEE standard. S-Band is one of the
microwave band frequencies with a range of 2 GHz - 4 GHz which are widely used by
wireless communication devices as the working frequency such as bluetooth, Wi-Fi,
WiMAX, GPS, and weather radar. One of the important components in a wireless
communication system is the antenna with a good performance in order to make the
data transmission process run smoothly. To determine the antenna performance, antenna
parameter measurement is need to be done, which also requires a reference antenna.
Reference antenna with a wide bandwidth is needed in order to cover a lot of the
working frequency. Thus, Horn antenna is the suitable one as the reference antenna.
In this thesis, a pyramidal horn antenna which has a bandwidth of 2 GHz along
the S-Band frequency with VSWR ≤ 2, and which has a minimum gain of 15 dB is

designed. In order to meet the bandwidth antenna, a change on the pyramidal horn
antenna dimension is done which are the change of the monopole‟s dimension, the
monopole‟s height, the monopole‟s distance and the waveguide‟s width. The antenna
simulation was done using the CST Microwave Studio software.
From the designed and fabricated antenna measurement, the pyramidal horn
antenna can work on the S-Band frequency range (2 GHz - 4 GHz) with a bandwidth of
2 GHz. The pyramidal horn antenna has a VSWR ≤ 2 and has a gain of 19.75 dB. The
radiation pattern from the pyramidal horn antenna measurement‟s result is directional
with the beamwidth ± 25 ° which means that it can receive the electromagnetic waves
more effective in a particular direction.

ii

KATA PENGANTAR
Segala pujian, hormat dan sembah syukur penulis ucapkan kepada Allah Bapa
yang Maha Mulia dan Anak Tunggal-Nya Yesus Kristus untuk berkat, kekuatan,
pengharapan dan kasih setia-Nya yang selalu mengalir di kehidupan penulis sehingga
saat ini 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. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang telah
memberikan waktunya dan dengan sabar membimbing, memberi masukan dan
dukungan kepada penulis selama mengerjakan skripsi.
2. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M. T. selaku pembimbing II atas motivasi,
bimbingan dan saran yang telah diberikan kepada penulis.
3. Bapak Yuyu, Bapak Hendra, Bapak Yusi, Ibu Sri, Pak Yudi dan semua
pegawai PPET-LIPI Bandung yang telah membantu penulis selama
melaksanakan kerja praktek dan selama proses pengukuran antena.
4. Sahabat dalam berbagi kasih Kakak Face Roza Marchiano yang selalu
mendukung dalam doa dan kasih sayang selama perkuliahan sampai penulis
menyelesaikan skripsi.
5. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Ariesta chicken
nuget, Mbak Jolanda Vera, Mbak Ragil, Mas Tiyon dan Pak Bambang yang
telah membantu selama proses perkuliahan.
6. Sendja Koffie and the genk Mas Echi, Mas Oecilz, Mas Chong, Mas Erfix,
Mas Capcay warung ijo, partner siaran merangkap penasehat tersayang Mba
Gita, Chika, Mas Hudhud „FrameCoffee‟ yang setia menjadi kakak, sahabat

dan tempat peraduan ketika gundah gulana menghampiri.
7. Teman „ciwi-ciwi‟ seperjuangan selama hidup dan berkuliah di elektro,
Hanna, Bela, Enggar “Bombay”, dan Fitri.

iii

8. Keluarga besar FTEK 2011 yang telah banyak membantu dan mendukung
penulis selama perkuliahan di FTEK. Terimakasih untuk piknik-piknik
bersama yang telah kita lalui dan semoga sukacita selalu bersama kalian.
9. Keluarga besar XT Radio, kontrakan Jambewangi 2011, Cafe Rindang,
Brandals yang menemani penulis bersenang-senang selama masa perkuliahan.
10. Sahabat-sahabatku terkasih Wira, Bakti, Inggrid, Getsu, Ika, Sutra, Bang Said,
Dewi “Epick”, Januar “Tung”, Ning.
11. And now, last but not least, keluarga terkasih di rumah. Mbak Santi yang
memberi kasih sayang melalui nasihat, parfum, baju dan traktiran jajan. Mas
Aji yang jaim tapi sangat peduli dengan adik satu-satunya. Dedek “Vicky”
yang selalu merindukan penulis menginap di rumahnya. Mas Indra, Mbak
Yenny, Dinda, Dimas, Pak Pri, Bulek Titik, De Mah dan semua keluarga besar
penulis.
12. Untuk Ibuku terkasih, sebagai saluran kasih Allah, yang saat ini menjadi

panutan satu-satunya dalam keluarga, sumber kekuatan dari setiap
perjuanganku, yang tak pernah pudar kasih dan doanya untuk penulis.
Terimakasih untuk 22 tahun yang luar biasa untuk kehidupan penulis.
13. Untuk Bapak yang saat ini telah berada dalam lingkup kasih Allah di Surga,
terimakasih untuk pengajaran selama penulis melangkah dan skripsi ini
merupakan salah satu hasil jerih payah dari bapak. Semoga Bapak damai di
Surga.
Terimakasih sekali lagi penulis ucapkan atas bantuan yang telah diberikan semua
pihak kepada penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu, semoga Tuhan selalu
melimpahkan sukacita kepada anda semua.
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. Semoga skripsi ini
menjadi berkat bagi setiap pembaca. Tuhan Memberkati.

Salatiga, April 2016

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 .....................................................................................3

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

S-Band ............................................................................................................4

2.2.

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

2.3.

Antena Horn Pyramidal ................................................................................6

2.4.

Waveguide Rectangular .................................................................................9

2.5.

Parameter Umum Antena Horn Pyramidal .................................................13

2.5.1.

Impedansi Masukan ...............................................................................13

2.5.2.

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) ..................................................14

2.5.3.

Return Loss ............................................................................................15

2.5.4.

Bandwidth ..............................................................................................16

2.5.5.

Keterarahan (Directivity) .......................................................................17

2.5.6.

Penguatan (Gain) ...................................................................................17

2.5.7.

Pola Radiasi ...........................................................................................18

2.5.8.

Frekuensi Resonansi ..............................................................................20

2.5.8.

Beamwidth .............................................................................................20

2.6.

Antena Monopole .........................................................................................20

2.7.

Prosedur Pengukuran Antena .......................................................................21

2.7.1.

Pengukuran Port Tunggal ......................................................................21

2.7.2.

Pengukuran Pola Radiasi .......................................................................22
v

Pengukuran Gain ...................................................................................23

2.7.3.

BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI ...............................................25
3.1.

Peralatan yang Digunakan ...........................................................................25

3.1.1.

Perangkat Keras .....................................................................................25

3.1.2.

Perangkat Lunak ....................................................................................25

3.2.

Perancangan Dimensi Antena Horn Pyramidal ...........................................26

3.2.1.

Diagram Alir Perancangan Antena Horn Pyramidal .............................26

3.2.2.

Menentukan Karakteristik Antena .........................................................26

3.2.3.

Material Antena .....................................................................................26

3.2.4.

Perancangan Dimensi Antena Horn Pyramidal......................................27

3.2.5.

Perancangan Dimensi Monopole ...........................................................28

3.2.6.

Simulasi Rancangan ...............................................................................28

3.2.7.

Karakterisasi Antena Horn Pyramidal ...................................................33

3.2.7.1. Perubahan Diameter Monopole ..........................................................33
3.2.7.2. Perubahan Jarak Monopole ................................................................34
3.2.7.3. Perubahan Tinggi Monopole ..............................................................36
3.2.7.4. Perubahan Luas Waveguide ...............................................................38
Hasil Simulasi Antena Horn Pyramidal ................................................40

3.2.8.

BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS ..............................................................44
4.1.

Hasil Pengukuran Parameter Antena ...........................................................44

4.1.1.

Syarat Melakukan Pengukuran ..............................................................44

4.1.2.

Alat Ukur ...............................................................................................45

4.1.3.

Pengukuran Port Tunggal ......................................................................45

4.1.3.1. Hasil Pengukuran VSWR, Return Loss dan Impedansi Antena Horn
Pyramidal ...............................................................................................47
Pengukuran Gain ...................................................................................50

4.1.4.

4.1.4.1. Hasil Pengukuran Gain Antena Horn Pyramidal .................................51
4.1.5.

Pengukuran Pola Radiasi .......................................................................52

4.1.5.1. Hasil Pengukuran Pola Radiasi Antena Horn Pyramidal ....................53
4.2.

Analisis Hasil Pengukuran ...........................................................................54

4.3.

Analisis Kesalahan Umum ...........................................................................57

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .....................................................................59
5.1.

Kesimpulan ..................................................................................................59
vi

5.2.

Saran ............................................................................................................60

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................61

vii

DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Konfigurasi antena horn ..........................................................................6
Gambar 2.2. Horn pyramidal ........................................................................................7
Gambar 2.3. E-plane horn pyramidal ............................................................................7
Gambar 2.4. H-plane horn pyramidal ...........................................................................8
Gambar 2.5.(a) Waveguide rectangular [7] ................................................................11
Gambar 2.5.(b) Keadaan perbatasan medan listrik [7] ...............................................11
Gambar 2.5.(c) Keadaaan perbatasan medan magnet [7] ...........................................11
Gambar 2.6. Konfigurasi medan yang mungkin pada waveguide [7] .........................11
Gambar 2.7.(a) Pembangkitan mode waveguide dari dua gelombang TEM [7] .........12
Gambar 2.7.(b) Geometri yang digunakan dalam menentukan sifat-sifat

[7]......12

Gambar 2.8. Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth ...........................................17
Gambar 2.9. Bidang pola radiasi antena .....................................................................19
Gambar 2.10. Diagram radiasi antena antena direksional [2]......................................20
Gambar 2.11. Waveguide rectangular dan antena monopole ......................................21
Gambar 2.12. Konfigurasi pengukuran port tunggal ...................................................22
Gambar 2.13. Konfigurasi pengukuran pola radiasi ...................................................23
Gambar 2.14. Konfigurasi pengukuran gain antena ...................................................23
Gambar 3.1. Diagram alir perancangan antena horn pyramidal..................................26
Gambar 3.2. Bentuk perancangan awal antena horn pyramidal pada CST Microwave
Studio ...........................................................................................................................29
Gambar 3.3. Bentuk hasil perancangan awal antena horn pyramidal .........................30
Gambar 3.4. Nilai VSWR simulasi antena horn pyramidal..........................................30
Gambar 3.5. Return loss simulasi antena horn pyramidal ...........................................30
Gambar 3.6. Smith chart antena horn pyramidal.........................................................31
Gambar 3.7. Gain antena horn pyramidal ...................................................................31
Gambar 3.8. (a) Pola Radiasi azimuth antena horn pyramidal ....................................31
Gambar 3.8. (b) Pola Radiasi elevasi antena horn pyramidal .....................................32
Gambar 3.9. Grafik VSWR pada perubahan diameter monopole................................33
Gambar 3.10. Grafik return loss pada perubahan diameter monopole ........................34

viii

Gambar 3.11. (a) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi
2,5 GHz ......................................................................................................................35
Gambar 3.11. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi
3,5 GHz ........................................................................................................................35
Gambar 3.12. (a)

Grafik return loss terhadap perubahan jarak monopole marker

frekuensi 2,5 GHz ......................................................................................................35
Gambar 3.12. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi
3,5 GHz ........................................................................................................................36
Gambar 3.13. (a) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi
2,5 GHz ......................................................................................................................37
Gambar 3.13. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi
3,5 GHz ........................................................................................................................37
Gambar 3.12. (a)

Grafik return loss terhadap perubahan tinggi monopole marker

frekuensi 2,5 GHz ......................................................................................................37
Gambar 3.12. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi
3,5 GHz ........................................................................................................................38
Gambar 3.15. Grafik VSWR dan perubahan luas waveguide......................................39
Gambar 3.16. Grafik return loss dan perubahan luas waveguide ................................39
Gambar 3.17. Bentuk hasil perancangan antena horn pyramidal ................................40
Gambar 3.18. Hasil simulasi VSWR antena horn pyramidal .......................................41
Gambar 3.19. Hasil simulasi return loss antena horn pyramidal ...............................41
Gambar 3.20. Hasil simulasi smith chart antena horn pyramidal ...............................42
Gambar 3.21. Hasil simulasi nilai gain antena horn pyramidal .................................42
Gambar 3.22.(a) Hasil simulasi pola radiasi azimuth antena horn pyramidal ...........43
Gambar 3.22.(b) Hasil simulasi pola radiasi elevasi antena horn pyramidal ............43
Gambar 4.1. Hasil fabrikasi antena horn pyramidal ....................................................44
Gambar 4.2. Grafik nilai VSWR hasil pengukuran antena horn pyramidal .................47
Gambar 4.3. Grafik nilai return loss hasil pengukuran antena horn pyramidal ..........48
Gambar 4.4. Grafik smith chart hasil pengukuran antena horn pyramidal .................49
Gambar 4.5.(a) Daya yang diterima antenna uji

ix

................................................51

Gambar 4.5.(b) Daya yang diterima antenna referensi

).......................................52

Gambar 4.6. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth antena horn pyramidal ....53
Gambar 4.7. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi antena horn pyramidal .....54
Gambar 4.8. Grafik perbandingan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran
antena horn pyramidal .................................................................................................54
Gambar 4.9. Grafik perbandingan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran
antena horn pyramidal .................................................................................................55

x

DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Tabel nama band frekuensi ............................................................................ 4
Tabel 2.2. Dimensi waveguide rectangular .................................................................. 13
Tabel 3.1. Dimensi antena horn pyramidal ................................................................. 29
Tabel 3.2. Nilai parameter antena pada simulasi awal ................................................. 32
Tabel 3.3. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan diameter monopole .............. 34
Tabel 3.4. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan jarak monopole .................... 36
Tabel 3.5. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan tinggi monopole .................. 38
Tabel 3.6. Perubahan luas waveguide ........................................................................... 39
Tabel 3.7. Perbandingan dimensi awal antena dengan dimensi setelah optimasi......... 40
Tabel 4.1. Nilai VSWR hasil pengukuran antena horn pyramidal ............................... 47
Tabel 4.2. Nilai return loss hasil pengukuran antena horn pyramidal ......................... 48
Tabel 4.3. Nilai smith chart hasil pengukuran antena horn puramidal.........................49
Tabel 4.4. Hasil pengukuran VSWR, return loss, impedansi ....................................... 50
Tabel 4.5. Gain antena horn pyramidal ........................................................................ 51
Tabel 4.6. Perbandingan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran ................. 55
Tabel 4.7. Perbandingan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran ........... 56
Tabel 4.8. Perbandingan nilai gain hasil simulasi dan hasil pengukuran ..................... 57
Tabel 4.9. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena horn
pyramidal ...................................................................................................................... 57

xi

DAFTAR SIMBOL
Ω

Ohm
Gain antena horn pyramidal

a

Panjang waveguide

b

Lebar waveguide
Panjang horn
Lebar horn
Dimensi miring horn bidang E
Dimensi miring horn bidang H
Tinggi horn bidang E
Tinggi horn bidang H
Directivity bidang E
Directivity bidang H
Intensitas radiasi maksimal
Total daya radiasi
Efisiensi aperture
Luas aperture
Panjang gelombang di ruang bebas
Variabel desain horn
Panjang gelombang pada waveguide
frekuensi kerja antena
frekuensi cut off
Tinggi waveguide
VSWR
Bandwidth
Koefisien refleksi tegangan
Tinggi antena monopole

r

Jarak monopole terhadap penampang waveguide
xii

�

Sudut Azimuth

D

Keterarahan

�

Sudut Elevasi

Keterarahan maksimum
U

Intensitas radiasi
Intensitas radiasi maksimum
Intensitas radiasi pada sumber isotropic
Daya total radiasi

�

R

Kecepatan cahaya (3 × 108 m/s)
Jarak daerah medan jauh antena
Panjang dimensi antena
Impedansi karakteristik
Impedansi antena

D

Dimensi Antena

◦

Derajat

xiii