Desain Antena Helix Dan Loop Pada Frekuensi 2.4 GHz Dan 430 MHz Untuk Perangkat Ground Station Satelit Nano

  Desain Antena Helix Dan Loop Pada Frekuensi 2.4 GHz Dan 430 MHz Untuk Perangkat Ground Station Satelit Nano

  Muhammad Hasan Mahmudy, Eko Setijadi, dan Gamantyo Hendrantoro Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111 email : gamantyo@ee.its.ac.id

  satelit IiNUSAT-02 menjadi 436,5 MHz[2]. Supaya antena

  Abstrak – Desain antena helix 2,4 GHz digunakan untuk downlink sedangkan antena loop 430 MHz digunakan untuk

  loop dapat diaplikasikan untuk satelit IiNUSAT-02 maka

  uplink satelit IiNUSAT-02. Namun dalam perkembangan

  terjadi perubahan frekuensi dalam desain antena loop yang

  penelitian terjadi perubahan frekuensi kerja untuk uplink pada awalnya 430 MHz menjadi 436,5 MHz. satelit IiNUSAT-02 menjadi 436,5 MHz. Supaya Antena loop dapat digunakan pada satelit IiNUSAT-02 maka dilakukan II.

perubahan frekuensi pada antena loop menjadi 436,5 MHz. PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA

Dari hasil simulasi menggunakan software CST 2012 untuk antena helix 2,4 GHz didapatkan nilai return loss sebesar -64,65

  Ada beberapa kriteria desain yang harus dipenuhi pada dB, VSWR 1,007, bandwidth 0,7 GHz, dan gain sebesar 7,4 dBi. perancangan dan pembuatan antena baik antena helix

  Untuk antena loop 436,5 MHz didapatkan nilai return loss

  maupun antena loop sebelum disimulasikan menggunakan

  sebesar -37,608 dB, VSWR 1,02669, bandwidth 5,34 MHz, dan software CST 2012 (computer simulation technology) seperti gain sebesar 8,91 dBi. Sedangkan dari hasil pengujian antena return loss < -10 dB, pola radiasi direksional, VSWR < 2, dan helix 2,4 GHz didapatkan nilai return loss sebesar -26,364 dB, VSWR 1,184, bandwidth 0,33 GHz, dan gain sebesar 5,454 dBi. gain antena > 0 dBi. Untuk antena loop 436,5 MHz didapatkan nilai return loss sebesar -23,154 dB, VSWR 1,197, bandwidth 64,08 MHz, dan A.

   Antena Helix gain sebesar 4,148 dBi. Dari hasil simulasi dan pengujian

  Antena helix adalah antena dengan bentuk geometri

  memungkinkan antena tersebut dapat direalisasikan pada

  dasar berupa tiga dimensi. Helix merupakan kombinasi ground station satelit IiINUSAT-02. bentuk garis lurus, lingkaran, dan silinder[3].

  Kata Kunci ̶̶ Antena helix, antena loop, bandwidth, dan gain

I. PENDAHULUAN

  ROGRAM IINUSAT (Indonesian Inter University

  Satellite) merupakan suatu program kegiatan P

  pengembangan satelit dengan tujuan penguasaan dan pengembangan teknologi luar angkasa oleh beberapa partisipan seperti UGM, UI, ITB, ITS, PENS, ITT Telkom, LAPAN dan mahasiswa Indonesia di TU Delft. Maka sebagai salah satu partisipan ITS membentuk Komunitas Satelit-ITS (ITS-sat) dengan salah satu misi yaitu menciptakan dan mengoperasikan satelit ITS[1].

  Sebelumnya komunitas satelit nano ITS sedang mengembangkan proyek portable transceiver untuk satelit Nano yang bekerja pada frekuensi 430 MHz UHF untuk

  uplink dan 144 MHz VHF untuk downlink yang hanya untuk

  komunikasi data teks. Kedepannya direncanakan satelit S- Band yang dapat bekerja pada frekuensi 2,4 GHz untuk

  downlink pada komunikasi real time video[2]. Untuk itu Gambar 1. Konstruksi antena helix[4]

  diperlukan antena penerima di ground station untuk menerima dan mengirim sinyal berupa gelombang Konfigurasi geometris dari antena helix,diameter D, elektromagnetik yang dari satelit. Antena yang akan di spasi antar lilitan S, dan jumlah lilitan N. Total panjang dari desain adalah antena helix moda aksial untuk downlink pada antena helix adalah L yang didapat menggunakan persamaan frekuensi 2,4 GHz karena moda ini menyediakan gain dan

  L = N x S (1) rasio bandwidth yang tinggi. Dan antena loop untuk uplink untuk niliai circumference C menggunakan persamaan pada frekuensi UHF 430 MHz, kedua antena ditempatkan

  C = π D (2) pada satu ground plane. Namun dalam perkembangan sedangkan untuk mendapatkan desain antena helix dengan s11

  2.22: - 10.5

  1.015 berdasarkan nilai dari axial ratio maka antena helix berpolarisasi sirkular karena nilai axial ratio mendekati satu. Untuk menentukan LHCP atau RHCP dilihat dari gain.

  Gambar 4. VSWR antena helix Gambar 5. Pola radiasi antena helix dapat diketahui nilai gain antena yakni sebesar 7,4 dB.

  Setelah dilakukan simulasi maka didapat nilai medan listrik pada sumbu x sebesar 13823,6 vm

  , sedangkan untuk medan listrik pada sumbu y sebesar 13620,5 vm

  . Dengan menggunakan persamaan

  axial ratio = 13823 ,6

  −1 13620 ,5

  −1 =

  re tur n l os s (dB )

• 70
• 60
• 50
• 40
• 30
• 20
• 10 2,2185 2,3935 2,5685 2,7435 2,9185

  return loss lebih kecil -10 dB, sehingga BW= 2,99-2,22 = 0,7

  Frekuensi (GHz) 2.4: -64.659 2.99: - 10.5

  0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5

  2,1975 2,3025 2,4075 2,5125 2,6175 2,7225 2,8275 2,9325 3,0375 3,1425 Frekuensi (GHz)

  VSWR

  2.22:2.1 2 2.2 2.4 2.45 2.55 2,68 2,83 2.9 2.99

  2.4:1.0017 2.99:2.01 ½ λ

  GHz

  Gambar 3. Return loss antena helix

  dari data return loss didapat nilai bandwidth dari pengurangan frekuensi atas dan frekuensi bawah untuk nilai

  Nilai dimensi antena helix Parameter Nilai Frekuensi 2,4 GHz Panjang gelombang 12,5 cm Jumlah lilitan 3,6 Diameter helix 4 cm Keliling helix 12,5 cm Spasi antar lilitan 3 cm Panjang helix 11,1 cm Diameter groundplane 51,54 cm Diameter tembaga 2 mm Tebal groundplane (aluminium) 1,5 mm

  circumference dari helix harus bernilai

  0,75λ < C < 1,3λ, dan akan mendekati optimum pada saat

  λ

  = 1, nilai spasi antar lilitan helix S ≈

  1

  4 λ dengan jumlah lilitan N > 3.

  Dalam melakukan perancangan antena helix diperlukan beberapa parameter dimensi antena helix yang didapat dari frekuensi kerja dari antena. Untuk parameter yang diperlukan dan nilai dari parameter tersebut ditunjukkan pada tabel 1 Tabel 1.

  B.

   Simulasi Antena Helix

  Dalam simulasi kedua antena diletakkan dalam satu

  ground plane namun karena frekuensi kerjanya berbeda maka dilakukan pencatuan yang berbeda.

  Gambar 2. Simulasi antena dalam satu ground plane

  Dalam simulasi data yang diperlukan adalah data dari parameter dimensi antena helix yang terdapat pada tabel 1, dengan melakukan simulasi didapatkan nilai dari beberapa parameter antena yang meliputi: return loss, VSWR,

  bandwidth, pola radiasi, polarisasi dan gain dari antena,

• 1

  untuk hasil simulasi didapat nilai return loss dari antena helix yang ditunjukkan pada gambar 3.

• 1

maka antena helix baik menggunakan LHCP (left hand s11

  circular polarization). Nilai beberapa parameter dari hasil _-5

  simulasi antena helix yang ditunjukkan pada tabel 2 Tabel 2.

• _-10 Parameter antena helix

  B) _-15 (d Parameter Nilai s 433.7: -10

  439.07: -10 os _-20

  Return Loss -64,659 dB n L

VSWR 1,00117 -25

  tur e R

  Bandwidth 0,7 GHz _-30 436.5: -37.6

  Gain 7,4 dBi _-35 Axial Ratio 1,015

• _-40

  Pola Radiasi Direksional 416,15 433,8 434,7 435,6 436,5 437,3 438,2 439,1

  HPBW

  20 Frekuensi (MHz) Gambar 6. Return loss antena loop C.

   Antena Loop

  Antena loop merupakan antena yang terdiri dari sebuah dari data return loss didapat nilai bandwidth dari lingkaran konduktor listrik dengan ujungnya terhubung pengurangan frekuensi atas dan frekuensi bawah untuk nilai kesaluran transmisi dan mempunyai kontruksi yang

  return loss lebih kecil -10 dB, sehingga BW= 439,07-

  sederhana sehingga mudah untuk diaplikasikan. Antena loop 4,33,73 = 5,34 MHz dikategorikan menjadi dua kategori yaitu electrically small

  and electrically large. Electrically small antenas

  VSWR mempunyai nilai keliling lingkaran (circumference) lebih

  2,2

  kecil dari 1/10 λ (C < 1/10 λ). Sedangkan untuk electrically

  433.7: 2.03 439.07: 2.01

  2 large mempunyai nilai keliling lingkaran (circumference)

  mendekati nilai panjang gelombang (C ~ λ). Gambar 1,8 konstruksi antena loop diyunjukkan pada gambar 4 dengan a

  1,6 1,4 1,2

  436.5: 1.0266

  1 433,4 434,3 435,1 436 436,9 437,8 438,6 439,5 Frekuensi (MHz) Gambar 7. VSWR antena loop

  Gambar 4. Bentuk dari antena loop

  jarak antara loop dan reflekto r dengan range sebesar 0,05 ≤ h ≤ 0,2.

  Dari perhitungan menggunakan persamaan yang ada didapatkan dimensi antena loop 436,5 MHz yang ditunjukkan pada tabel 3.

  Tabel 3. Nilai dimensi antena loop Parameter Nilai

  Frekuensi 436,5 GHz Panjang gelombang 68,7 cm Gambar 8. Pola radiasi antena loop Diameter loop 21.87 cm

  Keliling loop 68,7 cm

  dari hasil simulasi nilai medan listrik pada sumbu x sebesar

  Diameter groundplane 51,54 cm

• 1

  12520,3 vm , sedangkan untuk sumbu y sebesar 18399,4

  Diameter tembaga 3 mm

• 1

  vm . Untuk nilai axial ratio dengan menggunakan

  Tebal groundplane (aluminium) 1,5 mm

  persamaan

  −1 18399 ,4 axial ratio = = 1.469 D.

  −1 Simulasi Antena Loop

  12520 ,3

  Dari hasil simulasi antena loop 436,5 MHz diperoleh beberapa parameter dari antena loop yang ditunjukkan pada dilhat dari nilai axial ratio maka polarisasi antena loop gambar 6, 7. Dan 8 merupakan polarisaasi ellips.

  Parameter antena loop

  s11

  Parameter Nilai Return Loss -37,608 dB

• 10

  VSWR 1,02669 -26,36 dB Bandwidth 5,34 MHz -20

  B) Gain 8,91 dBi

  (d

• 30

  ss Axial Ratio 1,469 o r L

• 40

  Pola Radiasi Direksional tu _simulasi Re

  HPBW

  18

• 50 _pengujian
• 60

  III. PENGUJIAN

• 70 2.22 2.32 2.35 2.38 2.4 2.42 2.45 2.46 2.89

  Parameter antena yang dilakukan pengujian meliputi

  Frekuensi (GHz) return loss, bandwidth,

  VSWR, pola radiasi, dan gain

  Gambar 10. Return loss antena hasil pengujian dan simulai

  antena. Dari data yang didapat akan dilakukan perbandingan parameter yang sama antara hasil simulasi dengan hasil dari data return loss didapat nilai bandwidth sebesar BW = pengujian. Realisasi desain dilakukan berdasarkan hasil 2,69-2,36 = 0,33 GHz perancangan serta simulasi antena helix dan antena loop

  Perbedaan hasil simulasi dan pengujian ini dikarenakan dengan menggunakan software CST, yang sudah memenuhi penyolderan konektor yang kurang sempurna, sehingga syarat dari beberapa parameter antena. Dalam pencatuan berpengaruh pada nilai bandwidth. Hal ini juga berpengaruh antena karena bekerja pada frekuensi yang berbeda maka pada nilai VSWR dari antena helix yang ditunjukkan pada dilakukan dua pencatuan. Pencatuan antena menggunakan gambar 11 konektor tipe N female dengan impedansi

  50Ω. Proses pembuatan antena helix menggunakan tembaga 2 mm yang

  simulasi

  dililitkan pada paralon dengan diameter 4 cm sebagai

  VSWR

  2,2

  penyangga dari antena helix untuk menjaga kondisi helix

  pengujian

  tetap pada posisi yang sesuai dengan hasil perancangan yang terdapat pada tabel 1. Sedangkan untuk antena loop

  1,8

  menggunakan kawat tembaga dengan diameter 3 mm yang

  WR 1,6 S

  diletakkan pada lingkaran kayu sebagai penyangga antena

  V

  loop agar diameter dan posisi loop tidak berubah. Ground 1,4

  plane dari kedua antena terbuat dari aluminium dengan tebal 1,197 1,2

  1,5 mm. Gambar dari realisasi desain kedua antena yang

  1

  ditempatkan dalam satu ground plane ditunjukkan pada

  22.2 2,31 2,37 2,38 2,4 2,41 2,53 2,67 2,89

  gambar 9

  Frekuensi GHz Gambar 11. VSWR antena hasil pengujian dan simulai

  hasil pola radiasi antena helix di tunjukkan pada gambar 12

  Farfield gain ϕ = 90 θ / dB

  Gambar 9. Antena helix dan loop (a) (b) A.

   Antena Helix Gambar 12. P ola radiasi antena helix (a) hasil simulasi, (b) hasil pengujian

  Dari hasil pengujian didapatkan parameter antena helix 2,4 GHz , return loss ditunjukkan pada gambar 10 Setelah dilakukan simulasi didapatkan nilai beberapa parameter yang dapat dilihat pada tabel 5

  Farfield gain ϕ = 90

  Tabel 5. Hasil pengujian dan hasil simulasi antena helix Parameter Simulasi Pengujian

  Return Loss -64,659 dB -26,364 dB

  VSWR 1,00117 1,184 Bandwidth 0,7 GHz 0,33 GHz Gain 7,4 dBi 5,454 dBi HPBW

  49.1

  20 θ/dB B.

   Antena Loop (a) (b)

  Dari hasil pengujian didapatkan beberapa parameter

  Gambar 15. Pola radiasi antena loop (a) hasil simulasi, (b) hasil pengujian

  antena loop 436,5 MHz. Untuk return loss dari antena loop ditunjukkan pada gambar 13

  Gain antena loop dari hasil simulasi sebesar 8,91 dBi

  s11 sedangkan untuk gain rata-rata hasil pengujian sebesar 4,148 dBi dengan gain tertinggi 7,52 dBi, penurunan gain ini

• 5

  disebabkan oleh pengaruh redaman diudara ataupun juga

• 10

  pengaruh interferensi gelombang elektromagnetik disekitar

• 23,154 dB

  B)

• 15

  (d tempat pengujian. s os

  Setelah dilakukan pengujian didapatkan nilai dari

• 20

  n L simulasi beberapa parameter yang ditampilkan pada tabel 6 tur -25 e

  Tabel 6.

  R pengujian

  Hasil pengujian dan simulasi antena loop

• 30

  Parameter Simulasi Pengujian

• 35

  Return Loss -37,608 dB -23,154 dB

• 40 _{416,15 433,4 433,8 434,3 434,7 435,1 435,6 436,06 436,5 436,9 437,3 437,8 438,2 438,6 439,1 480,2}

  VSWR 1,02669 1,197 416,5 434,5 435,6 436,5 437,8 438,6 480,1

  Bandwidth 5,34 MHz 64,08 MHz Frekuensi (GHz)

  Gain 8,91 dBi 4,418 dBi Gambar 13. Return loss antena loop hasil pengujian dan simulasi HPBW 66,5

  18

  dari data return loss hasil pengujian didapat nilai bandwidth sebesar BW = 480,23 – 416,15 = 64,08 MHz. untuk VSWR

  IV. KESIMPULAN dari ditunjukkan pada gambar 14 Hasil simulasi maupun hasil pengujian antena helix

  VSWR 2,4 GHz dan antena loop 436,5 MHz telah memenuhi

  2

  kriteria desain awal. Untuk antena helix 2,4 GHz mempunyai nilai return loss sebesar -26 dB dengan

  1,8

  koefesien refleksi Γ = 0,05, VSWR = 1,184, dan gain =

  1,6 WR

  5,454 dBi. Adapun untuk bandwidth dari antena helix

  S

  V

  sebesar 0,33 GHz, berpolarisasi sirkular dengan nilai axial

  1,4 ratio = 1.015. Antena loop 436,5 MHz menghasilkan nilai

  1,197 dB pengujian pengukuran

  1,2 return loss sebesar -23 dB dengan koefesien refleksi

  Γ =

  simulasi

  0,05, VSWR = 1,197, dan gain = 4,418 dBi. Adapun untuk

  1 bandwidth dari antena helix sebesar 64,08 MHz,

  400 416,15 425,43 436,5 450,64 460,53 480,24 490 berpolarisasi secara ellips dengan nilai axial ratio = 1.469 .

  Frekuensi (MHz)

  Perbedaan nilai return loss dan VSWR dari hasil pengujian

  Gambar 14. VSWR antena loop hasil pengujian dan simulasi

  dan simulasi dikarenakan loss saat fabrikasi, sedangkan untuk perbedaan gain dan pola radiasi hasil pengujian dan simulasi bisa dikarenakan pengaruh gelombang elektromagnetik yang terdapat di sekitar tempat pengujian, namun hasil yang didapatkan sesuai dengan kriteria desain awal sehingga antena dapat diaplikasikan untuk perangkat

  ground station satelit IiNUSAT-02. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat

  Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui program pengembangan stasiun bumi untuk komunikasi data, citra, dan video dengan satelit LEO VHF/UHF/S-Band menuju kemandirian teknologi satelit.

  DAFTAR PUSTAKA

  [1]. “ INSPIRE” [2].

  IINUSAT, “Preliminary Design Review”, 2010. [3]. Balanis,Constantine A., Antenna Theory Analysis And Design, Canada: John Wiley & Sons.2005 _rd [4]. Kraus, J.D and Marhefka, R.J., Antennas : for all Application, 3 ed., Mc. Graw Hill, New York,2002