TE-­‐10 DIPOLE CETAK 900 MHZ DAN 1800 MHZ UNTUK ANTENA REFERENSI Hendro Darmono

   

DIPOLE CETAK 900 MHZ DAN 1800 MHZ UNTUK ANTENA REFERENSI

Hendro Darmono

  Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang

  hendrodarmonoo@gmail.com

ABSTRACT

  The objective of the research is to design the shape and size of the printed dipole antenna that

will radiate energy at two 900 MHz and 1800 MHz frequencies. The antenna is printed on a FR4 double

layer PCB with a 30 µm copper conductor thickness. The parameters tested were return loss, radiation

pattern and antenna gain. The calculation of physical size yields a first arm size of 65 mm, and a second

arm 25.8 mm. The antenna test results resonate at frequencies 916 MHz and 1848 MHz, return loss -19.8

dB at 916 MHz frequency with bandwidth of 280 MHz, and -14 dB at 1848 MHz frequency with 55 MHz

bandwidth. Radiation pattern test results produce a directional pattern. The results of the strengthening

test showed a value of -0.78 dB for a frequency of 916 MHz and at a frequency of 1884 resulted in a gain

of -1 dB. Designed antennas have constraints in the design of balance to unbalance ¼ λ which only works

on one frequency but the design antenna can be used as a reference antenna at 900 MHz frequency.

  Keywords: dipole antenna, return loss, radiation pattern, and gain

ABSTRAK

  Tujuan penelitian adalah merancang bentuk dan ukuran antena dipole cetak yang akan

meradiasikan energi pada dua frekuensi 900 MHz dan 1800 MHz. Antena dicetak pada PCB lapisan

ganda FR4 dengan ketebalan konduktor tembaga 30 µm. Parameter yang diuji adalah return loss, pola

radiasi dan penguatan antena. Perhitungan ukuran phisik menghasilkan ukuran lengan pertama 65 mm,

dan lengan kedua 25.8 mm. Hasil pengujian antena beresonansi pada frekuensi 916 MHz dan 1848 MHz,

return loss -19.8 dB pada frekuensi 916 MHz dengan bandwidth 280 MHz, dan -14 dB pada frekuensi

1848 MHz dengan bandwidth 55 MHz. Hasil pengujian pola radiasi menghasilkan pola direksional. Hasil

pengujian penguatan menunjukkan nilai -0,78 dB untuk frekuensi 916 MHz dan pada frekuensi 1884

menghasilkan penguatan -1 dB. Antena hasil perancangan mempunyai kendala dalam perancangan

balance to unbalance ¼ λ yang hanya bekerja pada satu frekuensi namun demikian antena hasil

perancangan dapat digunakan sebagai antena referensi pada frekuensi 900 MHz.

  Kata kunci: antena dipole, return loss, pola radiasi, dan penguatan

    PENDAHULUAN

  Antena dipole banyak diaplikasikan pada sistem telekomunikasi diantaranya sebagai antena penerima televisi sampai pada jaringan telekomunikasi nirkabel 2,4 GHz. Selain mempunyai kelebihan, antena dipole juga memiliki kekurangan. Salah satu kelebihannya adalah keterarahan pemancaran gelombang elektromagnetik dan kekurangannya adalah nilai gain yang tidak cukup besar nilainya. Pengujian antena dalam sebuah laboratorium, salah satu antena acuan yang digunakan diantaranya antena

  

dipole karena dapat dikorelasikan langsung dengan isotropik. Pengujian untuk antena

  mikrostrip telah banyak dilakukan yang mencakup pengujian polarisasi, polaradiasi, dan pengujian gain antena. Pengujian gain antena memerlukan antena referensi dan antena referensi yang sering digunakan adalah antena dipole non mikrostrip. Pengujian gain antena mikrostrip dengan antena acuan berstruktur mikrostrip atau cetak belum banyak dilakukan dengan alasan belum terstandarisasi.

  Penelitian antena dipole cetak telah banyak dilakukan Z.G Fan (2009), tentang pengaruh rekaraya bentuk pentanahan terhadap kinetja antena, Constantionus Votis (2010) tentang pengaruh jarak antar peradiasi terhadap impedansi antena, C.F. Tseng (2009) tentang rekayasa bentuk peradiasi untuk perbaikan bandwidh impedance. Namun demikian penelitian tersebut di atas untuk antena yang bekerja pada satu frekuensi resonansi tertentu sehingga diduga penelitian antena dipole cetak yang menghasilkan lebih dari satu frekuensi resonansi untuk kebutuhan pengujian antena belum dilakukan.

  Rumusan Masalah dalam penelitian ini adalah (1) Bagaimana bentuk dan ukuran antena dipole yang beresonansi pada frekuensi 900 MHz dan 1800 MHz, (2) Berapa

  

gain antena dipole mikrostrip terhadap antena dipole batang standar yang digunakan

sebagai acuan.

  Tujuan dari penelitian ini adalah merancang antena dipole cetak yang dapat digunakan sebagai antena referensi pada frekuensi 900 MHz dan/atau 1800 MHz.

  Metode Penelitian

  Metoda yang digunakan pada penelitian adalah eksperimen yang mencakup perencanaan bentuk dan ukuran antena, bahan antena, dan pengujian parameter antena. Parameter yang diuji adalah panjang lengan dipole terkait dengan frekuensi resonansi,

   

  dan panjang transformer terhadap nilai impedansi di titik catu antena sedangkan pengujian mencakup pengujian return loss, gain, polaradiasi, dan polarisasi.

2.1 Perancangan

  Frek. 900 MHz Frek. 1800 MHz

  !

  1

  2 x0.1671  m

  1

  2 λ = 0.08355  m

  1

  2 λ = 83.55  mm

  Penentuan panjang transformer ¼ λ pada dipole, frekuensi resonansi yang dipilih adalah frekuensi tengah pada range frekuensi sebesar f r = 1385MHz, maka panjang saluran transformer (L T ) (Johnson, 1993:7-5):

  λ = c f

  λ = 3x10

  1

  !

  1385x10

  !

  λ = 0.2166  m L

  !

  =

  1

  4 λ

  2 λ =

  λ = 0.1671  m

  λ = c f

  1

  !

  λ = 3x10

  !

    / 925x10

  !

    λ = 0.3243  m

  1

  2 λ =

  2 x0.3243  m

  !

  1

  2 λ = 0.16215  m

  1

  2 λ = 162.15  mm

  λ = c f

  !

  λ = 3x10

  

!

  Perancangan mencakup perancangan bentuk antena dan ukuran antena. Hasil perhitungan diuji dengan perangkat lunak sehingga diperoleh hasil yang diharapkan. Ukuran dipole diperoleh dengan memposisikan panjang masing masing lengan 1/4 λ sehingga panjang keseluruhan ½ λ. Faktor pemendekan dipertimbangkan agar impedansi pada titik catu peradiasi bersifat resistansi.

    / 1795x10

   

  1 L = x  0.2166  m

  !

  4 L = 0.05415  m

  !

  L = 54.15  mm

  !

  Penentuan lebar saluran (W Z ) antena dengan Z o yang diinginkan 50  Ω digunakan persamaan (Johnson, 1993:7-5):

  377 h

  !

  Z = ε W

  ! !

  dari persamaan di atas, dapat diketahui nilai W Z sebagai berikut : 377 h

  W =

  !

  ε

  !

  Z

  !

  377

1.47 W

  =

  !

  50

  4.4 554.19

  W =

  !

  104.8808848 W

  ≈ 6.00  mm

  !

  Bentuk dan ukuran antena direncanakan berdasarkan konsep frekuensi resonansi dan konsep transformasi dipole ke monopole. Bentruk dipole terdiri atas dua elemen dengan panjang yang tidak sama. Elemen pertama akan beresonansi pada frekuensi yang lebih rendah dan elemen kedua beresonasi pada frekuensi lebih tinggi. _{mm mm 6 81 mm 6 mm mm 42 mm 42 mm 6 81 mm 6}

_{.15 .15}

₅₄

mm mm

_{54 10}

mm mm

_{21.56 mm}

₁₀ Gambar 1 Bentuk dan ukuran antena berdasarkan perhitungan

   

2.2 Pengujian dengan Perangkat Lunak

  Pengujian dengan perangkat lunak diperlukan agar bentuk dan ukuran antena diperoleh sesuai dengan harapan. Hasil pengujian dengan perangkat lunak diperliharkan pada Tabel 1.

  

Tabel 1 Hasil simulasi return loss antena dipole

Return Loss (dB)

  Frek. Pengurangan ukuran masing-masing lengan ( MHz )

  10

  12

  14

  16 mm mm mm mm mm

• 14.3 -14.7 -16.0 -15.7 -18.6

  900

• 14.3 -14.6 -15.9 -15.1 -17.6

  925

• 14.2 -14.5 -15.7 -15.2 -16.7

  930

• 14.1 -13.7 -14.7 -13.7 -13.9

  1790

• 13.7 -13.2 -13.7 -13.7 -13.9

  1795

• 12.5 -12.5 -13.50 -12.4 -12.6

  1800

  Hasil menunjukkan bahwa ukuran peradiasi antena yang sesuai adalah 65 mm dan 25,8 mm. _{6 mm mm 65.00 mm 65.00 mm mm mm 6 25.8 mm 25.8 mm 6 6}

_{10 mm 10 mm}

_{5 4}

_{.1 .1}

₅

mm mm

_{5 4 5}

  

20 mm

Gambar 2 Ukuran antena dari hasil simulasi

  Ukuran antena yang akan diuji kemungkinan tidak sama dengan nilai ukuran yang dimaksud karena keterbatasan teknologi proses cetak.

  

Gambar 3 Tampak depan antena dipole

   

Gambar 4 Tampak belakang antena dipole

HASIL DAN PEMBAHASAN

  Pengujian parameter antena mencakup pengujian return loss, pengujian pola radiasi, dan gain antena d engan rentang frekuensi 890 MHz sampai 960 MHz, dan 1710 MHz

  sampai 1880 MHz.

  Pengujian Return Loss Tujuan pengujian return loss adalah untuk mengetahui nilai return loss dari antena.

  Pengujian return loss menggunakan perangkat spectrum analyzer yang dilengkapi dengan sebuah directional coupler, dan konektor adapter dari SMA ke BNC sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 5

  

Gambar 5 Koneksi pengujian return loss

  Hasil pengujian return loss menunjukkan bahwa antena beresonansi pada dua frekuensi yaitu pada frekuensi 916 MHz dan 1848 MHz seperti diperlihatkan dalam Gambar 6. yang menujukkan nilai return loss antena dipole pada frekuensi 916 MHz sebesar - 42,8 dBm dan -37 dBm pada frekuensi 1848 MHz. Nilai yang terbaca sebesar

• 42,8 dBm belum merupakan nilai sebenarnya dari nilai return loss antena. Nilai yang

   

  terbaca mencakup pelemahan directional coupler (DC) sebesar 20 dB dan acuan perangkat sebesar -3 dB dengan demikian nilai return loss dari AUT (antenna under

  test) sebesar -19.8 dB. _{-33.5 -32.5 f H = 1130 MHz} f L = 850 MHz _{Bandwidth = 280 MHz}

Gambar 6 Hasil pengujian return loss pada fr= 916 MHz.

  Nilai return loss yang terbaca pada frekuensi 1848 MHz sebesar - 37 dBm, sedang pada frekuensi 1825 MHz dan terbaca -35.5 dBm pada frekuensi 1880 MHz, dengan demikian nilai return loss antena pada kedua frekuensi tersebut berturut turut sebesar - 14 dBm dan -12,5 dBm sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 7

• _{-35.5 f L = 1825 MHz Bandwidth = 55 MHz}

  f H = 1880 MHz

Gambar 7 Hasil pengujian return loss pada fr= 1848 MHz.

  Nilai return loss (RL) antena mempunyai kaitan erat dengan parameter SWR (standing wave ratio) dan nilai koeffisien pantul antena. Keterkaitan parameter tersebut dijabarkan sebagaimana dituangkan pada persamaan

  R L = 20 log |Г|

• 19.8 = 20 log |Г|

   

  |Г|= 0.102 Hasil perhitungan koefisien pantul Г| dapat diperoleh nilai VSWR sebesar 1.227 dan nilai impedansi input antena (Z in ) pada frekuensi resonansi 916 MHz sebesar

  !

  Z − Z

  !"

  Г             =

  !

  Z + Z

  !"

  Z − 50Ω

  !"

  0.102 =

• 50Ω Z

  !" !"

  Z           = 61.359  Ω Perbandingan nilai return loss simulasi dan pengukuran untuk rentang frekuensi 850 MHz s/d 1130 MHz ditampilkan pada grafik sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar

8 Bm)

  Frekuensi 850 890 916 925 960 1110 1130

  (d s

  MHz ( ) os

• -9.5 -9.5

13

   L -11.6

• 14.7 Hasil -13.5 -13

  rn

• 16 -16.6 -16.1 Simulasi

  tu -15.5

• 20 -18

  Re

• 19.8 -19 Hasil Pengukuran -30

  

Gambar 8 Grafik perbandingan return loss hasil simulasi dan pengujian

Pengujian Gain Antena

  Pengujian gain antena dipole dilakukan untuk mengetahui berapa nilai gain antena jika dibandingkan dengan antena dipole batang yang selama ini digunakan sebagai antena acuan pada setiap pengukuran antena. Hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel

  2 Tabel 2 Hasil pengujian gain antena dipole

  

No. Frek E E Gain

ref AUT (MHz) dipole dipole (dB) batang mikrostrip

  

λ/2 (dB) (dB)

1 890 -48.3 -49.9 -6.4

2 900 -43.4 -45.4 -2

3 910 -42.8 -43.9 -1

4 912 -43.4 -45.4 -2

5 914 -43.5 -44.6 -1.1

    6 916 -43.5 -42.3

  0.8 No. Frek (MHz) E ref antena dipole batang

  o dengan jarak antena pemancar dan penerima dijaga tetap.

  sampai 360

  o

  Tujuan pengujian pola radiasi adalah untuk mengetahui bentuk pola radiasi antena dipole menggambarkan diagram polar pola radiasi antena. Pengujian pola radiasi dilakukan dengan cara memutar secara azimuth antena penerima (dipole) dari 0

  

Rata-rata -59.2 -60.2 -1.05

Pengujian Polaradiasi

  (dBd) 13 1860 -51.4 -54.9 -3.5 14 1880 -55.3 -60.3 -5

   λ/2 (dB) E AUT dipole mikrostrip (dB) Gain

  1.1 10 1844 -52.2 -50.9 1.3 11 1846 -52.8 -52.2 0.6 12 1848 -53.2 -52.4

  1.2

7 918 -43.1 -44.1 -1

8 920 -43.8 -43.6

  0.5 8 1840 -53.4 -54.1 -0.7 9 1842 -52.9 -51.8

  (dBd) 1 1710 -72.5 -75.7 -3.2 2 1730 -70 -72.2 -2.2 3 1750 -63.9 -64.9 -1 4 1770 -67.1 -67.5 -0.4 5 1790 -61.3 -62.7 -1.4 6 1810 -58.6 -60.2 -1.6 7 1830 -63.6 -63.1

   λ/2 (dB) E AUT dipole mikrostrip (dB) Gain

  Tabel 3 Hasil pengujian gain antena dipole frekuensi untuk 1710 s/d 1884 MHz No. Frek (MHz) E ref antena dipole batang

  Pada rentang frekuensi 890 MHz s/d 960 MHz, antena dipole mikrostrip mempunyai nilai gain yang lebih rendah dibanding dipole batang. Hal ini dapat dimengerti bahwa secara struktur phisik antena dipole batang lebih besar dan alasan kedua adalah daya yang diterima pada titik catu antena mikrostrip lebih kecil dibanding antena dipole batang. Demikian pula pada rentang frekuensi 1710 MHz s/d 1880 MHz, gain antena mikrostrip lebih rendah 1,05 dB.

  0.2

rata-rata -44.6 -45.1 -0.78

  1 11 950 -46.5 -45.7 0.8 12 960 -41.5 -41.7

  0.2 9 930 -48.2 -48.9 0.7 10 940 -47.1 -46.1

  Antena undertest terhubung dengan spectrum analyzer dan antena referensi terhubung

   

  dengan signal generator. Pada pengujian ini antena dipole mikrostrip berfungsi sebagai antena undertest. Hasil pengujian ditunjukkan dalam Gambar 9 untuk frekuensi 916 MHz. Pola radiasi yang diperoleh adalah directional dengan nilai maksikum pada sudut 20 ° dan nilai minimum pada sudut 90 °. Demikian pula untuk frekuensi 1884 MHz, Pola radiasi yang diperoleh adalah directional dengan nilai maksikum pada sudut 20 ° dan nilai minimum pada sudut 90 °. Pada sudut 0°, besarnya daya yang diterima lebih rendah jika dibandingkan sudut 10° . Hal ini disebabkan adanya pemantulan pada ruang uji yang sifatnya dapat melemahkan sinyal yang langsung arah antena. Back lobe dan side lobe yang muncul pada pola terjadi karena radiasi pada arah yang tidak diinginkan dan tidak dapat dihilangkan serta kemungkinan pengaruh pemantulan- pemantulan pada ruang.

  Pola  radiasi  

0  

350   10  

  0  

340   20  

0  

  0  

330   30  

• -­‐0.8   -­‐0.8  

• -­‐0.5  >­‐2  

• ­‐1.2 &n
• ­‐1.2  

  320   40  

• ­‐4  

  

310   50  

• -­‐3   -­‐3  

• ­‐6  

  

300   60  

MAIN  LOBE  

• ­‐4  
• ­‐4 &n
• ­‐8  

  

290   70  

• ­‐10  

  

280   -­‐6.7  -­‐9.1   80  

• ­‐9.1  -­‐6.7  
• ­‐12 &n>­‐7.1  
• ­‐7.1  

  270   -­‐5.4   -­‐5.4   90  >­‐14  

• -­‐10.7   -­‐10.7  

  260   100  >­‐8.7  

• ­‐8.7   -­‐10.2 &n>

  -­‐12.6   -­‐12.6  

• ­‐10.2  

  250   -­‐9.7   110  >­‐9.8  

• ­‐9.8 &n

• -­‐10.5   -­‐10.5  

• -­‐9.1   -­‐9.1  

  240   -­‐8.5   -­‐8.5   120  

  230   130  

  BACK  LOBE  

220   140  

210   150  

  

200   160  

190   170  

180  

  

Gambar 9 Diagram polar pola radiasi antena dipole pada frekuensi 916 MHz

   

Pola  radiasi  

  

0  

350   10   0  

  340   20   330   30  

0   -­‐2.4   0  

• ­‐1   320   -­‐2   -­‐1   40  
• ­‐1.4 &n>­‐1.4  

• -­‐1.3   -­‐1.3  

  310   50 &n
• ­‐4  

  

MAIN  LOBE  

300   60  

• ­‐4  
• ­‐4 &n
• ­‐6  

  290   70  

• ­‐4.5  
• ­‐4.5 &n>

  -­‐5.3   -­‐8   -­‐5.3  

  280   80  
• ­‐9.7 &n>­‐9.7   270   -­‐4.7   -­‐4.7   90  
• ­‐10 &n>

  -­‐4.3   -­‐4.3  

  260   100  

• -­‐7.9   -­‐7.9  >

  -­‐4   -­‐4  

  250   110  

• -­‐5.9   -­‐5.9  >

  -­‐6.1   -­‐6.1  

• -­‐6.7   -­‐6.7  

  240   120  >

  -­‐4.8   -­‐4.8  

  230   130  

• ­‐3.9 &n

• -­‐5   -­‐5  

  220   140  

  BACK  LOBE  

210   150  

200   160  

  

190   170  

180  

Gambar 10 Diagram polar pola radiasi antena dipole pada frekuensi 1844 MHz

  Kesimpulan

  Berdasarkan hasil perencanaan dan pengujian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

  1. Hasil pengujian antena dipole didapatkan nilai ukuran lengan pertama 65 mm dan lengan kedua 25,8 mm yang menghasilkan frekuensi resonansi pertama 916 MHz dan 1884 MHz

  2. Gain antena mikrostrip pada rentang frekuensi 890 MHz s/d 960 Mhz bernilai lebih rendah 0,78 dB dibanding dipole batang dan lebih rendah 1,05 dB untuk rentang frekuensi 1710 MHz s/d 1880 MHz.

  DAFTAR PUSTAKA Balanis, Constantine A. 2005. Antena Theory Analisis dan Design Third Edition.

  New York: John Wiley & Sons, Inc. Brown. 1982. Line, Wave and Antenna, Wiley, USA Constantinus Votis, Measurement of Balun and Gap Effects in a Dipole Antenna, Int. J

  Communications, Network and System Sciences, 2010, 3, 434-440

  C.F Tseng, Design of a Plannar UWB Dipole Antenna with Band Notched

  Characteristic, Progress In Electromagnetics Research, Vol 11. 1 – 10, 2009

  Garg, 2002. Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, Norwood, England Nasimuddin. 2011. Microstrip Antenas. India: Intechweb, Org. Sinnema W.1988. Electronic Trasmission Technology, Prentice Hall, New Jersey, USA. p 15 – 17

   

  Wong. 2002. Compact and Broadband Microstrip Antennas. John Wiley and Sons, Inc, New York. Z. G Fan, 2007, A Miniaturized Printed Dipole Antenna with V Shaped Ground for

  2,45 GHz RFID Reader, Progress in Electromagnetics Research, PIER 71, 149- 158