Optimasi saluran pencatu antena mikrostrip patch segi empat dualband 2 elemen pada aplikasi band selular 1800 Mhz dan WLAN 2400 Mhz Chapter III V
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Umum
Pada penelitian ini, dirancang antena mikrostrip patch segi empat (AMPSE)
dualband 1 elemen dan pengembangannya sehingga menjadi AMPSE dualband 2
elemen dengan optimasi pada saluran pencatu T-junction multiple section. AMPSE
dualband 2 elemen ini diharapkan dapat mencapai bandwidth broadband yang dapat
bekerja pada band frekuensi selular 1800 MHz dan WLAN 802.11b 2400 MHz.
3.2.
Spesifikasi Perancangan Antena Mikrostrip Dualband
Secara garis besar, rancangan yang digunakan pada penelitian ini adalah
rancangan antena mikrostrip patch segi empat 1 elemen dan 2 elemen dengan
optimasi saluran pencatu. Rancangan tersebut digunakan untuk mengetahui
karakteristik dari parameter antena yang telah dicapai dan membandingkannya
dengan target penelitian seperti pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Target spesifikasi rancangan AMPSE dualband
Parameter
FR1
FR2
BW lower band
BW upper band
Gain
VSWR
Return Loss (S11)
Beamwidth (HPBW)
Spesifikasi
1800 MHz
2400 MHz
170 MHz (1710/1880)
83,5 MHz (2400/2483.5)
> 3 dB
650
41
Universitas Sumatera Utara
FR1 merupakan frekuensi resonansi pertama pada lower-band selular 1800
MHz. FR2 adalah frekuensi resonansi kedua pada band WLAN 2400 MHz. Bandwidth
(BW) lower-band adalah target dari lebar band BW = 170 MHz pada band LTE 1800
MHz (1710 MHz – 1880 MHz). Target BW upper-band adalah 83.5 MHz pada band
WLAN 2400 MHz (2400 MHz – 2483.5 MHz). Gain merupakan penguatan antena
mikrostrip dualband 2 elemen dengan target gain > 3 dB . Target VSWR AMPSE
dualband adalah < 2, target return loss pada RL < - 10 dB dan target lebar berkas
antena mikrostrip dengan beamwidth > 650.
3.3.
Diagram Alir Penelitian
Parameter yang diperlukan untuk rancangan antena mikrostrip dengan patch
segi empat konvensional adalah lebar dan panjang patch, termasuk juga lebar dan
panjang dari saluran pencatu. Proses yang dilakukan secara keseluruhan dalam
penelitian untuk mendapatkan rancangan antena mikrostrip dengan saluran pencatu
dapat digambarkan dengan sebuah diagram alir dari penelitian AMPSE dualband 2
elemen, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.1.
Tahap perancangan antena mikrostrip patch segiempat dualband 2 elemen
dengan optimasi saluran pencatu ini dapat dijelaskan sebagai berikut :
a) Menentukan jenis substrat dan frekuensi kerja.
Pada rancangan ini, frekuensi yang digunakan adalah frekuensi dualband
untuk komunikasi selular 4G/LTE 1800 MHz dan komunikasi wireless LAN
2400 MHz.
42
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1. Diagram alir penelitian AMPSE dualband 2 elemen
43
Universitas Sumatera Utara
b) Perhitungan dimensi patch rectangular dengan persamaan teoritis. Untuk
menentukan dimensi antena mikrostrip adalah dengan menggunakan
Persamaan (2.19) hingga Persamaan (2.23) dimana nilai f1 = 1800 MHz
dan f2 = 2400 MHz.
c) Penggunaan simulator untuk mendapatkan rancangan antena optimal
dengan menggunakan dimensi rancangan awal antena mikrostrip patch segi
empat.
d) Melakukan iterasi simulasi dengan parameter yang diamati adalah nilai
VSWR dan return loss.
e) Menambahkan teknik iterasi (perubahan dimensi patch, pencatu, inset dan
pergeseran posisi pencatu) untuk mendapatkan nilai parameter optimal
dalam simulasi untuk AMPSE dualband 1 elemen.
f) Merancang saluran pencatu untuk AMPSE dualband 2 elemen dengan Tjunction multiple section.
g) Merancang AMPSE dualband 2 elemen dengan menggunakan rancangan
saluran pencatu dan dimensi patch dari AMPSE dualband 1 elemen.
h) Melakukan pabrikasi antena setelah diperoleh nilai parameter optimal.
i) Melakukan pengukuran antena mikrostrip hasil pabrikasi menggunakan
alat ukur.
j) Melakukan pengujian fungsi AMPSE hasil pabrikasi dengan perangkat
yang bekerja pada teknologi LTE 1800 MHz dan WLAN 2400 MHz.
44
Universitas Sumatera Utara
k) Melakukan pengamatan dan analisis parameter hasil pengukuran antena
mikrostrip dengan hasil simulasi.
l) Rancangan antena hasil pabrikasi secara keseluruhan sudah optimal.
3.4.
Alat dan Bahan
Peralatan dan bahan yang dibutuhkan dalam penelitian adalah sebagai berikut:
1. Tahap simulasi dibutuhkan perangkat keras komputer/laptop dengan
perangkat lunak Simulator microwave office AWR 2004, microsoft excel,
microsoft word dan microsoft office visio 2007.
2. Tahap pabrikasi, dibutuhkan bahan material substrate FR4 (epoxy) double
side.
3. Tahap pengukuran, diperlukan solder, timah putih, SMA connector
(female) dan alat ukur Vector Network Analyzer (VNA) yang memiliki 2
port.
4. Tahap pengujian dibutuhkan smartphone android, signal shield, kabel
pigtail dan perangkat lunak aplikasi android.
3.5.
Dimensi Antena Mikrostrip
Dimensi antena mikrostrip termasuk di dalam nya menentukan dimensi patch
dan saluran pencatu. Perhitungan untuk mendapatkan dimensi antena mikrostrip
disesuaikan dengan frekuensi resonansi dari kebutuhan antena yang akan diteliti.
45
Universitas Sumatera Utara
3.5.1. Dimensi patch
Dengan diketahui pengunaan substrate epoxy dengan
= 4,4 dan h = 1,6
mm serta nilai f1 = 1800 MHz dan f2 = 2400 MHz (fr = 2100 MHz), maka dapat
dihitung dimensi patch sebagai berikut.
Menentukan nilai lebar patch W dengan menggunakan Persamaan (2.19):
=
=
(
2
3 10
2(2,1 10
+ 1)
2
)
/
(4 ,4 + 1)
2
W = 4,347 cm = 43,35 mm
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator skala 1:1, maka lebar patch antena
mikrostrip menjadi:
W=
,
≈
Menentukan panjang patch L digunakan Persamaan (2.20) sampai Persamaan (2.23):
reff
r 1 r 1
2
h
1 12
2
W
1 / 2
1 / 2
0,16
4,4 1 4,4 1
reff
1 12
4.3347
2
2
2,7 1,70,3465 2,7 (0,589) 3,289
Leff
c
2 f r reff
46
Universitas Sumatera Utara
Leff
30
30
3,937cm
2(2,1) 3,289 7,62
W
( reff 0,3) 0, 264
L
h
0,412
W
h
( reff 0,258) 0,8
h
ΔL = 0,0798 cm
Sehingga diperoleh nilai panjang patch L:
L Leff 2 L
L = 3,785 cm = 37,85 mm
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator skala 1:1, maka panjang
patch antena mikrostrip menjadi:
L = 37,85
≈
3.5.2. Dimensi saluran pencatu
Menentukan lebar saluran pencatu dengan impedansi Z0 = 50 Ω dapat
menggunakan Persamaan (2.5) :
=
2
− 1 − ln(2 − 1) +
2
−1
ln( − 1) + 0,39 −
0,61
47
Universitas Sumatera Utara
=
=
1,6
=
2
377
2 √
377
2(50)√4,4
= 5,64
(2(5,64) − 1) +
5,64 − 1 − ln
=3
0,61
4,4 − 1
ln(5,64 − 1) + 0,39 −
4,4
2(4,4)
Panjang saluran pencatu adalah sepanjang quarter wave atau 1/4 λg. Sehingga
kebutuhan panjang saluran pencatu 1/4 λg dapat dihitung dengan menggunakan
Persamaan (2.28) [14]:
=
=
3 10
2,1
/
=
300
2,1
=
= 142,86
142,86
√3,28 9
= 78,77
=
1
(78,77) = 19,69
4
48
Universitas Sumatera Utara
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator maka panjang saluran pencatu 50
Ω menjadi:
3.5.3. Dimensi substrat
l = 19,69 ≈
Dimensi lebar dan panjang dari substrat antena mikrostrip dapat dihitung
sesuai dengan Persamaan (2.29) dan (2.30), sehingga lebar substrat adalah.
= 6ℎ +
= 6 (1,6) + 43
= 9,6 + 43 = 52,6
≈ 53
Untuk panjang substrat dengan L adalah panjang patch + panjang pencatu, maka :
= 6ℎ +
= 6(1,6) + (38 + 20)
+
= 9,6 + 58 = 68,6 ≈ 69
Lebar substrat adalah 53 mm dan panjang substrat adalah 69 mm.
3.5.4. Dimensi saluran T-junction
Saluran T-junction diperlukan untuk perancangan antenna mikrostrip array 2
elemen yang dibentuk seperti huruf T (T-junction) atau disebut sebagai parallel feed
atau corporate feed, dengan dua saluran mikrostrip 50 Ω dan diantaranya saluran
mikrostrip penghubung. Quarter wave T-junction umumnya dipakai sebagai pembagi
daya (power divider) pada antena 2 elemen.
49
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 menunjukkan suatu T-junction simetrikal dengan pembagian
Transformer
impedansinya.
ditunjukkan
dengan pembagian
pada
junction.
Transformer menunjukkan perubahan pada impedansi yang juga berpengaruh pada
perubahan lebar saluran mikrostrip.
Lebar saluran pencatu 100 ohm dapat diperoleh dengan menggunakan
Persamaan (2.5).
=
2
− 1 − ln(2 − 1) +
=
=
1,6
=
2
2
−1
ln( − 1) + 0,39 −
0,61
377
2 √
377
2(100)√4,4
= 2,82
2,82 − 1 − ln(2(2,82) − 1) +
4,4 − 1
0,61
ln(2,82 − 1) + 0,39 −
2(4,4)
4,4
= 0,62
Untuk panjang saluran pencatu 100 Ω adalah ¼ λg atau :
1
= (100) = 19,7 ≈
4
Saluran transformer power divider dapat dihitung sesuai dengan multiple
section pada Bab 2 Gambar 2.11 dan Persamaan (2.32) sampai Persamaan (2.34),
50
Universitas Sumatera Utara
dengan ZL=50 Ω dan Z0=100 Ω, maka ZA dan ZB dapat diperoleh nilai impedansi dan
lebar saluran mikrostrip nya sebagai berikut.
=
50
= 0,5
100
= 100 (0,5)
=
= 84 Ω
= 1,06
=
= 100 (0,5) = 59,46 ≈ 60 Ω
= 2,2
Pada perancangan ini memiliki 2 tingkat saluran mikrostrip pada sumbu vertikal
sehingga kebutuhan panjang saluran pencatu 1/8 λg dengan Persamaan (2.28) [14]:
=
=
3 10
2,1
/
=
300
2,1
=
= 142,86
142,86
√3,28 9
= 78,77
51
Universitas Sumatera Utara
=
1
(78,77) = 9,85
8
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator maka panjang saluran pencatu 50
Ω menjadi:
l = 9,85 ≈
Sehingga dihasilkan rancangan saluran pencatu T-junction multiple section pada
Gambar 3.2.
Z = 50 Ω
L = 1/8 λ
ZA = 84 Ω
L = 1/8 λ
ZB = 60 Ω
L = 1/16 λ
Z = 50 Ω
L = 1/8 λ
Z = 100 Ω
L = 1/4 λ
Z = 50 Ω
L = 1/8 λ
ZA = 84 Ω
L = 1/8 λ
ZB = 60 Ω
L = 1/16 λ
Gambar 3.2. Rancangan saluran pencatu AMPSE 2 elemen
Rancangan saluran pencatu dengan T-junction multiple section dari Gambar
3.2, dibutuhkan sebagai saluran pencatu pada AMPSE 2 elemen dengan tujuan untuk
mendapatkan AMPSE dualband dengan bandwidth lebar (broadband).
3.6.
Metode Simulasi Antena Mikrostrip
Hasil perhitungan AMPSE disimulasikan dengan menggunakan perangkat
lunak simulator microwave office AWR 2004.
52
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah tampilan simulator microwave office AWR 2004 dalam
tampilan memulai suatu project baru.
Gambar 3.3. Memulai project baru pada AWR microwave office 2004
Dalam membuat project baru, pilih tab project kemudian add EM structure,
dilanjutkan new EM structure. Pilih create sehingga menampilkan jendela baru
dengan sheet kosong yang dapat di isi dengan bentuk dimensi patch dan saluran
pencatu dari hasil perhitungan Sub Bab 3.5.1 dan Sub Bab 3.5.2.
Gambar 3.4. Tampilan AMPSE pada simulator
53
Universitas Sumatera Utara
Memulai project baru dalam membentuk layout antena mikrostrip sesuai hasil
perhitungan pada sub bab 3.5 yang diperlihatkan pada Gambar 3.4 dengan memilih
tab rectangle conductor pada menu EM layout.
Tahap selanjunya adalah menentukan grid pada enclosure, menentukan
dielectric layer, menentukan boudaries dan menetukan frekuensi kerja dari AMPSE
yang akan disimulasikan.
Gambar 3.5. Menentukan substrate information dan frekuensi kerja
Pada tahap ini ditentukan skala grid adalah 1:1 dengan lebar substrat sesuai
perhitungan Ws=53 mm dan panjang substrate Ls= 66 mm. Penentuan layer 1 sebagai
udara dan layer 2 adalah substrat dengan bahan epoxy. Untuk boundaries dipilih pada
54
Universitas Sumatera Utara
enclosure top adalah approximate open (377 Ohm) dan enclosure bottom adalah
sebagai perfect conductor.
Parameter pengukuran dapat dibuat melalui tree menu yaitu graph untuk
membuat parameter pengukuran VSWR dan return loss. Menentukan parameter
dengan add measurement yang disesuaikan dengan kebutuhan analisis.
Gambar 3.6. Menentukan parameter kinerja simulasi AMPSE
Parameter yang dipilih adalah VSWR dan return loss dalam satuan dB. Kedua
parameter ini yang kemudian akan menampilkan grafik apabila proses simulasi
dijalankan.
Gambar 3.7. Proses simulasi AMPSE sedang dijalankan
55
Universitas Sumatera Utara
Proses simulasi adalah menjalankan proses perhitungan dengan metoda MoM
yang telah dijelaskan pada Bab 2. Setelah proses simulasi berakhir maka diperoleh
grafik parameter yang sudah diatur sebelumnya yaitu grafik VSWR dan grafik return
loss.
Gambar 3.8 Grafik VSWR dan return loss hasil simulasi AMPSE
Untuk mendapatkan frekuensi resonansi dualband dilakukan iterasi lanjutan
dari AMPSE 1 elemen dan untuk meningkatkan bandwidth dari antena mikrostrip
dualband digunakan metoda antena susun 2 elemen, sebagaimana hasil rancangan
saluran pencatu dan power divider pada Sub Bab 3.5.3, berikut bentuk saluran
pencatu yang akan dimodelkan pada simulator microwave office AWR 2004, dengan
dimensi patch dan posisi pencatu disesuaikan dengan hasil rancangan optimal
AMPSE 1 elemen.
56
Universitas Sumatera Utara
Wg
Wp
Lp
Patch 1
Patch 2
Lf2
Lf4
Lf3
Lf1
Lg
Lf2
Lf
Lf3
Gambar 3.9. Layout AMPSE 2 elemen dengan saluran T-junction multiple section
Dimensi Wg dan Lg adalah lebar dan panjang ground plane, Wp dan Lp
adalah lebar dan panjang patch, Lf, Lf1, Lf2, Lf3 dan Lf4 adalah panjang sections
saluran pencatu hasil perhitungan awal. Gambar 3.9 adalah layout plan AMPSE 2
elemen yang merupakan penggunaan 2 unit patch hasil AMPSE 1 elemen dengan
saluran pencatu T-junction multiple section, dengan tujuan untuk mendapatkan antena
dualband dan rentang band yang lebar (broadband).
3.7.
Metode Pengukuran Antena Mikrostrip
Untuk keperluan pengukuran, dipersiapkan alat ukur Anritsu MT8222A
sebagai vector network analyzer yang bekerja pada rentang frekuensi 0 – 4 GHz dan
aksesoris pendukung lainnya.
57
Universitas Sumatera Utara
3.7.1. Metode pengukuran port tunggal
Merupakan pengukuran parameter sebuah antena tanpa melibatkan antena lain
sebagai pemancar atau penerima. Konfigurasi pengukuran port tunggal terlihat pada
Gambar 3.10.
Antena
Mikrostrip
RF OUT
Alat Ukur VNA
Gambar 3.10. Konfigurasi pengukuran antena mikrostrip dengan port tunggal
Pengukuran port tunggal ini untuk mendapatkan nilai dari antena mikrostrip
hasil pabrikasi pada parameter VSWR, return loss dan smith chart.
3.7.2. Metode pengukuran port ganda
Pengukuran port ganda digunakan untuk mendapatkan parameter gain dan
pola radiasi yang ilustrasikan seperti pada Gambar 3.11.
Antena pemancar dihubungkan pada port RF-out dan antena penerima
dihubungkan pada port RF-in. Untuk pengukuran diberikan jarak tertentu r antara
antena pemancar dengan antena penerima.
58
Universitas Sumatera Utara
r
Antena Penerima
Antena Pemancar
Alat Ukur VNA
Gambar 3.11. Konfigurasi pengukuran antena mikrostrip dengan port ganda
Pengukuran port ganda, menggunakan 2 unit antena untuk mendapatkan nilai
dari antena mikrostrip hasil pabrikasi pada nilai gain dan pola radiasi.
Hasil pengukuran kemudian disimpan dalam file ekstensi vna yang dapat
ditampilkan pada perangkat lunak Line Sweep Tools dari Anritsu Company.
Gambar 3.12. Perangkat lunak Line Sweep Tools
59
Universitas Sumatera Utara
Perangkat lunak line sweep tools ini digunakan untuk melakukan analisis
parameter hasil pengukuran dari antena mikrostrip hasil pabrikasi.
3.8. Metode Pengujian Antena Mikrostrip
Pengujian antena mikrostrip dilakukan untuk pembuktian bahwa rancangan
antena mikrostrip ini dapat bekerja pada perangkat yang sudah ditujukan penggunaan
band frekuensi nya, yaitu band selular 4G/LTE 1800 MHz dan Wireless LAN 2400
MHz. Pengujian dilakukan dengan konfigurasi seperti pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13. Konfigurasi pengujian antena mikrostrip
Gambar 3.13 menggambarkan konfigurasi pengujian hasil rancangan antena
mikrostrip. Signal shield digunakan untuk mengisolasi smartphone dari sinyal band
frekuensi yang diuji dan bekerja berdasarkan prinsip sangkar faraday. Sangkar
faraday adalah salah satu fenomena kelistrikan yang unik, bila ada sebuah ruangan
yang dilingkupi konduktor, walaupun di luar terdapat arus listrik maupun gelombang
60
Universitas Sumatera Utara
elektromagnet tetapi medan listrik diruangan tersebut tetap nol. Gelombang
elektromagnet yang mengenai ground melewati penghantar akan nol [28].
Efek ini ditemukan oleh Michael Faraday, seorang ilmuwan fisika dan kimia
berkebangsaan Inggris. Faraday menyatakan bahwa muatan yang ada pada sangkar
konduktor hanya terkumpul pada bagian luar konduktor saja, tidak berpengaruh
terhadap bagian dalam. Untuk membuktikan hal ini dibuat sebuah sangkar yang
dilapisi dengan logam tipis dan diletakkan didekatnya sebuah muatan tegangan tinggi
yang berasal dari generator elektrostatis. Digunakan sebuah elektroskop untuk
membuktikan bahwa tidak ada muatan di dalam sangkar.
Sangkar faraday dipahami sangat baik sebagai sebuah pendekatan ke
konduktor berongga yang ideal. Medan listrik yang diaplikasikan secara eksternal
menghasilkan gaya pada berbagai pembawa muatan (biasanya elektron) di dalam
konduktor, menimbulkan arus listrik yang menyusun kembali muatan. Begitu muatan
telah tersusun kembali, maka medan terapan di bagian dalam akan terhapus. Jika
muatan ditempatkan di dalam sebuah sangkar faraday yang tidak dihubungkan ke
tanah, maka permukaan bagian dalam sangkar akan bermuatan, untuk mencegah
eksistensi medan di bagian dalam tubuh sangkar. Namun, pemuatan permukaan
bagian dalam ini akan mendistribusikan lagi muatan di dalam tubuh sangkar. Hal ini
mengisi permukaan luar sangkar dengan muatan yang besarnya sama dengan
permukaan bagian dalamnya sangkar. Begitu muatan internal dan permukaan bagian
dalam saling menghapuskan, penyebaran muatan di permukaan luar tidak dipengaruhi
61
Universitas Sumatera Utara
oleh posisi muatan internal di dalam sangkar. Jadi sangkar akan menimbulkan medan
listrik yang sama, hanya dengan diisi oleh muatan yang berada di bagian dalam [28].
Smartphone
dengan
android
operating
system
dimaksudkan
untuk
penggunaan perangkat komunikasi pada teknologi band LTE 1800 MHz dan WLAN
2400 MHz. Sehingga dapat membuktikan bahwa antena mikrostrip hasil penelitian
dapat bekerja pada perangkat dual-system pada band 1800 MHz dan band 2400 MHz
dengan optimal.
Penggunaan kabel pigtail pada pengujian dimaksudkan sebagai saluran
transmisi atau wave guide sinyal LTE 1800 MHz yang diterima antena mikrostrip
dari eNode B menuju smartphone yang berada di dalam signal shield dan sebagai
wave guide sinyal hotspot tethering WLAN 2400 MHz yang dipancarkan smartphone
yang berada di dalam signal shield menuju antena mikrostrip.
Tahap awal, Smartphone1 dimasukkan ke dalam signal shield dan diukur
kekuatan sinyalnya tanpa terhubung dengan antena mikrostrip untuk memastikan
smartphone1 berada pada kondisi terisolasi dari frekuensi lingkungan sekitarnya.
3.8.1. Pengujian band frekuensi LTE 1800 MHz
Smartphone1 dan antena mikrostrip hasil rancangan dihubungkan dengan
kabel pigtail. Smartphone1 dimasukkan ke dalam signal shield yang bertujuan agar
sinyal yang diterima smartphone1 adalah yang hanya berasal dari antena mikrostrip
melalui kabel pigtail dengan cara induksi. Dengan metoda ini, smartphone1
menerima sinyal dari eNode B pada band frekuensi LTE 1800 MHz dan dilakukan
62
Universitas Sumatera Utara
pengukuran level sinyal terima pada smartphone1 dengan menggunakan aplikasi
android 4G switcher.
3.8.2. Pengujian Band Frekuensi WLAN 2400 MHz
Pada tahap selanjutnya, diaktifkan hotspot tethering WLAN 2400 MHz pada
smartphone1 yang berada di dalam signal shield dan terhubung dengan antena
mikrostrip melalui kabel pigtail dengan cara induksi, sehingga sinyal Wireless LAN
2400 MHz dapat dipancarkan dan diterima melalui antena mikrostrip. Smartphone2
dipersiapkan diluar signal shield dengan mengaktifkan fitur WLAN 2400 MHz
(WiFi) dan dilakukan pengukuran level sinyal pada smartphone2 dengan
menggunakan aplikasi android WiFi Analyzer.
Pengujian hasil rancangan antena mikrostrip pada band LTE 1800 MHz dan
band WLAN 2400 MHz ini, dilakukan uji download speed test data internet,
sehingga dapat membuktikan bahwa antena hasil rancangan dapat bekerja sesuai
fungsi dan target penelitian.
3.9. Variabel Penelitian
Variabel yang diamati dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan nilai
optimal dari ukuran patch dan saluran pencatu patch 1 lemen, konfigurasi patch 2
elemen dan konfigurasi saluran pencatu dengan T-junction multiple section. Hasil
optimal dari variabel-variabel tersebut diperoleh berdasarkan pencapaian parameter
kinerja antena dari simulasi berupa VSWR ≤ 2, return loss ≤ -10 dB, bandwidth dan
63
Universitas Sumatera Utara
pola radiasi / beamwidth yang disesuaikan dengan kebutuhan band selular 1800 MHz
dan Wireless LAN 2400 MHz.
Pada tahap pengukuran hasil pabrikasi antena mikrostrip, diperoleh parameter
yang sama sebagai pembanding dari hasil simulasi termasuk pengamatan pada
parameter pola radiasi dan gain.
Pada tahap pengujian menggunakan perangkat smartphone yang dapat bekerja
pada teknologi 4G-LTE 1800 MHz dan Wireless LAN 2400 MHz. Pada pengujian ini
diperoleh nilai receive signal level / reference signal receive power (RSRP) untuk
teknologi LTE dan Wireless LAN serta dibuktikan melalui komunikasi data internet.
64
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1.
Umum
Proses untuk mendapatkan hasil dan analisis penelitian antena mikrostrip
patch segi empat (AMPSE) dualband, digambarkan seperti diagram pada Gambar
4.1.
Simulasi hasil
perhitungan
Pengukuran
hasil
Pabrikasi
Pengujian
dengan
Perangkat
LTE dan
WLAN
Analisis
Gambar 4.1. Diagram proses analisis hasil penelitian
Gambar 4.1 merupakan diagram proses dari penelitian yang terdiri dari :
a) Rancangan dari hasil perhitungan secara teoritis AMPSE, disimulasikan
dengan perangkat lunak microwave office AWR 2004 untuk mendapatkan
hasil AMPSE dualband yang optimal pada band frekuensi selular 1800
MHz dan WLAN 2400 MHz.
65
Universitas Sumatera Utara
b) Hasil optimal simulasi AMPSE dualband 1 elemen dan AMPSE dualband
2 elemen, dipabrikasi dan dilakukan pengukuran dengan menggunakan alat
ukur Anritsu MT8222A dengan metoda 1 port dan 2 port.
c) Dilakukan pengujian fungsi secara nyata antena hasil pabrikasi dengan
menggunakan perangkat yang bekerja pada band frekuensi teknologi LTE
1800 MHz dan WLAN 2400 MHz.
Keseluruhan dari hasil penelitian, dilakukan analisis pada nilai parameter
yang diperoleh untuk mendapatkan performansi optimal dan pengaruh dari variabelvariabel yang diteliti. Tahapan analisis terdiri dari:
a) Analisis perbandingan antara hasil simulasi dan pengukuran untuk masingmasing AMPSE dualband (1 elemen dan 2 elemen).
b) Analisis perbandingan pada hasil pengukuran dari AMPSE dualband 1
elemen dan 2 elemen.
c) Analisis perbandingan dari hasil pengujian pabrikasi AMPSE dualband 1
elemen dan 2 elemen.
d) Analisis menyeluruh pencapaian hasil penelitian AMPSE dualband 1
elemen dan 2 elemen.
e) Hasil akhir capaian dari penelitian AMPSE dualband 2 elemen dengan
optimasi saluran pencatu.
66
Universitas Sumatera Utara
4.2.
Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segi Empat 1 Elemen
Berdasarkan rancangan antena mikrostrip patch segi empat (AMPSE) yang
telah dilakukan pada sub bab 3.3, selanjutnya dilakukan pemodelan pada simulator
microwave office AWR 2004 dan dilakukan simulasi untuk mendapatkan nilai dari
parameter yang dibutuhkan terhadap frekuensi kerja. Pada sub bab berikut adalah
pembahasan hasil simulasi yang telah dilakukan untuk AMPSE dualband 1 elemen.
4.2.1. Iterasi perubahan dimensi patch
Gambar 4.2 menunjukkan grafik VSWR terhadap frekuensi hasil simulasi
rancangan awal dengan perubahan ukuran patch yang merupakan hasil rancangan
berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan pada sub bab 3.51 – 3.53. Untuk
penyesuaian grid pada simulator, dilakukan pembulatan dimensi menjadi W = 43 mm
dan L = 38 mm. Iterasi dilakukan dengan menambah dan mengurangi ukuran panjang
dan lebar patch dari antena mikrostrip patch segi empat sampai dengan diperoleh
hasil yang cukup optimal untuk tahapan iterasi selanjutnya.
Gambar 4.2. Grafik VSWR perubahan dimensi patch
67
Universitas Sumatera Utara
Pada tahap ini diperoleh nilai optimum dimensi patch adalah panjang L = 29
mm dan lebar W = 40 mm. Nilai VSWR < 2 masih berada hanya pada band 2400
MHz pada nilai F1 = 2432 MHz dan F2 = 2477 MHz dengan nilai VSWR terbaik
1,67.
4.2.2. Iterasi perubahan posisi pencatu
Pada tahap selanjutnya dilakukan iterasi perubahan posisi dari pencatu searah
sumbu horizontal dari patch, sehingga diperoleh nilai VSWR yang mulai terbentuk
menjadi frekuensi dualband pada band 1800 MHZ dan 2400 MHz. Bentuk antena
dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Wg
Wp
Lp
Lg
Wp
1
Wf Lf
Gambar 4.3. AMPSE dualband 1 elemen hasil perubahan posisi pencatu
Pada Gambar 4.3 diperlihatkan dimensi antena mikrostrip segi empat dengan
ukuran Wp = 40 mm, Lp = 29 mm, Wg=56 mm, Lg=57 mm, Wp1=32 mm, Lf=20
68
Universitas Sumatera Utara
mm, Wf=3 mm. Pada iterasi lanjutan ini, rancangan optimal dari antena mikrostrip ini
dilakukan pada posisi pencatu yang di geser searah sumbu horizontal, sehingga di
peroleh hasil optimal digeser ke arah kanan sejauh 11 mm dari posisi awal yang
sebelumnya berada di tengah sumbu horizontal dari patch. Nilai VSWR hasil
simulasi diperlihatkan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Grafik VSWR iterasi perubahan posisi pencatu
Pada tahap ini diperoleh nilai optimum VSWR < 2 sudah berada pada
frekuensi dualband pada nilai F1 = 1783 MHz dan F2 = 1820 MHz dengan nilai
VSWR terbaik pada 1,487 untuk band frekuensi 1800 MHz. Diperoleh nilai F1 =
2419 MHz dan F2 = 2483 MHz dengan nilai VSWR terbaik pada 1,489 untuk band
frekuensi 2400 MHz.
69
Universitas Sumatera Utara
4.2.3. Iterasi perubahan dimensi inset dan pencatu
Pada tahap iterasi selanjutnya dilakukan perubahan pada kombinasi dimensi
inset dan dimensi saluran pencatu, sehingga diperoleh nilai VSWR yang optimal pada
frekuensi band 1800 MHZ dan 2400 MHz.
Nilai VSWR dan dimensi antena mikrostrip hasil simulasi diperlihatkan pada
Gambar 4.5, Gambar 4.6 dan Gambar 4.7.
Gambar 4.5. Grafik VSWR iterasi perubahan dimensi inset dan pencatu
Pada Gambar 4.5 diperlihatkan hasil iterasi yang memperlihatkan perbaikan
nilai bandwidth dari frekuensi dualband. Pada iterasi lanjutan ini, rancangan optimal
dari antena mikrostrip ini dilakukan pada dimensi inset dan dimensi saluran pencatu.
70
Universitas Sumatera Utara
Grafik VSWR hasil dari rancangan akhir AMPSE 1 elemen ini diperlihatkan pada
Gambar 4.6.
Gambar 4.6. Grafik VSWR rancangan akhir AMPSE dualband 1 elemen
Gambar 4.6 memperlihatkan nilai VSWR optimal pada nilai F1 = 1782 MHz dan
F2 = 1819 MHz dengan nilai VSWR terbaik pada 1,07 untuk band frekuensi 1800
MHz. Pada nilai F1 = 2404 MHz dan F2 = 2471 MHz dengan nilai VSWR terbaik
pada 1,27 untuk band frekuensi 2400 MHz, yang dianggap sudah memadai dengan
target nilai VSWR < 2, namun belum cukup optimal untuk target pencapaian lebar
band / bandwidth.
Gambar 4.7 merupakan hasil akhir rancangan AMPSE dualband 1 elemen.
71
Universitas Sumatera Utara
Wg
Wp
Lp
Lg
wb
lb
wa
wd
lc
wc
Gambar 4.7. Rancangan akhir AMPSE dualband 1 elemen
Lebar ground plane Wg = 57 mm, panjang ground plane Lg = 56 mm, lebar
patch Wp = 40 mm, panjang patch Lp = 29 mm, lebar saluran pencatu wc = 2 mm,
panjang saluran pencatu lc = 20 mm, wa = 29 mm, wb = 9 mm, lb = 1 mm, wd = 2 mm.
Hasil optimal dari simulasi AMPSE dualband 1 elemen ini kemudian
digunakan untuk merancang AMPSE dualband 2 elemen untuk meningkatkan
bandwidth.
Tabel 4.1 merupakan hasil akhir pencapaian dari antena mikrostrip patch segi
empat dualband 1 elemen.
72
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.1. Pencapaian AMPSE dualband 1 elemen
Parameter
Spesifikasi
Fband1
1800 MHz
Fband2
2400 MHz
BW Lower Band
37 MHz
BW Upper Band
67 MHz
VSWR
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Umum
Pada penelitian ini, dirancang antena mikrostrip patch segi empat (AMPSE)
dualband 1 elemen dan pengembangannya sehingga menjadi AMPSE dualband 2
elemen dengan optimasi pada saluran pencatu T-junction multiple section. AMPSE
dualband 2 elemen ini diharapkan dapat mencapai bandwidth broadband yang dapat
bekerja pada band frekuensi selular 1800 MHz dan WLAN 802.11b 2400 MHz.
3.2.
Spesifikasi Perancangan Antena Mikrostrip Dualband
Secara garis besar, rancangan yang digunakan pada penelitian ini adalah
rancangan antena mikrostrip patch segi empat 1 elemen dan 2 elemen dengan
optimasi saluran pencatu. Rancangan tersebut digunakan untuk mengetahui
karakteristik dari parameter antena yang telah dicapai dan membandingkannya
dengan target penelitian seperti pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Target spesifikasi rancangan AMPSE dualband
Parameter
FR1
FR2
BW lower band
BW upper band
Gain
VSWR
Return Loss (S11)
Beamwidth (HPBW)
Spesifikasi
1800 MHz
2400 MHz
170 MHz (1710/1880)
83,5 MHz (2400/2483.5)
> 3 dB
650
41
Universitas Sumatera Utara
FR1 merupakan frekuensi resonansi pertama pada lower-band selular 1800
MHz. FR2 adalah frekuensi resonansi kedua pada band WLAN 2400 MHz. Bandwidth
(BW) lower-band adalah target dari lebar band BW = 170 MHz pada band LTE 1800
MHz (1710 MHz – 1880 MHz). Target BW upper-band adalah 83.5 MHz pada band
WLAN 2400 MHz (2400 MHz – 2483.5 MHz). Gain merupakan penguatan antena
mikrostrip dualband 2 elemen dengan target gain > 3 dB . Target VSWR AMPSE
dualband adalah < 2, target return loss pada RL < - 10 dB dan target lebar berkas
antena mikrostrip dengan beamwidth > 650.
3.3.
Diagram Alir Penelitian
Parameter yang diperlukan untuk rancangan antena mikrostrip dengan patch
segi empat konvensional adalah lebar dan panjang patch, termasuk juga lebar dan
panjang dari saluran pencatu. Proses yang dilakukan secara keseluruhan dalam
penelitian untuk mendapatkan rancangan antena mikrostrip dengan saluran pencatu
dapat digambarkan dengan sebuah diagram alir dari penelitian AMPSE dualband 2
elemen, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.1.
Tahap perancangan antena mikrostrip patch segiempat dualband 2 elemen
dengan optimasi saluran pencatu ini dapat dijelaskan sebagai berikut :
a) Menentukan jenis substrat dan frekuensi kerja.
Pada rancangan ini, frekuensi yang digunakan adalah frekuensi dualband
untuk komunikasi selular 4G/LTE 1800 MHz dan komunikasi wireless LAN
2400 MHz.
42
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1. Diagram alir penelitian AMPSE dualband 2 elemen
43
Universitas Sumatera Utara
b) Perhitungan dimensi patch rectangular dengan persamaan teoritis. Untuk
menentukan dimensi antena mikrostrip adalah dengan menggunakan
Persamaan (2.19) hingga Persamaan (2.23) dimana nilai f1 = 1800 MHz
dan f2 = 2400 MHz.
c) Penggunaan simulator untuk mendapatkan rancangan antena optimal
dengan menggunakan dimensi rancangan awal antena mikrostrip patch segi
empat.
d) Melakukan iterasi simulasi dengan parameter yang diamati adalah nilai
VSWR dan return loss.
e) Menambahkan teknik iterasi (perubahan dimensi patch, pencatu, inset dan
pergeseran posisi pencatu) untuk mendapatkan nilai parameter optimal
dalam simulasi untuk AMPSE dualband 1 elemen.
f) Merancang saluran pencatu untuk AMPSE dualband 2 elemen dengan Tjunction multiple section.
g) Merancang AMPSE dualband 2 elemen dengan menggunakan rancangan
saluran pencatu dan dimensi patch dari AMPSE dualband 1 elemen.
h) Melakukan pabrikasi antena setelah diperoleh nilai parameter optimal.
i) Melakukan pengukuran antena mikrostrip hasil pabrikasi menggunakan
alat ukur.
j) Melakukan pengujian fungsi AMPSE hasil pabrikasi dengan perangkat
yang bekerja pada teknologi LTE 1800 MHz dan WLAN 2400 MHz.
44
Universitas Sumatera Utara
k) Melakukan pengamatan dan analisis parameter hasil pengukuran antena
mikrostrip dengan hasil simulasi.
l) Rancangan antena hasil pabrikasi secara keseluruhan sudah optimal.
3.4.
Alat dan Bahan
Peralatan dan bahan yang dibutuhkan dalam penelitian adalah sebagai berikut:
1. Tahap simulasi dibutuhkan perangkat keras komputer/laptop dengan
perangkat lunak Simulator microwave office AWR 2004, microsoft excel,
microsoft word dan microsoft office visio 2007.
2. Tahap pabrikasi, dibutuhkan bahan material substrate FR4 (epoxy) double
side.
3. Tahap pengukuran, diperlukan solder, timah putih, SMA connector
(female) dan alat ukur Vector Network Analyzer (VNA) yang memiliki 2
port.
4. Tahap pengujian dibutuhkan smartphone android, signal shield, kabel
pigtail dan perangkat lunak aplikasi android.
3.5.
Dimensi Antena Mikrostrip
Dimensi antena mikrostrip termasuk di dalam nya menentukan dimensi patch
dan saluran pencatu. Perhitungan untuk mendapatkan dimensi antena mikrostrip
disesuaikan dengan frekuensi resonansi dari kebutuhan antena yang akan diteliti.
45
Universitas Sumatera Utara
3.5.1. Dimensi patch
Dengan diketahui pengunaan substrate epoxy dengan
= 4,4 dan h = 1,6
mm serta nilai f1 = 1800 MHz dan f2 = 2400 MHz (fr = 2100 MHz), maka dapat
dihitung dimensi patch sebagai berikut.
Menentukan nilai lebar patch W dengan menggunakan Persamaan (2.19):
=
=
(
2
3 10
2(2,1 10
+ 1)
2
)
/
(4 ,4 + 1)
2
W = 4,347 cm = 43,35 mm
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator skala 1:1, maka lebar patch antena
mikrostrip menjadi:
W=
,
≈
Menentukan panjang patch L digunakan Persamaan (2.20) sampai Persamaan (2.23):
reff
r 1 r 1
2
h
1 12
2
W
1 / 2
1 / 2
0,16
4,4 1 4,4 1
reff
1 12
4.3347
2
2
2,7 1,70,3465 2,7 (0,589) 3,289
Leff
c
2 f r reff
46
Universitas Sumatera Utara
Leff
30
30
3,937cm
2(2,1) 3,289 7,62
W
( reff 0,3) 0, 264
L
h
0,412
W
h
( reff 0,258) 0,8
h
ΔL = 0,0798 cm
Sehingga diperoleh nilai panjang patch L:
L Leff 2 L
L = 3,785 cm = 37,85 mm
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator skala 1:1, maka panjang
patch antena mikrostrip menjadi:
L = 37,85
≈
3.5.2. Dimensi saluran pencatu
Menentukan lebar saluran pencatu dengan impedansi Z0 = 50 Ω dapat
menggunakan Persamaan (2.5) :
=
2
− 1 − ln(2 − 1) +
2
−1
ln( − 1) + 0,39 −
0,61
47
Universitas Sumatera Utara
=
=
1,6
=
2
377
2 √
377
2(50)√4,4
= 5,64
(2(5,64) − 1) +
5,64 − 1 − ln
=3
0,61
4,4 − 1
ln(5,64 − 1) + 0,39 −
4,4
2(4,4)
Panjang saluran pencatu adalah sepanjang quarter wave atau 1/4 λg. Sehingga
kebutuhan panjang saluran pencatu 1/4 λg dapat dihitung dengan menggunakan
Persamaan (2.28) [14]:
=
=
3 10
2,1
/
=
300
2,1
=
= 142,86
142,86
√3,28 9
= 78,77
=
1
(78,77) = 19,69
4
48
Universitas Sumatera Utara
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator maka panjang saluran pencatu 50
Ω menjadi:
3.5.3. Dimensi substrat
l = 19,69 ≈
Dimensi lebar dan panjang dari substrat antena mikrostrip dapat dihitung
sesuai dengan Persamaan (2.29) dan (2.30), sehingga lebar substrat adalah.
= 6ℎ +
= 6 (1,6) + 43
= 9,6 + 43 = 52,6
≈ 53
Untuk panjang substrat dengan L adalah panjang patch + panjang pencatu, maka :
= 6ℎ +
= 6(1,6) + (38 + 20)
+
= 9,6 + 58 = 68,6 ≈ 69
Lebar substrat adalah 53 mm dan panjang substrat adalah 69 mm.
3.5.4. Dimensi saluran T-junction
Saluran T-junction diperlukan untuk perancangan antenna mikrostrip array 2
elemen yang dibentuk seperti huruf T (T-junction) atau disebut sebagai parallel feed
atau corporate feed, dengan dua saluran mikrostrip 50 Ω dan diantaranya saluran
mikrostrip penghubung. Quarter wave T-junction umumnya dipakai sebagai pembagi
daya (power divider) pada antena 2 elemen.
49
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 menunjukkan suatu T-junction simetrikal dengan pembagian
Transformer
impedansinya.
ditunjukkan
dengan pembagian
pada
junction.
Transformer menunjukkan perubahan pada impedansi yang juga berpengaruh pada
perubahan lebar saluran mikrostrip.
Lebar saluran pencatu 100 ohm dapat diperoleh dengan menggunakan
Persamaan (2.5).
=
2
− 1 − ln(2 − 1) +
=
=
1,6
=
2
2
−1
ln( − 1) + 0,39 −
0,61
377
2 √
377
2(100)√4,4
= 2,82
2,82 − 1 − ln(2(2,82) − 1) +
4,4 − 1
0,61
ln(2,82 − 1) + 0,39 −
2(4,4)
4,4
= 0,62
Untuk panjang saluran pencatu 100 Ω adalah ¼ λg atau :
1
= (100) = 19,7 ≈
4
Saluran transformer power divider dapat dihitung sesuai dengan multiple
section pada Bab 2 Gambar 2.11 dan Persamaan (2.32) sampai Persamaan (2.34),
50
Universitas Sumatera Utara
dengan ZL=50 Ω dan Z0=100 Ω, maka ZA dan ZB dapat diperoleh nilai impedansi dan
lebar saluran mikrostrip nya sebagai berikut.
=
50
= 0,5
100
= 100 (0,5)
=
= 84 Ω
= 1,06
=
= 100 (0,5) = 59,46 ≈ 60 Ω
= 2,2
Pada perancangan ini memiliki 2 tingkat saluran mikrostrip pada sumbu vertikal
sehingga kebutuhan panjang saluran pencatu 1/8 λg dengan Persamaan (2.28) [14]:
=
=
3 10
2,1
/
=
300
2,1
=
= 142,86
142,86
√3,28 9
= 78,77
51
Universitas Sumatera Utara
=
1
(78,77) = 9,85
8
Untuk keperluan penyesuaian pada grid simulator maka panjang saluran pencatu 50
Ω menjadi:
l = 9,85 ≈
Sehingga dihasilkan rancangan saluran pencatu T-junction multiple section pada
Gambar 3.2.
Z = 50 Ω
L = 1/8 λ
ZA = 84 Ω
L = 1/8 λ
ZB = 60 Ω
L = 1/16 λ
Z = 50 Ω
L = 1/8 λ
Z = 100 Ω
L = 1/4 λ
Z = 50 Ω
L = 1/8 λ
ZA = 84 Ω
L = 1/8 λ
ZB = 60 Ω
L = 1/16 λ
Gambar 3.2. Rancangan saluran pencatu AMPSE 2 elemen
Rancangan saluran pencatu dengan T-junction multiple section dari Gambar
3.2, dibutuhkan sebagai saluran pencatu pada AMPSE 2 elemen dengan tujuan untuk
mendapatkan AMPSE dualband dengan bandwidth lebar (broadband).
3.6.
Metode Simulasi Antena Mikrostrip
Hasil perhitungan AMPSE disimulasikan dengan menggunakan perangkat
lunak simulator microwave office AWR 2004.
52
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah tampilan simulator microwave office AWR 2004 dalam
tampilan memulai suatu project baru.
Gambar 3.3. Memulai project baru pada AWR microwave office 2004
Dalam membuat project baru, pilih tab project kemudian add EM structure,
dilanjutkan new EM structure. Pilih create sehingga menampilkan jendela baru
dengan sheet kosong yang dapat di isi dengan bentuk dimensi patch dan saluran
pencatu dari hasil perhitungan Sub Bab 3.5.1 dan Sub Bab 3.5.2.
Gambar 3.4. Tampilan AMPSE pada simulator
53
Universitas Sumatera Utara
Memulai project baru dalam membentuk layout antena mikrostrip sesuai hasil
perhitungan pada sub bab 3.5 yang diperlihatkan pada Gambar 3.4 dengan memilih
tab rectangle conductor pada menu EM layout.
Tahap selanjunya adalah menentukan grid pada enclosure, menentukan
dielectric layer, menentukan boudaries dan menetukan frekuensi kerja dari AMPSE
yang akan disimulasikan.
Gambar 3.5. Menentukan substrate information dan frekuensi kerja
Pada tahap ini ditentukan skala grid adalah 1:1 dengan lebar substrat sesuai
perhitungan Ws=53 mm dan panjang substrate Ls= 66 mm. Penentuan layer 1 sebagai
udara dan layer 2 adalah substrat dengan bahan epoxy. Untuk boundaries dipilih pada
54
Universitas Sumatera Utara
enclosure top adalah approximate open (377 Ohm) dan enclosure bottom adalah
sebagai perfect conductor.
Parameter pengukuran dapat dibuat melalui tree menu yaitu graph untuk
membuat parameter pengukuran VSWR dan return loss. Menentukan parameter
dengan add measurement yang disesuaikan dengan kebutuhan analisis.
Gambar 3.6. Menentukan parameter kinerja simulasi AMPSE
Parameter yang dipilih adalah VSWR dan return loss dalam satuan dB. Kedua
parameter ini yang kemudian akan menampilkan grafik apabila proses simulasi
dijalankan.
Gambar 3.7. Proses simulasi AMPSE sedang dijalankan
55
Universitas Sumatera Utara
Proses simulasi adalah menjalankan proses perhitungan dengan metoda MoM
yang telah dijelaskan pada Bab 2. Setelah proses simulasi berakhir maka diperoleh
grafik parameter yang sudah diatur sebelumnya yaitu grafik VSWR dan grafik return
loss.
Gambar 3.8 Grafik VSWR dan return loss hasil simulasi AMPSE
Untuk mendapatkan frekuensi resonansi dualband dilakukan iterasi lanjutan
dari AMPSE 1 elemen dan untuk meningkatkan bandwidth dari antena mikrostrip
dualband digunakan metoda antena susun 2 elemen, sebagaimana hasil rancangan
saluran pencatu dan power divider pada Sub Bab 3.5.3, berikut bentuk saluran
pencatu yang akan dimodelkan pada simulator microwave office AWR 2004, dengan
dimensi patch dan posisi pencatu disesuaikan dengan hasil rancangan optimal
AMPSE 1 elemen.
56
Universitas Sumatera Utara
Wg
Wp
Lp
Patch 1
Patch 2
Lf2
Lf4
Lf3
Lf1
Lg
Lf2
Lf
Lf3
Gambar 3.9. Layout AMPSE 2 elemen dengan saluran T-junction multiple section
Dimensi Wg dan Lg adalah lebar dan panjang ground plane, Wp dan Lp
adalah lebar dan panjang patch, Lf, Lf1, Lf2, Lf3 dan Lf4 adalah panjang sections
saluran pencatu hasil perhitungan awal. Gambar 3.9 adalah layout plan AMPSE 2
elemen yang merupakan penggunaan 2 unit patch hasil AMPSE 1 elemen dengan
saluran pencatu T-junction multiple section, dengan tujuan untuk mendapatkan antena
dualband dan rentang band yang lebar (broadband).
3.7.
Metode Pengukuran Antena Mikrostrip
Untuk keperluan pengukuran, dipersiapkan alat ukur Anritsu MT8222A
sebagai vector network analyzer yang bekerja pada rentang frekuensi 0 – 4 GHz dan
aksesoris pendukung lainnya.
57
Universitas Sumatera Utara
3.7.1. Metode pengukuran port tunggal
Merupakan pengukuran parameter sebuah antena tanpa melibatkan antena lain
sebagai pemancar atau penerima. Konfigurasi pengukuran port tunggal terlihat pada
Gambar 3.10.
Antena
Mikrostrip
RF OUT
Alat Ukur VNA
Gambar 3.10. Konfigurasi pengukuran antena mikrostrip dengan port tunggal
Pengukuran port tunggal ini untuk mendapatkan nilai dari antena mikrostrip
hasil pabrikasi pada parameter VSWR, return loss dan smith chart.
3.7.2. Metode pengukuran port ganda
Pengukuran port ganda digunakan untuk mendapatkan parameter gain dan
pola radiasi yang ilustrasikan seperti pada Gambar 3.11.
Antena pemancar dihubungkan pada port RF-out dan antena penerima
dihubungkan pada port RF-in. Untuk pengukuran diberikan jarak tertentu r antara
antena pemancar dengan antena penerima.
58
Universitas Sumatera Utara
r
Antena Penerima
Antena Pemancar
Alat Ukur VNA
Gambar 3.11. Konfigurasi pengukuran antena mikrostrip dengan port ganda
Pengukuran port ganda, menggunakan 2 unit antena untuk mendapatkan nilai
dari antena mikrostrip hasil pabrikasi pada nilai gain dan pola radiasi.
Hasil pengukuran kemudian disimpan dalam file ekstensi vna yang dapat
ditampilkan pada perangkat lunak Line Sweep Tools dari Anritsu Company.
Gambar 3.12. Perangkat lunak Line Sweep Tools
59
Universitas Sumatera Utara
Perangkat lunak line sweep tools ini digunakan untuk melakukan analisis
parameter hasil pengukuran dari antena mikrostrip hasil pabrikasi.
3.8. Metode Pengujian Antena Mikrostrip
Pengujian antena mikrostrip dilakukan untuk pembuktian bahwa rancangan
antena mikrostrip ini dapat bekerja pada perangkat yang sudah ditujukan penggunaan
band frekuensi nya, yaitu band selular 4G/LTE 1800 MHz dan Wireless LAN 2400
MHz. Pengujian dilakukan dengan konfigurasi seperti pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13. Konfigurasi pengujian antena mikrostrip
Gambar 3.13 menggambarkan konfigurasi pengujian hasil rancangan antena
mikrostrip. Signal shield digunakan untuk mengisolasi smartphone dari sinyal band
frekuensi yang diuji dan bekerja berdasarkan prinsip sangkar faraday. Sangkar
faraday adalah salah satu fenomena kelistrikan yang unik, bila ada sebuah ruangan
yang dilingkupi konduktor, walaupun di luar terdapat arus listrik maupun gelombang
60
Universitas Sumatera Utara
elektromagnet tetapi medan listrik diruangan tersebut tetap nol. Gelombang
elektromagnet yang mengenai ground melewati penghantar akan nol [28].
Efek ini ditemukan oleh Michael Faraday, seorang ilmuwan fisika dan kimia
berkebangsaan Inggris. Faraday menyatakan bahwa muatan yang ada pada sangkar
konduktor hanya terkumpul pada bagian luar konduktor saja, tidak berpengaruh
terhadap bagian dalam. Untuk membuktikan hal ini dibuat sebuah sangkar yang
dilapisi dengan logam tipis dan diletakkan didekatnya sebuah muatan tegangan tinggi
yang berasal dari generator elektrostatis. Digunakan sebuah elektroskop untuk
membuktikan bahwa tidak ada muatan di dalam sangkar.
Sangkar faraday dipahami sangat baik sebagai sebuah pendekatan ke
konduktor berongga yang ideal. Medan listrik yang diaplikasikan secara eksternal
menghasilkan gaya pada berbagai pembawa muatan (biasanya elektron) di dalam
konduktor, menimbulkan arus listrik yang menyusun kembali muatan. Begitu muatan
telah tersusun kembali, maka medan terapan di bagian dalam akan terhapus. Jika
muatan ditempatkan di dalam sebuah sangkar faraday yang tidak dihubungkan ke
tanah, maka permukaan bagian dalam sangkar akan bermuatan, untuk mencegah
eksistensi medan di bagian dalam tubuh sangkar. Namun, pemuatan permukaan
bagian dalam ini akan mendistribusikan lagi muatan di dalam tubuh sangkar. Hal ini
mengisi permukaan luar sangkar dengan muatan yang besarnya sama dengan
permukaan bagian dalamnya sangkar. Begitu muatan internal dan permukaan bagian
dalam saling menghapuskan, penyebaran muatan di permukaan luar tidak dipengaruhi
61
Universitas Sumatera Utara
oleh posisi muatan internal di dalam sangkar. Jadi sangkar akan menimbulkan medan
listrik yang sama, hanya dengan diisi oleh muatan yang berada di bagian dalam [28].
Smartphone
dengan
android
operating
system
dimaksudkan
untuk
penggunaan perangkat komunikasi pada teknologi band LTE 1800 MHz dan WLAN
2400 MHz. Sehingga dapat membuktikan bahwa antena mikrostrip hasil penelitian
dapat bekerja pada perangkat dual-system pada band 1800 MHz dan band 2400 MHz
dengan optimal.
Penggunaan kabel pigtail pada pengujian dimaksudkan sebagai saluran
transmisi atau wave guide sinyal LTE 1800 MHz yang diterima antena mikrostrip
dari eNode B menuju smartphone yang berada di dalam signal shield dan sebagai
wave guide sinyal hotspot tethering WLAN 2400 MHz yang dipancarkan smartphone
yang berada di dalam signal shield menuju antena mikrostrip.
Tahap awal, Smartphone1 dimasukkan ke dalam signal shield dan diukur
kekuatan sinyalnya tanpa terhubung dengan antena mikrostrip untuk memastikan
smartphone1 berada pada kondisi terisolasi dari frekuensi lingkungan sekitarnya.
3.8.1. Pengujian band frekuensi LTE 1800 MHz
Smartphone1 dan antena mikrostrip hasil rancangan dihubungkan dengan
kabel pigtail. Smartphone1 dimasukkan ke dalam signal shield yang bertujuan agar
sinyal yang diterima smartphone1 adalah yang hanya berasal dari antena mikrostrip
melalui kabel pigtail dengan cara induksi. Dengan metoda ini, smartphone1
menerima sinyal dari eNode B pada band frekuensi LTE 1800 MHz dan dilakukan
62
Universitas Sumatera Utara
pengukuran level sinyal terima pada smartphone1 dengan menggunakan aplikasi
android 4G switcher.
3.8.2. Pengujian Band Frekuensi WLAN 2400 MHz
Pada tahap selanjutnya, diaktifkan hotspot tethering WLAN 2400 MHz pada
smartphone1 yang berada di dalam signal shield dan terhubung dengan antena
mikrostrip melalui kabel pigtail dengan cara induksi, sehingga sinyal Wireless LAN
2400 MHz dapat dipancarkan dan diterima melalui antena mikrostrip. Smartphone2
dipersiapkan diluar signal shield dengan mengaktifkan fitur WLAN 2400 MHz
(WiFi) dan dilakukan pengukuran level sinyal pada smartphone2 dengan
menggunakan aplikasi android WiFi Analyzer.
Pengujian hasil rancangan antena mikrostrip pada band LTE 1800 MHz dan
band WLAN 2400 MHz ini, dilakukan uji download speed test data internet,
sehingga dapat membuktikan bahwa antena hasil rancangan dapat bekerja sesuai
fungsi dan target penelitian.
3.9. Variabel Penelitian
Variabel yang diamati dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan nilai
optimal dari ukuran patch dan saluran pencatu patch 1 lemen, konfigurasi patch 2
elemen dan konfigurasi saluran pencatu dengan T-junction multiple section. Hasil
optimal dari variabel-variabel tersebut diperoleh berdasarkan pencapaian parameter
kinerja antena dari simulasi berupa VSWR ≤ 2, return loss ≤ -10 dB, bandwidth dan
63
Universitas Sumatera Utara
pola radiasi / beamwidth yang disesuaikan dengan kebutuhan band selular 1800 MHz
dan Wireless LAN 2400 MHz.
Pada tahap pengukuran hasil pabrikasi antena mikrostrip, diperoleh parameter
yang sama sebagai pembanding dari hasil simulasi termasuk pengamatan pada
parameter pola radiasi dan gain.
Pada tahap pengujian menggunakan perangkat smartphone yang dapat bekerja
pada teknologi 4G-LTE 1800 MHz dan Wireless LAN 2400 MHz. Pada pengujian ini
diperoleh nilai receive signal level / reference signal receive power (RSRP) untuk
teknologi LTE dan Wireless LAN serta dibuktikan melalui komunikasi data internet.
64
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1.
Umum
Proses untuk mendapatkan hasil dan analisis penelitian antena mikrostrip
patch segi empat (AMPSE) dualband, digambarkan seperti diagram pada Gambar
4.1.
Simulasi hasil
perhitungan
Pengukuran
hasil
Pabrikasi
Pengujian
dengan
Perangkat
LTE dan
WLAN
Analisis
Gambar 4.1. Diagram proses analisis hasil penelitian
Gambar 4.1 merupakan diagram proses dari penelitian yang terdiri dari :
a) Rancangan dari hasil perhitungan secara teoritis AMPSE, disimulasikan
dengan perangkat lunak microwave office AWR 2004 untuk mendapatkan
hasil AMPSE dualband yang optimal pada band frekuensi selular 1800
MHz dan WLAN 2400 MHz.
65
Universitas Sumatera Utara
b) Hasil optimal simulasi AMPSE dualband 1 elemen dan AMPSE dualband
2 elemen, dipabrikasi dan dilakukan pengukuran dengan menggunakan alat
ukur Anritsu MT8222A dengan metoda 1 port dan 2 port.
c) Dilakukan pengujian fungsi secara nyata antena hasil pabrikasi dengan
menggunakan perangkat yang bekerja pada band frekuensi teknologi LTE
1800 MHz dan WLAN 2400 MHz.
Keseluruhan dari hasil penelitian, dilakukan analisis pada nilai parameter
yang diperoleh untuk mendapatkan performansi optimal dan pengaruh dari variabelvariabel yang diteliti. Tahapan analisis terdiri dari:
a) Analisis perbandingan antara hasil simulasi dan pengukuran untuk masingmasing AMPSE dualband (1 elemen dan 2 elemen).
b) Analisis perbandingan pada hasil pengukuran dari AMPSE dualband 1
elemen dan 2 elemen.
c) Analisis perbandingan dari hasil pengujian pabrikasi AMPSE dualband 1
elemen dan 2 elemen.
d) Analisis menyeluruh pencapaian hasil penelitian AMPSE dualband 1
elemen dan 2 elemen.
e) Hasil akhir capaian dari penelitian AMPSE dualband 2 elemen dengan
optimasi saluran pencatu.
66
Universitas Sumatera Utara
4.2.
Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segi Empat 1 Elemen
Berdasarkan rancangan antena mikrostrip patch segi empat (AMPSE) yang
telah dilakukan pada sub bab 3.3, selanjutnya dilakukan pemodelan pada simulator
microwave office AWR 2004 dan dilakukan simulasi untuk mendapatkan nilai dari
parameter yang dibutuhkan terhadap frekuensi kerja. Pada sub bab berikut adalah
pembahasan hasil simulasi yang telah dilakukan untuk AMPSE dualband 1 elemen.
4.2.1. Iterasi perubahan dimensi patch
Gambar 4.2 menunjukkan grafik VSWR terhadap frekuensi hasil simulasi
rancangan awal dengan perubahan ukuran patch yang merupakan hasil rancangan
berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan pada sub bab 3.51 – 3.53. Untuk
penyesuaian grid pada simulator, dilakukan pembulatan dimensi menjadi W = 43 mm
dan L = 38 mm. Iterasi dilakukan dengan menambah dan mengurangi ukuran panjang
dan lebar patch dari antena mikrostrip patch segi empat sampai dengan diperoleh
hasil yang cukup optimal untuk tahapan iterasi selanjutnya.
Gambar 4.2. Grafik VSWR perubahan dimensi patch
67
Universitas Sumatera Utara
Pada tahap ini diperoleh nilai optimum dimensi patch adalah panjang L = 29
mm dan lebar W = 40 mm. Nilai VSWR < 2 masih berada hanya pada band 2400
MHz pada nilai F1 = 2432 MHz dan F2 = 2477 MHz dengan nilai VSWR terbaik
1,67.
4.2.2. Iterasi perubahan posisi pencatu
Pada tahap selanjutnya dilakukan iterasi perubahan posisi dari pencatu searah
sumbu horizontal dari patch, sehingga diperoleh nilai VSWR yang mulai terbentuk
menjadi frekuensi dualband pada band 1800 MHZ dan 2400 MHz. Bentuk antena
dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Wg
Wp
Lp
Lg
Wp
1
Wf Lf
Gambar 4.3. AMPSE dualband 1 elemen hasil perubahan posisi pencatu
Pada Gambar 4.3 diperlihatkan dimensi antena mikrostrip segi empat dengan
ukuran Wp = 40 mm, Lp = 29 mm, Wg=56 mm, Lg=57 mm, Wp1=32 mm, Lf=20
68
Universitas Sumatera Utara
mm, Wf=3 mm. Pada iterasi lanjutan ini, rancangan optimal dari antena mikrostrip ini
dilakukan pada posisi pencatu yang di geser searah sumbu horizontal, sehingga di
peroleh hasil optimal digeser ke arah kanan sejauh 11 mm dari posisi awal yang
sebelumnya berada di tengah sumbu horizontal dari patch. Nilai VSWR hasil
simulasi diperlihatkan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Grafik VSWR iterasi perubahan posisi pencatu
Pada tahap ini diperoleh nilai optimum VSWR < 2 sudah berada pada
frekuensi dualband pada nilai F1 = 1783 MHz dan F2 = 1820 MHz dengan nilai
VSWR terbaik pada 1,487 untuk band frekuensi 1800 MHz. Diperoleh nilai F1 =
2419 MHz dan F2 = 2483 MHz dengan nilai VSWR terbaik pada 1,489 untuk band
frekuensi 2400 MHz.
69
Universitas Sumatera Utara
4.2.3. Iterasi perubahan dimensi inset dan pencatu
Pada tahap iterasi selanjutnya dilakukan perubahan pada kombinasi dimensi
inset dan dimensi saluran pencatu, sehingga diperoleh nilai VSWR yang optimal pada
frekuensi band 1800 MHZ dan 2400 MHz.
Nilai VSWR dan dimensi antena mikrostrip hasil simulasi diperlihatkan pada
Gambar 4.5, Gambar 4.6 dan Gambar 4.7.
Gambar 4.5. Grafik VSWR iterasi perubahan dimensi inset dan pencatu
Pada Gambar 4.5 diperlihatkan hasil iterasi yang memperlihatkan perbaikan
nilai bandwidth dari frekuensi dualband. Pada iterasi lanjutan ini, rancangan optimal
dari antena mikrostrip ini dilakukan pada dimensi inset dan dimensi saluran pencatu.
70
Universitas Sumatera Utara
Grafik VSWR hasil dari rancangan akhir AMPSE 1 elemen ini diperlihatkan pada
Gambar 4.6.
Gambar 4.6. Grafik VSWR rancangan akhir AMPSE dualband 1 elemen
Gambar 4.6 memperlihatkan nilai VSWR optimal pada nilai F1 = 1782 MHz dan
F2 = 1819 MHz dengan nilai VSWR terbaik pada 1,07 untuk band frekuensi 1800
MHz. Pada nilai F1 = 2404 MHz dan F2 = 2471 MHz dengan nilai VSWR terbaik
pada 1,27 untuk band frekuensi 2400 MHz, yang dianggap sudah memadai dengan
target nilai VSWR < 2, namun belum cukup optimal untuk target pencapaian lebar
band / bandwidth.
Gambar 4.7 merupakan hasil akhir rancangan AMPSE dualband 1 elemen.
71
Universitas Sumatera Utara
Wg
Wp
Lp
Lg
wb
lb
wa
wd
lc
wc
Gambar 4.7. Rancangan akhir AMPSE dualband 1 elemen
Lebar ground plane Wg = 57 mm, panjang ground plane Lg = 56 mm, lebar
patch Wp = 40 mm, panjang patch Lp = 29 mm, lebar saluran pencatu wc = 2 mm,
panjang saluran pencatu lc = 20 mm, wa = 29 mm, wb = 9 mm, lb = 1 mm, wd = 2 mm.
Hasil optimal dari simulasi AMPSE dualband 1 elemen ini kemudian
digunakan untuk merancang AMPSE dualband 2 elemen untuk meningkatkan
bandwidth.
Tabel 4.1 merupakan hasil akhir pencapaian dari antena mikrostrip patch segi
empat dualband 1 elemen.
72
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.1. Pencapaian AMPSE dualband 1 elemen
Parameter
Spesifikasi
Fband1
1800 MHz
Fband2
2400 MHz
BW Lower Band
37 MHz
BW Upper Band
67 MHz
VSWR