Perancangan dan Pengukuran Antena Microstrip Dual-Band pada Frekuensi 144 MHz/430 MHz untuk Perangkat Portabel Transciever Satelit Nano 1,2,3)
Riyadi T.1), Eko Setijadi 2), Gamantyo H.,3) Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) satelit oleh bangsa Indonesia. Dalam program pemerintah ini mahasiswa dari perguruan tinggi tersebut yang berperan utama dalam pengenmbangan Nano Satelit. Dosen dalam program ini berperan sebagai pembimbing dalam pengusaaan teknologi Nano satelit. [2] Teknologi Nano Satelit yang dikembangakan oleh berbagai universitas ini difokuskan untuk satelit yang mengorbit pada orbit LEO (Low Earth Orbit). Teknologi Nano satelit pada orbit LEO karena dimensi satelit kecil dan pengembangan yang relatif murah dan peluncuran yang relatif mudah. Salah satu dari komponen sub system komunikasi satelit adalah antenna, baik di sisi stasiun angkasa maupun di stasiun bumi. Pada penelitian ini didesain antena microstrip dual band dengan frekuensi tengah 144 MHz di sisi Uplink dan 430 Mhz di sisi downlink. Desain antena ini ditujukan untuk pengembangan pesawat transceiver portabel sebagai stasiun bumi satelit nano generasi pertama Indonesia, IiNUSAT 1. Pilihan menggunakan teknik microstrip antenna ini lebih kepada bentuk antenna low profile yang sesuai dengan semangat portabilitas transceiver yang akan diintegrasikan.
ABSTRAK Sekarang ini di Indonesia sedang dikembangkan satelit nano generasi pertama. Salah satu komponen dari subsistem komunikasi dari satelit adalah antena pada statsiun angkasa dan bumi. Penelitian pada Tugas Akhir ini menyajikan desain dual-operation antena untuk stasiun bumi portabel dengan teknologi microstrip. Dua frekuensi tengah yang dipilih untuk mendukung tranceiver portabel adalah pada frekuensi 144MHz dan 430 MHz. Disain awal antena ini berupa rectangular microstrip dengan bahan substrat FR04 dan dimensi 500 mm x 250mm. Pencatuan antena menggunakan teknik feeding line, teknik U-Slot pada ground plane diterapkan untuk mereduksi dimensi antena. Dari hasil simulasi didapatkan nilai retrun loss sebesar -12,28 dB, VSWR sebesar 1.64 untuk frekuensi kerja 144 MHz dan -16.80 dB dan VSWR sebesar 1.34 untuk frekuensi kerja 430 MHz. Bandwidth yang didapatkan sekitar 1.109 % dan 2,046 % untuk masing-masing frekuensi kerja, 144 MHz dan 430 MHz. Dari hasil pengukuran didapatkan nilai return loss dan VSWR sebesar -11,725 dB dan 1.7 untuk frekuensi uplink. Sedangakan untuk frekuensi downlink didapatkan nilai return loss dan VSWR sebesar -12,207 dB dan 1.65. bandwidth dari pengukuran hanya didapatkan pada frekuensi uplink sebesar 2,608 %. Pengukuran gain didapatkan sebesar 1.24 dB untuk frekuensi uplink dan 1.23 dB untuk frekuensi downlink. Mengacu pada hasil simulasi dan pengujian, dapat disimpullkan bahwa disain antena ini bisa diterapkan untuk perangkat portabel transcivier satelit nano.
2. ANTENA MICROSTRIP Antena terdiri dari beberapa lapisan dilektrik dengan susunan elemen radiasi (patch) di atas dan bagian ground plane di bawah. Elemen radiasi terbuat dari bahan tembaga yang dapat mengalirkan arus listrik dan dapat dibentuk menjadi beberapa bentuk. Gambaran microstrip antena bisa dilihat pada Gambar 1 [3].
KataKunci : microstrip antenna, U-Slot, dual band, Inset feed, Feed line
1. PENDAHULUAN asalah komunikasi dan penyiaran yang mencakup wilayah geografis yang luas dengan jenis topografi yang menyulitkan bagi pengembangan sistem terestrial, seperti yang dialami oleh Indonesia yang berbentuk kepulauan, dapat dipecahkan dengan menggunakan teknologi komunikasi satelit. Selain itu, teknologi satelit juga bisa dimanfaatkan untuk mengatasai masalah navigasi dan manajemen armada mulai dari angkutan, militer maupun penelitian dengan memanfaatkan satelit khusus yakni satelit navigasi. Penginderaan dan penelitian kebumian yang menyangkut wilayah sasaran yang luas juga dimungkinkan oleh teknologi satelit.[1] Pemerintah mengadakan suatu program pengembangan satelit nano antar universitas yang diberi nama IINUSAT (Indonesia Inter-University Satellite). Universitas yang terlibat antara lain ITB, UI, UGM, IT Telekom, PENS, dan ITS, ditambah LAPAN. Hal ini dimaksudkan untuk penguasaan secara mandiri teknologi
M
Gambar 1. Struktur Microstrip Antena
Analisis antena microstrip digunakan analogi bahwa antena berbentuk persegi, panjang dari elemen radiasi L berkisar pada 0.3λ0
sebagai antenna low profile. Selain itu polarisasi linear dan melingkar dapat dihasilhan dengan teknik feeding yang mudah serta dual frekuensi dan dual polarisasi antena juga dapat dihasilkan dengan mudah. Antena microstrip dapat diintegrasikan dengan perangkat gelombang mikro lainnya. Tetapi antena microstrip mempunyai lebar pita yang sempit, daya yang cukup rendah sekitar 6 dB, sulit mendapatkan efiensi yang tinggi [3].
Gambar 3. Ilustrasi Transmission Line
Seperti yang terlihat pada Gambar 3, mayoritas jalur medan elektrik terletak pada substrat dan sebagian pada udara bebas. Perbedaan kecepatan rambat gelombang di udara dan substrat mengakibatkan transmission line tidak mampu menyediakan mode transmisi transverseelectromagnetic (TEM) secara murni. TEM merupakan mode propagasi dimana medan magnet dan medan listrik dipancarkan dengan suatu lajur yang terbatas pada arah normal dari arah propagasi. Oleh sebab itu mode propagasi yang umumnya digunakan yaitu quasi-TEM mode dimana terdapat dua media dalam propagasi (subtrat dan udara).hal ini berpengaruh terhadap konstanta dielectrik efektif (reff) yang bernilai pada rentang nilai 1 <reff<r [6]. Pengaruh ini dinamakan fringging effect. Pada frekuensi rendah, konstanta dielektrik efektif bisa diaanggap konstan. pada frekuensi menengah, nilai dari reff akan bertambah secara perlahan dan mencapai nilai dari konstanta dielektrik dari substrat. Nilai konstanta dielektrik efektif awal atau pada frekuensi rendah dapat dinyatakan dengan persamaan 1.
2.1 Metode Feeding Antena Microstrip Metode pencatuan antena microstrip atau feed microstrip antenna terbagi menjadi beberapa metode, metode yang paling umum digunakan ada 4 macam metode yakni microstrip line feeding, coaxial probe feeding, aperture coupling dan proximity coupling feeding[4]. Metode feeding ini juga bisa dipisah menjadi 2 kategori besar yakni contacting dan non-concacting. Metode contacting menggunakan prinsip energi radio frekuensi berhubungan langsung dengan elemen radiasi seperti teknik microstrip line feeding. Sedangkan metode non-contacting menggunakan prinsip medan elektromagnetik disalurkan melelui cara kopling antara feed line dengan elemen radiasi antena. Metode noncontacting ini yang banyak dipakai adalah aperture coupling dan proximity coupling. Pada penelitian ini digunakan metode feeding yang menyaluran daya ke elemen radiasi menggunakan kepingan konduktor secara langsung seperti terlihat pada Gambar 2. Dengan catatan kepingan konduktor mempunyai lebar yang lebih kecil daripada kepingan radiasi. Metode ini salah satu metode feeding yang sederhana tetapi dengan bertambahnya ketebalan substrat gelombang elektromagnetik permukaan meningkat dan bandwidth yang diterima dengan metode ini berkisar antara 2-5 %. [3]
*
+
(1)
Antena microstrip terdiri dari dua slot yaitu slot radiasi dan ground plane. Kedua slot ini dipisahkan oleh transmission line dengan panjang L dan rangkaian terbuka pada kedua sisi. Pada seluruh lebar dari penampang, tegangan bernilai maksimum dan arus bernilai minimum sebagai akibat adanya sisi yang terbuka. Akibat adanya fringging effect, penampang dari patch microstrip terlihat lebih besar secara elektrik daripada penampang fisiknya.ukuran dari panjang penampang bertambah pada setiap sisi dengan suatu jarak yang dinyatakan dengan ∆L. (
)(
(
) )(
)
(2)
Gambar 2. Metode Line feeding
panjang efektif dari lempengan Leff menjadi
2.2 Metode Analisis Transmission Line Model Dalam penelitian ini digunakan metode transmission line model karena lebih sederhana dan mudah untuk disimulasikan maupun dibuat. Metode ini menganalogikan antena microstrip sebagai 2 buah lempengan (slots) yang mempunyai lebar (W) dan tinggi substrat (h) kedua lempengan tersebut dipisahkan oleh jarak atau panjang (L). Pada dasarnya metode ini antena terpisah karena adanya panjang dan mempunyai sifat impedansi Zc[5].
.
√
(3)
Panjang efektif lempengan pada frekuensi resonansi dapat dihitung dengan . (4) Untuk sebuah antenna microstrip persegi, frekuensi resonansi dinyatakan sebagai berikut. √
2
.
(5)
Sedangkan radiasi efektif, dinyatakan sebagai berikut. .
panjang
dari
W (6)
√
3. PERENCANAAN DISAIN ANTENA Langkah-langkah dalam disain dan implementasi antena microstrip dual-band disajikan pada flowchart berikut ini. Mulai
Penentuan Spesifikasi Awal Rancangan dan Persiapan
Gambar 5. Disain Antena Dual-Band Tampak Atas
Simulasi Rancangan Awal Antena
Simulasi Microstrip Antena 144 MHz
Simulasi Microstrip Antena 430 MHz
Simulasi Dual Band Microstrip Antena
Analisis Data
Analisis Data
Analisis Data
Implementasi
Gambar 6. Disain Antena Dual-Band Tampak Bawah
Pengukuran Parameter Unjuk Kerja Antena
Dari gambar 5 dan 6 tampak penggunaan U slot sebanyak 3 buah dengan komposisi 2 pada lempengan radiasi dan 1 pada ground plane. Disamping penggunaan U slot, slot tambahan dengan panjang bervariasi juga digunakan 3 pada lempengan radiasi dan 1 pada ground plane. Pencatuan antena digunakan metode feed line dan insert feed. Hal ini bisa terlihat pada gambar 4, lempengan radiasi mempunyai bentuk yang sedikit menjorok ke dalam untuk pencatuan feed line Dari dua gambar dua atas ukuran geometri antena mulai dari panjang dan lebar substrat, patch dan feed line sebagai berikut Substrat : Panjang (L) = 500 mm Lebar (W) = 250 mm Lempengan radiasi (patch) : Panjang (Ls) = 390,5 mm Lebar (Ws) = 210 mm Feed line Panjang (Lf) = 85 mm Lebar (Wf) = 7 mm
Analisis Data Optimasi
T
Parameter Unjuk Kerja
Ya
Kesimpulan
Stop
Gambar 4. Flowchart Metodologi Penelitian
Dalam penelitian ini, pada tahap awal dilakukan penentuan spesifikasi awal dari material pembuatan antena yang akan didesain. Dan penentuan spesifikasi software simulasi yang akan digunakn dalam perencanaan. Dan dalam penentuan spesifikasi material diusahakan material yang dapat diperoleh di dalam negeri, material substrat berupa FR-04 yakni berupa PCB fiber dari bahan epoxy. Simulasi hasil rancangan dasar dilakukan dari pemodelan dan perhitungan antena menggunakan metode transmission line model untuk memperoleh dimensi antena yang sesusai. Dual frekuensi yang diperoleh karena adanya bentuk inset feed pada sisi pencatuan antena. Untuk memperkecil disain antena digunakan penambahan U slot dan slot kotak tambahan pada sisi lempengan radiasi dan sisi ground plane. Optimasi dilakukan karena hasil simulasi belum tentu benar dengan hasil kenyataan. Optimasi dilakukan dengan mengurangi luasan patch atau dengan menambah lebar daerah pencatuan antena, tepatnya di ujung pencatuan. Spesifikasi panjang dan lebar mengenai perangkat yang akan dirancang dapat dilihat pada gambar 5 dan 6 di bawah ini.
Selain itu spesifikasi ukuran untuk masing-masing U-slot dan slot kotak mulai dari lempengan radiasi dan ground plane disajikan sebagai berikut : a) U-slot pada lempengan radiasi (Patch) a) U-slot I (U1) Lx = 95 mm Lx1 = 100 mm Lebar = 5 mm b) U-slot II dan III (U2 dan U3) Ly = 60 mm Ly1 = 33 mm Lebar = 5 mm 3
b) Slot kotak pada lempengan radiasi (Patch) a) Slot kotak I (K1) L1 = 26 mm W1 = 5 mm b) Slot kotak II (K2) L2 = 65 mm W2 = 10 mm c) Slot kotak III (K3) L3 = 210 mm W3 = 6 mm c) U-slot pada ground plane (Ug) Lg1,Lg2,Lg3 = 410mm, 415 mm, 200 mm Wg1,Wg2 = 5 mm, 10 mm d) Slot kotak (Kg) Lk = 210 mm Wk2 = 6 mm
secara maksimal. Pada sisi uplink dilakukan pengukuran pada frekuensi 140MHz-145MHz. Pada sisi downlink dilakukan pengukuran pada frekuensi 430MHz,433MHz, 434 MHz dan 435MHz. Nilai return loss didapatkan dengan perhitungan manual dari rumus 7 dan 8. Oleh karena itu nilai VSWR merupakan faktor utama pengukuran antena ini. 4.2 Pengukuran Gain Gain antenna atau penguatan antenna, pengukuran parameter ini menggunakan perangkat pengukur Spectrum Analyzer. Karena perangkat pengukur spectrum analyzer bisa mengetahui level daya yang diterima antena. Selain itu juga dibutuhkan antena dengan frekuensi kerja yang sama dengan antena hasil disain dengan gain yang sudah diketahui, serta signal generator sebagai pembangkit sinyal pada frekuensi kerja antena hasil disain. Nilai gain dapat dihitung dengan rumus dibawah ini.
4. SKENARIO PENGUKURAN Antena microstrip hasil disain dan implementasi harus diuji terlebih dulu parameter-parameter unjuk kerjanya. Paremeter yang akan diukur antara lain : VSWR, Gain dan pola radiasi. Nilai return loss dan bandwidth dihitung secara manual dengan persamaan di bawah ini . RL (dB) = -20 log |Г|
Gx(dB) = Px(dBm) – Py(dBm) + Gy(dB) (10) Dengan : Gx = gain antena disain (dBi) Gy = gain antena monopole fabrikasi (dBi) Px = level daya terima antena disain (dBm) Py = level daya terima antena monopole fabrikasi (dBm)
(7)
Dimana Г adalah koefisien pantul antena pada masing-masing kerja. Koefisien pantul dihitung dengan rumus di bawah ini. Г==
=
=
4.3 Pengukuran Pola Radiasi Pengukuran Pola Radiasi dilakukan dengan bantuan perangkat pengukur Spectrum Analyzer, Signal Generator dan Antena pemacar. Skema pengukuran dilakkan dengan memasang antena fabrikasi yang mempunyai frekuensi yang sama dengan antena hasil implementasi pada signal generator. Antena hasil implementasi dipasang pada spectrum analyzer. Pengukuran pola radiasi terbagi menjadi 2 macam yakni pola radiasi horizontal dan pola radiasi vertical.
(8)
Ada 3 kasus khusus untuk keadaan koefien pantul, yakni ketika koefisien pantul bernilai -1,0 dan 1. Г = -1 berarti refleksi negatif maksimum yakni ketika saluran terjadi hubung singkat Г = 0 berarti tidak ada gelombang pantul dengan kata lain saluran matched sempurna. Г = 1 berarti refleksi postif maksimum yakni ketika saluran dalam keadaan terbuka. Parameter bandwidth dihitung dari hasil return loss yang didapatkan, perhitungan bandwidth didapatkan dari rumus di bawah ini. Bandwidth = x 100% (9) Dengan : F2 = frekuensi tertinggi pada nilai return loss –10dB F1 = frekuensi terendahi pada nilai return loss -10dB Fc = frekuensi tengah Skenario pengukuran masing-masing parameter dijabarkan pada ulasan di bawah ini.
5. HASIL DAN PEMBAHASAN Pembahasan dilakukan dengan membandingkan beberapa parameter antenna yang disimulasikan dan diimplementasikan. Parameter yang akan dibandingkan hasilnya adalah VSWR, return loss, banwidth dan pola radiasi. Gain didapatkan dari hasil pengukuran. 5.1
Pengamatan Nilai VSWR, Return Loss dan Bandwidth Parameter awal yang akan diamati dari hasil simulasi dan pengukuran adalah parameter VSWR antena microstrip dual-band. Karena parameter ini penting didapatkan, parameter lain seperti return loss dan bandwidth dihitung dan berasal dari parameter VSWR antena. Return loss dapat dicari dengan persamaan 7. Dihitung manual karena pengukur parameter unjuk kerja antena hanya mengukur parameter VSWR. Perbandingan nilai VSWR antara hasil simulasi dengan pengukuran disajikan pada gambar 8 di bawah ini.
Pengukuran VSWR VSWR diukur atau diuji dengan perangkat SWR meter analog. Hal ini dikarenakan perangkat Network Analyzer mengalami kerusakan. Prinsip kerja SWR meter langsung mengukur VSWR antena pada frekuensi tertentu dengan bantuan perangkat transceiver. Transceiver berfungsi sebagai pembangkit sinyal pada frekuensi antena disain. Sebelum digunakan untuk pengukuran SWR meter perlu dikalibrasi agar didapatkan nilai VSWR antena 4.1
4
SWR meter sehingga hasil kurang maksimal. Selain itu faktor pantulan gelombang elektromagnetik lain yang berada di tempat pengukuran. 5.2 Pengamatan Pola Radisai Antena Pola radiasi antenna hasil simulasi dan implementasi pada sisi uplink ditampilkan pada gambar 10 di bawah ini.
Gambar 8. Perbandingan Nilai VSWR pada Sisi Uplink
Dari gambar 8 tampak perbandingan nilai VSWR antara hasil simulasi dengan hasil pengukuran. Dari hasil pengukuran nilai VSWR sebesar 1,7 sedangkan dari simulasi sebesar 1,64, hal ini dikarenakan perangkat pengukur yang terpengaruh pencatuan dan kondisi plat tembaga di PCB yang sudah mulai berkurang. Sehingga nilai VSWR menjadi lebih tinggi. Grafik perbandingan nilai return loss pada sisi uplink disajikan pada gambar 9 di bawah ini.
Gambar 10. Hasil Simulasi Pola Radiasi Horizontal Antena
Gambar 11. Hasil Pengukuran Pola Radiasi Horizontal Antena
Grafik pola radiasi vertikal hasil simulasi dan pengukuran disajikan pada gambar 12 dan 13 di bawah ini.
Gambar 9. Perbandingan Nilai Return Loss pada Sisi Uplink
Dari gambar 9 tampak perbandingan nilai return loss ari hasil pengukuran dengan hasil simulasi. Dari hasil simulasi didapatkan nilai return loss sebesar -12,28 dB sedangkan dari hasil pengukuran didapatkan nilai return loss sebesar -11,73 dB. Hal ini mirip dengan keadaan VSWR. Nilai VSWR semakin bertambah maka nilai return loss semakin bertambah pula. Bandwidth hasil simulasi didapatakan sekitar 1.095% (1,597MHz)sedangkan dari hasil pengukuran didapatkan bandwidth sekitar 1,379 % (2MHz). Hasil pengukuran lebih besar bukan berarti antena lebih baik dari hasil simulasi, tetapi ada pengaruh perangkat pengukur antena yang masih analog dan terkadang tidak matching dengan perangkat transcivier. Nilai VSWR hasil simulasi pada sisi downlink adalah 1,34 sedangkan hasil implementasi adalah 1.65 dan nilai return loss hasil simulasi dan pengukuran adalah 16,8 dB dan -12,207. Hasil yang diperoleh berbeda karena ada beberapa faktor. Faktor paling penting adalah nilai VSWR, nilai VSWR didapatkan dari perangkat analog
Gambar 12. Hasil Simulasi Pola Radiasi Vertikal Antena
Gambar 13. Hasil Pengukuran Pola Radiasi Vertikal Antena
5
DAFTARREFERENSI
5.3 Pengamatan Gain Antena Hasil pengukuran gain antena microstrip dihitung dengan menggunakan perbandingan seperti rumus persamaan (9). Gain didapatkan dari 3 kali pengukuran untuk frekuensi kerja masing-masing. Gain antena pada sisi uplink adalah 1.24 dB sedangkan gain pada sisi downlink adalah 1.23 dB. Pengukuran untuk mendapatkan faktor penguatan antena microstrip tersebut diatas cukup sulit, hal ini disebabkan : Radiasi sinyal yang dipancarkan sangat peka terhadap lingkungan sekitarnya, karena sinyal akan mengalami attenuasi di ruang bebas dan dipantulkan atau diserap oleh benda-benda di ruangan, juga bahan yang digunakan mempengaruhi daya pancarnya. Gelombang pantul yang cukup besar, karena benda-benda disekitar pengukuran.
[1].
[2]. [3].
[4].
[5].
[6].
6. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan beberapa hal, antara lain : 1. Didapatkan disain antena dual-band yang memiliki panjang dan lebar yang memenuhi batasan masalah. Dan digunakan teknik pencatuan garis dan penambahan slot untuk memperkecil dimensi antena. 2. Didapatkan gain antena untuk frekuensi uplink sebesar 1,24 dB dan untuk frekuensi downlink sebesar 1,23 dB. 3. Dari hasil pengukuran didapatkan nilai VSWR antena untuk frekuensi uplink dan downlink berturut-turut adalah 1,7 dan 1,65 4. Dari hasil pengukuran didapatkan nilai return loss untuk frekuensi uplink dan downlink berturut-turut 11.725 dB dan -12.207 dB. 5. Disian antena microstrip dual-band dapat diperoleh dengan panjang maksimal adalah 500 mm Riwayat Penulis Penulis dilahirkan di Kediri, 30 April 1989, merupakan anak ketiga dari 3 bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu di SDN Wonorejo I Wates, MTsN II Kediri dan SMAN I Kediri. Kemudian melanjutkan studi di Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Surabaya. Di Jurusan Teknik Elektro ini, Penulis pernah aktif sebagai staff pelatihan divisi workshop Teknik Elektro Periode 2008 – 2010. Pada tahun ketiga ikut terlibat dalam kegiatan IT Support Flexinet yang bergerak pada bidang Jasa Telekomunikasi. Pada tahun terakhir penulis juga terlibat sebagai asisten praktikum Dasar Telekomunikasi dan praktikum Komunikasi Data Penulis pernah mengikuti kerja praktek di PT Telekomunikasi Indonesia pada divisi akses. Penulis mengambil tugas akhit mengenai perancangan microstrip dual-band antenna di bawah bimbingan Eko Setijadi, ST., MT., Ph.D dan Prof. Ir. Gamantyo H., M. Eng., Ph.D. Penulis dapat dihubungi di email
[email protected]. 6
Ajibesin, A.A., Bankole, F.O., Odinma, A.C. A review of next generation satellite networks: Trends and technical issues, AFRICON, hal.2009,1-7. IiNUSAT, Preliminary Design Review, 2010 Garg, R., Bhartia, P., Bahl, I., Ittipiboon, A., Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, Inc, 2001. Balanis,Constantine A. Antenna Theory Analysis And Design,Canada: John Wiley & Sons.2005, Hal 811-865. Behera, Soumya R., Dual Band and Dual Polarized Microstrip Patch Antenna, Tesis India, Mei, 2010. Chen , Zhi Ning, Chia , Michael Y. W. Broadband Planar Antennas Design and Applications, Singapore: John Wiley & Sons. 2006.
