ANTENA MIKROSTRIP 5 LARIK SIMETRI DOUBLE DIPOLE UNTUK OMNI DIRECTIONAL DENGAN FREKUENSI KERJA 2,4 GHZ

ISBN : 978-602-97895-1-5 SEMNAS MIPA 2010 Uniersitas Negeri Malang

ANTENA MIKROSTRIP 5 LARIK SIMETRI DOUBLE DIPOLE UNTUK OMNI DIRECTIONAL DENGAN FREKUENSI KERJA 2,4 GHZ Qomaruddin1), Yulia Dyah R2), Yono Hadi P3) Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Telp: (031)-5943351, Fax: (031)-594331 E-mail: [email protected]), [email protected]), [email protected])

Abstract Telah dilakukan fabrikasi dan karakterisasi antena microstrip omnidirectional berstruktur array double dipole dengan substrat fiber untuk komunikasi WiFi 2,4 GHz. Fabrikasi dilakukan dengan metode etching dengan larutan feritklorit (FeClO3), struktur antenna terdiri dari lima larik double dipole yang simetri dengan pola pertama menggunakan strip feed line polos dan yang kedua dengan strip feed line tangga. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa antenna ini dapat diaplikasikan sebagai omnidirectional dengan nilai VSWR 1,4 dan pola radiasinya adalah radial untuk vertikal maupun horizontal dengan gain 24 dB. Kata kunci: mikrostrip, omnidirectional, double dipole, substrat fiber.

1. PENDAHULAN Komunikasi sudah merupakan kebutuhan primer bagi masyarakat perkotaan terutama bagi mereka yang mempunyai mobilitas tinggi. Sudah menjadi hal yang lumrah bagi mereka menggunakan komunikasi secara nirkabel (wireless), hal ini terbukti dengan memanfaatkan fasilitas yang disediakan para provider kartu berlangganan prabayar GSM. Akan tetapi untuk komunikasi pada jaringan WiFi dibutuhkan beberapa komponen. Antena adalah alat yang dapat mengakomodasi kebutuhan jaringan WiFi pada frekuensi 2,4–2,5 GHz[10]. Oleh karena itu riset ini membuat Antena Mikrostrip untuk omnidirectional yang mempunyai pola radiasi menglingkar, sehingga diharapkan sinyal yang dipancarkan oleh antena transmiter lebih kuat dan jangkauannya lebih luas. Riset ini menunjukkan bahwa antena mikrostrip dipole ganda untuk omnidirectional yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz sudah memenuhi kebutuhan tersebut[10]-[13]. 2. LANDASAN TEORI Antena menurut Webster’s directionary adalah suatu alat untuk meradiasikan atau menerima gelombang

SEMNAS MIPA 2010

radio. Sedangkan berdasarkan IEEE standaret definition of term for antennas, antena di definisikan sebagai “suatu alat untuk meradiasikan atau menerima gelombang radio”. Dengan kata lain antenna adalah suatu bentuk peralihan antara ruang bebas dan insrtumen pemandu. Selain sebagai alat untuk mengirim atau menerima energi radiasi gelombang elektromagnetik, antenna juga digunakan untuk mengoptimalkan energi radiasi pada arah tertentu dan menekannya kearah yang lain [8]. Hal ini kemudian menyebabkan antenna memiliki berbagai bentuk dan desain untuk memenuhi kebutuhan khusus. System yang memanfaatkan gelombang elektromagnetik (microwave) adalah kominikasi nirkabel (wireless), dengan propagasi gelombang radio sebagai media transmisinya. Bertambahnya popularitas system nirkabel, pengembangan antenna untuk system ini menjadi lebih penting. Antenna dapat diangap sebagai tulang punggung system nirkabel[10]-[13]. 2.1. VSWR Voltage Standing wave ratio merupakan ukuran ketidakcocokan antara impedansi beban antena dan impedansi pada saluran transmisi. Standing wave dapat terjadi jika ada dua gelombang yang erlawan

FIS - 18

menjalar pada medium yang sama. Hal ini direpresentasikan dangan besaran VSWR antara 1 sampai tak berhingga. SWR 

Vmax I max  Vmin I min

(1)

Hubungan VSWR dengan koefisien pantul (ρ), dapat dinyatakan sebagai berikut: 1 ρ (2) VSWR  1 ρ

Dengan ρ: koefisien refleksi [7].

A  

Je Je dv' dv'   4 r  r ' 4 R v j R

 J r  r '

(5)

(persamaan potensial vektor pada titik p dengan jarak R dari sumber) menjadi:

2.2. Pola Radiasi Pola radiasi adalah plot tiga dimensi disrtibusi sinyal yang dipancarkan oleh sebuah antena, atau plot tiga dimensi tingkat penerimaan sinyal yang diterima oleh sebuah antena. Pola radiasi antena dibentuk oleh dua buah radiasi berdasar bidang irisan, yaitu pola radiasi pada bidang irisan arah elevasi (pola elevasi) dan pola radiasi pada bidang irisan arah azimuth (pola azimuth) [8]. Pola radiasi juga dapat didefinisikan sebagai representasi grafik dari radiasi suatu antena sebagai fungsi dari arah. Jika radiasi di ungkapkan sebagai kuat medan E , pola radiasinya adalah pola kuat medan. Jika radiasi dinyatakan dalam daya per satuan sudut , pola radiasinya adalah pola daya. Pada umumnya pola radiasi menggunakan kuat medan gelombang, bidang seragam membawa energi elektromagnetik, rapat energy di dapat dari vektor pointing[10][13]. Untuk gelombang bidang seragam dalam ruang hampa dengan medan elektromagnetik dinyatakan : (3) E  xˆEo e  jkz

E  H  yˆ  o e  jkz  

Untuk menggambarkan pola radiasi ini terlebih dahulu harus ditemukan potensial vektor A pada medan jauh. Pada medan jauh vektor dari sumber dan vektor dari titik asal seola-olah sejajar atau mendekati parallel [8]. Sehingga pada kondisi medan jauh R = (R – R’)

A

e  jr 4r

 J e

j rˆ.r '

 J e'e

dv

(6)

Untuk sumber garis pada sumbu z

A

zˆ e  j r 4r

j z ' cos

dz'

(7)

Setelah pernyataan distribusi arus dari sumber telah diketahui akan diperoleh harga medan magnet H dan harga medan magnet H tersebut dimasukkan pada persamaan

E

1 j   H  J 

(8)

(medan listrik E untuk daerah di dalam konduktor sumber), Maka diperoleh medan listrik E. dalam koordinat bola, medan listrik E dan medan magnet H diperoleh dalam komponen vektor θ dan  . Sedangkan poynting vektornya hanya mempunyai komponen radial saja. Besarnya komponen radial dari poynting vektor dapat dinyatakan sebagai berikut :

1 E Pr  2 

2

(9)

Dengan: (4)

E  E2  E2

(10)

magnitude resultan medan listrik Eo = komponen medan listrik θ E = komponen medan listrik

η = Impendansi intrinsik ruang bebas

Khusus untuk sumber yang arusnya hanya berada di sumbu-z saja diperoleh persamaan medan jauh : E  j sin  Az (11)

E  j sin 

Gambar 1. Pola radiasi antena dipole

SEMNAS MIPA 2010

 jz ' cos e  jr J  z'e dz (12)  4r

Sedangkan komponen radial dari poynting vektor adalah :

FIS - 19

1 J sin Az Pr   2

2

(13)

Untuk menyatakan pola radiasi medan secara grafis, pola radiasi tersebut dapat digambarkan dalam bentuk absolute atau dalam bentuk relatif. Maksud bentuk relatif adalah pola radiasi yang sudah dinormalisasikan, yaitu setiap harga dari pola radiasi tersebut telah dibandingkan dengan harga maksimumnya. Sehingga pola radiasi medan apabila dinyatakan dalam pola radiasi yang ternormalisasi akan mempunyai bentuk :

F ,  

E , 

E , max

2

2D 2 , untuk 

dan

[7]

Gambar 2. Pola pancaran radiasi pada antena, (a) mode pemancar, (b) mode penerima [4]

(15)

Pola radiasi medan suatu antena sering juga dinyatakan dengan satuan desibel [8]. Untuk hal ini intensitas medan dalam satuan desibel didefinisikan sebagai: (16) F ,  db  20 log F ,  Sedangkan untuk pola dayanya dalam decibel (17) P ,  db  10 log P ,   20 log F ,  Jadi dalam satuan decibel pola daya sama dengan pola medannya. Semua pola radiasi yang dibicarakan diatas adalah pola radiasi untuk kondisi medan jauh. Pada pengukuran pola radiasi, factor jarak adalah factor yang amat penting agar diperoleh hasil pengukuran yang baik dan teliti. Semakin jauh jarak pengukuran pola radiasi yang digunakan tentu akan semakin baik hasil yang akan diperoleh. Namun untuk melakukan pola radiasi pada jarak yang benar–benar tidak terhingga adalah suatu hal yang tidak mungkin. Untuk pengukuran ini, ada suatu daerah dimana medan yang diradiasikan oleh antena sudah dianggap SEMNAS MIPA 2010

r

(14)

Karena poynting vektor hanya mempunyai komponen radial yang sebenarnya berbanding lurus dengan kuadrat magnitude medannya, maka untuk pola radiasi daya apabila dinyatakan dalam pola radiasi medan ternormalisasi tidak lain sama dengan kuadrat dari pola medan yang sudah dinormalisasikan, yaitu :

P ,   F , 

sebagai tempat medan jauh, yaitu apabila jarak antara sumber radiasi dengan antena yang diukur memenuhi ketentuan berikut:

(a)

(b) (c) Gambar 3. Contoh pola radiasi, (a) komponen pola radiasi, (b) untuk antena omnidiretional 2D, (c) 3D [4] 2.3. Return Power Loss Pada saat gelombang elektromagnetik melewati sebuah saluran transmisi dan mengalami ketidaksesuaian beban atau mengalami diskontinuitas dalam saluran, beberapa bagian dari daya masukan yang dipantulkan kembali ke saluran transmisi. Return power loss didefinisikan sebagai sepuluh kali dari logaritma perbandingan

FIS - 20

antara daya terpantulkan Preturn  10 log

masukan

terhadap

daya

Pi Pr

(18)

Dengan: Preturn = Power Return Loss (dB) Pi = daya masukan Pr = daya terpantul

Karena P  V

2

dengan R = Z0 = impedansi

R

intrinsik, maka, Preturn  10 log

Dimana

ρ

Vi 2 Vr2

Preturn  20 log

(19)

sehingga

Vi Vr

1 ρ

(20)

2.4. Gain Ketika sebuah antena digunakan dalam sebuah sistem, efisiensi antena digunakan untuk memindahkan daya yang terdapat pada terminal input menjadi daya radiasi [7]. Untuk menyatakan ini power gain (Gain) didefinisikan sebagai 4π kali hasil bagi antara intensitas radiasi pada suatu arah dengan daya yang diterima oleh antena penerima dengan pemancar, yang dinyatakan :

4U  ,   Pin

(21)

Dengan G ,  adalah gain, dan U  ,  adalah intensitas radiasi antena berturutturut dalam arah lintang (θ) dan bujur   termasuk efek dari kerugian antena dan daya input yang diterima antena. Definisi ini tidak termasuk kerugian yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impendansi atau polarisasi. Nilai maksimum power gain adalah :

G

4U m Pin

(22)

Power gain dapat dinyatakan sebagai fungsi dari θ dan  , dan dapat juga dinyatakan sebagai suatu harga pada suatu arah tertentu. Jika tidak ada arah yang ditentukan dan harga power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari θ dan  , diasumsikan sebagai power gain. Direktivitas dapat ditulis sebagai [7] :

SEMNAS MIPA 2010

4U m Pr

(23)

Perbedaan maksimum power gain dengan direktivitas hanya terletak pada jumlah daya yang digunakan. Direktivitas dapat dikatakan sebagai power gain suatu antena jika seluruh daya input menjadi daya radiasi sehingga Pin=Pr. Power gain menunujukkan bahwa antena nyata tidak memenuhi pernyataan diatas karena terdapat kerugian pada daya input. Bagian daya input yang tidak muncul sebagai daya radiasi diserap oleh antena dan struktur yang dekat dengannya. Hal diatas menimbulkan definisi baru yang disebut dengan efisiensi radiasi, yaitu

e

Dengan ρ: koefisien refleksi [7]

G  ,   

D

Pr , dengan   e  1 Pi

(24)

Sehingga power gain dapat dinyatakan dengan G  eD [7]. Gain juga dapat didefinisikan sebagai kemampuan antena memfokuskan gelombang EM untuk dipancarkan atau diterima pada semua arah atau arah tertentu saja. Pengukuran gain berdasarkan atas data yang diperoleh dari pengukuran pola radiasi antena, nilai yang terbaca pada saat pengukuran di kurangi dengan nilai antena pemancar [4]. 3. METODOLOGI 3.1. Desain Pada penelitian ini hal pertama yang dilakukan adalah mendesain antena omni directional dengan pengukuran yang telah dilakukan. Bentuk geomerti dari antena omni directional tampak seperti Gambar 4 dengan dimensi l1: 8,6 mm, l2: 19,4 mm, l3: 8,8 mm, l4: 5,7 mm, w1: 3,5 mm, w2: 0,5 mm, w3: 1,5 mm, w4: 2 mm, w5: 1 mm , J1: 8,5 mm, J2: 8,5 mm, J3: 26,5 mm, fu : 2,3 mm, fg: 1,5 mm, fw: 0,87 mm, t: 0,5 mm, d: 24,1 mm, wg: 5 mm, (WxL) : 15 x 70 mm2 [9].

FIS - 21

fabrikasinya yaitu dengan membuat 5 (lima ) larik.

Gambar 6. Hasil fabrikasi 5 larik. (atas) tampak depan, (bawah) tampak belakang 3.3. Pengukuran VSWR

Gambar 4. Desain antenna Omnidirectional [9]

Pengukuran antenna yang telah di fabrikasi dilalakukan dengan menggunakan spectro analyzer di laboratorium jurusan elektro ITS. 3.4. Pengukuran Pola Radiasi

.

.

L

Langkah selanjutnya adalah pengikuran pola radiasi dari antenna omni directional ini dengan memutar antenna sebesar 360o dengan melakukan variasi sudut 5o, antenna di putar dengan arah horizontal dan vertikal agar di dapatkan pola radiasi yang sesuai untuk mendapatkan sinyal terkuat. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Fabrikasi dan pengukuran yang telah dilakukan memberikan hasil bahwa untuk antena mikrostrip dipol ganda untuk omnidirectional yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz mempunyai pola radiasi sebagai berikut:

W

Gambar 5. Desain untuk 5 larik double layer, dimensi (W x L=217,5 x 70 mm2) 3.2. Fabrikasi antena Langkah selanjutnya setelah pembuatan desain antenna adalah memfabrikasi antenna. Alat dan bahan yang digunakan pada fabrikasi antenna ini adalah PCB jenis Fiber dengan nilai εr sebesar 4.2 [2], feriklorit (FeClO3) [7], N-connector female, dan kabel RG8. Dengan desain antena yang telah dibuat maka proses SEMNAS MIPA 2010

(a) (b) Gambar 7. Pola radiasi untuk kedua antenna, (a) untuk antenna strip feed line bertingkat (b) untuk antena strip feed line polos

FIS - 22

Kedua antena memiliki VSWR yang kurang lebih sama yaitu 1,4

[5] Kraus, John Daniel. McGraw Hill.

1988.

Anntenas,

[6] Balanis. 1997. Antenna Theory and Design. Wiley. [7] Susiloningsih, Esti, Yono Hadi P. 2009. Pembuatan dan Karakterisasi antena Microstrip dengan struktur satu feed line dipole CPW dan dua patch untuk Repeater dua arah. Jurnal Fisika dan aplikasinya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Gambar 8. Hasil pengukuran VSWR antena5 array bertingkat

[8] Mimin, Fatiatur R, Yono Hadi P., 2005. Karakterisasi Filter Microstrip Low Pass dengan Metode FDTD dan Eksperimen. seminar nasional pasca sarjana V:Institut Teknologi Sepuluh Nopember . [9] Y.-J.Wu, B.-H.Sun, J.-F.Li, and Q.-Z Liu, 2007. Progres In Elecrtomagnetic Research. Triple Band Omni-Directional Antenna for WLAN Application, PIER 76,477-488. [10] Pramono, Yono Hadi dkk. 2009. Prototipe Antenna Bi-Horn Dengan Dua Arah Pola Radiasi Dan Satu Feeding Monopole Beroperasi Pada Freq.2,4 Ghz. Prosiding T. Informatika, UPN. Yogyakarta.

Gambar 9. Hasil pengukuran VSWR antena 5 array polos 5. KESIMPULAN Dari data yang diperoleh tampak bahwa untuk antena mikrostrip pada strip feed line bertingkat dipol ganda 5 larik dengan VSWR 1,4 dapat meradiasikan daya maksimum 55 dB sehingga antena tersebut bekerja pada gain 32 dB, pola radiasinya adalah radial untuk vertikal maupun horizontal dengan gain 24 dB. Hal ini layak untuk digunakan untuk aplikasi yang lebih nyata.

[11] Pramono, Yono Hadi dkk. 2005. Karakterisasi Antena Mikrostip Patch 3 Ghz Secara Simulasi FDTD (Finite Difference Time Domain) Dan Eksperimen. Jurnal Fisika FLUX. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. [12] Pramono, Yono Hadi dkk. 2002. Analisa Respon Frekuensi Antena Mikrostrip. Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya. ITS, Surabaya. [13] Pramono, Yono Hadi dkk. 2002. Analisa Karakteristik Antena CPW Slot dan Patch dengan FDTD. Prosiding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya. ITS, Surabaya.

6. DAFTAR PUSTAKA [1] Hund, Edgar. 1989. Microwave Comunications: Componenet and Circuit. International Edition. [2] Edwards, Terry. 1992. Foundations for Microstrip Circuit Design, second Edition. John Wiley & Sons Ltd. [3] Program Teknisi Jardiknas, Antena dan Propagasi Gelombang Radio, praktikum Jaringan Nirkabel. [4] Diktat Mata Kuliah, Dasar Teknik Antena

SEMNAS MIPA 2010

FIS - 23