ANTENA MIKROSTRIP PATCH ARRAY UNTUK APLIKASI MULTI-WIDEBAND

Jurnal Terra Hertz, ICT Research Center UNAS Vol.2, No.2, Agustus 2008

ISSN 1978-9505

ANTENA MIKROSTRIP PATCH ARRAY UNTUK APLIKASI MULTI-WIDEBAND Iskandar Fitri Jurusan Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknologi Komunikasi dan Informasi, Universitas Nasional Pejaten, Sawo Manila, Pasar Minggu, Jakarta, 12520.

1

Abstrak Pencapaian bandwidth yang sangat lebar pada patch antena mikrostrip secara proximity coupling diusulkan dan diteliti. Struktur antena ini mempunyai dua lapisan substrat yang mana lapisan atas digunakan sebagai elemen radiator dan lapisan bawah digunakan untuk sistem pencatuan. Sistem pencatuan ini terdiri dari batang penyesuaian yang digunakan untuk mengendalikan bagian nyata impedansi antena agar sesuai dengan karakteristik impedansi saluran pencatu pada jarak frekuensi yang sangat lebar. Untuk antena mikrostrip yang menggunakan lebih dari dua elemen peradiasi atau antena susun (array), maka saluran pencatu mikro strip harus menggunakan konfigurasi jaringan impedansi. Saluran pencatu mempunyai struktur yang berfungsi sebagai jaringan impedansi dengan menggunakan teknik multi batang penyetelan. Dalam tulisan ini kami mengusulkan optimalisasi perancangan patch antena mikrostrip yang berbentuk persegi-panjang dan segi-tiga menggunakan pencatuan saluran mikrostrip dengan struktur multi batang penyetelan. Multi batang penyetelan ini terdiri dari dua konfigurasi seperti jaringan impedansi untuk menyesuaikan saluran mikro strip utama terhadap kedua patch. Dari hasil simulasi bahwa dengan menggunakan patch persegipanjang diperoleh bandwidth antena yang lebih lebar yaitu sebesar 29 GHz (VSWR = 2) jika dibandingkan dengan bentuk patch segi-tiga sebesar 5.9 GHz. Hasil pola radiasi dan gain antena dievaluasi secara simulasi. Kata kunci: mikrostrip, patch array, multi-wideband Abstract Wideband enhancement for a patches microstrip antenna by proximity-coupling is proposed and investigated. The antenna structures had two substrate layers which is the top layer is used as radiator element and the bottom layer is used for feeding system. The feeding system composed of a matching stub is used to control real impedance antenna to match with impedance characteristic of feeding line in wide range frequencies. For the microstrip antenna which is use more than two elements radiation or in array form, so the microstripline feed must using network impedance configuration. The feeding line has a structure that serves as impedance network using multi tuning stubs technique. In the paper we are proposing a optimalization of patch microstrip antenna design which has rectangular and triangular form using a microstripline feed with multi tuning stubs structure. The multi tuning stub is a composed of two configurations such as impedance network to match between main microstripline feed and the two patch. From simulation results that using rectangular patch is obtain wider antenna bandwidth of 29 GHz (VSWR = 2) if compared to the triangular form is 5.9 GHz. Results of the radiation patterns and antenna gains are evaluated by simulation. These antennas can applied for application of ultrawideband technology. Keywords:microstrip, patch array, multi-wideband 1. PENDAHULUAN 103


ISSN 1978-9505

Teknologi ultrawideband (UWB) oleh Federal Communications Commission (FCC) dan International Telecommunications Union (ITU) telah didefinisikan sebagai penggunaan frekuensi radio dengan bandwidth lebih besar atau sama dengan 500 MHz atau dengan fraksional bandwidth lebih besar dari 20 %. UWB merupakan terobosan baru teknologi tanpa kabel yang sedang dikembangkan untuk mengirim data yang sangat besar pada jarak yang sangat pendek yait u maksimum 15 meter dan dipancarkan dengan energi 1/1000 dari daya yang umum digunakan perangkat yang bekerja pada gelombang radio. sehingga diyakini tidak mengganggu alokasi frekuensi yang telah eksis. Aplikasi potensial UWB adalah pada jaringan tanpa kabel berkecepatan tinggi. Aplikasi lainnya seperti radar untuk survey geologi, penelitian dan pertolongan, pencitraan dinding dalam konstruksi, radar pada kendaraan untuk menghindari tabrakan, pencitraan medik, sistem komunikasi dan pengukuran. Di sebagian negara terdapat beberapa alternatif alokasi frekuensi untuk aplikasi UWB seperti sistem radar pencitraan dengan band frekuensi dibawah 900 MHz, 1.9 – 10.6 GHz dan 3.1 – 10.6 GHz. Kedua untuk vehicular radar systems pada 22 – 29 GHz, 24 – 24.25 GHz dan 23. 6 – 24 GHz.. Ketiga untuk aplikasi pada sistem komunikasi tanpa kabel yang beroperasi pada 3.1 – 10.6 GHz. Dilain pihak, Infocomm Development Authority (IDA), sebuah badan regulasi spektrum Singapur menetapkan alokasi frekuensi UWB pada 2.2 – 10.6 GHz. Sehingga masih besar kemungkinan penggunaan spektrum frekuensi untuk aplikasi UWB dari 0.3 GHz sampai 100 GHz. Untuk memenuhi kebutuhan perangkat UWB dari segi antena, kami mengusulkan perancangan antena mikrostrip untuk dapat digunakan pada pita-pita frekuensi diatas.Bahkan jenis perancangan antena ini tidak menutup kemungkinan untuk diaplikasikan pada sistem komunikasi yang sudah eksis. Banyak teknik yang telah dilakukan untuk pencapaian lebar-pita yang sangat lebar pada antena mikrostrip. Salah satunya adalah teknik proximity-coupling yang terdiri dari dua lapis bahan dielektrik yang mana lapis atas berfungsi sebagai elemen radiator dan lapis bawah digunakan untuk saluran pencatu mikrostrip. Efek kopling terjadi dari pengaruh medan radiasi yang dihasilkan oleh saluran pencatu mikrostrip menuju patch (radiator) yang kemudian menghasilkan radiasi medan elektromagnetik. Secara analogi rangkaian, antara saluran mikrostrip dan patch antena membentuk rangkaian primer dan sekunder (transformer) yang menghasilkan mutual induktansi. Dalam hal ini efek kopling dikendalikan oleh lebar patch dan sisipan saluran mikrostrip pada bagian bawah dari pinggir patch . Peningkatan efek kopling oleh lebar patch terbatas, sehingga pengembangan dari jenis antena ini bertumpu pada variasi teknik saluran pencatuannya. Dengan menggunakan pencatu saluran mikrostrip sederhana, lebar-pita yang didapat sebesar 67,29 MHz untuk frekuensi resonansi 1,083 GHz (Amman, 2000) dan 76 MHz untuk frekuensi 2,448 GHz (Kwok, 2000), dan bila menggunakan teknik pencatuan saluran mikrostrip dengan teknik penyesuaian, maka lebar-pita yang dihasilkan yaitu, 480 MHz untuk frekuensi 3.7 GHz (Gregory, 2002), dan 0.5 GHz pada frekuensi 2.4 GHz (Pozar, 1987). Pada perancangan sebelumnya digunakan model saluran catu berbentuk garpu dan ditambah stub pendek pada patch bentuk persegipanjang, sehingga diperoleh bandwidth sebesar 0.98 GHz (Iskandar, 2004). Dengan menggunakan antena mikrostrip model fractal diperoleh bandwidth sebesar 19 GHz (Song, 1999) dan model uniplanar sebesar 18 GHz (Lee, 2003). Dalam paper ini penulis mengusulkan teknik pencatuan saluran mikrostrip dengan bentuk garpu pada ujung saluran terbuka yang berada dibawah dua patch segitiga dan persegipanjang yang ditambah dengan stub ganda terhubung secara shunt. Digunakan dua bentuk patch antena dimaksudkan untuk mengetahui bentuk mana yang dapat menghasilkan lebar bandwidth yang paling maksimal. Model saluran pencatu mikrostrip penulis istilahkan sebagai jaringan penyesuaian impedansi multi batang penyetelan (Multi Tuning Stubs).

2. METODE PERANCANGAN 104


ISSN 1978-9505

Prosedur perancangan dimulai dengan menentukan frekuensi kerja dari antena. Kemudian melakukan pemilihan jenis subsrate yang akan digunakan. Selanjutnya membuat lebar dan panjang patch antena yang disesuaikan dengan jarak frekuensi 0.3 GHz hingga 30 GHz. Setelah itu membuat lebar saluran catu untuk menentukan nilai impedansi karakteristik saluran sebesar 50 Ohm. Perhitungan untuk lebar dan panjang patch antena dilakukan dengan bantuan piranti lunak TX-line. Untuk antena ini mengunakan substrat dengan ukuran 100 x 100 mm, konstanta dielektrik 2.2, dan ketebalan 0.8 mm. Dengan menggunakan MICROWAVE OFFICE 5.3 diperoleh geometri antena yang menghasilkan lebar-pita optimal seperti terlihat pada Gambar 5. Sebelum dilakukan pada perancangan antena ini langkah validitasi telah dilakukan untuk membuktikan bahwa setting yang dibuat dalam simulasi sudah sesuai dengan anten hasil pengukuran (Iskandar, 2004) seperti terlihat pada Gambar 3 dan 4.

Sample Bandwidth 0

4.1497 GHz -10 dB

6.3935 GHz -10 dB

-10

-20

-30

DB(|S[1,1]|) ~ Sample -40 4

4.5

5 5.5 Frequency (GHz)

6

6.5

Gambar 3. Bandwidth hasil simulasi Microwave Office dari antenna acuan.

105


ISSN 1978-9505

Gambar 4. Bandwidth hasil pengukuran return loss (dB) terhadap frekuensi (GHz) antena acuan W1

L1

L 11 S1

W2

L2 1

L2 1 L 22

S2

L2

L 31

L32 ds2

d s1

ds3

wf

Gambar 5. Geometri antena hasil perancangan ( l11= l21=12.5mm, l22= l21=19.75mm , l31=l32=0.25 cm, W1 =W2 = 42.5 mm, L1=L2= 22.5 mm, S 1=S2=20 mm, ds1 = ds2 = 10 mm, ds3 = 7.5 mm ) Untuk perancangan patch segitiga dimulai dengan menghitung lebar saluran catu yang menggunakan piranti lunak PCAAD 3.0 (Personal Computer Antenna Aided Design version 3.0 ) dengan memasukan nilai ketebalan substrat 0.152 cm dan konstanta dielektrik 3.2, serta harga 106


ISSN 1978-9505

impedansi yaitu 50 Ohm. Maka hasil lebar saluran catu sebesar 0.24249 cm yang dibulatkan menjadi 0.25 cm. Kemudian dengan menggunakan piranti lunak microwave office 2002 , digambar patch antena pada lapisan pertama dan saluran catu di lapisan kedua. Kemudian memasukan informasi substrat yang akan dirancang dengan membuat nilai enclosure pada dimensi dan divisi X, serta pada dimensi dan divisi Y, lapisan dielektrik untuk ketebalan masing-masing substrat, dan harga perbatasan adalah impedansi karakteristik ruang bebas yang mendekati 377 Ohm (Approximate open ) pada bagian atas dan konduktor sempurna (perfect conductor) pada bagian bawah. Selanjutnya menentukan jarak frekuensi kerja antena mulai dari 0.3 GHz dan akhir 6.8 GHz dengan step frekuensi 0.5 GHz. Jalankan proses simulasi dengan menggunakan perintah analyze. Untuk mendapatkan lebar pita yang optimal dilakukan dengan mengubah-ubah ukuran; panjang dan lebar patch, serta saluran pencatu. Antena ini dirancang menggunakan rugi-rugi tangensial tan d = 0.265 dan nilai konduktivitasnya adalah 5.8x107 S/m. Perancangan pada patch antena bentuk segitiga ini bekerja pada frekuensi antara 0.4947 GHz – 6.4199 GHz atau dengan bandwidth sebesar 5.9252 GHz. Geometri dari hasil yang optimal seperti terlihat pada Gambar 6. A L1.1

T

L1.2

L2.1

L2.2

L3.1

L3.2 dl Ls1 Ls2

Ls3 d

Gambar 6. Geometri antena hasil perancangan (l1 = 1 cm, l2 = 1.25 cm , l3 = 0.25 cm, d = 2 cm, d l = 0.75 cm, ls= 0.25 cm, w f = 0.25 cm, T = 3 cm dan A = 3.5 cm) Keterangan Gambar 6 : l1 = Panjang atau Lebar Garpu l1.1& l1.2 = Panjang atau Lebar Garpu sebelah kiri dan kanan l2 = Tinggi Garpu l2.1& l2.2 = Tinggi Garpu sebelah kiri dan kanan l3 = Jarak antara bawah Garpu dengan Alas Patch Antena l3.1&l3.2 = Jarak antara bawah Garpu dengan Alas Patch Antena kiri dan kanan T & A = Tinggi dan Alas Patch Antena Bentuk Segitiga 107

Jurnal Terra Hertz, ICT Research Center UNAS Vol.2, No.2, Agustus 2008 ls d dl

ISSN 1978-9505

= Panjang Stub (ls1, l s2, ls3 ) = Jarak antara Stub bawah dengan Sumber Pencatu = Jarak antara Alas Patch Segitiga dengan Cabang Pencatu

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada simulasi ini parameter-parameter antena yang diukur adalah bandwidth terhadap return loss, VSWR, gain dan pola radiasi. Dalam melakukan perancangan kedua antena tersebut dilakukan variasi pergeseran bagian-bagian geometri antena dengan tujuan untuk mendapatkan lebar pita yang optimum sebagai dasar awal melakukan analisa terhadap parameter antena. Variasi pergeseran bagian geometri antena tersebut meliputi radiator, Lebar garpu, Posisi Stub, Panjang stub, Cabang pencatu. Dari beberapa cara perubahan lebar frekuensi yang telah disimulasikan secara urut dan acak dari mulai perubahan dengan bentuk secara seragam sampai dengan perubahan secara tak seragam. Untuk kasus antena mikrostrip bentuk patch segitiga diperoleh hasil bandwidth yang optimal sebesar 5,9252 GHz. Hasil optimal tersebut diambil dengan melihat lebar frekuensi terhadap return loss -10 dB, yaitu dari 0.4947 GHz sampai 6.4199 GHz. Hasil tersebut dapat dilihat pada Gambar 7. Bandwidth 0

Return Loss (dB)

0.4947 GHz -10 dB

6.4199 GHz -10 dB

-10

-20

DB(|S[1,1]|) ~ Fork Like Tuning Stub

-30 0.3

2.3

4.3 Frequency (GHz)

6.3 6.8

Gambar 7. simulasi return loss (dB) terhadap bandwidth (GHz) antena patch segitiga. Dari hasil simulasi diperoleh VSWR (voltage standing wave ratio ) dan pola radiasi pada medan E dan medan H pada setia p step frekuensi. Dari nilai sudut berkas (beamwidth ) medan E dan H dapat dihitung gain antena menggunakan formulasi dari Kraus [9]. Hasil perhitungan berdasarkan teori dan simulasi terlihat pada tabel 1. Untuk perubahan gain antena pada jarak frekuensi 0.3 GHz sampai 6.8 GHz diperlihatkan pada Gambar 5. Secara umum pola radiasi yang terjadi bersifat broadside dengan nilai gain yang bervariatif. Gain antena akan semakin meningkat seiring dengan mengecilnya sudut berkas pada medan E seperti terlihat pada Gambar 8.

Tabel 1. Pola Radiasi Terhadap Gain dan VSWR antena patch segitiga. 108


No.

Tahap Frekuensi(GHz)

ISSN 1978-9505

Pola Radiasi

Gain(dBi) VSWR

1

0,49

H (phi) 134,09

E(theta) 16,02

19,08

1,9737

2 3

0,99 1,49

141,21 88,24

103,74 152,58

2,79 3,04

1,3221 1,6297

4 5 6

1,99 2,49 2,99

136,14 114,02 85,082

66 180 21,89

4,56 1,99 22,01

1,3634 1,2728 1,2216

7

3,49

134,316

23,3437

13,07

1,1497

8 9 10 11

3,99 4,49 4,99 5,49

132,68 131,95 130,28 117,06

73,69 76,83 86,46 65,43

4,19 4,04 3,64 5,35

1,2319 1,2401 1,3809 1,3107

12 13

5,99 6,42

115,8 119,37

69,15 85,43

5,12 4,02

1,4823 1,9277

Grafik Perubahan Gain Frekuensi 25 20

Gain (dBi)

15 10 5 0 0,49 0,99 1,49 1,99 2,49 2,99 3,49 3,99 4,49 4,99 5,49 5,99 6,42 Tahap Frekuensi (GHz) Gambar 8. Perubahan gain frekuensi optimal antena patch segitiga.

Untuk perancangan antena mikrostrip bentuk patch persegi-panjang diperoleh hasil bandwidth yang optimun (Ga mbar 9)dan sekaligus dilakukan penghitungan gain dan pola radiasi pada medan E dan H. Sepanjang frekuensi 2,2 GHz sampai 31,2 GHz antena ini mempunyai gain yang berbeda disetiap step frekuensi sebesar 1 GHz. Terdapat fluktuasi gain antena dengan terendah sebesar 4.8 dB pada frekuensi 3,3 GHz dan gain tertinggi sebesar 23.3 dB di frekuensi 13,3 GHz. Secara lengkap distribusi gain pada antena patch persegi-panjang diperlihatkan pada Gambar 10. Secara lengkap hasil simulasi tersebut dapat dirangkum dalam Tabe l 2. 109


ISSN 1978-9505

Bandwidth 0

Return Loss (dB)

2.2 GHz -10 dB

31.2 GHz -10 dB

-10

-20

-30 0.3

10.3

20.3 Frequency (GHz)

30.3 32

Gambar 9. Return Loss Vs Frekuensi Hasil Simulasi Optimal Antena patch persegi-panjang.

Gain 24

Gain (dBi)

19 14 9 4 -1

0,3

5,3

10,3

15,3

20,3

25,3

30,3

Frequency (GHz)

Gambar 10. Gain Hasil Simulasi Optimal Antena patch persegi-panjang.

Tabel 2. Hasil Simulasi Antena patch persegi-panjang. 110

Jurnal Terra Hertz, ICT Research Center UNAS Vol.2, No.2, Agustus 2008 Frequenc y (GHz) 0.3 1.3 2.3 3.3 4.3 5.3 6.3 7.3 8.3 9.3 10.3 11.3 12.3 13.3 14.3 15.3

ISSN 1978-9505

Return Loss (dB) -0.53994 -4.2336 -10.504 -10.122 -16.104 -12.539 -14.564 -15.542 -13.607 -12.759 -16.325 -21.899 -14.728 -12.826 -16.286 -20.238

VSW R

E phi (°)

3.184 4.1843 1.8506 1.9063 1.3713 1.6181 1.46 1.4011 1.5277 1.598 1.3603 1.1748 1.4494 1.592 1.3623 1.2156

60 68 70.9 126 32 28 42 54 45 48 8.9 34 76 3.7 79 70

E theta (°) 91 32 33 107 88 89 17 89 26 70 94 50 43 51 75 21

16.3 17.3 18.3 19.3 20.3 21.3

-13.29 -13.016 -19.012 -23.394 -16.968 -11.671

1.5527 1.5755 1.2524 1.1451 1.3304 1.7059

72 72 71 73 60 55

48 45 68 75 49.9 51

22.3

-12.526

1.6193

48

65

23.3 24.3 25.3 26.3 27.3 28.3 29.3 30.3 31.3

-20.593 -14.659 -10.085 -12.07 -15.837 -11.521 -11.039 -13.176 -9.751

1.206 1.4538 1.9118 1.6637 1.3852 1.7227 1.7801 1.5621 1.9648

22 21 13.4 57 63 58 61 53 62

47 40 82.4 54 47 54 17.2 38.8 42.1

Gain (dBi) 8.756 12.751 12.436 4.830 11.632 12.162 17.591 9.310 15.446 10.864 16.903 13.823 10.985 23.370 8.401 14.455 10.742 11.022 9.290 8.744 11.365 11.648 11.186 3 15.983 16.885 15.697 11.245 11.413 11.170 15.919 12.997 11.961

Untuk membuktikan bagian mana dari saluran catu yang memberikan kontribusi besar terhadap bandwidth maka dilakukan perubahan-perubahan ukuran patch segitiga dan saluran mikrostrip pada kedua bentuk patch. Untuk bentuk patch segitiga perubahan panjang stub (l s) secara seragam juga mempengaruhi nilai bandwidth. Pada ukuran panjang Stub dari hasil simulasi jika l s = 0,5 cm maka akan mengalami penurunan pelebaran bandwidth yang sangat berarti yaitu hingga mencapai 1.17514 GHz, jika ls = 0,75 cm terjadi juga penurunan lebar bandwidth yang sangat berarti yaitu sebesar 2.1749 GHz, jika ls = 1 cm maka terjadi pengecilan lebar bandwidth sebesar 1.4253 GHz. sehingga menegaskan bahwa jika panjang stub diubah-ubah akan mempengaruhi 111


ISSN 1978-9505

sekali pada lebar bandwidth dengan mempengaruhi nilai return loss. Secara lengkap perubahan tersebut dapat dilihat pada Gambar 11.

Grafik Perubahan Ls

Bandwidth(GHz)

6 5,5 5 4,5 4 3,5 0,25

0,5 0,75 Jarak Ls(cm)

1

Gamba r 11. Perubahan ls1, ls2 dan ls3 secara seragam terhadap bandwidth pada patch segitiga. Begitupun juga pada perubahan yang tak seragam akan mengalami perubahan yang cukup berarti terlihat pada perubahan satu terjadi penurunan lebar bandwidth sebesar 2. 1749 GHz. Pada perubahan kedua juga terjadi penurunan lebar bandwidth sebesar 0.00101 GHz. Perubahan ketiga terjadi penurunan lebar bandwidth sebesar 1.17731 GHz. Keempat lebar bandwidth akan mengecil sebesar 2.1749 GHz. Untuk perubahan kelima juga terjadi pengecilan lebar bandwidth sebesar 1.16896 GHz dan perubahan keenam lebar bandwidth mengecil sebesar 0.00102 GHz. Dalam hal ini terlihat dari grafik bahwa stub paling bawah(ls3) lebih dominan dalam perubahan bandwidth dibanding dengan ls1 dan ls2. Secara lengkap perubahan tersebut dapat dilihat pada Gambar 12.

Grafik perubahan tak seragam pada Ls Bandwidth(GHz)

6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 0,75

0,25

0,5

0,75

0,5

0,25

0,25

0,5

0,75

0,25

0,25

0,75

0,5

0,25

0,25

0,5

0,75

0,5

0,25

0,75

0,25

Jarak Ls1(bawah), Ls2(tengah) & Ls3(atas) dalam cm

Gambar 12. Perubahan ls1, ls2 dan ls3 secara tidak seragam terhadap bandwidth pada patch segitiga.

112


ISSN 1978-9505

Untuk pengaruh perubahan bentuk pencatu terhadap bandwidth dilakukan pada jarak antara stub bawah dengan sumber pencatu (d). Pelebaran ini akan mengalami perubahan jika d = 0,5 cm maka lebar bandwidth akan mengecil sebesar 1,5469 GHz, jika d = 1 cm terjadi penurunan lebar bandwidth sebesar 0.0014 GHz, jika d = 1,5 cm maka lebar bandwidth mengecil sebesar 0.05845 GHz, jika d = 2,5 cm terjadi penurunan lebar bandwidth sebesar 0.03458 GHz. Jika d = 3 cm terjadi juga penurunan lebar bandwidth sebesar 0.02461 GHz, jika d = 3,5 cm maka lebar bandwidth akan mengecil sebesar 0.01705 GHz, jika d = 4 cm maka lebar bandwidth mengecil sebesar 0.02792 GHz, jika d = 4,5 cm terjadi penurunan lebar bandwidth sebesar 0.34834 GHz, jika d = 5 cm terjadi juga penurunan lebar bandwidth sebesar 0.35564 GHz. Berarti perubahan d ini juga memberikan masukan pada yang dominan. Secara lengkap perubahan tersebut dapat dilihat pada Gambar 13.

Grafik Perubahan D

Bandwidth(GHz)

6,5 6

5,5 5

4,5 4 0,5

1

1,5

2

2,5 3 Jarak D (cm)

3,5

4

4,5

5

Gambar 13. Perubahan d3 terhadap bandwidth pada patch segitiga. Untuk kasus patch persegi-panjang dilakukan perubahan bagian geometry antenna secara variasi telah dilakukan untuk meperoleh bandwidth yang optimal dengan menyetel posisi stub. Variasi pergeseran bagian geometri antena ini meliputi : Lebar patch (W 1 dan W2), Panjang patch (L 1 dan L2), Lebar garpu (L 11 dan L21 ), Panjang garpu I (S1 = L21 + L 31) dan panjang garpu II (S 2 = L22 + L 32 ) dan jarak stub (ds1 , ds2, ds3). Perubahan bandwidth juga terrjadi jika panjang saluran mikrostrip yang disisipkan S dibawah patch dirubah. Pada variasi S1 dan S2 dilakukan delapan nilai kemungkinan pergeseran dengan step pergeseran sebesar 2.5mm. Gambar 14 dan 15 merupakan hasil simulasi terhadap S1 dan S2 baik variasi secara bersamaan maupun tidak bersamaan. Pergeseran S 1 dan S 2 secara bersamaan dengan panjang S1 dan S2 sebesar 20mm rancangan antena mikrostrip memperoh lebar pita sebesar 24.6954 GHz. Pada perubahan ini terjadi perubahan signifikan ketika S1 dan S2 sebesar 5 mm. Sedangkan pada variasi pergeseran tidak seragam, dimana S1 konstan sebesar 20mm sedang S2 digeser dengan step 2.5mm, atau sebaliknya, secara umum lebar-pita yang dihasilka n mengalami perubahan yang tidak signifikan. Tetapi pada saat S 2 = 2.5mm maka lebar-pita mengalami pelebaran sebesar 2.0079 GHz.

113

Bandwidth (GHz)


ISSN 1978-9505

GrafikPergeseran S1 & S2 Terhadap Bandwidth

26 25,5 25 24,5 24 20

17,5

15

12,5

10

7,5

5

2,5

20

17,5

15

12,5

10

7,5

5

2,5

Perubahan Panjang Garpu S1 & S2 (mm)

Bandwidth (GHz)

Gambar 14. Variasi Panjang S 1 Dan S 2 (Seragam) Terhadap Bandwidth pada patch persegi- panjang. Grafik Pergeseran S1 & S2 Terhadap Bandwidth

27 26 25 24 23 20

20

20

20

20

20

20

20

20

17,5

15

12,5

10

7,5

5

2,5

Perubahan Panjang Garpu S1& S2 (mm)

Gambar 15. Variasi Panjang S 1 Dan S2 (Tidak Seragam) Terhadap Bandwidth pada patch persegipanjang. Untuk lebar garpu (l) dibagi atas lebar garpu 1 (l11) dan lebar garpu 2 (l21 ), dimana masingmasing lebar garpu diambil sample pergeseran sebanyak tujuh kemugkinan dengan step 5mm. Pada pergeseran seragam dan tidak seragam terdapat pola banwidth yang sama namun berbeda ukuran seperti terlihat pada Gambar 16 dan 17. Variasi penggunaan stub dengan posisi (ds) tertentu pada masing-masing saluran mikrostrip diketahui bahwa penggunaan stub memberikan perubahan lebar-pita yang signifikan. Pada variasi ini dilakukan delapan kemungkinan penggunaan stub pada masing-masing saluran catu. Saluran catu dibagi menjadi tiga saluran catu, yakni saluran catu induk, saluran catu cabang satu, dan saluran catu cabang dua.

114

Jurnal Terra Hertz, ICT Research Center UNAS Vol.2, No.2, Agustus 2008 Grafik Pergeseran l 11 & l 21 Terhadap Bandwidth

Bandwidth (GHz)

26,5 26 25,5 25 24,5 24 23,5

ISSN 1978-9505

32,5

27,5

22,5

17,5

12,5

7,5

2,5

32,5

27,5

22,5

17,5

12,5

7,5

2,5

Perubahan Panjang Garpu l 11 & l 21 (mm)

Gambar 16. Variasi L 11 Dan L21 (Seragam) Terhadap Bandwidth pada patch persegi-panjang.

Bandwidth (GHz)

26,5 26 25,5 25 24,5 24

Grafik Pergeseran l 11 & l 21 Terhadap Bandwidth

12,5

12,5

12,5

12,5

12,5

12,5

12,5

32,5

27,5

22,5

12,5

17,5

7,5

2,5

Perubahan Panjang Garpu l 11& l 12 (mm) Gambar 17. Variasi L11 Dan L 21 ( Tidak Seragam) Terhadap Bandwidth pada patch persegi-panjang. Pada hasil simulasi dimana saluran catu induk ditambakan stub dan digeser-geser sedangkan saluran catu yang lain tidak diberi stub, rancangan antena mikrostrip menghasilkan variasi lebarpita yang signifikan seperti terlihat pada gambar 18.

115


ISSN 1978-9505

Bandwidth (GHz)

Grafik Variasi Penggunaan Stub (ds1, ds2 & ds3) Terhadap Bandwidth

30 25 20 15 10 5 0 12,5

5

7,5

10

15

17,5

20

22,5

10

0

0

0

0

0

0

0

10

0

0

0

0

0

0

0

Perubahan Penggunaan Stub ds1, ds2 & ds3 (mm)

Bandwidth (GHz)

Gambar 18. Variasi Penggunaan Stub ds1, ds 2 Dan ds3 Terhada p Bandwidth pada patch persegipanjang. Pada hasil simulasi pengunaa stub, dimana ds1 nol sedang ds 2 dan ds 3 diberi stub maka rancangan antena mikrostrip akan menghasilkan lebar-band yang signifkan. Bila ds2 dan ds3 semakn jauh dari alas radiator maka lebar-band semakin menyempit, dengan penyempitan terkecil sebesar 17.534 GHz pada saat posisi ds 2 = 20mm dan ds 3 = 22.5mm. selengkapnya variasi tersebut dapat dilihat pada Gambar 19.

35 30 25 20 15 10 5 0

Grafik Perubahan Penggunaan Stub (ds1, ds2 & ds3) Terhadap Bandwidth

12,5

5

7,5

10

15

17,5

20

22,5

10

2,5

5

7,5

12,5

15

17,5

20

0

0

0

0

0

0

0

10

Perubahan Penggunaan Stub ds1, ds2 & ds3 (mm)

Gambar 19. Variasi Penggunaan Stub ds1, ds 2 Dan ds3 Terhadap Bandwidth pada patch persegipanjang. Begitu pula pada hasil simulasi, dimana ds1 dan ds 3 diubah-ubah sedang ds2 nol maka rancanga antena mikrostrip akan menghasilkan pelebaran lebar-pita sebesar 4.0547 GHz (Gambar 20) pada saat posisi ds 1 = 5mm dan ds3 = 7.5mm.

116


ISSN 1978-9505

Bandwidth (dB)

Grafik Perubahan Penggunaan Stub (ds1, ds2 & ds3) Terhadap Bandwidth

35 30 25 20 15 10 5 0 12,5

5

7,5

10

15

17,5

20

22,5

10

0

0

0

0

0

0

0

10

2,5 5 7,5 12,5 15 17,5 Perubahan Penggunaan Stub ds1, ds2 & ds3 (mm)

20

Gambar 20. Variasi Penggunaan Stub ds1, ds 2 Dan ds3 Terhadap Bandwidth pada patch persegipanjang. Perubahan jarak stub pada masing-masing saluran catu akan memberikan perubahan lebarpita yang sangat signifikan. Pada variasi pergeseran stub secara bersamaan, dimana posisi awal ds 1 dan ds2 10mm sedang ds 3 = 12.5mm rancangan antena mikrostrip menghasilkan lebar -pita sebesar 24.6954 GHz. Jika ds 1 dan ds2 7.5mm sedang ds 3 = 10mm maka rancangan antena mkrostrip mengalami pelebaran lebar-pita sebesar 0.4042 GHz. Lalu jika ds 1 dan ds2 5mm sedang ds 3 = 7.5mm, lebar-pita akan melebar secara signifkan sebesar 4.1158 GHz, jika ds 1 dan ds2 2.5mm sedang ds 3 = 5mm maka lebar-pita rancangan antena mikrostrip melebar sebesar 1.0722 GHz. Namun jika ds1 dan ds 2 lebih besar dari 10mm sedang ds 3>12.5mm maka rancanga antena mikrostrip mengalami penyempitan lebar-pita secara signifkan. Bila ds1 dan ds 3 12.5mm sedang ds 3 = 15mm maka lebar-pita menyempit sebesar 3.3383 GHz. jika ds 1 dan ds 2 15mm sedang ds 3 = 17.5mm, lebar -pita menyempit sebesar 14.3986 GHz. Lalu jika ds1 dan ds2 17.5mm sedang ds 3 = 20mm maka penyempitan lebar-pita yang terjadi adalah 18.5976 GHz. da jika ds1 dan ds 2 20mm sedang ds 3 = 22.5mm maka lebar-pita mengecil sebesar 17.0443 GHz. Secara lengkap variasi terse but dapat dilihat pada Gambar 21.

117


ISSN 1978-9505

Bandwidth (GHz)

Grafik variasi Posisi Stub (ds1, ds2 & ds3) Terhadap Bandwitdh 35 30 25 20 15 10 5 0 5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

Perubahan Posisi Stub ds1, ds2 & ds3 (mm)

Gambar 21. Variasi Posisi Stub ds1, ds 2 Dan ds3 Terhadap Bandwidth pada patch persegi-panjang. Jika ds1 konstan 10mm dan ds3 tetap pada possi 12.5mm sedangkan ds 2 digeser-geser, maka saat ds 2 = 2.5mm lebar-pita melebar sebesar 0.0133 GHz. Jika ds2 = 5mm pelebaran lebar-pita adalah 0.084 GHz. lalu jika ds2 = 7.5mm, lebar-pita melebar sejauh 0.0032 GHz. Selanjutnya jika ds 2 = 12.5mm pelebaran yang terjadi adalah 0.0015 GHz. Jika ds 2 = 15mm, lebar-pita membesar sejauh 0.0086 GHz. Kemudian bila ds2= 17.5mm, lebar-pita melebar sebesar 0.0153GHz. Dan jika ds 2 = 20mm maka lebar-pita antena melebar sebesar 0.0251 GHz. Selengkapnya dapat dilihat pada Gambar 21. Apabila ds 2 dan ds 3 dibuat konstan pada posisi 10mm dan 12.5mm seda ng ds1 digesergeser, maka pada saat ds 1<20mm, lebar-pita yang dihasilkan antena mikrostrip akan melebar berkisar pada 0.0081 GHz. Namun pada saat ds 1 = 20mm maka lebar-pita antena mikrostrip menyempit sebesar 13.0171 GHz seperti terlihat pada Gambar 22. Grafik Variasi Posisi Stub (ds1, ds2 & ds3) Terhadap Bandwitdh

Bandwidth (GHz)

30 25 20 15 10 5 0

12,5

12,5

12,5

12,5

12,5

12,5

12,5

12,5

10

10

10

10

10

10

10

10

2,5

5

10

7,5

12,5

15

17,5

20


Gambar 22. Variasi Posisi Stub ds1, ds 2 Dan ds3 Terhadap Bandwidth pada patch persegi-panjang. 118


ISSN 1978-9505

Bandwidth (GHz)

Jika ds1 dibuat kontstan 10mm sedang ds2 dan ds 3 digeser-geser terlihat pada Gambar 23 bahwa rancanga antena mikrostrip mengalami variasi lebar-pita. Jika ds 2 =10mm dan ds3 = 12.5mm maka antena mikrostrip memperoleh lebar-pita sebesar 24.6954 GHz. Jika ds 2 = 7.5mm dan ds 3 = 10mm maka bandwidth melebar sebesar 0.058 GHz, jika ds 2= 5mm dan ds3 = 7.5mm, lebar-pita melebar sebesar 4.1608 GHz. Lalu jika ds 2 = 2.5mm dan ds3 = 5mm lebar-pita antena melebar sebesar 1.384 GHz. Selanjutnya bila ds2 = 12.5mm dan ds 3 = 15mm maka lebar-pita mengecil sebesar 3.2739 GHz, bila ds 2 = 15mm dan ds 3 = 17.5mm, lebar-pita menyempit sebesar 17.481 GHz. Dan jika ds 2 = 20 dan ds 3 = 22. 5mm maka lebar-pita menyempit sebesar 17.501 GHz.

35 30 25 20 15 10 5 0

GrafikVariasi Posisi Stub (ds1, ds2 & ds3) Terhadap Bandwitdh

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

10

10

10

10

10

10

10

10


Gambar 23. Variasi Posisi Stub ds1, ds 2 Dan ds3 Terhadap Bandwidth pada patch persegi-panjang. Kemudian jika ds2 dibuat konstan 10mm sedang ds 1 = 2.5mm dan ds3 = 5mm maka lebarpita melebar sejauh 1.3806 GHz, jika ds 2 = 5mm dan ds 3 = 7.5mm, lebar-pita melebar sebesar 4.1601 GHz. Lalu jika ds2 = .5mm dan ds 3 = 10mm maka lebar-pita melebar sebesar 0.0059 GHz. Selanjutnya bila ds 1 =12.5mm sedang ds 3 = 15mm, lebar-pita menyempit sebesar 3.2742 GHz, jika ds 2 = 15mm sedang ds 3 = 17.5mm, lebar-pita mengecil 14.2966 GHz. Kemudian jika ds2 = 17.5mm sedang ds 3 = 20mm maka lebar-pita mengecil sebesar 17.4805 GHz. Dan jika ds 2 = 20mm sedang ds 3 = 22.5mm maka lebar-pita menyempit sebesar 17.4991 GHz. Pada variasi posisi stub, dimana ds1 dan ds 2 dibuat konstan 10mm sedang ds 3 digesergeser, seperti terlihat pada Gambar 23 bahwa rancangan antena mikrostrip menghasilkan variasi lebar-pita yang sangat signifikan. Jika ds 3 =15mm maka lebar-pita menyempit sebesar 3.2808 GHz, jika ds 3 = 17.5mm, lebar-pita mengecil sebesar 14.3175 GHz. Lalu jika ds 3 = 20mm maka lebar-pita menyempit 17.5154 GHz, jika ds3 = 22.5mm, lebar-pita mengecil sejauh 17.5214 GHz. Namun jika ds 3<12.5mm maka lebar-pita melebar secara signifikan. Jika ds 3 = 10mm maka lebar-pita melebar sebesar 0.0022 GHz. Lalu jika ds 3 = 5mm maka lebar-pita melebar sebesar 1.434 GHz. Kemudian jika ds 3 = 7.5mm maka lebar-pita melebar sebesar 4.3046 GHz. Dari semua perubahan pada kedua bentuk antena ini diketahui bahwa lebar saluran catu yang disisipkan dibawah patch dan penyetelan stub pendek memegang peranan penting dalam mengendalikan lebar bandwidth pada jarak frekuensi yang sangat lebar. Teknik multi tuning stub ini dapat diterapkan pada alokasi range frekuensi yang berbeda-beda sesuai dengan aplikasi komunikasi yang diperlukan.

119


ISSN 1978-9505

4. KESIMPULAN Telah dirancang antena segitiga dua patch bentuk segitiga dan persegipanjang dengan pencatuan saluran mikrostrip berbentuk dua garpu secara proximity coupling yang ditambah dengan stub untuk meningkatkan bandwidth antena. Peningkatan bandwidth dipengaruhi oleh efek kopling yang diberikan saluran berbentuk garpu dibawah kedua patch dan ketiga batang penyetelan, sehingga dapat meningkatkan bandwidth optimal dengan menggunakan bentuk patch persegipanjang sebesar 29 GHz. Hal tersebut menunjukan pencapaian lebar bandwidth yang lebih lebar dari penelitian sebelumnya dengan menggunakan model fractal 19 GHz (Song, 1999) dan model uniplanar sebesar 18 GHz (Lee, 2003). Sehingga model saluran multi tuning stub dapat dikembangkan pada antena array untuk alokasi frekuensi yang sudah eksis. Keunggulan dari teknik tersebut adalah dapat diseting pada alokasi yang diinginkan dengan jarak frekuensi yang sangat lebar. DAFTAR PUSTAKA [1] Ammann, Max, 2000, Design of Rectangular Microstrip patch Antennas for the 2.4 GHz Band, Dublin Institute of Technology, http://www.engtip.com/quiewthrend.cfm/lev2/11/lev3/247/qid/46930. [2] Gregory, M., 2002, An Electromagnetically Coupled Variable Position Feedline Within A Two Layer Microstrip Antenna, http://www.technology.niagarac.on.ca/people/gswick/emcpatch.doc . [3] Iskandar Fitri dan Eko Tjipto Rahardjo, Desember 2004, Antena Mikrostrip Dicatu Saluran Mikrostrip Berbentuk Garpu Secara Proximity Coupling untuk Memperlebar Bandwidth, Jurnal Teknologi, Edisi No. 4, Tahun XVIII, Depok. [4] Kwok L. Chung, 2000, A Broadband Single -Fed Electromagnetically Coupled Patch Antenna for Circular Polarisation, Faculty of Engineering, Telecommunication Group Cooperative Research Centre for Satellite Systems University of Technology, Sydney. [5] Kraus, J. D., 1988, Antennas, McG raw Hill, Singapur. [6] Lee, G. S., Desember 2003, A Uniplanar Wideband Loop Antenna Design Using An Alternate Inverted 2D Cantor Set Sequence, Jurnal Microwave and Optical Technology Letters IEE, Londan. [7] Pozar D. M., 1987, Increasing the Bandwidth of a Microstrip Antenna by Proximity Coupling, Electronics letters IEE, Londan. [8] Radio Spectrum Policy and Planning Resources and Networks Branch Ministry of Economic Developmen of New Zealand, April 2005, An Engineering Discussion Paper on Spectrum Allocations for Ultrawideband Devices, Ministry of Economic Developmen of New Zealand, Wellington. [9] Song, C.T.P., Juni 1999, Fractal Stacked Monopole with Very Wide Bandwidth, Jurnal Electronic Letters IEE, Londan.

120

ANTENA MIKROSTRIP PATCH ARRAY UNTUK APLIKASI MULTI-WIDEBAND

Recommend Documents