Perpustakaan Unika
BAB III PERANCANGAN ANTENA
3.1
Gambaran Umum Perancangan Perancangan antenna mikrostrip dimulai dengan menentukan frekuensi kerja, menentukan krakteristik substrat dan ukuran patch untuk mendapatkan bandwidth yang terbaik. Kemudian memberikan pencatuan pada patch dengan impedansi masukan 50 Ù dan menggunakan penyesuai impedansi. Secara diagram blok langkah kerja dapat dilihat pada Gambar 3.1. Menentukan frekuensi kerja
Menentukan karakteristik substrat antena
Desain patch antena
Simulasi hasil perancangan
Analisa antena
Gambar 3.1 Diagram Blok Perancangan Antenna
15
Perpustakaan Unika
Dalam melakukan perancangan antenna mikrostrip ini menggunakan bantuan software PCAAD (Personal Computer Antenna Aided Design) versi 3.0 dan CAD of MSA (Computer Aided Design of Microstrip Antenna) untuk mendesain, serta Microwave Office 2000 untuk melakukan simulasi hasil perancangan. Semua software dijalankan pada sebuah PC dengan prosesor P4 dengan RAM 256 MB.
3.2
Penentuan Frekuensi Kerja dan Substrat Salah satu aplikasi antenna mikrostrip sebagai komunikasi wireless. Dalam perancangan ini diambil frekuensi 2,4 GHz sebagai frekuensi acuan dalam mendesain patch antenna mikrostrip. Jenis substrat yang digunakan mempengaruhi parameter-parameter dalam perancangan karena tiap substrat memiliki parameter yang berbeda. Parameter yang terdapat dalam substrat adalah konstanta diekektrika relative (år), rugi-rugi tangensial (tan ó), ketebalan substrat (h), ketebalan elemen penghantar (t), dan konduktivitas elemen penghantar (ä). Beberapa jenis substrat dan parameternya dapat dilihat pada Tabel 4.1. Substrat untuk antenna mikrostrip terdiri dari tiga lapis elemen. Bahan dielektrik terdapat di tengah di antara lapisan elemen penghantar. Konstanta dielektrika ini mempengaruhi parameter-parameter lain terutama ukuran elemen peradiasi antenna mikrostrip. Besarnya rugi tangensial pada substrat diusahakan sekecil mungkin yaitu di bawah 0,001. Sedangkan konduktivitas 16
Perpustakaan Unika
elemen penghantar menentukan baik tidaknya sifat penghantaran listrik bahan.
år
T anó
Udara
1
0
RO3003
3
0,0013
RO3006
6,15
0,0013
RO3010
10,2
0,0013
RO4003
3,38
0,0022
TLC-32
3,2
0,003
HT-2
4,3
0,0033
Polyguide
2,32
0,0005
FR4
4,4
0,01
9,6 - 10,1
0,0005 - 0,002
12,9
0,0005 - 0,001
11,7 - 12,9
0,001 - 0,003
RT/Duroid 5880
2,2
0,001
Beryllium Oxide
6,7
0,001 - 0,002
Jenis substrat
Alumina GaAs Silikon
Tabel 3.1 Jenis Substrat Antenna Mikrostrip
17
Perpustakaan Unika
Jenis substrat yang digunakan dalam perancangan ini adalah RT/Duroid 5880 yang memiliki konstanta dielektrik relative 2,2, rugi-rugi tangensial 0,001 dan ketebalan substrat 0,16 cm. Untuk elemen penghantarnya digunakan bahan tembaga (copper) dengan ketebalan 0,0008999 cm dan konduktivitasnya adalah 5,8 x 107 S/m.
3.3
Perancangan Antena Mikrostrip Persegi
3.3.1 Perancangan Patch Antena Mikrostrip Persegi Patch antenna mikrostrip dapat dicari berdasarkan frekuensi kerjanya dan parameter-parameter substrat yang digunakan. Untuk patch bentuk persegi dapat dicari menggunakan rumus: w=
c 2 fr
εr +1 2
−1 / 2
3.108 2,2 + 1 . = 2.2,4.109 2
−
1 2
= 0,05m = 5cm
ε + 1 ε r − 1 10h εe = r + 1 + 2 2 w
−1 / 2
2,2 + 1 2,2 − 1 10.16 − 3 + .1 + = 2 2 0,05
18
−
1 2
= 2,15
Perpustakaan Unika
∆l (ε + 0,3)( w / h + 0,264) = 0,412 e h (ε e − 0,258)( w / h + 0,8)
= 0,412.
(2,15 + 0,3). 0,05 + 0,264 −3
16 = 0,528 0,05 (2,15 − 0,258). −3 + 0,8 16
Äl = 0,8448.10-3
l=
c 2 fr ε e
− 2∆l
3.108 − 2.0,8448.10 − 3 = 0,042m =4,2 cm = 9 2.2,4.10 2,15
Sehingga didapatkan ukuran patch persegi 5 cm x 4,2 cm.
3.3.2 Perancangan Saluran Transmisi Saluran transmisi yang digunakan dalam antenna mikrostrip ini adalah saluran mikrostrip. I mpedansi input 50Ù memiliki lebar saluran transmisi sebesar 0,5 cm. Gambar 3.2 adalah antenna mikrostrip hasil perancangan.
19
Perpustakaan Unika
1
Gambar 3.2 Antena Mikrostrip Persegi
Untuk pencatuan dengan model proximity coupling maka substrat antenna mikrostrip didesain dengan penampang seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3. Selanjutnya saluran mikrostrip ditambah stub berukuran panjang 0,1 ë = 0,85 cm dan lebar 0,5 cm sebagai penyesuai impedansi. Stub dipasang pada jarak mulai ë0/2 kemudian disesuiakan.
20
Perpustakaan Unika
1,6mm
Lapisan udara
1,6mm RT/duroid 5880 år = 2,2
1,6mm Bidang pertanahan Gambar 3.3 Lapisan Substrat Model Proximity Coupling
3.3.3 Perancangan Antena Array Antenna array memiliki beberapa buah elemen peradiasi yang saling berhubungan. Maka saluran transmisinya berbeda dengan saluran transmisi untuk antenna mikrostrip tunggal. Ada beberapa teknik penyesuaian saluran transmisi yang digunakan dalam perancangan antenna array, antara lain dengan penyesuai impedansi dan penyesuaian untuk pembelokan dan menggunakan T-junction. Agar distribusi daya masukan dapat maksimal ke antenna digunakan penyesuai impedansi (matching impedance) sepanjang ë/4.
λ0 =
=
c f 3.108 = 0,125m 2,4.109
21
Perpustakaan Unika
λ=
=
λ0 εe 0,125 = 0,085m 2,15
λ = 2,1cm 4
K esesuaian transformasi ë/4 pencatu saluran mikrostrip dengan elemen peradiasi ditunjukkan pada Gambar 3.4. ë/4 Patch Rr
Zo’ Zo
Gambar 3.4 T r ansfor masi ë/4 Salur an Mikrostrip
Zo’ adalah impedansi karakteristik pencatu saluran mikrostrip, sedangkan Rr adalah impedansi masukan resistif patch. Impedansi patch persegi yaitu sebesar j34,3124 – 82,1693 Ù. Sehingganilai Rr = 82,1693 Ù dan Z o’ = 50 Ù. Makanilai Z o adalah: Zo = Rr.Zo' Zo = 82,1693.50 = 64,0973Ω
22
Perpustakaan Unika
L ebar saluran untuk impedansi 64,0973 Ù adalah 0,33 cm. Untuk
T-junction,
Z1
adalah
impedansi
penyesuaian
percabangan saluran transmisi. Z1 =
50 = 35,355Ω 2
Lebar saluran pada T-junction adalah 0,8 cm sepanjang 2,1 cm. Sehingga didapatkan saluran transmisi untuk antenna array seperti pada Gambar 3.5. 0,5 cm
0,5 cm
50 Ù
50 Ù 35,355 Ù
2,1 cm
0,8 cm
0,5 cm
50 Ù Gambar 3.5 Perancangan Belokan dan T-junction
Jarak antara elemen peradiasi yang digunakan mulai 0,8 ë0 = 10 cm dihitung dari titik pencatuan, yang disusun secara planar dengan
23
Perpustakaan Unika
empat buah elemen peradiasi. Perancangan antenna array empat elemen yang didapat adalah seperti Gambar 3.6.
1
Gambar 3.6 Antena Mikrostrip Array
Perancangan antena array empat elemen dengan proximity coupling menggunakan saluran transmisi yang sama pada array planar dengan pencatuan biasa.
3.4
Perancangan Antena Mikrostrip Bowtie Patch bowtie yang dirancang ada dua jenis, yang pertama bowtie dari dua segitiga sama sisi yang dipasang seri, yang kedua adalah patch berdasarkan luasan patch persegi.
24
Perpustakaan Unika
3.4.1 Patch Bowtie dari Segitiga Sama Sisi Dari hasil percobaan pembuatan patch bowtie, didapatkan hasil bandwidth yang paling baik adalah patch bowtie dari segitiga sama sisi ( memiliki sudut pusat 60o ). Tabel hasil percobaan ini dapat dilihat pada Tabel L2.1 Lampiran II. Langkah pertama mendesain segitiga sama sisi adalah mencari panjang sisinya. f mn =
2c (m2 + mn + n 2 )1 / 2 3a ε r
a=
2.3.108 12 + 1.0 + 0 2 9 3.2,4.10 . 2,2
a=
0,6.109 = 0,056m = 5,6cm 10,68.109
(
)
1/ 2
Impedansi patch segitiga tersebut adalah: 4 3.0,0016.6 2π .0,08.0,009 π .0,08.2.0,005 . cos j Z = − j.2.π .2,4.109.4.π .10 − 7 . 2 3.0,0056 3.0,056 27.(0,056)
(
)
2
2π .1.0,009 π .1.2.0,005 2π .0.0,009 π .0.2.0,005 j + cos j x + cos 3 . 0 , 056 3 . 0 , 056 3 . 0 , 056 3 . 0 , 056 j.0,001.(74,76 )2 2 4 (0,001) .(74,76 )
Z = (− j.189,3.10 2 ).(0,785).(0,084).( j.0,179) = 223,5Ω Kedua segitiga dipasang seri dengan jarak saling masuk 0,9cm. Impedansi patch bowtie sebesar 447Ù. Sehingga penyesuai impedansi untuk transformsi ë/4 adalah
25
Perpustakaan Unika
447Ω.50Ω = 149,5Ω lebarnya 0,5 mm.
1
Gambar 3.7 Bowtie Sama Sisi
3.4.2 Patch Bowtie dengan Luas 21 cm2 Berdasarkan luasan patch antenna mikrostrip persegi, maka dapat didesain patch berbentuk bowtie sebagai berikut: 6 cm
3,1 cm 6,6 cm
0,4 cm
Gambar 3.8 Bowtie luas 21 cm2
26
