BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT PLANAR ARRAY

BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT PLANAR ARRAY 3.1

Umum Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan serta pembuatan antena

mikrostrip patch segiempat yang disusun secara planar array 4 elemen dengan penggunakan teknik pencatuan proximity couple, teknik ini merupakan bagian dari teknik pencatuan tak langsung atau lebih dikenal dengan pencatuan Electro Magnetic Coupled (EMC), antena ini digunakan sebagai penguat pada sistem wireless LAN. Adapun perancangan antena ini menggunakan software ansoft HFSS v10. Adapun tahapan awal dari perancangan antena dimulai dengan pemilihan jenis substrate yang digunakan untuk jenis antena yang akan dibuat, selanjutnya menghitung dimensi patch antena serta lebar saluran pencatu. Hasil dari perhitungan tersebut selanjutnya disimulasikan dengan menggunakan simulator ansoft HFSS v10. Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan beberapa iterasi berupa perubahan dimensi saluran pencatu dan perubahan dimensi patch. Dengan melakukan beberapa iterasi selanjutnya diperoleh hasil rancangan yang lebih optimal tersebut. Dengan simulator Ansoft HFSS v10.0, dapat diperoleh parameter – parameter antena yang dihasilkan berupa nilai VSWR dan gain. Perancangan dan pembuatan antena mikrostrip patch segiempat dengan teknik planar array dapat digambarkan sesuai diagram alur pada Gambar 3.1.

Universitas Sumatera Utara

Mulai

Masukan jenis substrate Yang digunakan dan frekuensi kerja

Perancangan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal

Perancangan antena mikrostrip patch segi empat 4 elemen

Rancang bangun antena mikrostrip patch segi empat 4 elemen

Menguji antena apakah berfungsi dengan baik?

Tidak

Ya Selesai

Gambar 3.1 Diagram alir perancangan dan pembuatan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen


3.2

Jenis Substrate Yang Digunakan Dalam

pemilihan

jenis substrate

sangat dibutuhkan pengetahuan

tentang spesfikasi umum dari susbtrate tersebut, kualitasnya, ketersediannya, dan yang tidak dikeluarkan

kalah

penting

adalah

harga

atau

biaya

yang

harus

untuk mendapatkannya, karena akan mempengaruhi nilai jual

ketika akan difabrikasi secara massal untuk dipasarkan. Pemilihan substrate untuk antena yang akan dirancang ini yaitu memilih bahan dielektrik yang cocok dengan menyesuaikan tingkat ketebalan (h) dan rugi-rugi garis singgung. Pada dasarnya semakin tebal substrate, maka secara fisik akan terlihat lebih kuat dan kokoh, sehingga dapat meningkatkan daya radiasi, mengurangi rugi-rugi konduktor, dan dapat memperbaiki impedansi bandwith. Bagaimanapun hal ini akan dapat meningkatkan berat, rugi-rugi dielektrik , serta rugi-rugi gelombang permukaan. Begitu juga dengan fungsi konstanta dielektrik (𝜀𝑟 ), nilai konstanta dielektrik (𝜀𝑟 ) yang rendah akan meningkatkan kerja daerah pinggir dari keliling patch, sehingga akan dapat meradiasikan daya. Oleh karena itu nilai konstanta dielektrik (𝜀𝑟 ) ≤ 2.5 lebih baik kecuali jika diinginkan ukuran patch yang lebih kecil. Meningkatkan ketebalan substrate akan memiliki dampak yang sama ketika menurunya nilai konstanta dielektrik (𝜀𝑟 ) dari karakteristik antena yang akan dibuat. Adapun jenis substrate pada perancangan antena ini adalah dua buah substrate jenis fiber dengan ketebalan yang sama (h1 = h2). Adapun parameter substrate dapat dilihat pada Tabel 3.1.


Tabel 3.1 Spesifikasi substrate yang digunakan

3.3

Jenis Substrate

FR-4 epoxy

Konstanta Dielektrik Relatif (εr)

4,4

Dielektrik Loss Tangent (tan δ)

0,02

Ketebalan substrate (h)

1,6 mm

Perancangan Patch Segiempat Elemen Tunggal Pada tahapan perancangan patch segiempat elemen tunggal ini terdapat

beberapa tahapan, yang pertama dimulai dengan menentukan frekuensi kerja dari antena yang akan dirancang serta parameter yang akan dicapai. Selanjutnya tahapan kedua menentukan jenis substrate yang akan digunakan. Dalam pemilihan jenis substrate haruslah mempertimbangkan kesesuaian antara karakteristik substrate dengan spesifikasi antena yang akan dirancang, hal ini bertujuan untuk mendukung di dalam mendapatkan hasil yang diinginkan. Sebelum proses simulasi dilakukan, terlebih dahulu menentukan parameterparameter dari antena dengan menggunakan peralatan bantu ataupun persamaan yang telah dibahas pada bab sebelumnya. Dan pada proses simulasi, dimungkinkan untuk memodifikasi beberapa parameter yang telah ditentukan untuk mendapatkan hasil yang dibutuhkan, diantaranya adalah dengan mengatur lebar patch, umumnya dengan mengatur lebar patch akan mempengaruhi frekuensi resonansi menjadi lebih tinggi atau lebih rendah. Sedangkan pengaturan lebar atau panjang saluran pencatu, umumnya dilakukan untuk mendapatkan nilai VSWR sesuai yang diinginkan. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk mendapatkan sebuah antena mikrostrip elemen tunggal dengan dimensi patch dan dimensi pencatu yang


optimal yaitu mampu memberikan nilai VSWR ≤ 2, gain ≥ 2 d B i pada rentang frekuensi 2,4-2,5 GHz. D iagram alir perancangan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal seperti yang terlihat pada Gambar 3.2.

Mulai

Masukan frekuensi kerja, nilai VSWR, gain serta jenis substrate yang digunakan

Menghitung dimensi patch elemen tunggal

Menghitung lebar dan panjang pencatu Memodelkan rancangan fisik antena pada ansoft HFSS v10 Simulasi dengan ansoft HFSS v10 Mengatur dimensi patch atau lebar saluran pencatu Apakah VSWR ≤ 2, gain ≥ 2 d B i Saat frekuensi 2,4-2,5?

Tidak

Ya Selesai Gambar 3.2 Diagram alir perancangan antena mikrostrip patch elemen tunggal


3.3.1 Menentukan Frekuensi Antena Pada perancangan antena mikrostrip ini, frekuensi kerja berada pada frekuensi 2,4-2,5 GHz. Hal ini berarti, frekuensi resonansinya adalah 2,4-2,5 GHz dengan frekuensi tengah 2,45 GHz. Frekuensi tengah resonansi ini, selanjutnya

akan menjadi nilai parameter frekuensi dalam menentukan

parameter-parameter lainnya seperti dimensi patch, lebar saluran pencatu. Pada rentang frekuensi kerja tersebut (2,4-2,5 GHz), diharapkan antena memiliki parameter VSWR ≤ 2 serta gain ≥ 2 dBi. 3.3.3 Perancangan Ukuran Patch Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan frekuensi kerja 2,4-2,5. Untuk perancangan dimensi antena digunakan perhitungan pada antena mikrostrip dengan patch segiempat dengan menggunakan persamaan (2.14) sampai (2.18),maka didapat: a. Menentukan Lebar patch Adapun hasil perhitungan lebar patch didapat menggunakan Persamaan 2.14. Sehingga didapatlah lebar patchnya adalah

W=

c (ε +1) 2fo √ r 2

=

3×108 4.4+1 2×2,45×109 √ 2

=0,0372 m

=3,726 cm = 37,26 mm b. Menentukan panjang patch Adapun hasil perhitungan panjang patch didapat menggunakan Persamaan (2.15) sampai (2.18). Sehingga didapatlah panjang patchnya adalah


εreff =

εr +1 εr -1 + 2 2

=

1 h √ ( 1+12 W) 1

4,4+1 4,4-1 + 2 2 (

√1+12

0,16 3,726)

= 4,0810202

W +0,264) h ∆L = 0,412h W (εreff -0,258) ( +0,8) h (εreff +0,3) (

3,726 +0,264) 0,16 = 0,412×0,16 3,726 (4,0810202-0,258) ( +0,8) 0,16 (4,0810202+0,3) (

= 0,06592 × 1,12045 = 0,07386 cm Leff =

c 2fo √εreff

=

3 × 108 2×2,45×109 √4,0810202

= 0,033=3,3 cm

= 0,033 = 3,3 𝑐𝑚 Dari nilai yang telah diketahui diatas, maka didapatlah panjang patch sebagai berikut: L=Leff -2∆L=3,3-2(0,07386)=3,15 cm=31,5mm Dari nilai diatas didapatkanlah nilai lebar dan panjang adalah 37,26 mm dan 31,5 mm untuk memudahkan proses simulasi maka nilai lebar dan panjang dibulatkan menjadi 37,3 mm dan 32 mm.


3.3.3 Perancangan Lebar Saluran Pencatu Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip ini diharapkan mempunyai impedansi masukan sebesar 50 ohm. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 2003. Dari program TXLine 2003 ini didapatkan saluran pencatu yang mendekati impedansi 50 Ohm memiliki dimensi panjang dan lebar masing-masing 23.1 mm dan 3 mm. Tampilan dari program TXLine 2003 untuk mencari lebar pecatu agar mempunyai impedansi 50 dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.3 Tampilan TXLine 2003 untuk mencari dimensi saluran pencatu Pada Gambar 3.3, dengan memasukkan karakteristik impedansi yang diinginkan dan parameter substrate yang digunakan, maka program ini akan secara otomatis menampilkan lebar dari saluran pencatu agar menghasilkan nilai impedansi yang diinginkan. Melalui perangkat lunak TXLine 2003 ini diperoleh bahwa untuk menghasilkan impedansi 50

dengan

substrate

yang

akan

digunakan dalam perancangan, dibutuhkan lebar saluran pencatu sebesar 3,00593



c 3×108 λ0 = = =123 mm f 2,45×109 G=

=

W 1 2πh 2 1 [1- ( )] 120 λ0 24 λ0 Ω 37,26 1 2×3,14×1.6 2 1 [1- ( )] 120×123 24 123 Ω

= 2,52×10-3 [1-

1 1 (6,67×10-3 )] 24 Ω

=2,52×10-3 [0.9997]

1 Ω

=2,52m℧ B=

W 2πh 2 1 [1-0,636ln ( )] λ0 120λ0 Ω

=

37,26 2×3,14×1,6 2 1 [1-0,636 ln ( )] 120×123 123 Ω

=2,52×10-3 [1-0,636 ln(6,67×10-3 )]

1 Ω

=2,52×10-3 [1-(-3,186) =10,55m℧ Dari nilai diatas dapatlah besar admintansi lebar patch(𝑌𝑠 ) yaitu Ys =G+jB=2,52+j10,55 m℧ Selanjutnya dengan nilai admintansi lebar patch diatas didapatlah besarnya admintansi beban(𝑌𝑖𝑛 ) untuk mencari besarnya admintansi beban (𝑌𝑖𝑛 ) digunakan Persamaan 2.20. Adapun hasil sebagai berikut: Yin =2× Ys =2(2,52+j10,55)m℧=5+j21,1 m℧ Dari nilai admintansi beban diatas didapatlah besar impedansi beban(𝑍𝐿 ). Untuk mencari besar impedansi beban (𝑍𝐿 ) digunakan Persamaan 2.19. Sehingga


didapatlah hasil sebagai berikut: ZL =Zin =

1 1 = Yin 5+j21,1 m℧ =

1000∠00 21,68∠76,670

=46,13∠-76,670 =10,64-j44,89

Dan dari nilai impedansi beban diatas maka dicari besar koefisien refleksi(Γ ) dengan menggunakan Persamaan 2.8. Adapun hasilnya sebagai berikut: Γ=

ZL - Z0 10,64-j44,89-50 = ZL + Z0 10,64-j44,89+50

-39,36-j44,89 59,7∠48,760 = = 60,64-j44,89 75,45∠-36,510 =0,8∠85,270 =0,8ej85,57

0

Selanjutnya dari nilai koefisien refleksi diatas maka dicari besar VSWR didapat secara teori. Untuk menghitungan nilai VSWR dapat dicari menggunakan Persamaan 2.9. Dan hasil sebagai berikut: 0

j85,57 | 1,8 1+ |Γ| 1+ |0,8e VSWR= = = =9 1-|Γ| 1-|0,8ej85,570 | 0,2

Dari nilai diatas diketahui nilai VSWR secara teori didapat adalah 9. Dan dari hasil simulasi, didapatkan nilai VSWR seperti yang terlihat pada Gambar 3.5.



mempengaruhi nilai VSWR dan gain tersebut antara lain besaran dimensi patch baik itu panjang patch maupun lebar patch, lebar pencatu, serta panjang pencatu. Maka untuk tahap awal yang perlu diiterasi adalah panjang patch. Hasil iterasi panjang patch dapat dilihat pada Tabel 3.2. Tabel 3.2 Hasil iterasi panjang patch elemen tunggal Dimensi patch

VSWR

No

Lebar

1

37

2,45 Ghz 10

2

37

31

7,36

8,35

9,46

1,12

3

37

30

5,10

6,12

7,37

1.41

4

37

29

4,60

5.08

6.10

1.54

5

37

28

3.80

4.41

4.90

1.70

6

37

27

2.90

3.05

4.30

1.90

7

37

26

2.04

1.86

2.30

2.20

8

37

25

2.50

2.02

1,65

2,43

9

37

25.8

2.18

1.45

1.67

2.51

10

37

26.2

1.89

1.40

1.55

2.53

11

37

26.4

2.07

1.75

1.65

2.49

panjang 2,40 Ghz 32 9,30

2,50 Ghz 11,08

Gain saat F= 2,45 Ghz (dBi) 0,80

Dari Tabel 3.2, didapatlah hasil iterasi panjang patch dengan nilai VSWR yang telah memenuhi standar, saat panjang patch diubah menjadi lebih kecil dari 32 mm maka nilai VSWR pun semakin menurun, dan nilai VSWR≤2 pada frekuensi antara 2.40 Ghz- 2.50 Ghz saat panjang patch diubah menjadi 26,2 mm. Namun dalam hal ini perlu ada perbaikan nilai sehingga diperlukan kembali iterasi. Pada

tahap kedua ini, bagaian yang perlu diiterasi adalah lebar patch

sehingga dengan mengubah nilai lebar patch akan membuat nilai VSWR semakin menurun. Dan hasil iterasi lebar patch dapat dilihat pada tabel 3.3.


Tabel 3.3 Hasil iterasi lebar patch elemen tunggal Dimensi patch

VSWR

No

Lebar

1

37

2,45 Ghz 1,40

2,50 Ghz 1,55

2

37,1

26,2

2,09

1,15

1,97

2,55

3

37,3

26,2

2,10

1,17

1,97

2,38

4

37,5

26,2

1,97

1,27

1,85

2,57

5

37,8

26,2

2.20

1.27

1.97

2.46

6

38

26,2

2.20

1.39

2.09

2.59

7

36.9

26,2

2.20

1.67

2.02

2.55

panjang 2,40 Ghz 26,2 1,89


Dari Tabel 3.3, didapatlah nilai VSWR yang optimum, hal ini dilakukan dengan cara mengubah lebar patch. Dari tabel 3.3, dapat dilihat bawah nilai VSWR ≤ 2 pada frekuensi 2.40 Ghz-2.50 Ghz saat lebar patch diubah menjadi 37,5 mm dan 37 mm, Karena ada dua

nilai yang sama dibawah 2 maka

selanjutnya dilihat berapa besar gain yang dihasil saat lebar patch diubah pada kedua nilai tersebut, maka didapatlah bawah saat lebar patch diubah menjadi 37,5 mm nilai gain lebih besar dibandingkan saat lebar patch diubah menjadi 37 mm. Adapun besar gain yang dihasilkan saat lebar patch diubah menjadi 37,5 mm adalah 2,57 dBi saat berada pada frekuensi 2.45 Ghz, dimana frekuensi ini merupakan frekuensi resonansinya. Selanjutnya hal perlu diiterasi adalah lebar pencatu. Hasil iterasi lebar pencatu dapat ditunjukan pada Tabel 3.4.


Tabel 3.4 Hasil iterasi lebar pencatu elemen tunggal Dimensi pencatu

VSWR

No

Lebar

1

3

2,45 Ghz 1,27

2,50 Ghz 1,85

2

2.9

23.1

1.90

1.28

1.77

2.55

3

2.8

23.1

1.76

1.25

1.68

2.59

4

2.7

23.1

1,64

1,24

1,62

2.62

5

2.6

23.1

1.54

1.24

1.71

2.60

6

2.5

23.1

1.72

1.26

1.73

2.53

panjang 2,40 Ghz 23.1 1,97


Dari Tabel 3.4, dapat ketahuai bahwa nilai VSWR yang dihasilkan sudah optimal hal ini didapat dengan cara mengubah lebar pencatu dari 3 mm menurun hingga menjadi 2,5 mm sehingga dihasilkan nilai VSWR yang optimum pada frekuensi antara 2.40 Ghz-2.50 Ghz. Dari 3 mm diditurunkan menjadi 2.9 mm, 2.8 mm , 2,7 mm, 2,6 mm, dan 2,5 mm dimana dari kesemua nilai tersebut menunjukan bahwa VSWR yang dihasilkan dari proses iterasi lebar pencatu berada dibawah 2, karena itu paremeter yang dilihat selanjutnya adalah besar gain yang dihasilkan dari hasil proses iterasi lebar pencatu tersebut. Sehingga didapatlah gain terbesar saat lebar pencatu diturunkan menjadi 2,7 mm yaitu gain yang didapat sebesar 2,62 dBi. Adapun grafik VSWR yang didapatkan dari proses iterasi ditunjukan pada Gambar 3.6.


Gambar 3.6 Nilai VSWR setelah proses iterasi antena elemen tunggal Dari Gambar 3.6, diketahui bahwa nilai VSWR yang dihasilkan setelah dilakukannya proses iterasi yaitu 1,24 pada frekuensi 2,45 Ghz, 1,64 pada frekuensi 2,40 Ghz, dan 1,62 pada frekeunsi 2,50 Ghz. VSWR yang dihasilkan sudah memenuhi standar yang diinginkan untuk antena dengan patch elemen tunggal. Selanjutnya parameter lain yang harus diketahui adalah berapa besar gain yang didapat saat lebar pencatu berubah, dari Tabel 3.4 saat lebar pencatu diturunkan menjadi 2,7 mm besar gain yang didapatkan adalah 2,62 dBi. Adapun gain yang dihasilkan setelah proses iterasi dilakukan seperti ditunjukan oleh Gambar 3.7.



dibuat ke dalam diagram alir seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8.

Mulai

Masukan data rancangan elemen tunggal

Menentukan jarak antar elemen

Merancang T-junction yang digunakan sebagai power divider

Merancang antena mikrostrip 4 elemen plannar array

Simulasi menggunakan ansoft HFSS v.10 Iterasi jarak antar elemen

Apakah VSWR ≤2, Gain ≥ 6 dBi Pada Frekuensi 2,4-2,5 Ghz

Tidak

Ya Selesai Gambar 3.8 Diagram alir perancangan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array


3.4.1 Pengaturan Jarak Antar Elemen Adapun jarak antar elemen pada antena yang dirancang pada skripsi ini sekitar seperempat panjang gelombang (d = λ/4). Jarak antar elemen ini dapat diatur untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal yaitu untuk meningkatkan magnitude hasil simulasi pola radiasi agar lebih besar dari yang dihasilkan pada rancangan elemen tunggal (2,62 dBi). Pada rancangan antena mikrostrip patch segiempat dengan teknik planar array 4 elemen ini diharapkan magnitude yang diperoleh mencapai lebih dari 6 dBi. Peningkatan magnitude tersebut mengindikasikan adanya peningkatan gain dari antena. Adapun jarak antar elemen didapat dari penggunaan persamaan sebagai berikut: 𝑑=

λ 𝑐 3 × 108 = = = 31,25 𝑚𝑚 4 4𝑓𝑟 4 × 2,45 × 109

Dari persamaan diatas didapatlah jarak awal antar elemen adalah 31,25 mm, Setelah diketahui jarak antar elemen hal ini akan memudahkan

untuk

meletakan posisi tiap elemen yang akan dirancang, bisa nanti diperlukan karakterisasi jarak tersebut. 3.4.2 Perancangan T-Junction Pada hasil rancangan elemen tunggal diketahui bahwa saluran pencatu yang digunakan adalah 50 ohm. Untuk merancang antena 4 elemennya, dibutuhkan T-junction 50 ohm yang berfungsi sebagai power divider. Terdapat 2 jenis T-junction 50 ohm yang telah dibahas pada sub-bab 2-10. Pada Tugas Akhir ini T-junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70,711 ohm karena penggunaannya dapat mendukung untuk meminimalisir ukuran antena. Selain impedansi 70,711Ω, perancangan juga dilakukan untuk impedansi 86,6 Ω yaitu impedansi untuk 3 titik pencabangan yang dihitung dengan menggunakan


Persamaan (2-21). Gambar 3.12 menunjukkan konfigurasi T-junction yang akan digunakan.

50Ω

50Ω

50Ω

(a)

50Ω

50Ω

50Ω

50Ω (b) Gambar 3.9 Perancangan T-junction: (a) impedansi 70,711Ω (b) impedansi 86,6Ω Untuk mendapatkan panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,711  digunakan program TXLine 2003. Tampilan program TXLine 2003 untuk mencari panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,711  ditunjukkan pada Gambar 3.10.


Gambar 3.10 Tampilan TXLine 2003 untuk mencari panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,711  Dari Gambar 3.13 diperoleh bahawa untuk menghasilkan impedansi 70,711 dengan substrate yang digunakan dalam perancangan dan frekuensi kerja yang diinginkan adalah 2,45 Ghz, maka dibutuhkan panjang dan lebar pencatu masing-masing sebesar 19,2062 mm dan 1,54124 mm , untuk menyesuaikan dengan ukuran grid yang digunakan pada perangkat lunak ansoft sebagai simulasi maka panjang dan lebar ini dibulatkan menjadi 19 mm dan 1,5 mm. Dengan cara yang sama, dimensi saluran pencatu untuk impedansi 86,6Ω diperoleh panjang saluran 18 mm dan lebar 0,9 mm. 3.4.3 Simulasi Perancangan antena mikrostrip segiempat 4 elemen dengan teknik planar array dilakukan seperti perancangan pada antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal, ada beberapa proses

atau tahapan, yaitu diawali dengan


perancangan

groundplane,

substrate1,

substrate2,

perancangan

patch,

perancangan saluran pencatu(feed line), dan perancangan port saluran pencatu. Namun dalam perancang antena 4 elemen ini adapun patch yang akan dirancang sebanyak 4 buat patch. Untuk menghasilkan hasil simulasi sesuai dengan yang diinginkan maka yang perlu diperhatikan letak setiap patch hal ini ada kaitannya dengan jarak antar patch. Selanjutnya adapun banyak saluran pencatu(feed line) yang akan dirancang sebanyak 13 buah saluran pencatu(feed line) terdiri atas 10 buah saluran pencatu 50 ohm, 2 buah saluran pencatu 86,6 ohm, dan 1 buah saluran pencatu 70 ohm. Setelah semua langkah tersebut dilakukan maka dihasilkan model fisik antena mikrostrip seperti yang terlihat pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Model antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array Simulasi dapat dijalankan setelah semua langkah yang dilakukan pada perancangan patch 4 elemen

diikuti tanpa error hal ini dapat dilihat pada

simulator ansoft pada bagian validation check, selanjutnya setelah dijalankan simulasi tersebut maka akan diketahui berapa besar VSWR dihasilkan dari model


antena 4 elemen ini. Adapun VSWR hasil dari simulasi antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen dapat dilihat pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12 VSWR hasil simulasi antena mikrostrip patch 4 elemen Dari Gambar 3.12 dapat dilihat bahwa nilai VSWR yang dihasilkan dari simulasi antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen adalah 1,40 saat frekuensi 2,45 Ghz. Nilai VSWR tersebut lebih besar dibandingkan dengan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal, seharusnya nilai VSWR yang dihasilkan dari antena mirkostrip patch segiempat 4 elemen harus lebih kecil dibandingkan dengan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal. Oleh karena maka diperlukan proses sehingga nilai VWSR yang seperti dikatakan diatas terpenuhi. Dalam hal ini yang perlu iterasi adalah jarak antar elemen. Dari hasil simulasi yang telah dijalankan didapatlah bahwa antena mikrostrip patch segiempat

4 elemen belum memenuhi karakteristik yang

diinginkan yaitu VSWR ≤ 2, hal ini mungkin saja dipengaruhi oleh jarak antar elemen, oleh karena itu yang hal yang perlu diiterasi adalah jarak antar elemen dari antena mikrostrip tersebut, sehingga nantinya didapat VSWR yang sesuai


dengan yang diinginkan. Tabel 3.5 merupakan hasil dari iterasi jarak antar elemen antena mikrostrip 4 elemen. Tabel 3.5 Hasil iterasi jarak antar elemen

No

Jarak Antar Elemen(mm)

1

30

2

VSWR

Gain saat F= 2,45 Ghz (dBi)

2,40 Ghz 2.02

2,45 Ghz 1.43

2,50 Ghz 1.79

30.5

1.96

1.43

1.89

7.07

3

31

1.96

1.40

1.78

7.14

4

31.5

1.89

1.31

1.58

7.20

5

32

1.74

1.22

1.54

7.27

6

33

1.63

1.20

1.59

7.31

7

34

1.81

1.21

1.49

7.33

8

35

1.64

1.12

1.63

7.38

9

36

1.73

1.22

1.59

7.29

10

37

1.76

1.20

1.51

7.34

6.89

Dari Tabel 3.5 diketahui bahwa nilai VSWR yang terkecil pada frekuensi 2,45 Ghz terletak pada posisi saat jarak antar elemen adalah 35 mm. sehingga dari hasil dari proses iterasi

tersebut didapatlah VSWR antena mikrostrip patch

segiempat 4 elemen lebih kecil dibandingkan dengan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal. Untuk lebih jelasnya VSWR yang dihasilkan dari proses iterasi dapat dilihat pada Gambar 3.13.


Gambar 3.13 VSWR hasil dari proses iterasi jarak antar elemen Dari gambar 3.13, VSWR yang dihasilkan setelah dilakukannya iterasi yaitu sebesar 1,12 pada frekuensi 2.45 Ghz, nilai ini menunjukan bahwa antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ini telah sesuai dengan yang diinginkan. Adapun frekuensi dari 2,40 Ghz sampai 2,50 Ghz nilai VSWR yang dihasilkan dari semulasi antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ini adalah dibawah dari 2, tepatnya ketika berada pada frekuensi 2,40 Ghz, nilai VSWR adalah 1,64 dan ketika berada pad frekuensi 2,50 Ghz, nilai VSWR adalah 1,63. Sehingga dapat dikatakan bahwa nilai VSWR yang didapat ketika berada pada fekuensi dari 2,40 Ghz sampai 2,50 Ghz telah optimal. Adapun besar gain yang didapat dari antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array secara perhitungan dapat dicari menggunakan Persamaan 2.18 namun terlebih dahulu harus dicari pengarahan (directivity) dari antena ini. Untuk mencari directivity dari antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array dapat digunakan persamaan 2.12 sampai 2.13.


120𝑊 2 𝜋 2

𝐼1 = √

90𝜆0 2

120(37,26)2 (3,14)2 = 1,1 90(123)2

=√

Dari nilai 𝐼1 maka didapat dihitung besarnya nilai directivity single slot dari antena mikrostrip ini. Adapun besar nilai directivity dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.12. 𝐷=

4𝑊 2 𝜋 2 𝜆0 2 𝐼1

=

4(37,26)2 (3,14)2 = 3,29 (123)2 1,1

Setelah nilai directivity didapat maka dapat dicari nilai directivity susun dengan menggunakan persamaan 2.14. 𝐷𝑠𝑢𝑠𝑢𝑛 = 2𝐷 = 2 × 3,29 = 6,58 Dari nilai directivity diatas diketahui berapa besar directivity total dengan menggunakan Persamaan 2.15. 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐷𝑠𝑢𝑠𝑢𝑛 × 𝐷𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛 = 6,58 × 4 = 26,32 Selanjutnya dengan didapatnya nilai directivity total didapatlah besar gain secara teori. Untuk mencari besar gain dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.18. 𝐺 = 𝜂 × 𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 60% × 26,32 = 15.79 𝐺𝑑𝐵 = 10 log 𝐺 = 10 log 15,79 = 12 𝑑𝐵𝑖 Adapun gain yang didapat setelah dilakukannya proses iterasi jarak antar elemen dapat dilihat pada Gambar 3.14.


Gambar 3.14 Gain hasil dari proses iterasi jarak antar elemen Dari gambar 3.14 didapatlah gain yang dihasilkan setelah dijalankan simulasi antena mikrostrip 4 elemen ini sebesar 7,38 dBi untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel 3.5, dengan gain sebesar itu maka rancangan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ini dapat dikatakan optimal karena gain yang dihasilkan tersebut telah sesuai dengan yang diharapakan yaitu diatas 6 dBi. Setelah karakterisasi jarak antar elemen dilakukan maka dapat dibandingkan parameter antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal dengan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen dengan teknik planar array, perbandingan ini ditunjukan oleh Tabel 3.6. Untuk lebih jelasnya

data

perbandingan parameter antena elemen tunggal dan 4 elemen dapat dilihat pada lampiran A dan lampiran B. Tabel 3.6 Perbandingan parameter antena elemen tunggal dan 4 elemen Parameter

Elemen Tunggal

4 Elemen Planar Array

Rentang Frekuensi Kerja

2,40 – 2,50 GHz

2,40 – 2,50 GHz

VSWR yang dihasilkan

1,24

1,12

Gain yang dihasilkan(dBi)

2,62

7,38


Adapun pola radiasi antena mikrostrip patch segiempat adalah unidirectional,untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada lampiran A dan B. Geometri dari hasil rancangan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ini setelah diiterasi jarak antar elemennya maka didapatlah seperti yang terlihat pada Gambar 3.15. 12,5 mm

37,5 mm

35 mm

37,5 mm

12,5 mm 10 mm

Patch

Patch

Panjang

26,2 mm

Jarak antar elemen

35 mm Lebar

Patch

Jarak antar elemen

Patch

26,2 mm

14.6 mm

(a). Tampak atas subtrate1 Lebar T-juction 70,711 ? Panjang 23,1 mm

19 mm

25,4 mm

46,25 mm

T-juction 86,6 ?

21 mm

14 mm

14 mm

5.5 mm

(b). Tampak bawah substrate2


135 mm Lebar

Groundplane

Panjang 112 mm

(C) Tampak atas substrate2 Gambar 3.15 Geometri hasil perancangan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array


BAB IV PENGUJIAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT 4 ELEMEN PLANAR ARRAY 4.1 Umum Pada bab ini akan dibahas bagaimana proses pengujian antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen yang telah dicetak atau difabrikasi. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah antena yang telah dirancang sesuai dengan yang diinginkan. Adapun parameter yang diujikan pada dasarnya cukup banyak namun dalam pada tugas akhir ini parameter yang diuji hanya gain yang dihasilkan dari hasil fabrikasi antena mikrostrip 4 elemen ini, Hal ini juga disebabkan keterbatasan peralatan untuk pengujian antena ini. 4.2

Fabrikasi Antena Mikrostrip Setelah rancangan antena yang telah diiterasi

sesuai dengan yang

diinginkan maka proses selanjutnya mefabrikasi hasil rancangan antena tersebut. Pada dasarnya antena mikrostrip ini dapat difabrikasi sendiri namun hasil fabrikasi sendiri tersebut kurang bagus oleh karena itu fabrikasi antena mikrostrip ini dilakukan ditempat cetak antena mikrostrip tersebut. Dan proses pembuatan antena ini menghabis waktu seminggu. Pembuatan antena ini dilakukan diBandung oleh sebab itu dibutuhkan waktu seminggu untuk proses fabrikasi antena mikropstrip ini. setelah antena tersebut dicetak maka proses selanjut adalah pengujian antena. Adapun antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array setelah difabrikasi dapat dilihat pada Gambar 4.1.


(a). Tampak atas subtrate1(patch)

(b). Tampak bawah substrate2 (Saluran pencatu)

(c). Tampak atas Substrate2 (Groundplane) Gambar 4.1 Antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen yang telah difabrikasi


Pengujian Antena Mikrostrip

4.3

Proses pengujian antena mikrostrip bertujuan untuk membandingkan parameter yang didapat pada proses simulasi dengan pengujian dilapangan, telah diketahui sebelumnya bahwa parameter yang akan diujikan adalah gain yang diterima oleh antena mikrostrip 4 elemen ini. Sementara itu besar gain yang didapat pada saat proses simulasi dengan ansoft HFSS v10 yaitu sebesar 7,38 dBi. Dalam pengujian ini dilakukan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Network Stumbler, perangkat ini digunakan

untuk membaca level

penerimaan sinyal baik itu menggunakan antena dipole maupun antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen. Dari perangkat tersebut dapat dibandingkan penerimaan sinyal dari kedua antena tersebut. Sehingga diketahuai dari kedua antena tesebut mana yang paling baik level penerimanaan sinyalnya. Pengujian ini dilakukan digedung T3 lantai 4 Dapertemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. 4.3.1 Perlengkapan Yang Digunakan Dalam pengukuran ini ada beberapa peralatan yang digunakan, terdiri dari software dan hardware. Berikut ini adalah beberapa peralatan yang akan digunakan dalam perancangan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ini : a. USB wireless Adapter TP-LINK USB wireless adapetr merupakan sebuah perangkat yang memiliki fungsi untuk menangkap sinyal wifi. Perangkat ini memiliki antena slot external yang nantinya akan diganti menggunakan antena mikrostrip hasil rancangan yang telah difabrikasi. Adapun tipe USB wireless adapter ini adalah TL-WN722N. USB jenis ini cukup banyak dijual dipasaran, dengan kecepatan akses data sampai 150 Mbps.


b. Network Stumbler Network stumbler adalah perangkat lunak yang digunakan untuk pengujian gain antena. perangkat ini berfungsi sebagai pembaca level sinyal yang diterima USB adapter wifi. Penggunaannya sangatlah mudah. Network stumbler merupakan

sebuah tools

gratis

yang

dapat

didownload

melalui

situs

www.netstumbler.com. c. Kabel konektor Kabel ini yang menghubungkan antara USB wireless adapter dengan antena mikrostrip yang telah difabrikasi. Penggunaan kabel konektor ini disebabkan konektor yang berada pada antena mikrostrip 4 elemen tidak cocok dengan konektor eksternal yang berada pada USB wifi hal ini yang memdasari mengapa digunakan kabel konektor sebagai penghubung antena mikrostrip dengan USB wifi. Adapun rangkaian pengujian ditunjukan pada Gambar 4.2.

Antena mikrostrip 4 elemen

USB wireless adapter

Access point

laptop Gambar 4.2 Rangkaian pengujian antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen


4.3.2

Prosedur Pengujian

Adapun langkah-langkah pengujian gain

dari kedua antena adalah sebagai

berikut: 1. Siapkan peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian. 2. Nyalakan laptop 3. Hubungkan USB wireless adapter dengan laptop, sebelumnya pastikan antena dipole telah terhubung dengan USB wireless adapter. Hal ini seperti yang terlihat pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3 Pengujian menggunakan antena dipole 4. Aktifkan Software Network stumbler yang telah terinstall dilaptop. Kemudian tunggu hingga USB wireless adapter terbaca oleh laptop. 5. Amati tampilan dan pilih access point mana yang akan diakses. Pada pengujian ini, adapun access point yang dipilih adalah Polmed. 6. Setelah terakses, Amati pergerakan kuat sinyal yang diterima oleh antena dipole tersebut dengan menggunakan Network stumbler. Diamkan selama ± 5 menit untuk memperoleh sinyal yang stabil.


7. Kemudian catat dan printscreen tampilan kuat sinyal yang diterima oleh antena dipole. 8. Selanjutnya tanpa mematikan laptop, ganti antena dipole dengan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen. Hal ini seperti terlihat pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Pengujian menggunakan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen 9. Ulangi langkah 4 sampai 7 10. Pengujian selesai. 4.3.3 Hasil pengujian Dengan Network stumbler, dapat dilihat beberapa access point yang didapatkan. Berikut ini nama-nama access point yang didapatkan ketika menggunakan antena dipole sebagai penguat WLAN ini, hal ini dapat lihat pada Gambar 4.5.



banyak dibandingkan dengan menggunakan antena dipole dan ini menandakan bahwa rancangan antena mikrostrip patch segiempat telah bekerja sesuai dengan diinginkan. Selanjutnya akan dijelaskan pergerakan sinyal yang diterima menggunakan kedua antena yaitu antena dipole dan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen. Adapun access point yang akan diambil datanya ialah access point yang berasal dari Polmed. Dengan network stumbler dapat dilihat level sinyal yang diterima baik menggunakan antena dipole maupun antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen. Adapun level sinyal yang diterima ketika menggunakan antena dipole ditunjukan oleh Gambar 4.7.

(a) (b) (c) (d) (a). Pergerakan kuat sinyal yang diterima


(e) Data-data access point yang diterima

Gambar 4.7 Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena dipole

Dari gambar 4.7 dapat dilihat level penerimaan kuat sinyal untuk access point yang berasal dari Polmed adalah -59 dBm. Level ini menunjukan bahwa penerimaan sinyal dengan menggunakan antena dipole sudah cukup baik. Selanjutnya level penerimaan kuat sinyal dengan menggunakan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ditunjukan oleh Gambar 4.8.


(a) Pergerakan kuat sinyal yang diterima

(b) Data-data access point yang diterima Gambar 4.8 Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena mikrostrip 4 elemen Dari Gambar 4.8 dapat dilihat level penerimaan kuat sinyal adalah -55 dBm. Nilai pada level ini memperlihatkan bahwa penerimaan sinyal meningkat menjadi lebih baik. Setelah mendapat nilai level penerimaan sinyal dari kedua antena diatas maka gain antena dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.13. 𝐺𝑎(𝑑𝐵) = 𝑎(𝑑𝐵𝑚) −

(𝑑𝐵𝑚) + 𝐺 (𝑑𝐵𝑖)

𝐺𝑎 (𝑑𝐵) = (−55 𝑑𝐵𝑚)— (−59 𝑑𝐵𝑚) + 4𝑑𝐵𝑖 𝐺𝑎(𝑑𝐵) = 8 𝑑𝐵𝑖 Dari persamaan diatas didapatlah besar gain dari antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array yaitu sebesar 8 dBi. Nilai ini lebih baik dibandingkan dengan nilai hasil simulasi yaitu sebesar 7,38 dBi, hal ini dapat saja disebabkan faktor lingkungan, proses pengcetakan atau fabrikasi antena mikrostrip ini. Namun dari nilai ini menunjukan bahwa antena yang dibuat ini


telah sesuai dengan yang diinginkan. 4.4

Analisa Pencapaian Spesifikasi Antena Tabel 4.1 menunjukan hasil pencapaian dari antena mikrostrip patch

segiempat 4 elemen planar array. Tabel 4.1 Pencapaian spesifikasi antena Nilai Parameter pada Antena Teori

Simulasi

Pengujian

Panjang patch

31,25 mm

26,2 mm

26,2 mm

Lebar patch

37,26 mm

37,5 mm

37,5 mm

Panjang Grounplane

112 mm

112 mm

112 mm

Lebar Grounplane

135 mm

135 mm

135 mm

Panjang saluran pencatu

23,1 mm

23,1 mm

23,1 mm

3 mm

2,7 mm

2,7 mm

31,25 mm

35 mm

35 mm

VSWR

9

1,12

-

Daya yang diterima saat pengujian

-

-

-55 dBm

12 dBi

7,38 dBi

8 dBi

Lebar saluran pencatu Jarak antar elemen

Gain

Dari Tabel 4.1 dapat diketahui bahwa antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array yang dibuat pada Tugas Akhir telah mampu memenuhi pencapaian parameter yang diinginkan. Dari pengujian, didapatlah gain sebesar 8 dBi dan nilai VSWR yang didapat dari simulasi sebesar 1,12. Namun pada awal sebelum dilakukan proses iterasi nilai VSWR yang didapat secara simulasi sebesar 10 dan nilai VSWR didapat secara teori sebesar 9 pada dasar perbedaan


nilai tersebut masih dibatas toleransi, karena ketika frekuensi 2,4 Ghz sampai 2,5 Ghz nilai VSWR yang didapat dari proses simulasi tersebut berkisar dari 9,20 sampai 11. Namun diketahui sebelumnya bahwa nilai VSWR paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1(VSWR=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah saat nilai VSWR ≤ 2. Dilatarbelakangi hal inilah proses iterasi dilakukan pada saat simulasi sehingga didapatlah nilai VSWR ≤ 2 seperti yang terlihat pada Tabel 4.1 diatas. Nilai VSWR yang didapatkan dari simulasi disebabkan perubahan yang terjadi pada besar dimensi patch, besar dimensi saluran pencatu, serta jarak antar elemen. Karena keterbatas peralatan maka tidak lakukan pengujian VSWR yang didapatkan dari antena mikrostrip yang telah difabrikasi.


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1

Kesimpulan Pada Tugas akhir ini telah dirancang antena mikrostrip patch lingkaran 4

elemen planar array yang digunakan sebagai WLAN. Dari hasil perancangan, simulasi, dan pengujian diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array yang berkerja pada frekuensi 2,4 Ghz- 2,5 Ghz. Teknik pencatuan yang digunakan adalah teknik pencatuan proximity couple, teknik ini merupakan bagian dari teknik pencatuan tak langsung(elektomagnetic couple). 2. Pada saat pengujian gain yang didapat sebesar 8 dBi, nilai ini lebih baik dibandingkan gain yang dihasilkan pada saat simulasi yaitu sebesar 7,38 dBi. Hal ini dapat disebabkan oleh faktor lingkungan saat pengujian serta pada saat proses fabrikasi antena ini. 3. Nilai VSWR yang didapatkan setelah dilakukan proses iterasi adalah 1,12 namun nilai ini jauh berbeda dengan VSWR pada saat perhitungan secara teori yaitu sebesar 9. Nilai VSWR yang didapatkan saat simulasi diperoleh ketika dilakukannya proses iterasi pada ukuran dimensi patch, ukuran dimensi saluran pencatu, serta jarak antar elemen.


5.2

Saran Saran yang dapat penulis berikan setelah melakukan Tugas Akhir antar

lain: 1. Untuk melakukan perancangan antena mikrostrip yang lebih dari 1 elemen, terlebih dahulu harus dilakukan perancangan antena mikrostrip elemen tunggal setelah model antena ini didapat jangan dilakukan perubahan pada ukuran dimensi patch serta ukuran dimensi saluran pencatu jika membuat beberapa elemen berikutnya, dan parameter yang karakterisasi hanya jarak antar elemen saja. 2. Pada Tugas Akhir ini parameter yang dilakukan penelitian hanya gain dan VSWR,

sebaiknya

dilakukan

pengembangan

dengan

menambah

parameter-parameter lain untuk penelitian selanjutnya. 3. Sebagai bahan penelitian selanjutnya ada baiknya dilakukan perbandingan pada teknik pencatuannya.


BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT PLANAR ARRAY

Recommend Documents