BAB III PERHITUNGAN, SIMULASI DAN PERANCANGAN
3.1. Pendahuluan Perancangan antena mikrostrip yang berbentuk patch circular ring dengan metode experimental. Antena tersebut akan disimulasikan dengan mengubah beberapa parameter agar dapat sesuai dengan hasil yang diharapkan. Tahapan yang dilakukan adalah sesuai dengan diagram alir di bawah ini :
Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir
32
33
3.2. Spesifikasi Antena Dengan mengacu kepada tujuan Tugas Akhir dirancang dan disimulasikan antena mikrostrip dengan kriteria sebagai berikut :
Frekuensi Kerja
: 2.45 Ghz
VSWR
: ≤ 1.75
Impedansi saluran
: 50 Ω
Konektor
: SMA 50 Ω
Bentuk Patch
: circular ring
3.3. Pemilihan Substrat Antena mikrostrip merupakan antena patch yang diletakkan diatas substrat yang memiliki parameter tertentu. Oleh karena itu, perencanaan antena mikrostrip sangat dipengaruhi oleh parameter substrat tersebut. Parameter-parameter yang harus dipertimbangkan dalam perancangan antena mikrostrip diantaranya sebagai berikut: a. Ketebalan Dielektrik (h) Ketebalan dielektrik atau ketinggian substrat akan mempengaruhi bandwidth, faktor kualitas, dan efisiensi antena. Antena mikrostrip dengan substrat yang semakin tebal, akan memiliki bandwidth yang semakin lebar, tetapi faktor kualitas dan efisiensi semakin rendah. b. Permitivitas Substrat (εr) Permitivitas substrat akan mempengaruhi dimensi, bandwidth, faktor kualitas, dan efisiensi antena mikrostrip. Semakin besar harga permitivitas, maka akan semakin kecil dimensi antena yang dihasilkan, demikian
34
sebaliknya. Permitivitas substrat yang besar akan menghasilkan bandwidth yang lebih sempit, efisiensi yang kecil serta faktor kualitas yang besar.
Percobaan pada Tugas Akhir ini menggunakan substrat Epoxy FR-4, dengan parameter sebagai berikut : 1. Permitivitas Relatif (εr)
: 4.4
2. Ketebalan dielektrik (h)
: 1.6 mm
3. Ketebalan konduktor (t)
: 0.035 mm
Epoxy FR-4 memiliki harga Permitivitas Relatif (εr) dan ketebalan dielektrik (h) yang cukup besar, sehingga dapat diperkirakan akibat dari substrat yang tebal, bandwidth yang dihasilkan dapat lebih lebar, tetapi efisiensinya lebih rendah dan dimensi antena lebih kecil. 3.4. Perancangan Dimensi Pacth Antena Antena yang dirancang pada proyek ini adalah antena mikrostrip patch circular ring dengan frekuensi kerja 2,45 GHz. Untuk perancangan awal digunakan perhtungan antena mikrostrip dengan patch berbentuk circular ring seperti dijelaskan pada Bab 2, yaitu pada poin 2.8. Perhitungan dimensi patch antena tersebut adalah sebagai berikut:
(We W ) 3h 2 4 (We W ) 3h 2 4
(We W ) 3x1,6 x10 3 m 2 4
We 0.0024 W m
(3.1)
35
Dari persamaan 2.26 dan 2.27 diperoleh We(0) =5,75 x 10
-3
meter dan
fp=1,24 x 10 10, sehingga : We ( f ) W
0.0024 W W
(We (0) W ) [1 ( f / f p ) 2 ]
(5,75.10 3 W ) 2,45.10 9 2 [1 ( ) ] 1,24.1010
W 8,24 x10 3 m Dari nilai W diatas diperoleh nilai εre = 3,69, sehingga dipeoleh nilai jari-jari lingkaran dalam circular ring (α) adalah seagai berikut :
f nm
X nm c 2 re
2,45 x10 9
0,6773.3.10 8 2xa 3,69
a 6,9.10 3 m 6,9mm ; maka b = 15.1mm Berikut adalah rancangan patch circular ring sesuai perhitungan di atas adalah sebagai berikut :
Gambar 3.2 Model Patch Antena Circular Ring
36
3.5.
Perhitungan Saluran Pencatu Saluran pencatu yang digunakan pada Tugas Akhir ini menggunakan
mikrostrip feedline. Lebar feedline dapat dihitung dengan persamaan (2.12) dan perhitungannya sebagai berikut :
r 1 r 1 0,11 (0.23 ) 2 r 1 r
A
Z0 60
A
50 4,4 1 4,4 1 0.11 (0.23 ) 60 2 4,4 1 4,4
A 1,529856
W0 8e A 2A h e 2
W0 8e1,529856 1,6 x10 3 m e 2 x1,529856 2 W0 3,1.10 3 m
W0 3,1 mm
3.6. Penentuan Panjang Stub Antena Penentuan panjang Stub antenna dilakukan dengan mensimulasikan Antena patch circular ring degan dimensi sesuai dengan hasil perhitungan di atas ke dalam HFSS 10.
37
Gambar 3.3 Model Antena Mikrostrip Patch Circular Ring Tanpa Stub Pada HFSS
Hasil simulasi model Antena patch circular ring tanpa stub di atas diperoleh data Y= 0,016+j0,791, sehingga Z L=62.5+j1,26 dan ZL ternomalisasi adalah 1,25+j0,025. Setelah diperoleh nilai ZL ternomalisasi, nilai ZL ternomalisasi digambarkan ke dalam diagram Smith sebagai berikut :
Gambar 3.4 ZL Ternomalisasi pada Diagram Smith
38
Dari Gambar 4.3 di atas, impedasi transformasinya adalah sekitar 1-j0,22, sehingga panjang stub (Lstub,1) dapat diperhitungkan sebagai berikut : Z S jZ . tan( .L) tan(
2 .LStub,1 ) 0,22
2 .LStub,1 0,069 LStub,1 0,034 , sehingga nilai LStub,1 adalah 4,2 mm
3.7. Perencanaan Antena Menggunakan Ansoft HFSS 10
Sebelum melakukan perancangan dan pengukuran maka terlebih dahulu disimulasikan dengan HFSS 10 agar spesifikasi yang diinginkan terpenuhi. Adapun parameter yang harus diperhatikan dalam melakukan simulasi diantaranya dimensi antena, lebar feedline, dan letak matching stub. Ini merupakan model antena pada HFSS 10.
Gambar 3.5 Model Antena Mikrostrip Patch Circular Ring Pada HFSS
39
Jenis boundary yang diset pada pemodelan antena ini diantaranya adalah radiation boundary yaitu berupa box yang melingkupi seluruh objek yang digunakan sebagai batas medan jauh dari antena tersebut. Excitation yang digunakan pada model antena ini adalah lumped port yang resistancenya sebesar 50 ohm. Lumped port digambarkan dengan sebuah objek 2 dimensi yang menghubungkan antara groundplane dan mikrostrip. Feedline yang ditambah dengan Excitation ini bila sama halnya ditambah beban 50 ohm pada realnya
Gambar 3.6 Jenis Boundary Antena Mikrostrip Patch Circular Ring Pada HFSS
Gambar 3.7 Excitation Pada Antena Mikrostrip Patch Circular Ring
4.7.1. Penentuan Letak Stub Penentuan letak stub antena dilakukan dengan menggeser letak stub pada simulasi Antena mikrostrip patch circular ring di HFSS 10. Adapun datanya ditunjukan pada tabel 3.1.
40
Tabel 3.1 Jarak Sub Antena Mikrostrip Patch Circular Ring
Jarak Stub (dstub) dari
Return Loss pada
Frekuensi Titik
Titik Tengah
Titik Terendah
Terendah
15.5 mm
-17.20 dB
2,35 GHz
16 mm
-10,26 dB
2,37 GHz
16.5 mm
-11,95 dB
2,37 GHz
17.3 mm
-18,21 dB
2,37 GHz
Gambar
Substrat
41
Sesuai dengan tabel di atas diperoleh untuk jarak stub (dStub) = 17,3 mm, nilai frekuensi terendah yang ditunjukan adalah 2,37 GHz, maka dilakukan penyesuaian dimensi antenna mikrostrip patch circular ring , yaitu dimensi antenna harus sedikit dikerkecil dengan merubah-ubah ukuran jari-jari inner atau outer ring pada simulator Ansoft HFSS 10. Dalam perancangan ini, penulis merubah-ubah nilai jari-jari outer ring untuk memperoleh antenna dengan frekuensi resonansi yang diinginkan (2,45GHz). Penulis menggunakan nilai dStub sebesar 17,3mm dan nilai yang diubah ubah adalah nilai jari-jari dalam ring (b). Adapun tabelnya dapat dilihat pada tabel 3.2.
Tabel 3.2 Nilai Return Loss Terhadap Perubahan Nilai Jari-Jari Outer Ring (b)
b (mm)
VSWR pada F=2,45GHz
15,1
4,73
14,8
3,08
Return Loss
Keterangan Titik terendah berada pada frekuensi 2,37GHz dengan nilai return loss sebesar -18,21 dB. Sedangkan pada frekunsi 2,45 GHz, nilai return loss yang ditujukan adalah 3.66 dB. Titik terendah berada pada frekuensi 2,40 GHz dengan nilai return loss sebesar -14,31 dB. Sedangkan pada frekunsi 2,45 GHz, nilai return loss yang ditujukan adalah 5,86 dB.
42
14,4
2,39
14,1
1,14
13,9
1,33
13,6
1,99
Titik terendah berada pada frekuensi 2,44 GHz dengan nilai return loss sebesar -17,79 dB. Sedangkan pada frekunsi 2,45 GHz, nilai return loss yang ditujukan adalah 15,54 dB. Titik terendah berada pada frekuensi 2,44 GHz dengan nilai return loss sebesar -24,63 dB. Sedangkan pada frekunsi 2,45 GHz, nilai return loss yang ditujukan adalah 23,51 dB. Titik terendah berada pada frekuensi 2,47 GHz dengan nilai return loss sebesar -22,02 dB. Sedangkan pada frekunsi 2,45 GHz, nilai return loss yang ditujukan adalah 15,30 dB. Titik terendah berada pada frekuensi 2,50 GHz dengan nilai return loss sebesar -18,53 dB. Sedangkan pada frekunsi 2,45 GHz, nilai return loss yang ditujukan adalah 8,34 dB.
Tabel 3.2 menunjukan perubahan nilai return loss pada frekuesi 2,45 GHz terhadap perubahan nilai outer ring antenna mikrostrip patch circular ring. Pada tabel 3.2, dapat dilihat bahwa dengan perubahan nilai outer ring (b) menjadi 14,1
43
mm, nilai return loss pada frekuensi 2,45 GHz menjadi lebih baik, yaitu -23,51 dB dan nilai VSWR adalah 1,14. Dari hasil perhitungan dan percobaan dengan simulator Ansoft HFSS v.10 di atas, maka diperoleh dimensi antenna yang akan dibuat adalah sebagai berikut : Inner ring (a)
: 6,9 mm
Outer ring (b)
: 14,1 mm
Panjang Stub (LStub)
: 4,2 mm
Jarak Stub (dStub)
: 17.3 mm
Lebar feedline (Wo)
: 3,1 mm
Setelah dilakukan simulasi dan diperoleh ukuran dimensi antenna patch circular ring, maka prototype antenna mikrostrip patch circular ring dapat dibuat. Ukuran prototype sesuai dengan yang telah disimulasikan. Antenna ini menggunakan konektor SMA 50 Ohm. Berikut adalah prototype antenna mikrostrip patch circular ring :
Gambar 3.8 Prototype Antena Mikrostrip Patch Circular Ring
