BAB IV Perancangan Dan Realisasi Antena Horn
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi doubleridged horn antena tanpa adanya aperture horn secara horisontal. Mulai dari perhitungan frekuensi, perancangan ukuran, dan desain antena horn. Sesuai dengan spesifikasi antena yang telah dibahas pada Bab 3. Pada perancangan DRH ini akan mengacu pada teori dan perhitungan di bab 2, kemudian dari teori tersebut akan didapat sebuah rancangan dan dimensi dari antena yang akan dibuat. Kemudian dari desain tersebut akan disimulasikan menggunakan Wipl-D untuk mendapatkan gambaran nilai besaran-besaran dari antena yang akan dibuat. Pada tahap akhir akan dilakukan fabrikasi rancangan antena, selanjutnya akan dilakukan pengukuran. 4.1
Perancangan Antena Horn Pada awal perancangan untuk langkah yang pertama kali dilakukan
adalah perhitungan ukuran dan dimensi waveguide yang akan digunakan sesuai frekuensi yang diinginkan pada pembahasan di Bab 3 yaitu x-band dengan rentang frekuensi 8 GHz - 12 GHz. 4.1.1
Perhitungan Ukuran Waveguide Pada perancangan antena ini digunakan frekuensi x-band dengan ukuran
standard size of rectangular waveguide.[6] 35
36
Yaitu a x b dengan ukuran a=2,286 cm dan b=1,016 cm. Untuk perhitungan frekuensi yang bisa digunakan sebagai berikut. Penulis menganalisa dengan mengamati frekuensi cut-off dari masing-masing modes pada waveguide segi empat, mode gelombang H dan gelombang E. Dengan menggunakan rumus.
Perhitungan dengan mode H10 akan memiliki frekuensi cut-off
Berikut table perhitungan beberapa mode dengan frekuensi cut-off nya. Tabel 4.1 Perhitungan Frekuensi cut-off dengan beberapa mode Mode
m
n
fc (GHz)
H
1
0
6, 562
H
2
0
13, 123
H
0
1
14, 764
H, E
1
1
16, 156
H, E
1
2
30, 248
H, E
2
1
19, 753
Hasil pengukuran frekuensi cut-off pada Tabel 4.1 dapat disimpulkan bahwa, frekuensi yang baik digunakan 6, 562 Ghz < f < 13, 123 GHz. Apabila
37
menggunakan frekuensi dibawah 6, 562 GHz sinyal tidak akan merambat pada waveguide dikarenakan perhitungan cut-off dengan mode terendah H10 adalah 6,562 GHz. Begitupun dengan batasan frekuensi atas 13, 123 Ghz, apabila melebihi frekuensi tersebut transmisi akan berlangsung secara overmoded, karena lebih dari satu mode secara umum dihindari, yang dapat menyebabkan penyebaran daya pada masing-masing mode.
4.1.2
Perhitungan Besaran Antena Pada pembahasan perhitungan besaran antena DRH seperti faktor refleksi
atau return loss, gain, diagram radiasi dan VSWR dihitung menggunakan software wipl-d dengan
melakukan perubahan ukuran dan bentuk dari bagian antena
sendiri. Return loss yang diinginkan pada rancangan DRH ini adalah < -10dB pada rentang frekuensi x-band yang diinginkan. Serta nilai gain sebesar maksimal 13 dBi, dengan menambah ukuran panjang aperture horn maka akan didapatkan gain yang lebih besar. Diagram radiasi dilakukan dengan pengamatan dari frekuensi kerja yang diinginkan dan derajat kemiringannya memiliki nilai gain yang berbeda-beda. Selanjutnya akan dibahas secara detail pada subbab 4.2.
4.2
Simulasi Hasil Rancangan Double-Ridged Horn Pada perancangan awal dengan menentukan panjang dari waveguide
antena berdasarkan pengukuran faktor refleksi yang terbaik. Dari lima ukuran
38
panjang didapatkan dengan panjang 18 mm yang memiliki faktor refleksi paling kecil dari frekuensi kerja x-band. Tabel 4.2 Ukuran panjang waveguide No
Ukuran Panjang Waveguide
1
16 mm
2
18 mm
3
20 mm
4
24 mm
5
30 mm
6 Cm
1,8 Cm
1,016 Cm
3 Cm
Gambar 4.1 Rancangan DRH tampak samping pada wipl-d
39
Gambar 4.2 Perbandingan return loss ukuran panjang waveguide Setelah dilakukan penentuan panjang waveguide didapatkan ukuran 18 mm, selanjutnya dilakukan simulasi dengan beberapa model horn yang diubah-ubah bentuknya untuk mendapatkan nilai faktor refleksi yang terbaik pada middle frequency 10GHz. Tabel 4.3 Bentuk simulasi antena horn No
Model Antena
Return loss pada mid Freq (10GHz)
1
Horn Standard
- 15,07 dB
2
Horn tanpa sisi aperture horisontal
-16,3 dB
3
DRH tanpa sisi aperture horisontal
-26,1 dB
40
(a)
(b)
(c) Gambar 4.3 Tipe antena horn standar(a), Tanpa sisi aperture (b), DRH (c)
Gambar 4.4 Perbandingan return loss 3 type antena
41
Dari hasil yang didapatkan dengan simulasi 3 jenis antena horn nilai return loss terbaik pada frekuensi tengah 10GHz adalah DRH tanpa sisi aperture horisontal. Adapun nilai VSWR untuk DRH tersebut < 2 dari frekuensi kerja x-band.
Gambar 4.5 VSWR DRH antena tanpa sisi aperture horisontal Setelah hasil return loss didapatkan dengan nilai -26,1dB menggunakan DRH antena, tahap selanjutnya pengukuran dan penentuan tinggi kawat feeding yang akan dipasang pada waveguide.
1,8 Cm
0,328 Cm
0,328 Cm 1,016 Cm 0.68cm
1,13 Cm
Diameter Kawat feeding 0.14cm
Gambar 4.6 Rancangan ukuran waveguide DRH
42
Gambar 4.7 Perbandingan tinggi kawat feeding terhadap return loss Hasil simulasi didapatkan ukuran tinggi terbaik pada 6,8 mm. Setelah dilakukan pengukuran tinggi kawat selanjutnya dilakukan simulasi perbandingan gain antara 3 tipe antena horn yang berbeda-beda.
Gambar 4.8 Perbandingan gain 3 type antena
43
Pada pengukuran diagram radiasi antena DRH diukur dengan nilai sudut dari 00 sampai dengan 3600 , dari contoh frekuensi yang di ambil adalah 10,14 Ghz seperti gambar dibawah ini.
Gambar 4.9 Diagram radiasi DRH pada middle frekuensi (10 gHz)
Gambar 4.10 Diagram radiasi DRH pada secara kartesian
44
Berikut didapatkan ukuran detail dari simulasi DRH antena pada aplikasi wipl-d
6 Cm
1,8 Cm
3 Cm
2,286 Cm
Gambar 4.11 Rancangan DRH tampak atas pada wipl-d
3 Cm
1.2 Cm
0.6 Cm 0.6 Cm 0.6 Cm
6 Cm 0.6 Cm 0.6 Cm 0.6 Cm 0.6 Cm 0.6 Cm
Gambar 4.12 Rancangan ridged DRH pada wipl-d
45
Gambar 4.13 DRH antena full pada wipl-d 4.3
Fabrikasi Double-Ridged Horn Tahap selanjutnya setelah mendapatkan hasil simulasi dan optimasi
ukuran dan besaran nilai antena adalah fabrikasi. Untuk bahan yang akan digunakan adalah bahan metal dengan jenis stainless steel . Fabrikasi ini dilakukan pada salah satu jasa bubut untuk mendapatkan hasil yang presisi sesuai ukuran yang diinginkan. Pembuatan antenan ini dilakukan beberapa tahap, yaitu : 1.
Pembuatan lempengan ridged dan lempengan sisi aperture horn secara terpisah.
2.
Pembuatan waveguide dengan sisi permukaan yang mimiliki 4 lubang, dilubang tersebut digunakan untuk perekat antara waveguide dan sisi aperture dengan baut dan mur.
3.
Pembuatan lubang pada waveguide untuk feeding dengan ukuran 4 mm.
46
Berikut hasil dari fabrikasi antena dari sisi atas dan samping.
Gambar 4.14 DRH Antena fabrikasi dari sisi atas
Gambar 4.15 DRH Antena fabrikasi dari sisi samping
4.4
Pengukuran dan Analisa Double-Ridged Horn Pada bagian akhir penelitian ini adalah pengukuran besaran-besaram
penting antena yang telah dibuat. Parameter yang diukur disini adalah return loss, diagram radiasi, dan gain. Pengukuran besaran tersebut dilakukan dengan
47
menggunakan Vektor Network Analyzer (VNA) dengan frekuensi kerja 6GHz12GHz. Return loss merupakan besaran daya pantul yang disebabkan oleh ketidak sesuaian impedansi input dengan saluran transmisi. Besarnya parameter return loss bergantung pada perbandingan antara tegangan yang dipantulkan dengan tegangan yang masuk. Semakin besar return loss, maka koefisien pantul yang dihasilkan semakin kecil. Nilai koefisien pantul yang semakin kecil akan menghasilkan VSWR yang semakin kecil pula dan menunjukan saluran yang mendekati sepadan (matching). Diagram radiasi merupakan parameter yang sangat penting dalam sebuah antena. Karena distribusi energi yang dipancarkan oleh antena ke ruang bebas dan menentukan jangkauan dari antena itu sendiri.
4.4.1
Data Hasil Pengukuran Dari pengukuran yang sudah dilakukan dari DRH antena yang dibuat.
Diperoleh data hasil pengukuran sebagai berikut.
Gambar 4.16 Return loss hasil pengukuran dalam besaran logaritma (dB)
48
Nilai return loss yang cukup baik dengan frekuensi kerja dimana nilai return loss < -10 (dB) yaitu 6,4 gHz sampai dengan 9 gHz. Nilai VSWR ≤ 2 dengan frekuensi kerja 6,3 gHz - 9 gHz.
Gambar 4.17 VSWR hasil pengukuran DRH antena Hasil pengukuran Diagram Antena (S21) menggunakan antena kedua berjenis horn standar dari pengukuran beberapa sudut sepeti tabel dibawah ini. Tabel 4.4 Diagram Radiasi antena S21 dengan beberapa sudut pengukuran Gain perbandingan dengan Antena horn (S21) No
Sudut pada Frekuensi 8 Ghz
1
00
-24 dB
2
450 horisontal
-27 dB
3
900 horinsontal
-41 dB
4
450 vertikal
-28 dB
5
900 vertikal
-37 dB
6
1800
-47 dB
49
Gambar 4.18 Diagran antena (S21) 0 derajat
Gambar 4.19 Diagran antena (S21) 45 derajat Horisontal
50
Gambar 4.20 Diagran antena (S21) 90 Derajat Horisontal
Gambar 4.21 Diagran antena (S21) 45 derajat vertikal
51
Gambar 4.22 Diagran antena (S21) 90 derajat vertikal
Gambar 4.23 Diagran antena (S21) 180 derajat
52
Pengukuran gain pada antena memiliki cara yang paling sederhana dengan metode dua antena. Dalam pengukuran ini digunakan dua antena yang memiliki nilai standard gain pada salah satu antena terebut. Antena yang sudah memiliki standar yang digunakan dipole ukuran 4 cm dengan nilai gain 1,5 dBi. (a)
(b)
Gambar 4.24 Pengukuran gain antena DRH perbandingan dengan antena horn (a) dan dipole (b) Dari hasil pengukuran dilakukan pada contoh frekuensi 8 Ghz, hasil tersebut didapatkan nilai ukuran daya S21 dengan antena horn sebesar -26 dB dan hasil pengukuran nilai daya S21 dengan antena dipole sebesar -38 dB. Hasil kedua nilai daya memiliki selisih sebesar 12 dB lalu dikurangi dengan nilai standard gain pada dipole 1,5 dB menjadi 10,5 dB. Jadi gain antena horn yang dibuat pada frekuensi 8Ghz memiliki nilai gain sebesar 10,5 dB.
4.4.2
Analisa Hasil Pengukuran Berdasarkan hasil pengukuran antena yang sudah dibuat, didapatkan nilai
return loss < -10 dB pada frekuensi kerja 6,3 GHz - 9 GHz. Nilai ini memiliki perbedaan dari hasil simulasi sebelumnya yang dilakukan. Hal ini dikarenakan
53
adanya perbedaan ukuran waveguide antena yang lebih besar beberapa mili meter pada saat proses fabrikasi, sehingga nilai return loss yang diinginkan bergeser frekuensi kerjanya dari 8GHz - 12GHz menjadi 6,3 GHz - 9 GHz. Tabel 4.5 Perbandingan hasil faktor S11 hasil simulasi dengan Fabrikasi
Range Frequency (S11 ≤ -10dB) Faktor S11 ( middle Freq. 10 gHz)
Hasil Simulasi
Hasil Fabrikasi
8 - 12 gHz
6,3 - 9 gHz
-26,1 dB
-8 dB
Nilai gain yang didapatkan dari hasil simulasi 3 tipe antena yang berbeda, gain yang memiliki nilai terbesar adalah tipe antena horn standard yang memiliki 4 sisi aperture yang lengkap. Dan semakin panjang ukuran aperture maka akan didapatkan nilai gain yang lebih besar begitu pula semakin tinggi frekuensi yang digunakan maka nilai gain akan semakin besar.
