DESAIN DAN IMPLEMENTASI ANTENA SUSUN PLANAR EMPAT ELEMEN MIKROSTRIP LINGKARAN DENGAN TEKNIK PENCATUAN PROXIMITY COUPLING
Design And Implementation Of Four Element Circular Microstrip Plannar Array Antenna With Proximity Coupling Technique
TUGAS AKHIR
untuk memenuhi sebagian persyaratan menyelesaikan pendidikan Diploma IV
Program Diploma IV Teknik Telekomunikasi Wireless Jurusan Teknik Elektro
diajukan oleh: NOVELITA RAHAYU 08334018
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
iii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Nama : Novelita Rahayu NIM : 08334018
Tempat/Tanggal lahir
: Cirebon, 20 November 1990
SD lulus tahun SLTP lulus tahun SLTA lulus tahun
: 2002 di SD Kartika III-5 Kota Cirebon : 2005 di SMP Negeri 5 Kota Cirebon : 2008 di SMA Negeri 1 Kota Cirebon
Prestasi yang pernah dicapai: 1. Menjadi Sekretaris MPH HIMATEL periode 2010-2012. 2. Sebagai peserta dalam English Debate Contest for Senior High School sewilayah Kota Cirebon Tahun 2006. 3. Sebagai peserta dalam English Debate Contest for Junior High School sewilayah Kota Cirebon Tahun 2004. 4. Menjuarai kompetisi Story Telling Contest for Junior High School sewilayah Kota Cirebon Tahun 2004. 5. Sebagai peserta dalam Pergelaran Seni Tari Topeng tingkat Sekolah Dasar sewilayah Kota Cirebon Tahun 2000.
iv
“ Mαkα πikmατ Τμhαπ kαmμ yαπg mαπαkαh yαπg kαmμ dμsταkαπ?” (Q.S. Αr-Rαhmαπ : 21)
“ Dεmi mαsα. Sεsμπggμhπyα mαπμsiα iτμ bεπαr-bεπαr dαlαm kεrμgiαπ, kεcμαli οrαπg-οrαπg yαπg bεrimαπ dαπ mεπgεrjαkαπ αmαl shαlεh dαπ παsihατ mεπαsihατi sμραyα mεπαατi kεbεπαrαπ dαπ παsihατ mεπαsihατi sμραyα mεπεταρi kεsαbαrαπ.” (Q.S. Αl-Αshr : 1-3)
Kμρεrsεmbαhkαπ kαryαkμ iπi kεραdα οrαπg – οrαπg yαπg ραliπg kμciπταi. . . Αyαhαπdα Yμsmαr Ilyαs Ibμπdα Rαhmiατi Udα Τiτο Yμsmαr & Mbα Fαridhα Nαhαr Αdiαk Mαrτiπ & Αdiαk Εlzα Chαεrμππisα
v
KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmaanirrahiim.
Alhamdulillah, segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah
atas nikmat dan karunia-NYA, sehingga laporan tugas akhir ini dapat SWT
diselesaikan dengan baik. Salawat serta salam tak lupa tercurahkan kepada Rasulullah SAW beserta para sahabat dan keluarganya, dan semoga juga terlimpah pada kita umatnya.
Laporan tugas akhir ini berisi sekumpulan kegiatan tugas akhir yang
penulis lakukan selama rentan waktu 1 Februari 2012 – 30 Juni 2012 di
Laboratorium Saluran Transmisi dan Frekuensi Tinggi Politeknik Negeri Bandung. Selama proses pengerjaan tugas akhir hingga penyusunan laporan kerja praktek ini, penulis mendapat banyak bantuan, saran, semangat dan motivasi dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1.
Ayahanda Yusmar Ilyas dan Ibunda Rahmiati yang tiada putus-putusnya mendoakan, memberikan dukungan moril dan materil untuk keberhasilan penulis.
2.
Uda Tito Yusmar, Mbak Faridha Nahar, dan Adiak Martin yang selalu memberikan dukungan moril kepada penulis selama menjalakan kegiatan tugas akhirnya.
3.
Adiak Elza Chaerunnisa yang selalu memberikan dukungan moril kepada penulis hingga kami bersama-sama menjalakan kegiatan tugas akhir.
4.
Ibu Hepi Ludiyati, S.T., M.T., selaku pembimbing tugas akhir yang dengan sabar dan tidak bosan-bosannya memberikan nasehat serta bimbingan, baik secara teknis maupun spirituil kepada penulis.
5.
Bapak Enceng Sulaeman, S.T., M.T., selaku wali kelas yang telah berkenan meluangkan waktunya dalam memberikan nasehat selama mengerjakan tugas akhir, baik secara teknis maupun spirituil kepada penulis.
vi
6.
Panitia Tugas Akhir 2012 atas segala perhatiannya, khususnya kepada Bapak Ir. Hertog Nugroho, M.Sc., Ph.D., Bapak Malayusfi, BSEE, M.Eng., dan Bapak Mohammad Farid Susanto, S.T. yang telah membantu
penulis dalam memberikan masukan-masukan positive terhadap tugas
akhir yang dikerjakan penulis.
7.
Ketua Laboratorium Saluran Transmisi dan Frekuensi Tinggi, yang telah memberikan ijin kepada penulis untuk melakukan pengerjaan dan
pengukuran antena di Laboratorium Saluran Transmisi dan Frekuensi
Tinggi.
8.
Bapak Sutrisno, BSEE, M.T., Bapak Asep Barnas Simanjuntak, BSEE, M.T., dan Ibu Ir. Elisma M.T. yang telah berkenan meluangkan waktunya
untuk menjadi penguji dan atas masukan beserta koreksinya selama siding tugas akhir. 9.
Rekan-rekan di Laboratorium Telkoma LIPI Bandung (Lembaga Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bandung) atas segala bantuan dan perhatiannya, khususnya kepada Bapak Asep dan Bapak Agus.
10. Uda Razaq Adya Kusuma dan Uni Andini Ramikasari, yang telah menjadi kakak-kakak yang kompak dan selalu memberikan dukungan moril kepada penulis. 11. Rekan-rekan program studi D4 Teknik Telekomunikasi Nirkabel 2008 beserta alumni program studi D3 Teknik Telekomunikasi 2008 yang terus memberikan bantuan moril selama penulis menjalankan kegiatan tugas akhirnya. 12. Rekan-rekan program studi D3 Teknik Telekomunikasi 2009 yang terus memberikan bantuan moril selama penulis menjalankan kegiatan tugas akhirnya. 13. Semua pihak yang tidak dapat dituliskan pada lembaran-lembaran ini.
Semoga laporan tugas akhir ini bermanfaat khususnya bagi penulis dan umumnya bagi kita. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan demi penyempurnaan laporan di masa yang akan datang.
vii
Jazaakumullah khairan katsiira atas bantuan-bantuan yang telah
diberikan. Semoga Allah SWT membalasnya dengan yang lebih baik. Aamiin..
Bandung, Juli 2012
Penulis
viii
Abstrak
Pada tugas akhir ini, penulis merancang dan merealisasikan antena susun planar empat elemen mikrostrip lingkaran dengan teknik pencatuan proximity coupling. Antena mikrostrip ini ditujukan untuk memenuhi kebutuhan antena mikrostrip yang mampu bekerja pada frekuensi 3,3 – 3,5 GHz dengan bandwidth lebih besar dari 100 MHz. Antena mikrostrip ini dirancang untuk bekerja pada kondisi impedansi match sebesar 50Ω. Hasil pengukuran untuk batas frekuensi yang didapatkan pada VSWR sebesar 1,5 adalah 3,606 - 3,720 GHz dengan frekuensi tengah yang didapat sebesar 3,655 GHz pada VSWR sebesar 1,081. Sedangkan untuk gain yang didapatkan sebesar 3,12 dBi.
Kata Kunci : Antena Mikrostrip, Susun Planar, Antena Mikrostrip Lingkaran, Teknik Pencatuan Proximity Coupling
Abstract At this final project, the writer is designing and realizing of four element circular microstrip plannar array antenna with proximity coupling technique. This microstrip antenna is designed to fulfill antenna microstrip’s needs at range frequency of 3,3 – 3,5 GHz with its bandwidth is wider than 100 MHz. This microstrip antenna is designed to work in conditions of 50Ω impedance match. At the end of measurement, the range frequency which can be handled at VSWR 1,5 is at 3,606 GHz-3,720 GHz with middle frequency is at 3,655 GHz in VSWR 1,081. Meanwhile, the gain which can be handled is at 3,12 dBi. Keywords : Microstrip Antenna, Plannar Array, Circular Microstrip Antenna, Proximity Coupling Technique
ix
DAFTAR ISI
DAFTAR RIWAYAT HIDUP ................................................................................ iv LEMBAR PERSEMBAHAN .................................................................................. v
KATA PENGANTAR .............................................................................................. vi
ABSTRAK ................................................................................................................ ix
DAFTAR ISI.............................................................................................................. x
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xiii DAFTAR TABEL ..................................................................................................... xv DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................. xvi
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN ................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang Masalah ............................................................... 1
1.2
Perumusan Masalah ...................................................................... 2
1.3
Pemecahan Masalah ...................................................................... 3
1.4
Tujuan Tugas Akhir ...................................................................... 3
1.5
Batasan Masalah ........................................................................... 3
1.6
Manfaat yang diharapkan ..............................................................4
TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI .......................... 7 2.1
Pendahuluan .................................................................................. 7
2.2
Tinjauan Pustaka ........................................................................... 9
2.3
Teori Antena Mikrostrip Lingkaran .............................................. 10 2.3.1 . Desain Antena Mikrostrip Lingkaran .................................11 2.3.2 Frekuensi Resonansi ...........................................................11 2.3.3 Pola Radiasi ........................................................................ 12
2.4 ... Saluran Transmisi Mikrostrip ....................................................... 13 2.5
Teknik Susunan Antena Mikrostrip .............................................. 16 2.5.1 Konsep Dasar Susunan ....................................................... 16 2.5.1.1 Susunan Dua Antena Isotropik untuk Berbagai Kasus ................................................................... 16 2.5.1.2
Prinsip Perkalian Diagram dan Sintesa pada Susunan Antena Sejenis ...................................... 24
2.5.2 Susunan Linear dan Sumber Titik Isotropis ...................... 25
x
2.5.1.1 Distribusi Arus Uniform ..................................... 25
BAB III
2.6
Teori Susunan Planar .................................................................... 28
2.7
Teknik Pencatuan Proximity Coupling ......................................... 28
DESAIN DAN IMPLEMENTASI ....................................................... 32 3.1
Pendahuluan .................................................................................. 32
3.2
Penentuan Spesifikasi Antena Mikrosrip ...................................... 33
3.3
Pemilihan Bahan Dielektrik/Substrat ............................................34
3.4
Perancangan Dimensi Antena Mikrostrip Tunggal ...................... 35
3.4.1 Dimensi Patch .................................................................... 35
3.4.2 Dimensi Pencatuan Proximity Coupling ............................ 38
3.4.3 Dimensi Ground Plane ...................................................... 39 3.4.4 Dimensi Substrat ................................................................ 39 3.4.5 Hasil Perancangan Antena Mikrostrip Tunggal ................. 40 3.5 Hasil Simulasi Perancangan Dimensi Antena Mikrostrip Tunggal ......................................................................................... 41 3.5.1 Return Loss Antena Mikrostrip Tunggal ............................42 3.5.2 VSWR Antena Mikrostrip Tunggal ................................... 43 3.5.3 Impedansi ........................................................................... 44 3.5.4 Pola Radiasi Antena Mikrostrip Tunggal ........................... 44 3.6
Hasil Simulasi Perancangan Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran pada CST Microwave Studio Suite ............45 3.6.1 Return Loss Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran ........................................................................... 48 3.6.2 VSWR Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran ........................................................................... 49 3.6.3 Impedansi ........................................................................... 50 3.6.4 Pola Radiasi Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran ........................................................................... 51
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 54 4.1
Pendahuluan .................................................................................. 54
4.2
Persiapan dan Prosedur Pengukuran Antena Mikrostrip .............. 54
xi
4.3
Hasil Pengukuran .......................................................................... 55 4.2.1 VSWR dan Bandwidth........................................................ 56
4.2.2 Return Loss .........................................................................57 4.2.3 Impedansi ........................................................................... 59
4.4
Pengukuran Pola Radiasi .............................................................. 60 4.4.1 Peralatan yang digunakan .................................................. 60
4.4.2 Prosedur Pengukuran Pola Radiasi .................................... 61
4.4.3 Hasil Pengukuran Pola Radiasi .......................................... 61
4.5
Pengukuran Gain .......................................................................... 63 4.5.1 Peralatan yang digunakan .................................................. 63
4.5.2 Prosedur Pengukuran Gain ................................................ 63
4.5.3 Hasil Pengukuran Gain ...................................................... 65 4.6
Analisa Hasil Pengukuran VSWR, Bandwidth, Return Loss, dan Impedansi ............................................................................... 66 4.6.1 Analisa Hasil Pengukuran (VSWR) dan Bandwidth .......... 66 4.6.2 Analisa Hasil Pengukuran Return Loss .............................. 67 4.6.3 Analisa Hasil Pengukuran Impedansi ................................ 67 4.6.4 Analisa Hasil Pengukuran Gain ......................................... 68
BAB V
PENUTUP............................................................................................... 71 5.1
Kesimpulan ................................................................................... 71
5.2
Saran ............................................................................................. 72
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 75 LAMPIRAN
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Antena Mikrostrip ................................................................................... 7 Gambar 2. Bentuk-bentuk Lapisan Peradiasi/Patch Antena Mikrostrip ................... 8 Gambar 3. Geometri dari Antena Mikrostrip Lingkaran .......................................... 11
Gambar 4. Pola Medan Listrik pada Saluran Mikrostrip .......................................... 14 Gambar 5. Susunan Dua Antena Isotropik untuk Berbagai Kasus ........................... 17 Gambar 6. Susunan Isotropik untuk Amplituda dan Fasa Sama ............................... 18 Gambar 7. Medan Maksimum dan Minimum untuk Amplituda dan Fasa Sama ......18
Gambar 8. Diagram Arah Medan untuk Amplituda dan Fasa Sama .........................19
Gambar 9. Diagram Fasa untuk Amplituda dan Fasa Sama...................................... 19 Gambar 10. Diagram Arah Medan untuk Amplituda dan Fasa Sama .......................20 Gambar 11. Diagram Arah Fasa untuk Amplituda dan Fasa Sama .......................... 20 Gambar 12. Diagram Arah Medan untuk Amplituda Sama, Beda Fasa 180º ........... 22 Gambar 13. Diagram Arah Medan
...................................................................... 23
Gambar 14. Diagram Arah Medan
...................................................................... 23
Gambar 15. Diagram Arah Medan Susunan Isotropik Amplitudo Berbeda, Beda Fasa=δ ....................................................................................................................... 24 Gambar 16. Distribusi Arus Uniform ........................................................................ 25 Gambar 17. Grafik Faktor Susunan Dan Pola Medan ...............................................27 Gambar 18. Geometri Linear dan Planar Array ........................................................ 28 Gambar 19. Antena Mikrostrip dengan Teknik Pencatuan Proximity Coupling ..... 29 Gambar 20. Diagram Alir Realisasi Alat .................................................................. 33 Gambar 21. Dimensi Antena Mikrostrip Tunggal (Lapisan Atas) ............................ 40 Gambar 22. Dimensi Antena Mikrostrip Tunggal (Lapisan Bawah) ........................ 40 Gambar 23. Simulasi Dimensi Antena Mikrostrip Tunggal di CST Microwave ...... 41 Gambar 24. Return Loss untuk Antena Mikrostrip Tunggal .....................................42 Gambar 25. VSWR untuk Antena Mikrostrip Tunggal ............................................ 43 Gambar 26. Impedansi Antena Mikrostrip Tunggal ................................................. 44 Gambar 27. Pola Radiasi 3D untuk Antena Mikrostrip Tunggal .............................. 44 Gambar 28. Pola Radiasi Polar untuk Antena Mikrostrip Tunggal .......................... 45
xiii
Gambar 29. Dimensi Antena Susun Planar Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran
(Lapisan Atas) ........................................................................................................... 46
Gambar 30. Dimensi Antena Susun Planar Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran (Lapisan Bawah) ....................................................................................................... 46 Gambar 31. Simulasi Dimensi Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran
di CST Microwave Studio Suite ................................................................................ 47 Gambar 32. Return Loss untuk Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran .................................................................................................................. 48 Gambar 33. VSWR untuk Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran ..... 49
Gambar 34. Impedansi Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran ........... 50
Gambar 35. Pola Radiasi 3D untuk Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran .................................................................................................................. 51 Gambar 36. Pola Radiasi Polar untuk Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran .................................................................................................................. 51 Gambar 37. Set Up Pengukuran ................................................................................ 55 Gambar 38. Respon VSWR fungsi frekuensi ........................................................... 56 Gambar 39. Respon Return Loss fungsi frekuensi .................................................... 58 Gambar 40. Hasil Pengukuran Impedansi ................................................................. 59 Gambar 41. Pola Radiasi H-Plane ............................................................................. 62 Gambar 42. Pola Radiasi E-Plane ............................................................................. 62 Gambar 43. Set Up Pengukuran Gain Antena DUT ................................................. 64 Gambar 44. Set Up Pengukuran Gain Antena Referensi .......................................... 64
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Keunggulan dan Kelemahan Antena Mikrostrip ........................................ 8 Tabel 2. Hasil Perancangan Dimensi Antena Mikrostrip Tunggal ........................... 40 Tabel 3. Perbandingan antara Hasil Perancangan dan Hasil Simulasi ...................... 41
Tabel 4. Delta Frekuensi untuk Return Loss = 13 dB ............................................... 42 Tabel 5. Delta Frekuensi untuk Return Loss = 10 dB ............................................... 42 Tabel 6. Delta Frekuensi untuk VSWR sebesar 1,5 .................................................. 43 7. Delta Frekuensi untuk VSWR sebesar 2 ..................................................... 43 Tabel
Tabel 8. Impedansi Antena Mikrostrip Tunggal ....................................................... 44
Tabel 9. Hasil Perancangan Dimensi Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran .................................................................................................................. 45 Tabel 10. Perbandingan antara Hasil Perancangan dan Hasil Simulasi .................... 47 Tabel 11. Delta Frekuensi untuk Return Loss = 13 dB ............................................. 48 Tabel 12. Delta Frekuensi untuk Return Loss = 10 dB ............................................. 49 Tabel 13 Delta Frekuensi untuk VSWR sebesar 1,5 ................................................. 49 Tabel 14. Delta Frekuensi untuk VSWR sebesar 2 ................................................... 50 Tabel 15. Impedansi Antena Susun Empat Elemen Mikrostrip Lingkaran .............. 50 Tabel 16. Hasil pengukuran VSWR pada frekuensi bawah, tengah dan atas ........... 56 Tabel 17. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran VSWR ............................. 57 Tabel 18. Hasil pengukuran Return Loss pada frekuensi bawah, tengah dan atas ....58 Tabel 19. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Return Loss ..................... 59 Tabel 20. Hasil pengukuran Impedansi ..................................................................... 60 Tabel 21. Hasil Pengukuran Level Daya Penerima dan Referensi ........................... 60 Tabel 22. Perbandingan VSWR antara Spesifikasi, Simulasi dan Pengukuran ........ 65 Tabel 23. Perbandingan Return Loss antara Spesifikasi, Simulasi,dan Pengukuran. 66 Tabel 24. Perbandingan Impedansi Antara Spesifikasi, Simulasi,dan Pengukuran .. 67 Tabel 25. Perbandingan Gain Antara Spesifikasi, Simulasi, dan Pengukuran ......... 68
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 | Bentuk Antena Mikrostrip Lampiran 2 | Menghitung Lebar menggunakan PCAAD 5.0 Lampiran 3 | Open Cavity Dipole Array Antenna
Lampiran 4 | Hasil Pengukuran Azimuth (H-Plane) Lampiran 5 | Hasil Pengukuran Elevasi (E-Plane) Lampiran 6 | Datasheet FR-4 Epox
xvi
