DESAIN DAN PEMBUATAN ANTENA LOG - PERIODIC DIPOLE ARRAY PADA RENTANG FREKUENSI 430 - 1000 MHz DENGAN GAIN 9 dBi
LAPORAN TUGAS AKHIR
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Medan
Oleh :
ELLA DYNA L BUTARBUTAR NIM :1105062059
PUTRI AFRIANI NIM : 1105062086
PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2014
LEMBAR PERSETUJUAN
Yang bertanda tangan di bawah ini, Dosen Pembimbing, Kepala Program Studi Teknik Telekomunikasi, Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan menyatakan bahwa Laporan Tugas Akhir dari : Ella Dyna L Butarbutar 1105062059
Putri Afriani 1105062086
dengan judul : “DESAIN DAN PEMBUATAN ANTENA LOG – PERIODIC DIPOLE ARRAY PADA RENTANG FREKUENSI 430 – 1000 MHz DENGAN GAIN 9 dBi” telah diperiksa dan dinyatakan selesai, serta dapat diajukan dalam sidang ujian Laporan Tugas Akhir.
Medan, 19 Agustus 2014 Dosen Pembimbing
Waldemar Banurea, ST, MT NIP. 19640113 198902 1 001
Ketua Jurusan Teknik Elekro
Kepala Program Studi Teknik Telekomunikasi
Junaidi, S.T, M.T
Ir. Suhaili Alifuddin, M.Eng
NIP. 19630309 198803 1 002
NIP. 19600502 199802 1 001
i
LEMBAR PENGESAHAN
Yang bertanda tangan di bawah ini, Penguji I, Penguji II, Koordinator Sidang Tugas Akhir Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Medan menyatakan bahwa Laporan Tugas Akhir dari : Ella Dyna L Butarbutar 1105062059
Putri Afriani 1105062086
dengan judul : “DESAIN DAN PEMBUATAN ANTENA LOG – PERIODIC DIPOLE ARRAY PADA RENTANG FREKUENSI 430 – 1000 MHz DENGAN GAIN 9 dBi” telah selesai diujikan dalam sidang ujian Laporan Tugas Akhir pada tanggal 20 Agustus 2014 di ruang RC 305.
Medan,
Penguji I
Agustus 2014
Penguji II
Ir. Elferida Hutajulu, M.T
Ir. Regina Sirait, M.T
NIP. 19670311 199003 2 002
NIP. 19651224 199003 2 004
Koordinator Sidang
Muhammad Rusdi, S.T, M.T NIP. 19780923 200312 1 002
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis sampaikan kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan rahmat-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Laporan Tugas Akhir dengan judul “Desain dan Pembuatan Antena Log-Periodic Dipole Array Pada Rentang Frekuensi 430 MHz sampai dengan 1000 MHz dengan Gain 9dBi” ditulis guna memenuhi salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Studi Diploma III Teknik Telekomunikasi Jurusan teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. Selama penulisan laporan ini, penulis banyak memperoleh bimbingan, nasehat dan bantuan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terimakasih kepada : 1.
M. Syahruddin, S.T, M.T, selaku Direktur Politeknik Negeri Medan.
2.
Junaidi, S.T,M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan.
3.
Ir. Suhaili Alifuddin, M.Eng, selaku Ketua Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Medan.
4.
Waldemar Banurea, S.T, M.T, selaku Dosen Pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya untuk memberikan saran dalam penulisan Tugas Akhir ini, Sekaligus sebagai Dosen Wali Kelas TK-6C yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan kepada seluruh anak didiknya.
5.
Seluruh Dosen dan Staf Pengajar yang berada di Politeknik Negeri Medan.
6.
Teristimewa Untuk Orang Tua penulis yang telah memberikan dukungan moril dan material serta doa dalam menyelesaikan laporan ini.
iii
7.
Teman sekelompok Tugas Akhir dan Khususnya teman-teman kelas TK-6C, Serta teman-teman kelas TK-6A,TK-6B, dan TK-6D. Penulis menyadari bahwa pembuatan Laporan Tugas Akhir ini memiliki
kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca untuk penyempurnaan Laporan Tugas Akhir ini. Demikianlah Laporan Tugas Akhir ini, semoga dapat bermanfaat bagi penulis dan semua pihak yang membaca.
Medan,
Agustus 2014
Hormat kami
Penulis
iv
ABSTRAK
Antena adalah suatu komponen atau tranducer diantara saluran transmisi atau pemandu gelombang udara bebas, yang dapat mengkonversikan energi listrik ke dalam bentuk gelombang elektromagnetik (untuk antena pemancar), dan sebaliknya mengkonversikan gelombang elektromagnetik ke energi listrik (untuk antena penerima) secara efisien. Dalam suatu sistem telekomunikasi tanpa kabel (wireless), gelombang elektromagnetik merambat dari pemancar ke penerima melalui ruang bebas (free space), dimana pada sistem tersebut digunakan antena. Untuk keperluan komunikasi titik ke titik diperlukan antena yang mempunyai pengarahan (direktivitas) dan untuk keperluan sistem telekomunikasi wideband diperlukan suatu antena jenis wideband. Penulisan ini bertujuan mendesain dan membuat antena Log-Periodic Dipole Array pada rentang frekuensi 430 – 1000 MHz. Pada gain 9 dBi, semakin lebar rentang frekuensi maka panjang total dari struktur antena log-periodic dipole array juga semakin panjang. Pada perancangan Tugas Akhir ini, diharapkan antena Log-Periodic Dipole Array dapat beroperasi pada modus λ/2 dari rentang frekuensi 430 – 1000 MHz dan memiliki nilai VSWR yang ideal (VSWR=1) sehingga antena dan saluran transmisi menjadi match .
v
DAFTAR ISI
LEMBAR PERSETUJUAN ..........................................................................
i
LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................... ii KATA PENGANTAR ................................................................................... iii ABSTRAK ...................................................................................................... v DAFTAR ISI .................................................................................................. vi DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... ix DAFTAR TABEL .......................................................................................... xi BAB 1 PENDAHULUAN............................................................................ 1 1.1 Latar Belakang.......................................................................... 1 1.2 Tujuan ....................................................................................... 2 1.3 Konstribusi ............................................................................... 2 1.4 Perumusan Masalah .................................................................. 2 1.5 Batasan Masalah ....................................................................... 3 1.6 Sistematika Penulisan ............................................................... 3 BAB 2 DASAR TEORI ............................................................................... 5 2.1 Konsep Dasar Antena ............................................................... 5 2.2 Tipe-Tipe Antena...................................................................... 7 2.2.1 Antena Isotropis............................................................... 7 2.2.2 Antena Omnidirectional .................................................. 7 2.2.3 Antena Directional........................................................... 8 2.2.4 Antena Phase Array ......................................................... 8 2.2.5 Antena Optimal ............................................................... 9 2.2.6 Antena Adaptif ................................................................ 9 2.3 Parameter-Parameter Antena .................................................... 9 2.3.1 Pola Radiasi Antena ........................................................ 10 2.3.2 Half Power Beamwidth Width (HPBW) ......................... 12 2.3.3 Polarisasi.......................................................................... 12 2.3.4 Frekuensi Kerja dan Bandwidth ...................................... 15 2.3.5 Direktivitas Antena .......................................................... 16
vi
2.3.6 Gain Antena ..................................................................... 17 2.3.7 Formula Transmisi Friis .................................................. 20 2.3.8 Koefisien Refleksi ........................................................... 20 2.3.9 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) .......................... 22 2.4 Antena Log-Periodic Dipole Array (LPDA) ............................ 24 2.4.1 Elemen – Elemen LPDA ................................................. 25 2.4.2 Penggunaan LPDA .......................................................... 25 2.4.3 Karakteristik LPDA ........................................................ 26 2.4.4 Susunan Dipole ............................................................... 26 2.5 Saluran Transmisi ..................................................................... 31 2.6 Balun......................................................................................... 32 BAB 3 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ANTENA ..................... 37 3.1 Perancangan Antena Log-Periodic Dipole Array (LPDA) ....... 37 3.2 Merancang dan Menghitung Elemen-Elemen Dipole Antena LPDA ....................................................................................... 37 3.2.1 Menghitung Harga Sudut .............................................. 38 3.2.2 Menghitung Bandwidth Yang Diinginkan .................... 38 3.2.3 Menghitung Bandwidth Daerah Aktif ........................... 38 3.2.4 Menghitung Bandwidth Yang Didesain ........................ 39 3.2.5 Menghitung Panjang Total Struktur Antena.................. 39 3.2.6 Menghitung Jumlah Elemen-Elemen Dipole ................ 40 3.2.7 Menghitung Impedansi Karakteristik Rata-Rata Dari Elemen-Elemen ............................................................. 40 3.2.8 Menentukan Impedansi Input Antena ........................... 41 3.2.9 Menghitung Faktor Jarak Rata-Rata .............................. 41 3.2.10 Menghitung Impedansi Karakteristik Saluran Feeder ... 41 3.2.11 Menghitung Jarak Pusat Ke Pusat Dari Konduktor Saluran Feeder............................................................... 42 3.2.12 Menghitung Setiap Panjang Elemen Dipole, ln, dan Menghitung ln’= ln/2 Untuk Setiap Elemen ................. 43
vii
3.2.13 Menghitung Setiap Jarak Diantara Elemen-Elemen Dipole Yang Berdekatan ............................................... 44 3.2.14 Menentukan Diameter Dari Elemen Dipole Terpanjang 46 3.2.15 Tabel – Tabel Hasil Desain dan Perhitungan ................ 47 3.3 Diagram Alir ............................................................................. 49 3.4 Alat dan Bahan Yang Digunakan ............................................. 50 3.5 Pembuatan Antena .................................................................... 52 BAB 4 PENGUKURAN DAN PENGUJIAN ANTENA .......................... 57 4.1 Pengukuran Antena .................................................................. 57 4.1.1 Daftar instrument, equipment, dan komponen ... 57 4.1.2 Pengukuran Pola Radiasi dan Direktivitas Antena ................................................................ 58 4.1.3 Pengukuran Gain Antena ................................... 65 4.1.4 Pengukuran Koefisien Pantul Antena ................ 69 BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 88 5.1 Simpulan ................................................................................... 88 5.2 Saran ......................................................................................... 88 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 89
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1 Antena Sebagai Pengirim dan Penerima ..............................................
5
2.2 Dimensi Pola Radiasi ......................................................................... 10 2.3 Istilah – Istilah Pada Pola Radiasi Antena .......................................... 11 2.4 Polarisasi Elips Secara Umum ............................................................. 13 2.5 Macam – macam Polarisasi .................................................................. 14 2.6 Gelombang Datang dan Gelombang Pantul………………………….. 21 2.7 Konfigurasi Antena Log-Priodic Dipole Array………………………. 27 2.8 Gain antena LPDA Sebagai Fungsi Dari τ Dan σ................................. 28 2.9 Tegangan Generator Yang Tersambung Ke Beban Melalui Saluran… 31 2.10 Kofigurasi Balun …………………………………………………… 34 2.11 Balun ………………………………………………………………… 36 3.1 Konstruksi Antena Tipe LPDA ........................................................... 48 3.2 Diagram Alir proses analisa, desain, realisasi, dan pengujian antena .. 49 3.3 Pemotong Fedeer Line ………………………………………………. 52 3.4 Fedeer line Yang Telah Dirapikan…………………………………… 52 3.5 Pemotongan Eleman ………………………………………………… 53 3.6 Elemen Yang Telah Dipotong ………………………………………. 53 3.7 Pengeboran Fedeer Line……………………………………………… 54 3.8 Pemotongan Spacer ………………………………………………….. 55 3.9 Pengeboran Spacer…………………………………………………… 55 3.10 Spacer………………………………………………………………… 55 3.11 Antena LPDA ……………………………………………………….. 56 4.1 Set-Up Pengukuran Gain dan Pola Radiasi Antena ............................ 58 4.1 Pengukuran Pola Radiasi ……………………………………………. 59 4.3 Tampilan ScienTech ……………………………………………….... 62 4.4 Tampilan Manual Entry …………………………………………….. 63 4.5 Tampilan Manual Entry dengan Step 10 ……………………………. 63 4.6 Tampilan Data yang sudah masuk pada manual entry………………. 63
ix
4.7 Tampilan ScienTech Memory……………………………………….. 64 4.8 Pola Radiasi antena pada frekuensi 512 MHz sesuai tabel 4.1 ............ 64 4.9 Kurva gain versus frekuensi sesuai tabel 4.2………………………… 69 4.10 Set-up Pengukuran Koefisien Pantul………………………………… 70 4.11 Pemasangan Antena pada Tiang Antena …………………………… 71 4.12 Kurva VSWR versus frekuensi sesuai tabel 4.3 …………………… 87
x
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1 Pembagian Spectrum Frekuensi............................................................
6
3.1 Panjang Elemen-Elemen Dipole l n dan l n’.......................................... 44 3.2 Jarak Diantara Elemen-Elemen Dipole Yang Berdekatan ................... 45 3.3 Diameter Setiap Elemen-Elemen Dipole.............................................. 48 4.1 Pengukuran Pola Radiasi dan Direktivitas Antena LPDA ………… 60 4.2 Hasil Pengukuran Gain Antena LPDA
…………………………… 67
4.3 Hasil Pengukuran Koefisien Pantul Dan VSWR Antena …………… 72
xi
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1
Latar belakang Dalam
suatu
sistem
telekomunikasi
tanpa
kabel
(wireless),
gelombang
elektromagnetik merambat dari pemancar ke penerima melalui ruang bebas (free space) dimana pada sistem tersebut digunakan antena. Antena yang terpasang pada pesawat pemancar disebut antena pemancar dan antena yang terpasang pada peawat penerima disebut antena penerima, dan antena yang dipasang pada pesawat pemancar dan penerima disebut antena transceiver. Untuk keperluan komunikasi titik ke titik diperlukan antena yang mempunyai pengarahan (direktivitas) dan untuk keperluan sistem telekomunikasi wideband diperlukan suatu antena jenis wideband. Tipe antena log-periodic dipole array (LPDA), mempunyai daerah operasi idealnya tergantung frekuensi. Salah satu tipe antena diantara LPDA adalah antena LPDA dengan Sambungan kabel coaxial, dimana antena ini dapat di operasikan pada bandwidth yang lebar (Balanis A,Constantine) . Disebut antena Log-Periodic karena variasi-variasi yang periodik dari parameterparameter antena ini seperti pola radiasi, direktivitas, beamwidth, voltage standing wave ratio (VSWR), dan koefisien pantul, sebagai fungsi dari logaritma frekuensi. Walaupun secara teori bahwa daerah operasi antena ini tidak tergantung frekuensi, tetapi dalam prakteknya bandwidth keseluruhan daerah operasi antena ditentukan oleh dimensi geometrinya seperti panjang elemen-elemen, jarak diantara elemen-elemen, jarak pusat ke pusat dari saluran pengumpan, diameter elemen-elemen akan naik secara logaritma. Rentang frekuensi operasi
1
2
antena jenis log-periodic dipole array ditentukan oleh elemen terpendek yang menentukan frekuensi batas atas dan elemen terpanjang yang menentukan frekuensi batas bawah. Antena dikonstruksi dengan cara menghitung dimensi elemen-elemen fisik antena, kemudian elemenelemen antena disambungkan dengan menggunakan saluran pengumpan (feeder line) yang terbuat dari pipa aluminium berbentuk round.
1.2
Tujuan Tujuan utama dalam pembuatan laporan tugas akhir ini adalah : 1. Mendesain dan merealisasikan sebuah prototype antena LPDA dengan sambungan kabel coaxial pada rentang frekuensi 430-1000 MHz . 2. Memberikan pada khalayak ramai cara mengukur parameter-parameter antena . 3. Sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III .
1.3
Konstribusi Hasil tugas akhir ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu alat percobaan
mahasiswa di laboratorium telekomuikasi Politeknik Negeri Medan .
1.4
Perumusan Masalah Parameter- parameter seperti faktor geometri (τ), faktor jarak (σ), sudut puncak (α),
dan rentang frekuensi adalah parameter-parameter yang mempengaruhi panjang total struktur antena log-periodic dipole array. Pada gain 9 dBi, semakin lebar rentang frekuensi yang diinginkan maka panjang total dari struktur antena log-periodic dipole array juga semakin panjang . yang tentu saja menambah harga antena karena membutuhkan bahan yang lebih lama. Salah satu cara untuk mengatasi masalah tersebut maka akan didesain antena logperiodic dipole array yang beroperasi pada modus λ/2 dari 430 – 1000 MHz.
3
Agar kegiatan pada penelitian lebih terarah maka pertanyaan-pertanyaan yang harus dijawab adalah: 1. Berapa dimensi-dimensi fisik antena hasil rancangan ? 2. Bagaimana gambar bentuk pola radiasi antena hasil rancangan ? 3. Berapa direktivitas antenna ? 4. Berapa rentang frekuensi operasi antena pada gain 9 dBi ? 5. Berapa rentang frekuensi operasi antena pada nilai VSWR tidak lebih dari pada 2.0 ?
1.5
Batasan Masalah Pada penulisan tugas akhir ini, yang dilakukan adalah mendesain, membuat, dan
mengukur pola radiasi, dan VSWR antena .
1.6
Sistematika Penulisan BAB I.
PENDAHULUAN Berisikan tentang Latar belakang, Tujuan, Konstribusi, Perumusan masalah, Batasan Masalah, Sistematika penulisan.
BAB II.
TINJAUAN PUSTAKA Berisikan
tentang
Parameter
antena,
Sistem
koordinat
bola,
Direktivitas, Gain antena, Hubungan gain antena dan Direktivitas antena, Formula transmisi friis, Susunan dipole.
4
BAB III.
DESAIN DAN PEMBUATAN Berisikan tentang Konstruksi antena Log-Periodic Dipole Array (LPDA), Sambungan kabel Coaxial, Diagram alir, Desain antena logperiodic dipole array, Desain fisik dan Konstruksi antenna, Daftar bahan, komponen, Peralatan dan tools, Pembuatan antena.
BAB IV.
PENGUKURAN DAN PEMBAHASAN Berisikan Daftar Instrumen, Equipment, dan Komponen, Pengukuran pola radiasi dan direktivitas antena, Pengukuran gain antena, pengukuran Koefisien pantul antena, Pembahasan.
BAB V.
PENUTUP Berisikan kesimpulan dari rancangan yang telah dibuat serta saransaran kepada pembaca guna perbaikan dan pengembangan proyek.
