BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ANTENA OMNIDIRECTIONAL 2.4 GHz
3.1 Umum Pada bab ini akan diberikan teori perancangan dan pembuatan antena Omnidirectional 2,4 GHz, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan, diantaranya adalah perhitungan ½ λ (panjang gelombang) untuk menentukan panjang tiap segmen antena Omnidirectional yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz dan perhitungan jumlah segmen antena yang menentukan gain dari antena tersebut. Kedua parameter itu sangat menentukan dalam merancang sebuah antena Omnidirectional 2,4 GHz, apabila terjadi kesalahan dalam perancangan, maka karakteristik antena menjadi tidak sesuai dengan apa yang sudah diharapkan. Untuk itu diperlukan perancangan dan perhitungan yang teliti sebelum membuat antena tersebut. Pada bagian lain, diberikan tentang pengukuran parameter dan
analisa
terhadap antena Omnidirectional 2,4 GHz yang sudah dirancang.
3.2 Struktur Antena Dalam bab ini akan dibahas struktur atau bahan dasar dari antena Omnidirectional 2,4 GHz yang akan dibuat. Antena Omnidirectional vertical collinear dirancang agar cocok untuk WiFi compatible hardware dengan konektor antena eksternal.
25
26
Gambar 3.1 Kabel koaxial tipe RG-8 Antena Omnidirectional 2,4 GHz ini terbuat dari kabel RG-8. Pada Gambar 3.1 memperlihatkan lapisan luar dan lapisan inti dari kabel RG-8. Dari datasheet, kabel RG-8 memiliki velocity factor sebesar 0,66 dan impedansinya sebesar 50 Ω.
(a)
(b)
Gambar 3.2 Konektor kabel koaxial tipe-N : (a) Male N-connector (b) Female N-connector Adapun beberapa tipe konektor untuk kabel koaxial antara lain: BNC, TNC, N-Type, SMA, MCX, MMCX, TWINAX, FME, UHF dan lain sebagainya. Pada penelitian ini, digunakan N-type sebagai konektor pada ujung antena, karena penghubung antara access point ke antena pada umumnya menggunakan konektor N-type. N-type memiliki 2 macam yaitu: male dan female, Female N-connector di tempatkan pada ujung antena, karena pigtail sebagai penghubung antara Access Point dengan antena eksternal menggunakan Male N-connector. Berikut ini gambar kabel pigtail :
27
Gambar 3.3 Kabel Pigtail
3.3 Perhitungan Panjang Gelombang Untuk Tiap Segmen Untuk merancang sebuah antena vertical collinear dibutuhkan perhitungan
panjang
gelombang
untuk
menentukan
panjang
tiap
segmen/susunan dan jumlah segmen yang menentukan gain dari antena.
½λ
N- Konektor Gambar 3.4 Disain antena Omnidirectional 2,4 GHz
Setiap segmen dari antena didapatkan dari perhitungan ½ λ panjang gelombang dan Velocity Factor untuk kabel RG-8 adalah 0.66 dan impedansinya 50 Ω (ohm). Persamaan umum untuk menghitung panjang tiap segmennya seperti pada persamaan 2.10, sehingga diketahui besar ½ λ dari persamaan tersebut adalah sebagai berikut :
(3.1) Maka untuk menghitung panjang tiap segmen terhadap Velocity Factor kabel koaxial RG-8 adalah sebagai berikut :
28
(3.2) Diketahui harga c = 3 x 108 dan frekuensi (f) adalah frekuensi tengah dari daerah frekuensi standar protokol IEEE 802.11 yaitu 2,4000-2,4835 GHz. Sehingga menurut standar tersebut, frekuensi tengah dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut :
(3.3)
Maka perhitungan untuk menentukan panjang gelombang ½ λ pada tiap segmen antena dalam satuan mm adalah sebagai berikut :
(3.4) Sehingga panjang setiap segmen antena yang akan dirancang adalah 40,5 mm.
3.4 Simulasi Dengan Software SuperNEC 2.9 SuperNEC adalah salah satu software simulasi medan elektromagnetik yang menggunakan perhitungan berbasis Method of Moment dan dapat memberikan banyak informasi untuk perancangan pada output filenya. Di bawah ini adalah hasil simulasi antena dengan menggunakan software SuperNEC 2.9
yang
29
diaplikasikan dengan software Matlab 6.5 yaitu berupa nilai Gain, Impedansi, VSWR, dan Pola radiasi yang didapat sebagai berikut :
Gambar 3.5 Parameter Rancangan Antena Gambar di atas menunjukkan proses memasukan parameter-parameter input untuk membuat model antena Omnidirectional yang akan dirancang. Selanjutnya model tadi ditampilkan bentuk geometrinya sesuai dengan parameter yang telah penulis masukan. Atur frekuensi kerja dari model antena monopole/Omnidirectional yang dibuat agar software dapat menentukan secara otomatis bentuk dari antena Omnidirectional yang dibuat seperti pada Gambar 3.6.
30
Gambar 3.6 Model antena Omnidirectional Langkah selanjutnya adalah mengatur parameter simulasi sebagai berikut : 1. Frekuensi uji, frekuensi uji dapat dipilih pada 2400 MHz. 2. Near Field Plot. 3. Radiation Pattern, radiation pattern dapat dipilih untuk beberapa orientasi arah. Setelah melakukan beberapa langkah pengaturan parameter simulasi, selanjutnya model antena Omnidirectional ini sudah siap disimulasikan. Software SuperNEC secara otomatis melakukan perhitungan-perhitungan berdasarkan pada parameter simulasi yang sudah diatur. Nilai gain hasil simulasi dari antena Omnidirectional dengan frekuensi 2,4 GHz dapat dilihat pada Gambar 3.7.
31
Gambar 3.7 Nilai Gain Berikutnya akan ditampilkan hasil simulasi nilai impedansi dari antena Omnidirectional pada frekuensi 2,4 GHz. Nilai impedansi yang dihasilkan sebesar 58,7-j27,7 Ω.
Gambar 3.8 Nilai Impedansi digambarkan dalam Smith Chart
32
Nilai VSWR antena Omnidirectional hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Nilai VSWR Dari hasil simulasi, bahwa antena Omnidirectional mempunyai nilai VSWR sebesar 1,7 jika dihubungkan dengan saluran transmisi yang mempunyai nilai impedansi karakteristik sebesar 50 Ω. Di bawah ini merupakan pola radiasi hasil simulasi dari antena Omnidirectional 2,4 GHz.
33
(a)
(b)
Ganbar 3.10 Pola radiasi bidang (a) azimuth; (b) elevation
34
3.5 Pembuatan Antena Omnidirectional Setelah diketahui panjang ½ (panjang gelombang) untuk setiap segmen antena, maka langkah selanjutnya adalah pembutan antena. Prosedur pembuatan antena Omnidirectional 2,4 GHz adalah sebagai berikut : 1. Pertama, potong tiap segmennya Dengan menggunakan alat bantu gergaji besi junior atau pisau karter, untuk memudahkan pemotongan kabel RG-8 beberapa segmen dan menguliti lapisannya sehingga panjang lapisan kabel tidak termasuk inti tembaga. Ketika merancang antena tersebut, panjang tiap segmen dari kabel RG-8 tidak harus dengan besaran pasti dengan kata lain dapat menggunakan besaran nilai pendekatan/pembulatan dan perlu diperhatikan adalah panjang tiap segmennya adalah ½ yang sudah diketahui pada perhitungan sebelumnya adalah 40,5 mm. 40,5 mm
40,5 mm Gambar 3.11 Panjang tiap segmen 2. Kedua, melakukan penyambungan tiap segmen Pada tahap ini, dilakukan pengupasan lapisan paling luar dari kabel RG-8 dengan kupasan menyerupai huruf V, untuk menyambung tiap segmennya dengan timah solder, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.12 dan Gambar 3.13.
35
Gambar 3.12 Cara mengupas lapisan luar kabel koaxial
Gambar 3.13 Penyambungan tiap segmen dengan timah solder Ketika
mensolder
tiap
segmennya
secara
bersamaan,
kita
harus
mempertimbangkan jarak antar sambungannya agar panjang tiap segmen 40,5 mm seperti halnya dalam perhitungan sebelumnya. 3. Ketiga, pemasangan konektor Ini adalah tahap akhir dari perancangan antena Ominidirectional 2,4 GHz, yaitu penyambungan ujung bawah dari kabel RG-8 ke konektor female tipe-N. Selanjutnya memasang konektor ke dalam tutup pipa PVC menggunakan baud dengan panjang 1 cm dimaksudkan agar konektor terpasang dengan kuat. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.14 dan Gambar 3.15.
Gambar 3.14 Penyambungan ujung bawah dari kabel RG-8 ke konektor
36
Gambar 3.15 Pemasangan konektor ke tutup pipa PVC Dari ketiga tahap pembuatan antena Ominidirectional 2,4 GHz, maka akan didapat hasil dari antena tersebut pada Gambar 3.16 , yang tersusun dengan 18 segmen.
Gambar 3.16 Antena Ominidirectional 18 segmen Selanjutnya untuk menguatkan konstruksi antena, maka antena harus dilapisi pipa PVC ½“ yang berguna sebagai selubung antena, selanjutnya lapisan luar konektor antena dan pipa PVC harus melekat dengan cara member lem PVC untuk bagian tersebut. Dimaksudkan agar sambungan tiap segmen antena tidak mudah patah dan lebih kokoh karena sudah dilindungi oleh pipa PVC. Untuk memilih jenis pipa PVC ini hendaknya dipilih yang setipis mungkin agar redaman yang terjadi bisa terabaikan. Berikut ini adalah gambar antena Ominidirectional yang sudah diselubungi oleh pipa PVC.
37
Gambar 3.17 Antena Omnidirectional dengan selubung pipa PVC Tahap selanjutnya setelah selesai melakukan perancangan yaitu pengukuran parameter dan pengujian antena agar dapat memperoleh syarat-syarat antena Omnidirectional 2,4 GHz yang baik. Adapun syarat-syarat antena yang baik adalah sebagai berikut : a. Dapat memancarkan dan menerima energi gelombang radio dengan frekuensi 2,4 GHz dan pola radiasi sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan. b. Impedansi input yang sesuai (matched) dengan impedansi karakteristik kabel pencatunya (SWR 2).
3.6 Pengukuran VSWR dan Impedansi Input Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) dan impedansi merupakan parameter yang mengindikasikan kesesuaian sebuah antena terhadap saluran transmisi dan frekuensi kerjanya, sehingga mempengaruhi daya yang diterima. Pada pengukuran ini menggunakan Network Analyzer (NA) R3770 untuk mendapatkan nilai VSWR dan impedansi antena Omnidirectional.
38
Gambar 3.18 Advantest R3770 Network Analyzer Peralatan yang digunakan pada pengukuran VSWR dan Impedansi adalah sebagai berikut: Network Analyzer (NA) R3770 Antena Omnidirectional 2,4 GHz yang telah dibuat. Kabel Koaxial
NA Antena Omnidirectional
Kabel Koaxial
Gambar 3.19 Rangkaian pengukuran VSWR dan Impedansi Langkah-langkah pengukuran VSWR dan Impedansi: 1. Merangkai peralatan seperti pada Gambar 3.19 2. Menghidupkan dan mengalibrasi NA.
39
3. Menghubungkan antena Omnidirectional yang telah di buat dengan NA menggunakan kabel coaxial. 4. Melakukan proses pengukuran. 5. Menyimpan data hasil pengukuran untuk nilai VSWR denagn bentuk rectangular dan nilai impedansi dengan bentuk smitch chart.
3.7 Pengukuran Pola Radiasi Tujuan utama mengukur pola radiasi antena Omnidirectional yang telah dibuat adalah untuk mengetahui bentuk pola radiasi dari antena Omnidirectional yang diharapkan seperti sebelumnya yaitu menyebar ke segala arah. Untuk mendapatkan pola radiasi yang baik ada beberapa hal yang harus diperhatikan adalah menghindari gangguan pantulan dari benda disekitar pengukuran, tinggi antena default sebagai pemancar di sisi Access Point (AP) dengan antena Omnidirectional yang diukur sebagai penerima di sisi laptop haruslah sejajar dan lurus. Pola radiasi antena merupakan karakteristik yang menggambarkan sifat radiasi antena pada medan jauh sebagai fungsi dari arah. Arah disini adalah memutar antena penerima dari posisi 0º sampai 360º, baik pada bidang H maupun pada bidang E, untuk mengukur pola radiasi pada bidang H antena diputar secara horisontal dan posisi antena tetap berdiri tegak selama perputaran antena berlangsung, sedangkan untuk mengukur pola radiasi pada bidang E antena diputar secara vertikal dan posisi antena yang berdiri tegak pada sudut 0º akan terbalik pada posisi antena pada sudut 180º. Untuk mengukur pola radiasi suatu antena yang telah dibuat, maka antena tersebut dipakai sebagai antena penerima, dengan menggunakan bantuan laptop
40
dan access point dengan frekuensi 2,4 GHz beserta kabel pigtailnya yang berguna untuk menghubungkan antena dengan access point. Access Point ini disertai adaptor sebagai pencatu daya dari alat tersebut, juga tersedia kabel UTP agar dapat terhubung secara wired dan antena standar dari access point yang memiliki gain 4,15 dBi. Ada 3 indikator led di depan alat ini terdiri dari: power, system, LAN dan WLAN. Led power menyala memberitahukan AP tercatu oleh listrik melalui adaptor, led pada LAN menyala memberitahukan AP terhubung secara wired melalui kabel UTP dan led pada WLAN memberitahukan AP terhubung secara wireless dengan piranti lain. Pada tugas akhir ini, digunakan AP produk TP-link tipe TL-WA5110G standar IEEE 802.11g dengan frekuensi 2,4 GHz dapat dilihat pada Gambar 2.14. Sebelumnya yang perlu diperhatikan dalam menggunakan AP untuk koneksi antar jaringan komputer secara wireless adalah penamaan SSID (Service Seet IDentifier). Adapun cara untuk mengeset AP sehingga dapat mengeset SSID dan alamat IP dari AP tersebut, berikut ini adalah cara mengeset SSID dan alamat IP TP-link TL-WA5110G: 1. Setting nomor IP dan netmask pada laptop. Pastikan wireless pada laptop dalam keadaan mati. Karena Access Point memiliki IP default 192.168.1.1 maka IP pada laptop diset satu network dengan Access Point. Untuk IP wireless kita dapat mengubah dengan cara masuk ke control panel → network connection → klik kanan pada wireless connection → properties → Internet Protocol (TCP/IP) set alamat IP dan netmask.
41
Gambar 3.20 Setting alamat IP dan Netmask pada Windows 2. Buka browser Explore/Mozilla/Opera atau browser lainnya. Ketik alamat IP default Access Point pada browser yaitu 192.168.1.1. ketik account admin dan password untuk Access Point kondisi default. Setelah berhasil maka akan masuk pada halaman home seperti pada Gambar 3.21.
42
Gambar 3.21 Halaman home pada pengesetan Access Point 3. Setelah itu klik menu Wireless → Basic Setting dan isi nama SSID pada menu
SSID.
Missal
nama
SSID
yang
kita
berikan
adalah:
“SAMSA_ELEKTRO”. Setting SSID dapat dilihat pada Gambar 3.22.
Gambar 3.22 Tampilan saat mengeset SSID
43
Kemudian pada menu Wireless Mode kita pilih Access Point. SSID broadcast dipilih enable dapat dilihat pada Gambar 3.23.
Gambar 3.23 Tampilan Wireless Mode Settings 4. Setelah selesai memberi nama SSID (Service Set Identifier) dan Wireless Mode maka selanjutnya memberi nomor alamat IP pada AP dengan mengklik menu Network dan pada menu IP address dan Subnet Mask, isi alamat IP dan netmask-nya. IP disini bias diganti atau dibiarkan saja kondisi default. Peralatan yang digunakan pada pengukuran pola radiasi ini diantaranya adalah: Antena Omnidirectional yang telah dibuat. Laptop Access Point
44
Kabel Pigtail Kabel UTP Langkah-langkah dalam melakukan pengukuran pola radiasi bidang E dan H adalah: 1. Rangkai semua peralatan
seperti pada Gambar
3.24, dengan
menghubungkan penyambungnya (konektor) kabel yang digunakan.
5 meter
Access Point Kabel Pigtail Kabel UTP
Access Point
Laptop
Gambar 3.24 Rangkaian peralatan pengukuran pola radiasi 2. Nyalakan laptop, jika laptop yang digunakan support dengan wireless maka pastikan perangkat wireless pada laptop dalam keadaan mati. 3. Nyalakan Access Point (AP), pastikan indikasi led pada power menyala. AP yang terpasang adalah AP yang telah diset dengan SSID “SAMSA_ELEKTRO” seperti yang telah dijelaskan diatas. 4. Set alamat IP pada laptop. IP pada laptop harus satu network dengan IP pada AP. IP pada AP adalah 192.168.1.1.
45
5. Setelah semua terangkai dengan benar cek apakah sinyal AP telah dapat tertangkap oleh antena Omnidirectional yang terhubung dengan AP. Ini dapat dilihat dengan memilih menu Wireless Network Connection → View Wireless Connection.
Gambar 3.25 Jaringan yang tertangkap oleh antena Dari
gambar
diatas
terlihat
bahwa
AP
dengan
SSID
“SAMSA_ELEKTRO” telah dikenali oleh antena. 6. Catatlah nilai level sinyal yang tertera pada laptop pada sudut 0º atau pada posisi antena berdiri tegak. Level sinyal pada laptop dapat dipantau dengan menggunakan software Netstumbler atau dari nilai sinyal yang terdapat pada AP list.
46
Gambar 3.26 Tampilan Netstumbler membaca sinyal 7. Putarlah posisi antena menjadi 10º, 20º, 30º hingga 360º dengan aturan seperti pada Gambar 3.27, lalu catat nilai level sinyal ke dalam table sinyal pada posisi sudut tersebut, untuk mendapatkan hasil pola radiasi bidang H.
Gambar 3.27 Posisi antena saat mengukur pola radiasi bidang H 8. Setelah mendapatkan nilai tersebut konversi level dalam unit dB tersebut menjadi satuan milliwatt menggunakan persamaan sebagai berikut: Konversi satuan sinyal Watt (W) ke dalam unit dBm:
47
(3.5) Konversi unit dBm ke dalam satuan Watt (W):
(3.6) Sehingga apabila satuan Watt diubah menjadi milliWatts (mW):
m
(3.7)
Dan selanjutnya, nilai satuan milliwatt tersebut dapat dinormalisasi dengan nilai level terbesar. 9. Setelah berhasil mendapatkan gambar pola radiasi bidang H ulangi langkah-langkah pengukuran 1-6 untuk pola radiasi bidang E. 10. Putarlah posisi antena menjadi 10º, 20º, 30º hingga 360º dengan atutan seperti pada Gambar 3.28, lalu catat nilai level sinyal ke dalam tabel pada posisi sudut tersebut, untuk mendapatkan hasil pola radiasi bidang E.
Gambar 3.28 Posisi antena saat mengukur pola radiasi bidang E
48
11. Ulangi langkah percobaan 8 untuk mendapatkan hasil data level sinyal pola radiasi bidang E.
3.8 Pengukuran Gain Pengukuran gain adalah hal yang tidak mudah. Untuk itu diperlukan antena standar untuk membandingkannya. Dengan menggunakan antena standar gain dapat dihitung dengan rumus pada persamaan 2.2. Pengukuran dilakukan dengan membandingkan antena yang akan diukur yaitu antena Omnidirectional dengan antena standar dari Access Point TP-link tipe TL-WA5110G yang nilainya 4,15 dBi untuk frekuensi 2,4 Ghz.
Gambar 3.29 Access Point TP-link tipe TL-WA5110G dengan antena standar Rangkaian peralatan yang digunakan untuk mengukur gain sama dengan saat mengukur pola radiasi. Untuk mengukur level daya antena standar juga sama seperti rangkaian pada Gambar 3.24. Hanya saja antena Omnidirectional yang terhubung dengan AP diganti dengan antena standar AP.
Udara
Access Point
Access Point
Laptop
49
Gambar 3.30 Pengukuran gain pada antena standar Dengan mencatat nilai level daya yang tertangkap oleh antena standar dan antena Omnidirectional maka selanjutnya kita bisa menghasilkan nilai gain dengan menggunakan persamaan 2.2. Setelah
proses
pengukuran
selesai,
tahap
selanjutnya
adalah
membandingkan hasil pengukuran dengan hasil simulasi dan mengaplikasikan antena Omnidirectional 2,4 GHz pada jaringan wireless serta analisanya.
