BAB IV PERANCANGAN DAN REALISASI ANTENA ULTRAWIDEBAND
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi antena ultrawideband dengan desain elips pada frekuensi 1 GHz – 15 GHz dengan menggunakan FR4. Mulai dari perhitungan matematis, perancangan ukuran, dan desain antena sesuai dengan spesifikasi yang telah dibahas pada bab 3. Pada perancangan antenna UWB ini mengacu pada teori dan perhitungan di bab 2, kemudian dari teori tersebut akan didapatkan sebuah rancangan dan antenna yang akan dibuat. Kemudian dari desain tersebut akan disimulasikan menggunakan Sonet Software untuk mendapatkan gambaran nilai besaran-besaran antenna yang akan dibuat. Pada tahap akhir akan dilakukan fabrikasi rancangan antenna tersebut, dan selanjutnya akan dilakukan pengukuran. 4.1 Perancangan Antenna Ultrawideband Desain Elips Pada awal perancangan, untuk langkah pertama kali yang dilakukan adalah menghitung ukuran W (Width) yang akan digunakan. Pada penelitian ini, antenna dirancang dengan elips desain dengan rentang frekuensi dimulai dari 1 GHz – 15 GHz. Dalam penelitian ini, penulis akan melakukan simulasi dengan mengatur beberapa variabel ukuran, diantaranya a, b, l1, l2, h. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan dan membandingkan nilai S11, atau return loss pada masing-masing bentuk antenna tersebut. 36
37
4.1.1 Perhitungan Lebar Mikrostrip Pengumpan Dalam menghitung lebar mikrostrip pengumpan, berhubungan dengan impedansi gelombang untuk mendapatkan impedansi gelombang sebesar 50 Ω. Pada umumnya standard impedansi input dan output peralatan yang digunakan industry telekomunikasi memiliki impedansi sebesar 50 Ω. Oleh karena itu untuk mencapai kesesuaian impedansi dan transfer daya antara antenna UWB dengan saluran transmisi, maka untuk impedansi dari antenna yang dibuat , dengan impedansi sama yaitu 50 Ω. Dari persamaan sebelumnya, maka untuk lebar mikrostrip pengumpan dapat dihitung dengan perhitungan sebagai berikut.
Z 1 A 0 r 6 0 2
0 ,5
r 1 0,1 1 0 , 2 3 r 1 r
50 4, 4 1 A 6 0 2
0 ,5
A 0 , 8 3 2 , 7
0 , 6 2 0 , 2 5 5
0 ,5
A 1, 5 2 W 8e A 2A h e 2 W 8 e 1 ,5 2 2 1 ,5 2 1, 6 2 e W 1, 9 3 4 1, 6 W 1, 9 3 4 1, 6 3
0,1 1 4, 4 1 0 , 2 3 4 , 4 1 4 , 4
38
Berdasarkan perhitungan tersebut, diperoleh lebar mikrostrip pengumpan (W) untuk antenna UWB elips desain dengan material FR4 yang memiliki permitivitas relatif 4,6 adalah 3 mm. 4.1.2 Perhitungan Besaran Antenna Pada pembahasan perhitungan besaran antenna UWB elips desain dengan rentang frekuensi dari 1 GHz – 15 GHz, seperti return loss, gain dan VSWR dihitung dengan menggunakan software Sonet dengan mengatur beberapa variabel ukuran, diantaranya a, b, l1, l2, H. Return loss yang diinginkan pada rancangan antenna UWB elips desain dengan rentang frekuensi dari 1 GHz – 15 GHz adalah <-10 dB. Karena rancangan antenna merupakan antenna mikrostrip yang terbuat dari material FR4, sehingga gain yang dicapai hingga sekitar 6 dBi. 4.2 Simulasi Hasil Rancangan Antenna UWB Elips Desain 1 GHz – 15 GHz Pada perancangan awal melalui proses perhitungan sudah ditentukan nilai W adalah 3 mm, sehingga pada simulasi dilakukan dengan mengatur beberapa variabel ukuran, diantaranya a, b, l1, l2, h. Dilakukan simulasi dengan memvarisaikan panjang b, sehingga dari 6 variasi yang simulasikan diperoleh satu yang memiliki factor refleksi lebih baik dari yang lain.
39
Tabel 4.1 VariasiUkuran Panjang b Ukuran Panjang No b 1
5 mm
2
6 mm
3
7 mm
4
8 mm
5
9 mm
6
10 mm
Gambar 4.1 Perbandingan return loss variasi panjang b Dari 6 ukuran panjang b, didapatkan dengan panjang 5 mm yang memiliki factor refleksi lebih baik dari yang lainnya. Setelah dilakukan penentuan panjang b, didapatkan 5 mm, selanjutnya akan dilakukan simulasi untuk menentukan panjang a.
40
Tabel 4.2 Variasi Ukuran Panjang a Ukuran Panjang No a 1
6 mm
2
7 mm
3
8 mm
4
9 mm
5
10 mm
Gambar 4.2 Perbandingan return loss variasi panjang a Dengan memvariasikan panjang a, dari 5 ukuran panjang, didapatkan dengan panjang 10 mm yang memiliki factor refleksi lebih baik dari yang lain. Setelah dilakukan penentuan panjang b didapatkan 5 mm, panjang a didapatkan 10 mm, selanjutnya dilakukan simulasi untuk menentukan panjang l1.
41
Tabel 4.3 Variasi Ukuran Panjang l1 Ukuran Panjang No l1 1
22,75 mm
2
23,75 mm
3
24,75 mm
4
25,75 mm
5
26,75 mm
Gambar 4.3 Perbandingan return loss variasi panjang l1 Dengan memvariasikan panjang l1 dari 5 ukuran panjang, didapatkan dengan panjang 26,75 mm yang memiliki factor refleksi lebih baik dari yang lain. Setelah dilakukan penentuan panjang b didapatkan 5 mm, panjang a didapatkan 10 mm, panjang l1 didapatkan 26,75, selanjutnya dilakukan simulasi untuk menentukan panjang l2.
42
Tabel 4.4 Variasi Ukuran Panjang l2 Ukuran Panjang No l2 1
5.5 mm
2
6 mm
3
6.5 mm
4
7 mm
5
7.5 mm
Gambar 4.4 Perbandingan return loss variasi panjang l2 Dengan memvariasikan panjang l2 dari 5 ukuran panjang, didapatkan dengan panjang 7,5 mm yang memiliki factor refleksi lebih baik dari yang lain. Setelah dilakukan penentuan panjang b didapatkan 5 mm, panjang a didapatkan 10 mm, panjang l1 didapatkan 26,75, panjang l2 didapatkan 7,5 selanjutnya dilakukan simulasi untuk menentukan panjang h.
43
Tabel 4.5 Variasi Ukuran Panjang h Ukuran Panjang No h 1
8,25 mm
2
8,75 mm
3
9 mm
4
9,25 mm
5
9,5 mm
Gambar 4.5 Perbandingan return loss variasi panjang h Dengan memvariasikan panjang h dari 5 ukuran panjang, didapatkan dengan panjang 9,25 mm yang memiliki factor refleksi lebih baik dari yang lain. Setelah dilakukan penentuan panjang b didapatkan 5 mm, panjang a didapatkan 10 mm, panjang l1 didapatkan 26,75, panjang l2 didapatkan 7,5 dan panjang h didapatkan 9,25 mm, selanjutnya dari beberapa nilai variabel tersebut
44
dikombinasikan dalam sebuah model rancangan, dan didapatkan 3 model rancangan yang memiliki factor refleksi lebih baik dari yang lain.
Gambar 4.6 Model rancangan 1
Gambar 4.7 Model rancangan 1 dalam 3D
45
Model rancangan diatas merupakan kombinasi dari beberapa hasil simulasi yang memiliki nilai a=10 mm, b=5 mm, h=9,25, l1 = 7,5 l2 = 27,75, yang memiliki factor refleksi sebagai berikut
Grafik 4.8 Return loss untuk model rancangan 1
Gambar 4.9 Model rancangan 2
46
Gambar 4.10 Model rancangan 2 dalam 3D Model rancangan diatas merupakan kombinasi dari beberapa hasil simulasi yang memiliki nilai a=8 mm, b=5 mm, h=9,25, l1 = 7,5 l2 = 27,75, yang memiliki factor refleksi sebagai berikut
Grafik 4.11 Return loss untuk model rancangan 2
47
Gambar 4.12 Model rancangan 3
Gambar 4.13 Model rancangan 3 dalam 3D Model rancangan diatas merupakan kombinasi dari beberapa hasil simulasi yang memiliki nilai a=7 mm, b=6 mm, h=9,25, l1 = 7,5 l2 = 27,75, yang memiliki factor refleksi sebagai berikut
48
Grafik 4.14 Return loss untuk model rancangan 3 4.3 Fabrikasi Antenna UWB Desain Elips Selanjutnya setelah mendapatkan hasil simulasi dan optimasi ukuran dan besaran antenna, maka tahap selanjutnya adalah fabrikasi. Untuk bahan yang digunakan adalah material FR4 dengan ketebalan 1,6 mm. Setelah hasil simulasi didapatkan, maka dilanjutkan pada pembuatan lay-out antenna UWB yang akan direalisasikan dalam bentuk film negative pada masing-maisng rancangan antenna. Dari film negative yang telah dibuat, akan dicetak pada bahan PCB, melalui proses photo etching yang memiliki tingkat ketelitian hingga 10 mikron. Pada proses photo etching ini dikerjakan oleh salah satu jasa servis pembuatan PCB. Setelah hasil etching sudah selesai, maka tahap selanjutnya adalah penyambungan konektor dengan material PCB yaitu dengan menyolder. Proses solder ini, memerlukan kehati-hatian karena jika terlalu banyak timah yang tertuang pada material akan mempengaruhi kualitas yang berbeda pada hasil simulasi.
49
Berikut ini hasil fabrikasi.
(a)
(b)
50
(c)
(d) Gambar 4.15 (a) Film pada proses photo etching (b) Realisasi 3 model Antenna UWB Elips desain (c) dan (d) pengukuran menggunakan penggaris didapat panjang FR4 3 cm dan lebarnya 1,5 cm.
51
4.4 Pengukuran Dan Analisa Antena UWB Elips Desain Pada bagian akhir dari penelitian ini adalah pengukuran factor refleksi dan VSWR dari antenna yang telah dibuat. Pengukuran tersebut dilakukan dengan menggunakan Vector Network Analyzer (VNA) diproduksi perusahaan RohdeSchwarz dengan frekuensi kerja 1 GHz – 15 GHz. Factor refleksi atau return loss merupakan besaran daya pantul yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi input dengan saluran transmisi. Besarnya 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 menunjukkan saluran yang mendekati sepadan (matching). 4.4.1 Data Hasil Pengukuran Dari hasil pengukuran yang sudah dilakukan pada 3 model rancangan antenna, diperoleh hasil sebagai berikut.
52
Gambar 4.16 Return loss pada antenna model 2 Nilai return loss yang lebih baik dari antenna model 1, dimana nilai return loss <-10 dB yaitu 5,3 GHz – 8,2 GHz dan pada 11,2 GHz sampai pada frekuensi yang tidak diketahui, karena pada pengukuran hanya sampai frekuensi 15 GHz. Untuk nilai VWSR diperoleh nilai <2 yang in-line dengan keadaan factor refleksi ketika <-10 dB
53
Gambar 4.17 VSWR pada antenna model 2
