DESAIN DAN PEMBUATAN ANTENA LOG – PERIODIC DIPOLE ARRAY PADA RENTANG FREKUENSI 425-890 MHz DENGAN GAIN 8,5 dBi LAPORAN TUGAS AKHIR
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3
oleh :
MONIKA SETIANI GULO NIM : 1205061025 dan RULI RAHMAN NIM : 1205061040
PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2015
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 425 – 890 MHz dengan gain 8,5 dBi. Panjang total dari struktur antena Log-Periodic Dipole Array tergantung pada rentang frekuensi yang beroperasi pada modus λ/2 dan jumlah elemen dipole ditentukan oleh gain antena tersebut. Bahan yang digunakan terbuat dari pipa aluminium berbentuk round dengan diameter bagian luar 23 mm dan jumlah elemen dipole adalah 9 dengan diameter 8 mm. Dari hasil desain dan pembuatan serta pengukuran, diharapkan nilai VSWR tidak lebih dari 1 pada rentang frekuensi 425 MHz – 890 MHz.
iii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis sampaikan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya memberikan pengetahuan, pengalaman, kekuatan, dan kesempatan kepada penulis, sehingga mampu menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini dimaksudkan sebagai syarat untuk menyelesaikan studi di Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Medan. Dalam laporan ini penulis akan menjelaskan desain antena log-periodic dipole array. Dalam rancangan ini penulis telah mendapatkan bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, baik berupa moral maupun material. Pada kesempatan ini sudah selayaknya penulis mengucapkan 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. 5. Wiwinta Sutrisno, S.T., M.T, selaku Dosen Wali TK-6B. 6. Bapak dan Ibu staf pengajar Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Medan. 7. Orang Tua penulis yang telah memberikan dukungan moril dan material serta
iv
doa dalam menyelesaikan laporan ini. 8. Seluruh teman sekelompok tugas akhir dan khususnya kelas TK – 6B. 9. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu, yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Penulis sudah berupaya semaksimal mungkin, namun penulis juga menyadari terdapatnya kekurangan dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Karena itu, Penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun. Semoga laporan ini bermanfaat.
Medan, 20 Agustus 2015 Hormat kami,
Penulis
v
DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PERSETUJUAN .........................................................................
i
LEMBAR PENGESAHAN ...........................................................................
ii
ABSTRAK.....................................................................................................
iii
KATA PENGANTAR ..................................................................................
iv
DAFTAR ISI ................................................................................................
vi
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................
ix
DAFTAR TABEL .........................................................................................
xi
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xii BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ...........................................................
1
1.2 Perumusan Masalah .................................................................
2
1.3 Batasan Masalah ......................................................................
3
1.4 Tujuan......................................................................................
3
1.5 Metode Penulisan .....................................................................
4
1.6 Sistematika Penulisan...............................................................
5
BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Pengertian Antena ....................................................................
7
2.2 Bentuk Dasar Antena ...............................................................
9
2.2.1 Antena Isotropis.....................................................................
9
2.2.2 Antena Dipole........................................................................
9
2.2.3 Antena Dipole Ideal ............................................................... 10 2.3 Sistem Koordinat Bola ............................................................. 10 2.4 Parameter-Parameter Antena .................................................... 12 2.4.1 Pola Radiasi Antena ................................................................ 12 2.4.2 Polarisasi Antena .................................................................... 15
vi
2.4.3 Direktivitas ............................................................................. 16 2.4.4 Gain Antena............................................................................ 18 2.4.5 Formula Transmisi Friis .......................................................... 19 2.4.6 Bandwidth Antena .................................................................. 20 2.4.7 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) ................................... 21 2.5 Antena Log Periodic Dipole Array (LPDA) ............................. 23 2.5.1 Susunan Dipole ....................................................................... 25 2.6 Saluran Transmisi .................................................................... 29 2.6.1 Penentuan Tegangan, Arus, dan Impedansi Dilihat dari Sumber atau Beban ................................................................ 29 2.6.2 Pantulan Gelombang .............................................................. 30 2.6.3 Balun ..................................................................................... 32 BAB 3 DESAIN DAN PEMBUATAN ANTENA 3.1 Desain Antena Log-Periodic Dipole Array (LPDA).................. 36 3.2 Merancang dan Menghitung Elemen-Elemen Dipole Antena Log-Periodic Dipole Array ...................................................... 36 3.2.1 Menghitung Harga Sudut (α) ................................................... 36 3.2.2 Menghitung Bandwidth Daerah Aktif (Bar) .............................. 37 3.2.3 Menghitung Bandwidth Yang Didesain (Bs) ............................ 37 3.2.4 Menghitung Panjang Total Struktur Antena (L) ....................... 38 3.2.5 Menghitung Jumlah Elemen-Elemen Dipole (N) ..................... 38 3.2.6 Mengitung Impedansi Karakteristik Rata-Rata dari ElemenElemen (Za) .............................................................................. 39 3.2.7 Menentukan Impedansi Input Antena (Rin) .............................. 39 3.2.8 Menghitung Faktor Jarak Rata-Rata ( )................................... 39 3.2.9 Menghitung Impedansi Karekteristik Saluran Feeder (Zo) ....... 40 3.2.10 Menghitung Jarak Pusat ke Pusat dari Konduktor Saluran Feeder (S) .............................................................................. 40 3.2.11 Menghitung Setiap Panjang Elemen Dipole (ln) dan Menghitung ln’=ln/2 untuk Setiap Elemen .............................. 40
vii
3.2.12 Menghitung Setiap Jarak Diantara Elemen-Elemen Dipole yang Berdekatan (dn)............................................................. 42 3.2.13 Menentukan Diameter dari Elemen Dipole Terpanjang (Dmaks) ................................................................................... 43 3.3 Diagram Alir ............................................................................ 47 3.4 Alat dan Bahan yang Digunakan .............................................. 48 3.5 Tahapan-Tahapan Pembuatan Antena....................................... 49 BAB 4 HASIL PENGUKURAN ANTENA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengukuran Antena .................................................................. 53 4.1.1 Pengukuran Gain, Pola Radiasi, dan Direktivitas Antena ....... 53 4.1.2 Pengukuran Koefisien Pantul ................................................. 65 BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan .................................................................................. 79 5.2 Saran ........................................................................................ 79 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 80 LAMPIRAN .................................................................................................. 81
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar
Halaman
2.1 a. Antena A yang memancar b. Antena B yang memancar ....................................................................
8
2.2 Pola Radiasi Antena Isotropis ..................................................................
9
2.3 Pola Radiasi Antena Dipole λ/2 ................................................................
9
2.4 Antena Dipole Ideal ................................................................................. 10 2.5 Sistem Koordinat Bola ............................................................................. 11 2.6 Istilah-Istilah Pola Radiasi Antena ........................................................... 12 2.7 Model Pola Radiasi ................................................................................. 14 2.8 Polarisasi Elips Secara Umum .................................................................. 15 2.9 Sebuah Antena Pemancar Mentransmisikan Daya ke Antena Penerima Pada Jarak Lintasan r ............................................................................... 19 2.10 Antena Log Periodic Dipole Array (LPDA) ........................................... 23 2.11 Geometri Dasar LPDA ........................................................................... 24 2.12 Konfigurasi Antena Log Periodic Dipole Array ..................................... 25 2.13 Gain Antena LPDA Sebagai Fungsi dari τ dan σ .................................... 26 2.14 Tegangan Generator yang Tersambung ke Beban Melalui Saluran Transmisi ............................................................................................... 29 2.15 Gelombang Datang dan Gelombang Pantul ............................................ 30 2.16 Konfigurasi Balun.................................................................................. 33 2.17 Balun ..................................................................................................... 35 3.1 Konstruksi Antena Tipe Log Periodic Dipole Array dengan Sambungan
ix
Kabel Coaxial .......................................................................................... 46 3.2 Diagram Alir Proses Analisa, Desain, Realisasi, dan Pengujian Antena .................................................................................................... 47 4.1 Set up Pengukuran Gain dan Pola Radiasi Antena .................................... 53 4.2 Kurva Gain versus Frekuensi ................................................................... 58 4.3 Tampilan Utama Scientech RPP2261A .................................................... 61 4.4 Tampilan Manual Entry ........................................................................... 62 4.5 Mengatur Angle Step Pada Manual Entry ................................................. 62 4.6 Data Pada Manual Entry .......................................................................... 63 4.7 Pola Radiasi Antena pada Frekuensi 449 MHz ........................................ 64 4.8 Set-up Pengukuran Koefisien Pantul ........................................................ 66 4.9 Kurva VSWR versus Frekuensi ................................................................ 78
x
DAFTAR TABEL Tabel
Halaman
3.1 Panjang Elemen-Elemen Dipole (ln) dan ln’ ............................................. 42 3.2 Jarak Diantara Elemen-Elemen Dipole yang Berdekatan (dn) ................... 43 3.3 Diameter Setiap Elemen-Elemen Dipole (Dn) ........................................... 44 3.4 Parameter-Parameter Antena Hasil Desain ............................................... 45 4.1 Hasil Pengukuran Gain Antena LPDA ..................................................... 55 4.2 Pengukuran Pola Radiasi dan Direktivitas Antena LPDA ......................... 59 4.3 Hasil Pengukuran Koefisien Pantul dan Hasil Perhitungan VSWR Antena LPDA .......................................................................................... 66
xi
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran
Halaman
1. Foto Tahapan-Tahapan Pembuatan Antena ................................................. 81 2. Foto Alat Pengukuran Antena..................................................................... 85 3. Foto Hasil Desain dan Pembuatan Antena .................................................. 86
xii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah 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 pesawat penerima disebut antena penerima, antena yang dipasang pada pesawat pemancar dan penerima (transceiver) 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. Untuk meningkatkan manfaat dari suatu sistem antena, sebuah antena dapat didesain beroperasi pada rentang frekuensi lebar yang dapat meliputi dua atau lebih band sistem telekomunikasi, untuk ini digunakan antena tipe wideband yang merupakan antena yang mempunyai lebar frekuensi yang lebar. Tipe antena log-periodic dipole array (LPDA) mempunyai daerah operasi idealnya tidak tergantung frekuensi. Salah satu kelas antena diantara log-periodic dipole array adalah antena log-periodic dipole array hubungan coaxial, dimana antena ini dapat dioperasikan pada bandwidth antena yang memiliki lebar frekuensi yang lebar (Balanis A. Constantine). Disebut antena log-periodic karena variasi-variasi yang periodic dari parameter-parameter antena ini seperti pola radiasi, direktivitas, beamwidth,
1
2
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 jumlah pengulangan putaran-putaran yang dihasilkan oleh bentuk desain strukturnya, 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 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
elemen-elemen
antena
disambungkan dengan menggunakan saluran pengumpan (feeder line) yang terbuat dari pipa aluminium berbentuk round.
1.2 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 tertentu yang diinginkan 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 banyak dan waktu pengerjaan yang lebih lama. Salah satu cara untuk mengatasi masalah tersebut maka akan di desain antena log-periodic dipole array yang beroperasi pada modus λ/2 dari 425 – 890 MHz. Agar kegiatan pada tulisan ini lebih terarah maka pertanyaan-pertanyaan
3
yang harus dijawab adalah : 1.2.1 Berapa perhitungan dimensi-dimensi fisik antena? 1.2.2 Bagaimana bentuk gambar pola radiasi antena? 1.2.3 Berapa direktivitas antena? 1.2.4 Berapa rentang frekuensi operasi antena pada gain yang diinginkan? 1.2.5 Berapa rentang frekuesni operasi antena pada nilai VSWR tertentu?
1.3 Batasan Masalah Pada penulisan tugas akhir ini, untuk mendapatkan pembahasan semaksimal mungkin dan agar mudah dipahami serta menghindari pembahasan yang terlalu meluas maka pembahasan masalah sangat dibutuhkan. Adapun batasan masalah yang dibahas dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1.3.1 Mendesain dan membuat antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 425 – 890 MHz dengan gain 8,5 dBi 1.3.2 Mengukur daya terima dan daya pancar untuk menghitung pola radiasi, gain, direktivitas dan VSWR dan menggambarkan pola radiasi 1.3.3 Tidak menguji lapangan
1.4 Tujuan Tujuan utama dalam pembuatan laporan tugas akhir ini adalah: 1.4.1 Mendesain dan merealisasikan sebuah antena log-periodic dipole array hubungan coaxial pada rentang frekuensi 425-890 MHz dengan gain 8,5 dBi. 1.4.2 Memberikan pada khalayak ramai cara mengukur parameter-parameter antena.
4
1.4.3 Memberikan contoh aplikasi dari antena log-periodic dipole array dengan menghubungkannya pada kabel coaxial RG58 C/U 50 Ω.
1.5 Metode Penulisan Metode yang dilakukan dalam penulisan Laporan Tugas Akhir ini adalah : 1.5.1 Studi Literatur Mempelajari prinsip kerja antena log-periodic dipole array pada situs-situs yang memberikan penjelasan dan pembahasan tentang antena log-periodic dipole array serta dari buku – buku yang berkaitan tentang antena logperiodic dipole array tersebut. 1.5.2 Spesifikasi Mendesain sifat – sifat atau spesifikasi dari alat tersebut agar perancangan sesuai dengan yang diharapkan. Spesifikasinya adalah sebagai berikut: • Gain 8,5 dBi • Sistem impedansi 50 Ω • Setengah sudut puncak
adalah 16,6°
• Bandwidth yang diinginkan 2,094 • Tinggi tiang antena tidak lebih dari 1,5 meter • Jumlah elemen dipole adalah 9 elemen dengan elemen dipole terpanjang 353 mm dan elemen dipole terpendek 74,2 mm • Jarak diantara elemen-elemen dipole yang berdekatan terpanjang adalah 104,9 mm dan terpendek adalah 26,8 mm • Diameter elemen dipole adalah 8 mm • Jarak pusat ke pusat dari konduktor saluran feeder adalah 26,1 mm
5
1.5.3 Penjadwalan Sebelum melakukan pendesainan dan merealisasikan antena, terlebih dahulu membuat jadwal dari kegiatan yang akan dilakukan sehingga pekerjaan dapat berjalan teratur. 1.5.4 Desain Mendesain dimensi-dimensi fisik antena dan melakukan perhitungan antena log-periodic dipole array yang bekerja pada rentang frekuensi 425 – 890 MHz dengan Gain 8,5 dBi. 1.5.5 Pembuatan perangkat antena Memilih bahan dan membuat antena berbentuk log-periodic dipole array yang bekerja pada rentang frekuensi 425-890 MHz berdasarkan teori antena log-periodic dipole array. 1.5.6 Pengujian laboratorium Melakukan pengujian antena yang telah dibuat di laboratorium dengan alat-alat yang ada pada laboratorium. 1.5.7 Analisa data Setelah melakukan pengujian, maka hasil pengukuran dianalisa terhadap antena yang dibuat serta fungsinya untuk antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 425-890 MHz. 1.5.8 Kesimpulan Membuat kesimpulan dari hasil pengukuran dan analisa data terhadap antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 425-890 MHz.
1.6 Sistematika Penulisan Adapun sistematika dalam penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai
6
berikut : BAB 1 PENDAHULUAN Berisikan tentang latar belakang, tujuan penulisan, perumusan masalah, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan laporan. BAB 2 KERANGKA TEORI Berisikan penjelasan mengenai dasar teori komponen utama yang digunakan dalam mendesain dan membuat antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 425-890 MHz dengan gain 8,5 dBi. BAB 3 DESAIN DAN PEMBUATAN ANTENA Menjelaskan langkah-langkah mendesain dan membuat antena logperiodic dipole array pada rentang frekuensi 425-890 MHz dengan gain 8,5 dBi. BAB 4 HASIL PENGUKURAN ANTENA DAN PEMBAHASAN Menjelaskan tentang tata cara pengukuran lab, pengujian disertai analisa terhadap hasil pengukuran dan pengujian. BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN Menjelaskan kesimpulan dari rancangan yang telah dibuat serta saransaran kepada pembaca guna perbaikan dan pengembangan tugas akhir.
