SKRIPSI
Perancangan Antena Mikrostrip Pada Frekuensi 2,3 Ghz Untuk Aplikasi LTE (Long Term Evolution) Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Program Strata Satu (SI)
Disusun oleh :
Nama : Moh Sentot Samsul NIM : 2010210008
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DARMA PERSADA JAKARTA 2015
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR Dengan Judul :
Perancangan Antena Mikrostrip Pada Frekuensi 2,3 Ghz Untuk Aplikasi LTE (Long Term Evolution)
Disusun oleh : MOH SENTOT SAMSUL 2010210008
Telah diterima dan disahkan sebagai salah satu syarat menyelesaikan program Strata Satu (S1) untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Darma Persada Disahkan Oleh : Ketua Jurusan Teknik Elektro
Pembimbing Tugas Akhir
M. Darsono, ST, MT
M. Darsono, ST, MT
NIDN. 0302116701
NIDN. 0302116701
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DARMA PERSADA JAKARTA 2015
ii
Lembar Pernyataan
Saya yang bertanda tangan dibawah ini : Nama
: Moh Sentot Samsul
NIM
: 2010210008
Judul Tugas Akhir
: Perancangan Antena Mikrostrip Pada Frekuensi 2,3 Ghz Untuk Aplikasi LTE (Long Term Evolution)
Menyatakan bahwa skripsi ini merupakan tulisan sendiri dari hasil penelitian dibawah bimbingan Bapak. M Darsono, ST, MT dan bukan merupakan hasil jiplakan dari hasil karya orang lain. Dan isi Tugas Akhir ini sepenuhnya menjadi tanggung jawab saya. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Jakarta, September 2015 Penulis
Moh Sentot Samsul
i
KATA PENGANTAR Assalamualaikum Wr.Wb. Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Penulisan tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana strata satu (S1) teknik elektro telekomunikasi Universitas Darma Persada. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan, bimbingan dan semua fasilitas serta pengarahan-pengarahan yang diberikan kepada penulis selama melaksanakan penyusunan tugas akhir ini, yaitu kepada yang terhormat : 1. Bapak M. Darsono, ST, MT selaku dosen pembimbing tugas akhir dan sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro 2. Bapak Ir. Agus Sun Sugiarto, MT selaku dosen Teknik Elektro Universitas Darma Persada. 3. Seluruh dosen dan staff fakultas teknik Universitas Darma Persada yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. 4. Orang tua penulis, ibunda tercinta yang selalu memberikan dorongan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir. 5. Semua pihak yang telah berjasa dalam memberikan saran dan dukungan yang tidak dapat disebutkan satu persatu, khususnya teman-teman seangkatan Elektro 2010. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih banyak terdapat kekeurangan, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk pengembangan dan perbaikan, sehingga penulis dapat mempersembahkan hasil yang lebih baik lagi kedepannya. Akhir kata semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi pembacanya. Wassalamualaikum Wr.Wb Jakarta, September 2015
Penulis
iii
ABSTRAK Antena mikrostrip merupakan antena yang saat ini popular karena memiliki keunggulan sehingga kompatibel dan mudah diintegrasikan. Dengan adanya teknologi LTE, kebutuhan tidak hanya terbatas pada komunikasi suara saja, akan tetapi juga dilakukan untuk komunikasi wireless. Pada tugas akhir ini telah dirancang sebuah antena mikrostrip planar monopol melalui metode simulasi, pada frekuensi 2,3 Ghz untuk aplikasi LTE. Perancangan antena menggunakan media substrat RT/Durroid 5880 dengan konstanta dielektrik ( r ) 2.2, loss tangent ( tan ) 0.002, dan ketebalan substrat (h) sebesar 1,57 mm. Rancangan antena dibentuk dalam dimensi substrat 80x80 mm2 dengan struktur satu lapis menggunakan bidang pentanahan sebagian, serta bentuk konduktor peradiasi bujur sangkar dengan penambahan celah persegi disisi tengah patch. Pencatuan menggunakan saluran transmisi mikrostrip dengan impendansi 50 Ω. Penentuan lebar pencatu menggunakan software PCAAD, sementara pembentukan dan perancangan antena disimulasikan dengan menggunakan software AWR Microwave Office. Melalui pendekatan simulasi, antena dengan jenis antena direksional dan memiliki polarisasi linier telah disimulasikan dan mendapatkan nilai parameterparameter dalam pembuatan antena mikrostrip. Yaitu meliputi return loss, VSWR dan impedansi masukan. Hasil simulasi yang dilakukan, diperoleh untuk kerja antena pada return loss dibawah -10 dB yaitu 26,69 dB dengan jangkuan frekuensi 2.099-2.599 Ghz membentuk wideband, memiliki lebar bandwidth keseluruhan 500 Mhz yang tersimulasikan pada VSWR minimum 1.097 pada resonansi 2.3 Ghz dengan impedansi masukan Zin = 46.31 Ω. Kata kunci : Mikrostrip, Bujur Sangkar, Direksional, Monopol, Celah Persegi, LTE (Long Term Evolution).
4
Daftar isi
Lembar Pernyataan ...................................................................................
i
Lembar Pengesahan ..................................................................................
ii
Kata Pengantar ..........................................................................................
iii
Abstrak ......................................................................................................
iv
Daftar Isi .................................................................................................... v Daftar Gambar ........................................................................................... ix Daftar Tabel ............................................................................................... xi Daftar Simbol dan Singkatan ....................................................................
xii
BAB I PENDAHULUAN ........................................................................
1
1.1. Latar Belakang .....................................................................
1
1.2. Tujuan Penelitian .................................................................
3
1.3. Rumusan Masalah ...............................................................
3
1.4. Batasan Masalah ..................................................................
3
1.5. Metodelogi Penelitian .........................................................
3
1.6. Sistematika Penulisan ..........................................................
4
BAB II TEORI DASAR ANTENA MICROSTRIP ................................
6
2.1. Antena Microstrip ..................................................................
6
2.2. Elemen Peradiasi Antena ........................................................ 8 2.2.1. Microstrip Patch Antena .......................................... 9 2.2.1.1. Patch persegi panjang ............................... 9 2.2.2. Microstrip Dipole Antena ........................................ 11 2.2.3. Printed Slot Antena .................................................. 11 2.2.4. Microstrip Travelling Antena ................................... 12 2.3. Teknik Pencatuan Saluran Transmisi Microstrip .................... 14
5
2.3.1. Microstrip Feed Line ................................................ 14 2.3.2. Coaxial Feed ............................................................ 15 2.3.3. Aperture Coupled Feed ............................................ 16 2.3.4. Proximity Coupled Feed ........................................... 17 2.3.5. Coplanar Feed Line .................................................. 18 2.4. Metoda Analisa ....................................................................... 19 2.4.1. Transmission Line Model ........................................ 19 2.4.2. Cavity Model ........................................................... 20 2.5. Parameter Antena Microstrip .................................................
21
2.5.1. Return Loss .............................................................
22
2.5.2. VSWR .....................................................................
22
2.5.3. Bandwidth ...............................................................
23
2.5.4. Input Impedance ......................................................
24
2.5.5. Pola Radiasi ............................................................. 24 2.5.5.1. Pola Radiasi Antena Unidirectional .........
25
2.5.5.2. Pola Radiasi Antena Omnidirectional ....... 26 2.5.6. Polarisasi .................................................................. 26 2.5.7. Gain .......................................................................... 28 2.5.8. Beamwidth ................................................................ 29 2.5.9. Directivity ................................................................. 30 2.5.10. Impedance Karakteristik Saluran Microstrip .......... 30 2.6. Modifikasi Antena Microstrip .................................................. 31 2.6.1. Antena Microstrip Broadband Multiband ................. 31 2.6.2. Antena Microstrip Ultrawideband ............................ 35 2.7. Perkembangan Teknologi LTE ................................................ 36
6
2.7.1. OFDM ...................................................................... 41 2.7.2. MIMO ...................................................................... 42 2.7.3. Teknologi EPC ......................................................... 43 2.7.4. Perbandingan Karakteristik LTE dan UMTS/HSPA 45 2.7.5. Layanan-layanan LTE .............................................
46
2.7.6. LTE Link Budget ....................................................
47
2.7.7. Perangkat Pengirim LTE ......................................... 49 2.7.8. Media Propagasi ...................................................... 50 2.7.9. Path Loss Model ...................................................... 50 2.7.10. Faktor Geografis .................................................... 51 2.8. Solusi NSN Untuk Jaringan LTE ............................................ 52 2.9. Produk NSN Untuk Perangkat BTS LTE ................................ 52 2.9.1. Sektor RF Module ..................................................... 53 2.9.2. Flexi Multimedia System Module ............................ 53 2.9.3. Flexi Multiradio BTS with MIMO ........................... 53 2.10. Skenario Migrasi BTS NSN Flexi WCDMA ke LTE ........... 55 2.11. Dasar Acuan Perancangan Antena ......................................... 56 BAB III PERANCANGAN ANTENA MICROSTRIP ............................. 59 3.1. Dasar Perancangan Antena ...................................................... 59 3.2. Media Perancangan Antena ..................................................... 60 3.2.1. Software dan Hardware Perancangan Antena ........... 60 3.3. Perancangan Antena Microstrip .............................................. 62 3.4. Rancangan Dasar Antena ......................................................... 64 3.4.1. Menentukan Lebar Saluran Pencatu .......................... 64 3.4.2. Menentukan Dimensi Patch ....................................... 65
vii
3.4.3. Konfigurasi pada Software Simulasi AWR 2002 ..... 68 3.5. Konfigurasi Rancangan Antena ............................................... 74 3.5.1. Pemodelan Patch Pada Antena Persegi .................... 74 3.5.1.1 Perancangan Antena Persegi Tanpa Modifikasi ...... 75 3.5.1.2 Perancangan Antena Persegi dengan Slot ........... ... 76 3.5.1.3 Pembatasan pada Bidang Ground Plane ................. 79 BAB IV ANALISA PARAMETER ANTENA ......................................... 81 4.1. Konfigurasi Antena Hasil Rancangan ..................................... 81 4.2. Parameter Antena Hasil Rancangan ....... ...............................
84
4.2.1 Parameter Hasil Simulasi ........................................
84
4.2.1.1 Bandwidth ................................................
84
4.2.1.2 VSWR .......................................................
86
4.2.1.3 Impedansi Masukan ..................................
86
4.2.1.4 Polarisasi ...................................................
88
4.2.1.5 Pola Radiasi ..............................................
89
4.3. Spesifikasi Antena Hasil Rancangan .....................................
90
BAB V KESIMPULAN ............................................................................
91
Daftar Pustaka ............................................................................................ 92
viii
Daftar Tabel
Tabel 2.1. Evolusi Teknologi Telekomunikasi Selular Tabel 2.2. Klasifikasi layanan mobile pada LTE Tabel 2.3 Tabel Skenario Propagasi Tabel 3.1 Spesifikasi media substrate antena mikrostrip Tabel 4.1 Dimensi ukuran antena hasil perancangan tampak atas Tabel 4.2 Dimensi ukuran antena hasil perancangan tampak bawah
xi
Daftar Gambar Gambar 2.1. Struktur Antena Microstrip ..................................................
7
Gambar 2.2. Jenis - jenis Antena Microstrip ............................................
9
Gambar 2.3. Struktur dan patch antena mikrostrip ...................................
11
Gambar 2.4. Patch bujur sangkar ............................................................. 12 Gambar 2.5. Bentuk dasar antena slot ....................................................... 13 Gambar 2.6. Contoh bentuk Microstrip Traveling-Wave Antena .............
14
Gambar 2.7. Skema pencatuan microstrip line .........................................
16
Gambar 2.8. Skema pencatuan probe coaxial ........................................... 17 Gambar 2.9. Skema pencatuan aperture couple ........................................ 18 Gambar 2.10. Skema pencatuan proximity couple ...................................
19
Gambar 2.11. Skema Pencatuan Coplanar Feedline ................................
20
Gambar 2.12. Saluran transmisi ................................................................
20
Gambar 2.13. Distribusi muatan dan arus .................................................
22
Gambar 2.14. Rentang frekuensi bandwidth ............................................. 24 Gambar 2.15. Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional ....................... 26 Gambar 2.16. Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional .................... 27 Gambar 2.17. Polarisasi ellips dengan sudut τ yang dibentuk Ex dan Ey ... 28 Gambar 2.18. Beamwidth antena ............................................................... 30 Gambar 2.19. Macam-macam bentuk celah untuk rancangan kompak ..... 33 Gambar 2.20. Evolusi Perubahan Teknologi Telekomunikasi .................... 36 Gambar 2.21. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) 41 Gambar 2.22. Evolved packet core dalam arsitektur jaringan LTE ........... 44 Gambar 2.23. Ilustrasi Link Budget LTE .................................................... 48 Gambar 2.24. Wilayah Geografis LTE Jakarta ........................................ 51 Gambar 2.25. Solusi NSN Untuk Setiap Jalur Migrasi LTE ..................... 52 Gambar 2.26. 3-Sector RF module ............................................................ 53 Gambar 2.27. Flexi Multimode System Module ........................................ 53 Gambar 2.28. Flexi Multiradio BTS Dengan MIMO ................................ 54 Gambar 2.29. Skenario Migrasi BTS NSN Flexi WCDMA ke LTE ......... 55
9
Gambar 2.30 Antena LTE 6 Slits .............................................................
56
Gambar 2.31 Antena Mikrostrip Array Persegi Empat ............................
57
Gambar 2.32 Antena Mikrostrip Patch Bowtie ........................................
58
Gambar 3.1. Diagram Alir Perancangan Antena ......................................
63
Gambar 3.2 Tampilan software PCAAD lebar saluran antena .................
64
Gambar 3.3 Ukuran Lebar Saluran Pencatu Antena ................................
65
Gambar 3.4 Ukuran Sisi Patch Persegi ....................................................
68
Gambar 3.5 Tahap awal simulasi pada Software Microwave Office 2002
69
Gambar 3.6 Konfigurasi Ukuran Dimensi Substrate Antena ...................
69
Gambar 3.7 Konfigurasi Layer Dielektrik Antena ...................................
70
Gambar 3.8 Konfigurasi Boundaries Setting pada Antena .......................
70
Gambar 3.9 Penggunaan Port pada Saluran Pencatu ................................. 71 Gambar 3.10 Pilihan Opsi pada AWR MWO Program Simulasi Antena ... 72 Gambar 3.11 Pilihan perancangan parameter pada Microwave Office ...... 73 Gambar 3.12 Pengaturan Jangkauan Frekuensi pada Perancangan Antena 74 Gambar 3.13 Rancangan antena patch persegi tanpa modifikasi .............
75
Gambar 3.14 Hasil return loss patch persegi tanpa modifikasi ................. 76 Gambar 3.15 Konfigurasi antena hasil rancangan tampak bawah ............
77
Gambar 3.16 Konfigurasi awal pemberian celah persegi pada radiator .... 77 Gambar 3.17 Pengurangan dimensi pada slot persegi ............................... 78 Gambar 3.18 Hasil return loss terhadap perubahan pengurangan dimensi 79 Gambar 3.19 Konfigurasi Penambahan Ground Plane ............................. 80 Gambar 3.20 Hasil return loss terhadap penambahan ground plane ......... 80 Gambar 4.1. Konfigurasi antena hasil rancangan tampak atas ................... 81 Gambar 4.2. Konfigurasi antena hasil rancangan tampak bawah ............... 82 Gambar 4.3. Konfigurasi antena hasil rancangan tampak samping ............ 83 Gambar 4.4. Parameter return loss terhadap frekuensi hasil simulasi ....... 84 Gambar 4.5. Parameter VSWR terhadap frekuensi hasil simulasi .............. 86 Gambar 4.6. Grafik Smith Chart impedansi input ...................................... 87 Gambar 4.7 Polarisasi pada power directivity antena dari hasil simulasi ... 88
1 0
Gambar 4.8 Radiation pattern pada antena dari hasil simulasi .................. 90
1 1
Daftar Simbol dan Singkatan 3GPP
The 3rd Generation Partnership Project
αc
Rugi konduktor
αd
Rugi dielektrikal
β
Beamwidth dari pola radiasi antena
εr
Dielektrik konstan
εreff
Dielektrik konstan aktif
|E|
Resultan magnitude medan listik
λ0
Panjang gelombang di udara saat osilasi
λg
Panjang gelombang guide pada saluran
ΓL
Koefisien refleksi
η
Impedansi intrinsik ruang bebas (377 Ω )
AR
Axial Ratio
c
Kecepatan cahaya (3xl 08 m / s)
CDMA
Code Division Multiple Access
CSFB
Circuit Switched Fallback
B
Beamwidth
BTS
Base Transceiver Station
BW
Bandwidth
Eɵ
Komponen medan listrik ɵ
Eϕ
Komponen medan listrik ϕ
EDGE
Enhance Data Rates for GSM Evolution
ƒ0
Frekuensi osilasi
ƒc
Frekuensi tengah
ƒH
Frekuensi atas untuk penentuan bandwidth
ƒL
Frekuensi bawah untuk penentuan bandwidth
FBW
Fractional Bandwidth
FCC
Federal Communication Commision
FDTD
Finite Different Time Domain
FEM
Finite Element Methode
xii
FNBW
First Null Bandwidth
G
Gain (Penguatan)
GHz
Giga Hertz
GPRS
General Packet Radio System
h
Ketebalan Substrat
HPBW
Half Power Beamwidth
I0
Intensitas Radiasi maksimum antena
I
Intensitas Radiasi maksimum dari antena referensi
L
Panjang patch
Leƒƒ
Panjang sisi efektif
LHCP
Left Handed Circular Polarization
LTE
Long Term Evolution
MHz
Mega Hertz
MIMO
Multiple Input Multiple Output
MoM
Methode of Moment
MTA
Microstrip Traveling Wave Antena
MWO
Microwave Office
NSN
Nokia Siemens Network
PCAAD
Personal Computer Aided Antenna Design
PCB
Printed Circuit Board
Rin
Komponen impedansi real RFID Radio Frequency Identification
RHCP
Right Handed Circular Polarization
RL
Return Loss
RNC
Radio Network Controller
SVLTE
Simultaneous Voice and LTE
t
Ketebalan patch
tan δ
Dielektrik loss tangent
TDMA
Time Division Multiple Access
TE
Transverse Magnetic
OFDM
Orthogonal Frequency Division Mutiplexing
13
UWB
Ultrawideband
V0-
Tegangan yang dipantulkan (Volt)
V0+
Tegangan yang dikirimkan (Volt)
VSWR
Voltage Standing Wave Ratio
VoLTE
Voice over LTE
W
Lebar patch
w
Lebar saluran transmisi
W
width to height, rasio lebar patch terhadap ketebalan substrat
WiMax
Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN
Wireless Local Area Network
WPAN
Wireless Personal Area Network
Xin
Komponen impedansi imajiner
Z0
Impedansi saluran
Zin
Impedansi masukan
Zt
Impedansi beban atau load
/h
14
