KARAKTERISASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGITIGA SAMASISI DENGAN FREKUENSI KERJA 2,4 GHz UNTUK KOMUNIKASI WIRELESS Rolly Ega Suganda1, Nurma Sari1, dan Suryajaya1
ABSTRAK. Telah dibuat antena mikrostrip patch segitiga samasisi dengan frekuensi kerja 2,4 GHz. Antena mikrostrip patch segitiga dipilih karena memiliki dimensi yang lebih kecil untuk menghasilkan radiasi dan frekuensi kerja yang sama dibandingkan bentuk geometris lainnya. Mikrostrip patch segitiga samasisi dibuat melalui tahap-tahap simulasi, fabrikasi, dan karakterisasi. Program simulasi antena mikrostrip dibuat menggunakan fitur GUI pada pemrograman Matlab. Antena yang telah difabrikasi, dibuat pada substrat FR4 dengan 4,7 pada ketebalan 1,6 mm dan 1,0 mm, variasi yang diterapkan adalah ukuran substrat yang dibuat pada luasan 55mmx55mm dan 60mmx60 mm, dengan total keseluruhan berjumlah empat sampel antena. Pada kondisi ideal keempat sampel harus memiliki return loss -54,4223 dB; VSWR 1,00; impedansi 49,81 ohm; dan gain 6,93 pada ketebalan substrat 1,6 mm dan 4,89 pada ketebalan substrat 1,0 mm. Hasil karakterisasi yang telah dilakukan didapatkan nilai return loss keempat sampel berurutan sebesar -19,558; -20,416; -17,25 dan -8,97 dB, VSWR berurutan bernilai 1,24; 1,21; 1,32 dan 2,26, Impedansi bernilai 56,734; 56,457; 54,069 dan 55,641 ohm, dan gain bernilai 2,21; 2,23; 2,1 dan 2,22 dB. Pola radiasi azimuth dan polarisasi membentuk kuncup besar dan kuncup belakang yang dominan, padahal pada kondisi ideal kuncup belakang dominan hanya terjadi pada antena omnidirectional. Pola radiasi elevasi membentuk pola menyerupai setengah lingkaran yang tidak sempurna ke arah gain maksimum. Dari keempat sampel, hanya antena empat yang tidak memenuhi syarat untuk digunakan pada frekuensi kerja 2,4 GHz, karena memiliki return loss dan VSWR yang tidak memenuhi standar. Kata kunci: komunikasi wireless, antena mikrostrip patch segitiga, Matlab
PENDAHULUAN Komunikasi
pada nirkabel
(wireless)
beberapa
termasuk
dekade
terakhir,
perkembangan
adalah salah satu bidang yang paling
komponen
dinamis
dalam
Salah satu komponen elektronika yang
modern.
Komunikasi
dunia
komunikasi
wireless
hadir
paling
elektronik
pada
berperan
penyusunnya.
pada
sistem
karena komunikasi menggunakan kabel
komunikasi wireless adalah antena.
dianggap kurang praktis. Hal inilah
(Tse & Viswanath, 2005).
yang
menyebabkan
komunikasi
wireless
perkembangan
Antena
mengalami
perkembangan yang sangat signifikan
21
perangkat
memungkinkan
terjadinya
sinyal
bentuk
dalam
Program Studi FisikaFMIPA Universitas Lambung Mangkurat Email:
[email protected]
1
adalah
yang
transfer gelombang
22 Jurnal Fisika FLUX, Vol. 13 No.1, Februari 2016 (21 – 29) elektromagnetik
yang
dipancarkan
melalui ruang bebas dan dapat diterima
dibandingkan bentuk geometris lainnya sehingga lebih efisien tempat.
oleh antena lain (Eibert & Volakis, 2007).
Mengingat
fungsinya
yang
sangat penting, para produsen selalu
Antena Mikrostrip Segitiga Antena
mikrostrip
merupakan
mengembangkan desain, bentuk dan
antena berbentuk geometri, yang dapat
teknologi antena seiring waktu. Salah
difabrikasi
satu
mudah
mikrostrip dapat dibagi menjadi empat
dikembangkan dan dimodifikasi ialah
kategori dasar yaitu antena mikrostrip
antena mikrostrip.
patch, antena mikrostrip dipole, antena
jenis
antena
Antena
mikrostrip
digunakan
yang
cocok
mikrostrip
perangkat
mikrostrip
sangat
untuk
dengan
slot
mudah.
printed
dan
travelling-wave.
Antena
antena (Chang,
telekomunikasi saat ini, yang mana
2000). Sebuah antena mikrostrip patch
sangat
dan
terdiri dari patch dari setiap planar atau
dibuat
non-planar geometri pada satu sisi
patch
substrat dielektrik dengan ground di sisi
tertentu yang akan membentuk pola
lain. Salah satu bentuk patch antena
radiasi dan memancarkan gelombang
mikrostrip
elektromagnetik
panjang
segitiga ini terbagi berdasarkan besar
tertentu.
ketiga sudutnya yaitu, 450-450-900, 300-
Antena mikrostrip memerlukan sebuah
600-900, dan segitiga samasisi dengan
perangkat lunak yang dapat digunakan
sudut 600-600-600, seperti terlihat pada
sebagai simulator untuk menentukan
Gambar 1.
memperhatikan
bentuk.
Antena
berdasarkan
gelombang
ukuran
mikrostrip
dimensi
dengan
pada
dan
frekuensi
adalah
segitiga.
Bentuk
dimensi pada suatu patch. Perangkat lunak
matlab
sebagai
dapat
dipergunakan
simulator antena
mikrostrip
dengan memanfaatkan fitur GUI. Antena mikrostrip memiliki banyak bentuk geometris yang dipergunakan sebagai bentuk dasar patch. Antena mikrostrip
patch
berbentuk
segitiga
samasisi pada frekuensi yang sama memiliki
dimensi
yang
lebih
kecil
Gambar 1. Antena mikrostrip patch segitiga (Tu, 1983).
Pada antena mikrostrip segitiga samasisi nilai frekuensi resonansi suatu
Suganda, R.E., dkk. Karakterisasi Antena Mikrostrip Patch Segitiga .... 23
peradiasi
segitiga
samasisi
yang
dikopel pada mode TMmn dinyatakan dengan Persamaan 1: =
,
2
3
+
,
+
(1)
adalah kecepatan cahaya bernilai 3x108
Gambar 2. Penyambungan garis mikrostrip (microstrip line feed) Dalam teknik penyambungan garis
m/s, µ0 adalah permeabilitas ruang
mikrostrip sebuah patch dihubungkan
vakum,
dengan tepi substrat yang terhubung
fr adalah frekuensi resonansi (GHz), c
adalah konstanta dielektrik
bahan, μ
adalah permitivitas bahan
dielektrik, dan a adalah panjang sisi segitiga (mm). Pada aplikasi mode dominan TM10, digunakan persamaan
dengan
konektor.
penyambungan
=
=
saluran
2000).
Saluran
(Chang,
transmisi
merupakan bagi
suatu
media
gelombang
yang
dikirimkan dari sumber ke beban yang
2
atau
disebut
transmisi
rambatan
2.
ini
Daerah
3 √
berada di ujung saluran. Karakteristik saluran transmisi terukur pada nilai (2)
√
impedansi saluran
(Chang, Bahl & Nair, 2002).
karakteritik yang
impedansi
sepanjang
dimilikinya.
karakteristik
Besar saluran
transmisi mikrostrip ditentukan oleh Saluran Transmisi Antena Mikrostrip Ada
beberapa
buah
penyambungan dalam fabrikasi antena mikrostrip yaitu penyambungan garis mikrostrip
(microstrip
line
feed),
penyambungan koaksial (coaxial feed), penyambungan (aperture
celah
coupled
bergabung feed),
spesifikasi yang terdapat pada substrat.
teknik
dan
Dimensi saluran transmisi yang diperhitungkan hanya ukuran lebarnya saja, karena panjang saluran transmisi tidak
begitu
impedansi saluran
mempengaruhi
karakteristiknya.
transmisi
dapat
nilai Lebar
diperoleh
menggunakan persamaan 4.
penyambungan proksimasi bergabung (proximity coupled feed). Gambar 5 menunjukan
teknik
penyambungan
garis mikrosotrip (Pambudhi, Darjat, & Ajulian, 2010).
=
− 1 − ln 2 − 1 +
1 + 0,39 −
,
ln
−
(4)
24 Jurnal Fisika FLUX, Vol. 13 No.1, Februari 2016 (21 – 29) B adalah nilai impedansi pada saluran
fabrikasi
pencatu, dimana B dapat diperoleh
dikarakterisasi,
menggunakan persamaan:
diperoleh pada proses karakterisasi
=
(5)
√
Zo adalah impedansi karakteristik ideal. Impedansi
karakteristik
saluran
transmisi pada mikrostrip untuk rasio (w/h > 1) dapat diperoleh dengan persamaan: ℎ
akan
=
,
,
( ,
]
(6)
)
mikrostrip
dan
dibandingkan
hasil
dengan
Simulasi antena mikrostrip dibuat dan dilakukan menggunakan perangkat lunak Matlab menggunakan fitur GUI. GUI
dalam
dimanfaatkan
Matlab
untuk
perhitungan dimensi dan parameter
saluran transmisi terhadap ketebalan
tampilan sederhana (Interface).
substrat, untuk konstanta permitivitas ) diperoleh melalui
persamaan: 1+
(7)
+ 0,04 1 −
h adalah ketebalan substrat (mm), w adalah
lebar
saluran
(mm),
dan
adalah konstanta dielektrik. (Chang, Bahl & Nair, 2002).
mikrostrip
dalam
sebuah
Setelah membuat program simulasi antena mikrostrip patch segitiga sama sisi,
+
dapat
menampilkan
antena
=
hasil
dilakukan.
w/h ialah rasio perbandingan lebar
dielektrik relatif (
yang
simulasi antena mikrostrip yang telah
Fitur [
antena
tahap
berikutnya
adalah
menjalankan program tersebut untuk menentukan dimensi antena mikrostrip yang
kemudian
akan
difabrikasi.
Program simulasi ini akan menentukan panjang sisi segitiga sama sisi dan lebar
saluran
transmisi
ideal
agar
antena mikrostrip patch segitiga sama METODOLOGI PENELITIAN
sisi dapat bekerja pada frekuensi 2,4
Penelitian ini terdiri dari beberapa
GHz.
tahap yaitu membuat program simulasi antena samasisi,
mikrostrip
patch
kemudian
segitiga
Apabila dimensi antena mikrostrip dan
lebar
saluran
transmisi
telah
menjalankan
didapatkan, tahap selanjutnya adalah
program simulasi menggunakan fitur
fabrikasi antena mikrostrip. PCB yang
GUI pada perangkat lunak Matlab untuk
digunakan dalam pembuatan antena
mendapatkan dimensi antena, dimensi
mikrostrip adalah PCB FR4 epoxy.
yang telah didapatkan digunakan untuk
Untuk menghasilkan antena mikrostrip
proses
single side, bahan PCB FR4 epoxy
fabrikasi,
kemudian
hasil
Suganda, R.E., dkk. Karakterisasi Antena Mikrostrip Patch Segitiga .... 25
yang digunakan adalah PCB double
Analyzer
layer
dengan parameter antena pada kondisi
dengan
nilai εr
4,7
dengan
ketebalan 1,0 dan 1,6 mm.
kemudian
dibandingkan
ideal yang diperoleh dari hasil simulasi.
Antena mikrostrip patch segitiga sama
sisi
yang
telah
dipabrikasi
kemudian dikarakterisasi menggunakan peralatan
Network
Simulasi dan Pabrikasi
dan
Input data pada program simulasi
Spectrum Analyzer. Hasil karakterisasi
yang telah dibuat berupa nilai frekuensi
antena mikrostrip akan memperoleh
kerja, konstanta dielektrik substrat, dan
parameter antena berupa: return loss,
ketebalan substrat. Output data pada
VSWR, impedansi, gain, pola radiasi
program simulasi berupa panjang sisi
dan
segitiga
polarisasi.
Analyzer
HASIL DAN PEMBAHASAN
Parameter
antena
samasisi,
saluran
loss,
VSWR,
mikrostrip yang telah diperoleh pada
transmisi,
proses
impedansi, efisiensi, gain, dan pola
pengukuran
Network
Analyzer
menggunakan dan
Spectrum
return
lebar
radiasi.
Gambar 2.Program simulasi antena mikrostrip yang telah dibuat
Tahap menjalankan
selanjutnya program
ialah
substrat sebesar 4,7 dan ketebalan
simulasi
substrat sebesar 1,6 mm dan 1,0 mm
tersebut untuk memperoleh dimensi
diperoleh
hasil
dan parameter ideal antena. Dengan
panjang sisi patch segitiga, lebar
memasukan nilai input frekuensi kerja
saluran
sebesar 2,4 GHz, konstanta dielektrik
antena pada kondisi ideal. Ketebalan
transmisi
simulasi
dan
berupa
parameter
26 Jurnal Fisika FLUX, Vol. 13 No.1, Februari 2016 (21 – 29) substrat sebesar 1,6 mm dan 1,0 mm
mengetahui apakah faktor ketebalan
dipilih sebagai variasi yang diterapkan
dan
pada proses pabrikasi antena. Selain
berpengaruh
ketebalan,
parameter antena yang nantinya akan
variasi lain
diterapkan substrat
adalah yang
yang juga
ukuran
digunakan
luasan
substrat atau
tidak
dapat terhadap
luas
dikarakterisasi.
Total
antena
yaitu
mikrostrip
akan
difabrikasi
yang
sebesar 55mm x 55 mm dan 60mm x
berjumlah 4 buah sampel, seperti
60mm. Variasi ini diterapkan untuk
yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Empat buah sampel antena mikrostrip patch segitiga sama sisi dengan frekuensi kerja 2,4 GHz dengan εr 4,7 Sampel 1 Ketebalan Substrat: 1,6 mm Luasan substrat: 55mm x 55mm
Berdasarkan
Sampel 2 Ketebalan Substrat: 1,6 mm Luasan substrat: 60mm x 60mm
hasil
simulasi
Sampel 3 Ketebalan Substrat: 1,0 mm Luasan substrat: 55mm x 55mm
kemudian
Sampel 4 Ketebalan Substrat: 1,0 mm Luasan substrat: 60mm x 60mm
didesain
menggunakan
didapatkan dimensi antena berupa
pemrograman grafis. Desain grafis
panjang
kemudian dicetak dan dietching. Hasil
sisi
sebesar
39,17
mm
dengan lebar feedline 2,95 mm pada
etching
substrat dengan ketebalan 1,6 mm,
konektor SMA seperti Gambar 3
kemudian
dipasangkan
serta panjang sisi sebesar 38,9 mm dengan lebar feedline 1,84 mm pada substrat dengan ketebalan 1 mm, dan Parameter antena pada kondisi ideal yang
diperoleh
dari
simulasi
menujukan nilai return loss bernilai 54,4223 dB, VSWR bernilai 1,00, impedansi bernilai 49,81, serta gain
Gambar 3. Antena mikrostrip yang telah siap untuk dikarakterisasi
bernilai 6,93 untuk antena dengan ketebalan substrat 1,6 mm dan 4,89 untuk antena dengan ketebalan 1,0 mm.
Karakterisasi Karakterisasi
(Teknik
pengu-
kuran) dalam antena mikrostrip terbagi
Dimensi antena mikrostrip yang
dua jenis yaitu pengukuran medan
telah didapatkan dari program simulasi
dekat dan pengukuran medan jauh.
Suganda, R.E., dkk. Karakterisasi Antena Mikrostrip Patch Segitiga .... 27
Pengukuran medan dekat dilakukan
begitupula
menggunakan
diperoleh mendapatkan perbandingan
perangkat
Analyzer.
Antena
sudah
difabrikasi
dihubungkan
Network
mikrostrip
yang
kemudian
dengan
port
daya
sebaliknya.
pemancar
penerima,
yang
Hasil
yang
terhadap
daya
kemudian
akan
pada
membentuk parameter gain. Untuk
Network Analyzer, secara otomatis
memperoleh parameter pola radiasi
parameter return loss, VSWR, dan
azimuth, pola radiasi elevasi, dan
impedansi akan tampil pada layar
polarisasi, antena mikrostrip diaktifkan
Network Analyzer.
sebagai antena penerima gelombang
Pengukuran medan jauh dilakukan menggunakan analyzer,
perangkat
antena
spectrum
referensi
berupa
antena horn, dan sweep oscillator frequency.
Antena
dipasang
pada
elektromagnetik
kemudian
perlahan
10o
setiap
diputar
hingga
total
berputar 360o, terhadap arah yang ditentukan. Berdasarkan hasil karakterisasi,
perangkat pengukuran medan jauh
didapatkan
yang berupa pemutar sudut 360o,
frekuensi kerja untuk semua sampel
berhadapan langsung dengan antena
yang dikarakterisasi berurutan adalah -
referensi
0,5
19,558, -20,416, -17,25 dan -8,97 dB.
sampai 4 meter (jarak antara antena
Nilai VSWR yang terukur berurutan
horn dan antena mikrostrip yang akan
adalah 1,24, 1,21, 1,32, dan 2,26. Nilai
diuji sudah ditentukan oleh standar
impedansi
dan spesifikasi antena horn yang
56,734, 56,457, 54,069, dan 55,641
dipergunakan). Konektor SMA pada
ohm. Nilai Gain berturut-turut adalah
antena
2,21, 2,23, 2,1, dan 2,22 dB.
dengan
mikrostrip
dihubungkan analyzer,
sedangkan
frequency. dengan
spectrum
loss
berturut-turut
pada
adalah
Hasil karakterisasi pola radiasi azimuth dan polarisasi yang terbentuk,
oscillator
membentuk kuncup utama dan kuncup
Pengukuran
dilakukan
belakang yang dominan, padahal pada
mengaktifkan
antena
ke
antena
return
horn
mikrostrip
sweep
sebagai
gelombang
jarak
kemudian
dengan
dihubungkan
antena
diberi
nilai
pemancar
elektromagnetik
horn
diaktifkan
disaat sebagai
penerima gelombang elektromagnetik,
kondisi
ideal
dominan antena pada
hanya
kuncup
terbentuk
omnidirectional, antena
belakang
yang
belakang untuk
sedangkan
directional terbentuk
kuncup harus
28 Jurnal Fisika FLUX, Vol. 13 No.1, Februari 2016 (21 – 29) membentuk pola yang sangat kecil
telah dikarakterisasi selain dipengaruhi
dibandingkan
dimensi matematis juga dipengaruhi
kuncup
utama.
Pola
radiasi elevasi menunjukan grafik yang
faktor
lainnya.
cukup mirip dengan kondisi ideal, yaitu
mempengaruhi perbedaan parameter
membentuk pola menyerupai setengah
hasil simulasi dan karakterisasi terbagi
lingkaran.
menjadi tiga macam yaitu faktor teknis, nonteknis,
KESIMPULAN
Faktor
Faktor
dan
teknis
yang
pemilihan berupa
bahan.
kesalahan
Semua sampel antena yang telah
fabrikasi meliputi ketidaktelitian dalam
dikaraketerisasi menunjukkan bahwa
skala kecil pada proses pendesainan
semua sampel dapat digunakan pada
patch dan saluran mikrostrip, ketidak-
frekuensi
kecuali
rapian dalam pemotongan sisi substrat
sampel 4. Berdasarkan karakteristik
dan hasil etching yang tidak smooth.
return loss dan VSWR antena pada
Faktor nonteknis berupa gangguan
sampel 4 tidak memenuhi syarat untuk
gelombang elektromagnetik ekternal
digunakan pada frekuensi kerja 2,4
(jaringan wifi), gangguan benda-benda
GHz karena memiliki return loss di
sekitar yang dapat menyerap dan
atas -10 dB dan VSWR di atas 2,0,
memantulkan
sedangkan untuk parameter lainnya
elektromagnetik dan kondisi cuaca
antena
memiliki
yang fluktuatif. Faktor pemilihan bahan
karakteristik yang tidak jauh berbeda
berupa pengaruh ketebalan substrat
dengan sampel lainnya. Gain antena
yang
mikrostrip yang umumnya renda dapat
ketebalan konduktor (tembaga) pada
ditingkatkan
masing-masing jenis substrat.
kerja
pada
2,4
GHz,
sampel
dengan
antena
mikrostrip
menjadi
antena
4
mengoptimasi (single) array
patch dengan
gelombang
digunaakan
dan
perbedaan
Simulasi Matlab yang telah dibuat dapat
dipercaya
sebagai
acuan
memodifikasi single patch menjadi
pembanding antena mikrostrip yang
double patch atau lebih.
telah
Hasil
karakterisasi
mikrostrip
yang
sedikit
dengan
kondisi
bahwa
parameter
dipengaruhi
antena
ideal
dimensi
berbeda
menunjukan ideal
hanya
matematis
sedangkan parameter antena yang
dikarakterisasi.
pengukuran
medan
Untuk
dekat
seperti
return loss, VSWR, dan impedansi, parameter
hasil
karakterisasi tidak
terlalu
simulasi
memiliki
dengan
selisih
signifikan.
yang Untuk
pengukuran medan jauh seperti gain,
Suganda, R.E., dkk. Karakterisasi Antena Mikrostrip Patch Segitiga .... 29
pola radiasi azimuth, pola radiasi elevasi, dan polarisasi memiliki selisih yang cukup besar terhadap parameter ideal,
ini
disebabkan
pengukuran
medan jauh sangat dipengaruhi oleh lingkungan
dan
sedangkan
pada
kondisi kondisi
sekitar, ideal,
lingkungan sekitar dianggap ruang bebas
hambatan
dan
kedap
elektromagnetik.
DAFTAR PUSTAKA Chang,K. 2000. RF and Microwave Wireless System. Wiley: New York, Amerika Serikat. Chang,K, I,Bahl & V,Nair. 2002. RF and Microwave Circuitand Component Design for
WirelessSystem. Wiley: New York, Amerika Serikat. Eibert.T.F & J.L. Volakis. 2007. Antennas Enginering Handbook. The Mcgraw-Hill Companies. Amerika Serikat. Pambudhudi,H,T. Darjat, & A,Z,Ajulian. 2010. Perancangan dan Analisis Antena Mikrostrip dengan Metode Aperture Coupled Feed pada Frekuensi 800 MHz. Universitas Diponegoro: Jurnal Transmisi, 12 (1), 2010, 14-20. Tse,D& P,Viswanath. 2005. Fundamentals of Wireless Communication. Cambridge University Press, Inggris. Tu,Y. 1983. A Study of Triangular Microstip Antennas. Scientic Report No. 73.
