RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT DENGAN TEKNIK PLANAR ARRAY UNTUK APLIKASI WIRELESS-LAN Wira Indani, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected] or
[email protected]
ABSTRAK Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya dalam sistem telekomunikasi sehingga banyak diaplikasikan pada peralatan-peralatan telekomunikasi modern saat ini. Salah satu aplikasinya adalah wireless LAN. Wireless LAN adalah suatu jaringan area lokal tanpa kabel dimana media transmisinya menggunakan frekuensi radio (RF) dan infrared (IR), untuk memberi sebuah koneksi jaringan keseluruh pengguna dalam area di sekitarnya. Salah satu bentuk konfigurasi antena mikrostrip adalah konfigurasi antena mikrostrip dengan teknik planar array dimana dengan antena ini pengguna dapat mengakses jaringan wireless dari ruang kelas keseluruh kampus atau dari kantor ke kantor yang berlainan dan berlainan gedung. Pelitian ini membahas bagaimana proses rancangan bangun antena mikrostrip ini sehingga sampai pada proses pengujian. Tahap awal untuk merancang bangun sebuah antena mikrostrip patch segiempat yang disusun secara planar array adalah merancang antena ini dengan menggunakan Simulator Ansoft High Frequency Structure Simulator v10. Jenis planar array yang digunakan adalah 2 x 2 . Adapun tahapan kedua adalah merancang bangun antena tersebut dan selanjutnya dilakukan proses pengujian VSWR dan gain. Adapun hasil yang didapat setelah dilakukan pengujian berupa VSWR ≤ 1,12 serta gain ≥ 7,38 dBi.
Kata Kunci: Plannar array, VSWR , Gain dan circular. Dari masing konfigurasi tersebut mempunyai kelebihan, adapun kelebihan dari planar array mudah dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi. Pada tulisan ini dibahas rancang bangun antena mikrostrip patch segiempat yang disusun secara planar array yang diaplikasi pada wireless-LAN dengan gain dihasilkan mencapai 6 dBi.
1. Pendahuluan Pada era informasi saat ini, manusia memerlukan komunikasi untuk saling bertukar informasi di mana saja, kapan saja dan dengan siapa saja. Salah satu sistem komunikasi yang merupakan andalan bagi terselenggaranya integrasi sistem telekomunikasi secara global adalah sistem komunikasi wireless. Dimana dalam komunikasi diperlukan suatu alat yang dapat menangkap gelombang wireless tersebut maka digunakanlah antena sebagai media penghubung. Salah satu wireless yang banyak digunakan pada saat ini adalah wireless LAN atau biasanya disingkat dengan WLAN, dimana antena yang digunakan pada aplikasi WLAN tersebut sudah cukup banyak dirancang seperti mikrostrip, wajan bolik, bazooka, dipole, dan yagi. Antena mikrostrip merupakan antena yang sangat pesat perkembangannya di dalam dunia telekomunikasi. Penggunaan antena mikrostrip menjadi salah satu alternatif bagi para pengguna WLAN. Dengan berbagai konfigurasi bentuk dari antena mikrostrip antara lain, linear, planar,
2. Antena Mikrostrip Patch Segiempat Bentuk dari patch antena mikrostrip sangat beragam. Patch ini dapat berbentuk persegi, persegi panjang, dipole, lingkaran, segitiga, elips dan lain sebagainya. Akan tetapi patch yang berbentuk segiempat dan lingkaran merupakan bentuk patch yang paling populer karena kemudahan dalam analisis, proses fabrikasi yang sederhana dan karakteristik radiasi yang atraktif. Patch segiempat sejauh ini merupakan konfigurasi mikrostrip yang paling banyak digunakan. Patch segiempat lebih mudah dibuat karena bentuknya yang lebih sederhana[2]. Hanya dengan menyisakan metal yang -47-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013
berbentuk segiempat pada proses etching antena ini dapat dibuat. Bentuk dari antena mikrostrip patch segiempat dapat dilihat pada Gambar 1[1][4].
dielektrik relatif yang dapat menggunakan Persamaan 3.
dihitungan
1 εr +1 εr -1 ⎛ ⎞ + (3) 2 2 h ⎝ 1+12 W⎠ Panjang patch (L) dapat dicari menggunakan Persamaan 4. εreff =
L=Leff -2∆L
(4)
Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan sebagai berikut: Gambar 1. Struktur antena mikrostrip Leff =
Untuk merancang sebuah antena mikrostrip patch segiempat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang digunakan yaitu ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik
c 2fo
(εr +1) 2
(5)
4. Teknik Pencatuan Ada dua teknik pencatuan yang biasanya digunakan yaitu proximity coupling dan aperture coupling. Untuk rancang bangun antena mikrostrip ini digunakan teknik pencatuan proximity coupling[5][8]. Pada teknik pencatuan ini saluran transmisi (feed line) diletakan pada posisi yang lebih rendah dari patch, lebih tepatnya dibawah patch, mekanisme penggandengan yang akan timbul akan terlihat seperti pada Gambar 3. Pada pendekatan ini digunakan dua buah substrate, dimana patch pada substrate bagian atas dengan bidang pentanahannya dihilangkan seluruhnya dan substrate yang berada pada bagian bawah merupakan saluran transmisinya(feed line)[5].
(εr), dan dielektrik loss tangent (tan δ). Dari dari nilai tersebut diperoleh dimensi antena mikrostrip (W dan L). Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan 1 [3][6]: W=
c 2fo εreff
(1)
Dimana : W : lebar konduktor εr : konstanta dielektrik c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x10 ) fo : frekuensi kerja antena Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ∆L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (∆L) tersebut dapat dicari menggunakan Persamaan 2 [3][6]. W +0,264 h ∆L=0,412h W (εreff -0,258) +0,8 h (εreff +0,3)
Gambar 3. Teknik pencatuan metoda proximity coupled
(2)
5. Perancangan Patch Elemen Tunggal
Dimana h merupakan tinggi substrate atau tebal substrate, dan adalah konstanta
Adapun tahapan awal dari perancangan antena dimulai dengan pemilihan jenis substrate -48-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013 (4,381)(23,287+0,264) (3.823)(23,287+0,8) = 0,07386 cm
yang digunakan untuk jenis antena yang akan dibuat, selanjutnya dilakukan perhitungan dimensi patch antena serta lebar saluran pencatu. Hasil perhitungan tersebut disimulasikan dengan menggunakan simulator ansoft HFSS v10. Tabel 1 merupakan spesifikasi substrate yang digunakan.
= 0,066
Leff = 2f
Ketebalan substrate (h)
1,6mm
2fo
(εr +1) 2
3×108 2×2,45×10
9
Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip ini diharapkan mempunyai impedansi masukan sebesar 50 ohm. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 2003. Dari program TXLine 2003 ini diperoleh bahwa saluran pencatu yang mendekati impedansi 50 Ohm memiliki dimensi panjang dan lebar masing-masing 23.1 mm dan 3 mm. Setelah model antena mikrostrip patch segi empat elemen tunggal ini disimulasikan maka didapatlah parameter yang diinginkan pada penelitian ini antara lain besar nilai VSWR dan gain. Dari hasil simulasi, didapatkan nilai VSWR seperti terlihat pada Gambar 4.
Adapun hasil perhitungan lebar patch didapat menggunakan Persamaan (1) Sehingga didapatlah lebar patch adalah =
= 0,033=3,3 cm
c. Menentukan Lebar Saluran Pencatu
a. Menentukan Lebar patch
c
18,18×109
Dari nilai diatas didapatkanlah nilai lebar dan panjang patch adalah 37,26 mm dan 31,5 mm. Untuk memudahkan proses simulasi maka nilai lebar dan panjang dibulatkan menjadi 37,3 mm dan 32 mm.
Antena yang akan dirancang pada penelitian ini adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan frekuensi kerja 2,4-2,5 GHz. Untuk perancangan dimensi antena digunakan perhitungan pada antena mikrostrip dengan patch segiempat yang menggunakan persamaan (1) sampai (5), sehingga diperoleh hasil-hasil sebagai berikut.
W=
εreff
3 × 108
L =Leff - 2∆L=3,3 - 0,148 =3,15 cm = 31,5 mm
Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 4,4 0,02
o
=
Dari nilai yang telah diketahui diatas, maka didapatlah panjang patch sebagai berikut:
Tabel 1. Spesifikasi substrate yang digunakan Jenis Substrate FR-4 epoxy
Dielektrik Loss Tangent (tan δ)
c
4.4+1 2
= 0,03726 m= 37,26 mm b. Menentukan panjang patch Adapun hasil perhitungan panjang patch didapat menggunakan Persamaan (2) sampai (5). Sehingga didapatlah panjang patch adalah εr +1 εr -1 1 ⎛ ⎞ + 2 2 h ⎝ 1+12 W⎠ 5,4 3,4 1 = + 2 2 1,515 = 4,0810202 εreff =
Gambar 4. VSWR hasilkan dari perhitungan
W +0,264 h ∆L = 0,412h W (εreff -0,258) +0,8 h (εreff +0,3)
Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain yang dihasilkan belum sesuai dengan yang diharapkan. Sehingga diperlukan iterasi antena -49-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013 Pada penelitian ini T-junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70,71 Ω dan impedansi 86,6 Ω. Untuk mendapatkan panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,71 Ω digunakan program TXLine2003. Dengan impedansi 70,71 Ω dan frekuensi kerja adalah 2,45 GHz, maka dibutuhkan panjang dan lebar pencatu masingmasing sebesar 19 mm dan 1,5 mm . Dengan cara yang sama, dimensi saluran pencatu untuk impedansi 86,6 Ω diperoleh panjang saluran 18 mm dan lebar 0,9 mm. Dari hasil rancangan antena mikrostrip patch 4 elemen maka diperoleh nilai VSWR seperti yang terlihat pada Gambar 6.
tersebut sehingga didapat nilai VSWR dan gain yang optimum. Adapun parameter yang diiterasi adalah panjang patch, lebar patch, dan lebar pencatu. Dari hasil iterasi beberapa parameter diatas didapatlah VSWR dan gain untuk rancangan antena elemen tunggal, seperti yang terlihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil Iterasi Patch elemen tunggal Dimensi pencatu (mm)
VSWR
Gain saat F= 2,45 GHz
W
L
2,40 GHz
2,45 GHz
2,50 GHz
3
23.1
1,97
1,27
1,85
2,57
2.9
23.1
1.90
1.28
1.77
2.55
2.8
23.1
1.76
1.25
1.68
2.59
2.7
23,1
1,64
1,24
1,62
2.62
2.6
23.1
1.54
1.24
1.71
2.60
2.5
23.1
1.72
1.26
1.73
2.53
Keterangan: W= Lebar, L= panjang Gain dalam dBi
Gambar 6. VSWR hasil simulasi antena mikrostrip patch 4 elemen
6. Perancangan Patch 4 Elemen Planar Array
Dari hasil simulasi yang telah dijalankan didapat bahwa antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen belum memenuhi karakteristik yang diinginkan yaitu VSWR ≤ 2, hal ini mungkin saja dipengaruhi oleh jarak antar elemen. Oleh karena itu yang hal yang perlu diiterasi adalah jarak antar elemen dari antena mikrostrip tersebut, sehingga nantinya didapat VSWR yang sesuai dengan yang diinginkan. Tabel 3 merupakan hasil dari iterasi jarak antar elemen antena mikrostrip 4 elemen.
Perancangan antena mikrostrip planar array ini menggunakan data yang telah diperoleh dari hasil rancangan antena elemen tunggal (seperti dimensi patch, lebar pencatu, panjang saluran pencatu). Selanjutnya menentukan jarak antar elemen, jarak antar elemen pada antena ini sekitar seperempat panjang gelombang (d = λ/4) atau 31,25 mm. Adapun langkah selanjutnya menentukan T-Junction. Gambar 5 menunjukkan konfigurasi T-junction yang akan digunakan.
Tabel 3. Hasil iterasi jarak antar elemen 2,40 GHz
2,45 GHz
2,50 GHz
Gain saat F= 2,45 GHz (dBi)
30
2.02
1.43
1.79
6.89
30.5
1.96
1.43
1.89
7.07
31
1.96
1.40
1.78
7.14
31.5
1.89
1.31
1.58
7.20
Jarak (mm)
Gambar 5. Perancangan T-junction: (a) Z= 70,711Ω (b) Z= 86,6Ω -50-
VSWR
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013
Tabel 3. Lanjutan
7. Fabrikasi Antena Mikrostrip
2,40 GHz
2,45 GHz
2,50 GHz
Gain saat F= 2,45 GHz (dBi)
32
1.74
1.22
1.54
7.27
33
1.63
1.20
1.59
7.31
34
1.81
1.21
1.49
7.33
35
1.64
1.12
1.63
7.38
36
1.73
1.22
1.59
7.29
37
1.76
1.20
1.51
7.34
Jarak (mm)
VSWR
Adapun antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array setelah difabrikasi dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Antena mikrostrip patch 4 elemen yang telah difabrikasi
8. Hasil Pengujian Dengan network stumbler dapat dilihat level sinyal yang diterima baik menggunakan antena dipole maupun antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen. Adapun level sinyal yang diterima ketika menggunakan antena dipole ditunjukkan oleh Gambar 9.
Adapun Geometri dari hasil rancangan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ini setelah diiterasi jarak antar elemennya maka didapatlah seperti yang terlihat pada Gambar 7. 12,5 mm
37,5 mm
35 mm
37 ,5 mm
1 2,5 mm 10 mm
26 ,2 mm
3 5 mm
Gambar 4.7 Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena dipole 26 ,2 mm
14.6 mm
a
23,1 mm
19 mm
Gambar 9. Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena dipole
25,4 mm
46,25 mm
21 mm
14 mm
Dari Gambar 9 dapat dilihat level penerimaan kuat sinyal adalah -59 dBm. Selanjutnya level penerimaan kuat sinyal dengan menggunakan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen ditunjukan oleh Gambar 10.
14 mm
5.5 mm
b 135 mm
11 2 mm
c
Gambar 7. Geometri hasil perancangan antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array a. Patch b. Feedline c. Groundplane
Gambar 10. Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena mikrostrip
-51-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 2/Februari 2013
Dari Gambar 10 dapat dilihat bahwa level penerimaan kuat sinyal adalah -55 dBm. Nilai pada level ini memperlihatkan bahwa penerimaan sinyal meningkat menjadi lebih baik. Dari nilai level penerimaan sinyal dari kedua antena diatas maka dapat dihitung gain antena dengan menggunakan Persamaan 6[7] .
10. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua penulis serta keluarga besar penulis yang selalu memberi dukungan serta pengorbanan yang luar biasa bagi penulis, selanjutnya ucapan terima kasih penulis sampaikan juga kepada Bapak Ali Hanafiah Rambe, ST. MT selaku dosen pembimbing, juga kepada Bapak Maksum Pinem, ST. MT, Bapak Rahmat Fauzi, ST. MT, dan Bapak Ir. Zulfin , MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan paper ini, semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu persatu.
Ga(dB) = Pa(dBm)- Ps(dBm) + Gs(dBi) (6) Ga (dB) = (-55 dBm) - (-59 dBm)+ 4dBi Ga(dB) = 8 dBi Dari persamaan diatas didapat besar gain dari antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array yaitu sebesar 8 dBi. Nilai ini lebih baik dibandingkan dengan nilai hasil simulasi yaitu sebesar 7,38 dBi. Hal ini dapat disebabkan oleh faktor lingkungan, proses pencetakan atau fabrikasi antena. Namun dari nilai ini menunjukan bahwa antena yang dibuat ini telah sesuai dengan yang diinginkan.
11. Daftar Pustaka [1] Ardiyanto, Rian. 2011. Perancangan dan Pembuatan Antena Mikrostrip Frekuensi 2,4 Ghz. Jakarta: Universitas Mercu Buana. [2] Hermansyah, M Rudy. 2010. Rancang Bangun Antena Microstrip Patch Segiempat Untuk Aplikasi Wireless. Medan: Universitas Sumatera Utara. [3] Rambe, Ali hanafiah. 2008. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Plannar Array 4 Elemen Dengan Pencatuan Aperture-Coupled Untuk Aplikasi CPE Pada WIMAX. Jakarta: Universitas Indonesia. [4] Constantine A. Balanis, Antena Theory : Analysis and Design, (USA: John Willey and Sons,1997). [5] Surjati, Indra. Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti, 2010. [6] Garg, Ramesh, Microstrip Design Handbook, Norwood: Artech House. Inc,2001. [7] Yong, Daniel, 2008, UHF Microstrip Antenna Design and Simulation, first edition, Sim University Press. [8] Sibarani, Parulian. 2012. Analisis VSWR Antena Mikrostrip Patch Segiempat Dengan Model Saluran Transmisi Sederhana. Medan: Universitas Sumatera Utara. [9] Bhartia P, Bahl, Microstrip Antennas, Canada: Artech House, 1980.
9. Kesimpulan Pada penelitian ini telah dirancang antena mikrostrip patch lingkaran 4 elemen planar array yang digunakan sebagai WLAN. Dari hasil perancangan, simulasi, dan pengujian diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Antena mikrostrip patch segiempat 4 elemen planar array yang berkerja pada frekuensi 2,4 Ghz- 2,5 Ghz. Teknik pencatuan yang digunakan adalah teknik pencatuan proximity couple, teknik ini merupakan bagian dari teknik pencatuan tak langsung(elektomagnetic couple). 2. Gain pengujian sebesar 8 dBi, nilai ini lebih baik dibandingkan gain simulasi yaitu sebesar 7,38 dBi. Hal ini dapat disebabkan oleh faktor lingkungan saat pengujian serta pada saat proses fabrikasi antena ini. 3. Nilai VSWR yang didapatkan setelah dilakukan proses iterasi adalah 1,12 namun nilai ini jauh berbeda dengan VSWR pada saat perhitungan secara teori yaitu sebesar 9. Nilai VSWR yang didapatkan saat simulasi diperoleh ketika dilakukannya proses iterasi pada ukuran dimensi patch, ukuran dimensi saluran pencatu, serta jarak antar elemen.
-52-
copyright @ DTE FT USU
