SIMULASI MODEL ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT DENGAN PENCATUAN APERTURE COUPLED UNTUK APLIKASI WIMAX 2,35 GHz
Giat Fransisco Batubara, 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]
Abstrak WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Acces) merupakan teknologi wireless yang menawarkan jasa telekomunikasi dengan bandwidth yang lebar dan bit rate yang besar sehingga mampu menyediakan berbagai aplikasi meliputi suara, video dan data dengan kecepatan yang tinggi. Untuk mencakup area yang sangat luas serta mampu melayani subscriber dengan keadaan Line Of Sight (LOS) maupun NonLine Of Sight maka dibutuhkan salah satu perangkat pada sistem WiMAX adalah antena. Salah satu antena yang digunakan pada sistem WiMAX ini adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip merupakan antena yang sangat popular memiliki keunggulan dan memenuhi permintaan akan antena yang kecil dan ringan sehingga kompatibel dan mudah diintegrasikan. Antena mikrostrip terdiri dari 3 komponen yaitu patch yang merupakan lapisan teratas, substrat yang menggunakan bahan dielektrik, dan groundplane yang merupakan bagian paling bawah. Tujuan dari paper ini adalah mensimulasikan model sebuah antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled dapat digunakan untuk aplikasi WiMAX 2,35 GHz dengan ukuran dimensi patch 52 x 41 mm, ukuran saluran pencatu 3 x 1,9 mm, ukuran substrate 74 x 69,5 dan ukuran slot aperture 46 x 3 mm. Antena mikrostrip yang dihasilkan bekerja pada frekuensi 2,35 GHz. Adapun hasil yang didapat setelah dilakukan simulasi berupa VSWR 1,30 serta gain 1,354407.
Kata Kunci: Antena Mikrostrip Patch Segiempat, Simulator, VSWR, Gain portable, sehingga dapat dirakit pada peralatan Mobile subscriber (MS) dengan mudah tanpa harus memperbesar dimensi dan membebaninya. Antena diperlukan untuk meningkatkan jarak jangkauan komunikasi wireless. Salah satu jenis wireless yang banyak digunakan pada saat sekarang ini adalah WiMAX mikrostrip.
1. Pendahuluan Kemajuan teknologi telekomunikasi saat ini berkembang dengan sangat cepat. Industri telekomunikasi menuntut suatu sistem informasi harus tertata dengan baik. Begitu juga dengan dunia informasi yang tersedia menuntut adanya layanan komunikasi yang handal. Demikian juga teknologi wireless. Dengan wireless proses komunikasi bisa dilakukan dimana saja dan kapan saja. Berbagai teknologi sempat ditawarkan untuk memenuhi kebutuhan masyarakat akan layanan komunikasi bergerak. Sebuah teknologi wireless yang saat ini dianggap mampu menyediakan kebutuhan tersebut adalah WiMAX. Untuk dapat mendukung teknologi WiMAX, dibutuhkan sebuah antena yang memiliki karakteristik bukan hanya harus compatible tetapi juga harus kecil, ringan dan bersifat
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 [1]. 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 -51-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014
digunakan. Patch segiempat lebih mudah dibuat karena bentuknya yang lebih sederhana[2]. Hanya dengan menyisakan metal yang berbentuk segi empat pada proses etching antena ini dapat dibuat. Bentuk dari antena mikrostrip patch segiempat dapat dilihat pada Gambar 1 [1][2].
1
εe =
r 1 r 1 h 2 1 12 2
2
(3)
W
Panjang patch (L) dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan 4 :
L = Leff - 2∆L
(4)
Dengan Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dihitung menggunakan Persamaan 5:
Leff =
c
2fo εreff
(5)
Untuk memperoleh dimensi minimum groundplane, dapat menggunakan pendekatan pada Persamaan 6 [6] : Ag = 6t + a
Gambar 1. Struktur antena mikrostrip
Dimana : Ag = nilai dimensi minimum groundplane t = ketebalan tembaga a = lebar patch
Untuk merancang sebuah antena mikrostrip patch segi empat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang digunakan yaitu ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik(εr), dan dielektrik loss tangent (tan δ). 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]:
W=
c
Pada antena mikrostrip terdapat metode penyambungan yang dimana terdapat tempat teknik penyambungan yang populer digunakan yaitu secara penyambungan garis mikrostrip (mikrostrip line feed), penyambungan celah bergabung (aperture coupled feed), Penyambungan proksimasi bergabung (proximity coupled feed). Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentrasmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Teknik pencatuan jenis ini pertama sekali dibuat pada tahun 1985 yang bertujuan untuk meningkatkan bandwidth dari antena mikrostrip. Dengan pengoptimalan beberapa parameter termasuk dimensi slot aperture, maka dicapai bandwidth 70%[3] , seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2 [5].
(1)
( 1) r 2f o 2
Dimana : W : lebar konduktor εr : konstanta dielektrik c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x108) fo : frekuensi kerja antena Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dapat dicari menggunakan Persamaan 2 [3][4].
e 0.3W 0.264
h (2) W e 0.258 0.813 h Dimana h merupakan tinggi substrate atau tebal substrate, dan εe adalah konstanta permitivitas efektif yang dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan 3 : ΔL=0.412
(6)
Gambar 2. Metode Pencatuan Aperture Coupled
-52-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014 3.2 Hasil Analisis Simulasi Model Antena Mikrostrip Patch Segiempat Dengan Pencatuan Aperture Coupled Untuk Aplikasi Wimax 2,35 GHz Rancangan antena pada simulator HFSS v 10.0 dapat dilihat pada Gambar 4.
3. Simulasi Model Antena Mikrostrip Patch Segiempat Dengan Pencatuan Aperture Coupled Untuk Aplikasi Wimax 2,35 GHz Antena yang akan disimulasikan adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled. Adapun spesifikasi dari antena tersebut dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi Antena Antena Specifications : Freq. Range (MHz) Polarization Ukuran patch (LxW) Ukuran Saluran Pencatu Substrat Slot Aperture Gain VSWR Impedance Ω Connector Type Substrat yang digunakan : Jenis Substrate Konstanta Dielektrik Relative (εr) Dielektrik Loss Tangent (δ) Ketebalan Substrate
2,3 – 24 GHz Vertikal (52x41 mm) (3x1,9 mm) (74x6,9 mm) (46x3 m) 6,428 dBi 1,058 50 N-Female FR-4 Epoxy 4,4
Gambar 4. Hasil Rancangan Antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled
0,02 Berdasarkan model rancangan yang telah dibuat, maka dilakukan simulasi VSWR hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 5.
1,6 mm
3.1 Pemodelan Antena Diagram alir pemodelan antena dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 5. menunjukkan VSWR yang Optimal Hasil Simulasi antena mikrostrip patch segiempat yang dimodelkan. Gambar 3. diagram alir pemodelan -53-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014 Ysize dan Xsize tetap menghasilkan VSWR yang berbeda-beda pada tiap-tiap ukuran Zsize. Tabel 4 memperlihatkan modifikasi boundaries dengan mengubah ukuran Xsize dimana nilai Zsize dan Ysize tetap.
Dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa VSWR yang dicapai pada frekuensi 2,35 GHZ adalah 1,3. Tabel 2, menunjukkan pencapaian gain hasil simulasi dimana gain maksimun yang dicapai sebesar 1,354407 dBi.
Tabel 4. Hasil simulasi perubahan Xsize pada boundaries.
Tabel 2. Gain Optimal Hasil Simulasi
Tabel 3 memperlihatkan modifikasi boundaries dengan mengubah ukuran Zsize yaitu ukuran tinggi, dimana ukuran Xsize dan Ysize pada boundaries tetap.
Zsize Ysize Xsize Nilai VSWR frekuensi 2,3 2,35 GHz GHz 12 80 74 1,19 1,30
Pada
12
80
84
1,20
1,30
1,47
12
80
94
1,15
1,24
1,40
12
80
104
1,18
1,28
1,44
12
80
114
1,18
1,26
1,41
2,4 GHz 1,47
Pada Tabel 4 perubahan ukuran Xsize yaitu 74 mm, 84 mm, 94 mm, 104 mm, dan 114 mm, dimana Ysize dan Zsize tetap menghasilkan VSWR yang berbeda-beda pada tiap ukuran Xsize.
Tabel 3. Hasil simulasi perubahan Zsize pada Boundaries.
4. Kesimpulan Zsize
Ysize
Xsize
Nilai
VSWR
Pada tulisan ilmiah ini telah dimodelkan antena mikrostrip patch Segiempat yang digunakan untuk aplikasi WiMAX. Dari hasil pemodelan dan simulasi, diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled dapat digunakan untuk aplikasi wimax 2. Dari hasil simulasi dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan antara data spesifikasi antena dengan hasil simulasi. Hal ini disebabkan kondisi lingkungan yang berbeda antara simulasi dan pengukuran antena.
Pada
Frekuensi 2,3
2,35
2,4
GHz
GHz
GHz
12
80
74
1,64
1,30
1,47
22
80
74
1,43
1,27
1,50
32
80
74
1,66
1,52
1,51
42
80
74
1,19
1,30
1,45
52
80
74
1,50
1,64
1,50
5. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada D.G Batubara dan R br.Sitorus Pane selaku orang tua penulis yang selalu memberikan dukungan bagi penulis, selanjutnya ucapan terima kasih penulis sampaikan juga kepada
Pada Tabel 3, perubahan ukuran Zsize yaitu,12mm, 22mm, 32mm,42mm, dan 52mm, -54-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 1/Juli 2014
Bapak DR. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku dosen pembimbing, juga kepada Bapak Rahmad Fauzi, ST,MT dan Ibu Naemah Mubarakah, ST, MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan paper ini, serta semua pihak yang sudah memberikan dukungan selama pembuatan makalah ini.
6. DaftarPustaka [1] Indani, Wira. 2012. Rancang Bangun Antena Microstrip Patch Segiempat Dengan Teknik Planar Array untuk Aplikasi Wireless-LAN. Medan: Universitas Sumatera Utara. [2] Hermansyah, M Rudy. 2010. Rancang Bangun Antena mikrostrip 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] Balanis, A Constantine. 1997. Antena Theory : Analysis and Design. USA: John Willey and Sons. [5] Indra, Sujarti. 2010. Antena Mikrostrip Konsep dan Aplikasinya. Jakarta: Universitas Trisakti. [6] Bahl, P Bhartia. 1980. Microstrip Antennas. Canada: Artech House.
-55-
copyright @ DTE FT USU
