STUDI PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH ARRAY SEGITIGA TRIPLE – BAND ( 2,3 GHz, 3,3 GHz DAN 5,8 GHz ) Ibrahim Sinaga, Ali Hanafiah Rambe Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA email:
[email protected] or ibrahimsinaga90gmail.com
Abstrak Antena triple-band merupakan antena alternatif yang dapat digunakan untuk sistem radio yang bekerja pada tiga kanal frekuensi yang berbeda jauh. Ketika tiga frekuensi kerja terpisah dengan jarak yang cukup jauh, sebuah struktur patch triple-band dapat dirancang untuk menghindari penggunaan antena yang terpisah. Antena mikrostrip adalah salah satu solusi antena triple-band yang dapat dikembangkan, karena memiliki bentuk sederhana, unjuk kerja yang baik dan mudah dalam instalasinya. Pada tulisan ini dirancang antena mikrostrip patch array segitiga yang bekerja pada frekuensi 2,3 GHz, 3,3 GHz dan 5,8 GHz. Hasil perancangan dievaluasi dan dioptimasi menggunakan Applied Wave Research (AWR) Microwave 2004. Nilai Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), gain dan bandwidth yang diperoleh dengan parameter input frekuensi yang direncanakan adalah berturut – turut 1,536, 6,42 dB, 121 MHz untuk frekuensi 2,35 GHz, 1,976, 6,51 dB, 86 MHz untuk frekuensi 3,35 GHz dan 1,707, 6,12dB, 131 MHz untuk frekuensi 5,85 GHz.
Kata kunci : Triple-Band, antena mikrostrip, WiMAX dibentuk yaitu ,450,-450,-900,300, -600, -900dan 600, -600, 600. Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip patch segitiga diharapkan mendekati nilai impedansi masukan sebesar 50 Ω.
1. Pendahuluan Teknologi komunikasi nirkabel salah satu teknologi yang banyak digunakan dalam dunia telekomunikasi. Sebagai teknologi yang tidak memerlukan sarana fisik dalam interface-nya, teknologi komunikasi nirkabel menuntut sistem antena bekerja meskipun terdapat penghalang antar pengirim dan penerima. Salah satu jenis antena yang sesuai untuk teknologi komunikasi nirkabel adalah antena mikrostrip, karena memiliki karakteristik dimensi kecil, ringan, ekonomis dan mudah dalam instalasinya.
2. Antena Mikrostrip Patch Array Segitiga Triple-Band Antena mikrostrip merupakan salah satu antena komunikasi nirkabel gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern seperti Radio Detection and Ranging (Radar) dan Global Positioning System (GPS). Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas tiga elemen, yaitu: elemen peradiasi (patch), elemen dielectric substrate dan elemen pentanahan (ground plane). Bentuk antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 1 [1]. Bentuk segitiga yang umum digunakan dalam perancangan patch berdasarkan sudut yang
Gambar 1. Struktur Antena Mikrostrip [1].
Hal yang harus dipertimbangkan dalam merancang patch yaitu pertimbangan memilih substrat. Elemen ini ada beberapa jenis yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik dan ketebalannya. Dalam pemilihan jenis substrat sangat dibutuhkan pengenalan tentang spesifikasi umum dari substrat tersebut yaitu kualitasnya. Tabel 1 menunjukkan spesifikasi substrat yang digunakan.
– 71 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.30/MEI 2015 g
Tabel 1. Spesifikasi Substrat
Jenis substrat FR-4 epoxy Konstanta Dielektrik 4,4 relative ( r ) Dielektrik Loss Tangent 0,02 ( tan ) Ketebalan substrat (h) 1,6 Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang digunakan, yaitu frekuensi antena,VSWR, bandwidth, gain antena, dan polaradiasi.
G
0 ff
(5)
4 1 axt 2 g 2
(6)
3. Perancangan Antena Pada tahap ini dilakukan penentuan frekuensi resonansi, spesifikasi substrate, dimensi patch antena dan dimensi saluran pencatunya. Tahapan – tahapan perancangan ditunjukkan dalam diagram alir pada Gambar 3.
a.
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Secara sederhana rumus untuk menentukan VSWR [1]. Γ = 1+ = (1) 1− Γ b.
Frekuensi Resonansi Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resistif dimana, nilai reaktansi impedansi sama dengan nol [1].
Gambar 3. Diagram Alir Perancangan Antena Triple- Band.
c.
Bandwidth Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi yang berhubungan dengan beberapa karakteristik antena lain seperti, impedansi masukan, bandwidth, polarisasi dan gain. Bandwidth suatu antena ditentukan oleh parameter yang digunakan seperti dirumuskan sebagai berikut [2]: ℎ =
2− 1
100%
Pada diagram alir diatas bertujuan untuk mengetahui langkah-langkah perancangan sehingga lebih mudah untuk mengetahui dan lebih tertata lengan baik. Adapun langkahlangkah perancangan antara lain: 1. Mulai, Untuk memulai perancanagn dalam layar kerja AWR 2004 klik kanan pada toolbar EM Stuctures, lalu pilih New EM Stuctures dan ketikkan nama file yang akan kita buat,lalu klik create. 2. Masukkan data perancangan elemen tunggal untuk setiap band, Sebelum merancang bentuk antena yang akan buat, terlebih dahulu kita masukkan sfesifikasi antena yang akan kita buat dengan memilih options > project options > masukkan rentang frekuensi dan step frekuensinya. 3. Menghitung jarak antar elemen, Jarak elemen terhadap sisi substrat sangat berpengaruh, sehingga dapat dicari dengan dalam enclosure masukkan ukuran dari substrat yang akan dibuat dan mulai perancangan.
(2)
d.
Gain Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerima sinyal dari arah tertentu. Untuk menentukan gain antena, maka terlebih dahulu harus ditentukan frekuensi kerja yang digunakan, agar dapat mencari panjang gelombang diruang bebas pada Persamaan 3,4 5 dan 6 [3].
0 eff
c f
1 r 1 1 r 2 2 1 12h a
(3) (4)
– 72 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.30/MEI 2015
4. Menjalankan simulasi, Setelah antena selesai dirancang, lakukan analyze untuk mendapatkan parameter antena yang kita cari. 5. Iterasi letak titik pencatu dan ukuran patch, Setelah selesai disimulasikan ( analyze ) terkadang parameter yang kita cari belum mendapatkan hasil yang kita iginkan, sehingga diperlukan beberapa kali perubahan ( iterations ) seperti yang diperlihatkan pada algoritma perancangan. 6. Apakah VSWR yang kita cari sudah ≤ 2, Setelah dilakukan beberapa kali iterasi sehingga didapat nilai VSWR ≤ 2, nilai inilah yang digunakan untuk perancangan triple band. 7. Rancangan antena triple-band, Setelah perancangan tiap elemen dilakukan, selanjutnya perancangan triple-band dengan menggunakan hasil perancagan tiaptiap elemen. Untuk mendapatkan VSWR ≤ 2 di lakukan seperti pada langkah 5 agar nilai VSWR yang dicari optimal 8. Selesai, Nilai VSWR ≤ 2 inilah yang digunakan untuk melanjutkan ke proses tahap bembuatan antena.
Hasil simulasi yang diatas belum memenuhi nilai VSWR yang diinginkan. Sehingga dilakukan cara menggeser letak pencatu. Adapun hasil iterasi setelah melakukan penggeseran pencatu dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Data hasil iterasi penggeseran pencatu Letak pencatu Nilai (mm) VSWR 28 4,165 26 3,526 25 3,262 24 3,293 23 3,539
Setelah dilakukan iterasi penggeseran sejauh 25 mm diperoleh VSWR 3,262. Namun agar nilai VSWR yang diperoleh lebih optimal maka dilakukan cara mengubah ukuran patch dari hasil iterasi penggeseran pencatu. Adapun hasil iterasi setelah mengubah ukuran patch dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Hasil Iterasi Mengubah Panjang Sisi Patch Segitiga pada penggeseran pencatu 25mm Panjang sisi patch Nilai segitiga (mm) VSWR 42 6,187 41 3,326 40 2,476 39 2,796 38 5,553
Pada perancangan patch segitiga elemen tunggal, diawali dengan menentukan frekuensi kerja pertama yang diinginkan, dimensi patch antena dan saluran pencatu. Diperoleh panjang sisi patch 41 mm, panjang dan lebar saluran pencatu 3,05 mm dan 16,645 mm untuk frekuensi 2,35 GHz, panjang sisi patch 29 mm, panjang dan lebar saluran pencatu 3,05 mm dan 11,645 mm untuk frekuensi 3,35 GHz dan panjang sisi patch 16 mm, panjang dan lebar saluran pencatu 3,05 mm dan 6,75 mm untuk frekuensi 5,85 GHz.
Setelah dilakukan iterasi mengubah panjang sisi Patch diperoleh nilai VSWR yang mendekati ≤ 2 yaitu panjang sisi patch segitiga yang optimal 40 mm dengan nilai VSWR sebesar 2,476. 4.2 Hasil Simulasi Elemen 3,3 GHz Setelah Simulasi elemen 3,3 GHz dilakukan, didapat nilai VSWR seperti diperlihatkan pada Gambar 5.
4. Analisis Hasil Simulasi 4.1 Hasil Simulasi Elemen 2,3 GHz Setelah simulasi elemen 2,3 GHz dilakukan, didapat nilai VSWR seperti diperlihatkan pada Gambar 4.
3.35 GHz 6.643 15
VSWR(1) tunggal frek 1
VSWR 30
2.35 GHz 6.367
25
VSWR(1) tunggal frek ke 2
VSWR 20
10
20
5 15 10
0 3.2
5
3.3
3.4
3.5
Frequency (GHz)
0 2.2
2.3
2.4
Gambar 5. Nilai VSWR Rancangan Awal frekuensi 2,3 GHz
2.5
Frequency (GHz)
Gambar 4. Nilai VSWR Rancangan Awal frekuensi 2,3 GHz
– 73 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.30/MEI 2015
Hasil simulasi yang diatas belum memenuhi nilai VSWR yang diinginkan. Sehingga dilakukan cara menggeser letak pencatu. Adapun hasil iterasi setelah melakukan penggeseran pencatu dapat dilihat pada Tabel 4.
Hasil simulasi yang diatas belum memenuhi nilai VSWR yang diinginkan. Sehingga dilakukan cara menggeser letak pencatu. Adapun hasil iterasi setelah melakukan penggeseran pencatu dapat dilihat pada Tabel 6.
Tabel 4. Data hasil iterasi penggeseran pencatu Letak pencatu (mm) Nilai VSWR 12 11 10 9 8
Tabel 6. Data hasil iterasi penggeseran pencatu Letak pencatu (mm) Nilai VSWR 8 6,768 7 6,517 6 6,169 5 6,768 4 8,823
5,749 4,970 4,617 4,750 5,528
Setelah dilakukan iterasi penggeseran pencatu sejauh 6 mm diperoleh nilai VSWR 6,169. Namun agar nilai VSWR yang diperoleh lebih optimal maka dilakukan cara mengubah ukuran patch dari hasil iterasi penggeseran pencatu. Adapun hasil iterasi setelah mengubah ukuran patch dapat dilihat pada Tabel 7.
Setelah dilakukan iterasi penggeseran pencatu sejauh 10 mm diperoleh VSWR 4,617. Namun agar nilai VSWR yang diperoleh lebih optimal maka dilakukan cara mengubah ukuran patch dari hasil iterasi penggeseran pencatu. Adapun hasil iterasi setelah mengubah ukuran patch dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 7. Hasil Iterasi Mengubah Panjang Sisi Patch Segitiga pada penggeseran pencatu 6 mm Panjang sisi Nilai patchsegitiga (mm) VSWR 17 19,96 16 6,148 15 2,809 14 8,165 13 11,92
Tabel 5. Hasil Iterasi Mengubah Panjang Sisi Patch Segitiga pada penggeseran pencatu 10mm
Panjang sisi patchsegitiga (mm) 29 28 27 26 25
Nilai VSWR 4,617 3,523 2,493 6,214 9,520
Setelah dilakukan iterasi mengubah panjang sisi Patch menjadi 15 mm diperoleh nilai VSWR sebesar 2,809.
Setelah dilakukan iterasi mengubah panjang sisi Patch diperoleh nilai VSWR yang mendekati ≤ 2 yaitu panjang sisi patch segitiga yang optimal 27 mm dengan nilai VSWR sebesar 2,493.
4.4 Hasil Simulasi Triple-Band Hasil perancangan ketiga elemen tunggal digabungkan dalam satu substrate menggunakan T-junction sehingga menghasilkan antena Triple-Band seperti diperlihatkan pada Gambar 10.
4.3 Hasil Simulasi Elemen 5,8 GHz Setelah Simulasi elemen 5,8GHz dilakukan, didapat nilai VSWR seperti diperlihatkan pada Gambar 6. VSWR(1) tunggal frek ke 3
VSWR 12
5.85 GHz 6.1483 10
8
6
4 5.7
5.8
5.9
6
Frequency (GHz)
Gambar 6. Nilai VSWR rancangan awal frekuensi 5,8 GHz
pada Gambar 10. Nilai VSWR rancangan awal antena Triple-Band
– 74 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.30/MEI 2015
Adapun nilai VSWR yang diperoleh setelah disimulasikan untuk frekuensi 2,35 GHz, 3,35 GHz dan 5.85GHz berturut-turut adalah 1,702 1,588 dan 3,432. Untuk mendapatkan VSWR yang optimal dilakukan pergeseran pencatu, sehingga diperoleh seperti yang diperlihatkan pada Gambar 11. VSWR(1) gabungan geser kanan 1
VSWR 12
3.35 GHz 1.976
2.35 GHz 1.536
10
Gambar 13. Pola Radiasi dan Gain frekuensi 3,3 GHz
5.85 GHz 1.707
8 3.348 GHz 2
6 2.292 GHz 2 4
3.435 GHz 2.01
2.413 GHz 2.01
5.743 GHz 2
5.873 GHz 2
2 0 2.2
3.2
4.2 Frequency (GHz)
5.2
6
Gambar 11. Nilai VSWR rancangan awal antena Triple-Band Gambar 14. Pola Radiasi dan Gain frekuensi 5,8 GHz
Proses iterasi untuk mendapatkan VSWR optimal seperti dilihat pada Tabel 8.
Adapun hasil perhitungan rumus untuk gain pada frekuensi 2,3 GHz sebagai berikut:
Tabel 8. Data hasil iterasi penggeseran pencatu Nilai VSWR X Y Z Frek. Frek. Frek. (mm) (mm) (mm) 2,35 GHz 3,35 5,85 GHz GHz 26 9 11 2,365 1,780 3,649 25 7 10 2,708 1,602 3,896 24 6 9 1,826 1,628 3,459 23 5 8 1,536 1,976 1,707 22 4 7 1,743 2,127 1,643 21 3 6 1,056 2,30 1,539 20 2 5 2,510 2,51 1,567
c 3x108 0,12765m 127,65mm fr 2,35x109
0
1 1 4,4 1 4,4 1 3,633 2 2 12 h 12 ( 1 , 6 ) 1 1 a 40
r 1 r 1
eff
2
0 ff
g
2
127 , 65 3 , 633
66 , 97 mm
4 1 4 x 3 . 14 727 ,89 2 ,03 dB 2 dB axt 2 g2 2 66 ,97
G
Hasil perhitungan pada frekuensi 3,35 GHz c 3 x10 8 89 ,5 mm fr 3,35 x10 9
0
Setelah dilakukan iterasi penggeseran pencatu diperoleh nilai pada jarak X = 23mm, jarak Y = 5mm dan Z = 8mm dengan nilai VSWR dan gain untuk frekuensi 2,35 GHz, 3,35 GHz dan 5,85GHz secara berturut dalah 1,536 dan 6,42dB, 1,976 dan 6,51dB, 1,707 dan gain 6,12dB seperti yang diperlihatkan pada Gambar 12, Gambar 13 dan Gambar 14.
1 1 4,4 1 4,4 1 5,755 2 1 12h 2 2 1 12(1,6) a 27
eff
r 1 r 1
2
0
g
ff
89,5
37,328mm
5,755
4 1 4 x3.14 315,589 2,84dB 3dB axt g 2 2 37,3282
G
Hasil perhitungan pada frekuensi 5,85 GHz 0 eff
r 1 2
g
Gambar 12. Pola Radiasi dan Gain frekuensi 2,3 GHz
G
– 75 –
c 3 x10 8 51,28mm fr 5,85 x10 9
0
4 g 2
1 1 4,4 1 4,4 1 2,915 2 2 12h 12(1,6) 1 1 a 15
ff
r 1 2
51,28
30,041mm
2,915
1 4x3.14 97,427 1,348dB 1dB axt 2 2 30,041
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.30/MEI 2015
Dari gambar Smith Chart, di peroleh nilai Zin sebesar 59,4221 + 9,2553j pada frekuensi 2,35 GHz. Dengan menggunakan Persamaan 2.1 sampai 2.3 adapun hasil VSWR yang diperoleh sebagai berikut: Z in 59,4221 + 9,2553j 59,4221 + 9,2553 j 50 59,4221 + 9,2553 j 50
No
1
- 9.4221 - 9.25538 j 109.4221 9.25538 j -0.09259 - 0.07675j
2
Tabel 9. Pencapaian Spesifikasi Antena Hasil Perhitungan Hasil Simulasi Parameter Rumus Frekuensi Frekuensi Antena (GHz) (GHz) 2.35 3,35 5.85 2.35 3,35 5,85 VSWR 1,27 1,85 2,063 1,536 1,976 1,707 Gain (dB)
2
3 Bandwidth(MHz) -
3 -
1
6,42 6,51
6,12
-
121
131
86
|Γ| = 0,1202 VSWR
1 0,1202
1 0,1202
Berbeda dengan Gain yang mengalami perubahan sampai 5 dB. Sehingga dapat dikatakan hasil simulasi dan perhitungan rumus tidak selamanya sama.
1,1202 1,27 0,8797
Kemudian di peroleh nilai Zin sebesar 40,7885 – 26,8482j pada frekuensi 3,35 GHz, Sehingga nilai VSWR yang diperoleh secara perhitungan sebagai berikut:
5. Kesimpulan
Z in 40,7885 - 26,8482 j
Dari pembahasan tentang mikrostrip patch segitiga Triple-band, diperoleh beberapa kesimpulan antara lain: 6. Perancangan antena triple band dengan teknik array patch segitiga dapat diperoleh dengan baik dengan cara mengatur letak titik pencatu pada masing-masing patch. 7. Nilai VSWR dan Gain dari perhitungan dalam perancangan ini adalah untuk 2,35 GHz adalah 1,23 dan 2 dB , pada frekuensi 3,35 GHz adalah 1,123 dan 3 dB, pada frekuensi 5,85 GHz adalah 1,22 dan 1dB . Sehingga match karena nilainya mendekati 1 yang merupakan nilai VSWR yang sempurna.
40,7885- 26,8482j 50 40,7885- 26,8482j 50 9,2115 26,8482 j 90,7885 - 26,8482 j 0,01288 0,29953 j
|Γ| = 0,299 VSWR
1 0,299
1 0,299
1,299 1,85 0,701
Kemudian di peroleh nilai Zin sebesar 25,8172 – 11,0986j pada frekuensi 5,85 GHz, Sehingga nilai VSWR yang diperoleh secara perhitungan sebagai berikut: Z in 25,8172 - 11,0986j 25,8172 - 11,0986 j 50 25,8172 - 11,0986 j 50
6. DAFTAR PUSTAKA [1] Surjati,Indra. ( 2010 ). Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya. Jakarta:Universitas Trisakti [2] Huang, Y., & Boyle, K. (2008). Antennas: from theory to practice. Jhon Wiley & Sons. [3] Rambe, Ali Hanafiah (2008). Rancang bangun antena mikrostrip patch segi empat planar array 4 elemen dengan pencatuan aperture-coupled untuk aplikasi CPE pada WiMAX. Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia.
24,1828 11,0986j 75,8172- 11,0986j
0,2912 0,1890 j
|Γ| = 0,3472 VSWR
1 0,3472 1 0,3472
1,3472 2,063 0,6528
4.5 Analisis Perbandingan Hasil Simulasi dan Teori
Dari hasil pehitungan dengan menggunakan rumus kita dapat bandingkan dengan hasil simulasi seperti diperlihatkan pada Tabel 9, maka dapat dilihat perbandingan gain dan VSWR terhadap hasil pehitungan menggunakan rumus, dimana pada perubahan nilai VSWR tidak terlalu besar yaitu ≤ 2.
– 76 –
copyright@ DTE FT USU
