PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP MEANDER LINE UNTUK SISTEM TELEMETRI ROKET UJI MUATAN

PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP MEANDER LINE UNTUK SISTEM TELEMETRI ROKET UJI MUATAN Muhammad Harry Bintang Pratama* danWahyul Amien Syafei** Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, S.H., Kampus UNDIP Tembalang, Semarang,50275, Indonesia Email: *[email protected], ** [email protected]

Abstrak Roket Uji Muatan (RUM) adalah roket yang berfungsi untuk mengetahui kinerja sistem telemetri antara roket dengan stasiun bumi. Telemetri pada RUM merupakan pemantauan jarak jauh kondisi roket. Sistem ini bekerja pada frekuensi ISM (Industrial, Scientific, and Medical) 433 MHz dan kinerjanya sangat ditentukan oleh antena. Mikrostrip meander line adalah salah satu jenis antena praktis yang mempunyai ukuran dan dimensi yang kecil dan mudah dibuat. Paper ini memuat perancangan antena microstripmeander line untuk sistem telemetri RUM. Perancangan dan simulasi antena mikrostrip dilakukan dengan bantuan software CST Studio Suite 2014 kemudian direalisasikan menggunakan papan PCB (Printed Circuit Board) substrat FR-4 dengan teknik pencatuan koaksial. Hasil pengukuran impedansi, VSWR, dan return loss antena setelah direalisasikan adalah sebesar 27,9 ohm, -7,1 dB, dan -2,4 dB. Hasil ini bergeser dari nilai antena yang dirancang pada tahap simulasi yaitu sebesar 49,1 ohm, 1,5 dB, dan -13,6 dB. Perbedaan nilai ini dipengaruhi oleh sistem pencatuan, ukuran, dan ketebalan antena. Kata kunci — Antena, microstrip, meander line, roket uji muatan.

1. Pendahuluan Teknologi penerbangan dan antariksa di Indonesia saat ini terus dikembangkan oleh LAPAN (Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional). Satu diantara berbagai roket yg dikembangkan adalah roket uji muatan (RUM) yaitu roket kecil yang digunakan untuk menguji muatan roket yang berisi data-data pelucuran roket secara telemetri. Setiap tahun, LAPAN mengadakan kompetisi pemantauan kondisi RUM untuk mengetahui kinerja sistem telemetri [1]. Telemetri merupakan rangkaian kegiatan yang terdiri atas pengukuran, pengkodean hasil pengukuran, pengiriman sinyal hasil pengkodean, penerimaan sinyal, pengubahan sinyal dalam bentuk yang dapat dibaca, perekaman, dan intrepetasi data yang didapatkan. Telemetri pada roket merupakan pemantauan jarak jauh terhadap kondisi roket. Telemetri pada RUM bekerja pada frekuensi ISM (Industrial, Scientific, and Medical). Frekuensi ISM yang digunakan pada RUM produk LAPAN adalah pada rentang frekuensi 430-436 MHz. Sistem telemetri roket sangat dipengaruhi oleh antena yang dipakai [2]. Salah satu jenis antena yang digunakan pada RUM adalah antena mikrostrip meander line. Antena ini dipilih karena mudah dibuat. Metode meander digunakan untuk membuat ukuran antena lebih ringkas. Paper ini memuat perancangan antena mikrostrip meander line pada frekuensi kerja 433 MHz yang digunakan untuk sistem telemetri pada RUM.

2. Roket Uji Muatan LAPAN mulai merintis pembuatan RUM sejak tahun 2006 secara berkala digunakan untuk kegiatan diseminasi teknologi roket maupun lomba muatan roket sejak tahun 2008 sampai sekarang [2]. Beberapa bagian dari RUM diperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Bagian Roket Uji Muatan RUM berfungsi untuk mengirimkan data penerbangan roket berupa ketinggian, kemiringan, orientasi arah, dan kecepatan ke stasiun bumi(ground station/ GS). Semua sensor, mikrokontroler, dan perangkat komunikasi pada RUM terletak di bagian payload(muatan) yang memiliki diameter 10 cm dan tinggi 20 cm. RUM dilengkapi dengan sistem komunikasi radiofrequency (RF) yang bekerja pada rentang frekuensi ISM 433 MHz. Sistem transmisi data antara RUM dan GS bersifat dua arah. Pada bagian GS terdapat sistem antenna tracker(pelacakantena) yang bergerak mengikuti pergerakan roket. Sedangkan pada RUM, antena yang digunakan harus berukuran sekecil mungkin agar tidak memenuhi payload.

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.144 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

A. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip adalah antena yang terdiri dari tiga elemen utama, yaitu patch (petak), substrat, dan ground plane(bidang alas). Elemen patch berfungsi sebagai peradiasi gelombang elektromagnetik yang terbuat dari lapisan logam dengan bentuk tertentu, seperti persegi, dipol, lingkaran, elips, segitiga, dan lain-lain. Sedangkan elemen groundplane berfungsi sebagai perangkat grounding dari sistem antena. Elemen groundplane juga terbuat dari lapisan logam [3]. Elemen substrat berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena yang membatasi antara patch dan ground. Substrat memiliki karakteristik yang berbeda tergantung dari ketebalan (h) dan konstanta dielektrik ( ) yang mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan efisiensi antena. Antena mikrostrip memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan antena lain. Antena mikostrip memiliki ukuran yang kecil, ringan, biaya pembuatan yang murah, dan mendukung polarisasi linier maupun melingkar. Antena mikrostrip banyak dimanfaatkan pada perangkat bergerak dan bisa diintegrasikan dengan perangkat elektronika lain. Antena ini memiliki kekurangan, diantaranya adalah bandwidth yang sempit, serta gain dan efisiensi yang rendah. Struktur antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 2.

Dimensi antena mikrostrip ditentukan menggunakan persamaan-persamaan berikut ini: Lebar patch antena: (1)

ɛ

dengan adalah konstanta dielektrik efektif yang memiliki nilai sebesar: ɛ

=

(ɛ

(2)

)

+

(ɛ

)

1 + 12

dengan: = cepat rambat cahaya di udara (3 × 10 ɛ = konstanta dielektrik bahan ɛ = konstanta dielektrik efektif bahan h = tebal substrat antena (m) = frekuensi kerja antena (Hz) B.Parameter Antena Mikrostrip 1.Bandwidth (lebar pita)

2. VSWR (Voltage Wave Standing Ratio) VSWR merupakan perbandingan antara amplitudo tegangan maksimal (Vmax) dan tegangan minimal (Vmin) [4]. Pada saluran transmisi terdapat dua komponen gelombang, yaitu tegangan yang dikirim ( 0 ) dan tegangan yang direfleksikan ( 0 ). Perbandingan antara tegangan refleksi dengan tegangan yang dikirim disebut dengan koefisien refleksi tegangan (Γ), yang dinyatakan sebagai berikut: Γ=

Gambar 2. Struktur antenna mikrostrip

=

Bandwidth merupakan rentang frekuensi kerja antena yang memenuhi standar yang berhubungan dengan beberapa karakteristik, seperti polarisasi, pola radiasi, beamwidth, gain, dan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) [3]. Terdapat beberapa jenis bandwidth, diantaranya adalah: 1. Impedancebandwidth, merupakan rentang frekuensi dimana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran catuan. Hal ini disebabkan oleh adanya perbedaan elemen antena karena perbedaan nilai frekuensi yang digunakan. Nilai matching dapat dilihat dari adanya indikator berupa nilai return loss dan VSWR. 2. Pattern impedance adalah rentang frekuensi yang mana beamwidth, sidelobe, atau gain yang bervariasi tergantung frekuensi memenuhi nilai impedansi yang menjadi karakteristik antena. 3. Polarization atau axialratiobandwidth adalah rentang frekuensi saat terjadi polarisasi (linier atau melingkar). Polarisasi melingkar membutuhkan gain 3 dB.

/ )

=

(3)

=

dengan ZL adalah impedansi beban dan Z0 adalah impedansi saluran lossless. Nilai VSWR diperoleh dari: VSWR = (4) 3.ReturnLoss Returnlossadalah perbandingan antara amplitudo gelombang pantulan dengan gelombang yang dikirim. Return loss dapat terjadi karena adanya perbedaan impedansi saluran dengan beban (mismatch). Return loss dinyatakan sebagai berikut: = 20 |Γ| (5) Pada saat nilai VSWR ≤ 2, didapat nilai return loss dibawah -9.5424 dB. Nilai tersebut dapat dikatakan tidak terlalu besar dan saluran bisa dianggap dalam kondisi matching. Besarnya return loss yang dihasilkan bisa menjadi acuan frekuensi kerja sebuah antena sudah bekerja sesuai yang diharapkan.

ISBN 978-979-097-420-3

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.145 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

4. Polarisasi Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh sebuah antena. Polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi antena memiliki polarisasi yang berbeda pula. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai keadaan gelombang elektromagnetik yang menggambarkan arah dan energi vektor medan elektrik yang bervariasi terhadap waktu. Polarisasi juga dapat dinyatakan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu. 5. Gain Gain adalah penguatan yang terjadi di antena. Terdapat dua jenis parameter gain, yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain adalah perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi saat daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasi secara isotropic sebanding dengan daya yang diterima oleh antena dibagi dengan 4π [5]. Absolute gain dapat dihitung dengan persamaan: . ( ,∅) Gain = (6) dengan:U(θ,∅) = Intensitas radiasi (Watt/steradian) dan Pin = Daya masukan (Watt)

Relative gain merupakan perbandingan antara daya yang diperoleh dari sebuah arah, dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya input harus sama antara dua antena tersebut, namun antena referensi merupakan sumber isotropic yang lossless. Relative gaindapat dihitung dengan persamaan: ( ,∅) Gain = (7) dengan: U(θ,∅) = Intensitas radiasi (Watt/steradian) dan Pin lossless = Daya masukan lossless (Watt)

C. Antena Meander Line Antena meander line adalah salah satu jenis antena mikrostrip. Teknik meander line memungkinkan merancang antena dengan dimensi yang kecil. Pada metode meander line, patch antena dilipat secara terusmenerus dengan tujuan mengurangi dimensi antena. Karakteristik dari antena meander adalah dimensi yang kecil, mampu bekerja di frekuensi yang rendah, dan mempunyai efek bandwidth yang sempit[3]. Dimensi antena mikrostrip meanderline ditunjukan Gambar 3.

Gambar 3. Antena meanderline Dimensi meander dihitung menggunakan persamaan berikut:

S = 0.13 x λ bahan W= 0.0417 x λ bahan D = 0.0937 x λ bahan d = (D - (2 x W)) dengan:λ = panjang gelombang (m), S = lebar meander line (m) W = panjang segmen meander line (m), dan d = panjang celah meander line (m) Nilai λbahan diperoleh dari persamaan: λ = √(

(8)

dengan ε

)

= konstanta dielektrik efektif bahan.

D. Titik Pencatuan 1. Titik Pencatuan Microstrip Line Pencatuan antena merupakan hal yang sangat penting dalam pembuatan antena. Pencatuan sangat berpengaruh terhadap karakteristik antena yang dihasilkan. Teknik pencatuan antena harus mempertimbangkan kondisi transfer daya maksimum. Salah satu teknik pencatuan pada antena mikrostrip adalah microstripline. Keuntungan dari teknik ini adalah mudah dalam pembuatan karena feedline dicetak pada substrat yang sama dengan patch antena. Sehingga perancangan dimensi feedline agar match dengan impedansi antenna [3]. 2. Titik Pencatuan Koaksial Teknik pencatuan ini dilakukan dengan cara menyatukan konduktor dari kabel koaksial ke patch antena secara langsung. Keuntungan yang utama dari teknik ini konduktor dapat ditempelkan pada titik manapun. Selain itu, teknik ini juga bisa mudah dalam proses pembuatan. Kelemahan teknik ini adalah diperlukan pengeboran pada substrat untuk mencatu bagian patch dari bawah dan tingkat ketelitian yang tinggi karena besar lubang mempengaruhi kinerja antena [3].

3. Antena Mikrostrip Meanderline Perancangan antena mikrostrip meander line untuk frekuensi kerja 433 MHz ini menggunakan teknik thick film pada Printed Circuit Board (PCB).Antenadirancang untuk bisa bekerja pada frekuensi 433 MHz. Spesifikasi antena yang dikehenddaki adalah sebagai berikut:  Rentang frekuensi kerja : 430-436 MHz  Bandwidth : ≤ 6 MHz  Return Loss : ≤-13dB  VSWR :≤2  Pola radiasi : Unidireksional  Gain : ≥2 dBi  Impedansi : 50 ohm  Konektor: SMA (SubMiniature version A) Bahan substrat yang digunakan adalah FR4 (Epoxy Fiberglass) dengan karakteristik sebagai berikut :  Permitivitas (ɛr) : 4,6  Ketebalan (h) : 3,2 mm  Loss tangent : 0,018

ISBN 978-979-097-420-3

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.146 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

 Tebal lapisan konduktor : 0,1 mm  Konduktifitas (σ) : 5,8 x 107 mho/m Konektor yang digunakan adalah konektor SMA 50 ohm dengan teknik pencatuan koaksial untuk menghubungkan antara patch dengan ground plane. A. Dimensi Patch Antena Dimensi antena didapat dengan menggunakan nilai karakteristik substrat FR4, melalui perhitungan berikut: 1. Lebar Patch =

2

2 3 10 = ɛ + 1 2 × (4,33 10 )

= 0.207 = 207 2. Konstanta dielektrik efektif

2 (4.6 + 1)

(ɛ + 1) (ɛ − 1) ℎ + 1 + 12 2 2 (4.6 + 1) (4.6 − 1) 1,6 ɛ = + 1 + 12 = 4.52 2 2 207 3. Panjang gelombang 3 10 = = = 0.693 4,33 10 0.693 = = = 0,325 = 325 4,52 ɛ ɛ

=

Antena model tersebut kemudian diperiksa kinerjanya. Parameter yang digunakan adalah return loss. Hasil simulasi ditunjukan pada Gambar 5.

Gambar 5. Hasil simulasi return loss desain awal antena Pada Gambar 5, daerah yang ditunjukan oleh lingkaran hijau memperlihatkan bahwa pada frekuensi kerja 433 MHz antena menghasilkan nilai return loss = -11,5684 dB. Hasil ini belum sesuai dengan nilai parameter return loss ≤ -13dB pada frekuensi kerja 433 MHz sehingga belum memenuhi syarat perencanaan antena yang diinginkan. Optimasi dilakukan dengan mengubah dimensi patch, substrat, dan groundplane. Hasil desain akhir antena diperlihatkan pada Gambar 6 dengan parameter desain akhir antena ditunjukan pada Tabel 1. Tabel 1. Ukuran desain akhir antena

4. Dimensi meander line S = 0,13× = 0,13 × 325 mm = 42,356 mm W = 0,0417× = 0,0417 × 325 mm = 13,586 mm D = 0,0937× = 0,0937 × 325 mm = 30,528 mm d = D - (2 × W) = 30,528 – (2×13,586) = 3,355 mm

B. Dimensi Substrat Untuk mendapatkan pola radiasi unidireksional, idealnya lebar substrat yang selanjutnya akan diberi groundplane sebagai pemantul mempunyai lebar tak hingga. Dimensi substrat pada rancangan awal ini akan sama dengan dimensi ground plane. Dimensi substrat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut: 1. P = W + 6h = 13,586 mm + (6 x 1,6 mm) = 23,186 mm 2. L = S + 6h = 42,356 mm + (6 x 1,6 mm) = 51,956 mm

(a)

(b)

Gambar 7. Optimasi desain antena. (a) Penampang depan, (b) Penampang belakang. Realisasi antena pada PCB FR4, tampak pada Gambar 8.

4. Simulasi, Realisasi, dan Pengujian Setelah dimensi antena diketahui dari hasil perhitungan, dimensi tersebut digunakan untuk desain awal antena. Desain awal antena ditunjukan pada Gambar 4. (a) (b) Gambar 8. Antena yang telah difabrikasi. (a) Penampang depan, (b) Penampang belakang.

Gambar 4. Desain awal antena

Tabel 2 menampikan perbandingan kinerja antara hasil simulasi dan fabrikasi untuk parameter return loss, VSWR, dan impedansi antena yang dirancang.

ISBN 978-979-097-420-3

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.147 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

Parameter

Simulasi

Fabrikasi

-13,613

-2,411

1,527

7,091

49,126

27,915

Return Loss (dB)

VSWR

Impedansi (ohm)

ISBN 978-979-097-420-3

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.148 Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

1. Return Loss Pada kolom simulasi, lingkaranhijau memperlihatkan return loss sebesar -13,613 dB. Nilai yang ditunjukkan oleh grafik koefisien refleksi adalah daya pantul antena. Semakin kecil nilai koefisien refleksi, maka akan semakin sedikit pula daya pantul yang terjadi. Nilai return loss sudah sesuai dengan spesifikasi antena, yakni ≤ 13 dB. Pada kolom fabrikasi yang merupakan hasil pengukuran, lingkaran berwarna merah menunjukan nilai returnloss = -2,411 dB pada frekuensi 433 MHz. Hasil pengukuran tersebut tidak sesuai dengan spesifikasi perancangan untuk return loss, yakni ≤ -13 dB. Hasil returnloss yang paling baik bernilai -15,726 dB yang berada pada frekuensi 345,812 MHz. Terjadi pergeseran frekuensi kerja antena yang dirancang.Hal ini dapat disebabkan oleh kurang presisinya ukuran antena yang dibuat. 2. VSWR Hasil simulasi antena untuk parameter VSWR sebesar 1,527 sudah sesuai dengan spesifikasi, yakni ≤ 2. Sedangkan hasil pengukuran antena untuk parameter VSWR, lingkaran berwarna merah menunjukan nilai VSWR = 7,091 pada frekuensi 433 MHz. Hasil tersebut tidak sesuai dengan spesifikasi perancangan untuk VSWR, yaitu ≤ 1,5. Ukuran patch dan groundplane yang kurang presisi dapat mempengaruhi hasil pengukuran VSWR antena. 3. Impedansi Pada kolom simulasi didapat nilai sebesar 49,126 ohm hampir mendekati spesifikasi, yakni 50 ohm. Terdapat persentase kesalahan sebesar 1,75% antara hasil simulasi dengan spesifikasi. Sedangkan hasil pengukuran sebesar 27,915 ohm tidak sesuai dengan spesifikasi impendasi 50 ohm. Terdapat presentasi kesalahan sebesar 44,17%. Perbedaan hasil simulasi dengan hasil pengukuran ini dapat diakibatkan oleh nilai impedansi konektor SMA yang digunakan tidak mencapai nilai 50 ohm.

5. Kesimpulan Kami telah merancang sebuah antena mikrostrip meander line untuk sistem telemetri roket uji muatan yang bekerja pada frekuensi 433 MHz, dengan hasil sebagai berikut. 1. Pada parameter return loss, dari hasil simulasi diperoleh nilai return loss sebesar -13.613 dB, sedangkan dari hasil pengukuran diperoleh nilai return loss -2,411 dB. Perbedaan tersebut dapat disebabkan oleh ukuran antena yang dibuat tidak presisi. 2. Pada parameter VSWR, dari hasil simulasi diperoleh nilai VSWR = 1,527, sedangkan pada hasil pengukuran diperoleh nilai VSWR = 7,091. Ukuran antena yang tidak presisi dapat mempengaruhi perbedaan hasil simulasi dengan pengukuran. 3. Nilai impedansi berdasarkan hasil simulasi adalah, 49,12 ohm, sedangkan nilai impendansi hasil pengukuran adalah 27,915 ohm. Terdapat persentase kesalahan sebesar 1,75% untuk hasil simulasi, sedangkan persentase kesalahan hasil pengukuran sebesar 44,17%. Perbedaan hasil dapat disebabkan oleh nilai impendasi dari konektor yang digunakan tidak mencapai standar 50 ohm.

Referensi [1] LAPAN. 2016. Buku Panduang Komurindo Kombat 2016. (Online). Tersedia pada: http://komurindokombat.lapan.go.id/index.php/peserta/download/BukuPanduan-KOMURINDO-KOMBAT-2016.pdf. [2] LAPAN. 2014. Motor Roket RUM. (Online). Tersedia pada: http://pustekroket.lapan.go.id/index.php/subblog/read/20 14/40/Motor-Roket-RUM. [3] Wibawa, Alfan Ardi. 2012. Perancangan dan Realisasi Antena Mikrostrip Rectangular Array untuk Aplikasi GPS pada Frekuensi 1,2276 GHz. Bandung. Teknik Telekomunikasi Institut Teknologi Telkom. [4] Alaydrus, Mudrik. 2009. Saluran Transmisi Telekomunikasi. Yogyakarta: Graha Ilmu. Kraus, John D. 1998. Antennas. New Delhi: Tata McGrawHill.

ISBN 978-979-097-420-3