SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
PERANCANGAN DAN ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT KOPLING APERTURE DENGAN FREKUENSI 2,45 GHz MENGGUNAKAN ANSOFT HFSS 11 Windu Bastian, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Antena mikrostrip kopling aperture adalah sebuah tipe antena low profile yang dapat diletakkan pada berbagai bidang (planar). Ukurannya yang kecil dan beratnya yang ringan membuat jenis antena ini sederhana untuk dibuat dan mudah untuk diintegrasikan. Pada penelitian ini sebuah antena mikrostrip kopling aperture dirancang dan dianalisa dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Ansoft HFSS 11. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa penambahan panjang aperture dari 11 mm menjadi 18 mm dapat menurunkan nilai VSWR dari 3,66 menjadi 3,57. Perubahan panjang stub 1 mm menjadi 8 mm mempengaruhi reaktansi pada impedansi masukan (Zin) antena dari 40,53+j52,33 Ω menjadi 49,82+j6,36 Ω dan juga mengurangi nilai VSWR dari 3,57 menjadi 1,14.
Kata Kunci: Antena mikrostrip, kopling aperture, impedansi input antena yang berbentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran yang sangat tipis.
1.Pendahuluan Antena mikrostrip memiliki kelebihan seperti bentuknya yang sederhana dan tidak mahal untuk diproduksi. Tapi terdapat juga kelemahannya seperti efisiensi yang rendah dan bandwidth yang dihasilkan kecil. Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang pengembangannya dimulai sejak tahun 1970an dan hingga kini masih menjadi jenis antena yang terus dikembangkan. Pada penelitian ini dianalisis parameter dari antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan kopling aperture. Parameterparameter utama yang akan dianalisis adalah frekuensi kerja antena, bandwidth, VSWR, dan impedansi masukan. Analisis dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Ansoft HFSS 11.
2. Antena Mikrostrip Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu mikro (sangat kecil/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefinisikan sebagai salah satu jenis
67
Gambar 1. Antena Mikrostrip Patch Segiempat Gambar 1 [1] menunjukkan struktur dari sebuah antena mikrostrip. Secara umum antena mikrostrip terdiri atas tiga bagian, yaitu patch, substrat dielektrik, dan ground plane. Patch terletak di atas substrat, sementara ground plane terletak di bagian paling bawah. Patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik, sedangkan ground plane berfungsi sebagai reflektor yang terbuat dari tembaga atau perak.
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
3. Antena Mikrostrip Kopling Aperture Antena mikrostrip kopling aperture terdiri dari dua susbtrat yang disatukan di antara ground plane. Patch peradiasi ditempatkan di lapisan substrat paling atas dan saluran catu mikrostrip ditempatkan pada bagian substrat antena yang paling bawah. Sebuah aperture pada ground plane berfungsi mengkopling patch ke feed line. Ketebalan dan konstanta dielektrik dari kedua substrat dapat ditentukan dengan bebas untuk optimasi performa antena sesuai dengan tujuan penggunaannya. Geometri antena mikrostrip kopling aperture dapat dilihat pada Gambar 2 [2].
=
(1)
pada persamaan di atas c adalah kecepatan cahaya sebesar 3x108 m/s, εrp adalah permitivitas bahan substrat patch yang digunakan, dan fo adalah frekuensi kerja antena yang dirancang. Untuk menentukan panjang patch (Lp) digunakan persamaan 2 [2]: =
− 2∆
(2)
sebelumnya ditentukan dahulu panjang patch efektif dengan persamaan 3 [2]: =
(3)
di mana εr p eff adalah konstanta dielektrik efektif patch, yang dapat dicari dengan persamaan 4 [4]:
Gambar 2 Geometri Antena Kopling Aperture
⎡ ⎢ = 0,5 ⎢ ⎢ ⎣
Mikrostrip
Dalam merancang sebuah antena mikrostrip kopling aperture, diperlukan penghitungan dan iterasi terhadap dimensi elemen-elemen antena tersebut, yang antara lain: a. Substrat Agar dapat membuat sebuah antena mikrostrip sesuai dengan fungsi yang kita inginkan, maka kita harus menentukan bahan substrat dielektrik yang paling cocok berdasarkan nilai rugi-rugi tangensial (rugirugi bahan) dari substrat yang akan digunakan tersebut dan menentukan dimensinya [3]. b. Patch Bentuk dan dimensi patch merupakan hal yang paling utama yang harus dipertimbangkan dalam merancang sebuah antena mikrostrip [3]. Bentuk patch yang umum digunakan adalah bentuk segiempat dan lingkaran. Untuk menentukan lebar patch (Wp) digunakan persamaan 1 [3] berikut:
68
⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦
+1+
(4)
dan ΔLp dapat ditentukan dengan persamaan 5 [2]: ∆
= 0.412ℎ
.
.
.
.
(5)
ΔLp adalah pertambahan panjang patch yang tak kasat mata, akibat adanya fringe field. Sedangkan Lp eff adalah panjang total patch setelah ditambahkan dengan ΔLp. c. Aperture Dalam merancang antena mikrostrip diperlukan pemilihan bentuk dan ukuran aperture dengan tepat. Semakin kecil aperture maka akan menghasilkan level radiasi belakang antena yang semakin kecil [3]. d. Stub Stub berfungsi untuk mengatur reaktansi yang berlebihan pada antena. Jika panjang stub dikurangi, maka akan menggerakkan lokus impedansi ke arah kapasitif pada Smith Chart, sementara jika ditambah akan
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
menggerakkan lokus impedansi ke arah induktif [5]. e. Feed Line Dalam merancang antena harus didapatkan impedansi karakteristik dengan menggunakan substrat yang memiliki ketebalan dan permitivitas tertentu, dan kemudian selanjutnya adalah menentukan lebar dan panjang feed line tersebut. Panjang dan lebar feed line mempengaruhi phasa pada impedansi input antena tersebut [5]. Pada antena mikrostrip kopling aperture, feed line menghasilkan medan listrik pada aperture, yang menginduksi arus permukaan patch. Tepi patch yang tegak lurus dengan feed line menimbulkan efek fringe yang teradiasi ke ruang bebas. Aperture pada ground plane bertindak sebagai transformator impedansi dan sebagai rangkaian paralel LC (Lap dan Cfringe) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 [6].
Gambar 4. Medan Fringe pada Patch a. Tampak Samping b.Tampak Atas Kemudian patch tersebut lalu akan menginduksi perpanjangan medan listrik yang ditimbulkan oleh pinggiran patch ke dalam ruang bebas, ke dalam substrat, dan ke dalam terminasi pada ground plane yang disebut medan fringe, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 [6]. Selanjutnya impedansi input antena miksrostrip yang dirancang dianalisis dengan menggunakan rumus-rumus teoritis. Langkah pertama adalah dengan mencari besar resistansi (Rrad) dan kapasitansi (Cfringe) pada pinggir patch yang terbentuk akibat adanya fringe field, dengan menggunakan persamaan 6 dan persamaan 7 [2]. =
(6)
=
(7)
Di mana G adalah konduktansi patch, yang dapat ditentukan dengan persamaan 8 [2]: 1−
= Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Antena Mikrostrip Kopling Aperture Transformator impedansi N merepresentasikan impedansi yang terjadi dari hasil kopling antara patch dengan aperture. Patch itu sendiri dimodelkan sebagai dua saluran transmisi yang diterminasi oleh rangkaian RC (Rrad dan Cfringe) karena adanya medan fringe pada bagian pinggir patch. Pinggiran patch yang merupakan rangkaian terbuka menghasilkan tegangan maksimum, dan arus yang sama dengan nol.
(8)
Adapun Hp pada persamaan 8 adalah tebal substrat patch. Selanjutnya B adalah suseptansi kapasitif fringe field, yang dapat ditentukan dengan persamaan 9 [2] : = 0.0168
∆
(9)
Sementara itu nilai impedansi Zap, yang merupakan impedansi yang terjadi pada aperture, dapat ditentukan dengan terlebih dahulu mencari nilai kapasitansi aperture (Cap) dan induktansi aperture (Lap) dengan persamaan 10 dan persamaan 11 [2]. pF
= =
69
(
)
copyright @ DTE FT USU
(10) (11)
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
Dalam persamaan 10 dan persamaan 11, fo adalah frekuensi kerja antena dan fc adalah frekuensi center antena. Pada antena mikrostrip, aperture dianggap sebagai transformator yang menghubungkan patch dengan feed line. Turns ratio n2 dari transformator ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 12 [2] di bawah ini:
2 =
2 +
+ (12)
di mana J0 adalah fungsi Bessel order nol, Wap adalah lebar aperture yang digunakan dan k1, βs, βm merupakan suatu variabel yang dapat ditentukan dengan persamaan 13, persamaan 14, dan persamaan 15 [2] berikut: =
−
−
(13)
=
(14)
=
(15)
di mana εrf, εrseff, dan εrfeff berturut-turut adalah permitivitas feed. permitivitas efektif stub dan permitivitas efektif feed. Untuk mendapatkan match impedance antara antena dengan feed line, maka dapat dilakukan iterasi dengan menggunakan persamaan 16 [2]: ( )=
−
cot(
)
(16)
dapat dilihat bahwa rumus impedansi input antena merupakan sebuah fungsi Ls, yang berarti panjang stub (Ls) mempengaruhi nilai resistansi dan reaktansi antena. Pada persamaan 16, Z0 adalah impedansi karakteristik saluran transmisi sebesar 50 Ω, Ypatch dan Yap berturut-turut adalah admitansi pada patch dan admitansi pada aperture.
70
4. Perancangan dan Analisis Antena Mikrostrip Kopling Aperture Pada penelitian ini dirancang dan dianalisa sebuah antena mikrostrip patch segiempat kopling aperture yang bekerja dengan baik pada frekuensi 2,45 GHz. Adapun antena dengan frekuensi kerja 2,45 GHz adalah antena yang digunakan untuk Wireless LAN (WLAN). Perancangan antena ini dilakukan dengan menggunakan bantuan simulator antena Ansoft HFSS 11. Berdasarkan hasil perhitungan dengan menggunakan rumus-rumus, spesifikasi antena mikrostrip kopling aperture yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1 Spesifikasi Rancangan Awal Antena Mikrostrip Kopling Aperture Elemen Antena Dimensi Ground Lg =75,6 mm Wg= 79,6 mm Patch Lp = 36 mm Wp= 38 mm Substrat Patch Hp = 5 mm (Duroid) εp = 2,2 Aperture La = 15 mm Wa = 1,5 mm Substrat Feed Hf = 1,6 mm (FR4 Epoxy) εf = 4,4 Feed Line Lf = 40 mm Wf = 1,44 mm Stub Ls = 0 mm Dengan menggunakan spesifikasi rancangan awal antena miksrostrip di atas didapatkan nilai VSWR 3,63 pada frekuensi 2,4 GHz, 3,67 pada frekuensi 2,45 GHz, 3,75 pada frekuensi 2,5 GHz. Impedansi input antena adalah 57,14j73,33 Ω pada frekuensi 2,4 GHz, 43,79-j64,99 Ω pada frekuensi 2,45 GHz, 35,94-j58,47 Ω pada frekuensi 2,5 GHz. Untuk mendapatkan keluaran antena yang lebih optimal, maka dilakukan optimasi pada rancangan awal di atas. Optimasi pada penelitian ini dilakukan dengan dua cara, yaitu mengubah-ubah panjang aperture dan mengubah-ubah panjang stub. Panjang Aperture antena diubah-ubah dari 10 mm sampai 20 mm dengan kelipatan 1 mm. Panjang stub diubah-ubah dari 1 mm sampai 8 mm dengan kelipatan 1 mm. Dari hasil simulasi diketahui bahwa panjang aperture yang diperlukan untuk menghasilkan keluaran yang
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
lebih optimal untuk bekerja pada frekuensi 2,45 GHz adalah 18 mm dan panjang stub yang ideal adalah 8 mm. Tabel 2 menunjukkan spesifikasi antena yang telah dioptimasi. Tabel 2 Spesifikasi Rancangan Optimum Antena Mikrostrip Kopling Aperture Elemen Antena Dimensi Ground Lg =75,6 mm W = 79,6 mm Patch Lp = 36 mm Wp= 38 mm Substrat Patch Hp = 5 mm (Duroid) εp = 2,2 Aperture La = 18 mm Wa = 1,5 mm Substrat Feed Hf = 1,6 mm (FR4 Epoxy) εf = 4,4 Feed Line Lf = 40 mm Wf = 1,44 mm Stub Ls = 8 mm
di mana semakin panjang aperture maka nilai VSWR akan turun, namun apabila terlalu besar maka VSWR akan naik, sehingga diperlukan iterasi dalam menentukan panjang aperture antena. 3. Panjang stub mempengaruhi impedansi input antena mikrostrip kopling aperture. Pada simulasi didapat panjang stub 8 mm untuk meminimalisasi reaktansi pada impedansi input. 4. Antena mikrostrip kopling aperture yang dirancang memiliki gain 2,4226 dB dan bandwidth sebesar 100 MHz untuk VSWR ≤ 2,5 dengan impedansi input pada 2,45 GHz sebesar 49,82 + j 6,36 Ω.
Ucapan Terimakasih
Tabel 3 menunjukkan performa antena mikrostrip kopling aperture hasil optimasi. Tabel 3 Keluaran Antena Mikrostrip Kopling Aperture Hasil Optimasi Parameter Besaran fop 2,45 GHz VSWR 1,14 Gain 2,4336 dB Impedansi 49,82+j6,36 Ω Masukan Selanjutnya adalah menentukan impedansi masukan antena secara teoritis dengan menggunakan model saluran transmisi. Dengan menggunakan formula yang telah dijabarkan sebelumnya, maka diperoleh impedansi masukan antena secara teori adalah 48,92+43,78Ω.
Kesimpulan Pada penelitian ini diperoleh beberapa kesimpulan, yakni: 1. Panjang patch Lp dan lebar patch Wp berpengaruh terhadap frekuensi kerja antena mikrostrip patch segiempat kopling aperture, di mana semakin besar frekuensi maka semakin kecil nilai Lp dan Wp. 2. Panjang aperture La sangat mempengaruhi VSWR antena mikrostrip kopling aperture,
71
Penulis menyampaikan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada kedua orangtua penulis dan teman-teman yang telah memberikan dukungan moril dan materiil. Tidak lupa juga penulis menyampaikan terimakasih kepada para Bapak dan Ibu dosen yang telah memberikan pengarahan dan bimbingan dalam membuat tulisan ilmiah ini. Referensi [1] Schaubert, Daniel H. and Pozar, D.M. 1995. Microstrip Antenas: The Analyss and Design of Microstrip Antenas and Arrays. Hal: 59-67. [2] Rahman, Abdel A.B.A.M. 2005. Design and Development of High Gain Wideband Microstrip Antena and DGS Filters Using Numerical Experimentation Approach. Disertasi. Hal: 22-56. [3] Alaydrus, Mudrik. 2011. Antena: Prinsip dan Aplikasi. Graha Ilmu. Yogyakarta. Hal: 189-199. [4] Ali, M.T. Muhamud, S. et al. 2011. A Microstrip Patch Antena with Aperture Coupled Technque at 5,8 GHz, dalam IEEE International Conference on System [5] Pozar, David M. 1996. A Review of Aperture Coupled Microstrip Antenas: History, Operation, Development, and Applications. [6] Civerolo, Michael P. 2010. Aperture Coupled Microstrip Antena Design and Analysis. Thesis. California Polytechnic State University. Hal: 4-16. copyright @ DTE FT USU
