PERANCANGAN DAN ANALISIS KINERJA ANTENA DIPOLE FRAKTAL SIERPINSKI GASKET UNTUK FREKUENSI DUALBAND GSM 900 DAN GSM 1800 Riska Pratidina1,Hendro Darmono2, Abdul Rasyid3 Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang Dosen Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang E-mail :
[email protected]
ABSTRAK Antena merupakan suatu media peralihan antara ruang bebas dengan saluran transmisi yang digunakan untuk menggerakkan energi elektromagnetik dari sumber pemancar ke antena atau dari antena ke penerima. Pada makalah ini, dirancang dan direalisasikan antena dipole fraktal sierpinski gasket pada frekuensi dualband GSM 900 dan GSM 1800. Berdasarkan perhitungan dimensi antena secara teori pada frekuensi resonansi 925 MHz dan 1795 MHz diperoleh panjang sisi gasket, S; 57.46 mm, tinggi, he; 49.76 mm , simulasi menggunakan simulator antena. Berdasarkan hasil pengujian didapatkan frekuensi resonansi pertama 916 MHz dengan ukuran dimensi sisi luar gasket, S; 48.84 mm, tinggi, he; 42.3 mm diperoleh nilai return loss -23.1 dB, VSWR 1.150, fL 850 MHZ, fH 1250 MHz, bandwidth 400 MHZ, gain 1.2 dBd dan frekuensi resonansi kedua 1844 MHz dengan ukuran dimensi sisi dalam gasket, S; 25 mm, tinggi, he; 21.6 mm diperoleh nilai return loss –13.8 dB, VSWR 1.512, fL 1830 MHZ, fH 1870 MHz, bandwidth 40 MHZ, gain 1.3 dBd. Antena dipole fraktal sierpinski gasket ini memenuhi syarat dualband dan frekuensi resonansi yang didapatkan masih dalam rentang frekuensi dualband GSM 900 dan GSM 1800. Kata Kunci: Antena Dipole Fraktal Sierpinski Gasket, Dual Band GSM ABSTRACT Antenna is a medium transition between the free space with the transmission line that is used to move the source of electromagnetic energy from the transmitter to the antenna or from the antenna to the receiver.The aim of this paper is to, design and realize sierpinski gasket fractal dipole antenna for dualband frequencies GSM 900 and GSM 1800. Based on the theoretical calculation of the dimensions of the antenna at the resonant frequency of 925 MHz and 1795 MHz, it obtains the length of the gasket, S; 57.46 mm, height, he; 49.76 mm, simulation uses antenna simulator. Based on the test results it is obtained that resonant frequency 916 MHz with measurements of the outside dimensions of gaskets, S; 48.84 mm, height, h e; 42.3 mm obtained return loss -23.1 dB, VSWR 1150, fL 850 MHz, fH 1250 MHz, bandwidth 400 MHz, gain 1.2 dBd and a resonant frequency of 1844 MHz with both sides of the gasket dimension, S; 25 mm height, he; 21.6 mm obtained return loss -13.8 dB, VSWR 1512, fL 1830 MHz, fH 1870 MHz, bandwidth 40 MHz, gain 1.3 dBd. Sierpinski gasket fractal dipole antenna is eligible dualband and resonant frequency is obtained in the frequency range dualband GSM 900 and GSM 1800. Keywords: Sierpinski Gasket Fractal Dipole Antenna, Dual Band GSM and Ansoft HFSS software.
1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Salah satu bagian yang banyak dikembangkan dalam dunia telekomunikasi adalah antena. Antena merupakan suatu media peralihan antara ruang bebas dengan saluran transmisi yang digunakan untuk menggerakkan energi elektromagnetik dari sumber pemancar ke antena atau dari antena ke penerima(Balanis,1982: 1). Pada dasarnya antena memiliki banyak jenis yaitu dari bentuk yang sederhana sampai bentuk yang sangat kompleks, yang setiap jenisnya memiliki karakteristik masingmasing. Kegunaan antena telah banyak diterapkan untuk kepentingan telekomunikasi, antara lain untuk kepentingan penangkapan siaran televisi terrestrial UHF. Kegunaan lainnya adalah untuk
aplikasi komunikasi wireless dan komunikasi mobile yang banyak diimplementasikan saat ini, contohnya GSM, HSDPA, WLAN, WIMAX, dan lain-lain. Teknik fraktal telah diterapkan untuk berbagai bidang ilmu termasuk fraktal elektrodinamika dimana konsep fraktal yang dikombinasikan dengan teori elektromagnetik untuk kepentingan penyelidikan masalah radiasi, perambatan, dan hamburan. Mayoritas elemen antena fraktal yaitu konfigurasi menggunakan printed, memiliki ukuran yang sesuai, profil sederhana dan biaya murah, beroperasi multiband, titik catu mudah dan operasi antena dapat dioptimalkan dengan modifikasi sesuai bentuknya, antena fraktal juga memiliki ukuran kecil. Semua atribut ini membuat pilihan 1
yang menarik untuk peralatan telekomunikasi yang portabel (Nasimuddin, 2011:193-194). Desain antena fraktal yang dipilih adalah antena fraktal berbentuk sierpinski gasket didasarkan pada fraktal geometri dari transformasi iterasi tingkat pertama dimana antena fraktal sierpinski gasket merupakan sebuah antena yang menggunakan bentuk fraktal yaitu suatu bentuk yang desainnya mirip dengan bentuk aslinya dan terbagi-bagi menjadi beberapa bagian untuk memaksimalkan panjang, atau meningkatkan parameter (pada bagian dalam atau luar struktur).. Pada perancangan antena, parameter yang dibutuhkan adalah ukuran dimensi antena dengan terlebih dahulu menentukan permitivitas bahan dielektrik dan ketebalan substrat dielektrik yang digunakan. Oleh karena itu, pada proyek akhir yang berjudul “PERANCANGAN DAN ANALISIS KINERJA ANTENA DIPOLE FRAKTAL SIERPINSKI GASKET UNTUK FREKUENSI DUALBAND GSM 900 DAN GSM 1800 ” akan dibuat sebuah antena fraktal dengan ukuran yang kecil tapi diharapkan bisa menghasilkan pita frekuensi dualband dan mampu memenuhi kebutuhan antena untuk mendukung teknologi mobile GSM (Global System for Mobile) saat ini. Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan antara lain, Bagaimana merancang bentuk geometri antena serta ukuran dimensi antena dipole fraktal sierpinski gasket agar memperoleh hasil yang diinginkan sesuai dengan konsep dan teori antena yang ada (1), Bagaimana mensimulasikan antena dipole fraktal sierpinski gasket dengan software simulator antena dan cara fabrikasinya (2), Bagaimana cara pengujian parameter antena dipole fraktal sierpinski gasket dan memenuhi persyaratan-persyaratan parameter antena (3), Bagaimana menganalisa antena dipole fraktal sierpinski gasket yang dapat menghasilkan frekuensi dualband (4), 1.2 Tujuan Peneliti an Tujuan dari tugas akhir ini adalah merancang, mensimulasikan, membuat, dan menganalisa antena dipole fraktal sierpinski gasket yang dapat menghasilkan pita frekuensi dualband pada teknologi mobile yaitu GSM 900 dan GSM 1800. 1.3 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah untuk mengetahui hasil akhir dari analisa yang menunjukkan bahwa antena dipole fraktal sierpinski gasket dapat menghasilkan frekuensi dualband. 2. Landasan Teori 2.1 Tinjuan Pustaka Berdasarkan pada beberapa penelitian sebelumnya yaitu yang pertama berjudul “Hybrid
Methods in Designing Sierpinski Gasket Antenas” dengan peneliti bernama Mudrik Alaydrus (2010) menjelaskan tentang salah satu contoh antena fraktal adalah sierpinski gasket yang menunjukkan bahwa antena tersebut mempunyai karakteristik multiband. Penelitian yang kedua berjudul “A Multiband Fractal Dipole Antena for Wireless Communication Applications” dengan peneliti yaitu Jawad K. Ali, Dr. Essam M. Abdul-Baki, dan Mahir H. Hammed (2010) tentang hasil parameter antena dari sudut yang berbeda – beda sebanyak 4 sudut beresonansi pada 4 frekuensi yang berbeda. Penelitian yang ketiga berjudul “On the Behavior of the Sierpinski Multiband Fractal Antena” dengan peneliti yaitu Carles Puente-Baliarda, Jordi Romeu, Rafael Pous, dan Angel Cardama (1998) menjelaskan tentang perilaku multiband dari antena fraktal sierpinski. Penelitian yang keempat berjudul “An Iterative Model for Fractal Antenas: Application to the Sierpinski Gasket Antena” dengan peneliti yaitu Carles Puente Baliarda, Carmen Borja Borau, Mònica Navarro Rodero, dan Jordi Romeu Robert (2000). Model antena sierpinski gasket ini menunjukkan bahwa perilaku multiband dari antena fraktal sierpinski adalah konsekuensi dari sifat fraktalnya. Dari hasil beberapa penelitian diatas, maka peneliti ingin mengembangkan aplikasi antena dipole fraktal dalam bentuk “Perancangan dan Analisis Kinerja Antena Dipole Fraktal Sierpinski Gasket untuk Frekuensi Dualband GSM 900 dan GSM 1800” sehingga dapat dibuat dan diaplikasikan dengan baik. 2.2 Antena Fraktal Sierpenski Gasket Konsep lain fraktal banyak digunakan untuk desain antena mikrostrip adalah sierpinski fraktal. Berbagai objek fraktal sierpinski yang telah diusulkan: sierpinski gasket (segitiga), sierpinski carpet (persegi panjang), pentagon sierpinski, dan sierpinski hexagon. Dilihat dari literatur bentuk yang paling efisien untuk antena aplikasi carpet dan terutama gasket. Bentuk monopole atau gasket dipole fraktal mikrostrip telah diusulkan sebagai antena multifrequency. Meskipun objek sierpinski didasarkan pada dasar geometris yang berbeda, mereka mempunyai prinsip konstruksi yang sama. Pembangunan geometris dari sierpinski gasket yang populer dimulai dengan sebuah segitiga sama sisi yang dianggap sebagai generator (Gambar 1). Langkah berikutnya dalam proses konstruksi adalah untuk menghapus segitiga pusat, yaitu satu dengan simpul yang terletak di titik tengah dari sisi-sisi segitiga asli. Setelah pengurangan, tiga segitiga sama tetap pada struktur, masing-masing menjadi setengah dari ukuran aslinya. Proses ini kemudian diulang untuk segitiga yang lain dari tiga sisanya. Jika iterasi dilakukan dalam jumlah tak terbatas fraktal sierpinski gasket yang ideal diperoleh. Dalam setiap 2
tahap pembangunan fraktal masing-masing dari tiga bagian utama dari struktur yang dihasilkan persis sama dengan seluruh objek, tetapi oleh faktor skala. Jadi sierpinski gasket, serta sierpinski lainnya, adalah contoh karakteristik diri dari skema yang serupa. Ini harus menunjukkan bahwa dari sudut rekayasa antena melihat dari daerah segitiga hitam merupakan konduktor logam sedangkan segitiga putih mewakili daerah dimana logam telah dihapus (Nasimuddin, 2011:200).
Ungkapan ini meliputi parameter dari geometri gasket serta ketebalan dan konstanta dielektrik dari substrat, maka didapatkan rumus di bawah ini (Nasimuddin, 2011:201) : untuk n=0 fr
(1)
Dimana ξ = hn / hn+1 adalah rasio ketinggian gasket pada iterasi ke-n dengan iterasi ke-(n +1), δ = 1/ξ adalah faktor skala ρ = ξ - 0,230735 dan x = 0 jika n = 0, x = 1 jika n > 0. Selain itu, Gambar 1. Generator dan Tiga Tahap Pertama dari Fraktal Sierpinski Gasket.
(2)
Sumber: Nasimuddin, 2011:200
Gambar 1 menunjukkan antena monopole sierpinski gasket yang didesain. Tipe seperti antena di atas menunjukkan jarak log-periodik frekuensi resonan serta peningkatan impedansi bandwidth pada band yang lebih tinggi. Sangat menarik untuk dicatat bahwa jumlah pita n dan k iterasi yang saling dipertukarkan. Misalnya nol band dan iterasi ke-0 sesuai dengan resonansi dasar antena. Band pertama dan iterasi fraktal pertama sesuai dengan frekuensi log-periodik resonan pertama. Oleh karena itu, setelah iterasi fraktal yang pertama dua frekuensi resonan telah tersedia: fundamental dan frekuensi log periodik pertama. Ini berlaku untuk iterasi fraktal lainnya yang lebih tinggi. Posisi tertentu dari pita frekuensi tergantung pada geometri generator dan nilai parameter dari substrat dielektrik. Ini harus menyadari bahwa generator akan berpotensi tidak menjadi sebuah segitiga sama sisi, yaitu sudut (flare) yang sesuai dengan titik dimana pemberian titik catu diterapkan tidak akan sama dengan 60o. Banyak konfigurasi yang telah diusulkan. Potensi untuk memilih nilai sudut ini adalah keuntungan karena ada dua parameter geometris untuk mengontrol frekuensi resonansi. Yaitu adalah tinggi dari segitiga dan sudut (flare).
dimana S adalah panjang sisi gasket dan t, εr adalah ketebalan substrat dan konstanta dielektrik. Persamaan diatas berlaku bahkan dalam kasus di mana geometri terganggu untuk mendapatkan faktor skala yang berbeda. Dalam prakteknya nilai parameter yang diberikan adalah frekuensi resonansi dan nilai-nilai t dan εr dipilih oleh desainer. Jadi, untuk nilai tertentu n, parameter yang diperlukan adalah geometri dari gasket. Untuk perhitungan ini panjang sisi pembangkit pada sierpinski gasket diberikan oleh persamaan (Nasimuddin, 2011:201) : untuk n=0 S
(3)
3. Metodologi Penelitian 3.1 Tahapan Penelitian Tahapan yang dilakukan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3 dibawah ini : start Studi Literatur
Pengkajian
Gambar 2. Sierpinski Gasket Monopole (a) dan Dipole (b) Antena yang Dicetak Sumber: Nasimuddin, 2011:201
Dari sudut pandang desain, ekspresi matematika untuk perhitungan frekuensi resonansi dari sierpinki gasket yang diperlukan. Rumus tersedia paling baru (1) dalam hal parameter struktural dan urutan iterasi, untuk monopole (Gambar 1a) dengan flare sudut sebesar 60o.
Pembutan Antena
Pengujian
Analisa
finish
Gambar 3. Flowchart tahapan penelitian 3
3.2 Perencanaan Sistem Perencanaan sistem ditunjukkan pada Gambar 3.2 berikut ini. Start
Proses fabrikasi antena fraktal sierpinski gasket menggunakan printed antena
Antena
Antena Fraktal sierpinski gasket
TIDAK
Pengujian parameter antena
B. GSM 1800 : Uplink (1710-1785)Mhz : Downlink (1805-1880)MHz Range Frekuensi (1710-1880)MHz, jadi fr = 1795MHz. (J. E. Rhodes, 2001:1-3):
Perencanaan antena YA TIDAK
Simulasi antena menggunakan HFSS
RL ≤ -9.54 dB VSWR ≤ 2 Gain Pola radiasi Polarisasi YA
Analisa hasil RL ≤ -9.54 dB VSWR ≤ 2 Gain Pola radiasi
Kesimpulan
Finish
Gambar 4. Flowchart perencanaan system 4. Perencanaan 4.1 Perencanaan Antena Sierpinski Gasket Proses perencanaan antena sierpinski gasket dilakukan dalam beberapa tahap yaitu : 1. Penentuan spesifikasi bahan. 2. Penentuan nilai panjang gelombang dan dimensi antena. 3. Penentuan lebar saluran antena. 4. Penentuan nilai panjang dari saluran transformer. 4.1.1 Penentuan Spesifikasi Bahan Pembuatan antena ini menggunakan bahan jenis subtrat FR4 epoxy fiber glass yang memiliki konstanta permitivitas dielektrik (εr) = 4,4 dan tebal subtrat (h) = 1,47 mm. Loss tangent: 0,002, thickness (t) = 0.015. 4.1.2 Penentuan Nilai Panjang Gelombang ( ) dan Dimensi Antena. Penentuan panjang gelombang ini terdapat dua antena yang akan dibuat yaitu antena dipole array yang digunakan sebagai antena referensi untuk pengujian pola radiasi dan polarisasi, yang kedua yaitu antena fraktal sierpinski gasket. Berdasarkan pada kedua antena tersebut maka diperoleh panjang gelombang berikut ini: Dipole Array A. GSM 900 : Uplink (890-915)Mhz : Downlink (935-960)MHz Range Frekuensi (890-960)MHz, jadi fr = 925MHz. (J. E. Rhodes, 2001:1-3):
Sierpinski Gasket A. GSM 900 : Uplink (890-915)Mhz : Downlink (935-960)MHz Range Frekuensi (890-960)MHz, jadi fr = 925MHz. Berikut langkah-langkah penentuan nilai panjang sisi (S/Se) dan tinggi (he) dari antena fraktal sierpinski gasket pada frekuensi GSM 900: 1) Penentuan nilai dengan nilai yang sudah diketahui dapat digunakan persamaan (1) untuk n = 0, maka: 2) Penentuan nilai S adalah panjang sisi dari gasket dapat digunakan persamaan (3) untuk n = 0, maka: 3) Penentuan nilai dari nilai S yang sudah diketahui dapat digunakan persamaan (2), maka: Setelah diketahui nilai ternyata hasilnya sama dengan nilai S yaitu 57.46 mm. 4) Penentuan nilai dari nilai yang sudah diketahui dapat digunakan persamaan (2), maka: Setelah diketahui nilai di atas ternyata hasilnya sama dengan nilai pada persamaan (1) yaitu 49.76 mm. B. GSM 1800 : Uplink (1710-1785)Mhz : Downlink (1805-1880)MHz Range Frekuensi (1710-1880)MHz, jadi fr = 1795MHz. Berikut langkah-langkah untuk mencari sisi (S/Se) dan tinggi (he) dari antena fraktal sierpinski gasket pada frekuensi GSM 1800:
4
1) Penentuan nilai dengan nilai dan yang sudah diketahui dapat digunakan persamaan (1) untuk n > 0, maka: 2) Penentuan nilai S adalah panjang sisi dari gasket dapat digunakan persamaan (3) untuk n > 0, maka: 3) Penentuan nilai dari nilai S yang sudah diketahui dapat digunakan persamaan (2), maka: Setelah diketahui nilai ternyata hasilnya sama dengan nilai S yaitu 57.46 mm. 4) Penentuan nilai dari nilai yang sudah diketahui dapat digunakan persamaan (2), maka: Setelah diketahui nilai di atas ternyata hasilnya sama dengan nilai pada persamaan (1) yaitu 49.76 mm. Jadi kesimpulannya pada persamaan antena fraktal sierpinski gasket ini untuk iterasi-0 pada fr = 925MHz dan iterasi-1 pada fr = 1795MHz dengan persamaan yang berbeda ternyata hasil dari tinggi (he) dan panjang sisi (S/Se) sama yaitu 49.76 mm dan 57.46 mm. 4.1.3 Penentuan Lebar Saluran Antena Penentuan lebar saluran (WZ) antena dengan Zo yang diinginkan 50 dapat digunakan persamaan (Johnson, 1993:7-5):
simulator antena. Dengan menggunakan simulator antenna ini dapat diketahui hasil dari beberapa parameter antena yang akan diukur yaitu return loss dan VSWR dari antena yang telah dirancang. 4.2.1 Hasil Simulasi Return Loss dan VSWR Dari beberapa hasil simulasi maka diperoleh hasil perbandingan yang akan digunakan untuk proses selanjutnya yaitu fabrikasi, parameter yang dijadikan perbandingan hasil simulasi ini adalah return loss dan VSWR. Pada antena dipole array hasil perbandingannya yaitu dengan cara memotong beberapa mm dari bagian dimensi antena tersebut sedangkan pada antena fraktal sierpinski gasket hasil perbandingannya yaitu dengan cara memotong panjang (l) ground. Semua perbandingan ini dilakukan agar mendapatkan hasil yang sesuai dengan parameter tersebut. a) Dipole Array Dari perbandingan hasil simulasi maka dapat diketahui hasil yang mendekati nilai parameter return loss dan VSWR yang diinginkan yaitu pada ukuran dimensi antena setelah dipotong 16 mm yaitu : Tabel 1. Hasil Simulasi dari Ukuran Dimensi antena yang Dipotong 16 mm Frekuensi Return Loss VSWR (MHz) (dB) 920 -18.6565 1.2643 930 -16.7381 1.3408 1790 -13.9568 1.5016 1800 -12.6622 1.6067 Sumber: Hasil Simulator Antena
Dari persamaan di atas maka dapat diketahui nilai WZ adalah :
4.1.4 Penentuan Panjang saluran Transformer Penentuan panjang saluran transformer pada dipole array frekuensi resonansi yang digunanakan adalah range frekuensi mulai dari (890-1880)MHz sehingga fr = 1385MHz, maka panjang saluran transformer (LT) (Johnson, 1993:7-5) :
b) Sierpinski Gasket Dari perbandingan hasil simulasi maka dapat diketahui hasil yang mendekati nilai parameter return loss dan VSWR yang diinginkan yaitu pada ukuran panjang (l) ground sebesar7 mm yaitu : Tabel 2. Hasil Simulasi dari Ukuran Dimensi yang Dipotong 16 mm. Frekuensi Return Loss VSWR (MHz) (dB) 920 -11.3878 1.7380 930 -11.3275 1.7450 1790 -12.9856 1.5781 1800 -12.6890 1.6043 Sumber: Hasil Simulator Antena
4.2 Hasil Simulasi Antena Dipole Array dan Antena Fraktal Sierpinski Gasket Simulasi antena dipole array dan antenna dipole fraktal sierpinski gasket ini menggunakan
4.2.2 Pola Perancangan Antena Dipole Array dan Antena Fraktal Sierpinski Gasket Setelah melakukan perhitungan, kemudian memasukkan hasilnya ke dalam simulasi yang menggunakan software HFSS Ansoft. Kemudian memilih paremeter antena yang paling baik berdasarkan hasil simulasi tersebut. Dimensi antena yang paling baik inilah yang digunakan untuk fabrikasi. Gambar antena di bawah ini yang akan dibuat dalam proses fabrikasi. a) Dimensi Antena Dipole Array 5
Pada proses fabrikasi antena menggunakan PCB double layer sehingga terdapat 2 gambar yaitu pada layer depan dan layer belakang.
5.28 mm
13.56 mm
63.575 mm 6 mm
61.15 mm
6 mm
5.28 mm 5.28 mm
24.275 mm
54.15 mm
5.28 mm 5.28 mm
24.275 mm
54.15 mm
6 mm
6 mm
63.575 mm
5.28 mm
Gambar 8. Patch Antena Tampak Layer Belakang 4.3 Fabrikasi Antena Dipole Array dan Antena Fraktal Sierpinski Gasket
10 mm
10 mm
Sumber:Perencanaan
21.56 mm
Gambar 5. Patch Antena Tampak Layer Depan Sumber:Perencanaan
64.15 mm
5.28 mm
13.56 mm
5.28 mm
Gambar 6. Patch Antena Tampak Layer Belakang
Gambar 9. Hasil Akhir Fabrikasi pada Layer PCB Bagian Depan
Sumber:Perencanaan
b) Dimensi Antena Sierpinski Gasket Pada proses fabrikasi antena menggunakan PCB double layer sehingga terdapat 2 gambar yaitu pada layer depan dan layer belakang.
mm
57
.46
mm
57.46 mm
.46
57.46 mm
57
5.28 mm
5.28 mm
mm
57
.46
mm
7 mm
7 mm
54.15 mm
54.15 mm
5
6 7.4
19.56 mm
Gambar 7. Patch Antena Tampak Layer Depan Sumber:Perencanaan
Gambar 10. Hasil Akhir Fabrikasi pada Layer PCB Bagian Belakang 5. Pengujian dan Pembahasan 5.1 Pengujian Return Loss atau VSWR Antena Dipole Fraktal Sierpinski Gasket Return loss adalah salah satu parameter yang digunakan untuk mengetahui berapa banyak daya yang hilang pada beban dan tidak kembali sebagai 6
pantulan, sedangkan VSWR adalah perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum pada suatu gelombang berdiri akibat adanya pantulan gelombang yang disebabkan tidak cocoknya impedansi input antena dengan saluran feeder(Balanis, 2005:65). Tabel 3. Hasil Perbandingan Dimensi Antena
Sumber: Hasil Pengujian di Laboratorium Antena Politeknik Negeri Malang
Berdasarkan Tabel 3 di atas dapat diketahui bahwa nilai dimensi antena yang paling mendekati dengan frekuensi resonansi yang diinginkan yaitu dimensi antena dipole array yang digunakan sebagai antena referensi dengan panjang 118 mm dan 51.55 mm pada frekuensi 916 MHz dan 1848 MHz, sedangkan pada antena dipole fraktal sierpinski gasket digunakan dimensi dengan panjang sisi luar 48.84 mm dan panjang sisi dalam 25 mm pada frekuensi 916 MHz dan 1844 MHz. Jadi, dengan hasil dimensi dan frekuensi resonansi yang diperoleh tersebut maka akan digunakan sebagai acuan untuk pengujian parameter antena selanjutnya yaitu: return loss, VSWR, gain, pola radiasi, dan polarisasi
Gambar 13. Nilai return loss pada frekuensi 1844 MHZ Nilai return loss referensi dan nilai return loss pada AUT dapat dilihat dari hasil pengujian pada Gambar 11, 12 dan 13 sesuai frekuensi yang ditentukan, dari hasil pengujian sebagai contoh pada frekuensi 916 MHz diperoleh hasil return loss referensi adalah -3 dBm, sedangkan hasil return loss pada AUT diperoleh -46.1 dBm, sehingga dapat menghitung nilai return loss dengan digunakan rumus: RL = Level Terbaca - AttenuationDC - Level ref = -46.1 dBm- (-20 dB) - (-3 dBm) = -23.1 dB Dari hasil perhitungan return loss maka dapat diperoleh nilai koefisien pantul |Г|: RL = 20 log |Г| -23.1 = 20 log |Г| |Г| = 0.070 Dari hasil koefisien pantul Г| dapat diketahui nilai VSWR:
Gambar 11. Nilai return loss referensi
Gambar 14. Grafik Hasil Return Loss pada Pengujian dan Simulasi pada frekuensi 916 MHZ
Gambar 12. Nilai return loss pada frekuensi 916 MHZ 7
Gambar 15. Grafik Hasil VSWR pada Pengujian dan Simulasi pada frekuensi 916 MHZ Dari hasil pengujian Return Loss maka diperoleh hasil pada Gambar 5 diketahui nilai dari Return Loss pada frekuensi 916 GHz adalah -23.1 dBm. Nilai rata-rata Return Loss antara hasil pengujian dan simulasi adalah -15.575 dBm dan 11.51 dB. Sedangankan nilai VSWR pada frekuensi 916 MHz adalah 1.150. Nilai rata-rata VSWR antara hasil pengujian dan simulasi adalah 1.507 dan 1.718.
5.2 Pengujian Gain Antena Dipole Fraktal Sierpinski Gasket Gain dari antena (dalam arah tertentu) didefinisikan sebagai "rasio intensitas dalam arah tertentu, dengan intensitas radiasi yang akan diperoleh jika daya diterima oleh antena yang diradiasikan secara isotropis. Intensitas radiasi yang sesuai dengan daya isotropis yang dipancarkan adalah sama dengan daya diterima (input) oleh antena"(Balanis, 2005:66). Hasil pengujian gain untuk antena dipole fraktal sierpinski gasket ditunjukkan oleh Tabel 4 dan Tabel 5. a) GSM 900 Uplink : (890-915) MHz Downlink : (935-960) MHz Tabel 4. Hasil Pengujian Gain No. Frek. Eref EAUT Antena Gain (MHz) Antena Dipole (dBd) Dipole Fraktal Array Sierpinski λ/2 (dB) Gasket (dB) 1 890 -48.3 -49.9 -6.4 2 900 -43.4 -45.4 -2 3 910 -42.8 -43.9 -1 4 912 -43.4 -45.4 -2 5 914 -43.5 -44.6 -1.1 6 916 -43.5 -42.3 1.2 7 918 -43.1 -44.1 -1 8 920 -43.8 -43.6 0.2 9 930 -48.2 -48.9 0.7 10 940 -47.1 -46.1 1 11 950 -46.5 -45.7 0.8 12 960 -41.5 -41.7 0.2 -44.6 -45.1 -0.78 Rata-rata Sumber: Hasil Pengujian di Laboratorium Antena Politeknik Negeri Malang
Gambar 16. Grafik Hasil Return Loss pada Pengujian dan Simulasi pada frekuensi 1844 MHZ
Gambar 17. Grafik Hasil VSWR pada Pengujian dan Simulasi pada frekuensi 1844 MHZ Dari hasil pengujian Return Loss maka diperoleh hasil pada Gambar 5 diketahui nilai dari Return Loss pada frekuensi 1844 GHz adalah -13.8 dBm. Nilai rata-rata Return Loss antara hasil pengujian dan simulasi adalah -11.26 dBm dan 11.74 dB. Sedangankan nilai VSWR pada frekuensi 916 MHz adalah 1.521. Nilai rata-rata VSWR antara hasil pengujian dan simulasi adalah 1.784 dan 1.693.
b) GSM 1800 Uplink : (1710-1785) MHz Downlink : (1805-1880) MHz Tabel 5. Hasil Pengujian Gain No. Frek. Eref EAUT Antena Gain (MHz) Antena Dipole (dBd) Dipole Fraktal Array Sierpinski λ/2 (dB) Gasket (dB) 1 1710 -72.5 -75.7 -3.2 2 1730 -70 -72.2 -2.2 3 1750 -63.9 -64.9 -1 4 1770 -67.1 -67.5 -0.4 5 1790 -61.3 -62.7 -1.4 6 1810 -58.6 -60.2 -1.6 7 1830 -63.6 -63.1 0.5 8 1840 -53.4 -54.1 -0.7 9 1842 -52.9 -51.8 1.1 10 1844 -52.2 -50.9 1.3 11 1846 -52.8 -52.2 0.6 12 1848 -53.2 -52.4 0.8 13 1860 -51.4 -54.9 -3.5 14 1880 -55.3 -60.3 -5 -59.2 -60.2 -1.05 Rata-rata Sumber: Hasil Pengujian di Laboratorium Antena Politeknik Negeri Malang
8
Dari hasil pengujian gain pada Tabel 4 dan Tabel 5 diperoleh penguatan antena dipole fraktal sierpinski gasket terhadap antena referensi dipole array. Nilai rata-rata gain hasil pengujian yaitu 0.78 dBd dan -1.05 dBd, nilai rata-rata tersebut positif yang berarti bahwa terjadi penguatan. 5.3 Pengujian Pola Radiasi Antena Dipole Fraktal Sierpinski Gasket Pola radiasi suatu antena didefinisikan sebagai ”Gambaran secara grafik dari sifat-sifat radiasi suatu antena sebagai fungsi koordinat ruang” (Balanis, 1982:28). a) Diagram polar pola radiasi hasil pengujian pada frekuensi 916 MHz
5.4 Pengujian Polarisasi Antena Dipole Fraktal Sierpinski Gasket Polarisasi sebuah antena dalam arah yang diberikan didefinisikan sebagai polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan atau teradiasi oleh antena. Jika arah tidak dinyatakan, polarisasi yang dimaksud adalah dalam arah penguatan maksimum (Balanis, 2005:70-71). a) Diagram polar polarisasi hasil pengujian pada frekuensi 916 MHz
Gambar 20. Diagram Polar Polariasi pada Hasil Pengujian
Gambar 18. Diagram Polar Pola Radiasi pada Hasil Pengujian b) Diagram polar pola radiasi hasil pengujian pada frekuensi 1844 MHz
b) Diagram polar polarisasi hasil pengujian pada frekuensi 1844 MHz
Gambar 21. Diagram Polar Polariasi pada Hasil Pengujian Gambar 19. Diagram Polar Pola Radiasi pada Hasil Pengujian Berdasarkan data diatas pola radiasi antena dipole fraktal sierpinski gasket adalah pola radiasi directional mempunyai radiasi yang dapat menerima gelombang elektromagnetik lebih efektif (Balanis, 2005:33).
Jika vektor yang menggambarkan medan listrik pada suatu titik di dalam ruang sebagai fungsi waktu, bergerak searah atau tegak lurus terhadap saluran maka medan ini dikatakan terpolarisasi secara linier.(Stutzman, 1981:53). Pada Gambar diagram polar polarisasi antena dipole fraktal sierpinski gasket terlihat bahwa antena terpolarisasi linier horisontal. 9
5.5 Analisa Berdasarkan hasil pengujian dan pembahasan di atas, maka didapatkan beberapa analisa, yaitu: 1) Antena referensi dipole array λ/2 yang telah dirancang dan disimulasikan mempunyai panjang dimensi 130.15 mm pada frekuensi yang diinginkan 925 MHz, kemudian direalisasikan didapatkan hasil frekuensi resonansi 842.599 MHz. Dari hasil tersebut dilakukan beberapa fabrikasi sehingga didapatkan hasil yang paling mendekati frekuensi resonansi pertama yang diinginkan yaitu 916 MHz dengan ukuran panjang dimensi 118.56 MHz. Nilai frekuensi kerja antena referensi dipole array λ/2 ini disesuaikan dengan antena dipole fraktal sierpinski gasket yang mempunyai dimensi (sisi luar gasket) pada perancangan dan simulasi yaitu 57.46 mm diperoleh frekuensi resonansi pertama 817.4 MHz, setelah dilakukan beberapa fabrikasi didapatkan frekuensi resonansi pertama 916 MHz dengan ukuran dimensi (sisi luar gasket) yaitu 48.84 mm. Sedangkan pada dimensi yang lain antena referensi dipole array λ/2 mempunyai panjang dimensi 51.55 mm yang dirancang dan disimulasikan pada frekuensi yang diinginkan 1795 MHz, kemudian direalisasikan didapatkan hasil frekuensi resonansi kedua 1848 MHz. Dimensi antena referensi dipole array λ/2 ini tidak dilakukan perubahan ukuran dimensi karena dari beberapa fabrikasi yang telah dilakukan dan direalisasikan, nilai frekuensi resonansi kedua yang didapatkan telah disesuaikan dengan nilai frekuensi resonansi kedua dari antena dipole fraktal sierpinski gasket dengan dimensi (sisi dalam gasket) 25 mm didapatkan nilai frekuensi resonansi kedua 1844 MHz. Nilai frekuensi resonansi pertama dan kedua yang telah direalisasikan tersebut tidak sesuai dengan yang telah direncanaan dan disimulasikan dikarenakan pada perancangan desain antena dualband ini mengalami kesulitan penyesuaian nilai frekuensi yang resonan, namun frekuensi resonansi antena dipole fraktal sierpinski gasket yang telah direalisasikan masih dapat bekerja pada rentang frekuensi dualband GSM 900 dan GSM 1800. Jadi dapat disimpulkan bahwa ukuran dimensi sangat berpengaruh pada frekuensi, ini dinyatakan pada persamaan (J. E. Rhodes, 2001:1-3) :
untuk n=0 fr
untuk n=0 S
Pada persamaan di atas dapat dijelaskan bahwa ukuran dimensi suatu antena berbanding terbalik dengan nilai frekuensi, semakin besar ukuran dimensi antena maka semakin kecil nilai frekuensi yang bekerja begitu sebaliknya semakin kecil ukuran dimensi antena maka semakin besar nilai frekuensi yang bekerja. 2) Antena dipole fraktal sierpinski gasket telah dibuktikan bahwa antena tersebut bekerja pada frekuensi multiband seperti yang telah dinyatakan (Nasimuddin, 2011:200) ”Bentuk monopole atau dipole fraktal gasket mikrostrip telah diusulkan sebagai antena multifrequency. Band pertama dan iterasi fraktal pertama sesuai dengan frekuensi log-periodik resonan pertama. Oleh karena itu, setelah iterasi fraktal yang pertama dua frekuensi resonan telah tersedia”. Pada antena dipole fraktal sierpinski gasket yang telah dibuat menggunakan iterasi tingkat pertama didapatkan hasil frekuensi dualband, sehingga pada iterasi ke-0 didapatkan frekuensi resonansi pertama 916 MHz sedangkan pada iterasi ke-1 didapatkan frekuensi resonansi kedua yaitu 1844 MHz. Dari hasil tersebut dapat dibuktikan bahwa antena dipole fraktal sierpinski gasket dapat bekerja pada frekuensi multiband sesuai dengan tingkat iterasinya. ”Multiband dapat dicapai dengan membuat struktur bentuk permukaan, dimana elemen peradiasi yang berbeda dari array yang terhubung bersamasama menggunakan switch untuk membentuk kelompok elemen yang beresonansi pada band frekuensi yang berbeda” (Balanis, 2008:1647). 6. Penutup 6.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil perencanaan, simulasi, fabrikasi, pengujian serta pembahasan antena dipole fraktal sierpinski gasket, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Pada perancangan antena dipole fraktal sierpinski gasket menggunakan frekuensi resonansi sebesar 925 MHz dan 1795 MHz sehingga diperoleh ukuran dimensi dari hasil perhitungan dengan panjang sisi (S) = 57.46 mm dan tinggi (he) = 49.76 mm. 2. Pada simulasi frekuensi resonansi pertama 920 MHz dan 930 MHz didapatkan nilai return loss sebesar -11.3878 dB dan -11.3275 dB didapatkan juga nilai VSWR sebesar 1.7380 dan 1.7450. Sedangkan frekuensi resonansi kedua 1790 MHz dan 1800 MHz didapatkan nilai return loss sebesar -12.9856 dB dan 12.6890 dB didapatkan juga nilai VSWR 10
3.
4.
sebesar 1.5781 dan 1.6043. Dari hasil simulasi tersebut dapat dikatakan bahwa antena dipole fraktal sierpinski gasket telah memenuhi parameter antena yang telah direncanakan yaitu return loss ≤ -9.54 dB dan VSWR ≤ 2, selanjutnya antena dapat difabrikasikan. Fabrikasi yang dilakukan menggunakan dimensi pada ukuran panjang ground (l) = 7 mm. Pada hasil pengujian antena dipole fraktal sierpinski gasket didapatkan nilai frekuensi resonansi pertama 916 MHz pada ukuran dimensi S = 48.84 mm dan he = 42.3 mm didapatkan nilai parameter antena yaitu return loss = -23.1 dB, VSWR = 1.150, fL = 850 MHz, fH = 1250 MHz, bandwidth = 400 MHz, gain = 1.2 dBd, pola radiasi directional, serta polarisari linier horizontal. Sedangkan pada nilai frekuensi resonansi kedua 1844 MHz pada ukuran dimensi S = 25 mm dan he = 21.6 mm didapatkan nilai parameter antena yaitu return loss = -13.8 dB, VSWR = 1.512, fL = 1830 MHz, fH = 1870 MHz, bandwidth = 40 MHz, gain = 1.3 dBd, pola radiasi directional, serta polarisari linier horizontal. Dari hasil pengujian tersebut dapat dikatakan bahwa antena dipole fraktal sierpinski gasket telah memenuhi parameter antena yang telah direncanakan direncanakan yaitu return loss ≤ -9.54 dB dan VSWR ≤ 2 dan hasil pengujian ini nilainya lebih bagus dari hasil simulasi. Pada antena dipole fraktal sierpinski gasket telah dibuktikan bahwa antena ini bekerja pada frekuensi dualband. Antena yang dibuat adalah antena dipole fraktal sierpinski gasket pada tingkat iterasi ke-1. Pada iterasi ke-0 bekerja pada frekuensi resonansi pertama 916 MHz dan pada iterasi ke-1 bekerja pada frekuensi resonansi kedua 1844 MHz. Walaupun hasil dari antena yang telah direalisasikan tidak tepat pada frekuensi resonansi yang telah direncanakan, namun antena dipole fraktal sierpinski gasket ini masih dapat bekerja pada rentang frekuensi dualband GSM 900 dan GSM 1800.
6.2 Saran Saran yang bisa diberikan dalam pembuatan antena dipole fraktal sierpinski gasket adalah ketelitian dan keakuratan pada saat perancangan antena, simulasi, fabrikasi, dan hasil pengujian antena, sehingga hasil pengujian serta penguatan dapat diperoleh sesuai yang direncanakan. Oleh karena itu diperlukan alat ukur yang lebih teliti agar dimensi yang diinginkan dapat terpenuhi, Nilai dari parameter antena juga lebih akurat serta menghasilkan koefisien yang lebih kecil sehingga daya yang dipancarkan dapat diterima secara maksimal.
Daftar Pustaka Alaydrus, Mudrik. 2010. Hybrid Methods in Designing Sierpinski Gasket Antenas. Department of Electrical Engineering, University of Mercu Buana, Jalan Meruya Raya Selatan, Jakarta. Balanis, Constantine A. 1982. Antena Theory Analisis dan Design Second Edition. New York: John Wiley & Sons, Inc. Balanis, Constantine A. 2005. Antena Theory Analisis dan Design Third Edition. New York: John Wiley & Sons, Inc. Balanis, Constantine A. 2008. Modern Antena Handbook . New York: John Wiley & Sons, Inc. Carles Puente Baliarda, Member, IEEE, Carmen Borja Borau, Mònica Navarro Rodero, Jordi Romeu Robert, Member, IEEE. 2000. An Iterative Model for Fractal Antenas: Application to the Sierpinski Gasket Antena. Carles Puente-Baliarda, Member, IEEE, Jordi Romeu, Member, IEEE, Rafael Pous, Member, IEEE, dan Angel Cardama, Member, IEEE. 1998. On the Behavior of the Sierpinski Multiband Fractal Antena. Jawad K. Ali, Dr. Essam M. Abdul-Baki, Mahir H. Hammed. 2010. A Multiband Fractal Dipole Antena for Wireless Communication Applications. Electrical and Electronic Engineering Department, University of Technology, Baghdad, Iraq. Johnson, Richard C. 1993. Antenna Engineering Handbook. New York: McGraw-Hill, Inc. Kraus, John D. 1998. Antenas Second Edition. New York: McGraw-Hill, Inc. Nakar, Punit S. 2004. Design of a compact Microstrip Patch Antena for use in Wireless/Cellular Devices. Florida: Electronic Theses, Treatises and Dissertations. Nasimuddin. 2011. Microstrip Antenas. India: Intechweb, Org. Rhodes, J.E. 2001. Antenna Handbook. Washington, D.C: Marine Corps. Stutzman, Warren L. 1981. Antena Theory and Design. New York: John Wiley & Sons, Inc. Zhi Ning Chen and Michael Y. W. Chia. 2006. Broadband Planar Antenas. Singapore: John Wiley & Sons, Inc.
11
