Rancang Bangun Antena Mikrostrip pada Frekuensi 2.6 GHz untuk Wireless Communication pada Quasi Zenith Satellite Dudi Nugroho Jurusan Teknik Elektro Akademi Teknik Telekomunikasi Sandhy Putra Jakarta Jln. Daan Mogot Km.11 Cengkareng 11710 Jakarta Barat E-mail :
[email protected] Abstract With Quasi Zenith Satellite that is developing so need to prepare for everything if Indonesian people want to use it. One of thing that important is antenna for Wireless Communication. In this research is made array antenna 2x2 element for producing radiation pattern with 45° elevation angle which is simulated first. After that made antenna from substrate dielectric with relativ permitivity 2.2. Next step was by doing measurement in anechoic chamber to see antenna characteristic. Result of simulation and measurement was satisfied, they are bandwidth impedance 277.11 MHz. Elevation angle of field pattern is 45° in 2.62 GHz . Bandwidth is taken based on VSWR < 2 or In bandwidth percentage is 10.4%. Antenna gain was 13.56 dB that condition is reached by controlled feed network and distance of each patch. Resonance frequency is used in this research is 2.6 GHz, so is hoped this design can be used in Quasi Zenith Satellite. Keywords : Quasi Zenith Satellite, 45° elevation, resonance frequency 2.6 GHz
1. Pendahuluan Sistem Quasi Zenith Satellite (gambar 1) merupakan sebuah konstelasi beberapa satelit yang identik sedikitnya 3 buah satelit di mana salah satunya harus berada dekat zenith negara Jepang setiap saat. Tidak seperti satelit geostasioner biasa quasi-zenith satellite dapat mengirim sinyal tanpa terhalang oleh gedung yang tinggi atau gunung karena satelit salah satu satelit selalu berada di atas kita. Karena keuntungan inilah maka sistem sesuai dan handal untuk aplikasi pada mobile communications and broadcasting [1]. Sistem ini lebih akurat untuk aplikasi Global Positioning System.
Gambar 1.Sistem Quasi-zenith Satellite
1
2. Antena Mikrostrip Segitiga Sama Sisi
2.1 Geometri Antena
Gambar 2. Geometri Antena Mikrostrip Segitiga Sama Sisi[2] a merupakan panjang sisi segitiga sama sisi patch antena dan d adalah lokasi pencatuan seperti yang diilustrasikan pada gambar 2. 2. 2 Frekuensi Resonansi Dalam penelitian yang telah dilakukan oleh Dahele dan Lee dihasilkan suatu formula untuk menghitung frekuensi resonansi dari antenna mikrostrip pacth segitiga sama sisi berdasarkan model cavity. Formula ini berdasarkan model cavity dengan dinding magnetik sempurna dinyatakan sebagai berikut[4] :
f mn =
ckmn 2π ε r
=
2c 3a εr
1
(m2 + mn+ n2 ) 2
(2.1)
dengan, c = adalah kecepatan cahaya, ε r = merupakan konstanta relative dielektrik, a = adalah panjang sisi segitiga sama sisi Subskrip mn mengacu kepada mode TMmn Frekuensi resonansi orde TM10 menjadi 2c (2.2) f10 = 3a e ε r 2 2 ⎡ 1 ⎛h⎞ ⎤ h h h ⎛h⎞ + 16.436 + 6.182⎜ ⎟ − 9.802 ae = a⎢1 + 2.199 −12.853 ⎜ ⎟ ⎥ a a.ε r ε r ⎝ a ⎠ ⎥⎦ a εr ⎝a⎠ ⎢⎣
2
' ⎡ ⎛ 2πld ⎞ 4 3hCmn 1 ⎛ πl2w⎞ ⎛ 2πmd⎞ ⎛ πm2w⎞ ⎛ 2πnd ⎞ ⎛ πn2w⎞⎤ ⎟⎟ sinc⎜⎜ ⎟⎟ + cos⎜⎜ ⎟⎟ sinc⎜⎜ ⎟⎟ +cos⎜⎜ ⎟⎟ sinc⎜⎜ ⎟⎟⎥ 2 2 cos⎜⎜ 2 ⎢ 2 a 27 n=0 m≥n ⎝ 3a ⎠ ⎝ 3a ⎠ ⎝ 3a ⎠ ⎝ 3a ⎠ ⎝ 3a ⎠⎦ ω −ωmn με − jδeff k ⎣ ⎝ 3a ⎠ ∞
∞
Zin = R + jX = − jωμ∑∑
(
di mana ⎧ ' C mn = ⎨ 16,,mm==nn≠≠00;m =0& n ≠ 0;n =0&m ≠ 0 ⎩ 12,lainnya
II.3 Pola Radiasi
2
)
(2.3)
( 2.4)
Pola Radiasi antenna digambarkan sebagai distribusi daya yang dipancarkan oleh antena pemancar maupun distribusi daya yang diterima di antena penerima sebagai fungsi dari arah sudut antena. (2.5) Eθ = − jωη 0 (Fx cos θ cos φ + F y cos θ sin φ ) Eφ = − jωη 0 (− Fx sin φ + F y cos φ )
di mana
η 0 = 120π
(2.6)
merupakan impedansi karakteristik ruang bebas, Fx , Fy adalah komponen potensial
medan listrik
II.4 Planar Array Antena array biasanya digunakan untuk memperbaiki gain antenna yang umumnya kecil kalau hanya dengan elemen tunggal. Etotal = Esingle element x Array Factor Array Factor untuk Planar Array adalah sebagai berikut :[3] AF
n
⎧ ⎞ ⎛ N ⎞ ⎫⎧ ⎛ M ψ x ⎟ ⎪⎪ ψ y ⎟ sin ⎜ sin ⎜ ⎪ 2 ⎪ 1 ⎪⎪ 1 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ (θ , φ ) = ⎨ ⎬⎨ ⎛ψ y ⎞ ⎛ψ x ⎞ ⎪⎪ N ⎪M sin ⎜ ⎟⎟ ⎟ sin ⎜⎜ ⎪⎩ ⎝ 2 ⎠ ⎪⎭ ⎪⎩ ⎝ 2 ⎠
⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭
(2.7)
di mana
ψ x = kd x sin θ cos φ + δ x ψ y = kd y sin θ cos φ + δ y Sedangkan untuk mengarahkan pola radiasi ke arah yang diinginkan maka harus diatur pergeseran fasanya (δ ) .
δ y = −kd y sin θ 0 cos φ0 δ y = −kd y sin θ 0 cos φ0 δ x merupakan pergeseran fasa pada sumbu x sedangkan δ y adalah perbedaan panjang catuan, sedangkan
λt
adalah pergeseran fasa pada sumbu y. Δl
adalah panjang gelombang saluran.
Gambar 2.2 Geometri Planar Array Gambar 2.4 di atas mengilustrasikan susunan MxN array antena secara umum tanpa memperhitungkan kopling antar elemen[3].
III. PERANCANGAN ANTENA
3
III.1 Substrat Dielektrik Substrat dielektrik merupakan bagian yang sangat penting dari antenna mikrostrip dan saluran pencatunya. Adapun pada simulasi dengan software digunakan substrat dengan spesifikasi sebagai berikut : Tabel 3.1 Karakteristik Substrat 2.2 Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 0,0001 Loss Tangent (tan δ) Ketebalan Substrat (h) 0.8 mm
III.2 Penentuan Dimensi Antena Segitiga Perancangan patch dimulai dengan menentukan panjangnya sisi segitiga sama sisi. Panjang sisi segitiga sama sisi dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan frekuensi resonansi (2.1) dan perhitungan sisi segitiga (2.2). akan diperoleh a eff = 5cm . Tabel 3.1 Karakteristik saluran catu Parameter saluran catu Spesifikasi Lebar saluran 2.45 mm Permitivitas relatif 2.2
III.3 Skema Elemen Tunggal Elemen tunggal didesain dengan menggunakan software berdasarkan data sisi segitiga efektif yang telah dihitung. Antena tunggal ini dicatu dengan saluran mikrostrip 50 ohm dengan panjang saluran λ d / 4 ternyata memiliki Zin = 2.5- j35 ohm. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.2.
Gambar 3.1 Skema Elemen tunggal III.4 Skema Planar Array
Gambar 3.2 Skema Planar Array 2x2 elemen di mana
4
d y = 102.3mm d x = 82mm dan θ 0 = 45°, φ 0 = 0° maka akan diperoleh Δl y = 11.5mm, Δl x =
20.3mm
a = 5 cm S-A, memiliki panjang saluran 15.73 mm dan lebar saluran 2.45 mm A-D1, memiliki panjang saluran 44.5 mm dan lebar saluran 2.45 mm A-D2, memiliki panjang saluran 56 mm dan lebar saluran 2.45 mm (D1/D2)-E, memiliki panjang saluran 29.7 mm dan lebar saluran 2.45 mm (D1/D2)-F, memiliki panjang saluran 50 mm dan lebar saluran 2.45 mm G-E/G-F, memiliki panjang saluran 70.9 mm dan lebar saluran 7.87 mm G-H, memiliki panjang saluran 108.4 mm dan lebar saluran 2.6 mm Sedangkan arah –x, x, y, dan –y menunjukkan arah pergeseran catuan Pengukuran Port Tunggal Pengukuran port tunggal dilakukan untuk menghitung nilai VSWR, return loss, dan impedansi masukan antena.
Gambar 3.3 Pengukuran port tunggal Perhitungan gain didasarkan pada persamaan Friis, yang secara umum dinyatakan sebagai berikut (dalam dB) : P 4πR (Got )dB + (Gor )dB = 20log10( ) +10log10( r ) (3.1) λ Pt dimana :
Got = Gain absolut antena pengirim (dB) Gor = Gain absolut antena penerima (dB) R = Jarak minimum antara antena pengirim dan penerima (m) λ = Panjang gelombang (m) Pr = Daya diterima (W) Pt = Daya terkirim (W) Karena ada tiga kemungkinan pasangan antena pengirim dan penerima, maka kemungkinan pengukuran gain adalah : 1. Antena pengirim 1 dan penerima 2 P 4πR (3.2) (G ) + (G ) = 20log ( ) +10log ( r2 ) 1 dB
2 dB
10
λ
10
Pt1
2. Antena pengirim 1 dan penerima 3 P 4πR (G1)dB +(G3)dB = 20log10( ) +10log10( r3 ) λ Pt1 3. Antena pengirim 2 dan penerima 3 (G2 )dB +(G3 )dB = 20log10(
P 4πR ) +10log10( r3 ) λ Pt2
(3.3)
(3.4)
Persamaan diatas dapat dituliskan dalam bentuk, G1 (dB) + G2 (dB) = A (3.5) (3.6) G1 (dB) + G3 (dB) = B G2 (dB) + G3 (dB) = C (3.7) Sehingga penyelesaian untuk persamaan (3.3), (3.4), (3.5) adalah :
5
1 ( A + B − C) 2 1 G2 (dB ) = ( A − B + C ) 2 1 G3 (dB) = (− A + B + C ) 2 G1 (dB) =
(3.8) (3.9) (3.10)
Untuk mengurangi kesalahan dalam pengukuran parameter gain antena, beberapa syarat berikut harus dipenuhi yaitu : 1. Antena pengirim dan penerima saling berhadapan pada berkas maksimum. 2. Antena memenuhi kriteria medan jauh, sehingga harus diperhatikan jarak antara antena pengirim dan penerima. 3. Semua komponen berada dalam kondisi matching. 4. Ada proximity effect dan multipath interference minimum.
Gambar 3.4 Konfigurasi Pengukuran Gain
IV. HASIL SIMULASI, PENGUKURAN DAN ANALISA IV.1 HASIL SIMULASI
DB(|PPC_TPwr[0,1]|) ELEMEN TUNGGAL
10
Mag Max 8 dB
-3
30
20
-2 0
-10
0
POLA RADIASI
DB(|PPC_TPwr[0,1]|) PLANAR ARRAY
40
0
-4 0 -5
50 0 60
-6
0
70 -70 80 -80
90 -90 100 -100
110 -110 12 -1
13 30
0
-17 0
-1
16 0
180
170
-1 60
0
50
15
-1
0
40
14
-1
4 dB Per Div
0
20
Mag Min -4 dB
Gambar 4.1 Hasil Simulasi Pola Radiasi
6
Swp Max 2.7GHz
ZIN[1] PLANAR ARRAY
2. 0
0.6
0.8
1.0
IMPEDANSI INPUT ZIN[1] ELEMEN TUNGGAL
2.62 GHz 0 r 1.14091 3. x 0.5303990
0. 4
4.
0 5.
0.2
10.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0
0.2
10.0
-10.0
-0.2
-5 .0 -4. 0 -3 .0 .0 -2
Swp Min 2.5GHz
-1.0
-0.8
-0 .6
4
2.62 GHz -0. r 0.0517496 x -0.691645
Gambar 4.2 Hasil Simulasi Simulasi Impedansi Input pada Smith Chart
VSWR[1] ELEMEN TUNGGAL VSWR[1] PLANAR ARRAY
40
SWR
30
20
10
0 2.5
2.55
2.6 Frequency (GHz)
2.65
2.7
Gambar 4.3 Hasil Simulasi SWR Di mana pada f = 2.58 GHz memiliki SWR 1.975 f = 2.6 GHz memiliki SWR 1.372 f = 2.62 GHz memiliki SWR 1.774 f = 2.63 GHz memiliki SWR 1.99 IV.2 HASIL PENGUKURAN Setelah melakukan fabrikasi, antena palanar array kemudian diukur untuk mengetahui karakteristiknya. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan network analyzer dengan format S22, maka setelah terukur datanya (impedansi dan VSWR) kemudian dicetak Adapun hasilnya seperti gambar 4.4 dan 4.5
Gambar 4.4 Hasil Pengukuran Impedansi diplot di Smith Chart
7
Dari data yang diperoleh terlihat bahwasannya bandwidth impedansinya (2.80211 GHz - 2.525 GHz) = 277.11 MHz. Rentang tersebut diambil karena pada rentang dengan frekuensi tepi tersebut memiliki nilai VSWR < 2. Atau dapat dinyatakan dalam bentuk persentase bandwidth dari impedansi bandwidth yakni :
% BW2.62917 GHz =
277.11MHz x100% = 10.4% 2664MHz
Gambar 4.5 Hasil Pengukuran VSWR
Tabel 4.1 Resume Hasil pengukuran gain 3 kombinasi antena Frekuensi (GHz) 2.605 2.61 2.615 2.62 2.625 2.63
G1+G2 (dB) 14.29423 16.66593 16.63124 17.41469 17.35245 14.80331
G1+G3 (dB) 21.93006 21.97203 20.73922 22.14075 22.08833 22.21298
G2+G3 (dB) 21.987383 22.889882 22.466075 22.396295 23.579259 22.476712
Tabel 4.2 Resume Gain 3 buah antena Frekuensi G1 G2 G3 (GHz) (dB) (dB) (dB) 2.605 7.118454 7.175772 14.811611 2.61 7.874039 8.791891 14.097991 2.615 7.452192 9.179047 13.287027 2.62 8.579573 8.835114 13.561181 2.625 7.930761 9.421693 14.157566 2.63 7.269786 7.533519 14.943193 Bentuk pola radiasi dalam dua dimensi untuk bidang E antena mikrostrip segitiga sama sisi pada frekuensi 2.62 GHz dapat dilihat pada gambar 4.3. Berdasarkan gambar terlihat bahwa berkas utama pada elevasi 45°.
8
E-PLANE E-PLANE 0 335
340
355 0 345 350
330
5
10 15
20
25 30
-5
325 320 315
35 40
-10
45 -15
310 305
50 55
-20
300
60
-25
295 290
65 70
-30
75
285 -35 280
80
275
-40
270
-45
85 90
265
95
260
100
255
105
250
110
245
115
240
120
235
125
230
130
225 220 215
135 140 145 210
150 205
200
195 190 185
165 175 170
160
155
180
Gambar 4.7 Pola Radiasi Bidang E
H-PLANE H-PLANE
0 335
340
330 325 320 315
355 0 345 350
5
10
15
20
25 30
-5
35 40
-10
310
45 50
-15
305 300
55 60
-20
295
65 -25
290 285
70 75
-30
280
80 -35
275 270
85 90
-40
265
95
260
100
255
105
250
110
245
115
240
120
235
125
230 225 220 215 210
130
205
200
195 190 185
175 170
165
160
155
135 140 145 150
180
Gambar 4.8 Pola Radiasi Bidang H
V. KESIMPULAN Pada Tesis ini telah dirancang antena mikrostrip Planar array 2x2 dengan pencatuan ganda secara langsung. Berdasarkan data hasil pengukuran dan analisa yang dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan. 1. Bandwidth impedansinya 277.11 MHz. Rentang tersebut diambil karena pada rentang dengan frekuensi tepi tersebut memiliki nilai VSWR < 2. Atau dapat dinyatakan dalam bentuk persentase bandwidth dari impedansi bandwidth yakni : 10.4% 2. Elevasi Pola Radiasi pada frekuensi 2.62 GHz tercapai spesifikasinya yakni pada elevasi 45° 3. Gain pada frekuensi 2.62 GHz sebesar 13.56 dB 4. Berdasarkan hasil simulasi antena Array memperbaiki karakteristik bandwidth antena jika dibandingkan dengan elemen tunggal.
9
DAFTAR ACUAN [1] [2] [3] [4]
Kimura, “Geometry of Zenith Satellite”, www.soumu.go.jp James, J.R., Hall, P.S., “Handbook of Microstrip Antennas”, Vol 1, 2, Exeter, England : Peter Peregrinus, Ltd., 1989. Constantine A. Balanis, “ANTENNA THEORY” Analysis And Design, WILEY 1982 J. S. Dahele and K. F. Lee, “On the resonant frequencies of the triangular patch antenna,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-35, pp. 100-101, Jan. 1987.
10
