RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH ARRAY SEGI EMPAT TRIPLE–BAND PADA FREKUENSI 2,3, 3,3 GHz DAN 5,8 GHz Ramli Qadar, Ali Hanafiah Rambe Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA email:
[email protected] or
[email protected]
Abstrak Antena triple band merupakan suatu jenis antena yang dapat bekerja secara bersamaan pada tiga range frekuensi yang berbeda tanpa memerlukan tiga buah antena yang berbeda fisik. Kelebihan lainnya dapat mengurangi drop call dan gangguan network busy. Tulisan ini merancang antena mikrostrip patch segiempat yang bekerja pada tiga frekuensi BWA yaitu 2,3 GHz, 3,3 GHz dan 5,8 GHz yang digunakan untuk aplikasi antena dengan bandwidth yang besar. Antena mikrostrip ini terdiri dari tiga buah patch segiempat yang disusun secara array dan dihubungkan oleh junction pada saluran pencatunya. Hasil yang didapatkan dalam pengukuran antena ini adalah antena bekerja pada frekuensi 2,3 GHz – 2,4GHz dengan gain pada simulasi 5,72 dB dan VSWR minimum 1,21 dan pola radiasi cenderung unidirectional. Frekuensi kedua bekerja dari 3,3 GHz – 3,4 GHz dengan gain pada simulasi 7,63 dB dan VSWR minimum 1,63 dan pola radiasi cenderung omniderctional. Frekuensi ketiga bekerja dari 5,7 GHz-5,8 GHz dengan gain pada simulasi 5,8 dB dan VSWR minimum pada simulasi 1,404.
Kata kunci : Triple-Band, antena mikrostrip, VSWR pentanahan (ground plane). Bentuk antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 1 [1].
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[1]. Antena mikrostrip tidak hanya dapat digunakan untuk satu band frekuensi, tetapi juga dapat digunakan untuk lebih dari satu band frekuensi. Sehingga, sistem radio menjadi lebih efisien.
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[2]. Tabel 1 menunjukkan spesifikasi substrat yang digunakan.
2. Antena Mikrostrip 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
Tabel 1. Spesifikasi Substrat
Jenis substrat Konstanta Dielektrik relative ( r ) Dielektrik Loss Tangent ( tan ) Ketebalan substrat (h)
– 72 –
FR-4 epoxy 4,4 0,02 1,6
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015 a) Lobe utama (main lobe) b) Side lobe (cuping) c) Back lobe
2.1 Parameter-parameter Antena Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang digunakan, yaitu frekuensi antena,VSWR, bandwidth, gain antena, dan polaradiasi[3].
f.
Return Loss Return loss adalah perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [1].
a. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Г adalah nol, maka: Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat. Г = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna. Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka. Secara sederhana rumus untuk menentukan VSWR [1]. Γ = (1) = 1+ 1− Γ
g. Impedansi Masukan Impedansi masukan dari suatu antena dapat dilihat sebagai impedansi dari antena tersebut pada terminalnya. Impedansi masukan adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena pada terminalnya [1]. 2.2 Antena Mikrostrip Patch Segi Empat aray triple-Band Antena mikrostrip patch segi empat array triple-band, merupakan salah satu jenis antena mikrostrip yang dikembangkan dengan teknik arrayyaitu masing-masing patch diletakkan pada jarak tertentu[4]. Untuk menghasilkan tiga rentang frekuensi dengan menyusun tiga buah patch. Patch yang terdiri dari frekuensi 2,3 Ghz, 3,3 GHz, dan 5,8 GHz kemudaian disusun dengan teknik array untuk menghasilkan tiga buah rentang frekuensi yang berbeda. Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip patch segi empat diharapkan mendekati nilai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Selain saluran pencatu pada masing masing patch diperlukan junction untuk menyatukan saluran pencatu pada masing-masing patch. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 2003 untuk mencari lebar pencatu agar mempunyai impedansi 50 Ω, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
b. Frekuensi Resonansi Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resistif dimana, nilai reaktansi impedansi sama dengan nol [1]. 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. Dimana, menentukan bandwidth adalah frekuensi atas kurang frekuensi bawah dibagi dengan frekuensi carier, dirumuskan sebagai berikut [4]: ℎ =
2− 1
100%
(2)
d. Gain Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerima sinyal dari arah tertentu [3]. e. Pola Radiasi Pola radiasi adalah fungsi matematika dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang, biasanya terdiri dari [1]:
Gambar 2. Tampilan TXLine 2003 Untuk Dimensi Saluran Pencatu.
– 73 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015 lebar 3 mm sedangkan untuk junction panjang 8 mm dan lebar 1 mm Gambar 4.
3. Metodologi Penelitian Pada tahap ini dilakukan perencanaan dan perancangan antena yang meliputi penentuan frekuensi resonansi, spesifikasi substrate, dimensi patch antena dan dimensi saluran pencatunya. Kemudian dilanjutkan dengan menggabungkan ketiga patch dan menggabungkan saluran pencatu dengan junction, sehingga menghasilkan antena mikrostrip patch segi empat triple-band dan melakukan simulasi. Tahapan –tahapan perancangan ditunjukkan dalam diagram alir pada Gambar 3.
1
Gambar 4. Rancangan Antena Mikrostrip Patch 2,45 GHz.
3.2 Perancangan antena Triple-band Selanjutnya adalah menggabungkan ketiga buah patch kedalam satu substrat. Penggabungan patch dilakukan dengan menentukan jarak antar patch. Dari hasil perhitungan dimana frekuensi terbesar sebagai pedoman untuk menentukan jarak, maka patch untuk frekuensi 5,8 GHz dijadikan pedoman dan patch ini juga di letakkan di tengah karena merupakan frekuensi terbesar. Hasil perhitungan didapat jarak 32 mm antara patch 2,3GHz terhadap patch 5,8 GHz dan 22 mm untuk patch 3,3 GHz terhadap patch 5,8 GHz dapat dilihat pada Gambar 5.
1
Gambar 5. Rancangan Awal Patch Triple-band
4. Analisis Hasil Simulasi Setelah dirancang kemudian antena dianalisa kinerjanya dengan menganalisa VSWR, gain, dan pola radiasi antena. Analisis dilakukan baik secara simulasi maupun pengukuran parameter antena setelah antena di pabrikasi
Gambar 3. Diagram Alir Perancangan
3.1 Perancangan Elemen Antena Pada perancangan antena yang di lakukan pertama kali yaitu menentukan ukuran patch untuk masing-masing frekuensi. Ukuran pacth untuk masing-masing frekuensi adalah suntuk frekuensi 2,3 GHz ukuran patch adalah panjang 40mm dan lebar 39mm, untuk frekuensi 3,3 GHz panjang 31 mm dan lebar 28mm dan untuk frekuensi 5,8 GHz panjang 15 mm dan lebar 10 mm. Kemudian untuk ukuran saluran pencatu dan junction didapatkan panjang 17 mm dan
4.1 Hasil Simulasi Triple-band Adapun nilai VSWR yang diperoleh setelah disimulasikan adalah 1,084 untuk frekuensi 2,3 GHz, VSWR bernilai 1,484 untuk frekuensi 3.3 GHz dan VSWR bernilai 2,009 untuk frekuensi 5,8 GHz, hasil VSWR dapat dilihat pada Gambar 6.
– 74 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015
2.3 GHz 2.4 GHz 1.4 3.705
3.3 GHz 7.083
30
kembali dengan mengubah ukuran masingmasing patch. Hasil iterasi ditunjukkan pada Tabel 3.
VSWR(1) EM Structure 1
VSWR 40
5.7 GHz 3.194
3.4 GHz 1.603
5.8 GHz 4.029
Tabel 3. Data Perubahan Ukuran Patch 20
Patch 2,3GHz
10
0 2
3
4 Frequency (GHz)
5
x
6
Gambar 6. Nilai VSWR Rancangan Awal.
Adapun hasil gain untuk Rancangan Awal adalah 6,074 dB (2,2 GHz - 2,6 GHz) dan 4,192 dB (3,2 GHz - 3,6 GHz) dapat dilihat pada Gambar 7 dan Gambar 8. Hasil VSWR yang diperoleh seperti pada Gambar 6 belum sesuai dengan yang diinginkan yaitu VSWR ≤ 2, oleh karena itu dilakukan iterasi dengan mengubah – ubah letak, ukuran, jarak antar patch, serta mengubah letak saluran pencatu pada masing masing patch dimensi patch data pergeseran dapat dilihat pada Tabel1. Tabel 1. Data Pergeseran Patch dengan Mengurangi Jarak Patch. Jarak patch (mm)
22 21 20 19 18
3,75 4,451 5.243 6,069 6,941
7,083 8,219 8,995 9,958 10,58
4,029 3,471 4,139 4,183 4,42
3,3GHz 23 24 25 26 27
3,3GHz 7,083 4,688 3.875 2,031 2,341
y
VSWR
2,1
28 21
2,3
20 12
1,3
43 30
2,1
28 21
2,3
21 12
1,3
43 30
2,0
28 21
1,9
22 12
1,6
43 30
2,0
28 21
2,1
23 12
1,4
43 30
2,0
28 21
2,4
24 12
1,1
43 30
2,0
28 21
2,4
25 12
1,8
x
y
z
21 21 22 23 24
13 14 15 16 17
16 17 18 19 20
F=2,3 GHz 2,581 1,999 1,598 1,818 1,828
F=2,4 GHz 1,634 1,509 1,588 1,494 1.622
Nilai VSWR F=3,3 F=3,4 GHz GHz 2,461 1,107 2,096 1,091 1,893 1,065 2,237 1,143 2,427 1,200
F=5,7 GHz 2,536 2,380 1,278 1,901 1,836
F=5,8 GHz 2,068 1,341 1,404 1,034 1,318
Setelah dilakukan pergeseran pada masing-masing patch tunggal, maka didapat VSWR yang dibutuhkan untuk mempabrikasi antena mikrostrip patch segiempat triple-band. Nilai VSWR optimal dari Tabel 3 dan Tabel 4 ditunjukkan pada Gambar 7.
VSWR 2,3GHz 3,75 2,54 2.157 2,034 2,124
x
43 30
Perpindahan
Tabel 2. Data Pergeseran Patch dengan Menambah Jarak Patch 2,3GHz 33 34 35 36 37
y VSWR
Tabel 4. Hasil Iterasi Perubahan Jarak Letak Titik Pencatu Setiap Patch
Setelah melakukan pergeseran didapatkan VSWR yang belum optimal, dilakukan iterasi kembali dengan menambahkan jarak patch dapat dilihat pada Tabel 2.
Jarak patch(mm)
VSWR x
Patch 5,8GHz
Hasil iterasi yang di dapat masih belum optimal maka dilakukan kembali iterasi dengan mengubah jarak patch, perubahan jarak patch dilakukan dengan merubah masing masing patch sejauh x,y,z mm seperti ditunjukkan pada Tabel 4.
VSWR
2,3GHz(mm) 3,3GHz(mm) 2,3GHz 3,3GHz 5,8GHz 32 31 30 29 28
y
Patch 3,3GHz
5,8GHz 4,029 1,499 1,21 1,277 1,312
Dari hasil iterasi pada Tabel 2 dapat dilihat bahwa nilai VSWR ≤ 2 belum terpenuhi, sehingga hasil iterasi optimal yang mendekati VSWR ≤ 2 pada Tabel 2 tersebut diiterasi
– 75 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015
VSWR(1) Gabung
VSWR 20 2.3 GHz 1.598
2.4 GHz 1.588 5.7 GHz 1.278
15 3.3 GHz 1.893
3.4 GHz 1.065
5.8 GHz 1.404
10
5
0 2
3
4 Frequency (GHz)
5
6
Gambar 7. Nilai VSWR Optimal Antena
4.2 Hasil Pengukuran Setelah melakukan simulasi dan mendapatkan hasil yang optimal maka antena kemudian di fabrikasi dan diukur dengan alat ukur VNA meter untuk menentukan VSWR dan Gain dapat dilihat pada Tabel 5.
Gambar 9. Pola Radiasi Frekuensi 2,3 GHz 4.3 Analisis Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Hasil perbandingan dapat dilihat pada Tabel 6 dan 7.
Tabel 5. Hasil Pengukuran Retur Loss
Frekuensi (GHz) 2 2.2 2.25 2.3 2.35 2.5 3.3 3.35 3.4
Tabel 6. Perbandingan hasil untuk frekuensi 2,3GHz
Return Loss (dB) -4.96 -17.06 -11.07 -20.08 -19 -7.7 -26.77 -17.21 -13.07
Parameter
Bandwidth
Gain Return Loss VSWR Minimum
Sedangkan pola radiasi yang didapatkan merupakan unidirectional dapat dilihat pada Gambar 8 dan 9.
Pola radiasi
Hasil Simulasi Patch Tunggal 3,3 GHz – 3,4 GHz (100 MHz) pada VSWR ≤ 2,81 Frekuensi 3,3 GHz 6,45 dBi -6,45 dB pada frekueni 3,3GHz 2,81 pada frekuensi 3,3GHz unidirectional
Hasil Simulasi Patch Array
Hasil Pengukuran Patch Array
3,3 GHz – 2,4 3.3 GHz – 3,4 GHz (100 GHz (100 MHz) MHz) pada pada VSWR ≤ VSWR ≤ 1,89 1,14 Frekuensi 3,3 GHz 7,63 dBi -10,21dB -26,77 dB pada pada frekueni frekuensi 3,3 GHz 3,3 GHz 1,89 pada 1,14 pada frekuensi 3,3 frekuensi 3,3 GHz GHz unidirectional omnidirectional
Tabel 7. Perbandingan hasil untuk frekuensi 3,3GHz Parameter
Hasil Simulasi Patch Tunggal
Hasil Simulasi Patch Array
Hasil Pengukuran Patch Array
2,3 GHz – 2,4 2,3 GHz – 2,4 2,3 GHz – 2,4 GHz (100 MHz) GHz (100 MHz) GHz (100 MHz) pada VSWR ≤ pada VSWR ≤ pada VSWR ≤ 2,52 1,59 1,21 Frekuensi 2,3 GHz Frekuensi 2,3 GHz – Gain 6,18 dBi 5,72 dBi -20,8 dB pada -10,24 dB pada -12,76 dB pada frekuensi 2,3 Return Loss frekueni 2,3 GHz frekueni 2,3 GHz GHz 1,21 pada 2,52 pada 1,59 pada VSWR frekuensi 3,3 frekuensi 2,3 GHz frekuensi 2,3 GHz Minimum GHz unidirectional unidirectional unidirectional Pola radiasi Bandwidth
5. Kesimpulan Berdasarkan hasil pengukuran dapat diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Perancangan antena triple band dengan teknik array patch segiempat dapat diperoleh dengan baik dengan cara
Gambar 8. Pola Radiasi Frekuensi 2,3 GHz
– 76 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
2.
3.
4.
5.
VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015
mengatur jarak, ukuran, letak titik pencatu pada masing-masing patch. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa rancangan antenna mampu memenuhi spesifikasi yang dibutuhkan yaitu pada frekuensi 2,3-2,4 GHz menghasilkan VSWR ≤ 1,598, pada frekuensi 3,3-3,4 GHz menghasilkan VSWR ≤ 1,893 dan pada frekuensi 5,7-5,8 GHz menghasilkan VSWR ≤ 1,404 Berdasarkan hasil pengukuran diperoleh untuk frekuensi 2,3-2,4 GHz menghasilkan VSWR ≤ 1,21 dan untuk frekuensi 3,3-3,4 GHz menghasilkan VSWR ≤ 1,63, sedangkan untuk frekuensi 5,8 GHz tidak dapat diukur karena keterbatasan alat ukur. Berdasarkan simulasi gain antenna di peroleh pada frekuensi 2,3 GHz adalah 5,72 dB, pada frekuensi 3,3 GHz adalah 7,63 dB dan untuk frekuensi 5,8 GHz adalah 5,684 dB. Pola radiasi yang dihasilkan pada pengukuran di frekuensi 2,3 GHz cenderung unidirectional dan pada frekuensi 3,35 GHz cenderung mengarah ke segala arah (omnidirectional).
6. DAFTAR PUSTAKA [1] Indra Surjati (2010). Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti. [2] Muhammad Fahrazal. “ Rancang Bangun Antena Mikrostrip TripleBand Linear Array 4 Elemen untuk Aplikasi Wimax”. Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia, 2008. [3] M. Alaydrus, “Antena: Prinsip & Aplikasi”, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2011. [4] Ali Hanafiah Rambe (2008). Rancang bangunan antena mikrostrip patch segiempat planar array 4 elemen dengan pencatuan aperture-coupled untuk aplikasi CPE pada wimax. Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia.
– 77 –
copyright@ DTE FT USU
