RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP SLOT RECTANGULAR DUAL-BAND (2,3 GHz DAN 3,3 GHz) DENGAN PENCATUAN PROXIMITY COUPLED Chandra Elia Agustin Tarigan , Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Antena mikrostrip adalah antena yang memiliki bentuk yang kompak dan dapat beroperasi dalam banyak pita atau multiband. Itu sebabnya banyak yang mengembangkan antena mikrostrip baik dalam bentuknya maupun pencatuannya. Salah satu penerapan antena mikrostrip adalah dalam akses komunikasi nirkabel pita lebar (BWA). Dalam tulisan ini dirancang antena mikrostrip berbentuk persegi panjang yang bekerja pada dua frekuensi yang mampu bekerja pada frekuensi BWA 2,3 GHz dan 3,3 GHz. Dalam teknik pencatuannya digunakan pencatuan proximity coupled yang bertujuan untuk meningkatkan bandwidth dan untuk memperoleh dua frekuensi diberikan slot pada antena. Hasil yang didapatkan dalam pengukuran antena ini adalah antena bekerja pada frekuensi 2,328 GHz – 3,491 GHz dengan return loss minimum -12,2 dB dan VSWR minimum 1,65. Frekuensi kedua bekerja dari 3,12 GHz – 3,395 GHz dengan return loss minimum -30,4 dB dan VSWR minimum 1,08.
Kata Kunci: Antena Mikrostrip, Proximity Coupled, Slotted Patch, BWA 5. Pendahuluan
6. Dasar Teori
Komunikasi nirkabel (wireless communication) sudah sangat berkembang pada saat ini. Perkembangan dari komunikasi bergerak ini juga terus didukung oleh perangkat yang memadai. Antena merupakan suatu alat yang sangat melekat dengan sistem komunikasi nirkabel. Antena yang memiliki desain kompak dan dapat beroperasi pada banyak pita untuk sistem komunikasi nirkabel telah diteliti secara mendalam dan dikembangkan secara luas. Antena itu memiliki beberapa keunggulan seperti ukuran yang kecil, harga yang murah dalam fabrikasinya dan sederhana. Namun, bandwidth yang sempit menjadi salah satu permasalahan antena mikrostrip.
Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena mikrostrip merupakan antena yang berbentuk papan (board) tipis dan mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Dalam bentuknya yang paling dasar, sebuah antena mikrostrip terdiri dari sebuah bidang (patch) memancar disalah satu sisi lapisan (substrate) dielektrik yang memiliki bidang dasar (ground plane) di sisi lain [1].
Dengan tujuan menyediakan bandwidth besar untuk aplikasi-aplikasi sistem komunikasi nirkabel, maka desain wideband antena menjadi salah satu hal yang penting. Broadband Wireless Access merupakan teknologi yang banyak dikembangkan saat ini. Kelebihan BWA yaitu dapat menawarkan akses data berkecepatan tinggi yang mampu menyediakan layanan kapanpun dan dimanapun.
2.1 Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Patch berbentuk persegi panjang merupakan bentuk yang paling umum digunakan dan paling mudah untuk dianalisa. Untuk menentukan lebar patch (W) [2]: =
=
=
(1)
dengan c adalah kecepatan cahaya di ruang bebas sebesar 3x108 m/s, fo adalah frekuensi kerja dari antena, dan Ɛr adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat. Untuk menentukan panjang patch (L), diperlukan pertambahan panjang dari L akibat adanya
– 112 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015
fringing effect. Pertambahan panjang dari L (ΔL) dirumuskan dengan [2]: ∆ = 0.412ℎ =
(
. )
(
.
. )
.
(2)
Dimana h merupakan tinggi substrat dan Ɛreff adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan [2]:
=
,
+
,
(3) Gambar 1. Pencatuan Proximity Coupled
Sehingga panjang patch (L) dapat dihitung dengan [3]: = − 2∆ (4) Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dirumuskan dengan [2]: = (5)
2.3 Cara Mendapatkan Dual-Band Frekuensi ganda atau dual frequency atau disebut juga dengan dualband antena mikrostrip merupakan suatu jenis antena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda satu dengan lainnya tanpa memerlukan dua buah antena yang berbeda secara fisik. Terdapat tiga jenis teknik untuk mendapatkan antena dengan dua frekuensi resonansi yang berbeda, yaitu [6]: 1. Orthogonal mode dual-frequency patch antennas 2. Multi-patch dual-frequency antennas
Hal yang mempengaruhi kerja antena selain lebar dan panjang patch peradiasi adalah lebar saluran pencatu (Wf). Saluran pencatu yang digunakan memiliki impedansi 50 ohm. Lebar saluran pencatu dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (6) dan (7) [3]. ( − Wf = − 1 − ln(2 − 1) + 1) + 0,39
,
(6)
Dimana: =
√
Keuntungan utama dari teknik pencatuan ini adalah menghilangkan radiasi feeding dan memberikan bandwidth yang lebar (bisa mencapai 13%), berkaitan dengan bertambah tebalnya antena mikrostrip [5].
(7)
Reactively-loaded dual-frequency patch antennas
2.2 Pencatuan Proximity Coupled Beberapa teknik pencatuan yang populer pada antena mikrostrip antara lain microstrip line, coaxial probe, aperture coupling, dan proximity coupling. Proximity coupling menggunakan dua substrat Ɛr1 dan Ɛr2. Patch berada diatas, ground plane berada dibawah dan saluran transmisi menghubungkan sumber daya dan berada diantara dua substrat seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Tipe ini dikenal juga sebagai “electromagnetically coupled microstrip feed”[4].
3. Metodologi Penelitian Adapun langkah-langkah perancangan antena mikrostrip slot rectangular diantaranya: 1. Menetukan frekuensi kerja dan jenis substrat 2. Perancangan ukuran antena 3. Simulasi dengan bantuan simulator 4. Melakukan fabrikasi sesuai dengan hasil simulasi 5. Melakukan pengukuran antena yang telah difabrikasi Diagram alir dari pembuatan antena ini dapat dilihat pada Gambar 2.
– 113 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015 didapat ukuran lebar 38 mm dan panjang 30mm. Ukuran antena dapat dilihat pada Gambar 3.
Mulai
Menentukan frekuensi kerja yang diinginkan
Jenis Substrat : FR4-Epoxy εr = 4.4 tan δ = 0.02 h = 1.6 mm
Menentukan lebar saluran pencatu
Menghitung panjang dan lebar antena untuk frekuensi 2.3 Ghz
Melakukan simulasi dengan program simulator termasuk melakukan pengaturan slot untuk menciptakan frekuensi ganda pada antena
Gambar 3. Desain antena
Karakterisasi antena Return Loss ≤ -10 dB dan VSWR ≤ 2 untuk kedua frekuensi dengan bandwidth ≥ 100 MHz
Sesuai dengan hasil perhitungan, perancangan antena pada simulator diperoleh seperti terlihat pada Gambar 4.
Tidak
Ya Fabrikasi Antena
Pengukuran Antena
Sudah sesuai dengan karakteristik
Optimalisasi antena
Tidak
Ya Selesai
Gambar 2. Diagram Alir
Antena yang dirancang adalah antena berbentuk persegi panjang dengan tambahan slot yang bekerja pada frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz. Pada perancangan ini digunakan substrat FR-epoxy dengan Ɛr 4,4 dan ketebalan 1,6 mm. Pada antena elemen tunggal, impedansi saluran pencatu yang digunakan yaitu saluran 50 ohm. Untuk mendapatkan lebar saluran pencatu yang menghasilkan impedansi 50 ohm dapat dihitung dengan Persamaan (6) dan Persamaan (7), sehingga didapat lebar saluran pencatu sebesar 3,06 mm. Pada perancangan patch antena dicari nilai panjang (L) dan lebar (W) antena. Berdasarkan perhitungan pada Persamaan (1) hingga Persamaan (5) dan dilakukan karakterisasi
Gambar 4. Rancangan Antena di Simulator
Berdasarkan simulasi dan telah dilakukan beberapa karakterisasi, kemudian dilakukan fabrikasi pada antena. Pengukuran yang dilakukan terhadap parameter-parameter antena ini meliputi return loss, VSWR, dan pola radiasi.
4. Hasil dan Pembahasan Hasil grafik return loss dan VSWR dari rancangan yang sudah dibuat masing-masing dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6.
Gambar 5. Return loss perancangan antena
– 114 –
copyright@ DTE FT USU
VOL.11 NO.31/JUNI 2015 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4
VSWR
SINGUDA ENSIKOM
Gambar 6. VSWR perancangan antena
f (GHz)
Perancangan ini menghasilkan dua frekuensi kerja. Pada frekuensi pertama didapatkan frekuensi dari 2,29 GHz hingga 2,39 GHz dengan nilai terendah return loss 20,718 dB pada frekuensi 2,35 GHz dan pada frekuensi kedua didapatkan frekuensi dari 3,29 GHz hingga 3,39 GHz dengan nilai terendah return loss -28,8309 dB pada frekuensi 3,35 GHz, sedangkan VSWR untuk frekuensi 2,35 GHz dan 3,35 GHz masing-masing didapat pada 1,2028 dan 1,075. Hasil antena yang telah difabrikasi terlihat pada Gambar 7.
Gambar 8. VSWR Pengukuran
Return Loss (dB)
0 -5
-10 -15 -20 -25 -30 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
-35
f (GHz) Gambar 9. Return Loss Pengukuran
Gambar 7. Antena Fabrikasi
Hasil pengukuran yang diperoleh dari antena yang telah difabrikasi berupa VSWR dan return loss yang ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 9.
Dari pengukuran antena didapatkan frekuensi pertama yaitu untuk frekuensi 2,35 GHz bekerja pada rentang 2,328 GHz – 2,491 GHz atau sebesar 163 MHz dengan return loss bernilai -12,20 dB. Frekuensi kedua yaitu frekuensi 3,35 GHz bekerja pada rentang 3,13 GHz – 3,39 GHz atau sebesar 260 MHz dengan return loss bernilai -31,62 dB. VSWR untuk frekuensi 2,35 GHz bernilai 1,76 dan untuk frekuensi 3,35 GHz bernilai 1,61. Berdasarkan hasil yang diperoleh, maka dapat dilakukan analisis terhadap return loss, VSWR, dan pola radiasi antena. Pada Gambar 10 terlihat bahwa pada frekuensi yang direncanakan beresonansi pada 2,35 GHz, batas kiri frekuensi bergeser sekitar 33 MHz ke kanan dari hasil simulasi yang menyebabkan nilai awal pengukuran frekuensi menjadi 2,328 MHz. Return loss minimum bernilai -12,2 dB, sedangkan pada frekuensi yang direncanakan beresonansi pada 3,35 GHz, batas kiri frekuensi bergeser 177 MHz ke kiri dari hasil simulasi
– 115 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015
dan batas kanan frekuensi hanya mencapai 3,395 GHz. Return loss minimum bernilai 30,4 dB.
0 10 20 3403500 330 30 320 40 310 50 -10 300 60 290 70 -20 280 80 270 90 -30 260 100 250 110 240 120 230 130 220 140 210 150 200190 170160 Simulasi 180 Pengukuran
Return Loss (dB)
0.00 -5.00 -10.00 -15.00 -20.00 -25.00 -30.00 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
-35.00 f (GHz) Return Loss Simulasi Return Loss Pengukuran
Gambar 12. Perbandingan Pola Radiasi Simulasi dan Pengukuran pada frekuensi 2,35 GHz
Gambar 10. Perbandingan Return Loss Simulasi dan pengukuran
8.00
340350 0 330 -5 320 310 -10 300 -15 290 -20 280
6.00
270
4.00
260
16.00 14.00
VSWR
12.00 10.00
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
0.00 f (GHz) VSWR Simulasi VSWR Pengukuran
Pada Gambar 11 terlihat bahwa pada frekuensi yang direncanakan beresonansi pada 2,35 GHz diperoleh VSWR minimum bernilai 1,65, sedangkan pada frekuensi yang direncanakan beresonansi pada 3,35 diperoleh VSWR minimum bernilai 1,08.
30
40 50 60 70 80 90 100
180
Pengukuran
Gambar 11. Perbandingan VSWR Simulasi dan pengukuran
10 20
-25
250 240 230 220 210 200190
2.00
0
110 120 130 140 150 170160 Simulasi
Gambar 13. Perbandingan Pola Radiasi Simulasi dan Pengukuran pada frekuensi 3,35 GHz
Pada Gambar 12 untuk frekuensi 2,35 GHz, pada hasil simulasi pola radiasi berbentuk unidirectional dengan puncak maksimum pada 0°, sedangkan pada hasil pengukuran pola radiasi menunjukkan hasil omnidirectional dengan puncak tertinggi pada 300°. Untuk frekuensi 3,35 GHz yang terlihat pada Gambar 13, pola radiasi berbeda ditunjukkan dari hasil simulasi dengan hasil pengukuran. Pada hasil simulasi pola radiasi berbentuk omnidirectional dengan puncak maksimum pada 320°, sedangkan pada hasil pengukuran pola radiasi menunjukkan hasil
– 116 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015
omnidirectional dengan puncak tertinggi pada 300°. Beberapa hasil dari pengukuran yang sudah dilakukan tidak sesuai dengan hasil yang sudah disimulasikan. Beberapa hal yang menyebabkan ketidaksesuaian itu antara lain ketebalan tembaga patch dan feedline yang tidak diperhitungkan, udara yang terjebak diantara substrat yang digabungkan, temperatur dan kelembapan udara di sekitar lokasi pengukuran, penyolderan konektor SMA pada feedline dan ground plane yang kurang baik, pengaruh benda di sekitar ruangan pada saat pengukuran, serta rugi-rugi pada kabel penghubung antena dengan network analyzer.
6. Daftar Pustaka
5. Kesimpulan Dari hasil analisis terhadap perancangan dan pengukuran antena slot rectangular, didapat beberapa kesimpulan yaitu: 1. Antena yang dirancang dengan menambahkan slot dapat bekerja pada frekuensi dual band yaitu 2,328 GHz 2,491 GHz dan 3,12 GHz – 3,395 GHz. 2. Hasil Pengukuran menunjukkan Impedance Bandwidth yang diperoleh pada frekuensi 2,3 GHz adalah 163 MHz dengan nilai return loss minimum -12,2 dB dan nilai VSWR minimum 1,65 pada 2,38 GHz serta Bandwidth pada frekuensi 3,3 GHz adalah 275 MHz dengan nilai return loss minimum -30,4 dB dan nilai VSWR minimum 1,08 pada 3,24 GHz. 3. Bandwidth yang terpenuhi pada frekuensi 2,3 GHz sebesar 72 MHz untuk frekuensi kerja BWA 2,3 GHz dan pada frekuensi 3,3 GHz sebesar 90 MHz untuk frekuensi kerja BWA 3,3 GHz. 4. Pola radiasi yang dihasilkan pada pengukuran di frekuensi 2,35 GHz cenderung unidirectional dan pada frekuensi 3,35 GHz cenderung mengarah ke segala arah (omnidirectional). 5. Perbedaan hasil antara simulasi dan pengukuran disebabkan beberapa faktor diantaranya faktor mekanis dan lingkungan.
– 117 –
[1] M. Alaydrus, “Antena: Prinsip & Aplikasi”, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2011, hal.1-2. [2] R. Garg, et al, “ Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech House Inc, London, 2001, hal 2-3, 265-268. [3] M. Irhas, “Perancangan dan Realisasi Antena Cognitive Radio Pada Alokasi Spektrum 2.35 GHz dan 2.6 GHz”, Skripsi Sarjana, Dept. Teknik Elektro, Univ.Telkom, Bandung, Indonesia, 2013. [4] A. F. Alsager, “Design and Analysis of Microstrip Patch Antenna Array”, M.S. Thesis, Sch. of Eng., Univ. College of Borås, Borås, Sweden. 2011. [5] P. S. Nakar, “Design or a Compact Mikrostrip Patch Antenna for Use in Wireless/Cellular Devices”, M.S. Thesis, Dept. of Elect. and Comput. Eng., The Florida State Univ., 2004. [6] I. Surjati, “Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya”, Universitas Trisakti, Jakarta, 2010, hal 125.
copyright@ DTE FT USU
