REALISASI ANTENA ARRAY MIKROSTRIP RECTANGULAR PATCH PADA FREKUENSI 2.4 GHZ UNTUK APLIKASI WLAN
Realization of Rectangular Patch Array Microstrip for WLAN Application at Frequency 2.4 GHz
PROYEK AKHIR
untuk memenuhi sebagian persyaratan menyelesaikan pendidikan Diploma III
Program Studi Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro
diajukan oleh: DETI YUNINGSIH 091331041
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Nama : Deti Yuningsih
NIM
: 091331041
Tempat, Tanggal lahir
: Bandung, 01 Maret 1991
SD lulus tahun
: 2003 di SD Negeri KPAD Bandung
SLTP lulus tahun
: 2006 di SMP Negeri 12 Bandung
SLTA lulus tahun
: 2009 di SMA Negeri 15 Bandung
Tanggal permulaan kuliah
: 2009
Prestasi yang pernah dicapai: 1. Anggota Divisi Kesejahteraan HIMATEL periode 2010
ii
Allah tidak membebani seseorang melainkan sesuai dengan kesanggupannya, ia mendapat pahala (dari kebijakan) yang diusahakannya (QS Al-Baqarah : 286)
Orang-orang yang berbahagia tidak selalu memiliki hal yang terbaik, Mereka hanya berusaha menjadikan yang terbaik dari setiap hal yang hadir dalam hidupnya
Kupersembahkan karya ini untuk orang-orang yang aku cintai Mamah, Bapa, Kakakku dan adikku, Serta orang yang selalu ada saat suka dan duka, dan orang-orang yang selalu mendo’akanku
iii
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur Alhamdulillah penulis ucapkan kehadirat Allah SWT.
Melalui perjalanan panjang yang penuh tantangan dan hambatan yang tiada berarti
jika dibandingkan dengan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat
melaksanakan dan menyelesaikan Laporan Proyek Akhir yang berjudul “Realisasi Antena Array Mikrostrip Rectangular Patch pada Frekuensi 2.4 GHz untuk Aplikasi WLAN”.
Dalam penyusunan laporan ini penulis banyak mendapatkan bantuan dan
bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapa, mamah, kakakku Lia Dewini dan adikku
Wahyudi yang telah
memberikan dukungan moral, materil dan do’a yang tiada henti. 2. Bapak Sanam Herlambang, SST, M.T. selaku dosen pembimbing yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan proyek akhir ini. 3. Bapak Malayusfi, BSEE, M.Eng., Bapak Ridwan Solihin, DUT, S.S.T., M.T., dan Bapak Taviv Sutisna, DUT, S.S.T. selaku penguji sidang dan panitia proyek akhir yang telah memberi banyak masukan pada penulis. 4. Bapak Andry Haidar, S.T., M.T. sebagai ketua Program Studi Teknik Telekomunikasi. 5. Bapak Ir. Hari Purnama, M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro. 6. Seluruh Staf Dosen dan Teknisi Prodi Teknik Telekomunikasi. 7. Danuar Trianur Rohman orang yang selalu ada disaat suka dan duka, orang yang selalu menyemangati dan mengukir senyum diwajahku. 8. Fau, Senny, Lia, Mpit, Ilham, Tiara, Epi, Refa, Mita, dan Dafit temanteman proyek akhir antena. 9. Baruduks 3 TCB saudara-saudaraku terima kasih untuk kebersamaannya yang selalu mewarnai kehidupan di kampus selama tiga tahun. 10. Telkom Angkatan 2009. 11. Keluarga besar HIMATEL.
iv
12. Berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu dalam
menyelesaikan proyek akhir ini. Penulisan Laporan Proyek Akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh sebab
itu penulis mengharapkan kritik dan saran untuk menyempurnakan laporan ini. Penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pihak dan
semoga
dapat
memperkaya
ilmu
pengetahuan
terutama
dalam
bidang
telekomunikasi.
Bandung, Juli 2011
Penulis
v
ABSTRAK
Device penting dalam komunikasi wireless adalah antena dengan frekuensi
kerja orde GHz. Antena mikrostrip dapat menjadi pilihan utama untuk
merealisasikannya karena kelebihannya yang ringan, dan mudah terintegrasi
dengan rangkaian, namun memiliki bandwidth yang sempit dan gain yang rendah.
Pada proyek akhir ini telah direalisasikan antena susun mikrostrip empat
persegi panjang yang bekerja pada frekuensi 2400 – 2483 MHz. Teknik pencatuan yang digunakan yaitu proximity coupling dengan tujuan selain untuk
penyepadanan impedansi juga dapat memperlebar bandwidth.
Realisasi antena ini menggunakan substrat FR4-Epoxy dengan
=
4.1. Berdasarkan hasil pengukuran diperoleh bandwidth 116 MHz pada range frekuensi 2403 – 2519 MHz pada VSWR ≤ 1.5. Nilai return loss yang didapatkan adalah 30.34 dB pada frekuensi 2441 MHz.
Kata kunci : antena mikrostrip persegi panjang, proximity coupling, bandwidth ABSTRACT The important device in telecommunication is an antenna with working frekuency in GHz. An micostrip antenna can be a choice for realizing it because of the advantages, like, small size and can be integrated with its circuit. But, this device have not wide bandwidth and small value of gain. In this final project has been realized rectangular patch microstrip antenna at band frequency 2400 – 2483 MHz. Feeding technique using proximity coupling for matching impedance and also makes wider bandwidth. Realization of microstrip antenna using substrat FR4-Epoxy with
= 4.1.
Based on the results obtained by the measurement, the bandwidth is 116 MHz on
frequency range from 2403 to 2519 MHz at VSWR ≤ 1.5. Return loss value is 30.34 dB at 2.441 GHz. Keywords : Rectangular Microstrip Antenna, proximity coupling, bandwidth
vi
DAFTAR ISI
LEMBAR PNGESAHAN ...................................................................................... i DAFTAR RIWAYAT HIDUP ............................................................................. ii KATA PENGANTAR.......................................................................................... iv
ABSTRAK ............................................................................................................ vi
DAFTAR ISI........................................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR..............................................................................................x
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xii
BAB I
PENDAHULUAN ..................................................................................1 1.1 Latar Belakang..................................................................................1 1.2 Perumusan Masalah..........................................................................1 1.3 Pemecahan Masalah .........................................................................2 1.4 Tujuan Proyek Akhir ........................................................................2 1.5 Batasan Masalah ...............................................................................2 1.6 Sistematika Laporan .........................................................................3
BAB II
TINJAUAN TEORITIS ........................................................................5 2.1 Tinjauan Pustaka ..............................................................................5 2.2 WLAN ..............................................................................................5 2.3 Antena...............................................................................................6 2.4 Antena Mikrostrip ............................................................................8 2.4.1 Fringing Effect....................................................................10 2.4.2 Dimensi Patch Mikrostrip ..................................................11 2.4.3 Saluran Mikrostrip ..............................................................12 2.4.4 Teknik Pencatuan................................................................14 2.5 Parameter Antena ...........................................................................17 vii
2.5.2 Pola Radiasi ........................................................................18 2.5.3 Polarisasi.............................................................................21 2.5.4 Directivity ...........................................................................22 2.5.5 Gain ....................................................................................22
2.5.6 Bandwidth ...........................................................................23
2.5.1 Return Loss dan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)...17
2.5.7 Impedansi Saluran ..............................................................24
2.6 Antena Array ..................................................................................25
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT ...................................25 3.1 Spesifikasi Antena ..........................................................................26 3.2 Konstruksi dan Teknik Pencatuan Antena .....................................27 3.3 Perancangan Dimensi Antena.........................................................27 3.3.1 Karakteristik Bahan ............................................................27 3.3.2 Dimensi Patch ....................................................................28 3.3.3 Jarak Antar Elemen.............................................................29 3.3.4 Feeding Network.................................................................30 3.3.5 Dimensi Groundplane ........................................................34 3.4 Simulasi Menggunakan CST Studio Suite 2010 ............................35 3.5 Realisasi Alat..................................................................................41 BAB IV PENGUKURAN UNJUK KERJA DAN ANALISA ........................42 4.1 Pengukuran Return Loss, VSWR, Bandwidth, dan Impedansi ......42 4.1.1 Peralatan yang digunakan ...................................................42 4.1.2 Prosedur Pengukuran ..........................................................42 4.1.3 Hasil Pengukuran................................................................44 4.1.4 Analisa Hasil Pengukuran...................................................50
viii
4.2.1 Peralatan yang digunakan ...................................................53 4.2.2 Prosedur Pengukuran Pola Radiasi.....................................54 4.2.3 Hasil Pengukuran................................................................55 4.2.4 Analisa Hasil Pengukuran Pola Radiasi .............................57
4.2 Pengukuran Pola Radiasi................................................................53
BAB V
PENUTUP ............................................................................................58
5.1 Kesimpulan.....................................................................................58
5.2 Saran ...............................................................................................58
DAFTAR PUSTAKA ...........................................................................................59 GLOSARIUM ........................................................................................................60 LAMPIRAN..........................................................................................................64
ix
Gambar 1.
Karakteristik dasr antena mikrostrip...................................................8
Gambar 2.
Bentuk patch antena mikrostrip..........................................................8
Gambar 3.
Distribusi arus pada patch mikrostrip.................................................9
Gambar 4.
IFringing effect .................................................................................10
Gambar 5.
Panjang efektif antena mikrostrip : (a) Tampak depan, (b) Tampak
DAFTAR GAMBAR
samping.............................................................................................11 Gambar 6.
Corner pada saluran..........................................................................13
Gambar 7.
T-Juncting .........................................................................................14
Gambar 8.
Mikrostrip line feed...........................................................................15
Gambar 9.
Coaxial probe ...................................................................................16
Gambar 10. Aperture coupled feed .......................................................................16 Gambar 11. Proximity coupled feed .....................................................................17 Gambar 12. Pola radiasi isotropis.........................................................................19 Gambar 13. Pola radiasi antena dipole : (a) E – plane, (b) H – plane..................19 Gambar 14. (a) Pola azimut, (b) Pola elevasi .......................................................20 Gambar 15. Parameter pola radiasi.......................................................................20 Gambar 16. Polarisasi pada antena .......................................................................21 Gambar 17. Bandwidth pada antena .....................................................................23 Gambar 18. Flowchart untuk desain dan implementasikan antena mikrostrip ....26 Gambar 19. Directivity array dengan berbagai nilai d dan N ..............................29 Gambar 20. Jarak antar elemen antena .................................................................29 Gambar 21. Corner pada saluran 100Ω................................................................33 Gambar 22. Corner pada saluran 50Ω..................................................................34 Gambar 23. T-Junction .........................................................................................34 Gambar 24. Dimensi antena hasil simulasi : (a) Tampilan CST Studio Suite 2010 beserta pemodelan antena mikrostrip, (b) Layer atas bagian patch, (c) Layer bawah bagian feed line, (d) Tampak samping dengan micstrip line ......................................................................................37 Gambar 25. Grafik VSWR ...................................................................................37 Gambar 26. Grafik Return Loss............................................................................38
x
Gambar 27. Gain hasil simulasi............................................................................39
Gambar 28. Grafik impedansi...............................................................................39
Gambar 29. Pola radiasi dalam koordinat polar ...................................................40 Gambar 30. Pola radiasi dalam bentuk 3D ...........................................................40 Gambar 31 Set-up kalibrasi Scalar Network Analyze..........................................43
Gambar 32 Set-up pengukuran Return Loss, VSWR dan Bandwidth .................43 Gambar 33. Download hasil pengukuran ke dalam PC ........................................44 Gambar 34. Respon return loss pengukuran 1 .....................................................45 Gambar 35. Respon return loss setelah perbaikan ...............................................46
Gambar 36. Respon VSWR pengukuran 1 ...........................................................47
Gambar 37. Respon VSWR setelah perbaikan .....................................................48 Gambar 38. Pengukuran 1 impedansi ...................................................................49 Gambar 39. Pengukuran impedansi setelah perbaikan .........................................50 Gambar 40. Set-up pengukuran pola radiasi.........................................................54 Gambar 41. Pola radiasi E-Plane..........................................................................56 Gambar 42. Pola radiasi H-Plane .........................................................................57 Gambar 43. Antena mikrostrip tampak depan (bagian patch)..............................64 Gambar 44. Antena mikrostrip tampak bawah .....................................................64 Gambar 45. Antena mikrostrip tampak belakang (bagian groundplane) .............64
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Spesifikasi Wifi ...................................................................................... 6 Tabel 2. Karakteristik berbagai teknik pencatuan ...............................................14 Tabel 3. Perbandingan dimensi antena hasil perhitungan dan simulasi ..............37
Tabel 4. VSWR hasil simulasi.............................................................................38 Tabel 5. Return Loss hasil simulasi .....................................................................38 Tabel 6. Impedansi hasil simulas.........................................................................39 7 Tabel
Hasil pengukuran 1 return loss..............................................................45
Tabel 8. Hasil pengukuran return loss setelah perbaikan....................................46
Tabel 9. Hasil pengukuran 1 VSWR ...................................................................47 Tabel 10. Hasil pengukuran VSWR setelah perbaikan .........................................48 Tabel 11. Hasil pengukuran 1 impedansi ..............................................................49 Tabel 12. Hasil pengukuran impedansi setelah perbaikan.....................................50 Tabel 13. Perbandingan frekuensi kerja ................................................................52 Tabel 14. Perbandingan return loss .......................................................................52 Tabel 15. Perbandingan VSWR.............................................................................52 Tabel16. Perbandingan bandwidth .......................................................................52 Tabel 17. Perbandingan impedansi........................................................................53 Tabel 18. Pengukuran pola radiasi.........................................................................55
xii
DAFTAR PUSTAKA
Alydrus. Mudrik, Antena Prinsip & Aplikasi, Graha Ilmu, Yogyakarta,
[1]
2011.
[2] A. B. Simanjuntak, Diktat Kuliah Teknik Antena, Politeknik Negeri Bandung, 2008.
C. A. Balanis, Antenna Theory-Analysis and Design, John Wiley and Sons,
[3]
New York, 2005. [4]
Zaenal. Arifin, Mengenal Wireless Lan, Andi, Yogyakarta, 2007.
[5] Siahaan. Yuli, Realisasi Antena Mikrostrip Susun Dua Elemen Dengan Teknik Pencatuan Proximity Coupling Untuk Range Frekuensi 2.3 – 2.4
Ghz, Proyek Akhir, Politeknik Negeri Bandung, 2011. [6]
Fahrazal. Muhammad. Rancang Bangun Antena, Proyek Akhir, FT UI, Jakarta,
2008.
59
GLOSARIUM
Aperture coupling : Teknik pencatuan yang struktur pabrikasinya menggunakan
dua atau lebih substrat.
Antena array
: Susunan dari beberapa antena yang identik.
Bandwidth
: Lebar pita frekuensi diamana antena bekerja dengan efektif.
Back lobe
: Side lobe yang muncul kearah yang berlawanan dengan main lobe.
Coaxial probe
: Teknik pencatuan dimana konektor koaksial dilewatkan melalui dielektrik dan disolder pada patch, sedangkan konduktor luarnya dihubungkan ke groundplane.
Conjugate match
: Kondisi dimana impedansi input dan output sesuai sehingga memaksimalkan transfer daya atau meminimalkan refleksi dari beban.
Cross polarized
: Antena yang memancarkan energi dengan polarisasi yang tidak diinginkan.
Cross slot
: Sebuah slot yang digunakan pada teknik pencatuan aperture coupling.
Dielektrik
: Suatu bahan isolator yang dapat menyimpan muatan listrik bilamana diberikan tegangan padanya.
Directional
: Pola radiasi yang arah pancarnya diarahkan pada suatu tempat saja.
Directional device : Antena
berfungsi
untuk
mengarahkan
atau
mengkonsentrasikan daya elektromagnetik ke arah yang diinginkan dan menekan radiasi ke arah lainnya. Directivity
: Besaran yang menyatakan perbandingan antara kerapatan daya maksimal dengan kerapatan daya rata-rata.
FBR
: Perbandingan dari level main lobe dan back lobe.
Feeding
: Saluran pencatu pada antena mikrostrip.
Field pattern
: Pola radiasi yang digambarkan adalah kuat medan.
FNBW
: Lebar sudut diantara dua titik nol pertama dari main lobe.
60
Fringing effect
Gain
Groundplane
: Menyatakan seberapa besar sebuah antena memfokuskan energi pancarnya. : Lapisan paling bawah dari antena mikrostrip yang terbuat dari bahan konduktor.
HPBW
: Lebar sudut beam pada level setengah daya.
Impedansi input
: Impedansi yang diukur pada titik catu pada terminal antena
timbul tidak sepenuhnya tegak lurus terhadap patch maupun groundplane.
: Suatu fenomena dimana medan elektromagnetik yang
yang merupakan perbandingan tegangan dan arus pada titik tersebut.
Isotropis
: Pola radiasi yang memancarkan radiasi kesegala arah sama besar.
Koefisien refleksi
: Perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan
terhadap
amplitudo
gelombang
yang
dikirimkan. Konstanta dielektrik : Konstanta dari suatu bahan yang menunjukan karakteristik dari
kemampuan
dielektrik
untuk
menerima
atau
menyimpan medan listrik. Left hand polarize : Bentuk polarisasi yang searah jarum jam. Linear array
: Konfigurasi antena array yang pusat-pusat elemen antena membentuk sebuah garis lurus.
Main lobe
: Lobe utama dimana terdapat radiasi maksimum.
Matching device
: Salah satu fungsi antena yang harus memiliki tingkat penyesuaian yang baik antara saluran transmisi dan ruang bebas.
Mikrostrip
: Merupakan salah satu jenis antena yang berbentuk papan (broad) tipis dan mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi.
Microstrip line
: Jenis pencatuan direct coupling dimana potongan konduktor dihubungkan langsung ke tepi patch.
61
Omnidirectional
Patch
: Pola radiasi yang memancarkan daya kesekelilingnya pada satu bidang sama besar. : Lapisan teratas dari antena mikrostrip yang terbuat dari
konduktor (seperti tembaga), berfungsi untuk meradiasikan
gelombang elektromagnetik ke udara.
Planar array
: Konfigurasi antena array yang pusat-pusat elemen antena terletak pada suatu bidang.
Pola radiasi
Polarisasi
: Pernyataan grafis yang menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. : Sifat
dari
gelombang
elektromagnetik
yang
menggambarkan magnitud relatif dari vektor medan listrik
(E) sebagai fungsi waktu pada titik tertentu di ruang. Power pattern
: Pola radiasi yang digambarkan pointing vektor.
Proximity coupling : Teknik
pencatuan
pada
antena
mikrostrip
yang
menggunakan dua bahan dielektrik, sehingga saluran pencatu berada diantara kedua substrat dan bagian elemen peradiasi berada di substrat bagian atas. Reciprocity
: Merupakan sifat antena dimana antena bekerja dengan cara yang sama baik sebagai pemancar maupun sebagai penerima gelombang radio.
Reflektor
: Benda yang dapat memantulkan sinyal.
Return Loss
: Rasio logaritmis dalam dB yang membandingkan daya yang dipantulkan oleh antena terhadap daya yang diberikan ke antena dari saluran transmisi.
Right hand polarize : Bentuk polarisasi jika vektornya berputar berlawanan arah jarum jam. Side lobe
: Lobe – lobe selain main lobe, yang merupakan merupakan energi bocoran.
Spurious radiation : Radiasi dari elemen pencatu. Stub
: Salah satu metoda untuk memperlebar bandwidth.
Substrat
: Bagian antena mikrostrip yang terbuat dari bahan dielektrik.
62
VSWR
Waveguide
yang diinginkan. : Salah satu jenis saluran transmisi yang digunakan pada
frekuensi tinggi, biasanya berbentuk segi empat, lingkaran
atau elips.
Wifi
: Merupakan kepanjangan dari Wireless Fidelity yaitu komplotan standar yang digunakan untuk jaringan lokal
: Kemampuan suatu antena untuk bekerja pada frekuensi
nirkabel yang didasari pada spesifikasi IEEE 802.11. Wireless
: Jaringan komunikasi tanpa kabel.
WLAN
: proses pengiriman data dengan menggunakan frekuensi radio sebagai media perantaranya.
63
LAMPIRAN
Gambar 43. Antena mikrostrip tampak depan (bagian patch)
Gambar 44. Antena mikrostrip tampak bawah
Gambar 45. Antena mikrostrip tampak belakang (bagian groundplane)
64
