STUDI PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP ARRAY PATCH SEGITIGA DUAL-BAND UNTUK APLIKASI WLAN (2,45 GHZ) DAN WiMAX (3,35 GHZ) Nevia Sihombing, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA email:
[email protected] or
[email protected] Abstrak WiMAX dan WLAN merupakan teknologi wireless yang sangat sering digunakan saat sekarang. Pada aplikasi WiMAX dan WLAN, untuk menghubungkan antara sisi penyedia layanan dengan pelanggan, maka aplikasi antena sangat penting. Antena mikrostrip sebagai salah satu perangkat komunikasi yang memiliki bentuk yang kecil dengan kemampuan meradiasi dan menerima sinyal secara baik. Pada tulisan ini, dibahas perancangan antena mikrostrip menggunakan perangkat lunak AWR Microwave 2004. Hasil yang diperoleh dari studi perancangan antena mikrostrip segitiga yang disusun secara array berupa VSWR pada frekuensi 2,45 GHz dengan nilai 1,74 dan gain dengan nilai 7,925 dB, pada frekuensi 3,35 GHz diperoleh VSWR sebesar 1,73 dan gain dengan nilai 7,45 dB.
Kata kunci : antena mikrostrip, dual band, W-LAN, WiMAX Pendahuluan Pada saat ini perkembangan teknologi wireless semakin meningkat, contohnya adalah jasa pelayanan internet yang berbasis frekuensi WLAN dan WiMAX. Seiring perkembangan teknologi wireless, salah satu bagian yang banyak dikembangkan dalam dunia telekomunikasi adalah antena. Antena berfungsi sebagai pengubah gelombang terbimbing menjadi gelombang bebas, maupun sebaliknya. Antena mikrostrip dapat dimodulasi dengan dua frekuensi dan dapat dipakai sekaligus, yaitu pada frekuensi 2,45 GHz (WLAN) dan 3,35 GHz (WiMAX) [1].
mikrostrip patch segitiga dapat dilihat pada Gambar 1.
2.
Hal yang harus dipertimbangkan dalam merancang patch segitiga yaitu pertimbangan memilih substrat. Elemen ini memiliki jenis bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik dan ketebalannya. Dalam pemlihan jenis substrat sangat dibutuhkan pengenalan tentang spesifikasi umum dari substrat tersebut yaitu kualitasnya. Berikut adalah spesifikasi substrat yang digunakan:
1.
Gambar 1. Antena mikrostrip Patch Segitiga
Antena Mikrostrip Patch Segitiga Antena mikrostrip merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern. Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas tiga elemen, yaitu: elemen peradiasi (radiator), elemen substrate dan elemen pentanahan (ground). Bentuk antena
-37-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014 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 di bagi dengan frekuensi carier, dirumuskan sebagai berikut:
Tabel 1. Spesifikasi Substrat Jenis substrat Konstanta Dielektrik relative ( r ) Dielektrik Loss Tangent ( tan ) Ketebalan substrat (h)
FR-4 epoxy 4,4 0,02 1,6
= 2.1 Parameter-parameter Antena Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang digunakan, yaitu VSWR, frekuensi antena, bandwidth, gain antena, dan polaradiasi.
Gain Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerima sinyal dari arah tertentu.
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].
V max V min
=
1 1
(2)
d.
a.
=
f 2 f1 x100% fc
e.
Pola radiasi Pola radiasi adalah fungsi matematika dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang, biasanya terdiri dari[1]: a. Lobe utama(mainlobe) b. Side lobe(cuping) c. Back lobe 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. 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)
b.
Frekuensi resonansi Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resitif dimana, nilai reaktansi impedansi sama dengan nol.
2.2 Antena Mikrostrip Array Patch Segitiga Sama Sisi Antena array adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Dalam antena mikrostrip yang di susun secara array adalah bagian patch. Pada antena mikrostrip array patch segitiga, panjang sisi bidang segitiga sama sisi (a), dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut [1].
c.
Bandwidth Bandwidth suatu antena di defenisikan sebagai rentang frekuensi yang berhubungan dengan beberapa karakteristik
-38-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
a =
2c 3 fr r
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
(3) 3.
Perancangan Antena Pada tahap perancangan dilakukan penentuan frekuensi kerja yang diinginkan, penentuan spesifikasi substrat yang akan digunakan, penentuan dimensi patch antena dan penentuan dimensi saluran pencatunya. Lalu dilanjut dengan perancangan pada dua buah patch antena elemen tunggal yang disusun, sehingga menghasilkan antena mikrostrip patch array.
Besar cepat rambat cahaya (c) adalah 3x10 8 , frekuensi kerja yang digunakanan 2,45 dan 3,35. r adalah konstanta dielektrik relative sebesar 4,4. T-Junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Pada tulisan ini T-junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70,7 Ω, terlihat seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. T- Junction Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip patch segitiga diharapkan mendekati nilai impedansi masukan sebesar 50Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 2003 untuk mencari lebar pencatu agar mempunyai impedansi 50Ω, seperti terlihat pada Gambar 3.
Gambar 4. Diagram Alir Perancangan Antena Dual Band. 3.1 Perancangan Elemen Antena Pada perancangan patch segitiga elemen tunggal, ada beberapa tahapan yang diawali dengan menetukan frekuensi kerja yang diinginkan beserta spesifikasi yang
Gambar 3. Tampilan TXLine 2003 Untuk Mencari Dimensi Saluran Pencatu
-39-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
telah ditentukan. Setelah perancangan dan simulasi pada elemen tunggal dilakukan, selanjutnya dilakukan proses perancangan antena mikrostrip dengan penggabungan dua elemen. Ukuran sisi patch segitiga untuk frekuensi 2,45 GHz sebesar 39 mm, dan untuk frekuensi 3,35 GHz ukuran sisi patch segitiga adalah 28 mm, terlihat pada Gambar 5. Gambar 6. Nilai VSWR Awal 2,45 GHz Adapun hasil gain untuk elemen tunggal 2,45 GHz adalah 6,016 dB dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 5. Ukuran Patch dan Lebar Pencatu Antena Mikrostrip Patch Segitiga Array 3.2 Pengaturan Jarak Antar Elemen Adapun jarak antar elemen pada antun meningkatkan antena yang dirancang adalah sekitar seperempat panjang gelombang (d= ). Adapun jarak antar elemen
Gambar 7. Pola Radiasi dan Gain Elemen Tunggal 2,45 GHz
4.2 Hasil Simulasi Elemen 3,35 GHz Hasil iterasi nilai VSWR yang optimal
4
diperoleh sebesar 31 mm.
adalah 2,90 dengan ukuran patch 24 mm terlihat pada Gambar 8.
8
d
c 3x10 31mm 2 xf 2 x 2,45 x10 9
4. Analisis Hasil Simulasi 4.1 Hasil Simulasi Elemen 2,45 GHz Hasil simulasi antena mikrostrip patch segitiga elemen tunggal untuk frekuensi 2,45 GHz, menggunakan simulator AWR Microwave 2004 diperoleh nilai VSWR sebesar 2,302 terlihat pada Gambar 6. Gambar 8. Nilai VSWR Optimal Elemen Tunggal 3,35 GHz Adapun hasil gain yang diperoleh dari rancangan ini adalah 6,389 dB terlihat pada Gambar 9.
-40-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014 Tabel 2. Hasil Iterasi Perubahan Jarak Letak Titik Pencatu Setiap Elemen Nilai VSWR X Y Frekuensi Frekuensi (mm) (mm) 2,45 GHz 3,35 GHz 14 9 1,19 13,5 14 10 1,34 13,87 14 11 1,51 13,99 16 9 1,23 8,92 16 10 1,24 8,78 16 11 1,35 8,93 18 11 1,55 2,63 19 9 2,00 2,47 19 10 1,84 1,99 19 11 1,74 1,73 20 9 2,34 2,28 20 10 2,45 1,90 20 11 1,98 1,46 21 9 2,71 2,29 Dari hasil iterasi diperoleh bahwa nilai VSWR yang optimal adalah ketika letak titik pencatu berada pada jarak X = 19 mm, dan jarak Y = 11 mm dengan nilai VSWRnya adalah 1,74 untuk frekuensi 2,45 GHz dan 1,73 untuk frekuensi 3,35 GHz terlihat pada Gambar 11.
Gambar 9. Gain dan Pola Radiasi Elemen Tunggal 3,35 GHz
4.3 Hasil Simulasi Dual Band Adapun nilai VSWR yang diperoleh setelah disimulasikan adalah 1,223 untuk frekuensi 2,45 GHz dan VSWR bernilai 13,66 untuk frekuensi 3,35 GHz, terlihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Nilai VSWR Awal Antena Dual Band Patch Segitiga Array Hasil VSWR yang diperoleh seperti pada Gambar 8, belum sesuai dengan yang diinginkan, oleh karena itu dilakukan iterasi dengan menggeser letak titik pencatu. Adapun hasil iterasi dari perubahan letak titik pencatu dapat dilihat pada Tabel 2.
Gambar 11. Nilai VSWR yang Optimal Dual-Band
-41-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
Pola radiasinya adalah unidirectional dan gain mengalami peningkatan sebesar 31,7% dari elemen tunggal WLAN dan peningkatan sebesar 16,6% untuk WiMAX terlihat pada Gambar 12 dan Gambar 13.
4.4 Analisis Hasil Simulasi Pada saat simulasi gain yang didapatkan pada frekuensi 2,45 GHz sebesar 7,925 dB, dengan nilai VSWR sebesar 1,74. Gain yang didapat pada saat perhitungan diperoleh sebesar 1,10 dBi. Besar VSWR yang diperoleh secara teori sebesar 1,365. Pada frekuensi 3,35 GHz, secara simulasi, gain diperoleh sebesar 7,45 dan secara teori diperoleh 2,14. Pada saat simulasi nilai VSWR yang didapatkan sebesar 1,365, secara teori diperoleh sebesar 2. Namun pada awal sebelum dilakukan proses iterasi nilai VSWR yang didapat secara simulasi untuk frekuensi 2,45 GHz sebesar 30,74 dan frekuensi 3,35 GHz sebesar 23,69. Diketahui sebelumnya bahwa nilai VSWR paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1(VSWR=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna, namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah saat nilai VSWR ≤ 2. Dilatarbelakangi hal inilah saat simulasi dilakukan proses iterasi sehingga didapatlah nilai VSWR ≤ 2. Nilai VSWR yang didapatkan dari simulasi disebabkan perubahan yang terjadi pada besar dimensi patch, besar saluran pencatu dan jarak antar elemen. Dari Tabel 3, dapat diketahui bahwa antena mikrostrip patch segitiga telah mampu memenuhi pencapaian parameter yang diinginkan.
Gambar 12. Pola Radiasi dan Gain 2,45 GHz
Gambar 13. Pola Radiasi dan Gain 3,35 GHz
Tabel 3. Pencapaian Spesifikasi Antena
Nilai bandwidth untuk frekuensi 2,45 GHz diperoleh :
No
2,52 2,443 Bandwidth x100% 3,1% 2,45 Untuk frekuensi 3,35 GHz, nilai bandwidth diperoleh : 3,365 3,331 Bandwidth x100 % 1% 3,35
Parameter Antena
-42-
Simulasi
Teori
Frekuensi
Frekuensi
2,45 GHz
3,35 GHz
2,45 GHz
3,35 GHz
1
VSWR
1,74
1,73
1,365
2
2
Gain (dB)
7,925
7,45
1,10
2,14
3
Bandwidth
3,1%
1%
3,1 %
copyright @ DTE FT USU
1
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014 6. Daftar Pustaka
5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Dari hasil pembahasan perancangan simulasi diperoleh beberapa kesimpulan : 1. Perancangan antena dual band dengan teknik array patch segitiga dapat diperoleh dengan baik dengan cara mengatur letak titik pencatu pada masing-masing patch. 2. Dari hasil simulasi nilai VSWR elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz adalah 2,30 dan pada frekuensi 3,35 GHz adalah 2,88. Nilai VSWR dari perancangan antena array patch segitiga pada frekuensi 2,45 GHz diperoleh menjadi 1,74 dan pada frekuensi 3,35 GHz menjadi 1,73 3. Dari hasil simulasi nilai gain elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz adalah 6,016 dB dan pada frekuensi 3,35 GHz adalah 6,389 dB. Nilai gain dari perancangan antena array patch segitiga pada frekuensi 2,45 GHz diperoleh menjadi 7,925 dB dan pada frekuensi 3,35 GHz menjadi 7,45dB.
[1] Surjati, Indra/Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya,2010, Universitas Trisakti, Jakarta, Juni 2010 [2] Mahendra Adi , 2008, Modul Antena http://pnj.ac.id/upload/artikel/files/elek tro/02_Adhi%20Mahendra_Perancang an_JEE%20Layout_New.pdf/6/12/201 3 [3] Zalwwits, Fahmi, 14 September 2010, Modul Dual Tone http://fahmizaleeits.wordpress.com/201 0/09/14/dtmf-dual-tone-multiplefrequency/ (dtmf)/15/11/2013 [4] Woredpress, 07 Februari 2009, Modul Dual band http://ofajar88.wordpress.com/2009/02 /07/dual-band/12/10/2013 [5] Dwi Cahyo, Rahmat, 2012, Perancangan dan Analisis Antena Mikrostrip Array dengan Frekuensi 850 MHz untuk Aplikasi Praktikum Antena, Semarang, Universitas Diponegoro [6] Huang and Boyle - Antennas From Theory To Practice, 2008 [7] AWR Microwave Office 2004. http://www.appwave.com. diakses pada tanggal 23 Januari 2014.
5.2 Saran Adapun saran yang dapat penulis berikan adalah : 1. Dapat dicoba melakukan analisa dengan menggunakan simulator lain, seperti ansof. 2. Apabila memungkinkan, setelah melakukan perancangan antena akan lebih baik bila dilanjutkan pada tahap proses produksi, sehingga antena dapat langsung digunakan pada aplikasi WLAN dan WiMAX.
-43-
copyright @ DTE FT USU
