STUDI PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP MULTI-PATCH STACKED DUAL-BAND PADA FREKUENSI WiMAX (3,3 GHZ DAN 5,8 GHZ) Franky, 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 Antena mikrostrip saat ini dikembangkan untuk mampu bekerja pada dua buah frekuensi tanpa memerlukan antena yang berbeda secara fisik atau yang disebut antena mikrostrip dual-band. Kemampuan ini dapat menunjang kinerja teknologi wireless yang bekerja pada beberapa frekuensi. Pada tulisan ini dirancang antena mikrostrip multi-patch stacked dual-frequency yang dapat bekerja pada frekuensi WiMAX yaitu 3,3 GHz dan 5,8 GHz, dimana terdapat dua buah patch segiempat dengan frekuensi yang berbeda yang masing – masing patch disusun secara menumpuk dengan pencatuan aperture coupled. Simulasi dan optimasi hasil perancangan dilakukan dengan menggunakan AWR Microwave 2004. Nilai VSWR yang diperoleh pada frekuensi 3,35 GHz adalah 1,893 dan pada frekuensi 5,85 GHz adalah 1,505
Kata kunci : antena mikrostrip, dual band, multi-patch stacked dual-band, WiMAX berbentuk bilah atau potongan yang berukuran sangat kecil. Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 1 [1].
1.
Pendahuluan Seiring perkembangan akan kebutuhannya sebagai salah satu bagian penting pada sistem telekomunikasi, antena sangat banyak dikembangkan salah satu diantaranya adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Saat ini antena mikrostrip dikembangkan untuk dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda atau sering disebut dual-band. Salah satu teknik untuk menghasilkan dua frekuensi adalah multi-patch stacked dual-band yaitu antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masing – masing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda yang disusun secara menumpuk.
Gambar 1. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian utama, yaitu patch, substrate dan ground plane. Patch berfungsi sebagai peradiasi gelombang elektromagnetik yang terbuat dari lapisan logam dan memiliki ketebalan tertentu. Substrate merupakan bahan dielektrik yang berfunsi sebagai pembatas antara elemen peradiasi dan pentanahan. Ground plane terletak di bagian paling bawah antena yang berfungsi sebagai pentanahan yang memantulkan sinyal tidak diinginkan.
2.
Antena Mikrostip Berdasarkan asal katanya, microstrip terdiri dari dua kata, yaitu micro yang berarti sangat tipis atau sangat kecil dan strip yang berarti bilah atau potongan. Jadi antena microstrip adalah antena yang
-103-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 Bandwidth Bandwidth suatu antena di defenisikan 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: d.
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 pola radiasi. a.
Dimensi Antena Berdasarkan frekuensi kerja yang diinginkan maka dapat ditentukan dimensi antena mikrostrip yaitu lebar (W) dan panjang (L) yang akan dicari. Dimana lebar patch ditentukan dengan persamaan [2] :
W=
(
=
Gain Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerima sinyal dari arah tertentu.
Sedangkan panjang patch adalah :
=
− 2∆
(2)
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]. b.
=
V max V min
=
1 1
(4)
e.
(1)
)
f 2 f1 x100% fc
f.
Pola radiasi Pola radiasi adalah fungsi matematika dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang, biasanya terdiri dari [3]: a. Lobe utama (mainlobe) b. Side lobe (cuping) c. Back lobe 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.
h.
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.
(3)
c.
Frekuensi resonansi Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resitif dimana, nilai reaktansi impedansi sama dengan nol.
2.2 Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band Dari asal katanya, stacked berarti tumpukan atau ditumpuk dan multi-patch yang berarti lebih dari satu atau banyak patch maka multi-patch stacked dapat
-104-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 Lebar slot aperture ( ) : = (0,10)
diartikan lebih dari satu atau banyak patch yang disusun secara menumpuk. Teknik multi-patch stacked dual-band antennas adalah salah satu teknik antena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi dengan menyusun secara menumpuk lebih dari satu atau banyak patch yang memiliki frekuensi resonansi berbeda ditunjukkan pada Gambar 2 [4].
(6)
3.
Perancangan Antena Setelah ditentukan frekuensi kerja yang diharapkan maka dilakukan perhitungan untuk menentukan dimensi antena mikrostrip, yaitu dimensi patch-1 untuk frekuensi 3,3 GHz, patch-2 untuk frekuensi 5,8 GHz dan penentuan spesifikasi substrat. Tahap selanjutnya adalah melakukan perhitungan untuk menentukan dimensi slot dan pencatu pada teknik pencatuan aperture coupled. Diagram alir perancangan antena mikrostrip ditunjukkan pada Gambar 3.
Mulai
Masukkan data perancangan antena mikrostrip
Gambar 2. Antena mikrostrip multi-patch stacked dual-band
Menghitung dimensi setiap patch
2.3 Teknik Pencatuan Aperture Coupled Konfigurasi teknik pencatuan aperture coupled dilakukan dengan melakukan pengopelan dari saluran pencatu (feed-line) ke patch melalui sebeuah aperture kecil yang berupa slot pada ground plane. Bentuk, ukuran dan lokasi penempatan slot aperture dapat mempengaruhi pengkopelan dari saluran pencatu ke patch, begitu juga dengan tinggi substrate yang digunakan dapat bervariasi dengan susunan yang berlapis – lapis (multilayer). Umumnya slot aperture tersebut ditempatkan di tengah bawah dari patch [5]. Untuk menentukan dimensi slot aperture dari teknik pencatuan ini dapat digunakan persamaan berikut [6]: Panjang slot aperture ( ) : = (0,1 − 0,2)
Menghitung dimensi slot dan pencatu pada pencatuan aperture coupled
Simulasi dengan AWR 2004
Iterasi lebar dan panjang patch, slot dan pencatu
Nilai VSWR ≤ 2 pada frekuensi kerja?
Tidak
Ya Rancangan antena dualband
Selesai
Gambar 3. Diagram Alir Perancangan Antena Mikrostip Dual-Band.
(5)
-105-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
3.1 Perancangan Elemen Antena Perancangan elemen antena mikrostrip dilakukan dengan menentukan dimensi masing-masing patch untuk frekuensi kerja 3,3 GHz dan 5,8 GHz dengan spesifikasi substrate yang telah ditentukan yaitu FR-4 epoxy. Diperoleh dimensi patch untuk frekuensi tengah 3,35 GHz yaitu lebar ( ) = 27 dan panjang ( ) = 21 . Sedangkan dimensi patch untuk frekuensi tengah 5,85 GHz yaitu lebar ( ) = 16 dan panjang ( ) = 12 .
VSWR
VSWR(1) P1 27x21 P2 16x12 S 18x2 P 32x3
15
5.85 GHz 11.2
10
3.35 GHz 4.855
5
0 2
3
4 Frequency (GHz)
5
6
6.5
Gambar 4. Nilai VSWR Awal Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band
3.2 Perancangan Pencatuan Aperture Coupled Perancangan pencatuan aperture coupled dilakukan untuk menentukan dimensi slot dan pencatu. Penentuan dimensi dilakukan dengan menggunakan salah satu frekuensi kerja saja yaitu 3,3 GHz. Dimana diperoleh dimensi slot pada pencatuan aperture coupled dengan panjang ( ) = 18 dan lebar ( ) = 1,8 . Dan dimensi pencatu pada pencatuan aperture coupled dengan panjang pencatu 32 mm dan lebar pencatu 3 mm.
Hasil simulasi yang diperoleh tidak optimal karena nilai VSWR > 2. Untuk mendapatkan hasil yang optimal (VSWR ≤ 2) maka dilakukan iterasi pada dimensi antena dimana iterasi dilakukan dengan mengubah masing-masing dimensi patch-1, patch-2, slot dan pencatu dan slot aperture secara sistematis. Kemudian dilakukan iterasi selanjutnya yaitu dengan megubah dimensi antena secara kombinasi dengan memperhatikan nilai VSWR yang mendekati 2. Dari data hasil iterasi diperoleh nilai VSWR optimal adalah ketika ukuran dimensi patch-1 (P = 27 mm; L = 21 mm), patch-2 (P = 22 mm; L = 18 mm), slot (P = 20 mm; L = 1 mm) dan pencatu (P = 33 mm; L = 3 mm) dengan nilai VSWR untuk frekuensi 3,35 GHz adalah 1.893 dan frekuensi 5,85 GHz adalah 1,505 ditunjukkan pada Gambar 5.
4.
Analisis Hasil Simulasi Berdasarkan perancangan dimensi antena mikrostrip multi-patch stacked dualband yang telah dilakukan dimana patch-1 (P = 27 mm; L = 21 mm), patch-2 (P = 16 mm; L = 12 mm), slot (P = 18 mm; L = 2 mm) dan pencatu (P = 32 mm; L = 3 mm) maka langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi dengan menggunakan simulator AWR Microwave 2004. Dari hasil simulasi diperoleh nilai VSWR untuk frekuensi resonansi 3,35 GHz adalah 4,855 dan untuk frekuensi resonansi 5,85 GHz adalah 11,2 ditunjukkan pada Gambar 4.
VSWR 20
VSWR(1) P1 27x21 P2 22x18 S 20x1 P 33x3
15 5.85 GHz 1.505 3.35 GHz 1.893
10
5
0 2
3
4 Frequency (GHz)
5
6
6.5
Gambar 5. Nilai VSWR Optimal Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band
-106-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 Untuk frekuensi 3,35 GHz, nilai bandwidth diperoleh : = 5,948 − 5,825 = 0,123 = 123
Setelah dilakukan simulasi pada antena mikrostrip multi-patch stacked dual-band maka diperoleh pola radiasi antena adalah unidirectional dan gain antena untuk frekuensi resonansi 3,35 GHz adalah 5,466 dB sedangkan pada frekuensi resonansi 5,85 GHz diperoleh pola radiasi antena adalah unidirectional dan gain antena untuk adalah 5,466 dB. Pola Radiasi dan Gain frekuensi 3,35 GHz dan 5,85 GHz ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.
15 5.85 GHz 1.505
0
5
3.345 GHz 2
5.825 GHz 2
3.424 GHz 2
5.948 GHz 2
0 2
20
Mag Max 10 dB
3
4 Frequency (GHz)
5
6
6.5
40
0 -3
30
-20
-10
10
3.35 GHz 1.893
10
Mag 5.466 dB Pola Radiasi Ang 0 dB
DB(|PPC_TPwr(0,1)|) PB 27x21 PK 22x18 S 20x1 P 33
VSWR(1) P1 27x21 P2 22x18 S 20x1 P 33x3
VSWR 20
0 -4
50
-5 0
Gambar
60 -6 0 70
8. Nilai Bandwidth Mikrostrip
Antena
-70 80 -80
4.1 Analisis Hasil Simulasi Perbandingan nilai parameter antena dari hasil simulasi dan perancangan ditunjukkan pada Tabel 3.
90 -90 100 -100
110 -110
12 0 20 -1
13 0
-160
-17 0
-1 50
160
180
170
10 dB Per Div
Tebel 3. Pencapaian Spesifikasi Antena
0 15
-1 4
0
0
14
30 -1
Mag Min -40 dB
Gambar 6. Pola Radiasi dan Gain 3,35 GHz Parameter No
Frekuensi
Frekuensi
3,35 GHz
5,85 GHz
3,35 GHz
5,85 GHz
1
VSWR
1,893
1,505
1,23
1,23
2
Gain (dB)
5,466
8,065
3,907
4,037
3
Bandwidth
79
123
100
125
Mag Max 10 dB
20
10
40
0 -3
0 -4
-5
Teori
Antena
Mag 8.065 dB Ang 0 dB 30
-20
-10
0
Pola Radiasi
DB(|PPC_TPwr(0,1)|) PB 27x21 PK 22x18 S 20x1 P 33
Simulasi
50 0 60
-6 0
70 -70 80 -80
90 -90 100 -100
110 -110 12 0 20 -1
13
0
0 -16
-170
160
-1 50
-1 4
0 0 15
180
170
10 dB Per Div
Dari Tabel 3 dapat diketahui bahwa antena mikrostrip multi-patch stacked dualband mampu memenuhi pencapaian parameter antena untuk VSWR dan gain meskipun untuk bandwidth antena belum memenuhi alokasi bandwidth teknologi WiMAX yaitu 100 MHz untuk frekuensi 3,35 GHz dan 125 GHz untuk frekuensi 5,85 GHz. Pada saat simulasi VSWR yang didapatkan untuk frekuensi 3,35 GHz sebesar 1,893 dengan gain 5,466 dB. Sedangkan VSWR dari hasil perhitungan
0
14
-1
30
Mag Min -30 dB
Gambar 7. Pola Radiasi dan Gain 5,85 GHz Nilai bandwidth untuk frekuensi 3,35 GHz diperoleh : = 3,424 − 3,345 = 0,079 = 79
-107-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 frekuensi 3,35 GHz dan 125 MHz untuk frekuensi 5,85 GHz. 4. Hasil perancangan antena mikrostrip multi-patch dual-band dapat diperoleh dengan baik dengan melakukan iterasi pada dimensi patch-2 (frekuensi 5,85 GHz) dimana panjang dan lebar diperbesar, mengubah ukuran dimensi slot dimana lebar slot diperkecil sedangkan panjang slot diperpanjang dan yang terakhir mengubah panjang pencatu.
adalah 1,23 dengan gain 3,097. Pada frekuensi 5,85 GHz, nilai VSWR dari hasil simulasi adalah 1,505 dengan gain diperoleh sebesar 8,065 dan secara perhitungan diperoleh VSWR sebesar 1,23 dengan gain 4,037. Diketahui 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. Hal inilah yang melatarbelakangi saat simulasi dilakukan proses iterasi sehingga didapatlah nilai VSWR ≤ 2. Nilai VSWR yang didapatkan dari simulasi diperoleh dengan baik dengan melakukan iterasi pada dimensi patch-2 (frekuensi 5,85 GHz) dimana panjang dan lebar diperbesar, mengubah ukuran dimensi slot dimana lebar slot diperkecil sedangkan panjang slot diperpanjang dan yang terakhir mengubah panjang pencatu.
6. DAFTAR PUSTAKA [1] Garg, Ramesh. 2001. Microstrip Antenna Design Handbook, First Edition. London : Artech House. [2] Balanis, Constantine A. 2005. Antenna Theory : Analysis and Design, Third Edition. New Jersey : A John Wiley and Sons, Inc, Publication. [3] Mahendra Adi , 2008, Modul Antena http://pnj.ac.id/upload/artikel/files/elek tro/02_Adhi%20Mahendra_Perancang an_JEE%20Layout_New.pdf/6/12/203 [4] Maci, S. dan G. Biffi Gentili. Desember 1997. Dual-Frequency Patch Antennas. IEEE Antenas and Propagation Magazine, Vol. 39, No.6. [5] Girish Kumar, K.P. Ray. 2003. Broadband Microstrip Antennas. London: Artech House. [6] Adel Bedair Abdel-Mooty AbdelRahman. 2005. Design and Development of High Gain Wideband Microstrip Antenna and DGS Filters Using Numerical Experimentation Approach, Disertasi, University Magdeburg.
5.
Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisa yang dilakukan diperoleh beberapa kesimpulan : 1. Nilai VSWR yang diperoleh dari perhitungan dalam perancangan ini adalah 1,23 untuk frekuensi 3,35 GHz dan frekuensi 5,85 GHz sedangkan dari hasil simulasi nilai VSWR pada frekuensi 3,35 GHz adalah 1,893 dan pada frekuensi 5,85 GHz adalah 1,505. 2. Nilai gain yang diperoleh dari perancangan pada frekuensi 3,35 GHz adalah 3,907 dB dan pada frekuensi 5,85 GHz adalah 4,037 dB. Sedangkan hasil simulasi gain pada frekuensi 3,35 GHz adalah 5,466 dB dan pada frekuensi 5,85 GHz adalah 8,065 dB. 3. Nilai bandwidth dari hasil simulasi yaitu untuk frekuensi 3,35 GHz adalah 79 MHz dan pada frekuensi 5,85 GHz adalah 123 MHz, menunjukkan bahwa antena ini belum memenuhi alokasi bandwith WiMAX yaitu 100 MHz untuk
-108-
copyright @ DTE FT USU
