STUDI PERANCANGAN ANTENA SUSUN MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT DUAL-BAND (2.4 GHz dan 3.3 GHz) Apli Nardo Sinaga, 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] or
[email protected]
Abstrak Perkembangan komunikasi wireless di abad ini sangat dibutuhkan. Hal ini dikarenakan manusia ingin berkomunikasi dengan sesamanya tanpa dibatasi oleh jarak dan tempat. Komunikasi wireless yang sedang berkembang saat ini adalah WLAN dan WiMAX dimana kelebihan dari kedua teknologi ini adalah mobilitas dan produktivitas tinggi, kemudahan dan kecepatan instalasi serta fleksibel. Teknologi WLAN dan WiMAX sangat didukung oleh perkembangan antena. Antena yang dikembangkan untuk menunjang pengembangan teknologi ini adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip dual-band adalah salah satu jenis antena yang dapat bekerja pada dual frekuensi sehingga dapat menunjang teknologi tersebut secara bersamaan.Tulisan ini dilakukan studi perancangan antena mikrostrip dual-band. Adapun teknik yang digunakan adalah dengan menyusun dua buah patch segiempat dan dihubungkan dengan saluran mikrostrip. Software yang digunakan dalam mendesain antena ini adalah AWR 2004, software ini diperlukan untuk mengoptimasi antena agar didapatkan nilai VSWR yang diinginkan.Nilai VSWR yang diperoleh dari studi perancangan ini adalah 1,379 untuk frekuensi 2,45 GHz dan VSWR sebesar 1,263 untuk frekuensi 3,35 GHz. Gain yang diperoleh dari studi perancangan ini adalah 7,535 dB pada frekuensi 2,45 GHz dan 7,129 dB pada frekuensi 3,35 GHz. Nilai ini menunjukkan bahwa hasil perancangan yang dibuat telah memenuhi spesifikasi perancangan awal yang sudah ditentukan.
Kata kunci : antena mikrostrip, dual-band, VSWR, W-LAN, WiMAX patch segiempat, dimana dua buah patch segiempat disusun dan dihubungkan dengan saluran mikrostrip. Software yang digunakan dalam mendesain antena ini adalah AWR 2004, software ini diperlukan agar memudahkan merancang antena yang diinginkan. Adapun parameter-parameter yang akan diamati dari studi perancangan antena ini adalah nilai VSWR, pola radiasi, bandwith dan gain antena.
1. Pendahuluan Perkembangan komunikasi wireless di abad ini sangat dibutuhkan. Hal ini dikarenakan manusia ingin berkomunikasi dengan sesamanya tanpa dibatasi oleh jarak dan tempat. Oleh karena itu, banyak akademik dan industri berlomba untuk mengembangkan teknologi wireless. Komunikasi wireless yang sedang berkembang saat ini adalah WLAN dan WiMAX. Kelebihan dari kedua teknologi ini adalah mobilitas dan produktivitas tinggi, kemudahan dan kecepatan instalasi serta fleksibel. Teknologi WLAN dan WiMAX sangat didukung oleh perkembangan antena. Antena yang dikembangkan untuk menunjang pengembangan teknologi ini adalah antena mikrostrip, dimana selain bentuknya kecil antena ini sangat praktis dan mudah dibawa. Selain itu, dalam perakitan proses pembuatannya tidak membutuhkan biaya yang besar. Salah satu jenis antena mikrostrip yang dapat menunjang teknologi WLAN dan WiMAX secara bersamaan adalah antena mikrostrip dual-band karena antena ini dapat bekerja pada dual frekuensi. Tulisan ini dilakukan perancangan antena mikrostrip dual-band dengan menggunakan
2.
Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Salah satu antena yang terkenal saat ini adalah antena mikrostrip. Hal ini dikarenakan bentuk dan ukuran yang kecil sehingga cocok dengan perangkat telekomunikasi sekarang ini yang memperhatikan bentuk dan ukuran. Antena mikrostrip patch segiempat adalah bentuk antena mikrostrip yang paling banyak digunakan karena bentuknya sederhana. Selain itu, patch segiempat mudah dalam analisis dan proses fabrikasi. Gambar 1[1] menunjukkan bentuk struktur dari antena mikrostrip patch segiempat dimana W dan L adalah lebar dan panjang dari patch, h adalah tebal substrat dan r merupakan nilai konstanta dielektrik dari substrat.
-171-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
a)
Bandwith
Bandwith suatu antena didefinisikan sebagai besar rentang frekuensi kerja dari suatu antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar. Berikut adalah persamaan untuk menghitung bandwith : Gambar 1. Bentuk Antena Mikrostrip Patch Segiempat Untuk mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr), tebal konduktor (t) dan rugi-rugi bahan (rugirugi tangensial). Persamaan yang dapat digunakan untuk mencari lebar dan panjang antena mikrostrip adalah sebagai berikut[2] : Lebar patch
=
BW =
100%
(6)
b) VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min)[2]. Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Persamaaan 7 digunakan untuk menhitung nilai VSWR.
(1) | |
= |
Panjang Patch
c)
L = Leff – 2 ΔL
=
| | | |
(7)
Return Loss
Return Loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return Loss digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0-) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0+).
(2)
dimana nilai Leff adalah :
Leff =
|
(3)
eff
Return Loss = 20 log10 |Γ |
(8)
dan nilai Δ adalah :
eff Δ =0,412ℎ
,
(
,
d) Pola Radiasi
)
Pola radiasi adalah fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang [2]. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional.
(4)
eff
,
(
, )
Nilai konstanta dielektrik efektif diperoleh dengan perhitungan :
eff =
+
(5)
e)
Gain
Gain menunjukkan seberapa efisien sebuah antena dapat mentransformasi daya yang ada pada terminal masukan menjadi daya yang teradiasi pada arah tertentu[2]. Gain antena mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan Persamaan 9[5].
2.1 Parameter Umum Antena Mikrostrip Unjuk kerja dari suatu antena mikrostrip dapat dilihat dari parameternya. Beberapa parameter utama yang dimaksud adalah bandwith, gain antena, pola radiasi, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dan Return Loss.
-172-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
G f)
4
2 g
LxW
VOL. 8 NO. 3/September 2014
3.
(9)
Perancangan yang dilakukan pada tahap ini adalah penentuan frekuensi resonansi yang diinginkan, penentuan spesifikasi substrate yang akan digunakan, penentuan dimensi patch antena tunggal dan penentuan dimensi saluran pencatunya. Adapun bahan substrat yang digunakan adalah FR4 epoxy ( = 4,4), simulator yang digunakan adalah AWR 2004 dan menggunakan bantuan program TXline 2003.
Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena pada terminalnya. Terminal yang sesuai sangat dibutuhkan untuk sebuah antena. Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang ada disekitarnya, tetapi pada umumnya sebuah antena diasumsikan sudah terisolasi[2]. Adapun persamaan yang digunakan adalah : Zin = (Rin + j Xin) Ω
Perancangan Antena Susun Mikrostrip
(10)
2.2 Antena Susun Mikrostrip Antena susun mikrostrip (array) adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Antena mikrostrip array dapat berbentuk seri, paralel, atau gabungan dari keduanya. Dalam antena mikrostrip array, yang disusun secara array adalah bagian patch. Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal [4].
Gambar 2. Antena Mikrostrip Dengan Teknik Array Untuk mendukung antena mikrostrip teknik array diperlukan teknik menghubungkan dua buah patch yaitu dengan menggunakan TJunction. T-junction 50 Ohm Gambar 3[4] merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Adapun T-junction yang digunakan dalam tulisan ini adalah yang memiliki impedansi 70,7 ohm.
Gambar 4. Diagram Alir Perancangan Antena Susun Mikrostrip Dual-Band
3.1 Perancangan Dimensi Patch Untuk dimensi patch 2,45 GHz dengan menggunakan Persamaan 1- 5 diperoleh nilai W = 37 mm dan L = 29 mm. Sedangkan dengan menggunakan program TXLine 2003 diperoleh lebar pencatunya sebesar 3 mm dan panjang pencatunya 17 mm. Untuk dimensi patch 3,35 GHz dengan cara yang sama diperoleh nilai W = 27 mm dan L = 21 mm. Sedangkan untuk lebar pencatunya sebesar 3 mm dan panjang pencatunya 12 mm.
Gambar 3. T-Junction Untuk Antena Mikrostrip -173-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014 dengan 3,6 GHz diperoleh nilai VSWR sebesar 2,678 terlihat pada Gambar 7.
3.2 Pengaturan Jarak Antar Elemen Pada perancangan antena susun mikrostrip dual-band jarak antar elemen d perlu diperhatikan, adapun nilai d diperoleh sebesar 30,61 mm. Untuk memudahkan perancangan, nilai ini dibulatkan menjadi 31 mm. d
4.
4
c 3 x10 8 30 , 61 mm 4f 4 x 2 , 45 x10 9
Hasil dan Pembahasan
4.1 Simulasi Elemen 2,45 GHz Setelah semua langkah perancangan patch 2,45 GHz selesai maka dilakukan simulasi dengan perangkat lunak AWR2004. Dari hasil simulasi untuk range frekuensi 2,2 GHz hingga 2,6 GHz diperoleh nilai VSWR sebesar 2,016 terlihat pada Gambar 5.
Gambar 7. Nilai VSWR Rancangan Tunggal 3,35 GHz Adapun besar gain yang diperoleh dari perancangan elemen tunggal 3,35GHz adalah 6,202 terlihat pada Gambar 9.
Gambar 5. Nilai VSWR Rancangan Tunggal 2,45GHz Adapun hasil gain yang diperoleh adalah 5,974 dB terlihat pada Gambar 6.
Gambar 8. Nilai Gain Rancangan Tunggal 3,35GHz
4.3 Simulasi Antena Susun Mikrostrip Dual-Band Setelah diperoleh dimensi patch pada perancangan dimensi patch 2,45GHz dan 3,35GHz maka diperolehlah model rancangan antena susun mikrostrip dual-band seperti terlihat pada Gambar 9.
Gambar 6. Nilai Gain Rancangan Tunggal 2,45GHz
4.2 Simulasi Elemen 3,35 GHz Setelah semua langkah perancangan patch 3,35GHz selesai maka dilakukan simulasi dengan perangkat lunak AWR2004. Dari hasil simulasi untuk range frekuensi 3,2 GHz sampai
Gambar 9. Model Rancangan Antena Susun Mikrostrip Dual-Band
-174-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014 Tabel 1. Lanjutan
Kemudian model antena ini disimulasikan dengan AWR 2004. Dari hasil simulasi untuk range frekuensi 2,2 GHz sampai dengan frekuensi 3,6 GHz diperoleh nilai VSWR sebesar 2,309 untuk frekuensi 2,45 GHz dan VSWR bernilai 8,488 untuk frekuensi 3,35 GHz terlihat pada Gambar 10.
Nilai VSWR
Jarak X (mm)
Jarak Y (mm)
Frekuensi 2,45 GHz
Frekuensi 3,35 GHz
24 25 26 27 24 25 26 27 25 26 27
10 10 10 10 11 11 11 11 13 13 13
1,692 1,556 1,428 1,313 1,727 1,611 1,500 1,400 1,882 1,75 1,678
1,647 1,201 1,172 1,456 1,884 1,382 1,177 1,345 1,778 1,400 1,248
Dari hasil iterasi letak titik saluran pencatu diperoleh bahwa nilai VSWR yang optimal adalah pada jarak x 26mm untuk 2,45 GHz dan jarak y 9 mm untuk 3,35 GHz. Nilai VSWR yang diperoleh pada letak titik pencatu ini sebesar 1,379 untuk frekuensi 2,45 GHz dan sebesar 1,263 untuk frekuensi 3,35 GHz terlihat pada Gambar 11.
Gambar 10. Nilai VSWR Rancangan Awal Antena Susun Mikrostrip DualBand Karena nilai VSWR yang diharapkan belum sesuai maka dilakukan iterasi pada rancangan model antena susun mikrostrip dualband. Adapun iterasi yang dilakukan adalah menggeser letak titik pencatu dari setiap elemen antena. Dimana letak titik awal rancangan saluran pencatu antena berada pada jarak x 17mm untuk 2,45 GHz dan jarak y 12 mm untuk 3,35 GHz. Hasil iterasi perubahan jarak letak titik pencatu dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil Iterasi Letak Titik Pencatu Antar Elemen Jarak X (mm) 17 16 18 23 24 25 26 27 24 25 26 27 24 25 26
Jarak Y (mm) 12 12 12 8 8 8 8 8 9 9 9 9 10 10 10
Nilai VSWR Frekuensi Frekuensi 2,45 GHz 3,35 GHz 2,309 8,488 2,302 8,585 2,264 10,52 1,852 1,968 1,681 1,323 1,521 1,129 1,370 1,406 1,235 1,738 1,683 1,447 1,534 1,044 1,379 1,263 1,252 1,588 1,692 1,647 1,556 1,201 1,428 1,172
Gambar 11. Nilai VSWR Yang Optimal Antena Susun Mikrostrip Dual-Band
4.4 Bandwith Adapun nilai bandwith yang diperoleh dari
hasil simulasi Gambar 12 adalah 2397MHz2471MHz (3%) untuk frekuensi 2,45 GHz dan 3313MHz-3410MHz (2,8%) untuk frekuensi 3,35 GHz.
4.5 Pola Radiasi dan Gain Dari hasil simulasi diperoleh bahwa pola radiasi dari antena adalah Uni directional dan nilai gain yang diperoleh sebesar 7,535 dB pada frekuensi 2,45 GHz dan gain sebesar 7,129 dB pada frekuensi 3,35 GHz seperti terlihat pada Gambar 12 dan Gambar 13. -175-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
Saran Beberapa saran yang bisa penulis berikan dalam Tulisan ini adalah : 1. Perancangan Antena Susun Mikrostrip patch segiempat dual-band dapat dilakukan dengan teknik-teknik yang lain, agar dapat dibandingkan dan dilihat hasil yang lebih optimum. 2. Akan lebih baik jika perancangan antena ini tidak hanya pada perancangan dan simulasi, tetapi dapat dilakukan proses fabrikasi agar segala teorinya dapat dipraktekkan secara langsung. Gambar 12. Pola Radiasi dan Gain 2,45 GHz
6. [1]
[2]
[3]
[4]
Gambar 13. Pola Radiasi dan Gain 3,35 GHz
5.
Kesimpulan dan Saran Kesimpulan
Adapun yang menjadi kesimpulan dalam Tulisan ini adalah : 1. Antena susun mikrostrip dual-band dapat bekerja pada dua frekuensi yang berbeda yaitu frekuensi 2,45 GHz dan frekuensi 3,35 GHz. 2. Nilai VSWR yang diperoleh dari studi perancangan ini adalah 1,379 untuk frekuensi 2,45 GHz dan VSWR sebesar 1,263 untuk rekuensi 3,35 GHz. 3. Gain yang diperoleh untuk elemen tunggal WLAN sebesar 5,974 dB dan untuk elemen tunggal WiMAX sebesar 6,202 dB sedangkan Gain yang diperoleh dari perancangan antena susun mikrostrip dual-band adalah 7,539 dB untuk WLAN dan 7,129 dB untuk WiMAX. Hal ini menunjukkan bahwa Gain yang diperoleh mengalami peningkatan sebesar 26 % untuk WLAN dan 15% untuk WiMAX. -176-
DAFTAR PUSTAKA Garg R. , 2001, Microstrip Antenna Design Handbook, First Edition, Artech House, Hal: 17-24. Surjati, Indra. 2010. Antena Mikrostrip : Konsep dan Aplikasinya. Jakarta : Universitas Trisakti. Balanis, C.A. 2005, Antena Theory Analysis and Design, Third Edition, Willey, Hal: 859-871. Hanafiah, Ali. “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Planar Array 4 Elemen dengan Pencatuan Aperture-Coupled untuk Aplikasi CPE pada Wimax”, Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia, 2008.
[5]
Huang, Yi and Boyle. 2008, Antennas From Theory To Practice, Willey, Hal 184-191.
[6]
AWR Microwave Office 2004. http://www.appwave.com. diakses pada tanggal 23 Januari 2014.
copyright @ DTE FT USU
