Antena Array 4 Patch Mikrostrip Sirkular Pada Frekuensi MHz

Transkripsi

1 Ata Aay 4 Patch Mikostip Sikula Pada Fkusi MHz Si Hadiati*, Yuyu Wahyu*, Foli Oktafiai*, *)Pliti Pusat Plitia Elktoika da Tlkomuikasi (PPET-LIPI) Jl. Sagkuiag Badug mail:ash_gt@yahoo.com Abstak Pada makalah ii, diacag da dialisasika ata aay mikostip sikula pada fkusi 2300 MHz 2400 MHz utuk mdukug tkologi WiMAX, dga mghitug dimsi ata scaa toi da kmudia mgguaka softwa Asoft HFSS.2 sbagai alat simulasi, sblum mlakuka fabikasi. Pacaga ata yag dipolh dai hasil simulasi difabikasi ssuai dga spsifikasi acaga ata dga mgguaka PCB yag mmpuyai ktbala substat 1,6 mm da dsai ata ii bbtuk patch mikostip sikula dga modl patch aay yag btujua utuk migkatka gai ata. Kata kuci : Ata mikostip, cicula patch, Ata Aay da WiMAX Abstact I this pap will b discussd dsig ad alizatio a cicula micostip aay ata fqucy MHz fo WiMAX applicatio, with th calculatig ata thotically ad th applis softwa Asoft HFSS.2 as a mas of simulatio bfo doig fabicatio. Ata dsig sultd fom th simulatio is fabicatd appopiat with spcificatio dsig ad usig PCB matial with th thick of substat is 1,6 mm ad this ata dsig is cicula patch micostip with patch aay mod to icas at gai. Ky wod : Micostip ata, Cicula patch, Aay Ata ad WIMAX 1. Pdahulua Tkologi WiMAX mupaka tkologi wilss yag sdag bkmbag pada saat ii, yag disdiaka utuk layaa itt dga kcpata tiggi. Tkologi ii diimplmtasika utuk mgatasi pgguaa komuikasi dga mdia kabl da mmpuyai jagkaua wilayah yag luas dibadigka dga WLAN. WiMAX mmiliki fkusi opasi yag bbda-bda, yag dissuaika dga pgatua fkusi dai stiap gaa. Muut fkusi blissi dicaaka spktum fkusi WiMAX opasiya pada (2,305-2,320) GHz, (2,345-2,360) GHz da (3,300-3,400) GHz. Pada tkologi WiMAX, ata bpa ptig dalam pimaa da pgiima ifomasi, yaitu sbagai tasfomato glombag lktomagtik dai da k udaa. Pada makalah ii dikmbagka ata micostip patch sikula yag dikal atistik da mmpuyai bbapa kutuga, tutama ata tsbut dapat adaptasi utuk smua aplikasi dalam sistm. Ata jis mikostip patch sikula ii dihaapka dapat ditapka utuk mdukug sistm WiMAX tdii dai 4 patch mikostip sikula yag disusu scaa aay da bkja pada fkusi 2,3 2,4 GHz mghasilka Gai 5 dbi. 2. Diskipsi Ata mikostip Ata mikostip mupaka salah satu jis ata yag bbtuk papa tipis da mampu bkja pada fkusi yag sagat tiggi. Ata mikostip dibuat dga mgguaka sbuah substat yag mmpuyai tiga buah lapisa stuktu dai substat tsbut. Lapisa-lapisa pada substat :Patch, dilktik, goudpla Pola-pola dalam lapisa mikostip yag utama biasa disbut patch, yag mmiliki btuk gomtis sdhaa, misalka sikula, psgi pajag, sgitiga atau btuk lai Ata mikostip mmpuyai klbiha da kkuaga, diataaya: 1. Klbiha ata mikostip: Mmiliki ukua yag kcil da iga Mudah dalam pmbuataya Dapat bopasi pada sigl ataupu dual bad Dapat dibuat utuk dual atau tipl fkusi 2. Kkuaga ata mikostip : Badwidth yag smpit Mmiliki gai yag kcil utuk satu patch Kaakatistik adiasi ata kbayaka dilakuka pada daah mda jauh ata. Pada daah ii, phitugaya basal dai pkalia dua bagia. Bagia ptama adalah jaak ata dai titik obsvasi (daah pima) da bagia laiya adalah koodiat bola dga batua sudut da. Distibusi agula mda bdii sdii pada jaak. Mda jauh lktis scaa matmatis adalah: j E( ) j f(, ) (2.1) 4 Vkto f (, ) mujukka kaaktistik diksioal mda lktik dai lm k-, scaa umus : f (, ) ( ˆ ˆ ˆ ˆ). lmt J ( ) j ˆ. ( ) dv (2.2) Dimaa : J ( ) = lktik pada lm k- = jaak ata k pusat koodiat = jaak dai titik obsvasi k pusat koodiat β = 2 1

2 ω = fkusi fasa µ = pmabilitas baha Dalam umus (2-1), ) f (, ) dapat diyataka spti umus bikut : f(, ) I f (, ) (2.3) Dai pkalia umus (2-1) (2-2) (2-5) dihasilka suatu psamaa bikut: j E( ) j 4 f (, ) N 1 f I (, ) j cos Slajutya utuk umus Aay Facto adalah: N 1 (2.4) j cos AF (, ) I (2.5) AF (, ) disbut sbagai aay facto, Fakto ii adalah pola dai susua N isotopis thadap satu titik fsi. Dai umus (2-4) da (2-5), dapat dihasilka suatu umus : j E( ) j f (, ) AF (, ) (2.6) 4 Dai umus diatas dapat diyataka pisip pkalia mda adalah mda lm ata aay yag idtik dipolh dai pkalia mda ata aay tsbut dga aay facto. Ata mikostip sikula mupaka ata mikostip btuk lai yag tlah bayak diguaka. Pada pacaga ata paamt yag dibutuhka adalah jai-jai ata. Fkusi cutoff mod TM pada bumbug glombag mmbika fkusi soasi pada ata mikostip dga tmpla sikula spti yag dibika olh psamaa : f X ' c (2.7) 2a dimaa X = x m adalah aka tuua fugsi Bssl J (x) pada od, f mupaka fkusi kja pada mod TM dga m da adalah mod popagasi yag diguaka, a mupaka jai-jai fktif ata, adalah pmitivitas baha dilktik. Slajutya utuk mghitug ligkaa mikostip ata mgguaka psamaa bikut: 2 1 h a a a l 1,7726 (2.8) a 2h dimaa a adalah jai-jai fisik patch ata da h adalah ktbala substat dilktik yag diguaka. Dalam pacaga, ukua yag diguaka utuk jai-jai patch adalah a yag mupaka jai-jai fisik ata. 1 2 Pggabuga umus (2.7) da (2.8) utuk mmpolh jai-jai gua mghasilka fkusi soasi yag lbih tliti, yaitu: a X 2 f '. c (2.) X ' ' adalah aka-aka dai J ( x) 0, c adalah kcpata cahaya= 3 x 10 8 m/s. Shigga a da a aka hampi sama, dga puua dai psamaa (2.10) aka dipolh a, jai-jai fisik mikostip sikula : a (2.10) a 2h a 1 l a 2 h 1,7726 1/ 2 Pcatua ata mupaka suatu hal yag sagat ptig dalam tkik macag ata. Pcatua ata aka bpgauh pada kaaktistikkaaktistik yag aka dihasilka ata tsbut. Tkik pcatua ata pada mikostip ada tiga macam, yaitu dga pob coaxial, lctomagtically couplig, da mgguaka salua mikostip. 3. Dsai da Simulasi Ata patch mikostip sikula. 3.1 Dsai Ata. Dsai Ata Patch mikostip sikula dalam makalah ii utuk pgopasia pada fkusi MHz. Ata ii mgguaka baha substat yaitu xpoxy FR 4, dga tbal 1,6 mm, = 4,4 da dilctic loss tagt( ta ) = 0,01. Paamtpaamt dalam spsifikasi tkik dai dsai ata patch mikostip sikula dicaaka sbb : Btuk Ata : Patch sikula. Fkusi : 2300 MHz MHz Impdasi : 50 Ω (koaksial) VSWR : < 1,3 Pola adiasi : uidictioal Polaisasi : lii Gai : 5 dbi Mtod Pcatua:Salua mikostip. Ata mikostip ii bbtuk Patch sikula yag tdii dai 4 Patch da disusu scaa aay lii. Dsai ata dimulai dga mghitug jai-jai fisik dai disk ( sikula) mikostip. Lagkah ptama mgguaka umus 2.7 da mgguaka mod TM tdah yaitu TM 11 dga mlihat tabl Bssl : Tabl 3.1 Aka fugsi Bssl mod TM m

3 f X ' 2a c (3.1) f sama dga fkusi soasi yag tlah dittuka, maka : X ' c 8 f 11 = 1, f = f 2 2 a a 8,7110 f a 0,87110 a a da a aka hampi sama, shigga dapat dibuat suatu vaiabl bau misalka k. Scaa matmatis dapat ditulis mjadi : 8,7110 k (3.2) f Maka utuk mmpmudah phituga jai-jai fisik ligkaa umus diatas disubstitusika k dalam umus (2.10) shigga : k (3.3) a 0,5 2h k 1 l 1, F h Ktaga : a : jai-jai patch ata h : tbal dilktik (mm) k : vaiabl pggati kaa a da a diaggap sama : ilai pmitivitas Tbal dilktik yag diguaka 1,6 mm dga ilai pmitivitas 4,4. Utuk mmpolh ilai k, diguaka umus : k = 8,71x10 f k = 8,71x10 = 8,71x 10 = 1,783 f 2,35x10 4,4 Stlah dipolh ilai k, kmudia dimasukka k dalam umus 3.1 da dipolh hasil : a= k 1 2h kl k 2h = , ,783 l 1, ,6 1, = 1,783 = 1,37 cm = 13,7 mm 1,3 Pada pacaga ata aay mikostip sikula ii mgguaka jai-jai a= 13,7 mm da salua mikostip bfugsi sbagai pypada ata patch sikula dga catua kokto 50 Ω. Dalam makalah ii, mtoda pypada yag diguaka adalah tasfomato λ/4 utuk mghubugka ataa kokto dga salua mikostip pada ata. Impdasi kaaktistik salua mikostip adalah fugsi dai lba salua stip, tbal salua da kostata dilktik baha substat yag diguaka. Pada makalah ii, tiap lm dihubugka olh salua stip dga pajag da lba 8 tttu, dimaa ptua pajag da lbaya dissuaika dga ilai yag mdkati hasil simulasi yag tbaik. Tiap lm patch sikula mmiliki jaak λ/2 atau klipataya, shigga salua stip (d ox5 ) yag mghubugka ata dua lm mmiliki ilai impdasi Z i =Z L. Nilai impdasi di titik pcabaga ata d ox8,d ox da d ox10 sbsa 1/2 Z L. Utuk ukua d ox7 adalah pajag 8,2 mm da lba 0,4 mm. Pmatchiga tasfomato λ/4 bada pada d ox10 da d ox11 dga polha ukua d ox10 adalah 11 mm dga lba 1,7 da ukua d ox11 adalah 15,2 dga lba 0,7 mm. 3.2 Simulasi Ata Pada makalah ii ata diacag dga mgguaka simulasi sbagai acua utuk mmbuat dimsi pototyp ata dga softwa yag diguaka adalah Asoft HFSS.2. Simulato ii dipakai utuk macag da mmodifikasi stiap ukua dimsi ata. Mtoda aalisis yag diguaka adalah fiit lmt mthod (FEM) kaa mtod ii sagat cocok utuk dikmbagka pada ata dga volumtik padat. Cylid dox1 dox5 dox7 dox w1 dox10 a w11 Gamba 3-1 Dsai Ata aay 4 Patch mikostip Sikula Stlah mlakuka bbapa pcobaa, dga mmasukka bbapa paamt yag tlah dittuka sblumya yaitu jai-jai patch ligkaa 13.7 mm da pajag salua mikostip λ/4 kmudia didapat ukua dimsi yag hasilya ssuai dga spsifikasi. Tabl 3.2 Dimsi Ata Hasil Simulasi Kompo cylid d ox1 d ox5 d ox7 d ox d ox10 d ox11 W 1 W 6 W 8 W W 10 W 11 a (goudpla) w10 dox11 w w8 Hasil Simulasi 27,4 mm 15,2 mm 61 mm 8,2 mm 128,4 mm 11 mm 15,2 mm 1 mm 0,6 mm 0,4 mm 0,4 mm 1,7 mm 0,7 mm 250 mm w6 b 3

4 b 6 mm Hasil Simulasi Stlah dilakuka poss simulasi, maka dipolh hasil sbagai bikut : SWR da Badwidth 4. Ralisasi dsai ata Hasil phituga da hasil simulasi ata aay mikostip sikula dialisasika dga poss fototchig. Pototip ata aay 4 patch mikostip sikula dga ukua dimsi substat mgikuti ukua dimsi goudpla yaitu 250x6 mm, dapat dilihat spti dalam gamba : 4-1 Gamba 3.2 VSWR da badwidth Hasil simulasi mujukka bahwa VSWR < 1,8 mmiliki badwidth 35,06 MHz dga daah fkusi 2326 MHz-2361 MHz Gai Pada gamba dibawah ii, dapat dilihat bahwa gai ata pada simulasi adalah 5,46 dbi. Gamba 4-1 Pototyp Ata Susua Mikostip Ligkaa Dalam ata mikostip, pyimpaga dalam od millimt aka sagat mmpgauhi sifat kaaktistik scaa umum, shigga didalam poss fabikasi ata haus mmiliki tigkat kakuata da ktlitia yag sagat tiggi. Pgukua dimsi fisik ata aay mikostip ligkaa ii dilakuka di Laboatoium Mikolktoika LIPI Badug. Alat yag diguaka adalah Pofil Pojcto (Niko V-12B). Alat ii mmiliki tigkat ktlitia sampai od millimt. 5.Pgukua da Aalisis Hasil Pgukua Gamba 3.3 Diktivitas Hasil Simulasi Pola Radiasi Gamba 3.4 (a) Bidag XZ (b) Bidag XY Pola adiasi ata adalah uidiksioal Impdasi Nilai impdasi ata simulasi pada fkusi 2350 adalah 45,0 +j15,02 Ω, sdagka utuk impdasi yag mdkati 50 Ω bada pada fkusi 2354 MHz dga ilai impdasi 50,08+j20,4 Ω. 5.1 Pgukua VSWR, Badwidth da Impdasi Ata Pgukua VSWR dilakuka utuk mgtahui ilai glombag bdii yag disbabka olh siyal patul yag tjadi. Smaki bsa ilai VSWR, maka smaki bsa pula glombag dipatulka kmbali k tasmitt. Nilai VSWR haus ssuai dga ambag batas dai pagkat yag diguaka. Pada makalah ii ilai VSWR yag dihaapaka tidak lbih dai 1, Hasil Pgukua VSWR, Badwidth da Impdasi Pgukua yag dilakuka dga Ntwok Aalyz dilakuka dga tag fkusi 2 GHz sampai dga 3 GHz. Bikut adalah gamba hasil pgukua yag didapat spti gamba 5-1. Utuk gamba 5-1 adalah hasil pgukua VSWR pototip ata dga dimsi ssuai dga dimsi ata simulasi. Hasil pgukua mujukka spti pada tabl VSWR da Badwidth : Ral : Imaji Gamba 3.5 Impdasi Ata Hasil Simulasi 4

5 Gamba 5.1 Hasil pgukua VSWR ata pototyp. Tabl 5-1 Hasil Pgukua VSWR da Badwidth VSWR Rtag Fkusi Badwidth ,50-236,56 35, , ,8 31, , ,22 23, , ,33 15,17 1. Impdasi Hasil pgukua mujukka impdasi mdkati 50 pada fkusi 2364,23 MHz da utuk fkusi ct mujukka bsa impdasi (51,13 j 203) Gamba 5.3 Hasil pgukua polaadiasi (gafik bwaa biu adalah hasil plot pgukua pototip sdagka gafik bwaa mah adalah hasil plot pgukua dai simulasi asoft) a Azimuth pgukua b Elvasi pgukua 5.5. Pgukua Gai Gai mupaka pbadiga ataa itsitas adiasi maksimum suatu ata thadap itsitas adiasi maksimum ata fsi dga lvl daya iput yag sama Hasil Pgukua Gai Ata Pgukua gai dilakuka pada fkusi 2350 MHz dga pgambila data dilakuka sbayak 10 kali hasil yag didapat lbih akuat. Tabl 5-2 Hasil Pgukua Gai Gamba 5-2 Hasil pgukua impdasi pototip ata. 5.3 Pgukua Pola Radiasi Pola adiasi ata diuku pada daah mda jauh ata, kaa pada daah tsbut glombag lktomagtik yag tpaca tidak bgatug jaak dai ata. Nilai mda jauh dapat dihitug mlalui 2 2L psamaa R dga L adalah dimsi tbsa dai ata da adalah pajag glombag. L dai ata aay mikostip sikula ii adalah diagoal dai goudpla yag pajagya= 26.3 cm, sdagka =. Mda jauh ata =. Jadi R 1,14 m Pada saat pgukua jaak yag diguaka adalah R = 1,5 m. 5.4 Hasil Pgukua Pola Radiasi Ata Stlah dipolh lvl daya tima ata yag dicatat da kmudia diolah dga mgguaka softwa Excl, maka dipolhlah plot pola paca dga btuk 2D sbagai bikut : 5-3 a 5-3b Daya Tima Max AUT (dbm) Daya Tima Max Rfsi (dbm) 1-31,17-35, ,00-35, ,17-35, , , ,50-34, ,00-34, ,17-31,17-35, ,33-34,33 Avag -31,267-34,833 Gai (dbi) 5,756 Dai tabl di atas bisa diktahui ilai gai AUT (Ata Ud Tst) susua mikostip sikula dga mgguaka umus 5-1 adalah 5,756 dbi. G (dbi) = (P A(dBm) P REF(DBm) } dbi. (5-1) G adalah Gai Ata yag diuku, P A adalah Lvl daya yag ditima Ata yag diuku. P REF adalah lvl daya tima ata fsi. 6. Aalisis Hasil Pgukua 6.1 Aalisis Hasil Pgukua Dimsi Ata Dai hasil pgukua dimsi fisik ata dapat dilihat adaya pubaha ukua ataa ata fabikasi dga ukua dsai dalam simulasi. Pyimpaga yag tjadi bkisa ataa mm sampai dga mm dai ukua dsaiya. Pyimpaga ukua ata fabikasi dapat mybabka pubaha bbapa paamt ata spti pgsa fkusi soa, impdasi da kofisi patul hasil pgukua dga hasil simulasi. 5

6 6.2 Aalisis Hasil Pgukua VSWR, Badwidth, da Impdasi Ata Dai hasil pgukua VSWR 1,8 diktahui kofisi patul adalah 0,286 dga daya dipatulka sbsa 8,18 % da daya yag ditasmisika sbsa 1,82 %. Dai phituga matmatis tsbut, didapatka daya yag ditasmisika cukup bsa, shigga masih baik jika diguaka dalam batasa VSWR tsbut. Utuk batasa VSWR 1,8 dipolh badwidth sbsa 35,06 MHz. Jika dibadigka dga ilai badwidth pada spsifikasi awal sbsa 100 MHz, maka badwidth hasil pgukua kuag mmuhi spsifikasi. Hal ii disbabka kaa ata mikostip mmiliki badwidth yag smpit. VSWR Tabl 6-1 Pbadiga VSWR Pgukua da Simulasi. Rtag Fkusi Simulasi Badwidth , ,22 Rtag Fkusi 2334, , , ,33 Pgukua Badwidth 35,06 23,2 15,17 Tabl 6-2 Pbadiga Impdasi Simulasi da Pgukua 2350 MHz Impdasi (Ω) Simulasi 45,0 + j15,02 Pgukua 51,13 - j1,2030 Dai tabl 6-2 dapat dilihat bahwa ilai impdasi ata mdkati ilai impdasi pada spsifikasi awal yaitu 50 Ω. 6.3 Aalisis Hasil Pgukua Gai Stlah dilakuka pgukua gai ata pada jaak mda jauh, maka pbadiga gai ataa ata fabikasi dga ata simulasi dapat dilihat pada tabl bikut : tambaha lvl daya dai patula objk skitaya. Slai itu, ata mikostip mmiliki gai yag dah. 7.Ksimpula Dai hasil pacaga da palisasia ata aay mikostip sikula yag tlah dibuat, maka dapat diambil ksimpula sbagai bikut : 1. Badwidth yag dipolh dalam pmbuata ata ii mcukupi fkusi utuk aplikasi WiMAX. Da Ata ii dicaaka utuk aplikasi us yag fix (tidak bgak) yag dikal dga CPE (Custom Pmis Equipmt). 2. Utuk mdapatka kaaktistik ata yag diigika, maka ata aay mikostip sikula dimodifikasi dga batua simulato Asoft HFSS Badwidth ata hasil simulasi da pgukua kuag mmuhi spsifikasi awal. Hal ii disbabka kaa sifat dasa ata mikostip yag mmiliki badwidth yag smpit atau < 1% dai fkusi tgah. Da distimasika utuk mmpbsa badwidth ata dapat dilakuka dga migkatka ktbala substat da mgguaka tkik pypadaa yag lai. 4. Distimasika utuk migkatka Gai dapat dga caa mambah patch mikostip sikula. 5. Btuk polaadiasi yag didapatka myupai diksioal, pada poss pgukua masih tdapat pyimpaga dai hasil simulasi yag disbabka kaa kodisi pgukua yag kuag smpua akibat masih adaya patula siyal thadap objk diskita pgukua. Da utuk mdapatka hasil pgukua yag akuat, haus dilakuka dalam achoic chamb. DAFTAR PUSTAKA [1] Jams, J.R. da Hall, P.S.,, Hadbook of Micostip Atas IEE Elctomagtic Wavs Sis, Lodo, 18 [2]Costati. Balais, Ata Thoy Aalysis Ad Dsig Joh Willy & Sos, Nw Yok 182. [3].Hy Jasik, Ata Egiig HadBook, McGaw-Hill, USA,161 Tabl 6-3 Pbadiga Gai Pgukua dga Simulasi Gai Pgukua Gai Simulasi 5,756 dbi 5,46 dbi Dai tabl diktahui bahwa hasil pgukua gai ata fabikasi lbih bsa dai pada gai ata simulasi. Hal ii disbabka olh kodisi pgukua yag tidak idal, shigga ata yag diuku mdapat 6