BAB III PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH RECTANGULAR ARRAY

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH RECTANGULAR ARRAY Pada tugas akhir ini akan dirancang sebuah antena mikrostrip patch rectangular yang dapat digunakan pada sistem wireless LAN baik sebagai penguat antena pada Access Point (AP) atau Wireless Router ataupun pada sisi terminal (laptop, PC dan PDA). Dengan penggunaan antena microstrip dengan harga yang relatif murah dan USB wireless adapter sebagai penangkap sinyal, maka antena ini merupakan pilihan yang tepat untuk solusi internet yang murah dan cepat. Perancangan antena ini dilakukan dengan menggunakan simulator antena Ansoft HFSS v Perencanaan Perancangan Antena Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat dan selanjutnya menghitung dimensi patch antena serta lebar saluran pencatunya. Hasil dari perhtiungan tersebut kemudian disimulasikan dengan simulator Ansoft HFSS v13. Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan beberapa karakterisasi berupa perubahan panjang saluran pencatu dan perubahan dimensi patch. Dengan melakukan beberapa perubahan selanjutnya diperoleh hasil rancangan yang lebih optimal tersebut. Dengan simulator Ansoft HFSS v13. dapat diperoleh parameter

2 parameter antena yang dihasilkan berupa nilai VSWR, Gain antena dan pola radiasinya. Perancangan dan perakitan antena microstrip patch segi empat dapat digambarkan dengan diagram alur pada Gambar 3.1. Gambar 3.1 Flowchart perancangan antena mikrostrip rectangular patch array 36

3 3.2 Pemilihan Jenis substrat Didalam pemilihan jenis substrat dibutuhkan pengetahuan secara umum mengenai jenis substrate yang akan digunakan mulai dari kualitas, ketersediaan di pasaran dan harga dari bahan tersebut yang akan sangat mempengaruhi nilai jual apabila dipabrikasi secara massal untuk dipasarkan. Jenis substrate yang digunakan dalam pembuatan tugas akhir ini adalah : FR-4 Epoxy. Tabel 3.1 Spesifikasi substrate yang digunakan Jenis substrate FR4 Epoxy Konstanta Dielektrik Relatif (ε r ) 4.4 Dielektri Loss Tangent (tanδ) 0.02 Ketebalan Substrate ( h1 h 2 ) Frekuensi Kerja (fr) 1.6 mm 2,45 GHz 3.3 Perancangan Dimensi Patch Antena Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini adalah antena mikrostrip dengan frekuensi kerja 2.0 2,5 GHz. Sebelum merancang antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 12 elemen, lebih dahulu ditentukan antena mikrostrip elemen tunggal yang hasilnya akan digunakan dalam merancang antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 12 elemen. Untuk perancangan awal dari dimensi antena digunakan perhitungan pada antena microstrip dengan patch berbentuk 37

4 segi empat. Dalam merancang sebuah antena mikrostrip array ada beberapa parameter yang harus dihitung terlebih dahulu : 1. Menentukan panjang gelombang dari antena yang dapat dibuat dengan menggunakan Persamaan berikut :.. (3.1) 2. Menentukan lebar patch dengan menggunakan Persamaan berikut : (3.2) 3. Menentukan panjang patch dengan menggunakan Persamaan sampai berikut :.. (3.3)... (3.4) ) (3.5)... (3.6) Dengan menggunakan persamaan (3.1) sampai dengan persamaan (3.5), diperoleh panjang dan lebar patch sebagai berikut : 38

5 a. Menentukan Panjang Gelombang (λ): λ = C/f λ = (3 x 10 ^8 m/det)/(2.45 x 10 ^9 Hz) λ = 12,24 cm =122,4 mm b. Menentukan Lebar Patch : W = C/(2f_r ((ε_r+1)/2)) W = (3 x 10 ^8 m/det)/(2x2,45x 10 ^9 ((4,4+1)/2)) W = (3 x 10 ^(8 ) m/det)/(4,9x 10 ^9 Hz (5,4/2)) W = (3 x 10 ^(8 ) m/det)/(8,05 x 10 ^9 Hz) W = 0,03726 m=37,26 mm c. Menentukan Panjang Patch : 39

6 = 4,08 0,0303 m = 30,3 mm Maka Panjang Patch adalah : L=L_eff-2ΔL L=30,02 mm-2 (0,69) L=28,63 mm 40

7 Dari perhitungan parameter antenna mikrostrip rectangular pacth tunggal di simpulkan pada table 3.2 berikut ini : Tabel 3.2 Parameter Antena Mikrostrip Rectangular Patch Parameter Simbol UkuranSatuan Lebar Patch W 37,26 mm Panjang Patch L 28,63 mm Panjang Gelombang λ 122,4 mm Bahan Antenna FR-4 (epoxy) 3.4 Perancangan Dimensi Saluran Pencatu Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider. Dalam hal ini metoda Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 3.2 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson. 41

8 Gambar 3.2 N-Way Wilkinson Combiner. Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan persaamaan berikut : Z = Z 0. (3.7) dimana N adalah jumlah titik percabangan dan Z 0 adalah impedansi masukkan awal. T-Junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunkan pada konfigurasi antena array. Terdapat 2 jenis T- Junction 50 Ω yang dapat digunakan sebagai power divider seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3 Gambar 3.3. T-Junction 50 Ohm 42

9 Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip elemen tunggal mempunyai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Parameter dari panjang saluran pencatu dapat diubah untuk memperoleh nilai yang optimal sebagai berikut : a. Dimensi saluran Pencatu pertama (a) dibulatkan menjadi b. Dimensi saluran Pencatu kedua (b) dibulatkan menjadi b = 10 mm c. Dimensi lebar pencatu pertama = 1,5 mm d. Dimensi Lebar Pencatu Kedua = 3mm 43

10 37 mm 29 mm 17,5 mm 17,5 mm 1,5 mm 15 mm 3 mm 10 mm Gambar 3.4. Gambar Mikrostrip Patch Rectangular elemen tunggal Gambar 3.4 merupakan rancangan antena mikrostrip elemen tunggal dengan lebar dan panjang saluran seperti yang terlihat pada gambar Perancangan Antena Mikrostrip Patch Rectangular Array Perancangan ini akan menggunakan data-data yang telah diperoleh dari perancangan antena mikrostrip element tunggal. Data tersebut antara lain : jenis substrat yang digunakan, dimensi patch antena, panjang saluran pencatu, dan letak saluran pencatu. Pada proses perencanaan ini terdapat 2 patch yang memiliki data yang sama disusun secara linear. Sebelum merancang konfigurasi saluran pencatu, tentukan dahulu jarak antar elemen (patch) terdekat. Pada perancangan array, hal yang diperhatikan adalah jarak antar elemen patch antena yang diberikan oleh persamaan :.. (3.8) 44

11 Jarak tersebut diukur dari titik tengah antara satu patch dengan patch lain yang terdekat. Akan tetapi jarak tersebut dapat diubah-ubah untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal. a. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen Rancangan antena mikrostrip dua elemen array terlihat pada Gambar 3.5 d = λ/2 = c/2f, Dimana λ =122,4 mm d = 61,2 mm Maka jarak antar elemen sebesar 61,2 mm. 61,2 mm 38 mm 38 mm 29 mm 15 mm 14,7 mm Gambar 3.5 Peancangan Antena Mikrostrip Rectangular array 2 elemen b. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 4 Elemen 45

12 61,2 mm 61,2 mm Gambar 3.6 Perancangan Antena Mikrostrip Patch Rectangular array 4 elemen c. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Rectangular Array 12 Elemen Rancangan antena mikrostrip 12 elemen array terlihat pada Gambar 3.7, dengan jarak antar elemen sebesar 61,2 mm 61,2 mm 61,2 mm 61,2 mm 61,2 mm 61,2 mm 61,2 mm Gambar 3.7 Perancangan Antena Mikrostrip Rectangular patch array 12 elemen 46

13 Pada rancang bangun antena mikrostrip patch rectangular array ini, penulis akan membuat antena susun atau array sebanyak 4 antena, yaitu 1*2, 2*2, 2*4, 2* Perancangan Model Antena Mikrostrip Patch Rectangular Array Pada perancangan ini, diperlukan sebuah program simulator untuk membantu proses rancang bangun antena mikrostrip patch segi empat. Simulasi dilakukan untuk melihat apakah perhitungan yang dilakukan telah cocok dengan VSWR yang diinginkan atau tidak dengan frekuensi 2,0 Ghz. Simulasi dilakukan dengan perangkat lunak simulator, Ansoft High Frequency Structure Simulator v Memulai HFSS Pertama double-click di HFSS icon di desktop Windows sehingga muncul tampilan seperti Gambar 3.8 Gambar 3.8 Tampilan awal HFSS-v13 47

14 3.6.2 Perancangan Substrate Untuk membuat substrat, pada item Draw pilih box atau dengan langsung memilih Draw Box pada toolbar kemudian data diisi seperti pada gambar 3.9 dengan memilih bahan FR4-epoxy kemudian mengganti nama box tersebut dengan Substrate. Gambar 3.9 Perancangan substrate Setelah itu nilai koordinat dimasukan seperti pada Gambar 3.10 Gambar 3.10 Pengisian koordinat untuk letak dan besar substrate 48

15 3.6.3 Perancangan Patch Tahapan setelah perancangan substrate adalah perancangan patch adapun langkah-langkah perancangannya adalah pada item Draw pilih box atau dengan langsung memilih Draw Box pada toolbar kemudian data diisi seperti pada gambar 3.10 dengan memilih bahan Cooper kemudian mengganti nama box tersebut dengan Patch. Setelah itu nilai koordinat dimasukan seperti pada Gambar 3.11 Gambar 3.11 Pengisian koordinat untuk letak dan besar patch Untuk pembuatan patch rectangular berikutnya agar menjadi suatu patch rectangular array dilakukan seperti pembuatan patch 1 dengan tampilan seperti pada gambar 11 hanya saja koordinatnya berbeda, sesuai dengan letak dari posisi patch yang akan ditempatkan pada lembar substrade pada program HFSS 13 49

16 3.6.4 Perancangan Feed line Pada perancangan ini langkah yang harus dilakukan adalah memilih pada tem Draw kemudian pilih box atau dengan langsung memilih Draw Box pada toolbar kemudian data diisi seperti pada gambar 3.12 dengan memilih bahan Cooper kemudian mengganti nama box tersebut dengan Feed line. Gambar 3.12 Pengisian koordinat untuk letak dan besar feed line Untuk pembuatan feedline berikutnya agar menjadi suatu patch rectangular array dilakukan seperti pembuatan patch 1 dengan tampilan seperti pada gambar 11 hanya saja koordinatnya berbeda, sesuai dengan letak dari posisi patch yang akan ditempatkan pada lembar substrade pada program HFSS 13 Setelah feed line tebentuk maka kita harus menyatukan antara feed line dengan patch-nya dengan cara klik CTRL kemudian pilih feed line dengan patch lalu pada salah satu kalik kanan pilih Edit kemudian Boelan lalu Unite pilih ok, maka kemudian kedua benda tersebut sudah 50

17 menjadi satu bagian seperti pada gambar Gambar 3.13 Tampilan feedline yang sudah menjadi satu dengan Patch Perancangan Ground Untuk membuat ground, pada item Draw pilih box atau dengan langsung memilih Draw Box pada toolbar kemudian data diisi seperti pada gambar 3.14 dengan memilih bahan Cooper kemudian mengganti nama box tersebut dengan Ground. Gambar 3.14 Perancangan ground 51

18 Setelah itu nilai koordinat dimasukan seperti pada Gambar 3.15 Gambar 3.15 Pengisian kooordinat untuk letak dan besar ground Setelah selesai dibuat, maka akan terlihat bahwa groundplane terletak dibawah substrat.. Gambar 3.16 Tampilan Groundplane di bawah subtrade Asign Excitation Untuk membuat sebuah port eksitasi langkah pertama adalah pada item Draw pilih rectangular kemudian data koordinat diisi seperti 52

19 pada gambar Gambar Perancangan Koordinat wave port Setelah itu akan muncul pop-up pilihan seperti pada gambar 3.18 kemudian klik next lalu akan muncul pop-up kemudian pilih New Line lalu next dan klik finish. Gambar 3.18 Pop-up wave port Setelah itu, maka tampaklah wave port seperti pada gambar

20 Gambar 3.19 Wave port Perancangan Boundry Untuk membuat boundary, pada item Draw pilih box atau dengan langsung memilih Draw Box pada toolbar kemudian data diisi seperti pada gambar 3.20 dengan memilih bahan air kemudian mengganti nama box tersebut dengan Boundary. Gambar 3.20 Perancangan boundary Setelah itu nilai koordinat dimasukan seperti pada Gambar

21 Gambar 3.21 Pengisian kooordinat untuk letak dan besar boundary Setelah semua sudah dibuat sampai dengan boundry, maka proses perancangan anten di simulator sudah selesai dan siap dilakukan analisa. Gambar 3.22 Tampilan Rectangular Patc array setelah di Boundary Analysis Setup Setelah model antena selesai dibuat langkah selanjutnya adalah menjalankan simulasinya. Untuk menjalankan simulasi ini langkah adalah klik menu HFSS kemudian pilih analysis setup, 55

22 laluselanjutnya pilih add solution setup, makaakan muncul solution setup window. Lalu isi nama setup- nya, ikuti saja yang ada di dalam tab (misalnya setup1, setup2, dan seterusnya), kemudian isi nilai dari solution frequency menjadi 2,4 GHz. Nilai solution frequency ini sama untuk tiap setup. Lalu isi nilai maximum number of phases menjadi 15 atau 20 sesuai kebutuhan. Kemudian isi nilai maximum delta S sebesar 0,02 lalu pilih OK. Selanjutnya klik menu HFSS kemudian pilih analysis setup lalu pilih add sweep. Pilih solution setup-nya setup1 dan klik tombol OK. Kemudian edit window sweep-nya, atur sweep type menjadi fast dan atur pula requency setup type menjadi linear count. Kemudian atur frekuensi start sebesar 1 GHz, frekuensi stop 4 GHz dan buat nilai count menjadi 100. Lalu klik tombol OK. Setelah itu langkah selanjutnya adalah klik menu HFSS lalu pilih validation check. Tujuan dari validation check ini adalah untuk memeriksa apakah model yang kita buat sudah layak dan benar untuk dijalankan. Jika model yang kita buat telah layak dan benar untuk dijalankan maka akan muncul tanda check list berwarna hijau. Tetapi jika belum maka akan muncul tanda silang berwarna merah. Hal ini menandakan bahwa ada error pada model yang kita buat. Untuk melihat pesan error gunakan message manager yang ada di sudut kanan bawah. Ada beberapa hal yang diperiksa pada validation check ini, yaitu : 3D model Boundaries and Excitation Mesh Operation Analysis Setup 56

23 Optimetrics Radiation Adapun tampilan Validation check seperti gambar 3.23 Gambar 3.23 Tampilan Vilidation Check Jika ada salah satu dari keenam hal ini yang tidak terpenuhi (dalam hal ini ada error) maka proses simulasi tidak dapat dilanjutkan. Setelah melewati validation check, langkah selanjutnya adalah menganalisis model. Untuk menganalisis model ini caranya adalah dengan menekan menu HFSS lalu pilih analyze. Proses menganalisis ini berlangsung sekitar 60 menit atau lebih. Setelah proses analisis selesai maka dapat ditampilkan grafik VSWR, pola radiasi, dan gain nya. Untuk menampilkan grafik VSWR, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi modal S parameter dan atur display set menjadi rectangular plot, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window traces ini atur solution menjadi 57

24 setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi VSWR, atur juga quantity menjadi VSWR(lumport1), kemudian tekan new report lalu tekan done. Maka akan muncul grafik VSWR. Untuk menampilkan pola radiasi, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi far field dan atur display set menjadi 3D polar plot, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window trace ini atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi directivity, atur juga quantity menjadi DhirTotal, kemudian tekan new report lalu tekan done. Maka akan muncul grafik pola radiasi Untuk menampilkan gain, caranya adalah dengan menekan tombol HFSS lalu pilih result dan kemudian pilih create report. Atur report type menjadi far field dan atur display set menjadi data table, lalu tekan OK. Maka akan muncul window traces. Pada window trace ini atur solution menjadi setup1:sweep1. Kemudian pada tab Y atur category menjadi gain, atur juga quantity menjadi GainTotal, kemudian tekan new report lalu tekan done. Maka akan muncul tabel gain. 3.7 Simulasi untuk Mendapatkan Hasil yang Ideal pada HFSS Setelah nilai nilai yang didapat dalam perhitungan dimasukan kedalam simulasi akan tampil seperti gambar 3.3. Ternyata setelah dilakukan report 58

25 hasil yang didapat tidak memenuhi dari tujuan yang diinginkan, maka dilakukan beberapa perubahan dari ukuran semula antena yang meliputi perubahan dimensi patch dan perubahan panjang saluran pencatu atau feed line. Disini kita akan merubah - rubah nilai dimensi patch antena sampai mendapatkan nilai yang yang dianggap ideal, dan juga melakukan perubahan panjang feed line sampai mendapatkan hasil sesuai dengan yang kita inginkan. Karena simulasi HFSS ini bersifat ideal maka akan meminimalisir perubahan atau pergeseran nilai parameter ketika di implementasikan menjadi prototype antena mikrostri p. Adapun flowcart dari simulasi HFSS. Gambar 3.24 Flowcart Perancangan Antena Patch Rectangular Array 59

26 3.8 Pembuatan Antena Mikrostrip Patch Rectangular Array Setelah perhitungan dan simulasi selesai dilakukan, langkah selanjutnya adalah mengimplementasikan hasil perancangan antena Mikrostrip patch rectangular array untuk frekuensi 2,45 GHz tadi. Sebelum pembuatan antena ada beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu : bahan antena dan teknik pembuatan antena Bahan Antena Bahan yang diperlukan untuk membuat suatu antena mikrostrip patch rectangular arrayini diharapkan dapat memberikan daya pancar radiasi gelombang elektromagnetik yang cukup besar, sehingga dibutuhkan pemilihan bahan yang cukup memadai. Pada pembentukan antena mikrostrip patch rectangular array ini dipilih dari PCB epoxy FR-4 dengan ukuran tebal 1,6 mm. Ada beberapa hal yang memungkinkan bahan tersebut digunakan : mudah didapat, ringan, konduktivitasnya cukup besar, mudah untuk konstruksi dan penyambungannya Teknik Pembuatan Teknik pembuatan antena mokrostrip patch rectangular array ini cukup rumit dilakukan tanpa peralatan yang memadai untuk mendapatkan dimensi antena yang tepat (presisi). Alat dan Bahan : Kertas transfer paper. Pemotong PCB, PCB FR-4 epoxy dua layer 10 cm x 20 cm, 20cm x 20cm, 30 x 30 cm, 40 x 40 cm 60

27 Paku Ripet 3 mm, Tang Ripet. Pelarut HCL, H2O2, dan washing tiner (M3). Nampan tempat Pelarutan PCB Langkah-langkah yang dilakukan pada pembuatan antena ini, yaitu: Dimensi antena yang dirancang didapatkan dari perhitungan secara manual. Membuat pola gambar mikrostrip patch rectangular array yang sedemikian rupa dengan menggunakan program PCB Design 5.1 seperti pada gambar Membuat pola gambar mikrostrip patch rectangular array yang sedemikan rupa dengan menggunakan program PCB Design 5.1 seperti pada gambar Gambar Pola gambar Mikrostrip Rectangular Array di rangcang 61

28 Menerapkan pola gambar patch antena yang sudah di gambar ke kertas transper paper untuk mempermudah pemindahan gambar ke papan PCB FR-4. Memotong papan PCB FR-4 sesuai dengan ukuran yang dirancang, Gambar 3.26 Papan PCB FR-4 Menempelkan Hasil cetakan Patch dengan transper paper pada potongan PCB polos FR-4 sesuai dengan bentuk yang diharapkan (dimensinya cocok dengan perhitungan). Gambar 3.27 Papan PCB (FR4) yang sudah tercetak pola gambar 62

29 Melarutkan Papan PCB yang sudah ada gambar patch rectangular array dengan menggunakan campuran pelarut kimia H2O2 + HCL. Setelah PCB antena mikrostrip patch rectangular array terbentuk, selanjutnya akan disambung dengan mal yang berbentuk haksagonal, sedangkan untuk tuning antena ditambahkan kabel tembaga sepanjang 3 cm pada type N-connector dan lokasi optimum untuk N-connector adalah 3,125 cm dari belakang bumbung gelombang. Berikut gambar N- connector untuk tuning Gambar 3.28 N-connector dengan penambahan kabel tembaga 2.8 cm Hasil Rancangan Antena Mikrostrip Patch Rectanglar Array Antena mikrostrip patch rectangular arrayyang telah dibuat merupakan hasil dari perancangan yang ada, dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 3.29 Hasil Rancangan Antena Mikrostrip Patch Rectangular Array 63

30 3.9 Pengukuran Parameter Antena Mikrostrip Patch Rectanguler Array Setelah menjalani proses perancangan dan pembuatan antena mokrostrip patch rectangular array, proses berikutnya adalah pengujian atau pengukuran beberapa parameter antena yang dibutuhkan untuk mengetahui apakah antena yang sudah dirancang memenuhi standar antena mikrostrip patch rectangular array2,4 GHz dan layak untuk digunakan pada komunikasi data atau jaringan komputer secara wireless dengan frekuensi 2,4 GHz. Ada beberapa parameter antena yang diukur untuk menunjukkan karakteristik serta kemampuan kerja dari antena, antara lain: SWR, impedansi, dan return loss Pengukuran VSWR dan Impedansi Input Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) dan impedansi input merupakan parameter yang mengindikasikan kesesuaian sebuah antena terhadap saluran transmisi dan frekuensi kerjanya, sehingga mempengaruhi daya yang diterima. Pada pengukuran ini menggunakan Advantest R3770 Network Analyzer (NA) untuk mendapatkan nilai VSWR dan impedansi input antenna mokrostrip patch rectangular array. Gambar 3.30 Advantest R3770 Network Analyzer 64

31 Peralatan yang digunakan pada pengukuran VSWR dan impedansi input: 1. Advantest R3770 Network Analyzer 2. Antena mikrostrip patch rectangular array 2,45 GHz 3. Kabel Koaxial Langkah-langkah pengukuran VSWR dan impedansi input:: 1. Merangkai peralatan seperti pada Gambar Menghidupkan dan mengalibrasi Network Analyzer (NA). 3. Menghubungkan antena mikrostrip patch rectangular arrayyang sudah dirancang dengan NA menggunakan kabel koaxial. 4. Mengambil gambar dari display NA untuk nilai VSWR yang kemudian file disimpan. 5. Mengambil gambar dari display NA untuk nilai impedansi input dengan mode diagram smith-chart yang kemudian file disimpan. 65