SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP BIDANG SEGIEMPAT TUNGGAL DENGAN SOFTWARE MATLAB

Transkripsi

1 SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP BIDANG SEGIEMPAT TUNGGAL DENGAN SOFTARE MATLAB M. Fuad Hasan 1), Darjat ), Ajub Ajulian Zahra ) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Jln. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia ad_fu06@yahoo.co.id Abstrak Antena mikrostrip cukup pesat perkembangannya terutama dalam hal desain. Antena mikrostrip memiliki banyak kelebihan antara lain desain antena yang ringkas, praktis, ringan terutama pada komunikasi nirkabel, tetapi antena ini juga memiliki beberapa kekurangan, seperti gain yang rendah dan bandwidth yang sempit. Penelitian tentang bidang (patch) antena mikrostrip telah mengalami kemajuan pesat pada saat ini. Kebutuhan akan fungsi yang berbeda mengharuskan antena mikrostrip mempunyai karakteristik yang berda dalam hal frekuensi kerja, ukuran atau dimensi, efisiensi, gain,dan impedansi karakteristik. Tugas akhir ini merancang suatu program simulasi yang akan digunakan untuk menganalisis pengaruh frekuensi kerja, bahan substrat, dan ketebalan substrat terhadap dimensi atau ukuran dan karakteristik antena mikrostrip bentuk segiempat tunggal dengan beberapa varian yaitu varian 5 bahan substrat (Bakelite, FR4 Glass Epoxy, RO4003, Taconic TLC dan RT Duroid), varian level frekuensi (,5 GHz,,3 GHz,,4GHz, dan 3,35 GHz), serta varian ketebalan substrat (3 mm, 1,575 mm, 0,77 mm, dan 0,50 mm) untuk jenis bahan substrat RT duroid. Program dirancang dengan menggunakan software matlab. Berdasarkan hasil pengujian yang dilakukan, bahan RT duroid antena mikrostrip bentuk segiempat tunggal memiliki kinerja paling bagus karena menunjukkan efisiensi sebesar % dan gain sebesar dbi. Kata kunci : Antena Mikrostrip bidang segiempat, Frekuensi, Substrat. Abstract Microstrip antena dependence rapid development, especially in terms of design. Microstrip antena has many advantages, such as compact antena design, practical, lightweight, especially in wireless communication, but it also has some shortcomings, such as low gain and narrow bandwidth. Research on patch microstrip antena has boomed this time. The different functions require specific microstrip antena characteristics in terms of operating frequency, size or dimensions, efficiency, gain, and impedance characteristics. This final project is aimed to design a simulation program that will be used to analyze the influence of the working frequency, substrate material, and substrate thickness to the dimensions and characteristics of a single rectangular shape microstrip antena with multiple variants, 5 different substrate materials (Bakelite, FR4 Epoxy Glass, RO4003, Taconic TLC and RT Duroid), various frequencies (.5 GHz,.3GHz,,4GHz, and 3.35GHz), as well as variants of the substrate thicknesses (3 mm, 1.575mm, 0.77mm, and 0.50mm) to RT Duroid types of substrate materials. Based on the results of tests RT Duroid based single rectangular shape microstrip antena has the best performance because it indicates an efficiency of % and a gain of dbi. Keywords: Microstrip Patch Antenas, Frequency, Substrat. 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Antena merupakan salah satu bagian yang sangat penting dalam sebuah sistem telekomunikasi, baik dari segi pengiriman data dan atau informasi maupun dari segi penerimaan. Antena berfungsi sebagai transformator antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas, maupun sebaliknya. Dalam perancangannya, antena memiliki bentuk yang berbeda berdasarkan frekuensi kerja dan ukurannya masing-masing sesuai dengan fungsinya. Ilmu pengetahuan mengenai antena masih perlu dikembangkan untuk aplikasi-aplikasi komunikasi, khususnya di Indonesia. Salah satu contoh antena yang perlu dikembangkan adalah antena mikrostrip. Pada saat sekarang ini, industri antena terus menerus berkembang. Berbagai macam antena dikembangkan untuk memenuhi tuntutan teknologi komunikasi yang semakin maju. Salah satu jenis antena tersebut adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip ini merupakan antena yang memiliki masa ringan, ukuranya kecil, biaya produksinya lebih murah dan mampu memberikan unjuk kerja yang cukup baik. Hal tersebut merupakan alasan pemilihan antena mikrostrip digunakan dalam berbagai macam aplikasi, GPS, LAN, imax dan yang lainya. Secara umum antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian, yaitu patch, substrat, dan ground plane. Patch terletak di atas substrat, sementara ground plane terletak pada bagian paling bawah. Substrat sendiri merupakan material antara patch dan ground plane. Terdapat banyak substrat dengan nilai konstanta dielektrik yang berbeda, dan perbedaan konstanta dielektrik

2 tersebut akan mempengaruhi kinerja dari suatu antena mikrostrip yang dibuat. Dengan dasar pemikiran di atas maka penulis bermaksud membuat suatu program simulasi yang dapatmembantu menganalisis karakteristik antena mikrostrip bidang segiempat tunggal dengan varian bahan subtract, frekuensi kerja dan ketebalan substrat menggunakan bantuan bahasa pemrograman Matlab. 1. Tujuan Tujuan dari pembuatan Tugas Akhir ini adalah membuat simulasi antena meliputi variabel frekuensi, jenis substrat, dan tebal substrat dan pengaruhnya terhadap ukuran/dimensi dan karakteristik antena mikrostrip bidang segiempat tunggal. 1.3 Batasan Masalah Dalam pembuatan tugas akhir ini akan diberikan batasanbatasan permasalahan antara lain sebagai berikut: 1. Bentuk antena mikrostrip yang dianalisis adalah antena mikrostrip bidang segiempat tunggal.. Bahan substrat yang digunakan Bakelite, FR4 Glass Epoxy, RO4003, Taconic TLC, dan RT Duroid. 3. Parameter keluaran yang dibahas adalah dimensi, efisiensi, perolehan (gain) direktivitas dan impedansi karakteristik. 4. Tidak membahas tentang teknik pencatuan dan rugi-rugi pada saluran mikrostrip. 5. Tidak membahas tentang penurunan rumus. 6. Simulasi antena dibuat dengan bahasa pemrograman Matlab R011a.. LANDASAN TEORI.1 Konsep Dasar Antena Menurut The IEEE Standard Definitions of Terms for Antenas (IEEE Std ), definisi antena adalah suatu bagian dari sistem telekomunikasi nirkabel yang digunakan untuk memancarkan atau menerima gelombang radio. Berdasarkan definisi tersebut dapat disimpulkan bahwa antena dapat berfungsi sebagai penerima maupun pemancar yang merupakan medium perantara antara gelombang terpandu dengan gelombang bebas. Gelombang terpandu adalah gelombang dengan sedikit rugi-rugi dalam saluran transmisi, sedangkan gelombang ruang hampa adalah gelombang yang dipancarkan ke ruang bebas sehingga membentuk lapisanlapisan. Gelombang terpandu yang mengalir sepanjang saluran transmisi, diradiasikan menjadi gelombang ruang hampa. Daerah transisi antara gelombang terpandu dan gelombang ruang hampa dapat disebut antena. Gambar 1. Konsep dasar antena Constantine A. Balanis, dalam buku Antena Theory Analisis Design menjelaskan ada beberapa jenis antena, yaitu : 1. Antena Kabel (ire Antena); seperti monopole, dipole, loop dan lain lainnya.. Antena Celah (Aperture Antena); seperti Sectoral Horn, Piramidal Horn, Slot dan lainnya. 3. Antena Pantul (Reflector Antena); Parabolic dish, corner reflector dan lain-lainnya. 4. Antena Lensa. 5. Antena Mikrostrip. 6. Antena Susun (array).. Antena Mikrostrip Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu mikro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil. Dalam bentuknya yang paling dasar, sebuah antena mikrostrip terdiri dari sebuah bidang (patch) memancar di salah satu sisi lapisan (substrat) dielektrik yang memiliki bidang dasar (ground plane) di sisi lain seperti yang ditunjukkan pada gambar. Gambar Struktur bidang antena mikrostrip

3 .3 Keuntungan dan Kekurangan Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip adalah: 1. Mempunyai masa yang ringan dan ukurannya yang kecil. Bentuknya yang low profile sehingga dapat disesuaikan dengan perangkat utamanya. 3. Biaya fabrikasi yang murah sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar. 4. Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave integrated circuits (MICs) 5. Mekanik kuat ketika dipasang pada permukaan kaku Beberapa kekurangan antena mikrostrip yaitu: 1. Lebar pita yang sempit. yang rendah 3. Penguatan yang rendah 4. Memiliki rugi-rugi hambatan (ohmic loss) pada pencatuan antena array 5. Memiliki daya (power) yang rendah.4 Bahan Substrat Bahan substrat adalah bahan yang berada antara dua konduktor dalam saluran mikrostrip. Terdapat banyak bahan substrat dengan karakteristik masing-masing yang berbeda. Dalam hal ini diberikan 5 jenis bahan substrat yaitu Bakelite, FR4 Glass Epoxy, RO4003, Taconic TLC, dan RT Duroid. Setiap bahan substrat memiliki nilai konstanta dielektrik yang berbeda dengan yang lain. Nilai konstanta dielektrik (Ԑ r) dari ke-5 bahan substrat tersebut ditunjukan pada tabel 1. Tabel 1 Nilai konstanta dielektrik (Ԑr) bahan substrat Bahan Substrat Bakelite 4.7 FR4 Glass Epoxy 4.36 RO Taconic TLC 3. RT Duroid. Konstanta Dielektrik.5 Antena Mikrostrip Patch Rectangular Model antena mikrostrip ini terdiri oleh dua celah lebar dan tinggi h, dipisahkan oleh saluran transmisi dengan panjang L Gambar 3. Bidang antena mikrostrip segiempat Dalam merancang bidang antena mikrostrip ini ada beberapa perhitungan yang perlu diketahui yaitu panjang (L) dan lebar (). Adapun langkah-langkah perhitungannya yaitu: a. Menghitung lebar bidang mikrostrip segiempat () = c (1) r 1 f 0 b. Menghitung konstanta dielektrik efektif (ε eff) 1/ ε reff = r 1 r 1 h 1 1 () c. Menghitung panjang efektif (L eff) L eff = c f reff 0 d. Menghitung perluasan panjang (ΔL) ΔL = 0,41h reff 0,3 0,64 h reff 0,5 0, h e. Menghitung panjang bidang mikrostrip rectangular (L) L = L eff - ΔL (5) karakteristik pada saluran mikrostrip untuk w/h, dinyatakan dengan Persamaan.9 [6] (3) (4) 119, ,416 ln h h 0 r Z 0,4516 ( ) ( 1) r w ( 1) w r r Impedeansi karakteristik pada saluran mikrostrip untuk w/h, dinyatakan dengan Persamaan.30 [6] 376,7 w r 1 r 1 w Z0 0,5 0,1645 1,4516 ln 0,94 ( ) r h r r h 1 (6) (7)

4 3. Perancangan Program Simulasi Tugas akhir ini bertujuan membuat simulasi antena mikrostrip bentuk segi empat menggunakan bahasa pemrograman MATLAB R011a. Diagram proses untuk perancangan simulasi menggunakan MATLAB secara menyeluruh dapat dilihat pada gambar 5. Mulai Program Simulasi Gambar 7 Tampilan program simulasi sebelum dijalankan T Lanjutkan? Selesai 3.1 Program Utama Y Masukan Frekuensi, Tinggi Substrat, pilih Substrat T Menampilkan Dimensi Antena (L &),,, Impednasi,, dan Pola Menghitung Dimensi Antena (L &),,, Impednasi,, dan Pola Tampilkan Hasil? Gambar 5 Diagram alir program Pada tahap awal pembuatan simulasi yaitu dengan menentukan tampilan program utama. Tampilan program utama ini dapat dilihat pada gambar 6 sebagai berikut: Y 4. Pengujian dan Analisis 4.1 Hasil Pengujian Variasi Bahan Substrat Jenis substrat mengacu pada bahan yang digunakan dalam pemilihan substrat, dimana bahan tersebut mempunyai konstanta dielektrik tertentu. Hubungan antara jenis substrat antena dengan dimensi antena, hambatan radiasi, efisiensi, gain, dan impedansi karakteristik mikrostrip dapat dilihat pada tabel Tabel Hasil pengujian variasi bahan substrat Jenis Substrat RT Duroid (εr=,) Taconic TLC (εr=3,) RO4003 (εr=3,4) FR4 Glass Epoxy (εr=4,36) Bakelite (εr=4,7) Efisiens i Karakteristi k Variasi Frekuensi Kerja Hubungan antara Frekuensi kerja mikrostrip dengan dimensi mikrostrip, hambatan radiasi, efisiensi, gain, dan impedansi karakteristik mikrostrip dapat dilihat pada tabel 3. Tabel 3 Hasil pengujian variasi frekuensi kerja Aplikasi Mikrostrip GPS (,5 GHz) Gambar 6 Tampilan awal program utama sebelum dijalankan 3. Program Simulasi Tahap selanjutnya yaitu merancang program utama simulasi menggunakan pemrograman MATLAB. Tampilan untuk program simulsai ditunjukkan pada gambar 7. imax (,3 GHz) LAN (,4GHz) Sistem Komunikasi ireless (3,35 GHz)

5 4.1.3 Variasi Ketebalan Susbtrat Hubungan antara Ketebalan substratmikrostrip dengan dimensi mikrostrip, hambatan radiasi, efisiensi, gain, dan impedansi karakteristik mikrostrip dapat dilihat pada tabel 4. Tabel 4 Hasil pengujian variasi ketebalan substrat Ketebalan substrat mm ,575 mm ,77 mm ,50 mm Analisis Hasil Pengujian 4.1 Hubungan antara Jenis Substrat Antena Mikrostrip dengan Mikrostrip dengan Dimensi Mikrostrip,,,, dan Mikrostrip Tabel 5 Pengaruh jenis substrat terhadap dimensi mikrostrip, hambatan radiasi, efisiensi, gain, dan impedansi karakteristik Jenis Substrat RT Duroid (εr=,) Taconic TLC (εr=3,) RO4003 (εr=3,4) FR4 Glass Epoxy (εr=4,36) Bakelite (εr=4,7) Berdasarkan tabel 5, dapat diketahui bahwa jenis substrat yang dipilih akan mempengaruhi panjang dan lebar mikrostrip, dimana semakin besar kontanta dielekrik, maka ukuran mikrostrip akan semakin kecil. Jenis substrat yang dipilih berpengaruh terhadap besar kecilnya gain mikrostrip, dimana semakin besar konstanta dielektrik yang dimiliki bhan substrat, maka gain mikrostrip akan semakin kecil. Jenis substrat yang dipilih juga berpengaruh terhadap impedansi karakteristik mikrostrip, dimana semakin besar kontanta dilektrik yang dimiliki bahan substrat, maka nilai impedansi karakteristiknya akan semakin kecil. Pengujian pada variasi bahan substrat dengan tingkat sebesar 6,757%. 4.. Hubungan antara Frekuensi Kerja Mikrostrip dengan Dimensi Mikrostrip,,,, dan Mikrostrip Tabel 6 Pengaruh frekuensi kerja terhadap dimensi mikrostrip, hambatan radiasi, efisiensi, gain, dan impedansi karakteristik Aplikasi Mikrostrip GPS (,5 GHz) imax (,3 GHz) LAN (,4GHz) Sistem Komunikasi ireless (3,35 GHz) Berdasarkan tabel 6, dapat diketahui bahwa frekuensi kerja yang digunakan akan mempengaruhi panjang dan lebar bidang mikrostrip, dimana semakin tinggi level frekuensi yang dipakai, maka ukuran bidang mikrostrip akan semakin kecil. Pemilihan level frekuensi kerja berpengaruh terhadap hambatan radiasi mikrostrip, dimana semakin tinggi level frekuensi yang digunakan, maka nilai hambatan radiasinya akan semakin kecil Pemilihan level frekuensi kerja berpengaruh terhadap impedansi karakteristik mikrostrip, dimana semakin besar level frekuensi yang dipakai, maka nilai impedansi karakteristiknya akan semakin besar. Pengujian pada variasi bahan substrat dengan tingkat sebesar 6,757%. 4.3 Hubungan antara Ketebalan Substrat Mikrostrip dengan Dimensi Mikrostrip,,,, dan Mikrostrip Tabel 7 Pengaruh frekuensi kerja terhadap dimensi mikrostrip, hambatan radiasi, efisiensi, gain, dan impedansi karakteristik Ketebalan substrat mm ,575 mm ,77 mm ,50 mm Berdasarkan tabel 7, dapat diketahui bahwa ketebalan substrat yang dipilh akan mempengaruhi panjang bidang mikrostrip, tetapi tidak berpengaruh pada lebar bidang mikrostrip, dimana semakin tinggi level frekuensi yang dipakai, maka ukuran mikrostrip akan semakin kecil.

6 Pemilihan ketebalan substrat berpengaruh terhadap hambatan radiasi mikrostrip, dimana semakin tebal substrat yang dipilih, maka nilai hambatan radiasinya akan semakin besar. Pemilihan ketebalan substrat berpengaruh terhadap efisiensi dan gain mikrostrip, dimana semakin tebal substrat yang dipilih, maka nilai efisiensi dan gain mikrostrip akan semakin besar. Pemilihan ketebalan substrat juga berpengaruh terhadap impedansi karakteristik mikrostrip, dimana semakin semakin tebal substrat yang dipilih, maka nilai impedansi karakteristiknya akan semakin besar. Pengujian pada variasi bahan substrat dengan tingkat sebesar 6,757%. 4.4 Perbandingan Hasil Program simulasi Dengan Software IE3D Hasil perbandingan antara simulasi program MATLAB dengan software IE3D akan ditampilkan pada tabel. Tabel Perbandingan dan antara simulasi menggunakan MATLAB dengan simulasi menggunakan software IE3D Jenis Substrat Frekuensi Kerja Variasi RT Duroid (εr=,) Taconic TLC (εr=3,) Simulasi MATLAB Simulasi IE3D RO4003 (εr=3,4) FR4 Glass Epoxy (εr=4,36) Bakelite (εr=4,7) GPS (,5 GHz) imax (,3 GHz) LAN (,4 GHz) Sistem Komunikasi ireless (3,35 GHz) mm seperti factor disipasi, yang dimasukkan dalam simulasi menggunakan software IE3D tidak dimasukkan dalam simulasi menggunakan MATLAB, sehingga hal ini mempengaruhi hasil simulasi. Perbedaan ini juga dikarenakan pada saat simulasi menggunakan MATLAB teknik pencatuan yang digunakan diabaikan, sedangkan dalam simulasi menggunakan software IE3D teknik pencatuan yang digunakan harus dimasukkan. 5 PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil pengujian dan analisis program simulasi antena mikrostrip segiempat dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu sebagai berikut: 1. Pengujian pada variasi frekuensi dengan bahan substrat dan ketebalan substrat yang sama menunjukkan ketika terjadi kenaikan frekuensi kerja 3,35%, maka terjadi penurunan ukuran panjang sebesar 4,479% dan penurunan ukuran lebar sebesar 3,35%.. Pengujian pada variasi bahan substrat dengan tingkat sebesar 6,757%. 3. Pengujian pada variasi ketebalan substrat dengan bahan substrat yang sama dan tingkat frekuensi kerja yang sama menunjukkan ketika terjadi penurunan nilai ketebalan substrat sebsar 4%, maka terjadi kenaukan ukuran panjang sebesar 49,017%, tetapi ukuran lebarnya tetap. 4. Kenaikan frekuensi sebesar 3,35% mempengaruhi kenaikan efisiensi sebesar 0,41366% dan gain sebesar 10,0646% 5. Kenaikan nilai konstanta dielektrik sebesar 53,9749% mempengaruhi penurunan efisiensi sebesar 0,0705% dan penurunan gain sebesar 9,445%. 6. Kenaikan nilai ketebalan substrat sebesar 4% mempengaruhi penurunan efisiensi sebesar 0,03967% dan penurunan gain sebesar 1,015%. 7. Bahan RT duroid memberikan hasil yang paling bagus, hali ini terlihat dari hasil efisiensi yang didapatkan sebesar % dan gain sebesar 14,3904 dbi. Ketebalan Substrat mm mm mm Mengacu pada tabel, terlihat adanya sedikit perbedaan antara hasil simulasi menggunakan program MATLAB dengan simulasi menggunakan software IE3D. Hal ini disebabkan oleh beberapa parameter pada karakteristik bahan substrat 5. Saran Adapun saran yang dapat diberikan untuk menjadi masukan pada penelitian selanjutnya adalah: 1. Program simulasi dapat dikembangkan dengan menambah parameter keluaran dari antena mikrostrip seperti seperti VSR, direktivitas.. Bentuk bidang antena dapat diganti dengan bentuk yang lain, seperti lingkaran, ellips.

7 DAFTAR PUSTAKA [1] Aditia, Rian, Antena Dipole Fractalkurva Koch tipe planar yang dapat bekerjapada pitafrekuensi UHF televise, Laporan Tugas Akhir Tekink Elektro UNDIP, Juni 011. [] Amritesh and singh, K. M., Design of Square Patch Microstrip Antena for Circular Polarization UsingIE3D Software,National Institute of Technology, Roulkela, 00. [3] Balanis, Constantine A, Antena Theory, John iley & Sons Inc., Kanada, [4] Balanis, Constantine A., Antena Theory Analysis and Design (3 rd Edition), John iley and Sons Incorporation, 005. [5] Christyono, Yuli, Materi kuliah Antena dan Propagasi, Teknik Elektro Undip. [6] Garg, R., Bhartia, P., Bahl, P. and Ittipiboon, A. Microstrip Antena Design Handbook, Artech House, Boston, London, 001. [7] James, J. R. and Hall, P. S., Handbook of Microstrip Antenas, nd ed., Peter Peregrinus Ltd., United Kingdom, London, 199. [] Khan, Anzar dan Rajesh Nema, Analysis of Five Different Dielectric Substrates on Microstrip Patch Antena, International Journal of Computer Applications (0975-7) Volume 55-No.1, Oktober 01. [9] Microstrip Patch Antena, pdf, Chapter 3. [10] Microstrip Patch Antena Design And Results, pdf, Chapter 4.. BIODATA M. Fuad Hasan lahir di Kebumen, 30 Desember 197. Mengawali pendidikan di TK Dharma anita Karang Tanjung, kemudian melanjutkan ke SD N 1 Karang Tanjung lulus tahun 000, kemudian melanjutkan ke SMP N 1 Kebumen lulus tahun 003, kemudian melanjutkan ke SMA N 1 Kebumen lulus pada tahun 006. Dari tahun 006 sampai saat ini masih menyelesaikan studi Strata-1 di Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro Semarang dengan mengambil konsentrasi Telekomunikasi. Menyetujui, Dosen Pembimbing I Darjat, S.T., M.T. NIP Dosen Pembimbing II Ajub Ajulian Zahra, S.T., M.T. NIP Semarang, 3 Agustus 013