STUDI PERBANDINGAN PARAMETER-PARAMETER PRIMER ANTENA MIKROSTRIP

Transkripsi

1 STUDI PERBANDINGAN PARAMETER-PARAMETER PRIMER ANTENA MIKROSTRIP Franklin T.Sianturi,Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA Abstrak Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya dalam sistem telekomunikasi.sehingga banyak diaplikasikan pada peralatan-peralatan telekomunikasi modren saat ini.untuk mendukung kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena. Parameterparameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisa suatu antena adalah Voltage Wave Standing Ratio (VSWR), dimensi antena (ukuran patch dan ukuran feed) dan gain (penguatan). Tulisan ini membahas perbandingan parameter-parameter primer antena mikrostrip yaitu ukuran patch, ukuran saluran pencatu, ukuran groundplane dan gain dengan menggunakan software VB (Visual Basic) dari antena mikrostrip patch rectangular, sirkular dan triagular. Dari hasil analisis diperoleh jika semakin kecil konstanta dielektrik maka ukuran patch, saluran pencatu, dan groundplane akan semakin besar. Hal ini dikarenakan ukuran patch, saluran pencatu dan groundplane berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik. Gain yang diperoleh pada antena mikrostrip patch regtangular adalah 5,989 dbi, antena mikrostrip patch sirkular adalah 2,610 dbi, antena mikrostrip patch triangular adalah 6,178 dbi. Kata Kunci: antena mikrostrip rectangular, segitiga, lingkaran 1. Pendahuluan Antena mikrostrip adalah salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modren saat ini. Hal ini disebabkan karena ukuran antena mikrostrip yang kecil dan beratnya yang ringan membuat jenis antena ini sederhana untuk dibuat dan mudah untuk diintegrasikan. Antena mikrostrip terdiri dari 3 komponen, yaitu patch peradiasi yang merupakan lapisan teratas, substrat yang menggunakan bahan dielektrik, dan groundplane yang merupakan bagian paling bawah. Bentuk dari patch antena mikrostrip yang paling banyak digunakan adalah segiempat(rectangular), segitiga sama sisi, dan lingkaran. 2. Antena Mikrostrip Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan),maka antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran yang sangat tipis/kecil. Gambar1 menunjukkan struktur dari sebuah antena mikrostrip [1]. Gambar 1.Struktur Dasar Antena Mikrostrip Secara umum antena mikrostrip terdiri dari patch, substrat dielektrik, dan groundplane. Patch terbuat dari logam konduktor seperti tembaga atau emas yang berfungsi sebagai pemancar (radiator). Patch dan saluran pencatu biasanya terletak di atas substrat.substrat terbuat dari bahan-bahan dielektrik yang biasanya mempunyai tinggi (h) antara 0,003 λ 0 0,05λ 0 [2]. Keuntungan dari antena mikrostrip adalah mempunyai bobot yang ringan dan volume yang kecil, konfigurasi yang low profile, biaya pabrikasi yang murah, mendukung polarisasi linier dan sirkular, kemampuan dalam dual frekuency dan triple frequenscy, dan tidak memerlukan catuan tambahan. Sedangkan kelemahan antena mikrostrip adalah bandwidth yang sempit, efisiensi yang rendah, penguatan yang rendah, memiliki daya yang rendah, dan timbulnya gelombang permukaan [3]. copyright DTE FT USU 30

2 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari 2.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat (Rectangular) Antena mikrostrip Patch rectangular merupakan konfigurasi yang paling banyak digunakan karena bentuknya yang paling sederhana dan memungkinkan dibaca secara analisa teoritik Ukuran Patch Untuk mencari ukuran patch antena microstrip (W dan L), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik ( ). Untuk mencari panjang dan lebar patch dapat digunakan Persamaan1[1]:....(1) Dimana : w = lebar patch = konstanta dielektrik C = kecepatan cahaya di ruang bebas ( 3x10 8 ) Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter L yang merupakan pertambahan panjang dari L ( L) dengan Persamaan 2[1]: ( ) ( )..(2) (konstanta dielektrik relative) dapat diketahui dengan Persamaan 3: ( ).(3) (panjang patch efektif) dapat diketahui dengan Persamaan 4:...(4) Sehingga dapat dicari panjang patch (L), yaitu dengan Persamaan 5: L = L eff 2 L......(5) Ukuran Saluran Pencatu Setelah menghitung panjang dan lebar dari patch untuk substrat yang telah diberikan, langkah selanjutnya adalah menentukan lebar saluran pencatu. Dimana besarnya lebar saluran pencatu (W) sangat mempengaruhi nilai panjangpencatu, dapat ditulis dengan Persamaan 6[1]:.....(6) Dan untuk lebar pencatu sangat dipengaruhi dengan tinggi bahan substrat dan jenis bahan substrat yang digunakan. Dapat ditulis dalam Persamaan7 [2]: Dimana, -....(7) Ukuran Groundplane, -...(8) Groundplane pada antena mikrostrip berfungsi untuk memisahkan antarasubstrate dielektrik dengan benda lain yang dapat mengganggu radiasi sinyal. Untuk menentukan lebar dan panjang groundplane dapat diketahui setelah mendapatkan lebar dan panjang patch antena seperti pada Persamaan 9:...(9) Dimana : Wg = lebar groundplane W = lebar patch antena = panjang gelombang Panjang groundplane diberikan oleh Persamaan 10:......(10) Dimana: Lg = Panjang groundplane L = panjang patch Lf = panjang pencatu Untuk mencari panjang gelombang dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 11:..(11) 2.2 Antena Mikrostrip Patch Sirkular (Lingkaran) Bentuk antena mikrostrip lainnya yang sering digunakan adalah bentuk patch sirkular, dimana hanya memerlukan satu jari-jari saja dalam perancangannya Ukuran Jari-jari PatchSirkular Untuk mencari ukuran patch antena microstrip sirkular(a), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik ( ). Didalam perancangan antena, nilai dari a yang diinginkan pada frekuensi kerja f r didapatkan dengan menggunakan Persamaan12 [4]:.....(12) copyright DTE FT USU 31

3 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Ukuran saluran pencatu Setelah mengetahui jari-jari lingkaran dari patch antena untuk substrat yang telah diberikan, langkah selanjutnya adalah menentukan lebar saluran pencatu. Lebar saluran pencatu diberikan pada Persamaan 13:....(13) Untuk menghitung panjang saluran pencatu dapat menggunakan Persamaan 14:......(14) Ukuran Groundplane Groundplane pada antena mikrostrip berfungsi untuk memisahkan antarasubstrate dielektrik dengan benda lain yang dapat mengganggu radiasi sinyal. Untuk menentukan lebar groundplane dapat diketahui dengan Persamaan 15:...(15) Dimana : Wg = lebar groundplane a = jari-jari patch antena = panjang gelombang Panjang groundplane dapat diberikan pada Persamaan 16:......(16) Dimana :Lg = Panjang groundplane Lf = panjang pencatu 2.3 Antena Mikrostrip Segitiga Antena mikrostrip patch segitiga memiliki keunggulan dibandingkan bentuk segi empatyaitu untuk menghasilkan karakeristik radiasi yang sama, luas yang dibutuhkan oleh bentuk segitiga lebih kecil dibandingkan degan luas yang dibutuhkan oleh bentuk segiempat. Disini hanya dibahas antena mikrostrip segitiga sama sisi ( ) Ukuran Patch Segitiga Untuk menentukan panjang sisi segitiga, Dapat ditentukan dengan Persamaan 17 :.....(17) Dimana : a = sisi patch c = cepat rambat cahaya ( 3x10 8 ) Ukuran Saluran Pencatu Setelah diperoleh panjang sisi segitiga dari patch untuk substrat yang telah diberikan, langkah selanjutnya adalah menentukan lebar saluran pencatu / feed line. Lebar saluran pencatu dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 18: Dengan, * (18) Untuk menghitung panjang saluran pencatu dapat menggunakan Persamaan 19: (19) Groundplane Untuk menentukan lebar dan panjang groundplane dapat diketahui setelah mendapatkan lebar dan panjang patch antena seperti pada Persamaan 20:.....(20) Dimana : Wg = lebar groundplane a = sisi patch antena Panjang groundplane diberikan oleh Persamaan 21:......(21) Dimana : Lg = panjang groundplane Lf = panjang pencatu 2.4 Parameter Antena Mikrostrip Untuk kerja (performance) dari suatu antena mikrostrip dapat diamati dari parameternya. Parameter antena mikrostrip yang akan dibahas adalah gain (penguatan) Gain (Penguatan) Gain adalah perbandingan antara intensitas radiasi suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropic yang menggunakan sumber daya masukan yang sama. Ada dua jenis parameter penguatan yaitu absolute gain didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic dan relative gain didefenisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga [6]. copyright DTE FT USU 32

4 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Gain dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 22:.(22) Keterangan : D total = directivity (keterarahan) total η = besar efisiensi antena mikrostrip yang digunakan biasanya berkisar 60% sampai 70%. Keterarahan dari sebuah antena didefenisikan sebagai perbandingan intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Keterarahan ini dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 23 [5]:....(23) Adapun cara lain untuk menghitung directivity single slot dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 24:....(24) Dimana nilai I 1 dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 25: (25) Setelah nilai directivity didapat maka nilai directivity susunnya dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 26:..(26) Setelah directivity ditentukan maka didapat nilai directivity total. Untuk menghitung besarnya directivity total dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 27:....(27) Dimana : D elemen = banyak elemen yang akandirancang 3. Perhitungan Antena Mikrostrip Perhitungan antena mikrostrip ini menggunakan frekuensi kerja 2,45 GHz (2,4 2,5 GHz). Hal ini berarti frekuensi resonansinya antara 2,4 2,5 GHz dengan frekuensi tengah 2,45 GHz. Frekuensi tengah 2,45 GHz ini yang akan menjadi parameter frekuensi kerja antena. Hasil perhitungan antena mikrostrip dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Perhitungan Antena Mikrostrip 4. Hasil Dan Analisis Perbandingan parameter-parameter primer antena mikrostrip patch rectangular, sirkular dan triangular disajikan dalam bentuk perancangan kalkulator (format exe ). Sebelum membuat perancangan kalkulaor terlebih dahulu dibuat Algoritma pemrograman yang digunakan untuk menghitung parameter primer antena mikrostrip yang akan ditampilkan dalam bahasa pemrograman visual basic. Algoritmaakan dibuat dalam bentuk flow chart. Flow chart antena mikrostrippatch rectangular dapat dilihat pada Gambar 2. Mulai Masukkan frekuensi kerja, konstanta dielektrik, tebal substrate dan impedansi antena panjang patch panjang pencatu Menghitung panjang dan lebar groundplane Menghitung parameter antena yaitu gain Tampilkan lebar dan panjang patch, lebar dan panjang pencatu,panjang dan lebar groundpland dan gain selesai Gambar 2.Flow Chart Kalkulator Antena Mikrostrip Patch Rectangular Flow chart antena mikrostrippatch lingkaran dapat dilihat pada Gambar 3. Mulai Masukkan frekuensi kerja, konstanta dielektrik, tebal substrate dan impedansi antena panjang patch panjang pencatu Menghitung panjang dan lebar groundplane Menghitung parameter antena yaitu gain Tampilkan lebar dan panjang patch, lebar dan panjang pencatu,panjang dan lebar groundpland dan gain selesai Gambar 3.Flow Chart Kalkulator Antena Mikrostrip Patch Lingkaran copyright DTE FT USU 33

5 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Flow chart antena mikrostrip patch segitiga sama sisi dapat dilihat pada Gambar 4. Mulai Masukkan frekuensi kerja, konstanta dielektrik, tebal substrate dan impedansi antena Menghitung Sisi patch Menghitung lebar saluran pencatu Menghitung panjang dan lebar groundplane Menghitung parameter antena yaitu gain Gambar 6.Hasil Pengujian Kalkulator Antena Mikrostrip Patch lingkaran Tampilkan lebar dan panjang patch, lebar dan panjang pencatu,panjang dan lebar groundpland dan gain selesai Gambar 4.Flow Chart Kalkulator Antena Mikrostrip Patch Segitiga Sama Sisi 4.1 Pengujian Kalkulator Antenna Mikrostrip Patch Rectangular Pengujian kalkulator dilakukan dengan memasukkan parameter-parameter input dari antena mikrostrip patch rectangular pada parameter masukan, kemudian di klik tombol hitung, maka akan diperoleh parameterparameter yang diinginkan pada hasil perhitungan. Hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar Pengujian Kalkulator Antenna Mikrostrip Patch Segitiga Hasil pengujian menunjukkan bahwa setelah parameter input dimasukkan kemudian di klik tombol hitung, maka akan diperoleh parameter-parameter output yang diinginkan. Hasil pengujiannya dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7.Hasil Pengujian Kalkulator Antena Mikrostrip PatchSegitiga Sama Sisi 4.4 Analisis Perbandingan Kontanta Dielektrik ( ε r ) Gambar 5.Hasil Pengujian Kalkulator Antena Mikrostrip Patchrectangular Dalam melakukan perancangan antena, penentuan jenis substrat sangat berpengaruh terhadap parameter-parameter antena. Pada Tabel 2 akan ditunjukkan perbandingan konstanta dielektrik. Tabel 2. Perbandingan Kontanta Dielektrik 4.2 Pengujian Kalkulator Antenna Mikrostrip Patch Lingkaran Hasil pengujian menunjukkan bahwa setelah parameter input dimasukkan kemudian di klik tombol hitung, maka akan diperoleh parameter-parameter output yang diinginkan. Hasil pengujiannya dapat dilihat pada Gambar 6. copyright DTE FT USU 34

6 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Dari Table 2 dapat dilihat bahwa bila semakin kecil konstanta dielektrik maka ukuran patch, saluran pencatu dan groundplane yang dibutuhkan akan semakin luas. Hal ini dikarenakan ukuran patch, saluran pencatu dan groundplane berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik. Penggunaan jenis substrat FR 4 Epoxy dapat meminimalisir penggunaan bahan. 4.5 Perbandingan Gain Antena Mikrostrip Patch Rectangular, Lingkaran dan Segitiga Besar gain dari hasil simulasi dan hasil perhitungan manual dari setiap antena ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3 Perbandingan Gain Antena Mikrostrip Patch Rectangular, Lingkaran dan Segitiga Berdasarkan hasil simulasi dengan kalkulator diperoleh gain yang paling besar pada antena mikrostrip patch segitiga sama sisi yaitu 6,179 dbi. Pada antena mikrostrip patch rectangular, gain yang didapat melalui perhitungan yaitu 6,03 dbi sedangkan pada simulasi kalkulator diperoleh gain sebesar 5,99 dbi. Selisih antara perhitungan dan simulasi kalkulator cukup kecil yaitu 0,04. Adanya perbedaan ini dikarenakan pembulatan angka yang dilakukan sehingga terjadi selisih 0,04 antara perhitungan dan simulasi melalui kalkulator. Perbedaan gain yang terjadi pada antena mikrostrip patch lingkaran dan segitiga sama dengan antena mikrostrip patch rectangular. 5. Kesimpulan Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari tulisan ini adalah sebagai berikut : 1. Bahasa pemrograman visual basic dapat digunakan untuk merancang kalkulator antena mikrostrip dalam menghitung parameter primer antena mikrostrip. 2. Untuk memperoleh hasil perhitungan antena mikrostrip, maka dibutuhkan parameter-parameter input, yaitu frekuensi kerja, konstanta dielektrik, ketebalan substrat cepat rambat cahaya dan impedansi masukan. 3. Kalkulator yang telah dirancang, dapat bekerja dengan baik setelah dilakukan pengujian dan lebih efisien dibandingkan dengan perhitungan secara manual. 4. Gain yang paling tinggi adalah pada antena mikrostrip patch Segitiga sama sisi yaitu 6.13 dbi. 5. Semakin kecil konstanta dielektrik maka ukuran patch, saluran pencatu dan groundplane yang dibutuhkan akan semakin luas. 6. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkanterima kasih kepada M. Sianturi dan T. Manurung selaku orang tua penulis, Ali Hanafiah Rambe, ST.MT selaku dosen pembimbing, juga Ir. M. Zulfin MT, Maksum Pinem ST.MT,yang sudah membimbing penulis dalam menyelesaikan paper ini, dan semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu persatu. 7. Daftar Pustaka [1] Garg Ramesh, 2000, Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, hal [2] Balanis, Constantine A, 2005, Antena Theory Analysis and Design, third edition, Willey inc, hal [3] James JR dan Hall PS, 1989, Handbook of Microstrip Antennas, first edition, Peter Peregrinus Ltd, hal 1 17 dan [4] Balemurli, Perancangan Antena Mikrostrip Patch Sirkular Untuk Aplikasi WLAN Menggunakan Simulator Ansoft HFSS v10. Medan : Universitas Sumatera Utara [5] Rambe, Ali hanafiah Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch segiempat plannar Array 4 Elemen Dengan Pencatuan Aperture Coupled Untuk Aplikasi CPE Pada WIMAX. Jakarta: Universitas Indonesia. [6] Surjati, Indra. Antena Mikrostrip : Konsep dan Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti, copyright DTE FT USU 35