Perancangan dan Unjuk Kerja Antena Mikrostrip Biquad Ganda pada Wireless Fidelity b

Transkripsi

1 PROPOSAL SKRIPSI Perancangan dan Unjuk Kerja Antena Mikrostrip Biquad Ganda pada Wireless Fidelity b Disusun oleh : Penalar Arif Budiman 07/252604/TK/32972 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO DAN TEKNOLOGI INFORMASI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA

2 2011 iv

3 PROPOSAL SKRIPSI Perancangan dan Unjuk Kerja Antena Double Biquad pada Wireless Fidelity b Diajukan oleh : Penalar Arif Budiman 07/252604/TK/32972 Telah disetujui Dosen Pembimbing I Drs. H.C. Yohannes NIP Tanggal : 19 Oktober Dosen Pembimbing II Ir. Wahyu Dewanto, M.T. NIP Tanggal : 19 Oktober 2011 i

4 Abstrak Hampir semua perangkat telekomunikasi membutuhkan antena, tidak terkecuali teknologi Wireless Fidelity (WiFi). Teknologi ini memiliki berbagai macam aplikasi yang berkaitan dengan jaringan lokal maupun internet. Sayangnya, jangkauan antena WiFi ini hanya berkisar pada jarak meter. Untuk itu, pada penelitian ini akan dibahas mengenai perancangan dan unjuk kerja salah satu antena yang dapat dipergunakan untuk aplikasi WiFi. Antena yang digunakan adalah Antena Mikrostrip Biquad Ganda dengan frekuensi 2,4 GHz. Antena ini merupakan kombinasi dari dua jenis antena, yaitu Antena Mikrostrip dan Antena Biquad Ganda. Metode yang digunakan dalam penelitian ini meliputi perancangan dimensi antena menggunakan software simulator, realisasi Antena Mikrostrip Biquad Ganda, karakterisasi antena sampai menemukan hasil yang diinginkan, pengukuran parameter antena, dan analisis hasil pengukuran dengan menggunakan metode analisis Saluran Transmisi. Antena ini diharapkan dapat memberikan solusi alternatif untuk mendapatkan sebuah antena dengan parameter yang kita inginkan. Parameter tersebut meliputi lebar pita, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), Return Loss, Polarisasi, Perarahan (Directivity), Penguatan (Gain) dan besar jangkauan antena. ii

5 DAFTAR ISI ABSTRAK...II DAFTAR ISI...III BAB I Perumusan Masalah Manfaat dan Tujuan Penelitian... 2 BAB II Konsep dasar Antena Mikrostrip Pengertian Wireless Fidelity (WiFi) Metode Analisis Saluran Transmisi Parameter Umum Antena Mikrostrip Lebar pita Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) Return Loss Polarisasi Perarahan (Directivity) Penguatan (Gain) Teknik Pencatuan Aperture Coupled BAB III Sumber data Alat yang digunakan Diagram alir penelitian BAB IV...17 DAFTAR PUSTAKA...18 iii

6 BAB I LATAR BELAKANG 1.1 Perumusan Masalah Perkembangan teknologi komunikasi saat ini sudah sampai pada tahap komunikasi nirkabel. Oleh karena itu, di masa kini kita membutuhkan suatu perangkat untuk mengubah sinyal listrik menjadi gelombang elektromagnetik atau sebaliknya. Alat tersebut adalah antena. Hampir semua teknologi komunikasi menggunakan antena. Tidak terkecuali untuk komunikasi wireless b atau yang biasa kita kenal dengan Wireless Fidelity (WiFi). Antena yang akan dibahas di sini adalah Antena Mikrostrip Biquad Ganda. Antena mikrostrip digunakan di sini karena proses pembuatannya cukup mudah dan bahannya mudah didapat. Tetapi, antena ini memiliki kekurangan yaitu penguatannya sangat kecil, yaitu sekitar 6 dbi. Selain itu, antena ini mempunyai lebar pita yang kecil. Gambar 1. Antena Mikrostrip Biquad Ganda 1

7 Untuk memperbesar gain dan lebar pita, maka antena mikrostrip akan dibuat berganda dan berbentuk Biquad sehingga menjadi antena Mikrostrip Biquad Ganda. Dengan melakukan hal ini, diharapkan gain dapat bertambah sehingga akan didapatkan antena dengan penguatan yang lebih baik. 1.2 Manfaat dan Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk membuat sebuah susunan Antena Mikrostrip Biquad Ganda untuk aplikasi wifi, yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz. Pada antena tersebut juga akan dilakukan pengukuran parameter Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), Return Loss (RL), lebar pita, Penguatan (Gain), dan perarahan gelombang. Dengan demikian,kita bisa mendapatkan spesifikasi antena yang sesuai dengan yang diharapkan. Seperti yang kita ketahui, bahwa jangkauan antena wifi hanya berkisar sekitar 100 meter. Akan tetapi, dengan menggunakan antena tambahan berupa antena mikrostrip Double Biquad, kisaran jangkauan dan lebar pita bisa diubah menjadi lebih besar sehingga dapat melayani lebih banyak user. 2

8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 Konsep dasar Antena Mikrostrip Perkembangan dari teknologi Antena Mikrostrip diawali dengan perkembangan teknologi struktur pemandu Gelombang Mikrostrip (Microstrip Lines). Pemandu Gelombang Mikrostrip secara sederhana bisa kita sejajarkan dengan rangkaian pada Printed Circuit Board (PCB) yang biasa kita temukan pada elektronika berfrekuensi rendah, yaitu berupa plat yang terletak di atas suatu substrat yang terbuat dari material dielektrika. Lajur-lajur pipih ini dihasilkan dengan proses etching. Keuntungan pemandu gelombang mikrostrip dibandingkan dengan waveguide biasa adalah bentuknya yang mudah dan murah untuk diproduksi secara massal. Hal tersebut ditambah dengan ketebalan substratnya yang hanya mempunyai besaran milimeter memudahkan antena ini untuk dipergunakan di segala tempat. [1] Antena mikrostrip tersusun atas 3 elemen yaitu: a. Elemen peradiasi (radiator), b. Elemen substrat (substrate), dan c. Elemen pentanahan (ground), seperti ditunjukkan pada gambar 1. 3

9 Gambar 2. Susunan Elemen Antena Mikrostrip Elemen peradiasi (radiator) atau biasa disebut sebagai patch, berfungsi untuk meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Jenis logam yang biasanya digunakan adalah tembaga (copper) dengan konduktivitas 5,8 x 10 7 S/m. Berdasarkan bentuknya bentuknya, patch memiliki jenis yang bermacam-macam diantaranya bujur sangkar (square), persegi panjang (rectangular), garis tipis (dipole), lingkaran, elips, segitiga, dll. Elemen substrat (substrate) berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan. Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik rdan ketebalannya. Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi kerja, lebar pita, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat. Ketebalan substrat jauh lebih besar daripada ketebalan konduktor metal peradiasi. Semakin tebal substrat maka lebar pita akan semakin meningkat, tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave). Gelombang permukaan pada antena mikrostrip merupakan efek yang merugikan karena akan mengurangi sebagian daya 4

10 yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke arah yang diinginkan. Sedangkan elemen pentanahan (ground) berfungsi sebagai pembumian bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga. Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan antena lainnya, seperti secara fisik antena mikrostrip lebih tipis, lebih kecil, dan lebih ringan, biaya pabrikasi yang murah, dapat dilakukan polarisasi linear dan lingkaran dengan pencatuan yang sederhana, dan sebagainya. Tetapi, antenna mikrostrip juga memiliki keterbatasan dibandingkan dengan antena lainnya, diantaranya memiliki lebar pita yang sempit, gain yang rendah, dan memiliki efek gelombang permukaan (surface wave). Karena memiliki bentuk dan ukuran yang ringkas, antena mikrostrip sangat berpotensi untuk digunakan pada berbagai macam aplikasi yang membutuhkan spesifikasi antena yang berdimensi kecil, dapat mudah dibawa (portable) dan dapat diintegrasikan dengan rangkaian elektronik lainnya (seperti IC, rangkaian aktif, dan rangkaian pasif). Antena mikrostrip telah banyak mengalami pengembangan sehingga mampu diaplikasikan pada berbagai kegunaan seperti komunikasi satelit militer, aplikasi bergerak (mobile), kesehatan, dan komunikasi radar kegunaan seperti komunikasi satelit, militer, aplikasi bergerak (mobile), kesehatan, dan komunikasi radar 5

11 2.2 Pengertian Wireless Fidelity (WiFi) WiFi merupakan singkatan dari Wireless Fidelity, yaitu sekumpulan standar yang digunakan untuk Jaringan Lokal Nirkabel (Wireless Local Area Networks). Standar ini didasari pada spesifikasi IEEE Fungsinya untuk menghubungkan jaringan dalam satu area lokal secara nirkabel.[2] Awalnya WiFi digunakan untuk penggunaan perangkat nirkabel dan jaringan area lokal (LAN), namun saat ini lebih banyak digunakan untuk mengakses internet. Hal ini memungkinkan seseorang dengan komputer dengan kartu nirkabel (wireless card) atau personal digital assistant (PDA) untuk terhubung dengan internet dengan menggunakan titik akses (hotspot) terdekat. Teknologi internet berbasis WiFi dibuat dan dikembangkan sekelompok insinyur Amerika Serikat yang bekerja pada Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) berdasarkan standar teknis perangkat bernomor b, a dan Perangkat WiFi sebenarnya tidak hanya mampu bekerja di jaringan WLAN, tetapi juga di jaringan Wireless Metropolitan Area Network (WMAN). Karena perangkat dengan standar teknis b diperuntukkan bagi perangkat WLAN yang digunakan di frekuensi 2,4 GHz atau yang lazim disebut frekuensi ISM (Industrial, Scientific dan Medical). Sedang untuk perangkat yang berstandar teknis a dan diperuntukkan bagi perangkat WMAN atau juga disebut Wi-Max, yang bekerja di sekitar pita frekuensi 5 GHz. 6

12 WiFi dirancang berdasarkan spesifikasi IEEE Sekarang ini ada empat variasi dari , yaitu: a b g n Tabel 1. Spesifikasi dari Varian WiFi 2.3 Metode Analisis Saluran Transmisi Untuk dapat menganalisis sebuah antena mikrostrip, maka diperlukan sebuah pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena ke dalam sebuah kondisi persamaan yang dapat dianalisis secara akurat. Berbagai pemodelan untuk antena mikrostrip tersebut telah banyak dikembangkan dan satu diantaranya yang populer adalah model Saluran Transmisi Metode analisis ini menggunakan prinsip bahwa medan listrik menyebar dan menciptakan limpahan medan disepanjang tepian patch dan merambat di sepanjang 7

13 patch hingga mencapai ujung. Komponen medan listrik yang sejajar dengan ground plane sefasa, sehingga akan memberikan radiasi maksimum pada arah medan jauh (broadside). Sedangkan komponen medan listrik pada arah normal berlawanan fasa, sehingga akan saling menghilangkan. Ilustrasi dari metode ini ditunjukkan oleh gambar 2.5 berikut. Gambar 2.3. Antena mikrostrip dengan efek fringing field. Limpahan medan pada patch dapat dianalogikan sebagai dua slot ekivalen tipis dengan lebar mendekati besar medan limpahan yang berada disepanjang W dan tegak lurus terhadap saluran mikrostrip. 2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip Unjuk kerja (performance) dari suatu antena mikrostrip dapat diamati dari parameternya. Beberapa parameter utama dari sebuah antena mikrostrip akan dijelaskan sebagai berikut. 8

14 2.4.1 Lebar pita Lebar pita suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti lebar pita, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar. [5] Ada beberapa jenis lebar pita di antaranya: a. Impedance Bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antenna berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing-masing adalah bernilai kurang dari -9,54 db dan 2. b. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana beamwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai lebar pita dapat dicari. c. Polarization atau axial ratio lebar pita adalah rentang frekuensi di mana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 db Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing 9

15 wave) maksimum ( V max) dengan minimum ( V min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0 + ) dan tegangan yang direfleksikan (V0 - ). perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah VSWR=2. Sedangkan pada penelitian ini, nilai VSWR yang diharapkan adalah 1,5 untuk memenuhi spesifikasi teknis aplikasi WiFi 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 + ). Return Loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi Dengan menggunakan nilai VSWR 1,5 maka diperoleh nilai return loss yang dibutuhkan adalah di bawah -14 db. Dengan nilai ini, dapat dikatakan bahwa nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah dapat dianggap matching. Nilai parameter ini dapat menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah 10

16 antena sudah mampu bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak Polarisasi Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitude vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antenna pada suatu arah tertentu. Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips). Polarisasi linier terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vector medan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. Hal ini dapat terjadi jika vektor elektrik maupun vector magnet memenuhi : a. Hanya ada satu komponen, atau b. 2 komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau atau kelipatannya Polarisasi melingkar terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik atau medan magnet pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai jenis polarisasi ini adalah : a. Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier b. Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama 11

17 c. Kedua komponen tersebut harus memiliki perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular Polarization (LHCP) dan Right Hand Circular Polarization (RHCP). Polarisasi elips terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan elektrik atau magnet berada pada jalur kedudukan elips pada ruang. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mendapatkan polarisasi ini adalah : a. Medan harus mempunyai dua komponen linier orthogonal b. Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau berbeda c. Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama, perbedaan fasa waktu antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 0 0 atau kelipatan (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitud yang sama maka perbedaan fasa di antara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 90 0 (karena akan menjadi lingkaran) Perarahan (Directivity) Perarahan dari sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan (rasio) rapat daya antenna tersebut dengan nilai rata-rata dari sebuah selubung di suatu medan jauh (far-field) antena acuan. Dengan kata lain: 12

18 .[3] Penguatan (Gain) Gain pada suatu antenna diartikan dengan perbandingan logaritmik antara daya pada suatu titik dari antena tertentu dengan daya pada titik tersebut dari antena referensi seperti antena dipol ½ lambda Misalnya daya suatu antenna pada suatu titik sebesar P a, sedangkan daya antenna dipol ½ lambda di tempat itu sebesar P d, maka gain antenna tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut: Gain = 10 Log P d /P a db 2.5 Teknik Pencatuan Aperture Coupled Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Terdapat berbagai konfigurasi teknik yang telah dikembangkan yang masing-masingnya tentu memiliki kelebihan dan kekurangan. Salah satu teknik yang populer, sederhana dan mudah dipabrikasi adalah teknik line feed, tetapi teknik ini menghasilkan lebar pita yang tidak lebar (biasanya 2-5%). Untuk kebutuhan mendapatkan lebar pita yang lebar, salah satu teknik yang dapat digunakan adalah dengan teknik pencatuan aperture coupled.[5] Pada konfigurasi teknik pencatuan aperture coupled, pengkopelan dari saluran pencatu (feed-line) ke patch, begitu juga dengan tinggi substrat yang 13

19 digunakan, dapat bervariasi dengan susunan yang berlapis-lapis (multilayer). Umumnya slot aperture tersebut ditempatkan di bawah patch. BAB III METODOLOGI Penelitian ini akan dimulai dengan kajian terhadap literatur yang telah ada sebelumnya, menelaah beberapa pendapat ahli-ahli, dan mencari tahu bagaimana Antena Mikrostrip bekerja. Studi tersebut juga mencakup pemahaman tentang karakteristik antena Mikrostrip, Antena Biquad, dan gabungan antara keduanya. Penelitian ini membahas mengenai hasil penggabungan dari dua jenis antena, yaitu antena Biquad yang biasa digunakan untuk wifi, dan antena mikrostrip yang memiliki keunggulan pada bentuknya yang simpel dan mudah dibuat. Oleh karena itu, sebelum melakukan penelitian ini, terlebih dahulu harus dilakukan studi yang mendalam mengenai kedua jenis antena tersebut. 3.1Sumber data Sumber data yang kami gunakan di sini ada beberapa, yaitu: 1. Studi literatur menggunakan buku yang digunakan untuk kuliah di Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Universitas Gadjah Mada 14

20 2. Pengujian dengan menggunakan peralatan yang ada di laboratorium, baik di dalam, maupun di luar gedung jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Universitas Gadjah Mada 3. Pengujian lapangan untuk melihat jangkauan dari antena. 3.2Alat yang digunakan Adapun alat yang akan digunakan dalam penelitian ini antara lain: 1. Network Analyzer Advantest R3770 Perangkat ini bekerja pada frekuensi 300 khz 20 GHz dan digunakan untuk mengukur frekuensi resonans, VSWR, return loss, bandwidth, dan impedansi masukan. [4] 2. Spectrum Analyzer Hewlett Packard 8563E Perangkat ini bekerja pada frekuensi 30 Hz 26.5 GHz dan berfungsi untuk melihat aras daya keluaran antena. Alat ini digunakan saat melakukan pengukuran gain, pola radiasi dan polarisasi antena. [4] 3. Hewlett Packard Signal generator C Perangkat ini bekerja pada frekuensi GHz dan digunakan untuk membangkitkan sinyal keluaran pada fekuensi yang diinginkan. [4] 4. Rotator Perangkat ini berfungsi sebagai tempat penempatan antena agar antena dapat diputar sejauh [4] 15

21 3.3Diagram alir penelitian Kajian Pustaka Perancangan Antena Double Microstrip Biquad Pembuatan Antena Double Microstrip Biquad Karakterisasi Antena Dengan Network Analyzer Sesuai Spesifikasi Pengukuran Pola Radiasi Analisis Data Kesimpulan 16

22 BAB IV JADWAL PENELITIAN Penelitian direncanakan akan dilaksanakan selama enam bulan. Rincian rencana jadwal penelitian dicantumkan dalam Tabel 2. Tabel 2. Jadwal penelitian. No. Keterangan 1. Studi literatur 2. Pengadaan bahan-bahan 3. Perancangan antenna 4. Pengambilan data 5. Analisis data 6. Evaluasi dan perbaikan antenna 7. Penulisan Laporan Bulan

23 DAFTAR PUSTAKA [1] Alaydrus, Mudrik, Antena Prinsip dan Aplikasi, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2011 [2] Andini, Sarah S., dkk. IEEE g. Paper Ilmiah. Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi FT UGM. Tidak dipublikasikan. [3] John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, Antennas for All Applications, McGraw-Hill, Inc, [4] Philip S. (2006). Perancangan dan Realisasi Antena Mikrostrip Rectangular Patch untuk Frekuensi 3,5 GHz, Skripsi S1, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi FT UGM. Tidak Dipublikasikan. [5] Rahmad, Taufik. Rancang bangun Antena Biquad Mikrostrip untuk Aplikasi WiMAX. Skripsi S1. Fakultas Teknik Program Teknik Elektro. UI Library: