RANCANG BANGUN ANTENA HORN PYRAMIDAL PADA FREKUENSI S-BAND. Oleh Triloka Mahesti NIM:

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN ANTENA HORN PYRAMIDAL PADA FREKUENSI S-BAND Oleh Triloka Mahesti NIM: Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga April 2016

2

3

4

5

6

7 INTISARI Perangkat komunikasi nirkabel bekerja pada frekuensi microwave yang memiliki alokasi band frekuensi sesuai standar IEEE. S-Band merupakan salah satu band frekuensi microwave dengan rentang 2 GHz 4 GHz yang banyak digunakan perangkat komunikasi nirkabel sebagai frekuensi kerja seperti bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, GPS, dan radar cuaca. Salah satu komponen penting pada sistem komunikasi nirkabel adalah antena dengan kinerja yang baik agar proses transmisi data berlangsung dengan lancar. Untuk mengetahui kinerja antena, perlu dilakukan pengukuran parameter antena yang membutuhkan sebuah antena referensi. Antena referensi dengan bandwidth yang lebar sangat dibutuhkan agar dapat mencakup banyak frekuensi kerja. Untuk itu antena horn merupakan antena yang tepat sebagai antena referensi. Pada skripsi ini dirancang antena horn pyramidal yang memiliki bandwidth sebesar 2 GHz sepanjang frekuensi S-Band dengan VSWR 2, dan mempunyai gain minimal 15 db. Untuk memenuhi bandwidth antena, dilakukan perubahan pada dimensi antena horn pyramidal yaitu perubahan dimensi monopole, tinggi monopole, jarak monopole dan luas waveguide. Simulasi antena dilakukan menggunakan software CST Microwave Studio. Dari hasil pengukuran antena yang telah dirancang dan difabrikasi, antena horn pyramidal mampu bekerja pada rentang frekuensi S-Band (2 GHz - 4 GHz) dengan bandwidth sebesar 2 GHz. Antena horn pyramidal memiliki VSWR 2 dan mempunyai gain 19,75 db. Pola radiasi hasil pengukuran antena horn pyramidal adalah direksional dengan beamwidth yang berarti dapat menerima gelombang elektromagnetik lebih efektif pada arah tertentu. i

8 ABSTRACT Wireless communication devices work on microwave frequencies that have an allocation bands frequency according to the IEEE standard. S-Band is one of the microwave band frequencies with a range of 2 GHz - 4 GHz which are widely used by wireless communication devices as the working frequency such as bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, GPS, and weather radar. One of the important components in a wireless communication system is the antenna with a good performance in order to make the data transmission process run smoothly. To determine the antenna performance, antenna parameter measurement is need to be done, which also requires a reference antenna. Reference antenna with a wide bandwidth is needed in order to cover a lot of the working frequency. Thus, Horn antenna is the suitable one as the reference antenna. In this thesis, a pyramidal horn antenna which has a bandwidth of 2 GHz along the S-Band frequency with VSWR 2, and which has a minimum gain of 15 db is designed. In order to meet the bandwidth antenna, a change on the pyramidal horn antenna dimension is done which are the change of the monopole s dimension, the monopole s height, the monopole s distance and the waveguide s width. The antenna simulation was done using the CST Microwave Studio software. From the designed and fabricated antenna measurement, the pyramidal horn antenna can work on the S-Band frequency range (2 GHz - 4 GHz) with a bandwidth of 2 GHz. The pyramidal horn antenna has a VSWR 2 and has a gain of db. The radiation pattern from the pyramidal horn antenna measurement s result is directional with the beamwidth ± 25 which means that it can receive the electromagnetic waves more effective in a particular direction. ii

9 KATA PENGANTAR Segala pujian, hormat dan sembah syukur penulis ucapkan kepada Allah Bapa yang Maha Mulia dan Anak Tunggal-Nya Yesus Kristus untuk berkat, kekuatan, pengharapan dan kasih setia-nya yang selalu mengalir di kehidupan penulis sehingga saat ini penulis dapat menyelesaikan perancangan serta penulisan tugas akhir sebagai syarat kelulusan di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini : 1. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang telah memberikan waktunya dan dengan sabar membimbing, memberi masukan dan dukungan kepada penulis selama mengerjakan skripsi. 2. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M. T. selaku pembimbing II atas motivasi, bimbingan dan saran yang telah diberikan kepada penulis. 3. Bapak Yuyu, Bapak Hendra, Bapak Yusi, Ibu Sri, Pak Yudi dan semua pegawai PPET-LIPI Bandung yang telah membantu penulis selama melaksanakan kerja praktek dan selama proses pengukuran antena. 4. Sahabat dalam berbagi kasih Kakak Face Roza Marchiano yang selalu mendukung dalam doa dan kasih sayang selama perkuliahan sampai penulis menyelesaikan skripsi. 5. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Ariesta chicken nuget, Mbak Jolanda Vera, Mbak Ragil, Mas Tiyon dan Pak Bambang yang telah membantu selama proses perkuliahan. 6. Sendja Koffie and the genk Mas Echi, Mas Oecilz, Mas Chong, Mas Erfix, Mas Capcay warung ijo, partner siaran merangkap penasehat tersayang Mba Gita, Chika, Mas Hudhud FrameCoffee yang setia menjadi kakak, sahabat dan tempat peraduan ketika gundah gulana menghampiri. 7. Teman ciwi-ciwi seperjuangan selama hidup dan berkuliah di elektro, Hanna, Bela, Enggar Bombay, dan Fitri. iii

10 8. Keluarga besar FTEK 2011 yang telah banyak membantu dan mendukung penulis selama perkuliahan di FTEK. Terimakasih untuk piknik-piknik bersama yang telah kita lalui dan semoga sukacita selalu bersama kalian. 9. Keluarga besar XT Radio, kontrakan Jambewangi 2011, Cafe Rindang, Brandals yang menemani penulis bersenang-senang selama masa perkuliahan. 10. Sahabat-sahabatku terkasih Wira, Bakti, Inggrid, Getsu, Ika, Sutra, Bang Said, Dewi Epick, Januar Tung, Ning. 11. And now, last but not least, keluarga terkasih di rumah. Mbak Santi yang memberi kasih sayang melalui nasihat, parfum, baju dan traktiran jajan. Mas Aji yang jaim tapi sangat peduli dengan adik satu-satunya. Dedek Vicky yang selalu merindukan penulis menginap di rumahnya. Mas Indra, Mbak Yenny, Dinda, Dimas, Pak Pri, Bulek Titik, De Mah dan semua keluarga besar penulis. 12. Untuk Ibuku terkasih, sebagai saluran kasih Allah, yang saat ini menjadi panutan satu-satunya dalam keluarga, sumber kekuatan dari setiap perjuanganku, yang tak pernah pudar kasih dan doanya untuk penulis. Terimakasih untuk 22 tahun yang luar biasa untuk kehidupan penulis. 13. Untuk Bapak yang saat ini telah berada dalam lingkup kasih Allah di Surga, terimakasih untuk pengajaran selama penulis melangkah dan skripsi ini merupakan salah satu hasil jerih payah dari bapak. Semoga Bapak damai di Surga. Terimakasih sekali lagi penulis ucapkan atas bantuan yang telah diberikan semua pihak kepada penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu, semoga Tuhan selalu melimpahkan sukacita kepada anda semua. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik telekomunikasi. Semoga skripsi ini menjadi berkat bagi setiap pembaca. Tuhan Memberkati. Salatiga, April 2016 Penulis iv

11 DAFTAR ISI INTISARI... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR SIMBOL... xii BAB I PENDAHULUAN Tujuan Latar Belakang Spesifikasi Alat Sistematika Penulisan... 3 BAB II DASAR TEORI S-Band Antena Antena Horn Pyramidal Waveguide Rectangular Parameter Umum Antena Horn Pyramidal Impedansi Masukan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) Return Loss Bandwidth Keterarahan (Directivity) Penguatan (Gain) Pola Radiasi Frekuensi Resonansi Beamwidth Antena Monopole Prosedur Pengukuran Antena Pengukuran Port Tunggal Pengukuran Pola Radiasi v

12 Pengukuran Gain BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI Peralatan yang Digunakan Perangkat Keras Perangkat Lunak Perancangan Dimensi Antena Horn Pyramidal Diagram Alir Perancangan Antena Horn Pyramidal Menentukan Karakteristik Antena Material Antena Perancangan Dimensi Antena Horn Pyramidal Perancangan Dimensi Monopole Simulasi Rancangan Karakterisasi Antena Horn Pyramidal Perubahan Diameter Monopole Perubahan Jarak Monopole Perubahan Tinggi Monopole Perubahan Luas Waveguide Hasil Simulasi Antena Horn Pyramidal BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS Hasil Pengukuran Parameter Antena Syarat Melakukan Pengukuran Alat Ukur Pengukuran Port Tunggal Hasil Pengukuran VSWR, Return Loss dan Impedansi Antena Horn Pyramidal Pengukuran Gain Hasil Pengukuran Gain Antena Horn Pyramidal Pengukuran Pola Radiasi Hasil Pengukuran Pola Radiasi Antena Horn Pyramidal Analisis Hasil Pengukuran Analisis Kesalahan Umum BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan vi

13 5.2. Saran DAFTAR PUSTAKA vii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Konfigurasi antena horn... 6 Gambar 2.2. Horn pyramidal... 7 Gambar 2.3. E-plane horn pyramidal... 7 Gambar 2.4. H-plane horn pyramidal... 8 Gambar 2.5.(a) Waveguide rectangular [7] Gambar 2.5.(b) Keadaan perbatasan medan listrik [7] Gambar 2.5.(c) Keadaaan perbatasan medan magnet [7] Gambar 2.6. Konfigurasi medan yang mungkin pada waveguide [7] Gambar 2.7.(a) Pembangkitan mode waveguide dari dua gelombang TEM [7] Gambar 2.7.(b) Geometri yang digunakan dalam menentukan sifat-sifat [7]...12 Gambar 2.8. Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth Gambar 2.9. Bidang pola radiasi antena Gambar Diagram radiasi antena antena direksional [2] Gambar Waveguide rectangular dan antena monopole Gambar Konfigurasi pengukuran port tunggal Gambar Konfigurasi pengukuran pola radiasi Gambar Konfigurasi pengukuran gain antena Gambar 3.1. Diagram alir perancangan antena horn pyramidal Gambar 3.2. Bentuk perancangan awal antena horn pyramidal pada CST Microwave Studio Gambar 3.3. Bentuk hasil perancangan awal antena horn pyramidal Gambar 3.4. Nilai VSWR simulasi antena horn pyramidal Gambar 3.5. Return loss simulasi antena horn pyramidal Gambar 3.6. Smith chart antena horn pyramidal Gambar 3.7. Gain antena horn pyramidal Gambar 3.8. (a) Pola Radiasi azimuth antena horn pyramidal Gambar 3.8. (b) Pola Radiasi elevasi antena horn pyramidal Gambar 3.9. Grafik VSWR pada perubahan diameter monopole Gambar Grafik return loss pada perubahan diameter monopole viii

15 Gambar (a) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi 2,5 GHz Gambar (b) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi 3,5 GHz Gambar (a) frekuensi 2,5 GHz Grafik return loss terhadap perubahan jarak monopole marker Gambar (b) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi 3,5 GHz Gambar (a) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi 2,5 GHz Gambar (b) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi 3,5 GHz Gambar (a) frekuensi 2,5 GHz Grafik return loss terhadap perubahan tinggi monopole marker Gambar (b) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi 3,5 GHz Gambar Grafik VSWR dan perubahan luas waveguide Gambar Grafik return loss dan perubahan luas waveguide Gambar Bentuk hasil perancangan antena horn pyramidal Gambar Hasil simulasi VSWR antena horn pyramidal Gambar Hasil simulasi return loss antena horn pyramidal Gambar Hasil simulasi smith chart antena horn pyramidal Gambar Hasil simulasi nilai gain antena horn pyramidal Gambar 3.22.(a) Hasil simulasi pola radiasi azimuth antena horn pyramidal Gambar 3.22.(b) Hasil simulasi pola radiasi elevasi antena horn pyramidal Gambar 4.1. Hasil fabrikasi antena horn pyramidal Gambar 4.2. Grafik nilai VSWR hasil pengukuran antena horn pyramidal Gambar 4.3. Grafik nilai return loss hasil pengukuran antena horn pyramidal Gambar 4.4. Grafik smith chart hasil pengukuran antena horn pyramidal Gambar 4.5.(a) Daya yang diterima antenna uji ix

16 Gambar 4.5.(b) Daya yang diterima antenna referensi ) Gambar 4.6. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth antena horn pyramidal Gambar 4.7. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi antena horn pyramidal Gambar 4.8. Grafik perbandingan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena horn pyramidal Gambar 4.9. Grafik perbandingan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran antena horn pyramidal x

17 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Tabel nama band frekuensi... 4 Tabel 2.2. Dimensi waveguide rectangular Tabel 3.1. Dimensi antena horn pyramidal Tabel 3.2. Nilai parameter antena pada simulasi awal Tabel 3.3. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan diameter monopole Tabel 3.4. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan jarak monopole Tabel 3.5. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan tinggi monopole Tabel 3.6. Perubahan luas waveguide Tabel 3.7. Perbandingan dimensi awal antena dengan dimensi setelah optimasi Tabel 4.1. Nilai VSWR hasil pengukuran antena horn pyramidal Tabel 4.2. Nilai return loss hasil pengukuran antena horn pyramidal Tabel 4.3. Nilai smith chart hasil pengukuran antena horn puramidal...49 Tabel 4.4. Hasil pengukuran VSWR, return loss, impedansi Tabel 4.5. Gain antena horn pyramidal Tabel 4.6. Perbandingan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran Tabel 4.7. Perbandingan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran Tabel 4.8. Perbandingan nilai gain hasil simulasi dan hasil pengukuran Tabel 4.9. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena horn pyramidal xi

18 DAFTAR SIMBOL Ω a b Ohm Gain antena horn pyramidal Panjang waveguide Lebar waveguide Panjang horn Lebar horn Dimensi miring horn bidang E Dimensi miring horn bidang H Tinggi horn bidang E Tinggi horn bidang H Directivity bidang E Directivity bidang H Intensitas radiasi maksimal Total daya radiasi Efisiensi aperture Luas aperture Panjang gelombang di ruang bebas Variabel desain horn Panjang gelombang pada waveguide frekuensi kerja antena frekuensi cut off Tinggi waveguide VSWR Bandwidth Koefisien refleksi tegangan Tinggi antena monopole r Jarak monopole terhadap penampang waveguide xii

19 θ φ D U Sudut Elevasi Sudut Azimuth Keterarahan Keterarahan maksimum Intensitas radiasi Intensitas radiasi maksimum Intensitas radiasi pada sumber isotropic Daya total radiasi c R Kecepatan cahaya ( m/s) Jarak daerah medan jauh antena Panjang dimensi antena Impedansi karakteristik Impedansi antena D Dimensi Antena Derajat xiii