PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT SLOTS DUAL-BAND PADA FREKUENSI 2,4 GHz DAN 3,3 GHz

Transkripsi

1 PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT SLOTS DUAL-BAND PADA FREKUENSI 2,4 DAN 3,3 Zul Hariansyah Hutasuhut, Ali Hanafiah Rambe Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Mean 2155 INDONESIA or Abstrak Antena ual-frequency merupakan antena alternatif yang apat igunakan untuk sistem raio yang bekerja paa ua kanal frekuensi yang berbea jauh. Ketika ua frekuensi kerja terpisah engan jarak yang cukup jauh, sebuah struktur patch ual-frequency apat irancang untuk menghinari penggunaan antena yang terpisah. Antena mikrostrip aalah salah satu solusi antena ual-frequency yang apat ikembangkan, karena memiliki bentuk seerhana, unjuk kerja yang baik an muah alam instalasinya. Paa tulisan ini irancang antena mikrostrip patch segi empat yang bekerja paa frekuensi 2,4 an 3,3, imana ua buah slot yang itambahkan sebagai beban untuk menghasilkan frekuensi keua. Hasil perancangan ievaluasi an ioptimasi menggunakan Applie Wave Research (AWR) Microwave 24. Nilai Voltage Staning Wave Ratio (VSWR), gain an banwith yang iperoleh engan parameter input frekuensi yang irencanakan aalah berturut turut 1,878, 6,73 B, 66 MHz untuk frekuensi 2,45 an 1,259, 2,33 B an 3,1 B, 114 MHz untuk frekuensi 3,35. Kata kunci : Dual-Ban, antena mikrostrip, reactively loae ual frequency, VSWR 1. Penahuluan Teknologi komunikasi nirkabel salah satu teknologi yang banyak igunakan alam unia telekomunikasi. Sebagai teknologi yang tiak memerlukan sarana fisik alam interface-nya, teknologi komunikasi nirkabel menuntut sistem antena bekerja meskipun terapat penghalang antar pengirim an penerima. Salah satu jenis antena yang sesuai untuk teknologi komunikasi nirkabel aalah antena mikrostrip, karena memiliki karakteristik imensi kecil, ringan, ekonomis an muah alam instalasinya. Antena mikrostrip tiak hanya apat igunakan untuk satu ban frekuensi, tetapi juga apat igunakan untuk lebih ari satu ban frekuensi. Sehingga, sistem raio menjai lebih efisien. 2. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan salah satu antena komunikasi nirkabel gelombang mikro yang igunakan sebagai raiator paa sejumlah sistem telekomunikasi moern seperti Raio Detection an Ranging (Raar) an Global Positioning System (GPS). Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas tiga elemen, yaitu: elemen peraiasi (patch), elemen ielectric substrate an elemen pentanahan (groun plane). Bentuk antena mikrostrip apat ilihat paa Gambar 1 [1]. Gambar 1. Struktur Antena Mikrostrip [1]. Hal yang harus ipertimbangkan alam merancang patch yaitu pertimbangan memilih substrat. Elemen ini aa beberapa jenis yang apat igolongkan berasarkan nilai konstanta ielektrik an ketebalannya. Dalam pemilihan jenis substrat sangat ibutuhkan pengenalan tentang spesifikasi umum ari substrat tersebut yaitu kualitasnya. Tabel 1 menunjukkan spesifikasi substrat yang igunakan. Tabel 1. Spesifikasi Substrat Jenis substrat FR-4 epoxy Konstanta Dielektrik 4,4 relative ( r ) Dielektrik Loss Tangent,2 ( tan ) Ketebalan substrat (h) 1, DTE FT USU

2 SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. 3/Desember Parameter-parameter Antena Parameter-parameter antena igunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang igunakan, yaitu frekuensi antena,vswr, banwith, gain antena, an polaraiasi. a. VSWR (Voltage Staning Wave Ratio) Gelombang beriri memiliki tegangan maksimum an minimum alam saluran yang besarnya tergantung paa tegangan maupun arus pantul. Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang seerhana, ketika bagian imajiner ari Г aalah nol, maka: Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat. Г = : tiak aa refleksi, ketika saluran alam keaaan matche sempurna. Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran alam rangkaian terbuka. Secara seerhana rumus untuk menentukan VSWR [1]. = = 1+ Γ 1 Γ (1) b. Frekuensi Resonansi Frekuensi resonansi aalah frekuensi imana antena mikrostrip memiliki impeansi resistif imana, nilai reaktansi impeansi sama engan nol [1]. c. Banwith Banwith suatu antena iefenisikan sebagai rentang frekuensi yang berhubungan engan beberapa karakteristik antena lain seperti, impeansi masukan, banwith, polarisasi an gain. Banwith suatu antena itentukan oleh parameter yang igunakan. Dimana, menentukan banwith aalah frekuensi atas kurang frekuensi bawah ibagi engan frekuensi carier, irumuskan sebagai berikut [2]: h = 2 1 % (2) a) Lobe utama (main lobe) b) Sie lobe (cuping) c) Back lobe f. Return Loss Return loss aalah perbaningan antara amplitue ari gelombang yang irefleksikan terhaap amplitue gelombang yang ikirim. Besarnya return loss bervariasi tergantung paa frekuensi [1]. g. Impeansi Masukan Impeansi masukan ari suatu antena apat ilihat sebagai impeansi ari antena tersebut paa terminalnya. Impeansi masukan aalah impeansi yang ipresentasikan oleh antena paa terminalnya [1]. 2.2 Antena Mikrostrip Patch Segi Empat Slots Dual-Ban Antena mikrostrip patch segi empat slots ual-ban, merupakan salah satu jenis antena mikrostrip yang ikembangkan engan teknik reactively-loae ual-frequency patch antennas untuk menghasilkan ua buah rentang frekuensi engan menambahkan beban slot. Beban itambahkan secara khusus paa tepi peraiasi (raiating ege) untuk menghasilkan panjang resonansi frekuensi keua yang lebih jauh. Panjang resonansi keua berkaitan engan pembangkitan frekuensi lainnya [3]. Saluran pencatu yang igunakan paa perancangan antena mikrostrip patch segi empat iharapkan menekati nilai impeansi masukan sebesar 5 Ω. Untuk menapatkan nilai impeansi tersebut ilakukan pengaturan lebar ari saluran pencatu engan menggunakan bantuan program TXLine 23 untuk mencari lebar pencatu agar mempunyai impeansi 5 Ω, seperti itunjukkan paa Gambar 2.. Gain Gain aalah karakter antena yang terkait engan kemampuan antena mengarahkan raiasi sinyalnya atau penerima sinyal ari arah tertentu [1]. e. Pola raiasi aalah fungsi matematika ari sifat raiasi antena sebagai fungsi ruang, biasanya teriri ari [1]: Gambar 2. Tampilan TXLine 23 Untuk Dimensi Saluran Pencatu DTE FT USU

3 SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. 3/Desember Perancangan Antena Paa tahap ini ilakukan penentuan frekuensi resonansi, spesifikasi substrate, imensi patch antena an imensi saluran pencatunya. Kemuian ilanjutkan engan penambahan slot i masing masing tepi kanan an kiri patch, sehingga menghasilkan antena mikrostrip patch segi empat slots ual-ban. Tahapan tahapan perancangan itunjukkan alam iagram alir paa Gambar 3. an lebar saluran pencatu menjai 17 mm an 3 mm. Bentuk an ukuran patch itunjukkan paa Gambar mm 29 mm 3 mm 5 Ohm 17 mm 1 Gambar 4. Rancangan Antena Mikrostrip Patch 2, Penambahan Slot-slot Antena Selanjutnya aalah proses penambahan beban slot paa sisi bagian kanan an kiri elemen tunggal untuk pembangkitan frekuensi keua yaitu frekuensi 3,35. Pertama tama ukuran panjang an lebar slot isesuaikan engan ukuran patch yaitu 27 mm an 1 mm, engan jarak ke tepi patch masing masing 1 mm. Rancangan awal antena engan tambahan slot itunjukkan paa Gambar 5. Gambar 3. Diagram Alir Perancangan Antena Dual Ban. 3.1 Perancangan Elemen Antena Paa perancangan patch segi empat elemen tunggal, iawali engan menentukan frekuensi kerja pertama yang iinginkan, imensi patch antena an saluran pencatu. Diperoleh panjang an lebar patch 28,83 mm an 37,26 mm. Panjang an lebar saluran pencatu 3,5 mm an 16,645 mm. Untuk menyesuaikan engan ukuran gri paa perangkat lunak AWR Microwave office 24, maka ilakukan pembulatan, untuk panjang an lebar patch menjai 29 mm an 37 mm. Kemuian panjang Gambar 5. Rancangan Awal Patch 2,45 an3, Analisis Hasil Simulasi 4.1 Simulasi Antena Mikrostrip Dual-Ban Karena untuk menghasilkan frekuensi keua ilakukan engan menambahkan slot paa tepi peraiasi, simulasi ilakukan langsung sekaligus untuk keua frekuensi resonansi 2, DTE FT USU

4 - 4 SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. 3/Desember 214 an 3,35. Diperoleh nilai VSWR berturut turut sebesar 2,138 an 31,25 terlihat paa Gambar VSWR VSWR(1) Dualban Slot yaitu VSWR 2, oleh karena itu ilakukan iterasi engan mengubah ubah ukuran imensi slot an juga menggeser posisinya engan syarat bahwa slot i sebelah kanan harus simetris engan slot i sebelah kiri an penggeseran posisi slot tetap beraa i aerah tepi peraiasi. Untuk memuahkan iterasi, ibuatlah notasi ukuran imensi slot paa antena mikrostrip rancangan awal seperti itunjukkan paa Gambar Frequency () Gambar 6. Rancangan Awal. Aapun hasil gain untuk Rancangan Awal aalah 6,74 B (2,2-2,6 ) an 4,192 B (3,2-3,6 ) apat ilihat paa Gambar 7 an Gambar 8. Mag 6.74 B Ang B -2-2 B Gambar 9.Antena engan Notasi B Gambar 7. an Nilai Gain Frekuensi 2,45. Mag B Ang B B DB( PPC_TPwr(,1) ) Dualban Slot Gambar 8. an Nilai Gain Frekuensi 3,35. Hasil VSWR yang iperoleh seperti paa Gambar 6 belum sesuai engan yang iinginkan 18 DB( PPC_TPwr(,1) ) Dualban Slot B 5 B B Seangkan hasil iterasi ukuran imensi an letak posisi slot slot antena itunjukkan paa Tabel 2. Tabel 2. Hasil Iterasi Dimensi an Letak Posisi Slot Slot Antena w l L s W s Frek. Frek. 2,45 3, ,138 31, ,9 1, ,329 1, ,318 1, ,314 4, ,8 1, ,4 2, ,1 4, ,3 4, ,746 4, ,772 2, ,726 4, ,75 2, ,676 4, ,67 2, ,666 1, DTE FT USU

5 SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. 3/Desember 214 w l L s W s Tabel 2 Lanjutan Frek. Frek. 2,45 3, ,665 1, ,695 3, ,74 4, ,637 1, ,527 3, ,496 1, ,476 2, ,464 3, ,458 2, ,768 3, ,631 2, ,223 5, ,6 1, ,28 3, ,77 5, ,685 4, ,927 4,699 Dari hasil iterasi paa Tabel 2 apat ilihat bahwa nilai VSWR 2 belum terpenuhi, sehingga hasil iterasi optimal yang menekati VSWR 2 paa Tabel 2 tersebut iiterasi kembali engan mengubah letak titik pencatu engan cara menggesernya ke sebelah kiri an ke sebelah kanan ari patch. Pencatu igeser secara bertahap baik ke arah kiri W 1 maupun ke kanan W 2 sejauh 1 mm. Hasil iterasi paa penggeseran ke kiri itunjukkan paa Tabel 3, seangkan paa penggeseran ke kanan itunjukkan paa Tabel 4. Tabel 3. Hasil Iterasi Letak Titik Pencatu Antena Geser Kiri Pencatu Geser ke Kiri w W 1 W 2 Frekuensi 2, ,877 1, ,894 1, ,878 1, ,879 1, ,862 1, ,85 3, ,838 4, ,848 1, ,294 1,469 Frekuensi 3,35 w W 1 W 2 Tabel 3 Lanjutan Pencatu Geser ke Kiri Frekuensi Frekuensi 2,45 3, ,294 1, ,315 1, ,28 1, ,257 2, ,235 1, ,224 1, ,216 1, ,212 1,564 Tabel 4. Hasil Iterasi Letak Titik Pencatu Antena Geser Kanan w W 1 W 2 Pencatu Geser ke Kanan Frekuensi Frekuensi 2,45 3, ,877 1, ,894 1, ,878 1, ,878 1, ,862 1, ,85 3, ,839 4, ,848 1, ,294 1, ,315 1, ,28 1, ,257 2, ,235 1, ,224 1, ,216 1, ,212 1,564 Dari hasil iterasi letak titik pencatu paa Tabel 3 an 4 apat ilihat bahwa nilai VSWR 2 suah terpenuhi. Dari tabel iketahui bahwa terapat enam iterasi yang memenuhi nilai VSWR 2, namun iterasi engan nilai VSWR optimal yaitu 1,878 untuk frekuensi 2,45 an 1,259 untuk frekuensi 3,35 engan ukuran panjang an lebar slot L s = 15 mm an = 1 mm. Posisi slot paa jarak w = 3 mm, l = 7 mm an W s = 29 mm. Jarak letak titik pencatu W 1 = mm an W 2 = 34 mm paa penggeseran ke kiri maupun ke kanan. Rancangan akhir antena engan nilai VSWR optimal itunjukkan paa Gambar DTE FT USU

6 -6-5 SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. 3/Desember 214 Mag 2.33 B Ang -44 B B Mag 3.1 B Ang 4 B B DB( PPC_TPwr(,1) ) Frekuensi 3_ B Gambar. Rancangan Akhir Antena. optimal ari Tabel 3 an Tabel 4 itunjukkan paa Gambar VSWR VSWR(1) Rancangan Akhir Antena Mikrostrip DualBan Frequency () Gambar 11. Optimal Antena. Pola raiasinya aalah Uni Directional engan nilai gain 6,73 B paa frekuensi 2,45 an Biirectional engan nilai gain 2,33 B an 3,1 B paa frekuensi 3,35. Pola raiasi an gain itunjukkan masing masing paa Gambar 12 an Gambar B Mag 6.73 B Ang B DB( PPC_TPwr(,1) ) Frekuensi 2_45 Gambar 12. an Gain Frekuensi 2, B B Gambar 13. an Gain Frekuensi 3,35. Nilai banwith untuk frekuensi 2,45 iperoleh : 2,455-2,389 Banwith x% 2,69% 2,45 Untuk frekuensi 3,35, nilai banwith iperoleh : 3,38-3,266 Banwith x% 3,4% 3, Analisis Perbaningan Hasil Simulasi an Teori Dari hasil rancangan an simulasi iperoleh spesifikasi antena yang kemuian apat ibaningkan an ianalisis berasarkan parameter parameter yang itentukan. Parameter parameter yang ianalisis secara simulasi an secara teori aalah VSWR, gain an banwith. Perbaningan hasil simulasi engan teori itunjukkan paa Tabel 5. Tabel 5. Pencapaian Spesifikasi Antena Simulasi Teori Parameter Frekuensi Frekuensi No. Antena 2,45 3,35 2,45 3,35 1 VSWR 1,878 1,259 1,229 1,232 2 Gain (B) 6,73 2,33 3,1 3,955 7,395 3 Banwith 2,69% 3,4% 2,69% 3,4% Dari Tabel 5, apat iketahui bahwa antena mikrostrip patch segi empat telah mampu memenuhi pencapaian parameter yang iinginkan. Paa saat simulasi gain yang iperoleh paa frekuensi 2,45 sebesar -16- DTE FT USU

7 SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. 3/Desember 214 6,73B, engan nilai VSWR sebesar 1,878. Gain yang iperoleh alam perhitungan iperoleh sebesar 3,955 B. Besar VSWR yang iperoleh secara teori sebesar 1,229. Paa frekuensi 3,35, secara simulasi gain iperoleh sebesar 2,33 B an 3,1 B an secara teori iperoleh 7,395 B. Paa saat simulasi nilai VSWR yang iperoleh sebesar 1,259 secara teori iperoleh sebesar 1,232. Namun paa awal sebelum ilakukan proses iterasi nilai VSWR yang iperoleh secara simulasi untuk frekuensi 2,45 sebesar 2,138 an frekuensi 3,35 sebesar 31,25. Diketahui sebelumnya bahwa nilai VSWR paling baik aalah ketika VSWR bernilai 1 ( VSWR = 1 ) yang berarti tiak aa refleksi ketika saluran alam keaaan matching sempurna, namun konisi ini paa praktiknya sulit untuk iapatkan. Paa umumnya nilai VSWR yang ianggap masih baik aalah saat nilai VSWR 2. Dilatarbelakangi hal inilah saat simulasi ilakukan proses iterasi sehingga kemuian iperoleh nilai VSWR 2. Nilai VSWR yang iperoleh ari simulasi isebabkan perubahan ukuran imensi slot, letak posisi slot an letak posisi titik pencatu. [2] Rambe, Ali Hanafiah (28). Rancang bangunan antena mikrostrip patch segiempat planar array 4 elemen engan pencatuan aperture-couple untuk aplikasi CPE paa wimax. Tesis Teknik Elektro Universitas Inonesia. [3] Maci, S., & Gentili, G. B. (1997). Dualfrequency patch antennas. Antennas an Propagation Magazine, IEEE, 39(6), Kesimpulan Dari pembahasan tentang mikrostrip patch segi empat slots ual-ban, iperoleh beberapa kesimpulan antara lain: 1. yang iperoleh ari perhitungan alam perancangan ini aalah 1,229 untuk frekuensi 2,45 an nilai 1,232 untuk frekuensi 3,35 seangkan ari hasil simulasi nilai VSWR paa frekuensi 2,45 aalah 1,878 an paa frekuensi 3,35 aalah 1, Nilai gain ari perancangan antena mikrostrip patch segi empat slots ual-ban paa frekuensi 2,45 aalah 3,955 B an paa frekuensi 3,35 aalah 7,395 B. Seangkan ari hasil simulasi nilai gain paa frekuensi 2,45 aalah 6,73 B an paa frekuensi 3,35 aalah 2,33 B an 3,1 B. 3. Hasil perancangan antena mikrostrip patch segi empat slots ual-ban apat iperoleh engan baik engan mengubah ukuran imensi slot, letak posisi slot an letak posisi titik pencatu patch antena. 6. DAFTAR PUSTAKA [1] Surjati, I. (2). Antena Mikrostrip: Konsep an Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti DTE FT USU