BAB 3 PERANCANGAN, SIMULASI dan PABRIKASI ANTENA

Transkripsi

1 BAB 3 PERANCANGAN, SIMULASI dan PABRIKASI ANTENA 3.1 Bahan dan Spesifikasi Antena Rancangan Antena mikrostrip segiempat susun empat elemen pada tesis ini dirancang untuk beroperasi pada frekuensi kerja sekitar 2,3GHz dengan spesifikasi seperti terlihat pada Gambar 3.1 (a) dan Gambar 3.1 (b): (a) (b) Gambar 3.1 Spesifikasi antena yang akan dibuat. (a) rancangan antena susun empat elemen tanpa beban stub, (b) rancangan antena susun empat elemen dengan beban stub. Substrat yang digunakan adalah tipe NHL 4806 grade FR4 dengan spesifikasi seperti pada Tabel

2 Tabel 3.1 Parameter substrat yang digunakan Parameter substrat Spesifikasi Jenis substrat NHL 4806 Ketebalan dielektrik 1,6 ± 0,130 mm Rugi tangensial 0,0265 Konstanta dielektrik 4,3 Tebal konduktor 1 oz/ft 2 (35 m) 3.2 Peralatan yang Digunakan Selama perancangan dan persiapan pengukuran antena mikrostrip, digunakan piranti keras dan lunak. Antara lain adalah: 1. Substrat NHL 4806 grade FR4 2. Kabel koaksial 50 ohm. 3. Bubuk FeCl 3, kertas, selotip, cutter, nampan plastik dan air panas. 4. SMA konektor dengan impedansi karakteristik 50 ohm. 5. Piranti lunak PCAAD 5.0 (Personal Computer-Aided Antenna Design versi 5.0) untuk perancangan patch segiempat dan untuk menentukan nilai impedansi masukan patch tersebut pada frekuensi kerjanya. 6. Piranti lunak Microwave Office 2002 untuk simulasi hasil perancangan. Hasil yang dilihat meliputi Return loss, VSWR, Input impedance, dan gain. 3.3 Perancangan Antena Mikrostrip Segiempat Penentuan Dimensi Patch Optimasi patch dengan menggunakan PCAAD 5.0 untuk frekuensi kerja berada di sekitar 2,3 GHz adalah seperti yang terlihat pada Tabel 3.2. Sebagai saluran pencatu pada masing-masing elemen tunggal digunakan saluran mikrostrip 50. Lebar saluran diperoleh dengan menggunakan PCAAD 5.0. Agar saluran mikrostrip ini matching dengan impedansi masukan patch maka digunakan inset. Nilai kedalaman inset yo diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.34) dimana dalam memperoleh nilai resonant input resistance dari patch segiempat digunakan bantuan PCAAD 5.0. Resonant input resistance adalah komponen real dari impedansi masukan patch segiempat tersebut. 23

3 Tabel 3.2 Optimasi patch tunggal dengan PCAAD 3.0 Parameter Nilai Panjang antena (l) 3,12 cm Lebar antena (w) 3,12 cm Frekuensi tengah 2,3 GHz Impedansi Saluran Mikrostrip 50 Bandwidth 3,3 % Efisiensi 48,7 % Direktivitas 6,1 db Adapun untuk menentukan lebar celah inset dan panjang saluran transmisi digunakan bantuan Microwave Office Gambar 3.2 adalah beberapa parameter dimensi yang diperlukan dan hasil optimasi dari PCAAD 5.0 dan Microwave Office 2002 dirangkum dalam Tabel 3.3 berikut. Gambar 3.2 Parameter dimensi yang dibutuhkan pada setiap elemen tunggal antenna Tabel 3.3 Optimasi parameter-parameter inset dengan PCAAD 5.0 dan Microwave Office 2002 Parameter Lebar Saluran transmisi (Wo) Panjang Saluran transmisi (Lo) Resonant input resistance (Rin) Kedalaman inset (yo) Lebar celah (W1) Nilai 0,31 cm 1,655 cm 275,2 1,2 cm 0,05 cm 24

4 3.3.2 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Elemen Tunggal Dengan menggunakan spesifikasi substrat pada Tabel 3.1 dan optimasi yang terangkum dalam Tabel 3.2 dan Tabel 3.3. Diperoleh hasil simulasi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.4. Tabel 3.4 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat elemen tunggal Parameter Frekuensi resonansi (f r ) Nilai 2,3 GHz VSWR pada saat f r 1,3819 Impedansi pada saat f r 59,929 Ω Return loss (pada saat f r ) f bawah f tengah f atas 15,09 db 2,2574 GHz 2,3 GHz 2,3451 GHz Berdasarkan data pada Tabel 3.4 dapat dilakukan perhitungan persentase bandwidth, yaitu: f atas - f bawah % bandwidth 100 % f tengah 2,3451-2, % 2,3 3,81% Gambar 3.3 dan Gambar 3.4 menunjukkan hasil plot pengukuran return loss dan Smith chart dari antena tersebut. 25

5 0 Graph GHz -10 db GHz -10 db GHz db DB( S[1,1] ) KF_ Frequency (GHz) Gambar 3.3 Plot return loss antena mikrostrip segiempat elemen tunggal, pada hasil simulasi Program Microwave Office Z[1,1] KF_ Graph Swp Max 3.5GHz GHz r x Swp Min 1GHz Gambar 3.4 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat elemen tunggal, pada hasil simulasi program Microwave Office

6 3.3.3 Penentuan Dimensi Rangkaian Pencatu Antena Susun Empat Untuk menentukan beberapa parameter rangkaian pencatu untuk antena susun empat elemen digunakan PCAAD 5.0 dan optimasi dengan Microwave Office Dapat dilihat pada Gambar 3.5, beberapa parameter dimensi yang digunakan dalam rangkaian pencatu. Gambar 3.5 Parameter dimensi rangkaian pencatu yang dibutuhkan pada antena susun empat elemen Berikut pada Tabel 3.5 adalah hasil optimasi dari PCAAD 5.0 dan Microwave Office 2002 untuk beberapa parameter tersebut. Tabel 3.5 Optimasi parameter-parameter rangkaian pencatu antena susun empat elemen dengan PCAAD 5.0 dan Microwave Office 2002 No Parameter Impedansi (Ohm) Dimensi (cm) Panjang Lebar 1 A 50 0,3 0,31 2 B 35,35 1 0,53 3 C ,85 4 D 50 0,31 12,8 5 E 50 0,53 0,31 6 F 35,35 1,56 0,53 7 G ,85 8 H 50 0,31 6,55 27

7 3.3.4 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Susun Dua Elemen Dengan menggunakan spesifikasi substrat pada Tabel 3.1 dan optimasi yang terangkum dalam Tabel 3.4, dilakukan juga simulasi untuk antena mikrostrip segiempat susun dua elemen. Diperoleh hasil simulasi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.6. Tabel 3.6 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun dua elemen Parameter Frekuensi resonansi (f r ) Nilai 2,3 GHz VSWR pada saat f r 1,0487 Impedansi pada saat f r 52,436 Ω Return loss (pada saat f r ) f bawah f tengah f atas 32,471 db 2,2213 GHz 2,3 GHz 2,3782 GHz Berdasarkan data pada Tabel 3.6 dapat dilakukan perhitungan persentase bandwidth, yaitu: f atas - f bawah % bandwidth 100% f tengah 2,3782-2, % 2,3 6,82% Gambar 3.6 dan Gambar 3.7 menunjukkan hasil plot pengukuran return loss dan Smith chart dari antena tersebut. 28

8 0 Graph GHz -10 db GHz -10 db GHz db DB( S[1,1] ) KF_ Frequency (GHz) Gambar 3.6 Plot return loss antena mikrostrip segiempat susun dua elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office Z[1,1] KF_ Graph Swp Max 3.5GHz GHz r x Swp Min 1GHz Gambar 3.7 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat susun dua elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office

9 3.3.5 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen Dengan menggunakan spesifikasi substrat pada Tabel 3.1 dan optimasi yang terangkum dalam Tabel 3.4, simulasi antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, memberikan hasil seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.7. Tabel 3.7 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen Parameter Frekuensi resonansi (f r ) Nilai 2,3 GHz VSWR pada saat f r 1,0221 Impedansi pada saat f r 50,878Ω Return loss (pada saat f r ) f bawah f tengah f atas 39,219 db 2,2156 GHz 2,3 GHz 2,3841 GHz Berdasarkan data pada Tabel 3.7 dapat dilakukan perhitungan persentase bandwidth, yaitu: f atas - f bawah % bandwidth 100 % f tengah 2,3841-2, % 2,3 7,33% Gambar 3.8 dan Gambar 3.9 menunjukkan hasil plot pengukuran return loss dan Smith chart dari antena tersebut. Gambar 3.10 menunjukkan hasil plot pengukuran gain dari antena tersebut. 30

10 0 Graph GHz -10 db GHz -10 db GHz db DB( S[1,1] ) KF_ Frequency (GHz) Gambar 3.8 Plot return loss antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office Z[1,1] KF_ Graph Swp Max 3.5GHz GHz r x Swp Min 1GHz Gambar 3.9 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office

11 Gambar 3.10 Plot gain antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office Penentuan Dimensi Beban dan Posisi Beban Beban berupa stub yang diletakkan tegak lurus terhadap patch, memiliki berbagai kemungkinan variasi dimensi, variasi pemilihan penempatan dan variasi posisi. Pada tesis ini, digunakan hanya satu variasi dimensi beban yaitu beban dengan lebar 2 mm, panjang 0,5λd. Adapun acuan posisinya ditentukan sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar Gambar 3.11 Acuan posisi beban terhadap elemen peradiasi 32

12 Sesuai dengan acuan pada Gambar 3.11 maka posisi beban yang membentuk jarak dengan patch dianggap posisi dengan tanda negatip, misal -3 mm, sedangkan posisi tepat menyentuh patch disebut posisi 0 mm dan posisi beban yang bertumpuk dengan patch dianggap posisi dengan tanda positip, misal +1 mm. Untuk selanjutnya pada tesis ini acuan tersebut digunakan. Sehingga panjang beban dapat berubah seiring dengan perubahan posisi beban ke arah patch atau saat posisi dengan tanda positip. Untuk variasi penempatan beban, berikut pada Gambar 3.12 adalah penentuan nama titik penempatan untuk berbagai variasi penempatan yang dilakukan. Gambar 3.12 Acuan nama titik penempatan beban Pada tesis ini, simulasi untuk penentuan posisi dan penempatan beban dilakukan untuk berbagai variasi yang terangkum dalam Tabel 3.8 berikut. Tabel 3.8 Variasi titik penempatan dan posisi beban No Penempatan Beban Posisi Beban s/d s/d s/d s/d & 2 +4 s/d & 4 +4 s/d & 3 +4 s/d & 4 +4 s/d ,2,3 & 4 +4 s/d

13 3.3.7 Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen dengan Beban Stub Dengan menggunakan spesifikasi dimensi beban 0,5 d x 2 mm, dan variasi titik penempatan dan posisi beban yang terangkum dalam Tabel 3.8, berikut adalah hasil simulasi yang terangkum dalam Tabel 3.9, Tabel 3.10 dan Tabel Tabel 3.9 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub, konfigurasi satu titik No Return Titik Posisi Frekuensi Resonansi (GHz) Bandwidth Loss Penempatan (mm) fn fl fc fh (db) % MHz f1 2,2678 2,3 2, ,695 6,04 138,90 4 f1 2,2855 2,3566 2, ,361 6,03 142,20 8 f1 2,2955 2,4 2, ,893 6,47 155,20 12 f1 1,9559 2,1 2, ,719 9,81 206,00 f2 2,3025 2,4 2, ,918 5,68 136,30 BW Total 15,49 342,30 16 f1 1,8374 1,9 2, ,876 10,69 203,10 f2 2,1668 2,3 2, ,411 8,21 188,80 f3 2,5285 2,6911 2, ,031 12,08 325,20 BW Total 30,98 717,10 20 f1 1, , ,646 4,09 81,70 f2 2,2139 2,3 2, ,607 7,34 168,80 BW Total 11,42 250,50 22 f1 1, , ,216 3,23 64,50 f2 2,2263 2,3 2, ,883 6,79 156,20 BW Total 10,02 220, f1 2,2467 2,3 2, ,614 6,48 149,10 4 f1 1, , ,896 1,69 33,80 f2 2,2542 2,3 2, ,974 6,66 153,10 BW Total 8,35 186,90 8 f1 2,2642 2,3 2, ,33 5,35 123,00 12 f1 2,2815 2,3 2, ,378 2,80 64,30 16 f1 1,9902 1,9992 2, ,475 0,97 19,40 20 f1 1,9844 1,9992 2, ,78 1,41 28,10 22 f1 1,9836 1,9992 2, ,814 1,46 29, f1 2,2342 2,3 2, ,582 5,67 130,50 f2 2,9378 2,9998 3, ,357 4,58 137,40 BW Total 10,25 267,90 4 f1 2,2578 2,3 2, ,304 6,49 149,30 8 f1 1, , ,021 2,15 43,00 f2 2,2684 2,3 2, ,751 4,67 107,40 BW Total 6,82 150,40 34

14 12 f1 1,8354 1,9 2, ,563 9,46 179,80 f2 2,284 2,3 2, ,154 2,47 56,70 BW Total 11,93 236,50 16 f1 1, , ,27 0,47 9,40 20 f1 1, , ,91 1,52 30,40 22 f1 1, , ,968 1,59 31, f1 2,2662 2,3 2, ,881 6,19 142,30 4 f1 2,2802 2,4 2, ,177 6,20 148,90 8 f1 2,2968 2,4 2,452 15,362 6,47 155,20 12 f1 1,9662 2,1 2, ,72 9,34 196,10 f2 2,3343 2,4 2, ,228 3,96 95,10 BW Total 13,30 291,20 16 f1 1,8351 1,9 2, ,782 10,07 191,30 f2 2,1656 2,3 2,347 13,47 7,89 181,40 f3 2,5801 2,7168 2, ,122 10,06 273,40 BW Total 28,02 646,10 20 f1 1,7861 1,797 1, ,078 1,82 32,70 f2 1,9468 1,9992 2, ,63 5,45 109,00 f3 2,9271 3,1014 3, ,21 11,24 348,60 BW Total 18,51 490,30 22 f1 1,9716 1,9992 2, ,325 2,32 46,30 f2 2,2252 2,3 2, ,697 6,83 157,00 BW Total 9,14 203,30 No Tabel 3.10 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub, konfigurasi dua titik Titik Posisi Frekuensi Resonansi (GHz) Return Loss Bandwidth Penempatan (mm) fn fl fc fh (db) % MHz 1 1 & 2 +4, +4 f1 2,3084 2,4 2, ,300 5,71 137,00 +4, +22 f1 2,3702 2,4 2, ,676 2,97 71,20 +22, +4 f1 1, , ,041 3,38 67,70 f2 2,2209 2,3 2, ,679 7,40 170,30 +22, +22 f1 1, , ,384 3,37 67,40 f2 2,2311 2,3 2, ,823 5,97 137, & 4 +4, +4 f1 2,3274 2,4 2, ,473 4,42 106,10 +22, +22 f2 2,2201 2,3 2, ,359 6,90 158, & 3 +4, +4 f1 2,2757 2,3483 2, ,753 6,18 145,20 +22, +22 f1 1,9863 1,9992 2,011 10,664 1,24 24, & 4 +4, +4 f1 2,3089 2,4057 2, ,708 5,66 136,20 +4, +22 f1 2,213 2,3 2, ,252 7,72 177,60 +22, +4 f1 2,3718 2,4 2, ,631 1,62 38,90 +22, +22 f1 1, , ,312 3,26 65,30 f2 2,2309 2,3 2, ,765 5,94 136,70 35

15 No Tabel 3.11 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub, konfigurasi empat titik Titik Posisi Frekuensi Resonansi (GHz) Return Loss Bandwidth Penempatan (mm) fn fl fc fh (db) % MHz 1 1, 2, 3, & 4 +4, +4, +4, +4 f1 1,3532 1,4 1, ,092 6,96 97,50 f2 2,3221 2,4 2, ,519 5,90 141,60 +4, +22, +22, +4 f1 2,3829 2,4 2, ,977 1,40 33,60 +22, +4, +4, +22 f1 2,2634 2,3 2, ,008 3,56 81,80 +22, +22, +22, +22 f1 2,1979 2,3 2, ,372 6,24 143, Pembuatan/Pabrikasi Antena Mikrostrip dan Beban Stub Proses pembuatan rancangan antena mikrostrip dilakukan dengan menggunakan teknik etching. Proses etching yang dilakukan menggunakan peralatan yang sederhana. Proses ini membutuhkan bubuk FeCl 3, kertas, selotip, cutter, nampan plastik, dan air panas. Proses ini merupakan bentuk sederhana dari teknik sablon pada umumnya. Tahap pertama pembuatan yaitu pencetakan hasil rancangan (hasil print-out program Visio) pada kertas, kemudian hasil print-out tersebut ditempel pada permukaan substrat yang telah dilapisi dengan selotip seluruh permukaannya (atas dan bawah). Kemudian dilapisi lagi dengan selotip untuk area yang terdapat gambar antena. Setelah itu kerat dengan cutter, untuk area antena yang diinginkan permukaan selotipnya tetap tertinggal di permukaan substrat, sedangkan area di luar antena dikelupas. Setelah terbentuk substrat dengan hasil cetakan tersebut, lalu direndam dalam nampan berisi larutan FeCl 3, goyang-goyang nampan sehingga hasil reaksi kimia menyisakan bagian tembaga sesuai dengan rancangan yang tercetak. Semua proses di atas terangkum dalam Gambar Beban stub yang digunakan pada penelitian ini sedikit berbeda dengan yang digunakan pada penelitian penulis sebelumnya. Jika sebelumnya beban dibuat dari lempengan tembaga yang diamplas, pada penelitian kali ini dibuat dari substrat yang sama, namun lapisan tembaga bagian bawah/ground dihilangkan. Proses pembuatan beban stub hampir sama dengan proses pembuatan antena. Namun cetakannya lebih sederhana, hanya berupa persegi panjang berukuran 0,5λd x 2 mm. Tahap berikutnya juga melalui tahap etching seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. 36

16 (a) (b) Gambar 3.13 Tahapan proses pembuatan antena dengan teknik etching sederhana, (a). mencetak rancangan antenna pada permukaan substrat, (b). Menyiapkan larutan FeCl 3 untuk proses etching 37

17 Berikut pada Gambar 3.14 adalah beban stub yang digunakan. Gambar 3.14 Beban stub dimensi 0,5λd x 2 mm Setelah pembuatan/pabrikasi ukuran-ukuran yang diperoleh diukur kembali. Untuk hasil pabrikasi antena susun empat elemen tanpa beban stub, berikut dalam Tabel 3.12 terangkum data dimensi antena, yang diukur dengan penggaris dengan unit dimensi terkecil 0,5mm. Parameter Tabel 3.12 Perbedaan dimensi yang dirancang dan hasil pabrikasi pada antena susun empat elemen Nilai Dimensi Perbedaan Dimensi Fabrikasi Rancangan (cm) (cm) (%) Panjang patch antena (L) 3,12 3,1 0,64% Lebar patch antena (W) 3,12 3,1 0,64% Panjang saluran transmisi (Lo) 1,655 1,65 0,30% Kedalaman inset (Yo) 1,2 1,2 0,00% Lebar celah inset (W1) 0,05 0,05 0,00% Lebar saluran transmisi (Wo) 0,31 0,3 3,23% Rangkaian Pencatu Panjang Lebar Panjang Lebar (%) (%) A 0,31 0,31 0,3 0,3 3,23% 3,23% B 1 0,53 1 0,55 0,00% 3,77% C 1 0,85 1 0,85 0,00% 0,00% D 0,31 12,8 0,3 12,8 3,23% 0,00% E 0,53 0,31 0,5 0,3 5,66% 3,23% F 1,56 0,53 1,55 0,55 0,64% 3,77% G 1 0,85 1 0,85 0,00% 0,00% H 0,31 6,55 0,3 6,5 3,23% 0,76% Dimensi Dimensi Fabrikasi Beban stub Rancangan (%) (cm) (cm) Lebar beban 0,2 0,2 0,00% Panjang beban 3,12 3,1 0,64% 38

18 3.5 Diagram Alir Proses Perancangan dan Pembuatan Antena Mulai 1 Menentukan frekuensi kerja antena Menambah beban berupa stub/stripline,?d/4x2mm dengan konfigurasi titik penempatan dan posisi yang berbeda-beda, tegak lurus patch peradiasi (optimasi dengan Microwave Office) Jenis Substrat NHL4806 grade FR4 Mengubah konfigurasi titik dan posisi beban stub/stripline Tidak Meningkatkan Bandwidth? Menentukan dimensi patch antena (optimasi dengan PCAAD 5.0) Ya Tidak Menentukan dimensi saluran mikrostrip & inset untuk antena mikrostrip segiempat elemen tunggal (optimasi dengan PCAAD 5.0 & Microwave Office) Dimensi-dimensi yang dihasilkan sesuai dengan frekuensi kerja dan nilai VSWR 2? Ya Pabrikasi antena mikrostrip segiempat susun empat elemen & beban stub/stripine Melakukan pengukuran parameter port tunggal terhadap hasil pabrikasi untuk tiap konfigurasi titik penempatan dan posisi beban Melakukan pengukuran meliputi pola radiasi dan gain untuk antena mikrostrip segiempat susun empat elemen tanpa beban stub/stripline Tidak Menentukan dimensi saluran mikrostrip dengan transformer?/4, untuk antena mikrostrip segiempat susun dua elemen (optimasi dengan PCAAD 5.0 & Microwave Office) Membandingkan karakteristik antena Dimensi-dimensi yang dihasilkan sesuai dengan frekuensi kerja dan nilai VSWR 2? Selesai Ya Tidak Menentukan dimensi saluran mikrostrip dengan transformer?/4, untuk antena mikrostrip segiempat susun empat elemen (optimasi dengan PCAAD 5.0 & Microwave Office) Dimensi-dimensi yang dihasilkan sesuai dengan frekuensi kerja dan nilai VSWR 2? Ya 1 Gambar 3.15 Diagram alir proses perancangan dan pembuatan antena 39