Desain Antena Log Periodik Mikrostrip Untuk Aplikasi Pengukuran EMC Pada Frekuensi 2 GHz 3.5 GHz

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Desain Antena Log Periodik Mikrostrip Untuk Aplikasi Pengukuran EMC Pada Frekuensi 2 GHz 3.5 GHz Tara Aga Puspita [1], Eko Setijadi [2], M. Aries Purnomo [3] Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya [1] tara.aga@gmail.com, [2] ekoset@ee.its.ac.id [3] puraries@yahoo.com Abstrak Antena mikrostrip adalah salah satu jenis antena. Bentuk paling sederhana dalam peralatan mikrostrip adalah berupa sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel yang dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. Dan di dalam tugas akhir ini bertujuan untuk pengukuran Electromagnetic Compability (EMC). Kompatibilitas elektromagnetik (EMC) adalah cabang ilmu yang mempelajari listrik generasi yang tidak disengaja, propagasi dan penerimaan energi elektromagnetik dengan mengacu pada efek yang tidak diinginkan (interferensi elektromagnetik, atau EMI) bahwa energi tersebut dapat menginduksi. Antena mikrostrip pada tugas akhir ini akan disusun secara array dengan struktur berulang secara periodik. Proses penelitian pada tugas akhir ini memiliki dua tahap yaitu proses simulasi dan pengujian antena yang telah difabrikasi. gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun[1]. Definisi diatas dapat dilihat pada Gambar 1. Kata Kunci Antena mikrostrip, Electromagnetic Compability (EMC), Array I. PENDAHULUAN Sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena Ksebagai pelepas energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai penerima energi itu dari ruang bebas. Kualitas sebuah antena sangat mempengaruhi kualitas informasi yang diterima. Antena dengan bandwidth yang lebar secara fisik telah banyak dicari untuk beberapa tahun. Untuk itu antena yang diimplementasikan pada komunikasi mobile wireless dan satelit adalah antena yang memiliki design compact, berukuran kecil, bandwidth lebar serta dapat memenuhi frekuensi operasi dari sistem komunikasi mobile wireless tersebut. Antenna yang dapat menunjang hal tersebut adalah antena mikrostrip. Kelemahan antena mikrostrip yaitu hanya memiliki gain yang kecil. Hal tersebut dapat diminimalkan dengan menyusun antena mikrostrip secara array. Berdasarkan hal-hal di atas, maka akan dirancang antenna log periodic mikrostrip untuk aplikasi pengukuran EMC pada frekuensi 2 GHz 3.5 GHz. Diharapkan akan menghasilkan antenna log periodic mikrostrip dengan performansi yang lebih baik. Sedangkan EMC (Electromagnetic Compability) mempunyai definisi sederhana yaitu toleransi gelombang elektromagnetik yang diijinkan yang ikut terpancarkan ketika sebuah modul elektronik berfungsi. II. URAIAN PENELITIAN Antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam saluran transmisi kabel, menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiver antenna) mengubah Gambar 1. Daerah daerah medan antena. Pada sisi pemancar, antena berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi gelombang elektromagnetik dan meradiasikannya ke ruang bebas. Dan pada sisi penerima, antena berfungsi untuk menangkap radiasi gelombang elektromagnetik dan mengubahnya menjadi energi listrik. A. Antena Mikrostrip Bentuk paling sederhana dalam peralatan mikrostrip adalah berupa sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel yang dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. [2] Konduktor bagian atas adalah potongan metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas), yang merupakan fraksi kecil dari suatu panjang gelombang. Konduktor bagian bawah adalah bidang pentanahan yang secara teori bernilai tak-hingga. Keduanya dipisahkan oleh sebuah substrat dielektrik yang non-magnetik. Konduktor atas dapat berupa bentuk apapun, bisa persegi-panjang, lingkaran, segi-tiga, elips, helix, cincin lingkaran, dsb. Antena mikrostrip ini terdiri dari tebal (h), lebar (W) yang terbentang sepanjang (L) dan ε r, seperti pada gambar 2. Langkah awal untuk menentukan dimensi elemen radiasi (patch) antena mikrostip adalah terlebih dahulu harus menentukan besarnya panjang gelombang di ruang bebas berdasarkan frekuensi acuan yang diradiasikan dan kecepatan cahaya di ruang bebas (c), dengan Persamaan seperti dibawah ini : (1)

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Tabel 1. Dimensi single patch antena Dimensi Patch Panjang Gelombang Ruang bebas (λ 0 ) 109 mm Panjang Gelombang pada Saluran (λ d ) 52,56 mm Lebar Patch (W) 33,6 mm Konstata Dielektrik Efektif (ε reff ) 3,97 Penambahan Panjang Penampang ( L) 0,74 mm Panjang Penampang (L) 25,5 mm Impedansi Masukan (Z A ) 504 Ω Gambar. 2. Bentuk Paling Sederhana Pada Peralatan Antena Mikrostrip [2]. Setelah mengetahui panjang gelombang di ruang bebas maka, dapat mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L). 1. Menghitung lebar patch (W) 2. Menghitung konstanta dielektrik efektif (ε eff ) 3. Menghitung panjang tambahan (ΔL) 4. Menghitung panjang patch sebenarnya (L) Pada frekuensi resonansi nilai besarnya impedansi masukan elemen peradiasi adalah : Besarnya impedansi masukan dapat dikurangi dengan memperlebar patch antena dengan batasan W/L 2karena efesiensi aperture untuk patch tunggal mulai turun dengan rasio W/L lebih dari 2.[3] Inset feed pada jarak tertentu dari tepi elemen dapat mengubah besarnya resistansi input pada frekuensi resonansi. Untuk mendapatkan nilai resistansi input, maka digunakan persamaan sebagai berikut : (2) (3) (4) (5) (6) B. Antena Log periodik Mikrostrip Antena mikrostrip log-periodik pada dasarnya merupakan antena yang di-array dengan struktur berulang secara periodik. Seperti telah diketahui sebelumnya, bahwa antena mikrostip mempunyai bandwidth yang sempit, bandwith yang sempit ini dapat diperlebar dengan menambahkan beberapa elemen (di-array) secara berulang untuk memenuhi persyaratan bandwith dari aplikasi yang bersangkutan. Banyaknya elemen peradiasi yang digunakan pada antena mikrostrip log-periodic secara empirik dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (10), dibawah ini : (10) Dengan: BW 1 = bandwith antena mikrostrip log-periodik yang akan dirancang (MHz) BW = bandwith antena mikrostrip satu elemen (MHz) Dari hasil simulasi single patch dengan menggunakan frekuensi tengah 2.75 Ghz dengan hasil perhitungan maka jumlah elemen didapatkan sebagai berikut : C. Simulasi Antena = = patch 17 patch Selanjutnya dilakukan simulasi dengan menggunakan simulator CST, yang akhirnya mendapatkan hasil simulasi single patch sebagai berikut : Untuk menghitung dimensi saluran transmisi mikrostrip digunakan persamaan di bawah ini [4]: (7) Untuk menghitung panjang saluran transmisi adalah sebagai berikut : (9) Sehingga dimensi pada single patch didapatkan nilai seperti terdapat pada Tabel (1). (8) Gambar 3 Hasil simulasi S 11 single square patch Langkah optimasi dilakukan agar antena menghasilkan perfoma yang sesuai dengan yang diinginkan. Dengan mengambil frekuensi tengah antena pada 2.75 GHz, sehingga bandwdth 91.6 MHz.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Pengoptimasian dapat dilakukan dengan mengubah ukuran dimensi hingga didapatkan hasil yang optimal melalui simulator CST. Gambar 4.Hasil optimasi S 11 single square patch Gambar 7. Simulasi VSWR antena Sehingga dapat dilihat hasil perbandingan hasil dimensi patch sebelum optimasi dan setelah optimasi dapat dilihat pada Tabel (2) : Tabel 2. Perbandingan dimensi antena sebelum dan setelah optimasi Dimensi Single Patch Sebelum Optimasi Sesudah Optimasi W=L L 0 W 0 y 0 W=L L 0 W 0 y 0 22,5 13 2, , ,9 8 Pada dasarnya antena log-periodik mikrostrip adalah antena yang di array dengan struktur berulang secara periodik. Maka dibawah ini dapat dilihat hasil dari penyusunan 17 patch menggunakan simulator CST yang terdapat pada Gambar (5). Gambar 8. Simulasi polaradiasi Antena Log Periodik Mikrostrip 17 patch Berdasarkan hasil simulasi diatas didapatkan return loss yang berada di bawah nilai -10 db pada setiap patch antena, kecuali pada patch frekuensi 2 GHz yang bernilai -5 db. Sedangkan nilai VSWR antena pada simulasi bervariasi, dengan beberapa frekuensi patch tidak berada pada nilai dibawah dua, yang merupakan acuan nilai VSWR dikatakan baik pada sebuah antena. Gambar 5. Simulasi Optimasi Antena Log Periodik Mikrostrip Hasil yang dikatakan sesuai dengan harapan adalah hasil dari S 11 bernilai dibawah -10. Hasil simulasi S 11 dari simulasi optimasi antena log periodik mikrostrip terdapat pada Gambar 6 : D. Implementasi Antena Pencatuan antena dilakukan dengan diletakkannya konektor N 50 Ohm pada ujung saluran (feed line). Impedansi dipilih 50 Ω karena perangkat pengukur parameter unjuk kerja antena mempunyai impedansi input sebesar 50 Ω, seperti pada Gambar 9. Gambar 9. Antena hasil penelitian Gambar 6. Simulasi s 11 Antena Log Periodik Mikrostrip 17 patch E. EMC (Electromagnetic Compability) EMC (Electromagnetic Compability) atau Kompatibilitas elektromagnetik adalah toleransi gelombang elektromagnetik yang diijinkan yang ikut terpancarkan ketika sebuah modul elektronik berfungsi. Electromagnetic

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Compability (EMC) kadang-kadang disebut sebagai EMI Kontrol, dan dalam praktek EMC dan EMI sering disebut sebagai istilah gabungan "EMC / EMI". Sementara itu yang dimaksud dengan gangguan elektromagnetik (EMI) adalah sebuah fenomena radiasi yang dipancarkan dan dampaknya adalah kompatibilitas elektromagnetik (EMC) yaitu karakteristik peralatan atau properti yang tidak dapat diterima di lingkungan EMI. Cara lain untuk mengatakan ini adalah EMC kontrol dari EMI sehingga efek yang tidak diinginkan akan dicegah. Karena hasil dari emisi ini, akan mempengaruhi peralatan elektronik lainnya yang rentan untuk emisi ini. Sebagai mikroprosesor lebih banyak digunakan untuk menggantikan cara analog atau mekanis dari produk, menjadi jelas bahwa masalah EMC tidak dapat diabaikan. Mengabaikan hal ini akan menyebabkan produk untuk tiba-tiba tidak berfungsi atau bahkan menyebabkan kerusakan properti atau nyawa. III. EVALUASI DAN ANALISA Ukuran fisik antena mikrostrip dapat terwujud sesuai keinginan jika diketahui berapa besar frekuensi kerjanya. Karena perancangan antena mikrostrip pada penelitian ini, ada pada range frekuensi 2 GHz 3.5 GHz maka frekuensi tengah adalah 2.75 GHz. Parameter yang diukur dalam pengukuran ini adalah return loss, VSWR, bandwidth, gain dan pola radiasi. Perangkat Network Analyzer di Lab Antena dan Propagasi Teknik Elektro ITS digunakan untuk mengukur nilai return loss, VSWR dan bandwidth, sedangkan Signal Generator dan Spectrum Analyer di Lab Antena dan Propagasi PENS digunakan untuk mengetahui nilai daya terima antenna yang digunakan untuk mengetahui nilai gain dan pola radiasi. Setelah mendapatkan hasil pengukuran antena maka hasil tersebut akan dibandingkan dengan hasil simulasi. A. Analisa Nilai Return loss, Bandwidth dan VSWR Pengukuran return loss dan VSWR dilakukan dengan menggunakan Network Analyzer, antena dihubungkan dengan perangkat tersebut melalui kabel koaksial dan konektor. Perbandingan nilai return loss antena mikrostrip hasil simulasi dan hasil pengukuran dapat dilihat pada gambar 10. Nilai return loss terendah pada saat simulasi adalah -35 db, sedangkan pada saat pengukuran sebesar -41 db. Hasil pengukuran nilai VSWR antena ditunjukkapn pada gambar 11.Dari hasil pengukuran didapat perbedaan antara hasil simulasi dan pengukuran ini,dimana pada hasil pengukuran nilai VSWR antena berada di bawah 2.2, sedangkan pada hasil simulasi sebelumnya nilai VSWR bervariasi dengan nilai pada beberapa patch di atas dua. B. Pola Radiasi Untuk mengukur pola radiasi antena digunakan perangkat Signal Generator dan Spectrum Analyzer, antena pemancar dihubungkan dengan Signal Generator dan antena mikrostrip dihubungkan dengan Spectrum Analyzer. Antena mikrostrip diletakkan di atas tripot yang berfungsi untuk memutar posisi antena. Antena mikrostrip diputar dengan pertambahan sudut 10 o pada θ untuk posisi φ=0 o dan φ=90 o. Perbandingan pola radiasi antena hasil simulasi dan hasil pengukuran, dapat dilihat pada Gambar 12 untuk pola Gambar 10. Hasil pengukuran return loss antena Gambar 11. Hasil pengukuran VSWR antenna radiasi dengan φ=0 o dan pada Gambar 13 untuk pola radiasi φ=90 o. Gambar 12 dan 13 menunjukkan pola radiasi antena mikrostrip hasil simulasi dan hasil pengukuran memiliki pola radiasi yang sedikit berbeda. Pola radiasi φ=0 o pada hasil simulasi membentuk sebuah pola dimana terdapat suatu titik yang memberikan arah radiasi yang paling kuat, arah radiasi tersebut didapatkan ketika permukaan antena tepat mengarah ke sumber sinyal. Sedangkan arah radiasi yang paling lemah ada di bagian belakang antena. Pada pola radiasi hasil pengukuran, terlihat arah radiasi dari antena memiliki arah radiasi paling kuat pada sudut 10 0 hingga (a) Pola Radiasi hasil simulasi (b) Pola Radiasi Hasil Pengukuran Gambar 12. Perbandingan Pola Radiasi Φ=0 o Tidak jauh berbeda dengan pola radiasi φ=0 o, pola radiasi dengan φ=90 o juga memiliki suatu pola dimana arah radiasi paling kuat di satu arah tertentu. Pada hasil pengukuran arah radiasi yang paling kuat adalah dari sudut sampai Secara teori dapat disimpulkan antena mikrostrip memiliki pola radiasi directional dimana mempunyai sifat radiasi atau penerimaan gelombang elektromagnetik yang lebih efektif pada satu arah tertentu dibandingkan dengan arah lainnya.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Gain rata-rata antena yang dihasilkan adalah sebesar db. Pola radiasi antena memiliki hasil yang berbeda dengan hasil simulasi sebelumnya, dimana pada pengukuran pola radiasi menggunakan frekuensi tengah pada 2.75 GHz (a) Pola Radiasi hasil simulasi (b) Pola Radiasi Hasil Pengukuran Gambar 13. Perbandingan Pola Radiasi φ=90 o Antena C. Gain Antena Pengukuran gain pada antena dilakukan dengan cara membandingkan level daya terima antena yang direaliasikan dengan antena referensi. Antena referensi memiliki gain sebesar 7 dbi. Dari pengukuran diperoleh 5 sampel level daya terima seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. DAFTAR PUSTAKA [1] Alaydrus, Mudrik, Antena Prinsip & Aplikasi, Edisi Pertama, Graha Ilmu, Yogyakarta [2] Abuzairi Tomy. Antena Mikrostrip ri.blogspot.com/2009/2008/antenamirostrip.html. Diakses pada tanggal 7 Juni 2011 [3] Balanis, Constantine.A., Antena Theory : Analysis and Design, USA: John Willey and Sons [4] Liao, S.Y. Microwave Circuit Analysis and Amplifier Design, 2 nd edition. Soulders College Publishing NY [5] Williams, Tim, EMC for Product Designers Meeting The European Directive, Third Edition, Newnes,UK [6] Kamal,Mohammad, Peter Gardner, Microstrip Bandwidth Enhancement Using Log Periodic Technique With Inset Feed, Jurnal Tekhnologi, 41 (D) Dis 2004: Pengukuran Tabel 3. Pengukuran gain antena Level daya terima Antena Referensi (dbi) ke ,10 ke-2-53,3-52,4 ke-3-52,4-60,5 ke-4-56,5-55,4 ke-5-48,7-54,2 Level daya terima Antena Mikrostrip (db) Sampel tersebut kemudian dirata-rata kemudian digunakan untuk memperoleh gain antena. Gain antena (G t ) didapatkan dengan cara menambahkan gain antena referensi (G s ) dengan selisih level daya terima antena. Dari hasil pengukuran sebanyak lima kali diperoleh level daya terima antena referensi rata-rata sebesar -53,64 dbm dan level daya terima antena hasil penelitian sebesar dbm, maka dihitung gain antena penelitian rata-rata adalah : G t = G s + (P t ) (P s ) G t = 7 + (-53,64) (-56.12) G t = 9.48 db II. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari perancangan desain simulasi dan pengukuran antena yang telah direalisasikan maka dapat disimpulkan bahwa parameter antena telah memenuhi kriteria yang telah ditentukan. Walaupun parameter yang dihasilkan berbeda, namun baik antena mikrostrip saat simulasi maupun pengukuran sama-sama telah memenuhi kriteria. Pada simulasi didapatkan nilai return loss untuk frekuensi 2GHz- 3.5GHz Penelitian yang dilakukan mendapatkan hasil antena log periodik array yang terbuat dari bahan FR-4 dan bekerja pada frekuensi 2 GHz hinggs 3.5 GHz. Antena yang log periodik array yang dihasilkan memiliki patch sebanyak 17 patch, dengan dimensi yang berbeda, dimana besar dimensi disesuaikan dengan hasil simulasi optimal dari masingmasing patch antena. Antena hasil penelitian memiliki return loss dibawah -10 db dan VSWR dibawah 2, dimana telah dilakukan pengukuran return loss dan VSWR antena