STUDI PERANCANGAN SALURAN PENCATU UNTUK ANTENA MIKROSTRIP ARRAY ELEMEN 2X2 DENGAN PENCATUAN APERTURE COUPLED

Transkripsi

1 STUDI PERANCANGAN SALURAN PENCATU UNTUK ANTENA MIKROSTRIP ARRAY ELEMEN 2X2 DENGAN PENCATUAN APERTURE COUPLED Pindo Ahmad Alfadil (1), Ali Hanafiah Rambe (2) Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan INDONESIA Abstrak Wireless Local Area Network (WLAN) merupakan salah satu aplikasi pengembangan dari wireless yang digunakan untuk komunikasi data. Salah satu perangkat yang dibutuhkan pada sistem WLAN adalah antena. Ada berbagai jenis antena yang dapat digunakan pada WLAN diantaranya adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip array elemen 2x2 banyak digunakan karena antena ini memiliki nilai gain yang lebih baik dibandingkan dengan antena mikrostrip elemen tunggal. Terdapat beberapa teknik konfigurasi saluran pencatu yang dapat digunakan sebagai sistem pencatuan antena mikrostrip array elemen 2x2. Pada penulisan ini telah dirancang 4(empat) teknik konfigurasi yang dapat digunakan sebagai sistem pencatuan untuk antena mikrostrip array elemen 2x2. Dari hasil perancangan diperoleh salah satu antena dengan nilai VSWR dan nilai gain sebesar db dengan pola radiasi directional. Kata kunci: Antena Mikrostrip, Saluran Pencatu, Gain 1. Pendahuluan Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas groundplane yang diantaranya terdapat bahan elektrik. Antena mikrostrip array adalah pengembangan dari antena mikrostrip yang merupakan penggabungan dari beberapa elemen peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Antena mikrostrip array elemen 2x2 merupakan salah satu antena yang dapat digunakan pada sistem WLAN. Antena ini dapat dirancang dengan mengubah dan memperhatikan titik-titik percabangan beserta impedansi dari sistem saluran pencatu. Adapun parameter yang dapat diukur meliputi VSWR, gain, dan pola radiasi. Untuk mendapatkan hasil yang optimal dapat dilakukan dengan cara mengubah jarak antar elemen (patch) yang terdekat dan memperhatikan titik-titik percabangan dari saluran pencatu. Perancangan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak AWR Microwave Office mikrostrip adalah dimensi antena, bandwith, VSWR, pola radiasi, dan gain [1]. Antena array adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara array adalah bagian patch. Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dibagi menjadi 2, yaitu pencatuan secara langsung dan pencatuan secara tidak langsung. Teknik pencatuan aperture coupled termasuk teknik pencatuan secara tidak langsung[2]. Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider. Dalam hal ini metoda Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 1 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson[3]. 2. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 3 komponen yaitu : groundplane, substrate, dan patch peradiasi. Beberapa parameter utama dari antena Gambar 1. N-Way Wilkinson Combiner. copyright DTE FT USU 19

2 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan persaamaan berikut : Z = Z 0 (1) dimana N adalah jumlah titik percabangan dan Z 0 adalah impedansi masukkan awal. T-Junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunkan pada konfigurasi antena array. Terdapat 2 jenis T-Junction 50 Ω yang dapat digunakan sebagai power divider seperti ditunjukkan pada Gambar 2 [4]: Gambar 2. T-Junction 50 Ohm 3. Perancangan Patch Elemen Tunggal Dalam perancangan antena mikrostrip bahan substrat yang digunakan memilki spesifikasi sebagai berikut : 1. Bahan dielektrik : epoxy fiberglass-fr 4 2. Konstanta dielektrik (ɛr) = Ketebalan lapisan dileketrik (h) = 1.6 mm 4. Loss tangent = Frekuensi kerja (fr) = 2.45 GHz Sebelum merancang konfigurasi saluran pencatu untuk antena mikrostrip array elemen 2x2, tentukan dahulu antena mikrostrip elemen tunggal. Proses tersebut bertujuan sebagai dasar dari data-data yang akan digunakan dalam perancangan antena mikrostrip array elemen 2x2. Dari parameter yang telah ditentukan sebelumnya dapat ditentukan dimensi patch antena yang akan dirancang. Dari hasil perhitungan dan iterasi diperoleh panjang (Lp) dan lebar (Wp) masing-masing adalah 32 mm dan 37 mm. Saluran pencatu yang digunakan dalam perancangan sebaiknya mempunyai atau mendekati impedansi masukkan sebesar 50 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi yang diharapkan dilakukan pengaturan lebar (W) dari saluran pencatu dengan persamaan berikut [5] : B = (2) W= { ( ) [ ( ) ]}(3) dimana B adalah besarnya impedansi pada saluran. Dengan nilai Zo = 50 Ω; dan ɛ r = 4.4, maka lebar saluran pencatu 50 Ω adalah : W = B = ( ) = 5.64 ( ) { ( ) [ ( ) ]} = 3 mm Pencatuan dengan menggunakan aperture coupled memiliki beberapa parameter yang dapat mempengaruhi pengkopelan dari saluran pencatu ke patch diantaranya bentuk slot, ukuran slot, dan lokasi penempatannya. Untuk menghitung panjang (La) dan lebar (Wa) dari slot dapat menggunakan persamaan berikut [6] : Panjang slot aperture (L a ) dapat diperoleh sekitar : L a ~ ( ) λ 0 (3) dan lebar slot aperture (W a ) : W a = 0.1L a (4) Dari persamaan dapat diketahui bahwa panjang (L a ) dan lebar (W a ) slot aperture masing-masing adalah sebesar 25mm dan 3mm. Dengan menggunakan data-data yang telah ditentukan sebelumnya dapat mempermudah perancangan antena pada perangkat lunak yang digunakan. Hasil simulasi antena mikrostrip elemen tunggal setelah optimasi dengan menggunakan perangkat lunak AWR microwave Office 2004 seperti yang tampak pada Gambar 3 dan 4. Gambar 3. Grafik VSWR Hasil Simulasi Elemen Tunggal Gambar 4. Nilai Gain dan Pola Radiasi hasil Simulasi Elemen Tunggal Dari Gambar 3 dapat diketahui besarnya nilai VSWR yang diperoleh adalah Nilai tersebut telah memenuhi syarat untuk merancang antena yang baik. Karena pada umumnya nilai VSWR yang dianggap baik yaitu 1 VSWR 2. Dari Gambar 4 dapat diketahui nilai gain yang copyright DTE FT USU 20

3 37 mm 37 mm SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari diperoleh yaitu sebesar db. Sedangkan pola radiasi yang dihasilkan adalah pola radiasi directional. 4. Perancangan Konfigurasi Saluran Pencatu Antena Mikrostrip Array Elemen 2x2. Proses perancangan ini akan menggunakan data-data yang telah ditentukan dari perancangan antena mikrostrip elemen tunggal. Pada proses perancangan ini terdapat 4 patch yang memilki data yang sama disusun secara planar (2x2). Adapun bentuk antena mikrostrip array elemen 2x2 ditunjukkan pada Gambar mm 12 mm 61 mm hasil simulasi Konfigurasi-1 saluran pencatu pada Gambar 7 dan 8. Gambar 7. Grafik VSWR Hasil Perancangan Awal Konfigurasi-1 61 mm 12 mm 32 mm 32 mm 12 mm Gambar 5. Antena Mikrostrip Array Elemen 2x2 4.1 Rancangan Konfigurasi-1 Adapun bentuk Konfigurasi-1 yang akan dirancang seperti yang tampak pada Gambar 6. Konfigurasi-1 Gambar 6. Konfigurasi-1 Antena Mikrostrip yang Akan Dirancang Dari Gambar 6 dapat diketahui bahwa impedansi masukkan yang digunakan adalah sebesar 50 Ω. Menurut metoda Wilkinson setiap terdapat 2 titik percabangan maka T-Junction yang digunakan adalah 70.7 Ω. Lebar saluran pencatu mikrostrip 70.7 Ω dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2 dan 3. Dari Persamaan 2 dan 3 dapat diperoleh bahwa lebar saluran pencatu mikrostrip 70.7 Ω adalah sebesar 1.6 mm. Melalui perangkat lunak TxLine 2003 diperoleh panjangnya sebesar 17 mm. Sedangkan untuk saluran pencatu mikrostrip 50 Ω mempunyai lebar sama seperti yang telah diperoleh sebelumnya yaitu sebesar 3 mm. Untuk panjangnya dapat berubah disesuaikan dengan jarak antar elemen yang dirancang. Gambar 8. Grafik VSWR Hasil Simulasi Rancangan Konfigurasi-1 yang Optimal Dari Gambar 7 dapat diketahui besarnya nilai VSWR perancangan awal adalah pada frekuensi 2.45 GHz. Hasil ini belum optimal karena tititk puncak (balik) VSWR berada pada frekuensi 2.4 GHz. Untuk mendapatkan hasil yang optimal dapat dilakukan dengan cara mengubah jarak antar elemen terdekat. Gambar 8 menunjukkan nilai VSWR setelah perubahan jarak yang optimal. Adapaun nilai optimum VSWR yang diperoleh adalah sebesar pada frekuensi 2.45 GHz. Gambar 9. Dari gambar tampak bahwa nilai gain yang diperoleh adalah sebesar 2.76 db dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional. Gambar 9. Hasil Simulasi Gain dan Pola Radiasi Konfigurasi Rancangan Konfigurasi-2 Adapun bentuk Konfigurasi-2 yang akan dirancang seperti yang tampak pada Gambar 10. copyright DTE FT USU 21

4 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Konfigurasi-2 Gambar 10. Konfigurasi-2 Antena Mikrostrip yang Akan Dirancang Dari Gambar 10 dapat diketahui bahwa impedansi masukkan yang digunakan adalah sebesar 50 Ω. Sesuai metoda Wilkinson karena memiliki 3 titik percabangan impedansi maka T-Junction yang digunakan adalah 86.6 Ω. Lebar saluran pencatu 86.6 Ω dapat diketahui dengan menggunakan Persamaan 2 dan 3. Dari Persamaan 2 dan 3 dapat diperoleh bahwa lebar saluran pencatu mikrostrip 86.6 Ω adalah sebesar 1mm. Dengan menggunakan TxLine maka diperoleh panjang saluran impedansinya sebesar 17 mm. Sedangkan panjang dan lebar untuk T-Junction 70.7 Ω adalah 17 mm dan 1.6 mm. hasil simulasi Konfigurasi-2 saluran pencatu pada Gambar 11 dan 12. Gambar 11. Grafik VSWR Hasil Perancangan Awal Konfigurasi-2 Gambar 12. Grafik VSWR Hasil Simulasi Rancangan Konfigurasi-2 yang Optimal Dari Gambar 11 dapat diketahui besarnya nilai VSWR perancangan awal adalah pada frekuensi 2.45 GHz. Hasil ini sudah termasuk kriteria yang bisa digunakan, akan tetapi nilai yang diperoleh belum optimal. Untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal dapat dilakukan dengan cara mengubah jarak antar elemen terdekat. Gambar 12 menunjukkan nilai VSWR setelah pemilihan jarak yang tepat. Adapun nilai optimum VSWR yang diperoleh adalah sebesar 1.37 pada frekuensi 2.45 GHz. Gambar 13. Dari gambar tampak bahwa nilai gain yang diperoleh adalah sebesar db dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional. Gambar 13. Hasil Simulasi Gain dan Pola Radiasi Konfigurasi Rancangan Konfigurasi-3 Adapun bentuk Konfigurasi-3 yang akan dirancang seperti yang tampak pada Gambar 14. Konfigurasi-3 Gambar 14. Konfigurasi-3 Antena Mikrostrip yang Akan Dirancang Dari Gambar 14 dapat diketahui bahwa impedansi masukkan yang digunakan adalah sebesar 50 Ω. T-Junction awal yang digunakan adalah Ω. Lebar saluran pencatu Ω dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2 dan 3. Dari Persamaan 2 dan 3 dapat diperoleh bahwa lebar saluran pencatu Ω adalah sebesar 5 mm. Dengan menggunakan TxLine maka diperoleh panjang saluran impedansinya sebesar 16 mm. Untuk T-Junction 70.7 Ω mempunyai lebar dan panjang masing-masing sebesar 1.6 mm dan 17 mm. Untuk saluran impedansi 50 Ω mempunyai lebar 3 mm sedangkan untuk panjangnya dapat berubah sesuai dengan jarak patch yang dirancang. hasil simulasi Konfigurasi-3 saluran pencatu copyright DTE FT USU 22

5 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari pada Gambar 15 dan 16. Gambar 15. Grafik VSWR Hasil Perancangan Awal Konfigurasi-3 Gambar 16. Grafik VSWR Hasil Simulasi Rancangan Konfigurasi-3 yang Optimal Dari Gambar 15 dapat diketahui besarnya nilai VSWR perancangan awal adalah pada frekuensi 2.45 GHz. Hasil ini belum optimal karena tititk puncak (balik) VSWR berada pada frekuensi 2.4 GHz. Untuk mendapatkan hasil yang optimal dapat dilakukan dengan cara mengubah jarak antar elemen terdekat. Gambar 13. menunjukkan nilai VSWR setelah pemilihan jarak antar elemen yang tepat. Adapaun nilai optimum VSWR yang diperoleh adalah sebesar pada frekuensi 2.45 GHz. Gambar 17. Dari gambar tampak bahwa nilai gain yang diperoleh adalah sebesar 2.03 db dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional. Gambar 17. Hasil Simulasi Gain dan Pola Radiasi Konfigurasi Rancangan Konfigurasi-4 Adapun bentuk Konfigurasi-4 yang akan dirancang seperti yang tampak pada Gambar 18. Konfigurasi-4 Gambar 18. Konfigurasi-4 Antena Mikrostrip yang Akan Dirancang Dari Gambar 18 dapat diketahui bahwa impedansi masukan yang digunakan adalah sebesar 50 Ω. Sesuai dengan metoda Wilkinson, apabila terdapat 2 titik percabangan maka dapat menggunakan T-Junction 70.7 Ω. Adapun panjang dan lebar dari T-Junction 70.7 Ω masing-masing sebesar 17 mm dan 1.6 mm. Untuk saluran impedansi 50 Ω tiap-tiap saluran memiliki lebar sebesar 3 mm. Sedangkan untuk panjang saluran impedansi 50 Ω dapat berubah sesuai dengan jarak antar elemen (patch) yang dirancang. hasil simulasi Konfigurasi-3 saluran pencatu pada Gambar 19 dan 20. Gambar 19. Grafik VSWR Hasil Perancangan Awal Konfigurasi-4 Gambar 20. Grafik VSWR Hasil Simulasi Rancangan Konfigurasi-4 yang Optimal Dari Gambar 19 dapat diketahui besarnya nilai VSWR perancangan awal adalah pada frekuensi 2.45 GHz. Untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal dapat dilakukan dengan cara mengubah jarak antar elemen terdekat. Gambar 20 menunjukkan nilai VSWR setelah pemilihan jarak antar elemen yang tepat. Adapaun nilai optimum VSWR yang diperoleh adalah sebesar pada frekuensi 2.45 GHz. Gambar 21. Dari gambar tampak bahwa nilai gain yang diperoleh adalah sebesar db dan pola radiasi yang terbentuk adalah directional. copyright DTE FT USU 23

6 SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Gambar 21. Hasil Simulasi Gain dan Pola Radiasi Konfigurasi-4 5. Analisis Hasil Simulasi Tabel 1. menunjukkan perbandingan nilai VSWR gain, dan dimensi antena dari tiap-tiap konfigurasi yang telah dirancang dan disimulasikan. Tabel 1. Perbandingan Hasil Simulasi Jenis Antena/Saluran Pencatu VSWR Gain (db) Dimensi Antena (mm) Elemen Tunggal x56 Konfigurasi x124 Konfigurasi x128 Konfigurasi x126 Konfigurasi x128 Dari Tabel 1 dapat diketahui bahwa konfigurasi terbaik yang dapat digunakan untuk antena mikrostrip array elemen 2x2 adalah Konfigurasi-4. Hal ini dikarenakan pada Konfigurasi-4 antena memiliki nilai gain yang terbaik yaitu sebesar db dan nilai VSWR sebesar Kesimpulan Dari analisa yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Jarak antar elemen pada antena mikrostrip array elemen 2x2 dapat mempengaruhi nilai VSWR. Pemilihan jarak antar elemen yang tepat, akan menghasilkan nilai VSWR yang maksimal. 2. Dari 4 jenis konfigurasi yang telah dirancang, diperoleh bahwa jenis Konfigurasi-1 memiliki nilai VSWR yang paling baik yaitu sebesar Bentuk konfigurasi saluran pencatu akan mempengaruhi nilai gain yang dihasilkan. Apabila saluran pencatu memiliki arah aliran arus yang sama (searah) maka gain yang dihasilkan akan besar. Akan tetapi apabila saluran pencatu memiliki arah aliran arus yang berlawanan maka gain yang dihasilkan akan kecil. 4. Dari 4 jenis konfigurasi yang telah dirancang, diperoleh bahwa jenis Konfigurasi-4 memiliki nilai gain yang paling baik yaitu sebesar db 5. Konfigurasi-4 adalah konfigurasi terbaik yang dapat digunakan sebagai sistem pencatu antena mikrostrip array elemen 2x2. Hal ini dikarenakan dengan menggunakan konfigurasi tersebut antena memiliki nilai gain yang paling baik yaitu sebesar db dan memilki nilai VSWR sebesar Daftar Pustaka [1] Surjati, Indra Antena Mikrostrip : Konsep dan Aplikasinya. Jakarta : Universitas Trisakti. [2] Young, Daniel UHF Microstrip Antena Design and Simulation. First Edition, Sim University Press. [3] Julio A. Navarro dan Kai Chang Integrated Active Antennas and Spatial Power Combining. USA : John Willey [4] Adel Bedair Abdel Mooty Abdel-Rahman, Design and Development of High Gain Wideband Microstrip Antenna and DGS Filters Using Numerical Experimentation Approach. Disertasy, University Magdeburg [5] fahrazal, Muhammad Rancang Bangun Antena Mikrostrip Triple-Band Linier Array 4 Elemen Untuk Aplikasi WIMAX. [6] Zarreen Aijaz dan S.C.Shivastava. Double Slot Coupled Microstrip Antenna, International Journal of Engineering Research and Aplication (IJERA), ISSN : , vol. 1, hal : copyright DTE FT USU 24