Perancangan Antena Dipole-Helix pada Frekuensi 137 MHz untuk Aplikasi Receiver NOAA

Transkripsi

1 Seminar Nasional Peranan Ipteks Menuju Industri Masa Depan (PIMIMD-4) Institut Teknologi Padang (ITP), Padang, 27 Juli 2017 ISBN: Perancangan Antena Dipole-Helix pada Frekuensi 137 MHz untuk Aplikasi Receiver NOAA Yenniwarti Rafsyam 1, *, Indra Z 1, Jonifan 2, Eri Ester K 1, Wafi Akhlaqi K 1 1 Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Jakarta (PNJ) Jalan Prof. Dr. G.A Siwabessy, Kampus UI, Depok Universitas Gunadarma. Jl. Margonda Raya No.100, Depok, Jawa Barat. *Korespondensi dialamatkan melalui yennirafsyam@gmail.com Abstrak Antena Dipole merupakan sebuah antena yang dibuat dari kawat tembaga yang dipotong sesuai ukuran agar beresonansi pada frekuensi kerja yang diharapkan. Pada penelitian ini dilakukan perancangan antena Dipole pada Frekuensi 137 MHz untuk Aplikasi Receiver Satelit NOAA. Untuk meminiaturisasi antena, maka dilakukan dengan metode Diploe-Helix. Sehingga antena memiliki ukuran yang lebih kecil dengan frekuensi kerja yang tetap. Antena Dipole-Helix ini memiliki dimensi L = 541,2 mm dengan r = mm. Hasil simulasi menunjukan bahwa antena ini mampu bekerja pada Frekuensi MHz dengan nilai return loss (S11) sebesar db, VSWR sebesar 1.08, bandwidth MHz dan gain dbi. Hasil perancangan menunjukan bahwa antena tersebut dapat bekerja dengan baik untuk aplikasi receiver Satelit NOAA. Kata kunci: Antena, Dipole, Helix, VSWR, Return Loss 1. Pendahuluan Antena merupakan elemen rangkaian yang merubah bentuk gelombang terbimbing pada saluran kabel (Tx) ke dalam gelombang ruang bebas dan menangkap semua gelombang elektromagnetik, dan sebaliknya-rx [1]. Sedangkan pengertian antena berdasarkan IEEE oleh Stutzman & Thiele, antena merupakan bagian dari sistem pengiriman maupun penerimaan yang dirancang untuk meradiasi atau menangkap gelombang elektromagnetik [2]. Fungsi antena yang merambatkan (pemancar) dan antena penerima sama-sama mengolah sinyal, akan tetapi cara kerjanya berbeda. Antena pemancar berfungsi sebagai pengumpul sinyal yang diradiasikan tersebut. Antena pemancar yang baik mengubah energi radio frequensi (RF) yang diproduksi oleh pemancar radio menjadi medan elektromagnetik yang akan di pancarkan ke udara. Antena pemancar mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lain. Antena penerima melakukan hal yang sama, tetapi dengan arah kebalikannya. Antena penerima mengubah medan elektromagnetik menjadi energi (RF) yang kemudian diteruskan ke radio penerima [3]. Fungsi antena adalah untuk mengubah sinyal listrik menjadi sinyal elektromagnetik, lalu meradiasikannya. Sebaliknya antena juga dapat berfungsi untuk menerima sinyal elektromagnetik dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Daerah antena merupakan pembatas dari karakteristik gelombang elektromagnetika yang dipancarkan oleh antena. Pembagian daerah disekitar di buat untuk mempermudah pengamatan struktur medan di masing masing daerah antena tersebut [3]. Pada daerah antena energi diteruskan ke ruang bebas sehingga daerah ini merupakan transisi antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas [3]. Antena dipole merupakan sebuah antena yang dibuat dari kawat tembaga yang dipotong sesuai ukuran agar beresonansi pada frekuensi kerja yang diharapkan. Pada penelitian ini dilakukan perancangan antena Dipole pada Frekuensi 137 MHz untuk Aplikasi Receiver Satelit NOAA. Untuk meminiaturisasi antena, maka dilakukan dengan metode Dipole-Helix. Sehingga antena memiliki ukuran yang lebih kecil dengan frekuensi kerja yang tetap. Antena Dipole-Helix ini memiliki dimensi L = 1582,48 mm dengan r = mm. Antena disimulasikan menggunakan software CST untuk kemudian di optimasi dan dianalisa ITP Press. All rights reserved. DOI /PIMIMD

2 Perancangan Antena Helix Antena Helix terdiri dari konduktor tunggal atau multi konduktor terbuka yang berbentuk Helix. Antena Helix merupkan antena yang memiliki bentuk tiga dimensi. Bentuk dari antena Helix menyerupai per atau pegas dan diameter serta jarak antar lilitan berukuran tertentu [3]. Antena Helix telah banyak digunakan. Seperti pada penelitiannya Setiawan, Wijanto, dan Wahyu [4] yang mengimplementasikan penggunaan antena cloverleaf yang dipasang pada transmitter video pada quadcopter serta antena helix yang dipasang pada receiver video quadcopter yang berada pada ground station dengan frekuensi 5,8 GHz yang digunakan sebagai alat bantu untuk memaksimalkan pengambilan gambar video dari udara atau yang biasa dikenal dalam istilah dunia aeromodelling yaitu First Person View (FPV). Penelitian lainnya, Salsabil, syailendra [5] tentang perancangan, simulasi, dan implementasi antena Helix yang digunakan dalam komunikasi antar titik jaringan LAN nirkabel (wifi) yang beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz atau dapat juga berfungsi sebagai antena pengganti pada client. Sementara pada penelitian [6] dilakukan perancangan antena Helix dengan pola radiasi directional yang dapat beroperasi pada frekuensi GSM dengan variasi pada jumlah lilitan. Sebelum implementasi, untuk mengetahui atau memperkirakan dimensi antena akan dilakukan perhitungan secara manual dan dibantu dengan menggunakan perangkat lunak. Parameter antena yang akan diukur adalah daya pancar dan daya terima, frekuensi kerja, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) dan pola radiasi. Untuk mengetahui kinerja antena Helix, antena dihubungkan pada sebuah modem GSM yang dipasang pada laptop dengan menggunakan pigtail khusus. Pengujian dilakukan pada daerah yang memiliki sinyal dengan level daya rendah dan nilai daya terima sinyal GSM diamati menggunakan perangkat lunak sehingga bisa diketahui apakah antena Helix tersebut dapat meningkatkan sinyal atau tidak. Antena Helix merupakan suatu antena yang terdiri dari conducting wire yang dililitkan pada media penyangga berbentuk helix. Antena Helix merupakan antena yang mempunyai bentuk tiga dimensi. Bentuk dari antena Helix menyerupai pegas dengan diameter lilitan serta jarak antar lilitan berukuran tertentu. Bentuk dari antena Helix [3] : Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang Pada antena Helix menggunakan kawat tembaga yang dililitkan pada pipa PVC (Polyvinyl Chloride), lempengan seng sebagai ground plane, konektor SMA Female serta pigtail yang nantinya menjadi penghubung dari antena ke handphone dan modem. Pemilihan antena Helix dikarenakan mempunyai kemampuan yang baik untuk menguatkan sinyal dan proses pembuatannya dapat dipahami oleh banyak orang. Antena Helix mempunyai bentuk geometri 3 dimensi, gambar berikut adalah bentuk dasar dari sebuah Antena Helix dengan parameter-parameternya : Gambar 1. Bentuk Antena Helix D = diameter dari Helix, C = circumference (keliling) dari Helix= ᴨD, α = sudut jepit (pitch angle) = arctan S/ ᴨD, S = jarak antar lilitan, L = panjang dari 1 lilitan, n = jumlah lilitan, A = axial lenght = ns, d = diameter konduktor helix. Diameter dan keliling (circumference) digunakan sebagai parameter dalam menentukan frekuensi kerja dari Helix. Axial Length dan pitch angle menentukan gain dari Helix. Untuk mencari diameter antena Helix dapat menggunakan persamaan berikut[9] : D = / (2.1) Sementara untuk menghitung circumference dapat menggunakan persamaan berikut[9] : C = x D (2.2) Circumference dari antena Helix bernilai kurang lebih satu kali panjang gelombang pada frekuensi kerjanya (0,75λ<C<1,3λ) atau nilai optimum adalah 1. Sementara sudut jepit (pitch

3 Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 283 angel), α yang optimal adalah antara 120 α 140. Jarak antar lilitan dicari dengan menggunakan rumus[11] : S = 0.25 C (2.3) Untuk mencari panjang dari antena Helix dapat menggunakan persamaan berikut[3] : A= n x S (2.3) Makin panjang axial length maka makin besar pula gain dari antena Helix. Antena Helix biasanya dipasang pada sebuah ground plane seperti pada Gambar 1. Ground plane dapat berbentuk apa saja, tetapi biasanya berbentuk segi empat atau lingkaran yang datar dengan ukuran diameter atau sisi minimal 3/4. Penggunaan ground plane ini bertujuan agar back lobe dari antena Helix dapat diminimalisasi. Gambar 3. Dimensi antena dipole 137,9 MHz. Antena ini kemudian ditambahkan reflektor. Seperti terlihat pada Gambar 4 dan Gambar 5. Jarak antara antena dan reflektor sebesar 802 mm. 3. Desain dan Simulasi Antena Helix Pengerjaan penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yang dilakukan secara berurutan. Berikut adalah tahapan yang diperlukan untuk membuat dan mensimulasikan antena Helix : a) Penentuan Spesifikasi Antena b) Simulasi Dual Cross Dipole c) Simulasi antena Helix d) Opltimalisasi desain. Antena dipole ini dirancang agar dapat berkerja pada frekuensi MHz. Dimensi pertama terlihat pada Gambar 2. Antena memiliki panjang L = mm dengan d = 50 mm. Gambar 4. Dimensi antena dipole 137,9 MHz. Gambar 5. Dimensi antena dipole 137,9 MHz. Gambar 2. Dimensi antena dipole 137,9 MHz. Gambar 3 memperlihatkan desain antena single cross dipole. Antena ini memiliki dimensi L = Tahapan terakhir yaitu dengan melakukan desain helix pada antena dipole. Desain tersebut terlihat pada Gambar 6. Nilai L = mm dengan r = 28 mm dan d = 28 mm. Gambar 6. Desain antena Helix

4 Return Loss (db) VSWR Return loss (db) Bandwidth (MHz) Gain (dbi) 284 Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 0 Sehingga dimensi paling optimal diperoleh saat r = mm r = 28 r = 29 r = 30 r = r = 32 r = r = r = r = 33 r = 34.5 r = Frekuensi (MHz) Gambar 7. Optimasi Desain antena Helix Bandwidth 17 Gain Nilai r (mm) Gambar 7 memperlihatkan optimasi desain antena Helix. Desain antena tersebut disimulasikan pada frekuensi 100 MHz sampai dengan 200 MHz. Antena ini memiliki respon yang beragam. Iterasi nilai return loss dilakukan dengan merubah nilai r dari 28 mm sampai dengan 35 mm. Nilai r terbaik diperoleh saar r = mm Return Loss VSWR Gambar 9. Simulasi Bandwidth dan Gain Pada Gambar 9 memperlihatkan hasil simulasi bandwidth antena (MHz) dan Gain antena (dbi). Hasil simulasi memperlihatkan bahwa antena tersebut memiliki Bandwidth antara 23 MHz dan 18 MHz. Nilai bandwidth yang paling besar berada pada saat nilai r sebesar 28 mm sementara nilai bandwidth terkecil berada pada saat nilai r sebesar 35mm. Selain nilai bandwidth, nilai Gain antena sebesar 1.3 dbi saat r sebesar 28 mm. Sementara gain terbesar diperoleh saat r sebesar 35 mm Nilai r (mm) Simpulan Pada penelitian ini berhasil dirancang Antena Dipole-Helix yang memiliki dimensi L = 1582,48 mm dengan r = mm. Hasil simulasi menunjukan bahwa antena ini mampu bekerja pada Frekuensi MHz dengan nilai return loss (S11) sebesar db, VSWR sebesar 1.08, bandwidth MHz dan gain dbi. Hasil perancangan menunjukan bahwa antena tersebut dapat bekerja dengan baik untuk aplikasi receiver Satelit NOAA. Gambar 8. Pengaruh Nilai r terhadap nilai Return Loss dan VSWR Gambar 8 memperlihatkan iterasi nilai r serta pengaruhnya terhadap nilai return loss dan VSWR. Nilai return loss sebanding dengan nilai VSWR. Nilai return loss terbaik diperoleh saat r = dengan VSWR sebesar Ucapan Terima Kasih Penelitian ini didanai oleh DIPA PNJ skim Penelitian Produk Terapan. SIMLITABMAS DIKTI.

5 Prosiding Seminar Nasional PIMIMD-4, ITP, Padang 285 Referensi [1] Ramiati Analisis Unjuk Kerja Penggunaan Bahan Tembaga, Besi, Dan Aluminium Untuk Aplikasi Antena Pada Frekuensi Mhz. Poli Rekayasa Vol.8 ISSN : [2] Warren L.Stutzman, Gary A.Thiele 1981, Antenna Theory And Design. John Wiley & Sons. Inc. [3] Irianto Antonius, Perancangan Antena Helix Untuk Frekuensi 2,4 GHz. Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008). [4] Setiawan Agil, Heroe Wijanto, dan Yuyu Wahyu. Perancangan Dan Realisasi Antena Cloverleaf dan Antena Helix Sebagai Antena Fpv (First Person View) Pada Quadcopter. openlibrary. Telkomuniversity.ac.id. [5] Salsabil, syailendra. Tahun Pembuatan antena omnidirectional 2,4GHz untuk jaringan wireless-lan, PEN-ITS. [6] D. Fabianu., etal. Perancangan Antena Helix Untuk Meningkatkan Daya Terima Sinyal Gsm 900 Yang Memiliki Level Daya Rendah. Transient, Vol.3, No. 4, Desember 2014, ISSN: , 537. [7] Ristua P. Simangunsong, Orlando, Perancangan Antena Helix Secara Simulasi Untuk Aplikasi Bluetooth, Tugas Akhir S-1, Universitas Sumatera Utara, Medan, 2010.