PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA PLANAR ULTRA WIDEBAND BERBASIS METAMATERIAL MENGGUNAKAN SUBSTRAT FR-4

Transkripsi

1 SEMINAR TUGAS AKHIR / 18 Juni 2014 PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA PLANAR ULTRA WIDEBAND BERBASIS METAMATERIAL MENGGUNAKAN SUBSTRAT FR-4 ADITYA HERDIYAN PRATAMA NRP Dosen Pembimbing Eko Setijadi, S.T., M.T., Ph.D. Prasetiyono Hari Mukti, S.T., M.T., M.Sc. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2014

2 Outline Pendahuluan Dasar Teori Implementasi Antena Metamaterial Pada Substrat FR-4 Optimasi Antena Metamaterial Pada Substrat FR-4 Analisis Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Penutup 2

3 PENDAHULUAN 3

4 LatarBelakang Kebutuhanakanperangkatnirkabelyang meningkat Permintaan akan performa perangkat nirkabel yang tinggi Antena dengan performa tinggi 4

5 Antena dengan performa tinggi Ukuran kecil Bandwidth yang lebar Penggunaan daya yang rendah Kemudahan fabrikasi 5

6 Antena Kecil? Bandwidth Sempit, Efisiensi Daya Buruk, Gain dan Directivity Kecil 6

7 Solusi? Penggunaan sel Metamaterial untuk peningkatan bandwidth, efisiensi daya dan miniaturisasi ukuran Penggunaan substrat FR-4 untuk menekan biaya 7

8 Permasalahan Melakukan Implementasi desain antena metamaterial pada substrat FR-4 untuk meningkatkan kinerja ApakahAntenapadaSubstratFR-4 Memberikan Kinerja yang Lebih Baik? 8

9 BatasanMasalah Analisisdilakukanpadapita frekuensiultra Wideband( GHz) Substratyang digunakanadalahjenisfr-4 denganpropertifisik(ɛr= 4.3, μr= 1) Analisis perhitungan kualitas menggunakan tingkat return loss bandwidth (s11 < -10 db) Desainantenamenggunakansoftware CST Studio Suite

10 Tujuan Melakukan Analisa Implementasi desain antena metamaterial pada substrat FR-4 Melakukan Optimasi Antena pada Substrat FR-4 10

11 DASARTEORI 11

12 AntenaMikrostrip Definisi: antena yang berupa konduktor (biasanya berupa plat tembaga) yang dicetak pada sebuah media dielektrik yang disebut substrat Bagian: Patch, Substrat, danground 12

13 Kelebihan: Dapat berupa planar maupun non planar. Mudah difabrikasi dengan teknik pencetakan rangkaian Dengan bentuk patch yang berbeda dapat memberikan respon s11, pola radiasi dan directivity yang berbeda-beda sesuai kebutuhan Kekurangan: Bandwidth sempit Efisiensi daya buruk Gain dan Directivity yang Kecil 13

14 Parameter Antena Mikrostrip: PolaradiasidanGain Return Loss Bandwidth Distribusi Arus 14

15 Ultra Wideband Sinyal Ultra Wideband didefinisikan FCC dan ITU-R sebagai sinyal yang memiliki bandwidth melebihi 500 MHz atau 20% dari frekuensi kerjanya serta mencakup frekuensi diantara GHz 15

16 MetamaterialElektromagnetik Metamaterial Elektromagnetik :struktur elektromagnetik homogen buatan dengan sifat elektromagnet yang tidak dapat ditemui di alam 16

17 Contoh Antena Metamaterial: 17

18 Left Handed Metamaterial: Sebuah material atau bahan elektromagnetik yang memiliki indeksbias negatifyang disebabkanpermitivitasdanpermeabilitasyang bernilai negatif sehingga menimbulkan gelombang elektromagnetik propagasi terbalik. 18

19 Composite Right/Left Handed Metamaterial: Saluran transmisi CRLH atau composite right left handed transmission lineadalah sebuah implementasi left-handed metamaterialpada sebuah saluran transmisi Terdiri dari implementasi kapasitor interdigitaldan induktor shunt(stub) pada sebuah saluran transmisi 19

20 Interdigital Capacitor Shunt Inductor 20

21 IMPLEMENTASIDANSIMULASI ANTENAPADASUBSTRATFR-4 21

22 ImplementasipadaSubstratFR-4 Substratyang digunakanadalahfr-4 (ɛr= 4.3, μr= 1) denganukuran60 x 30 mm dan ketebalan 1.6 mm. Penyesuaian yang harus dilakukan: Perubahan jenis port panel mount menjadi pcb mount. Panjang saluran transmisi. Lebar saluran transmisi untuk mengakomodasi port baru. 22

23 Bentuk Antena pada Substrat FR-4 *Semua satuan dalam mm. 23

24 S-Parameter (S11) 24

25 AnalisisPengaruhSelMetamaterial Desain Antena tanpa Sel Metamaterial 25

26 S11 26

27 OPTIMASI ANTENA 27

28 MetodeOptimasi Parameter sweep: Optimasi dilakukan dengan melakukan tuning dimensi antena dimana setiap dimensi antena dirubah rubah untuk menemukan pengaruh setiap bagian antena tersebut pada respon s parameternya(s11). 28

29 Dimensi Antena Pengaruh L1 Return loss seluruh band dan bandwidth band ketiga L2 L3 Return loss seluruh band Return loss dan bandwidth band ketiga dan frekuensi 7 8 GHz W Return loss band kedua, ketiga, dan frekuensi 7 8 GHz Ltl + Ground Return loss seluruh band Ltl + Induktor 3 Return loss seluruh band Wtl Return loss band kedua, ketiga, frekuensi 4 5 GHz, dan frekuensi 7 8 GHz Lc Wgc Li Return loss band pertama, pergeseran frekuensi band kedua, bandwidth dan return loss band ketiga Return loss seluruh band, frekuensi 4 5 GHz, 7 8 GHz dan bandwidth band kedua dan ketiga Return loss band pertama, ketiga dan frekuensi 7 8 GHz, bandwidth band ketiga Wi Lg Return loss band pertama dan kedua Return loss band pertama, kedua dan frekuensi 4 5 GHz, 7 8 GHz serta bandwidth band pertama 29

30 Dimensi yang Meningkatkan Kinerja: Panjanglengan1 antenadari4.5 mm menjadi4.25 mm Panjanglengan3 antenadari4.5 mm menjadi5 mm Panjangsalurantransmisidari15 mm menjadi22.5 mm sertalebargrounddari10 mm menjadi17.5 mm Panjanginterdigitalcapacitordari2 mm menjadi1.75 mm Jarak antara konduktor kapasitor dari 0.26 mm menjadi 0.52 mm, lebarlenganantenadari1.5 mm menjadi2 mm, danpanjanglengan2 dari3.5 mm menjadi4.5 mm Panjanginduktor2 dari6.15 mm menjadi7.15 mm 30

31 ImplementasiHasilOptimasipada Antena 31

32 Kode Deskripsi Dimensi Lama Dimensi Baru L1 Panjang Lengan mm 4.25 mm L2 Panjang Lengan mm 4.5 mm L3 Panjang Lengan mm 5 mm Lc Panjang Interdigital capacitor 2 mm 1.75 mm Ltl Panjang Saluran Transmisi 15 mm 22.5 mm W Lebar Lengan Antena 1.5 mm 2 mm Wgc Jarak Antar Konduktor Kapasitor 0.26 mm 0.52 mm Wtl Lebar Saluran Transmisi 0.8 mm 0.8 mm Via Diameter Via 0.7 mm 0.7 mm Li1 Panjang Shunt Induktor mm 1.5 mm Li2 Panjang Shunt Induktor mm 7.15 mm Li3 Panjang Shunt Induktor mm 1.25 mm Lg Panjang Ground 60 mm 60 mm Wi Lebar Induktor 0.75 mm 0.75 mm Wg Lebar Ground 10 mm 17.5 mm 32

33 S parameter (s11) HasilSimulasi 33

34 Pola Radiasi(θ) 34

35 Distribusi Arus 35

36 ANALISISPERBANDINGANHASIL SIMULASIDANPENGUKURAN 36

37 AntenaHasilFabrikasi 37

38 MetodePengukuran 38

39 HasilPengukuran S Parameter (s11) 0-10 S11 Simulasi Pengukuran -20 Return Loss [d db] Frekuensi [Hz] x

40 Pola Radiasi(θ) Pola Radiasi pengukuran simulasi

41 PENUTUP 41

42 Kesimpulan Antena metamaterial ultra wideband yang dioptimasi menggunakan substrat FR-4 memiliki bandwidth sebesar 5.94 GHz pada frekuensi GHz. Hasil fabrikasi dan pengukuran yang dilakukan memberikan hasil yang kurang sesuai dengan simulasi dari segi return loss namun tidakterjadipergeseranfrekuensiresonansiyang terlalujauh. Hal inimungkindisebabkankesalahansaatprosesmenyolder. 42

43 TERIMA KASIH 43