STUDI PENYESUAIAN IMPEDANSI PADA ANTENA ULTRA WIDEBAND

Transkripsi

1 National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, Oktober 216 ISSN: x STUDI PENYESUAIAN IMPEDANSI PADA ANTENA ULTRA WIDEBAND Firdaus 1), Yulindon 2), Ratna Dewi 3), Meza Silvana 4) 1) 2)3) Teknik Telekomunikasi, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang, Padang Kampus Limau Manis Padang 4) Teknologi Informasi, Universitas Andalas Kampus Limau Manis Padang firdaus@pnp.ac.id 1), yulindon@pnp.ac.id 2), aisyza@yahoo.com 4) Abstrak Pada makalah ini dibahas beberapa metoda penyesuaian impedansi pada antenna ultra wideband untuk mencari metoda mana yang lebih efisien digunakan dalam desain agar didapat impedansi antenna yang baik pada frekuensi kerja system telekomunikasi ultra wideband. Tiga metoda yang digunakan adalah metoda step, metoda dual slot dan metoda tapered slot. Pengujian dilakukan dengan melakukan studi parametris dari ketiga metoda tersebut mana yang menghasilkan impedansi terbaik pada antenna. Dari hasil didapat metoda step lebih baik dalam mencapai penyesuaian impedansi pada antenna dengan return loss dibawah - 1 db pada frekuensi 3.1 sampai dengan 1.2 GHz. Kata kunci : UWB,peneyesai impedans, return loss 1. Pendahuluan Sistem telekomunikasi ultra wideband (UWB) merupakan system telekomunikasi radio yang menggunakan sinyal pulsa yang mempunyai perioda yang sangat kecil (dibawah picosecond)untuk mengirimkan informasi[1]. Informasi yang akan dikirimkan merupakan bentuk informasi digital yang dinyatakan dalam urutan biner dan masing-masing bit dikirimkan menggunakan satu atau lebih pulsa UWB. Istilah ultra wideband digunakan karena sinyal pulsa UWB dengan perioda yang sangat kecil akan mempunyai pita yang sangat lebar didomain frekuensi, sehingga memungkinkan system telekomunikasi UWB mengirimkan bit informasi tanpa pembawa (carrierless). Sebagai konsekwensinya dibutuhkan antenna yang mempunyai banwidth yang sangat lebar agar bisa mengirimkan pulsa UWB. Standar band frekuensi untuk system UWB telah ditetapkan oleh Federal Communication Commission (FCC) dari 3.1 sampai dengan 1.6 GHz. Dalam system komunikasi UWB dibutuhkan desain antena yang berukuran kecil dengan polaradiasi omnidirectional dan mempunyai bandwidth yang lebar. Band frekuensi antenna UWB yang sangat besar mengakibatkan dimensi antenna yang dibutuhkan menjadi sangat kecil. Sehingga desain antenna bisa menggunakan bahan substrate dengan ukuran yang sangat kecil. Desain antenna UWB menggunakan substrate PCB FR4 telah banyak dilakukan diantaranya pada [2] [3][4] Desain antenna menyerupai antenna vertical ground plane yang terdiri dari sebuah radiator dan parsial ground plane. Respon frekuensi yang dicapai pada antenna sangat dipengaruhi bentuk dimensi fisik dari antenna. Pada makalah ini dilakukan studi parametrik terhadap beberapa metoda pada [2] [3](tambah yang punya ega) untuk mengetahui desain radiator yang terbaik dalam menghasilkan respon frekuensi sesuai dengan standar FCC. Diharapkan dari studi ini dapat berkonstribusi dalam mempermudah desain antenna UWB. 2. Tinjauan Pustaka Pada aplikasi system komunikasi narrow band digunakan antenna yang berbentuk vertical untuk mendapatkan antenna dengan polaradiasi omni directional. Diantaranya antenna yang umum digunakan adalah antenna monopole, dipole vertical dan vertical ground plane. Bentuk Radiator antenna vertical ini memungkinkan radiasi yang serba sama kesegala arah. Untuk menghasilkan antenna wideband/broadband dengan polaradiasi ominidirectional, bentuk antenna vertical dimodifikasi sedemikian rupa seperti pada antenna bowtie, biconical, antena discone, antenna spiral,[5]. Beberapa desain antenna UWB juga mengadopsi struktur antenna Vertikal ground plane yang teridiri dari sebuah radioator dan sebuah ground plane. Perbandingan antenna vertical ground plane dengan antenna UWB ditunjukkan pada gambar x. 162

2 National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, Oktober 216 ISSN: x Gambar 1. Antena UWB [3], (a) tampak depan, (b) tampak belakang Antena UWB dapat dibuat dari bahan substrate PCB yang terdiri dari sebuah patch sebagai radiator yang ekivalen dengan radiator pada antenna vertical ground plane dan sebuah parsial ground plane pada bagian belakang [2][3][4]. Istilah parsial ground plane karena ground plane tidak menutupi seluruh bidang dibagian belakang radiator sebagaimana antenna patch konvensional. Permasalahan yang muncul dalam desain antenna UWB adalah mendapatkan frekuensi kerja sesuai standar FCC dan penyesuaian impedansi. Geometri dari radiator antenna dapat mempengaruhi frekuensi kerja dan penyesuaian impedansi antenna. Pengaturan slot ganda pada radiator, tapered connection antara patch dengan saluran catu, dan parsial ground dapat menghasilkan band frekuensi yang lebar dan peneyesuaian impedansi yang baik[2]. Sedangkan penggunaan slot tunggal, step, dan ground plane digunakan pada[3] untuk mendapatkan frekuensi UWB dan peneyesuaian impedansi. Pada makalah ini dilakukan pengujian kedua metoda yang digunakan pada [2] dan [3] untuk mecari metoda mana yang lebih sederhana dan lebih mudah digunakan dalam penyesuaian impedansi dan untuk mendapatkan bandwidth yang lebar. 3. Metode Penelitian Pengujian kinerja antenna dilakukan dengan menggunakan desain pada [2][3][4] yang mempunyai geometri yang hampir sama. Studi pamaterik dilakukan terhadap parameter, slot, tapered conection, step menggunakan software Ie3d. karena dari [2][3][4] bagian ini adalah bagian yang sangat berpengaruh untuk mendapatkan bandwidth dan impedansi yang baik pada frekuensi kerja UWB. Geometri antenna UWB dengan menggunakan geometri pada [3] [2][4] masing-masing ditunjukkan pada gambar ditunjukkan pada gambar 2 Setiap bagian pada radiator dan saluran dilakukan uji numeric menggunakan software ie3d dan ukuran yang tertera pada gambar adalah ukuran yang paling optimal untuk menghasilkan frekuensi kerja UWB. Beberapa uji numeric terhadap bahagian radiator memberikan nilai yang baik terhadap pencapaian frekuensi kerja dan impedansi antenna pada frekuensi kerja UWB diantaranya ukuran Step 1 dan step 2 pada gambar 2a, besar sudut pada B pada gambar 2b dan besar ukuran F pada gambar 2c Hasil terbaik dari uji numerik kedua antenna difabrikasi pada bahan substrate FR4 dengan konstanta dielektrik4,6 dan ketebalan 1,6 mm. pada bagian akhir dilakukan perbandingan antara hasil simulasi studi parameterik dengan hasil pengukuran. (a) (b) Gambar 2. Geometri Antena UWB 163

3 Return Loss (db) National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, Oktober 216 ISSN: x Gambar 3. Fabrikasi antenna UWB 4. Hasil dan Pembahasan Hasil uji parametrik dari antenna ditunjukkan pada gambar 4 sampai dengan gambar 6. Penggeseran step1 mulai dari mm sampai dengan 3 milimeter menunjukkan nilai return loss yang baik pada range frekuensi UWB diatas nilai 3 milimeter didapatkan returnloss yang lebih besar sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4 Sedangkan perubahan sudut B pada antenna b. menunjukkan sudut yang paling baik adalah 13 o sedankan sudut diatas itu menunjukkan return loss (gambar 5) yang semakin besar. Sedangkan perubahan pada ukuran F mulai dari mm sampai dengan 3 mm pada antenna c return loss terbaik pada ukuran F sebesar 3 mm sedangkan nilai F yang lebih besar menunjukkan nilai return loss semakin besar. Dari ketiga metoda pada antenna a sampai c menunjukkan bahwa frekuensi kerja terbaik diperoleh pada antenna a dimana frekueni terendah hampir mendekati 3 GHz sendangkan untuk antenna b dan c menunjukkan frekuensi terendah hampir mendekati 4 GHz. Dengan demikian untuk geometri antenna pada desain antenna gambar dengan ukuran cukup kecil maka cara yang terbaik untuk mendapatkan frekuensi kerja dan impedansi yang baik adalah dengan metoda step. Hasil fabrikasi antenna untuk hasil simulasi terbaik ditunjukkan pada gambar 3. Selanjutnya ketiga antenna dilakukan pengukuran returnloss dan membandingkan hasilnya terhadap hasil simulasi. Perbadingan hasil pengukuran dan fabrikasi masing-masing antenna ditunjukkan pada gambn ar 7 sampai dengan gambar 9. Dari ketiga hasil pengukur ketepatan hasil simulasi dan pengukuran didapat pada desain antenna b. sedangkan band frekuensi terbesar diperoleh pada antenna a. tetapi frekuensi terendahnya lebih dari 4 GHz sehingga tidak memenuhi standar FCC untuk UWB. Pada pengukuran antenna c juga dihasilkan bandwidth yang lebih kecil dari standar FCC yaitu dibawah 9 GHz untuk frekuensi tertinggi. Dengan demikian disaran kan menggunakan model desain antenna b untuk mendapatkan frekuensi kerja UWB. Untuk menggeser frekuensi kerja ke frekuensi terendah mendekati 3,1 dapat dilakukan dengan mempebesar ukuran radiator beberapa mm. step1 = mm step1 = 1 mm step1 = 2 mm step1 = 3 mm step1= 4 mm -4 Gambar 4 uji parametrik ukuran step1 pada antenna a 164

4 Return Loss (db) Return Loss (db) Return Loss (db) National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, Oktober 216 ISSN: x -4 teta = degree teta = 13 degree teta = 25 degree teta = 3 degree teta = 4 degree -45 Gambar 5 uji parametrik sudut B pada antenna b -4 F = mm F = 1 mm F = 2 mm f= 3 mm -6 Gambar 6 uji parametrik ukuran F pada antenna c simulasi pengukuran -4 Gambar 7. Return loss antenna a 165

5 Return Loss (db) Return Loss (db) National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, Oktober 216 ISSN: x simulation measurement Gambar 8. antena b simulasi pengukuran Gambar 9 Return Loss Antena c 5. Kesimpulan dan Saran Secara umum bentuk radiator pada desain [2] [3][4] adalah sama dengan perbedaan metoda penyesuaian impedansi. Dari analisa didapat metoda pada antenna [3] lebih baik dalam perolehan frekuensi kerja UWB dan penyesuaian impedansi antenna pada range UWB. Untuk apliksi UWB perlu dilakukan uji grup delay menggunakan pulsa UWB untuk mengetahui sejauh mana antenna dapat mengirim dan menerima pulsa UWB. Daftar Pustaka [1] M.-G. Di Benedetto and B. R. Vojcic, Ultra wide band wireless communications: A tutorial, Commun. Networks, J., vol. 5, no. 4, pp , 23. [2] Z. N. Low, J. H. Cheong, and C. L. Law, Low-cost PCB antenna for UWB applications, IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 4, no. 1, pp , 25. [3] S. H. Choi, J. K. Park, S. K. Kim, and J. Y. Park, A New Ultra-Wideband Antenna for UWB Applications, Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 4, no. 5, pp , 24. [4] E. Journal and K. Lumpur, A Compact Microstrip Antenna for Ultra Wideband Applications A Compact Microstrip Antenna for Ultra Wideband Applications, no. December, 211. [5] G. A. T. Warrent L. Stutzman, ANTENNA THEORY AND DESIGN. John Wiley & Sons, New York,

6 National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, Oktober 216 ISSN: x Biodata Penulis Firdaus, memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST), Jurusan Teknik Elektro Program Studi Telekomunikasi Multimedia Institit Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, lulus tahun 24. Tahun 21 memperoleh gelar Magister Teknik (MT) juga di Jurusan Teknik Elektro Program Studi Telekomunikasi Multimedia Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Saat ini sebagai Staf pada JurusanTeknik Elektro Program Studi Telekomunikasi di Politeknik Negeri Padang. 167