LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA

Transkripsi

1 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena Asrofi Khoirul Huda, Aloysius Niko, Rachmad Januar, Diky Anggoro Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya asrofikh@gmail.com Abstrak Telah dilakukan percobaan Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena dengan tujuan untuk menentukan pola radiasi antenna patch dalam skala logaritmit dan linier, memahami sifat-sifat dan prinsip dari antenna dan memahami jenis-jenis pola radiasi antenna. Untuk melakukan percobaan ini, erlebih dahulu dirangkai alat seperti antena CPWF patch, network analyzer, kabel port, dan papan lingkaran penunjuk sudut. Lalu, dilakukan pengamatan dari 0 o dengan 360 o dengan selisih 5 o setiap variasi sudut. Dari asil percobaan ini, diperleh frekuensi dan intensitas radian. Dari hasil percobaan ini dapat ditentukan grafik hubungan sudut dengan intensitas linier dimana pola radiasi yang pada percobaan ini adalah omnidirectional yaitu gelombangnya bergerak kesegala arah yang ditujukkan pada grafik hubungan sudut dengan intensitas radian sedangkan unidirectional mensinyalkan ke suatu daerah saja, yang ditunjukkan hubungan sudut dengan intensitas linier. Dari percobaan ini diketahui bahwa antenna dapat menerima dan memancarkan sinyal. Prinsip yang digunakan adalah prinsip gelombang elektromagnetik yang diubah menjadi energy listrik dan sebaliknya. Kata Kunci Antena Mikrostrip, Network Analyzer, Pola Radiasi, omnidirectional. I. PENDAHULUAN SAlah satu media komunikasi dan juga media hiburan yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah televisi dan radio. Dalam penggunaan televisi dan radio, pemirsa baik televisi dan radio menerima sinyal dari satasiun ke televisi turner ataupun radio turner melalui pancaran gelombang dengan frekuensi yang berbeda-beda. Siaran televisi dipancarkan melalui gelombang dengan frekuensi yang lebih besar daripada frekuensi gelombang radio. Nantinya sinyal yang berasal dari stasiun dipancarkan melalui antena dan menjadi gelombang dengan frekuensi tertentu. Selanjutnya, pemirsa radio dan televisi juga menerima sinyal pancaran melalui antena dan di ubah dalam bentuk lain melalui televisi turner dan radio turner. Jadi, dapat disimpulkan bahwa sebagian penikmat televisi dan radio memanfaatkan antena sebagai media telekomunikasi. Oleh karena itulah, dilakukan percobaan ini untuk mempelajari antena lebih jauh. Dalam percobaan ini, jenis antena yang digunakan merupakan antena mikrostrip patch. Praktikum ini dilakukan untuk mengetahui pola radiasi dari antena mikrostrip patch tersebut. A. Antena Antena adalah alat untuk mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang elektromagnetik bebas di udara. Alat pembimbing atau saluran transmisi dapat berupa saluran koaxial ataupun saluran pipa dan digunakan sebagai alat transportasi energi elektromagnetik dari suatu sumber transmisi ke antena atau dari antena ke penerima. Antena memiliki sifat resonansi, sehingga antena akan beroperasi pada daerah tertentu saja. Antena dapat digunakan untuk mengirim dan menerima gelombang elektromagnetik, bergantung pemakaian dan penggunaan nilai frekuensinya. Kekuatan antena dalam memfokuskan sinyal radio, satuan ukurnya dalam antena adalah db. Sehinga ketika nilai db bertambah, maka kemampuan jarak yang bisa ditempuh antena juga bertambah. Jenis antena yang akan dipasang harus sesuai dengan system yang digunakan untuk merubah energy tersebut [1]. Secara umum antena dibedakan menjadi antena isotorpis, antena omnidirectional, antena directional, antena phase array, antena optimal dan antena adaptif [2]. Parameter dasar antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa suatu antena yang berupa gain antena, pola radiasi antena, bandwith antena dan VSWR antena [5]. Gain antena adalah perbandingan daya pancar suatu antena terhadap daya pancar antena referensi atau pertambahan daya diradiasikan pada arah tertentu [4]. B. Pola Radiasi Antena Pola radiasi adalah gambaran sifat-sifat radiasi atau disebut medan jauh dari suatu antena. Pola radiasi terjadi karena arus listrik dalam suatu kawat selalu dikelilingi oleh medan magnetis. Arus listrik bolak balik (alternating current) menyebabkan muatan muatan listrik bebas dalam kawat akan mendapat percepatan, sehingga timbul suatu medan elektromagnetik bolak-balik yang akan berjalan menjauhi antena dalam bentuk gelombang elektromagnetik sehingga terbentuklah medan elektromagnetik [1]. Pola radiasi antena didefinisikan sebagai gambaran kekuatan pancaran atau penerimaan sinyal suatu antena sebagai fungsi sudut. [1]. Polarisasi antena adalah orientasi perambatan radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu antena di mana arah elemen antena terhadap permukaan bumi sebagai referensi arah. Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai jangkauan frekuensi yang berada dalam performa antena tersebut, dengan berhubungan dengan beberapa sifat yang sesuai dengan standar yang telah ada. VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum ( V max) dengan minimum ( V min) [3]. Pola radiasi dapat digambarkan sebagai sistem koordinat 3 (tiga) dimensi, Hal ini disebabkan pola radiasi antena itu berbentuk 3(tiga) dimensi menyerupai bentuk bola, seperti pada gambar berikut :

2 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA Gambar 1 Koordinat Koordinat Bola Pada gambar 1 di atas, ditunjukkan bahwa posisi masing-masing koordinat bola (r,θ,ɸ) bisa digunakan untuk menggambarkan pola radiasi tertentu sebagai fungsi jarak(r) dari antena. Pola radiasi dapat juga digambarkan dengan pola dua (2) dimensi dengan koordinat kutub maupun koordinat xy (absis : x, ordinat : y), seperti pada Gambar 2 berikut : Gambar 2. Pola Radiasi Antena Dalam 2D Pada umumnya, pola radiasi antena mempunyai berkas atau cuping utama (major lobe) maupun berkas cuping pada arah yang lain (minor lobe). Major lobe adalah berkas yang arah radiasinya ke depan (arah tujuan). Sedangkan minor lobe ialah berkas radiasi yang sebenarnya tidak diinginkan yaitu berkas yang berada di sebelah major lobe (disebut side lobe) dan berkas yang berlawanan dengan major lobe (disebut back lobe) [1]. C. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip adalah antena dengan masa ringan, mudah untuk difabrikasi, dengan sifatnya yang konformal sehingga dapat ditempatkan di hampir semua jenis permukaan dan ukurannya kecil dibandingkan dengan antena jenis lain, dengan sifat yang dimilikinya, antena mikrostrip sangat sesuai dengan kebutuhan saat ini, sehingga dapat diintegrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran kecil. Antena mikrostrip dikenal dalam beberapa macam bentuk patch, seperti: persegi panjang (rectangular), persegi (square), lingkaran (circular), elips (elliptical), segitiga (triangular), dan circular ring [2]. Bentuk sederhana pada antena mikrostrip terdiri dari sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel dengan dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. Konduktor bagian atas adalah potongan metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas) yang merupakan fraksi kecil suatu panjang gelombang. Konduktor bagian bawah adalah bidang pentanahan yang secara teori bernilai tak hingga. Keduanya dipisahkan oleh sebuah substrat dielektrik yang non magnetik. Antena mikrostrip mempunyai struktur yang terdiri dari 3 lapisan : seperti yang diperlihatkan pada gambar 3diatas, bagian tersebut di uuraikan sebagai berikut : a. Patch Patch adalah bagian yang berfungsi untuk meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Patch dapat berbentuk lingkaran, persegi panjang, dan segitiga. b. Substrat Bagian ini, berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dan elemen pentanahan. Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik (εr) dan ketebalannya (h). Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat. c. Groundplane Groundphone adalah lapisan paling bawah yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan. Kelebihan antena mikrostrip adalah bentuknya yang low profile membuat antena mikrostrip dapat diintegrasikan pada berbagai bidang permukaan, sederhana dan tidak mahal untuk diproduksi dengan menggunakan teknologi sirkuit modern, secara mekanik tangguh pada saat diintegrasikan pada permukaan yang kasar, dan sangat baik dalam frekuensi resonansi, polarisasi, bentuk dan impedansi. Jenis antena ini dapat diintegrasikan pada permukaan yang memerlukan performansi yang sangat tinggi seperti pada pesawat terbang, pesawat antariksa, satelit, misil, mobil bahkan pada telepon genggam [2]. Parameter dari suatu antena mikrostrip adalah bandwidth, VSWR, gain, direktivitas, impedansi masukan, pola radiasi dan return loss [3]. D. Gelombang Elektromagnetik Secara umum gelombang elektromagnetik merupakan dasar transmisi radio sekaligus sebagai dasar untuk memahami antena [5]. Arah ggetar di dalam gelombang elektromagnetik, dari medan listrik (E) dan medan magnet (H) saling tegak lurus, dapat dilihat pada Gambar 4. Terdapat garis-garis medan listrik yang mempunyai polarisasi horizontal dan medan magnet dari gelombang elektromagnetik yang mempunyai polarisasi vertikal. Bidang polarisasi ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 3. Antena Mikrostrip Gambar 4. Penjalaran gelombang electromagnet Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa disimbolkan dengan c dimana c adalah kecepatan cahaya dengan nilai 3 x 108 m/dt [4]. Gelombang berosilasi secara periodik atau berulang-ulang, ditandai dengan adanya frekuensi (rata-rata gerakan tiap pengulangan

3 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA atau banyaknya getaran tiap detik) yang dapat diketahui dari persamaan (1) berikut: (1) f adalah frekuensi dalam hertz (Hz) dan T ialah periode dalam detik. Sedangkan panjang gelombang dapat diketahui dari persamaan (2). (2) Panjang fisik antena (L) adalah fungsi panjang gelombang (λ) yang tergantung pada frekuensi. Panjang antena dalam meter dapat dihitung dengan persamaan (3). (3). Dengan mengetahui komponen penyusun gelombang elektromagnetik, maka kita dapat mempelajari antena dengan baik [4]. II. METODE A. Alat dan Bahan Digunakan alat pada percobaan ini sebagai berikut, yaitu sebuah antenna patch sebagai media tempat penerima dan penghantar sinyal dari udara bebas, sebuah network analyzer untuk membaca frekuensi dan intensitas dari antena, kabel port penghubung sebagai penguhubung port dengan bayu, dan papan lingkaran penunjuk sudut beserta penggarisnya untuk mengetahui besar sudut perputaran pada antena patch. B. Cara Kerja Petama antenna patch ditentukan dan dipasang pada papan sudut. Setelah dipasang pada papan sudut, antenna patch dihubungkan network analyzer menggunakan kabel port penghubung. Kemudian network analyzer dihubungkan ke sumber tegangan listrik dan dinyalakan. Sudut antenna diatur sesuai panduan asisten. Pada tombol Network Analyzer dan selanjutnya option multi marker ditekan. Nilai frekuensi dan besar intensitas yang terteara pada layar network analyzer dicatat. Llangkah-langkah ini dilakukan untuk setiap variasi sudut yang telah ditentukan. Gambar 5. Diagram Alur Percobaan Dari percobaan yang dilakukan akan didapatkan data, maka dapat dilakukan perhitungan untuk nilai intensitas radial dengan menggunakan persamaan: III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Data Berdasarkan percobaan Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena yang telah dilakukan didapatkan data berupa nilai frekuensi dan intensitas radian sebagai berikut: Tabel 1. Hasil frekuensi dan intensitas radian antena Sudut Putar (ᵒ) f1 (MHz) I1 (dbm) (4)

4 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA B. Perhitungan Dari hasil data pada percobaan yang disajikan dalam tabel 1, dilakukan perhitungan besar intensitas linear dapat dengan menggunakan persamaan (4), sehingga dapat dihasilkan data sebagai berikut Tabel 2 Hasil Perhitungan Intensitas Linear Sudut Putar (ᵒ) I1 (dbm) I1 (linier)

5 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA C. Pembahasan Percobaan Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena ini, menggunakan jenis antena mikrostrip dengan patch berbentuk segiempat. Percobaan mengamati pola radiasi dari antena mikrostrip tersebut. Pola radiasi merupakan gambaran sifat-sifat radiasi (medan jauh) oleh suatu antena. Pola radiasi di akibatkan oleh arus listrik dalam suatu kawat yang selalu dikelilingi oleh medan magnetis. Arus listrik bolak balik (alternating current) menyebabkan muatan muatan listrik bebas dalam kawat memperoleh percepatan, sehingga timbul suatu medan elektromagnetik bolak balik yang akan berjalan menjauhi antena dalam bentuk gelombang elektromagnetik sehingga mengakibatkan terbentumknya medan elektromagnetik. Berdasarkan tabel hasil di atas, diketahui bahwa frekuensi yang dapat diterima oleh antena patch dalam percobaan ini mempunyai batas sebesar 100 MHz 850 MHz dengan sudut putar sebesar 0 0 hingga dengan selisih tiap variasi sudut yang diamati sebesar 5 o. Dari pengamatan yang dilakukan, diketahui bahwa frekuensi yang dihasilkan adalah 17,45 sampai dengan 32,04 dbm. Sedangkan intensitas linier yang dihasilkan adalah 55,6 hingga 1869,57. Dari tabel 2, diketahui bahwa dalam pengukuran intensitas maupun frekuensi yang tertera pada network analyzer menunjukan bahwa frekuensi tidak dipengaruhi oleh sudut putar antena yang diberikan saat percobaan. Tetapi sudut putar antena yang diberikan saat melakukan percobaan ini mempengaruhi besar intensitas yang dihasilkan oleh antena patch. Dari pengamatan grafik pada gambar 6 dan gambar 7 diatas diketahui bahwa antenna mikrostrip yang digunakan dalam percobaan ini memiliki pola radiasi omnidirectional atau kesemua arah. Hal ini ditunjukkan dengan pola intensitas radiasi pada grafik yang menyebar kesegala arah. Dari grafik pada gambar 6 dan gambar 7 diketahui pula bahwa intensitas radiasi antenna secara linier dan radian berbanding lurus dimana hal tersebut terlihat dari pola persebaran intensitas pada grafik yang hampir sama. Return Loss ialah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return Loss digambarkan dengan peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0-) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0+). Return Loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi dan bergantung pada frekuensi. Besarnya nilai return loss berdampak pada bandwidth radiasi dari antenna menjadi lebih sempit sehingga daya pancaran radiasi antenannya juga semakin kecil. Return loss yang besar dan bandwidth yang sempit adalah salah satu karakteristik dari antena mikrostrip Gambar 6. Grafik hubungan sudut dengan intensitas linier antenna CPWF patch Gambar 7. Grafik hubungan sudut dengan intensitas radian CPWF patch Grafik hubungan sudut dengan intensitas linier yang dihasilkan yaitu grafik tipe unidirectional dimana pola radiasi antena ini mensinyalkan ke suatu daerah saja(unidirectional). Dari grafik hubungan sudut dengan intensitas radian diperoleh hasil grafik 7 yang menunnjukan bahwa antena yang digunakan merupakan antena tipe omnidirectional yaitu gelombangnya bergerak kesegala arah yang dapat diamati dengan menggunakan perputaran sudut antena 0 0 sampai dengan selisih 5 o. Sehingga pada grafik tersebut dapat terlihat bahwa perputaraan sudut tangkapnya tidak seluruhnya sempurna yang bisa diakibatkan oleh beberapa faktor seperti adanya benda logam disekitar alat tersebut. Benda logam sangat mempengaruhi kinerja antena pada saat pelaksanaann percobaan ini karena sifat logam itu sendiri adalah penghantar gelombang elektromagnetik yang baik. Pada pelaksanaan percobaan Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena diusuhakan supaya tidak mendekatkan bahan-bahan logam karena akan menyebabkan terjadinya ketidakstabilan frekuensi yang terukur oleh network analyzer. Selain faktor yang logam, juga terdapat faktor lain seperti sinyal dari alat elektronik yaitu, jam dan handphone yang bisa

6 LAPORAN FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA mengganggu gelombang elektromagnetik ketika memancarkan gelombang ataupun menerima gelombang elektromagnetik dan sinyal pada saat pengambilan data percobaan. Pada percobaan Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena ini, intensitas radian yang tertara pada layar network analyzer yang bernilai negatif (-) tetapi saat melakukan perhitungan untuk nilai intensitas linier bernilai negatif. Hal ini tidak berpengaruh terhadap hasil perhitungan. Hal ini disebabkan karena tanda negatif ini menunjukkan arah dari medan elektromagnetik yang diterima atau dipancarkan oleh antena. IV. KESIMPULAN Berdasarkan analisa dan pembahasan, disimpulkan bahwa pola radiasi yang diperoleh pada percobaan Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena ini adalah omnidirectional yaitu gelombangnya bergerak kesegala arah yang ditunjukkan pada grafik hubungan sudut dengan intensitas radian dan unidirectional mensinyalkan ke suatu daerah saja, yang ditunjukkan hubungan sudut dengan intensitas linier. Dari percobaan ini diketahui bahwa antena dapat menerima dan memancarkan sinyal. Prinsip yang digunakan pada adalah prinsip gelombang elektromagnetik yang di ubah menjadi energy listrik dan sebaliknya. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan ijin atas berlangsungnya pelaksanaan praktikum Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena ini, kepada asisten Fisika Laboratorium pada percobaan ini yaitu Aloysius Niko dan Rachmad Januar yang telah membantu baik sebelum praktikum, saat praktikum, dan setelah praktikum. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada anggota kelompok atas kerja samanya dalam melaksanakan percobaan ini sehingga terlaksananya praktikum Analisa Antena Patch dengan Pola Radiasi Antena dengan lancar. ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Fadlilah,Umi.Simulasi Pola Radiasi Antena Dipole Tunggal.Teknik Elektro Universitas Diponegoro: semarang [2] pdf [3] babii.pdf [4] Kraus, D. John, Antenas, McGraw-Hill International Edition, 1988 [5] Yulindon & N Firdaus, 2008, Teori dan Perancangan Antena,Padang.