MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 1, NO., NOVEMBER 8: 8-85 PENGEMBANGAN ANTENA MIKROSTRIP SUSUN DUA ELEMEN DENGAN PENERAPAN DEFECTED GROUND STRUCTURE BERBENTUK TRAPESIUM Fiti Yuli Zulkifli, Eko Tjipto Rahadjo, Muhamad Asvial, dan Djoko Hatanto Depatemen Teknik Elekto, Fakultas Teknik, Univesitas Indonesia, Depok 1644, Indonesia E-mail: yuli@ee.ui.ac.id; eko@ee.ui.ac.id; asvial@ee.ui.ac.id; djoko@ee.ui.ac.id Abstak Tulisan ini membahas antena mikostip susun dua elemen yang dikembangkan dengan meneapkan defected gound stuctue (DGS) bentuk tapesium. DGS ini diletakkan pada bidang pentanahan dai substat dengan posisi diantaa kedua elemen antena susun. Hal ini dilakukan aga dapat menekan efek mutual coupling yang timbul pada antena susun. Hasil simulasi dan pengukuan dilakukan dengan membandingkan kineja antena susun dua elemen tanpa dan dengan DGS. Dai hasil pengukuan antena dengan DGS dibandingkan dengan antena tanpa DGS dipeoleh penekanan efek mutual coupling sebesa 7,9 db, pebaikan nilai etun loss sebesa 33,9% yaitu dai -3,188 db menjadi -4,4 db dengan pelebaan axial atio bandwidth sebesa 1 MHz. Pelebaan bandwidth ini dipeoleh dai fekuensi keja,63 GHz,67 GHz pada antena tanpa DGS sedangkan pada antena dengan DGS dai,63 GHz,68 GHz. Pengukuan gain antena juga dilakukan dan dipeoleh peningkatan gain sebesa,6 db. Hasil ini menunjukkan peneapan DGS bentuk tapesium ini mampu meningkatkan kineja antena dibandingkan tanpa DGS. Abstact Two Element Micostip Antenna Aay with Defected Gound Stuctue. This pape pesents a two element micostip antenna aay using tapezium shape defected gound stuctue (DGS). The DGS is inseted in the gound plane between two elements of antenna aay. Insetion of the DGS is intended to suppess the mutual coupling effect poduced by antenna aay. Simulation and measuement esults wee taken and compaed between antenna aay with and without DGS. Measuement esults show that the antenna with DGS compaed to antenna without DGS can suppess mutual coupling effect to 7.9 db, impove the etun loss to 33.9% fom -3.188 db to -4.4 db and axial atio bandwidth enhancement to 1 MHz. This bandwidth enhancement is achieved fom fequency.63 GHz.67 GHz fo antenna without DGS and fom fequency.63 GHz.68 GHz fo antenna with DGS. In addition, the DGS antenna also impoved the antenna gain to.6 db. The esults show that the implementation of the tapezium DGS can impove the adiation popeties of the antenna without DGS. Keywods: defected gound stuctue, micostip antenna aay, tapezium, mutual coupling 1. Pendahuluan Antena mikostip memiliki bebeapa keuntungan, di antaanya mempunyai bentuk yang kompak, dimensi kecil, mudah untuk difabikasi dan mudah dikoneksikan seta diintegasikan dengan divais elektonik lain. Namun antena ini memiliki bebeapa kelemahan di antaanya gain endah, efisiensi endah, bandwidth endah dan timbul gelombang pemukaan. Gelombang pemukaan timbul ketika antena mikostip meadiasikan gelombang ke udaa, tetapi ada gelombang yang tejebak di dalam substat. Gelombang ini dapat menguangi efisiensi antena dan gain, membatasi bandwidth, meningkatkan adiasi end-fie, meningkatkan coss-polaization, membatasi entang fekuensi keja dai antena mikostip, dan meningkatkan mutual coupling antaa elemen antena susun yang beakibat pada penuunan pefoma antena susun [1]. Defected Gound Stuctue (DGS) adalah suatu caa menekan gelombang pemukaan dengan caa menghilangkan (etch) sebagian bidang gound. Ada bebagai bentuk DGS sepeti bentuk spial [,3], 8
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 1, NO., NOVEMBER 8: 8-85 81 lingkaan [4,5], dumbbell [6,7], bentuk L [8], dan concentic ing [9]. Ada bebeapa penelitian yang telah menggunakan DGS pada antena mikostip single element [3,5], namun hanya pada [6,7] yang telah meneapkan DGS bentuk dumbbell pada antena susun. Kedua penelitian ini bau memapakan hasil simulasi tanpa membandingkan hasil pengukuan. Pada penelitian [6], DGS bentuk dumbbell diletakkan di antaa kedua elemen antena yang bekeja pada fekuensi 6 GHz sedangkan pada penelitian [7] pada fekuensi 79 MHz. Kedua penelitian menggunakan konstanta dielektik 1,. Tulisan ini membahas peneapan DGS bentuk bau yaitu bebentuk tapesium pada antena mikostip patch segitiga linea susun elemen yang dikembangkan dai [1]. Antena DGS ini diancang untuk menekan gelombang pemukaan aga dapat menguangi efek mutual coupling yang tejadi antaa elemen antena susun sehingga pefoma antena dapat meningkat. Bentuk bau tapesium ini mempunyai bentuk yang lebih sedehana dai penelitian [6,7] dan diteliti untuk mengetahui dampak bentuk dan luas DGS tehadap antena [1].. Metode Penelitian Peancangan Antena dengan DGS. Antena tanpa DGS yang digunakan meupakan antena susun dua elemen yang bebentuk segitiga sama sisi yang diancang untuk bekeja di fekuensi sekita,6 GHz untuk aplikasi komunikasi begeak. Pada antena bebentuk segitiga tesebut dibei slot bebentuk huuf Y aga dapat menghasilkan polaisasi melingka. Adapun teknik pencatuan yang digunakan adalah sistem micostip line secaa tidak simetis untuk menghasilkan pola adiasi yang mempunyai kemiingan pada sudut 3 o hingga 5 o. Antena ini kemudian ditambahkan dengan DGS bentuk tapesium di bidang pentanahannya. Pemilihan bentuk tapesium dilakukan kaena sejauh peneliti ketahui, bentuk ini belum ada yang meneliti. Dalam meancang bangun antena, digunakan bahan substat dengan konstanta dielektik =,, ketebalan h = 1,57 mm dan ugi tangensial,9. λ = d λ c L= ΔL f eff m/s, f = fekuensi esonansi, eff () (3) dengan L = panjang patch, c = kecepatan cahaya 3 x 1 8 dielektik elatif efektif eff 1 1 + = + 1+ 1 / ( h W) 1/ = konstanta (4) dengan Δ L = panjang tambahan diakibatkan finging effect Δ L = eff +.3 W / h+.64.41h (5).58 W / h+.813 eff Bedasakan Pes. (1-5) dan dengan memasukkan spesifikasi bahan substat dan fekuensi keja,61 GHz, maka dipeoleh L sebesa 38,4 mm dan W sebesa 31,98 mm sehingga dipeoleh luas pesegi patch sebesa 1 mm. Hasil luas ini digunakan untuk mempeoleh dimensi DGS bentuk tapesium. Dengan mempetahankan luas tapesium seluas 1 mm maka dipeoleh dimensi tapesium. Adapun bentuk tapesium yang akan digunakan sebagai DGS adalah tapesium sama kaki sepeti pada Gamba 1. Bentuk tapesium ini dipilih kaena menyeupai bentuk tapeed slot. Bedasakan umus luas tapesium: Dengan : A ( L + L ) t 1 = (6 A = Luas Tapesium L 1 + L = Jumlah sisi sejaja t = Tinggi tapesium Penentuan nilai L 1, L, dan t dilakukan bedasakan pecobaan dan iteasi menggunakan simulato dengan metode momen. Bedasakan hasil simulasi, maka nilai ) Peancangan DGS bentuk tapesium ini dilakukan dengan menggunakan pendekatan bentuk pesegi panjang. Elemen peadiasi bebentuk pesegi panjang ditentukan menggunakan umus [1]: W = hλ [ln( λ / h) 1] (1) d dengan W = leba patch, h = ketebalan substat dan d Gamba 1. Bentuk tapesium DGS
8 MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 1, NO., NOVEMBER 8: 8-85 L 1, L, dan t yang menghasilkan nilai etun loss yang paling minimum adalah L 1 = 1 mm, L = mm, t = 8 mm sehingga dipeoleh luas tapesium : (1 + ) 8 A = = 1 mm Setelah nilai L 1, L, dan t ditetapkan, maka ditentukan letak dan aah tapesium ini. Bedasakan [11], letak DGS pada antena susun untuk menghilangkan efek gelombang pemukaan adalah di antaa kedua elemen antena susun tesebut. Dimensi dan posisi optimum tapesium pada antena dicai secaa ekspeimen dan dipeoleh hasil sepeti pada Gamba a. Gamba b mempelihatkan tampak depan dai antena yang beupa dua elemen bebentuk segitiga samasisi dengan pencatunya, sedangkan tampak belakang adalah bentuk tapesium yang ditunjukkan pada Gamba c. 3. Hasil dan Pembahasan Setelah desain antena secaa numeik selesai dipehitungkan, maka digunakan peangkat lunak yang menggunakan metode moment untuk mempeoleh hasil secaa simulasi bebeapa paamete penting antena. Gamba 3 menunjukkan hasil simulasi dai paamete etun loss antena dengan dan tanpa DGS. Hasil menunjukkan antena dengan DGS behasil mempebaiki nilai etun loss antena tanpa DGS sebesa 51% yaitu dai nilai minimum -33,3 db menjadi -5.3 db. Pebaikan nilai minimum etun loss ini beati antena dengan DGS besifat lebih matching dibandingkan antena tanpa DGS sehingga ini menyebabkan pebaikan nilai efisiensi antena. Hal ini didasakan umus efisiensi antena adalah [1]: e = e e (7) cd Di mana e = efisiensi efleksi = 1 Γ ; P e cd = efisiensi adiasi = P + Psw dengan P meupakan daya adiasi dan P sw daya dai suface wave (gelombang pemukaan). Sehingga jika nilai etun loss semakin baik maka nilai Γ semakin kecil, menyebabkan efisiensi efleksi (e ) semakin meningkat. Daya yang diakibatkan oleh gelombang pemukaan ditekan, menyebabkan efisiensi adiasi ( e ) meningkat. cd (a) Antena ini diancang untuk memiliki polaisasi melingka. Pada penelitian ini digunakan maksimum 3 db axial atio sebagai batas tejadinya polaisasi melingka. Hasil simulasi menunjukkan bahwa antena -1 S11 (d B ) - -3-4 -33.3 (b) (c) Gamba. Konfiguasi Antena dengan DGS bentuk tapesium (a) Dimensi antena dengan DGS (b) Tampak depan (c) Tampak belakang -5-5.3-6.55.57.59.61.63.65.67 Fekuensi (GHz) DGS Tapesium Gamba 3. Hasil simulasi etun loss
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 1, NO., NOVEMBER 8: 8-85 83 dengan dan tanpa DGS mempunyai kaakteistik leba bandwidth polaisasi melingka yang sama yaitu pada fekuensi keja,59 GHz hingga,64 GHz. Hal ini ditunjukkan pada Gamba 4. Pada antena susun, masalah mutual coupling sangat bepengauh tehadap pefoma antena secaa keseluuhan teutama pola adiasi antena sehingga efek ini pelu ditekan. Untuk mempeoleh nilai efek mutual coupling, antena pelu diatu dengan konfiguasi yang ditunjukkan pada Gamba 5. Gamba 5 mempelihatkan konfiguasi antena yang sama dengan Gamba, hanya dibedakan dai pembeian pencatuannya. Untuk mempeoleh efek adiasi dai elemen petama ke elemen kedua atau untuk menguku nilai S 1, maka kedua elemen antena masingmasing haus dicatu langsung yaitu pada pot 1 dan pot. Hasil simulasi yang dipeoleh dai pengatuan antena sepeti Gamba 5 menghasilkan penekanan efek mutual coupling pada antena tanpa DGS sebesa 9,81 db atau 4,7% pada fekuensi.61 GHz. Hasil ini ditunjukkan pada Gamba 6. Setelah peancangan dan hasil simulasi dipeoleh, antena kemudian difabikasi dan diuku di uang anti gema di laboatoium Depatemen Teknik Elekto FTUI. Hasil pengukuan ditunjukkan pada Gamba 7 sampai dengan Gamba 1. Gamba 7 menunjukkan hasil pengukuan etun loss dai antena dengan dan tanpa DGS. Dai hasil pengukuan, ada pebaikan nilai etun loss yang diakibatkan oleh antena DGS sebesa 33,9% yaitu dai nilai etun loss minimum -3,188 db menjadi -4,4 db. Hasil ini menunjukkan bahwa antena dengan DGS dapat meningkatkan efisiensi antena yang sesuai dengan teoi pada Pes. (7). A xial R atio (db ) 8 7 6 5 4 3 1.57.58.59.6.61.6.63.64 Fekuensi DGS Tapesium Gamba 4. Hasil simulasi axial atio Gamba 6. Hasil simulasi mutual coupling Retun Loss (db) -5-1 -15 - -5-3 -35-3.188-4 -4.4-45.6.61.6.63.64.65.66.67.68.69.7 Fequency(GHz) DGS Tapesium Gamba 5. Konfiguasi antena untuk mempeoleh nilai mutual coupling Gamba 7. Hasil pengukuan etun loss
84 MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 1, NO., NOVEMBER 8: 8-85 Nilai axial atio bandwidth juga diuku dan dipeliha tkan pada Gamba 8. Pada pengukuan axial atio bandwidth diuku medan E vetikal (E v ) dan medan E hoizontal (E h ) untuk mengetahui efek polaisasi melingka antena. Hasil pengukuan mempelihatkan antena dengan DGS mempunyai bandwidth yang lebih leba 1 MHz dibandingkan dengan antena tanpa DGS. Pada antena tanpa DGS dipeoleh bandwidth dai,63 GHz,67 GHz atau 4 MHz sedangkan pada antena dengan DGS dipeoleh bandwidth,63 GHz,68 GHz atau 5 MHz. Hasil ini mempelihatkan bahwa DGS mampu menekan gelombang pemukaan sehingga mengakibatkan tejadinya pelebaan axial atio bandwidth sebesa 1 MHz. Pengukuan beikutnya yang dilakukan adalah menguku efek mutual coupling. Efek mutual coupling yang diuku pada antena dengan DGS menunjukkan Axial Ratio (d B) S1 (db) 6 5 4 3 1.6.61.6.63.64.65.66.67.68.69.7-3 -35-4 -45-5 -55 Fekuensi (GHz) DGS Tapesium Gamba 8. Hasil pengukuan axial atio.63.64.65.66.67.68 Fekuensi (GHz) DGS Tapesium Gamba 9. Hasil pengukuan mutual coupling 9 8 7 6 5 3 4 33 3 31 3 1 34 35 19 1-5 3-1 -15 - -5-3 -35 18 4 5 13 14 15 16 17 6 1 DGS Tapesium Gamba 1. Hasil pengukuan pola adiasi medan E antenna tejadinya penekanan sekita db hingga 7,9 db dengan penekanan tebesa tejadi pada fekuensi,66 GHz Hasil ini ditunjukkan pada Gamba 9. Antena susun ini diancang untuk mempunyai pola o o adiasi dengan kemiingan 3 hingga 5. Hasil pengukuan yang dipelihatkan pada Gamba 1 menunjukkan kedua antena dengan dan tanpa DGS sama-sama mempunyai pola adiasi dengan nilai maksimum pada sudut 4 o. Gamba 1 mempelihatkan bahwa tidak ada peubahan dai pola adiasi yang signifikan tehadap antena tanpa DGS walaupun antena kemudian ditambahkan dengan DGS bentuk tapesium. Pengukuan gain antena pada fekuensi,66 GHz juga dilakukan dan hasilnya menunjukkan ada peningkatan gain antena sebesa,6 db yaitu dai 1 db pada antena tanpa DGS menjadi 1,6 db pada antena dengan DGS. Peningkatan gain ini behubungan dengan peningkatan efisiensi yang dialami oleh antena dengan DGS akibat pebaikan nilai etun loss. Hasil ini menguatkan penelitian bahwa antena dengan DGS mampu menekan efek gelombang pemukaan pada antena mikostip. 4. Kesimpulan DGS bentuk tapesium telah diteapkan pada antena susun mikostip dua elemen. Baik hasil simulasi maupun pengukuan menunjukkan peningkatan pefomansi antena setelah antena menggunakan DGS bentuk tapesium. Dai hasil pengukuan dipeoleh penekanan efek mutual coupling sebesa 7,9 db, pebaikan nilai etun loss sebesa 33,9% dengan pelebaan axial atio bandwidth sebesa 1 MHz dan peningkatan gain sebesa,6 db. 7 8 9 1 11
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 1, NO., NOVEMBER 8: 8-85 85 Ucapan Teima Kasih Penelitian ini sebagian didanai dai dana Reseach Gant Riset Unggulan Univesitas Indonesia (RUUI) dengan nomo kontak 4AS/DRPM-UI/NI.4/8 dan sebagian dai Hibah Penugasan Penelitian oleh Diektoat Jendeal Pendidikan Tinggi Depatemen Pendidikan Nasional melalui DRPM UI tahun anggaan 8 Nomo 4/SPH/PP/DPM/X/8. Dafta Acuan [1] R. Gag, P. Bhatia, I. Bahl, A. Ittipibon, Micostip Antenna Design Handbook, Atech House, Boston, London, 1 [] Y. Chung, S. Jeon, D. Ahn, J. Choi, and T. Itoh, IEEE Micow. Component Lett. 14/ 1 (4) 4-6. [3] B. Honabakhsh, A. Tavakoli, IEEE Antenna and Popagation Society (AP-S) Int. Symposium, 7, p.43-433. [4] D.Guha, M. Biswas, Y.M.M. Anta, IEEE Antennas and Wieless Popagat. Lett. 4/1 (5) 455-458. [5] H. Liu, Z. Li, X. Sun, J. Mao, IEEE Micow. and Wieless Compenents Lett. 15/ (5) 55-56. [6] M. Salehi, A. Motevasselian, A. Tavakoli, and T. Heidai, 1th IEEE Intenational Confeence on Communication systems (ICCS). (6) 1-5 [7] S.H. Zaenud-Deen, M.E. Bad, E. El-Deen, K.H. Awadalla, A.Shasha, Int. Jounal Pogess in Electomagnetics Reseach B. 4 (8) 7-39. [8] E. K. I. Hamad, A.M. E. Safwat, A. S. Oma, Poc. IEE Micow. Antennas Popagat. 15 (5) 9-34. [9] D. Guha, S. Biswas, M. Biswas, J.Y. Siddiqui, Y.M.M. Anta, Antennas and Wieless Popagat. Lett. 5/1 (6) 4-45. [1] E.T. Rahadjo, F.Y. Zulkifli, M. Matin, Poc. of Intenat. Symp. on Antennas and Popagat. (ISAP), Niigata, Japan., 7. [11] Fan Yang, IEEE Tansactions On Antennas And Popagation. 51/1 (3). [1] C.A. Balanis, Antenna Theoy: Analysis and Design, 3 d ed., Wiley, New Jesey, 5.