ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT DENGAN TEKNIK LINEAR ARRAY Muhammad Ihsan, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: ihsantektro@gmail.com Abstrak Wireless Local Area Network (WLAN) merupakan salah satu aplikasi pengembangan dari wireless yang digunakan untuk komunikasi data. Salah satu perangkat yang dibutuhkan pada sistem WLAN adalah antena. Ada berbagai jenis antena yang dapat digunakan pada WLAN diantaranya adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip array adalah pengembangan dari antena mikrostrip yang merupakan gabungan dari beberapa elemen peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Ada beberapa macam konfigurasi antena array, di antaranya linear, planar, dan circular. Dalam jurnal ini akan dianalisis antena mikrostrip patch segiempat yang disusun secara linear dan bekerja pada frekuensi 2,45 GHz. Jenis antena yang digunakan antena mikrostrip patch segiempat linear array 2, 3, 4, 5, 6, 7, dan 8 elemen. Hasil gain yang diperoleh dari antena mikrostrip yang disusun secara linear adalah 7,76 db; 8,52 db; 11,22 db; 9,55 db; 12,04 db; 10,85 db; 14,21 db dan nilai VSWR yang diperoleh 1,379; 1,404; 1,347; 1,415; 1,444; 1,512; 1,123. Kata kunci: Antena Mikrostrip, Linear Array, Gain 1. Pendahuluan Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip tersusun atas 3 komponen yaitu: groundplane, substrate dan patch peradiasi. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini. Hal ini disebabkan karena ukuran antena mikrostrip yang kecil dan beratnya yang ringan membuat jenis antena ini sederhana untuk dibuat dan mudah untuk diintegrasikan. Gain dari antena mikrostrip dapat diperbesar dengan menambahkan patch secara array, sehingga membentuk antena mikrostrip array. Antena mikrostrip array adalah pengembangan dari antena mikrostrip yang merupakan gabungan dari beberapa elemen peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Antena mikrostrip array dapat berbentuk seri, paralel, atau gabungan keduanya. Kelebihan antena mikrostrip array ini dibandingkan antena mikrostrip biasa yaitu memiliki bandwidth dan gain yang lebih besar. Ada beberapa macam konfigurasi antena array, di antaranya linear, planar, dan circular. Masing masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi, sedangkan linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit. Pada jurnal ini, akan dianalisis antena mikrostrip patch segiempat yang disusun secara linear. Jenis antena yang digunakan antena mikrostrip patch segiempat linear array 2, 3, 4, 5, 6, 7 dan 8 elemen. Adapun hasil yang diharapkan adalah diperolehnya karakteristik dari antena mikrostrip yang disusun secara linear berupa gain, pola radiasi, dan vswr. Analisis dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak AWR Microwave Office 2004. 2. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 3 komponen yaitu : groundplane, substrate, dan patch peradiasi. Beberapa parameter utama dari antena mikrostrip adalah dimensi antena, bandwith, VSWR, pola radiasi, dan gain [1]. Antena array adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Dalam antena mikrostrip, yang disusun secara array adalah bagian patch. Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Pada copyright DTE FT USU 93
dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dibagi menjadi 2, yaitu pencatuan secara langsung dan pencatuan secara tidak langsung. Teknik pencatuan aperture coupled termasuk teknik pencatuan secara tidak langsung[2]. Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider. Dalam hal ini metoda Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 1 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson[3]. Gambar 1. N-Way Wilkinson Combiner. Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan persaamaan berikut[3] : Z = Z 0 N (1) dimana N adalah jumlah titik percabangan dan Z 0 adalah impedansi masukkan awal. T-Junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunkan pada konfigurasi antena array. Terdapat 2 jenis T-Junction 50 Ω yang dapat digunakan sebagai power divider seperti ditunjukkan pada Gambar 2[4]. Gambar 2. T-Junction 50 Ohm 3. Analisis Antena Mikrostrip Dalam perancangan antena mikrostrip bahan substrat yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut : 1. Bahan dielektrik : epoxy fiberglass FR 4 2. Konstanta dielektrik (ɛr) = 4.4 3. Ketebalan lapisan dileketrik (h) = 1.6 mm 4. Loss tangent = 0.02 5. Frekuensi kerja (fr) = 2.45 GHz Sebelum merancang antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 8 elemen, lebih dahulu ditentukan antena mikrostrip elemen tunggal yang hasilnya akan digunakan dalam merancang antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 8 elemen. Dalam merancang sebuah antena mikrostrip array ada beberapa parameter yang harus dihitung terlebih dahulu: 1. Menentukan panjang gelombang dari antena yang dapat dibuat dengan menggunakan Persamaan berikut: λ = (2) 2. Menentukan lebar patch dengan menggunakan Persamaan berikut[5][6]: W = (3) 3. Menentukan panjang patch dengan menggunakan Persamaan sampai berikut[5][6]: L = L eff 2 ΔL (4) Di mana: L = (5) ε = + (6) / ΔL = 0,412h, (,),(,) (7) Dengan menggunakan persamaan (3) dan (4), diperoleh panjang dan lebar patch masingmasing adalah 29,282 mm dan 37,6 mm, namun dibulatkan menjadi 29 mm dan 38 mm. Hasil perhitungan panjang dan lebar patch selanjutnya disimulasikan dan dioptimasi dengan menggunakan simulator AWR microwave Office 2004. Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip elemen tunggal mempunyai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Parameter dari panjang saluran pencatu dapat diubah untuk memperoleh nilai yang optimal. Gambar 3 merupakan rancangan antena mikrostrip elemen tunggal dengan lebar saluran 3 mm dan panjang saluran 15 mm. Gambar 3 Rancangan Antena Mikrostrip Elemen Tunggal copyright DTE FT USU 94
Antena mikrostrip dianalisa setelah memasukkan range frekuensi yang ditentukan yaitu dari 2,3 GHz sampai 2,6 GHz. Hasil keluaran ditampilkan dalam bentuk grafik VSWR, gain, dan pola radiasi. Dari hasil simulasi didapatkan nilai VSWR sebesar 1,816 pada frekuensi 2,45 GHz seperti pada Gambar 4. Pada perancangan array, hal yang diperhatikan adalah jarak antar elemen patch antena yang diberikan oleh persamaan [8] d = = (8) Jarak tersebut diukur dari titik tengah antara satu patch dengan patch lain yang terdekat. Akan tetapi jarak tersebut dapat diubah-ubah untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal. a. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen Rancangan antena mikrostrip dua elemen array terlihat pada Gambar 6, dengan Gambar 4 Grafik VSWR Hasil Simulasi Elemen Tunggal Dari hasil Simulasi didapat bentuk pola radiasi dan besar gain seperti pada Gambar 5. Gambar 6 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 2 Elemen b. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 3 Elemen Gambar 5 Hasil Simulasi Pola Radiasi Elemen Tunggal Rancangan antena mikrostrip tiga elemen array terlihat pada Gambar 7, dengan Dari Gambar 5 dapat diketahui bahwa nilai gain yang diperoleh dari hasil simulasi adalah 6.155 db dan pola radiasi yang dihasilkan adalah pola radiasi directional. 4. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array Perancangan ini akan menggunakan data-data yang telah diperoleh dari perancangan antena mikrostrip element tunggal. Data tersebut antara lain : jenis substrat yang digunakan, dimensi patch antena, panjang saluran pencatu, dan letak saluran pencatu. Pada proses perencanaan ini terdapat 2 patch yang memiliki data yang sama disusun secara linear. Sebelum merancang konfigurasi saluran pencatu, tentukan dahulu jarak antar elemen (patch) terdekat. Gambar 7 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 3 Elemen c. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 4 Elemen Rancangan antena mikrostrip empat elemen array terlihat pada Gambar 8, dengan copyright DTE FT USU 95
Gambar 8 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 4 Elemen d. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 5 Elemen Rancangan antena mikrostrip lima elemen array terlihat pada Gambar 9, dengan Gambar 11 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 7 Elemen g. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 8 Elemen Rancangan antena mikrostrip delapan elemen array terlihat pada Gambar 12, dengan Gambar 9 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 5 Elemen e. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 6 Elemen Rancangan antena mikrostrip enam elemen array terlihat pada Gambar 10, dengan Gambar 10 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 6 Elemen f. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 7 Elemen Rancangan antena mikrostrip tujuh elemen array terlihat pada Gambar 11, dengan Gambar 12 Rancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Linear Array 8 Elemen 5. Hasil Simulasi dan Analisis Pencapaian Parameter Antena Hasil simulasi yang didapatkan dari perhitungan dan perancangan secara teori tersebut belum tentu merupakan hasil yang optimum. Untuk mendapatkan hasil yang optimum maka dapat dilakukan dengan cara iterasi jarak antar elemen (patch) yang terdekat sehingga terjadi perubahan jarak antar elemen. Parameter optimal yang didapat dari hasil simulasi dapat dibandingkan antara satu elemen dengan elemen yang lain. Tabel 1 memperlihatkan perbandingan nilai VSWR, gain, dan beamwidth (HPBw) dari tiap-tiap konfigurasi. copyright DTE FT USU 96
Tabel 1 Perbandingan Pencapaian Parameter Antena Jumlah Elemen Jarak Antar Elemen (mm) Gain (db) HPBw (ᵒ) Pola Radiasi 2 54 7,76 56,17 3 54 8,52 39,33 4 66 11,22 25,88 5 54 9,55 41,16 6 62 12,05 17,26 7 58 10,85 17,17 8 66 14,21 12,67 Tabel 1 memperlihatkan perbandingan nilai VSWR dan gain yang diperoleh tiap-tiap konfigurasi. Tiap konfigurasi memiliki nilai VSWR 2, akan tetapi nilai gain yang diperoleh berbeda-beda. Hal ini tergantung dari jarak antar elemen dan jumlah elemen antena yang dirancang. Dari Tabel 1 Semakin banyak elemen yang terdapat dalam suatu antena, maka semakin besar nilai gain yang diperoleh. Akan tetapi pada jumlah antena 5 elemen dan 7 elemen didapati nilai Gain yang menurun. Hal ini dikarenakan pada pola radiasi 5 elemen dan 7 elemen, main lobe terlihat menyebar dan tidak fokus seperti yang diharapkan sehingga gain yang didapat tampak mengalami penurunan. Gambar 13 merupakan perbandingan VSWR dari masing-masing antena. Gambar 13 Perbandingan Nilai VSWR dari masing-masing antena 6. Kesimpulan Dari analisa yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Jarak antar elemen pada antena mikrostrip patch segiempat linear array dapat mempengaruhi nilai VSWR. Pemilihan jarak antar elemen yang tepat, akan menghasilkan nilai VSWR yang maksimal. 2. Antena mikrostrip dengan susunan linear (linear array) dapat dibentuk dengan susunan 2 elemen, 3 elemen dan seterusnya, tetapi apabila jumlah elemennya bernilai ganjil akan terjadi ketidakseimbangan dalam pencatuan. 3. Semakin banyak elemen yang terdapat dalam suatu antena, maka semakin besar nilai gain yang diperoleh. Nilai gain masing-masing sebesar 7,76 db; 8,52 db; 11,22 db; 9,55 db; 12,04 db; 10,85 db; 14,21 db. Akan tetapi pada jumlah antena 5 elemen dan 7 elemen didapati nilai Gain yang menurun. Hal ini dikarenakan pada pola radiasi 5 elemen dan 7 elemen, main lobe terlihat menyebar dan tidak fokus seperti yang diharapkan sehingga gain yang didapat tampak mengalami penurunan. copyright DTE FT USU 97
7. Daftar Pustaka [1] Surjati, Indra. 2010. Antena Mikrostrip : Konsep dan Aplikasinya. Jakarta : Universitas Trisakti. [2] Young, Daniel. 2008. UHF Microstrip Antena Design and Simulation. First Edition, Sim University Press. [3] Julio A. Navarro dan Kai Chang. 1996. Integrated Active Antennas and Spatial Power Combining. USA : John Willey [4] Adel Bedair Abdel Mooty Abdel-Rahman, 2005. Design and Development of High Gain Wideband Microstrip Antenna and DGS Filters Using Numerical Experimentation Approach. Disertasy, University Magdeburg [5] Constantine A. Balanis 1997. Antenna Theory : Analysis and Design. Jhon Willy and Sons. USA [6] Ramesh Garg, Et Al. 2001. Micostrip Design Handbook. Artech House. Norwood copyright DTE FT USU 98