PERANCANGAN DAN REALISASI ANTENA ARRAY MIKROSTRIP 6 ELEMEN PADA FREKUENSI 2,35 GHZ DAN 3,35 GHZ DESIGN AND REALITATION ARRAY OF 6 ELEMENTS MICROSTRIP ANTENA FOR FREQUENCY AT 2,35 GHZ AND 3,35 GHZ Bayu Yuda Kurniawan Jurusan Teknik Komputer Politeknik Telkom Bandung Jl. Telekomunikasi Terusan Buah Batu, Bandung 40257 Telp. +62 22 5224137 - Fax. +62 22 5224138 - email: info@politekniktelkom.ac.id - website: www.politekniktelkom.ac.id Abstract The antenna is a device which has a very important role in wireless. Generally the antenna serves as a modifier guided wave that is passed on the transmission line into free space waves and the opposite. The antenna has the characteristics such as VSWR, gain, radiation pattern, polarization and impedance. One of them is a microstrip antenna. This Final Project will be designed linear microstrip antenna array with six elements and circular polarization operates at dual frequency 2.35 GHz and 3.35 GHz.This antenna, all elements will be powered by a microstrip line by using the direct rationing techniques, which the patch and line using the same material. To obtain the results of the design parameters used Ansoft HFSS v.10 simulator software that will get the appropriate modifications in order to operate at the desired operating frequency region. Based on the overall process of planning, simulation, manufacture and measurement of microstrip antenna that works on dual frequency 2.35 and 3.35 GHz and 6 GHz linear arrangement of the elements of this antenna has a narrow bandwidth for VSWR 1.5 VSWR measured at a frequency of 2.35 GHz and a frequency of 3.35 GHz 1.4 while the simulation is obtained 1.6 Gain obtained from the simulation results for 7.1283 dbi. While the measurement results obtained from the antenna gain at a frequency of 2:35 GHz obtained dbd gain of 5.3181. Whereas for frequency of 3:35 GHz obtained dbd gain of 2.5263. it is influenced from the limitations of the software ansoft itself and change the size of each patch antenna when manufactured. Keywords : microstrip, array, dual-band, BWA, VSWR, Ansoft HFSS, fotoetching Pendahuluan Kebutuhan akan teknologi dalam komunikasi wireless baik secara wifi ataupun wimax semakin besar. Hal ini di akibatkan adanya kebutuhan akan komunikasi mobile semakin besar. Karena itu lah dibutuhkan suatu perangkat yang dapat memberikan performansi dari teknologi tersebut. Salah satu dari teknologi pendukung wireless mobile adalah antena. Antena merupakan suatu perangkat yang berfungsi sebagai penghubung antara gelombang elektromagnetik di udara dengan saluran transmisi. Salah satu jenis antena yaitu antena mikrostrip merupakan jenis antena yang banyak digunakan karena dapat disesuaikan dengan berbagai macam aplikasi serta proses pabrikasi yang mudah. Sekarang ini, teknologi komunikasi wireless mobile telah berkembang pesat sehingga kita membutuhkan antena yang dapat mendukung perkembangan teknologi tersebut. Pada proyek akhir ini akan dirancang sebuah antena mikrostrip susunan linier 6 elemen dengan polarisasi sirkular yang berkerja pada dual frekuensi yaitu pada frekuensi 2.35 GHz dan 3.35 GHz. Alasan utama perancangan antena mikrostrip susunan adalah untuk meningkatkan efisiensi dan gain antena. Sedangkan alasan penggunaan dual frekuensi adalah supaya efisiensi dalam pembuatan. Pada dasarnya semakin banyak jumlah elemen yang disusun maka gain antena akan semakin besar. Akan tetapi semakin banyak jumlah elemen yang disusun linier juga kurang efisien karena ukuran antena yang makin lebih besar. Sehingga pemilihan jumlah elemen yang akan
dirancang dalam proyek akhir ini yaitu 6 elemen, dirasa tepat untuk menghasilkan gain yang cukup besar dengan dimensi antena yang cukup kecil Analisis Kebutuhan Dan Perancangan Dalam perancangan antena mikrostrip susunan 2 elemen ini terdapat beberapa tahap yang dilakukan : Tahap pertama yaitu menentukan spesifikasi antena yang akan dirancang, Tahap kedua melakukan pengukuran dimensi fisik awal antena berdasarkan rumus yang sudah ditetapkan Tahap ketiga melakukan perancangan pada software Ansoft HFSS v 10. Pada proyek akhir ini, posisi pencatuan perlu diperhatikan pula karena menentukan polarisasi antena yang dirancang. Selama proses simulasi dilakukan modifikasi pada dimensi fisik dan posisi titik catu hingga diperoleh spesifikasi antena yang sesuai dengan yang diinginkan. Perancangan dengan software Ansoft HFSS v 10 bertujuan untuk mem-visualisasi dan melakukan simulasi terhadap desain yang telah kita buat. Jenis bahan yang sesuai yaitu copper untuk pacth, grounplane, dan FR4 epoxy untuk substrat. Hasil simulasi berupa parameter parameter antena yang ditampilkan dalam bentuk grafik, selanjutnya dianalisis untuk mengetahui karakteristik dan kinerja antena. Spesifikasi Kebutuhan Perangkat Keras Adapun kebutuhan perangkat keras (hardware) yang dibutuhkan dalam pengerjaan proyek akhir ini antara lain : a. Spesifikasi notebook notebook hp Compaq 6520s RAM 2024 GB hardisk 80 GB b. Alat ukur Network Analyzer (Advantest R3770) range 300 khz 20 GHz Network Analyzer dipakai dalam pengukuran VSWR, impedansi antena dan bandwidth. Hasil pengukuran yang akan ditampilkan untuk VSWR dan bandwidth antena berupa grafik sedangkan untuk impedansinya ditampilkan dalam bentuk smith chart. menerima dan mengukur daya sinyal tersebut maka menggunakan alat ukur power meter. Sehingga dari power meter tersebut dapat digunakan untuk pengukuran gain, pola radiasi, dan polarisasi dari antena yang diukur. Dalam pengukuran, Sweep oscillator ditempatkan pada antena pemancar (Tx) yang berfungsi memberikan level daya dan frekuensi. Gambar Function Generator Spesifikasi Kebutuhan Perangkat Lunak Adapun kebutuhan perangkat lunak (software) yang dibutuhkan dalam pengerjaan proyek akhir ini adalah : Ansoft HFSS version 10 Microsoft visio professional 2007 Microsoft excel 2010 Diagram Alir Proses Realisasi Antena Langkah - langkah perancangan dan simulasi digambarkan sebagai berikut : start Spesifikasi antena Menentukan Ukuran dimensi antena Testing simulasi Spesifikasi antena sesuai Ya Implementasi desain antena simulasi Pengukuran antena tidak Optimasi dimensi antena Analisa hasil pengukuran antena Gambar Network Analyzer (Advantest R3770) Function Generator Alat ukur ini digunakan untuk membangkitkan sinyal daya untuk dikirimkan ke penerima. Dimana untuk Prototype antena selesai Gambar Diagram Alir Proses Realisasi Antena Tahap pertama dalam perancangan antena ini yaitu menentukan frekuensi kerja. Kemudian bentuk antena yang ingin dibuat di simulasikan dalam software ansoft. Pada simulasi bisa diperoleh hasil
dari parameter-parameter antena. Simulasi terus dilakukan untuk menentukan dimensi antena sampai mendapatkan nilai yang sesuai dengan spesifikasi antena yang diinginkan (VSWR< 1,5 dan gain > 6 dbi). Setelah mendapatkan hasil simulasi yang sesuai dengan spesifikasi awal kemudian merealisasikan antena. Pabrikasi dibuat berdasarkan dimensi yang didapat dari hasil simulasi. Tahap selanjutnya melakukan pengukuran. Dari hasil pengukuran bisa dibandingkan terhadap hasil simulasi. Setelah pengukuran dilakukan selanjutnya yaitu analisa terhadap hasil pengukuran, apakah hasil pengukuran sesuai dengan simulasi atau tidak. Dimensi Antena Dimensi Patch, patch merupakan salah satu bagian dalam antena mikrostrip yang berfungsi sebagai peradiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas, sehingga ukuran dari patch salah satu faktor pengukuran dimensi. Dimensi Groundplane, groundplane yang digunakan memiliki luas dan tebal yang tidak terhingga (infinite groudplane). Kondisi ini jelas tidak memungkinkan untuk direalisasikan. Untuk memperoleh kondisi finite groundplane maka dibutuhkan perhitungan panjang dan lebar minimum dari groundplane. Dimensi Substrate. Dikarenakan bahan yang digunakan dalam implementasi nantinya adalah FR-4 epoxy maka dimensi dari substrat sama dengan ukuran dari dimensi groundplane yaitu 30.03x40.09 mm, hal ini dikarenakan substrat terintegrasi dengan patch dan groundplane Teknik Pencatuan. Teknik pencatuan yang digunakan yaitu teknik pencatuan langsung dengan saluran mikrostrip sehingga patch dan saluran mikrostrip dicetak pada lembaran substrat yang sama. Untuk menghubungkan keenam pacth yang akan dirancang digunakan rangkaian pembagi arus seimbang. Perancangan Antena Susunan 2 Elemen Dual Frekuensi pada Simulator. Sesuai dengan tujuan proyek ahir ini, ditentukan spesifikasi antena sebagai berikut : Frekuensi kerja : 2,35 GHz dan 3,35GHz Pola radiasi : unidirectional Impedansi karakteristik : 50 Ω VSWR: 1.5 Gain: 6 dbi Polarisasi: sirkular Bandwidth = 100 MHz Penentuan spesifikasi diatas dikarenakan antena mikrostrip ini dirancang untuk keperluan komunikasi wireless dan dapat mendukung teknologi WLAN. Model Antena Tujuan dari rangkaian pemodelan antena diatas yaitu : 1. Efisiensi saluran Jika jalur yang dibuat semakin pendek maka hambatan hambatan dalam saluran semakin kecil atau rugi rugi daya kecil 2. Sebagai penyepadan impedansi Hal ini ditujukan untuk menyepadankan antara impedansi saluran transmisi agar match dengan impedansi antenna. Dimensi antena Pabrikasi
Simulasi VSWR Pada hasil simulasi di atas menunjukkan bahwa VSWR 1.6 pada frekuensi antara 2.33 2.36 GHz, memiliki bandwith yang cukup lebar yaitu 30 MHz. Sedangkan pada frekuensi 3.32 3.40 GHz, memiliki bandwith yaitu 80 MHz. Pola radiasi Hasil Simulasi Impedansi gain yang didapat tidak sesuai dengan yang diinginkan, faktor-faktor yang memungkinkan gain tidak tercapai diantaranya. Adapun gain yang didapat tidak sesuai dengan yang diinginkan, faktor-faktor yang memungkinkan gain tidak tercapai diantaranya : 1. Keterbatasan dari software ansoft itu sendiri 2. Pengaruh perubahan boundaries/air gap yang terbatas untuk simulasi ini (Untuk implementasinya boundaries/air sebenarnya tidak terbatas) Perubahan ukuran pada tiap pacth antenanya Pengukuran Antena Pengukuran VSWR Pengukuran VSWR ditujukan untuk mengetahui perbandingan daya pantul terhadap daya yang dikirim ke antena pada rentang frekuensi yang kita desain. Nilai ideal VSWR adalah 1 namun dalam realitanya sangat susah didapat karena biasanya terjadi pentulan daya akibat ketidak sepadanan impedansi antena dengan saluran pencatu. Dalam perancangan antena nilai VSWR 1.5. Dalam proyek Akhir ini, didapatkan VSWR dari operasi kerja frekuensi dual 2,35 Ghz dan 3,35 Ghz sesuai dengan gambar dibawah ini : Hasil dari simulasi diatas didapatkan untuk impedansi pada frekuensi 2.35 GHz adalah 34.24+j2.45, sedangkan untuk frekuensi 3.35 GHz adalah 43.64-j14.03 Gain Dari hasil simulasi didapat gain total antena sebesar 7.1283 dbi untuk dual frekuensi antara frekuensi 2.35 GHz dan frekuensi 3.35 GHz berarti hasil simulasi untuk gain tidak memenuhi spesifikasi yang diinginkan yaitu 6 dbi. Adapun Gambar 4.1 Hasil pengukuran VSWR Tabel Hasil Nilai VSWR frekuensi dual 2,35 Ghz dan 3,35 Ghz Frekuensi (Ghz) VSWR 3.3 1.548 3.35 1.369 3.4 1.951 2.35 1.375 Pengukuran Bandwidth Berdasarkan dari hasil pengukuran VSWR diatas maka didapatkan besarnya nilai bandwith 2.15 2.38 Ghz, memiliki bandwith yang cukup lebar yaitu 230 Mhz. Sedangkan pada frekuensi 3.3 3.38 Ghz, memiliki bandwith yaitu 80 Mhz
Pengukuran Impedansi Antena Berikut ini adalah hasil pengukuran dari impedansi terminal antena : Dari hasil pengukuran diatas didapat gain antena pada frekuensi 2.35 Ghz didapatkan gain sebesar 5.318181818 dbd. Sedangkan untuk frekuensi 3.35 Ghz didapatkan gain sebesar 2.526363636 dbd. Pengukuran Pola Radiasi Antena Berikut adalah hasil pengukuran pola radiasi arah azimuth dan elevasi pada frekuensi yang sudah ditentukan. Gambar Hasil pengukuran Impedansi Titik impedansi memiliki 2 macam, yaitu resistansi (garis melingkar vertikal) dan reaktansi (garis melingkar horisontal). Dalam gambar diatas sumbu reaktansi mendekati atau sama dengan 0, sedangkan resistansi menunjukkan kurang lebih pada titik 1.4. maka impedansi yang didapatkan dinormalisasi mendekati 70 ohm (1.4 x 50 ohm (standar normalisasi)). Pengukuran gain Antena Hasil pengukuran gain yang dilakukan pada frekuensi dual 2.35 Ghz dan 3.35 Ghz menggunakan antena referensi yaitu antena dipole. Sebagai standar pengukuran antena ada 2 antena dipole dan antena isotropis. Karena isotropis antena yang tidak mungkin ada maka standar pengukuran menggunakan antena dipole. Pengambilan data sampel dilakukan sebanyak 10 kali kemudian diambil rata rata agar hasil yang didapat lebih akurat. Gambar Pola radiasi azimuth frekuensi 2.35 Ghz Gambar Pola radiasi elevasi frekuensi 2.35 Ghz Tabel Hasil Pengukuran Gain Gambar Pola radiasi azimuth frekuensi 3.35 Ghz
Gambar Pola radiasi elevasi frekuensi 3.35 Ghz Dari hasil pengukuran antena ini, secara umum memiliki pola radiasi unidireksional atau satu arah. Selain main lobe, juga terdapat back lobe dan side lobe yang tidak terlalu dominan. meskipun terdapat pola radiasi yang tak beraturan. Penyimpangan ini disebabkan karena disekitar area pengukuran outdoor terdapat objek pemantul, seperti bangunan gedung, jadi disamping sinyal langsung, receiver juga menerima sinyal pantulan yang tak langsung. Perubahan suhu udara disekitar area juga dapat mempengaruhi gelombang yang terpancar. Pengukuran Polarisasi Antena Berikut adalah hasil pengukuran polasasi pada frekuensi yang sudah ditentukan. Gambar Polarisasi frekuensi 3.35 Ghz Berdasarkan hasil pengukuran polarisasi diatas didapatkan jika polarisasi tidak sesuai dengan yang dispesifikan yaitu sirkular. Hal ini disebabkan ruang pengukuran yang bukan ruang tanpa gema, sehingga terdapat pantulan pantulan benda sekitar yang dapat mempengaruhi bentuk polirasasinya. Analisa Perbandingan Karakteristik Antena Setelah simulasi dan pengukuran antena dilakukan maka selanjutnya dilakukan analisis dari antena tersebut berdasarkan perhitungan, simulasi dengan menggunakan ansoft, dan hasil akhir pengukuran. Dari analisa tersebut akan diketahui apakah antena yang dibuat sudah memenuhi spesifikasi yang diinginkan atau belum. Gambar 4.7 Polarisasi frekuensi 2.35 Ghz Kesimpulan Berdasarkan dari keseluruhan proses perencanaan, simulasi, pembuatan dan pengukuran antena mikrostrip yang bekerja pada frekuensi dual
2.35 GHz dan 3.35 GHz susunan linier 6 elemen maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : 1. Antena ini memiliki bandwidth yang sempit untuk VSWR 1.5 VSWR yang terukur pada frekuensi 2.35 GHz dan frekuensi 3.35 GHz yaitu 1.4 sedangkan pada simulasi diperoleh 1.6 2. Gain yang diperoleh dari hasil simulasi sebesar 7.1283 dbi. Sedangkan dari hasil pengukuran didapat gain antena pada frekuensi 2.35 GHz didapatkan gain sebesar 5.3181 dbd. Sedangkan untuk frekuensi 3.35 GHz didapatkan gain sebesar 2.5263 dbd. hal ini dipengaruhi dari keterbatasan dari software ansoft itu sendiri dan perubahan ukuran pada tiap patch antena pada saat pabrikasi 3. Bila ditinjau dari VSWR 2 pada pengukuran, maka lebar bandwidth yang diinginkan sudah sesuai (tidak mengalami pergeseran frekuensi). 4. Bentuk pola radiasi yang didapatkan secara umum memiliki pola radiasi unidireksional atau satu arah. Selain main lobe, juga terdapat back lobe dan side lobe yang tidak terlalu dominan. 5. Bentuk polarisasi yang didapatkan adalah polarisasi tidak sirkular. 6. Perancangan antena 6 elemen dual-band dengan teknik menumpuk dua patch antena dengan ketebalan dielektrik yang berbeda ini sangat cocok untuk memperlebar bandwidth sedangkan penggunaan array dapat memperkuat gain antena. Saran Dari hasil yang didapatkan pada proyek akhir ini, untuk mendapatkan performansi antena yang lebih baik pada perancangan berikutnya, terdapat beberapa hal yang bisa dijadikan saran dan sebagai bahan pertimbangan antara lain : 1. Untuk memperoleh gain yang lebih besar, bahan substrat yang digunakan dapat diganti dengan bahan yang memiliki permitifitas relatif lebih kecil. 2. Meningkatkan ketelitian dalam proses pabrikasi 3. Pengukuran antena diruang tanpa gema dapat mengurangi tingkat pantulan-pantulan dari gelombang lain. Untuk penelitian selanjutnya supaya dimensi antena yang dibuat lebih kecil tanpa harus mengubah spesifikasi antena tersebut. Daftar Pustaka [2] Firnadi, Adhi. Rancang Bangun Antena Microstrip Dual-Band Pada Frekuensi Kerja 1,8 GHz Dan 2,4. Tugas Akhir STT Telkom. Bandung. 2005 [3] Hanafi, Donni. Memilih Tipe Antena. ORARI. Jakarta. 2006 [4] Kraus, Gunthard. Ansoft Designer SV 2.0. Elektronikschule Tettnang. 2005 [5] Kumar, Girish dan Ray, K.P. Broadband Microstrip Antennas. Artech House Boston. London. 2003 [6] Prasetya, Budi dan Mufti, Nachwan. Modul Kuliah Antena dan Propagasi. Institut Teknologi Telkom. Bandung. 2008 [7] Sicard, Etienne. dkk. Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits. Springer. United States of America. 2006. [8] Soetamso, Drs. Diktat kuliah sistem antena. Institut Teknologi Telkom. Bandung. 2004 [1] Betra, Refria. Perencanaan dan Implementasi Antena Array Mikrostrip Rectangular Pada Daerah Frekuensi 3,3 3,4 GHZ dengan Gain 16 dbi. Telecommunication Engineering. Institut Teknologi Telkom. Bandung. 2010