MENDESAIN DAN MEMBUAT ANTENA LOG-PERIODIC DIPOLE ARRAY PADA RENTANG FREKUENSI 400-970 MHz DENGAN GAIN 10 dbi LAPORAN TUGAS AKHIR Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Pendidikan Diploma 3 oleh : MARTA S PANJAITAN NIM :1005061024 SONIA SIMANJUNTAK NIM : 1005061045 PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2013
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan karunia - Nya penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini dengan baik. Laporan Tugas akhir ini berjudul Mendesain dan Membuat Antena Log- Periodic Dipole Array pada Rentang Frekuensi 400-970 MHz dengan Gain 10 dbi yang disusun sebagai salah satu syarat dalam menyelesaikan Pendidikan Diploma 3 Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Medan. Dalam penulisan laporan ini, penulis ingin membuat antenalog-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 MHz dengan gain 10 dbi. Dalam menyelesaikan laporan ini penulis tidak terlepas dari perhatian, bimbingan, dukungan, fasilitas, bantuan dari berbagai pihak secara langsung maupun tidak langsung. Penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada pihak yang telah membantu dalam penyelesaian laporan ini, antara lain : 1. M.Syahrudin, ST,MT. selaku Direktur Politeknik Negeri Medan 2. Ir.Rina Anugrahwaty, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan 3. Ir.Suhaili Alifuddin,M.Eng selaku Kepala Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Medan
4. Waldemar Banurea,ST,MT selaku Dosen Pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membantu dan membimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 5. Indra Yadi, MT, sebagai koordinator sidang yang banyak memberikan masukan pada penyelesaian tugas akhir ini. 6. Ir. Suhaili Alifuddin, M.Eng, sebagai dosen penguji yang telah banyak memberi masukan dan saran. 7. Wiwinta Sutrisno, ST. MT., sebagai dosen penguji yang telah banyak memberi masukan dan saran. 8. Arfanda.A.Srg.ST.MM selaku dosen wali TK-6B yang banyak memberikan motivasi. 9. Teristimewa untuk kedua Orang Tua penulis Ayahanda dan Ibunda dalam mencurahkan cinta dan kasih sayang, serta dukungan baik moril dan spiritual. 10. Sahabat sahabat seperjuangan yang memberikan semangat yaitu Enra Sagala, Uci Cyntia Tambunan, Nathania E Purba, Nofrizal, Damaris Meha, Nissa Nuzula, KMK POLMED, NHKBP Padang Bulan, kak Revi Sibagariang, kak Maretha Siahaan, Nila parangin-angin, serta temanteman di kelas TK-6B, TK-6A, TK-6C dan TK-6D.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih banyak terdapat kekurangan - kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun dari pembaca untuk penyempurnaan laporan ini. Akhir kata penulis berharap agar tugas akhir ini dapat bermanfaat. Medan, Agustus 2013 Penulis
ABSTRAK Antena adalah suatu alat yang digunakan untuk memancarkan gelombang elektromagnetik atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena merupakan salah satu elemen penting yang harus ada pada sistem telekomunikasi wireless seperti teleskop, radio ataupun TV. Sebuah antena adalah bagian terpenting dari suatu pemancar atau penerima yang berfungsi untuk menyalurkan sinyal radio ke udara. Bentuk antena bermacam-macam sesuai dengan desain, pola penyebaran, rentang frekuensi dan gain. Pada proyek tugas akhir ini dirancang suatu antena Log-Periodic Dipole Array yang bekerja pada frekuensi 400-970 Mhz dengan gain 10 dbi. Antena yang akan dibuat adalah log-periodic dipole array 16 elemen. Antena LPDA merupakan contoh antena wideband yang dapat didesain sesuai dengan penggunaannya. Antena ini tersusun dari elemen-elemen dipole dimana sudut puncaknya mempengaruhi parameter-parameter antena (. Rentang frekuensi kerja antena LPDA ini antara 400-970 Mhz sehingga memungkinkan untuk aplikasi televisi. Antena LPDA ini didesain dengan menggunakan bahan aluminium sebagai batang feeder line dan elemen dipole. Dari hasil pengukuran di laboratorium hasilnya dapat beroperasi pada antena dengan rentang frekuensi 400-970 Mhz. Dan dari hasil pengukuran koefisien pantul diperoleh nilai VSWR kurang dari 1,2.
DAFTAR ISI LEMBAR PERSETUJUAN...i LEMBAR PENGESAHAN...ii KATA PENGANTAR...iii ABSTRAK...vi DAFTAR ISI...vii DAFTAR GAMBAR...x DAFTAR TABEL...xii BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Tujuan...2 1.3 Perumusan Masalah...3 1.4 Batasan Masalah...4 1.5 Metodologi Penulisan...4 1.6 Sistematika Penulisan...7 BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Pengertian dan Fungsi Antena...9 2.2 Jenis-jenis Antena...11 2.2.1 Antena Isotropis...11 2.2.2 Antena Omnidirectional...11 2.2.3 Antena Directional...12 2.2.4 Antena Phase Array...12 2.2.5 Antena Optimal...13 2.2.6 Antena Adaptif...13 2.3 Parameter-parameter Antena...14 2.3.1 Pola Radiasi...14
2.3.1.1 Side Lobe Level...18 2.3.1.2 Half Power Beam Width...19 2.3.2 Bandwidth...20 2.3.3 Direktivitas Antena...22 2.3.4 Gain Antena...23 2.3.5 Hubungan Gain dan Direktivitas Antena...24 2.3.6 Formula Transmisi Friis...24 2.3.7 Pantulan Gelombang...25 2.3.8 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)...28 2.3.9 Standing Wave Ratio (SWR)...30 2.4 Sistem Koordinat Bola...31 2.5 Antena Log-Periodic Dipole Array...33 2.6 Penentuan Tegangan, Arus dan Impedansi...40 2.7 Teori Balun...41 BAB 3 DESAIN DAN PEMBUATAN ANTENA 3.1 Konstruksi Antena LPDA Hubungan Singkat...44 3.2 Desain Antena Log-Periodic Dipole Array...45 3.3 Diagram Alir Proses Desain, Realisasi Pengujian dan Analisa Antena...47 3.4 Desain dan Pembuatan Antena...49 3.4.1 Hasil Desain Antena...49 3.4.2 Pembuatan Antena...53 3.4.2.1 Peralatan dan Bahan yang Digunakan...53 3.4.2.2 Tahapan-tahapan Pembuatan antena...54 BAB 4 HASIL PENGUKURAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengukuran Antena...61 4.1.1 Pengukuran Gain, Pola Radiasi Dan Direktivitas Antena...61 4.1.1.1 Pengukuran Pola Radiasi dan Direktivitas Antena...62 4.1.1.2 Pengukuran Gain Antena...66 4.1.2 Pengukuran Koefisien Pantul Antena...67 4.2 Analisa Data-data Hasil Pengukuran...73 BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan...75 5.2 Saran...75 DAFTAR PUSTAKA...xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 2-1 Pemancar dan penerima... 9 2-2 Antena isotropis... 11 2-3 Arah pola radiasi... 14 2-4 Pola radiasi... 15 2-5 Model pola radiasi... 20 2-6 Gelombang datang dan gelombang pantul... 25 2-7 Sistem koordinat bola... 32 2-8 Konfigurasi antena log-periodic dipole array... 35 2-9 Geometri dasar LPDA... 35 2-10 Gain antena LPDA sebagai fungsi dari τ dan σ... 36 2-11 Tegangan generator yang tersambung ke beban Melalui saluran transmisi... 40 2-12 Balun pada antena LPDA... 42 2-13 Balun... 43 3-1 Konstruksi antena log-periodic dipole array hubungan coaxial... 45 3-2 Diagram alir proses analisa, desain, realisasi dan pengujian antena... 48 3-3 Feeder line antena yang dipotong sesuai dengan ukuran... 55 3-4 Feeder line yang sudah dirapikan... 55 3-5 Pemotongan elemen... 56 3-6 Elemen-elemen yang sudah dirapikan... 56
3-7 Pemotongan acrylic... 57 3-8 Pengeboran spacer... 57 3-9 Pengeboran feeder line... 58 3-10 Proses pemasangan elemen-elemen dipole pada feeder line... 58 3-11 Pemasangan spacer... 59 3-12 Pemasangan kabel coaxial... 59 3-13 Penyambungan kabel coaxial pada batang feeder line... 60 3-14 Antena prototype dari hasil desain dan pembuatan... 60 4-1 Set-up pengukuran gain dan pola radiasi antenna... 62 4-2 Pengukuran pola radiasi... 63 4-3 Pola Radiasi... 65 4-4 Pengukuran daya terima pada antena LPDA... 66 4-5 Set-up pengukuran koefisien pantul antena... 68 4-6 Pemasangan antena... 69 4-7 Pengukuran koefisien pantul menggunakan RF impedance analyzer... 69 4-8 Kurva VSWR versus frekuensi sesuai tabel 4-2... 73
DAFTAR TABEL Tabel Halaman 3-1 Parameter-parameter antena hasil desain... 49 3-2 Panjang elemen-elemen dipole (l n ) dan l n... 50 3-3 Jarak diantara elemen-elemen dipole yang berdekatan... 51 3-4 Diameter setiap elemen-elemen dipole... 52 4-1 Hasil pengukuran pola radiasi dan direktivitas antena... 63 4-2 Hasil pengukuran koefisien pantul dan VSWR antena... 70
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam suatu sistem telekomunikasi tanpa kabel (wireless), gelombang elektromagnetik merambat dari pemancar ke penerima melalui ruang bebas (free space) dimana pada sistem tersebut digunakan antena. Antena yang dipasang pada pesawat pemancar disebut antena pemancar, antena yang dipasang pada pesawat penerima disebut antena penerima dan antena yang dipasang pada pesawat pemancar dan penerima disebut antena transceiver. Untuk keperluan komunikasi titik ke titik diperlukan antena yang mempunyai pengarahan (direktivitas) dan untuk keperluan sistem telekomunikasi wideband di perlukan suatu antena jenis wideband. Untuk meningkatkan manfaat dari suatu sistem antena, sebuah antena dapat didesain untuk beroperasi pada rentang frekuensi lebar yang dapat meliput hingga dua atau lebih band sistem telekomunikasi, untuk ini digunakan antena tipe wideband. Tipe antena log-periodic dipole array (LPDA), mempunyai daerah operasi idealnya tergantung frekuensi. Salah satu kelas antena diantara LPDA adalah antena LPDA hubungan coaxial, dimana antena ini dapat di operasikan pada bandwidth yang lebar (Balanis A, Constantine). Disebut antena Log-Periodic karena variasi-variasi yang periodik dari parameter-parameter antena ini seperti pola radiasi, direktivitas, beamwidth, voltage standing wave ratio (VSWR), dan koefisien pantul, sebagai fungsi dari logaritma frekuensi. Walaupun secara teori 1 bahwa daerah operasi antena ini tidak tergantung frekuensi tetapi dalam prakteknya bandwidth keseluruhan daerah operasi antena ditentukan oleh jumlah pengulangan putaran-putaran yang dihasilkan oleh bentuk desain strukturnya, dimensi geometrinya seperti panjang elemen-elemen, jarak diantara elemen-elemen, jarak pusat ke pusat dari saluran pengumpan, diameter elemen-elemen akan naik secara logaritma. Rentang frekuensi operasi antena jenis log-periodic dipole array ditentukan oleh elemen
terpendek yang menentukan frekuensi batas atas dan elemen terpanjang yang menentukan frekuensi batas bawah. Antena dikonstruksi dengan cara menghitung dimensi elemen-elemen fisik antena, kemudian elemen-elemen antena disambungkan dengan menggunakan saluran pengumpan (feeder line) yang terbuat dari pipa aluminium berbentuk round. 1.2 Tujuan 1. Merancang antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 Mhz dengan gain 10 dbi. 2. Membuat antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 MHz dengan gain 10 dbi. 3. Menjelaskan pengukuran antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 MHz dengan gain 10 dbi. 1.3 Perumusan Masalah Parameter- parameter seperti tau (τ), sigma (σ), sudut puncak (α), dan rentang frekuensi adalah parameter-parameter yang mempengaruhi panjang total struktur antena log-periodic dipole array. Pada gain tertentu yang diinginkan, semakin lebar rentang frekuensi yang diinginkan maka panjang total dari struktur antena log-periodic dipole array juga semakin panjang yang tentu saja menambah harga antena karena membutuhkan bahan yang lebih banyak dan waktu pengerjaan yang lebih lama. Salah satu cara untuk mengatasi masalah tersebut maka akan didesain antena log-periodic dipole array yang beroperasi pada modus λ/2 dari 400-970 Mhz dan pada modus 3λ/2 dari 1200-2910 Mhz. Oleh karena itu rentang frekuensi operasi antena yang diinginkan dari 400-2910 Mhz, tetapi dalam perhitungan desain hanya dari 400-970 Mhz sehingga dapat mengurangi panjang total struktur antena dan tentu saja dapat mengurangi harga antena. Agar penulisan tugas akhir ini lebih terarah maka perumusan masalah yang akan dibahas adalah : 1. Berapa dimensi-dimensi fisik antena hasil rancangan 2. Bagaimana gambar bentuk pola radiasi antena hasil rancangan
3. Berapa direktivitas antena 4. Berapa rentang frekuensi operasi antena pada gain yang diinginkan 5. Berapa rentang frekuensi operasi antena pada nilai VSWR tertentu 1.4 Batasan Masalah Pada penulisan tugas akhir ini, untuk mendapatkan pembahasan semaksimal mungkin dan agar mudah di pahami serta menghindari pembahasan yang terlalu meluas maka pembahasan masalah sangat dibutuhkan. Adapun batasan masalah yang di bahas dalam laporan tugas akhir ini adalah: 1. Mendesain dan membuat antena Log-Periodic Dipole Array pada rentang frekuensi 400-970 MHz dengan gain 10 dbi 2. Mengukur pola radiasi, gain dan VSWR antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 MHz dengan gain 10 dbi 3. Menguji coba lapangan 1.5 Metodologi Penulisan Metode yang dilakukan dalam penulisan Laporan Tugas Akhir ini adalah : 1. Studi Literatur Mempelajari prinsip kerja antenalog-periodic dipole array pada situs situs yang memberikan penjelasan dan pembahasan tentang antena log-periodic dipole array serta dari buku buku yang berkaitan tentang antena log-periodic dipole array tersebut. 2. Spesifikasi Mendesain sifat sifat atau spesifikasi dari alat tersebut agar perancangan sesuai dengan yang diharapkan. Spesifikasinya adalah sebagai berikut: Gain 10 dbi Sistem impedansi 50 Ω
Sudut puncak 6,9 o Bandwidth yang diinginkan 2,425 Tinggi tiang antena lebih dari 1 meter Jumlah elemen dipole adalah 16 elemen dengan elemen dipole terpanjang 375 mm dan elemen dipole terpendek 102,4 mm Jarak diantara elemen-elemen dipole yang berdekatan terpanjang 128,55 mm dan terpendek 38,3 mm Diameter elemen dipole adalah 6 mm Jarak pusat ke pusat dari konduktor-konduktor saluran feeder adalah 25,76 mm 3. Penjadwalan Sebelum melakukan desain antena, terlebih dahulu membuat jadwal dari kegiatan yang akan dilakukan sehingga pekerjaan dapat berjalan teratur. 4. Desain Melakukan perhitungan dan merancang antenalog-periodic dipole array yang bekerja pada rentang frekuensi 400-970 MHz 5. Pembuatan perangkat antena Memilih komponen dan merakit antena berbentuk log-periodic dipole array yang bekerja pada rentang frekuensi 400-970 MHz berdasarkan teori antena log-periodik dipole array. 6. Pengujian laboratorim
Melakukan pengujian antena yang telah dibuat di laboratorium dengan alat-alat yang ada pada laboratorium sebelum melakukan tes lapangan. 7. Analisa data Setelah melakukan pengujian, maka hasil pengukuran dan analisa terhadap antena yang dibuat serta fungsinya untuk antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 MHz. 8. Kesimpulan Membuat rangkuman dari hasil pengukuran dan analisa data terhadap antena log-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 MHz. 1.6 Sistematika Penulisan Adapun sistematika pembahasan dalam penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I. PENDAHULUAN Berisikan tentang latar belakang, tujuan penulisan, perumusan masalah, batasan masalah, metologi penulisan dan sistematika penulisan laporan. BAB II. DASAR TEORI Berisikan penjelasan mengenai dasar teori komponen utama yang digunakan dalam mendesain dan membuat antenalog-periodic dipole array pada rentang frekuensi 400-970 MHz dengan gain 10 dbi. BAB III. METODE DESAIN DAN PEMBUATAN
Berisikan desain mekanik dan desain listrik yang digunakan, serta langkah-langkah Mendesain dan Membuat AntenaLog-Periodic Dipole Array pada rentang frekuensi 400-970 MHz dengan gain 10 dbi. BAB IV. PENGUKURAN LAB, PENGUJIAN DAN ANALISA Berisikan uraian tentang tata cara pengukuran lab, pengujian disertai analisa terhadap hasil pengukuran dan pengujian. BAB V. PENUTUP Berisikan kesimpulan dari seluruh rancangan yang telah dibuat beserta saran-saran kepada pembaca guna perbaikan dan pengembangan proyek.