SISTEM ANTENA CERDAS DAN RAMAH LINGKUNGAN UNTUK APLIKASI JARINGAN KOMPUTASI BERGERAK GREEN AND INTELLIGENT ANTENNA SYSTEM FOR MOBILE COMPUTING NETWORK Sukriyah Buwarda, Elyas Palantei, Wardi Program Studi Teknik Elektro, Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin Makassar Alamat Korespondensi : Sukriyah Buwarda Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Teknik Telekomunikasi Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Makassar HP. 082377221223 Email : sukriyah_buwarda@yahoo.com
Abstrak Kebutuhan untuk kompatibilitas standar frekuensi 802.11a yang beroperasi pada frekuensi 5.8 GHz dan 802.11b, 802.11g dan 802.11n yang beroperasi pada frekuensi 2.4 GHz berdasarkan standarisasi yang dikeluarkan oleh badan standarisasi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Penelitian ini bertujuan untuk merancang sistem antena cerdas yang dapat direkonfigurasi pada kedua standar frekuensi tersebut. Antena dirancang menggunakan software Ansoft HFSS (High Frequency Structural Simulator) v.13 berjenis antena stripmikro. Antena stripmikro dirancang terbuat dari bahan substrate dielektrik FR-4 Epoxy dengan permitifitas relatif (Ɛ r = 4.4) dan tebal (h=1.6 mm). Elemen peradiasi patch dan groundplane dari bahan PEC (Perfect Electric Conductor) dengan permitifitas relatif (Ɛ r = 4.4). Teknik Feeding yang digunakan adalah coaxial probe feeding menggunakan SMA Connector 50 Ω. Hasil simulasi perancangan pada software telah dilakukan fabrikasi menggunakan bahan yang sesuai dengan hasil rancangan dan telah dilakukan pengujian untuk menilai unjuk kerja sistem antena yang telah dibuat. Fungsi switching frekuensi antena dilakukan dengan mekanisme on/off sebuah p.i.n diode. Bandwidth yang dihasilkan pada resonan frekuensi 2.4 GHz baik pada hasil simulasi maupun hasil pengukuran sebesar 30 MHz dengan koefisien refleksi S 11 terkecil adalah -19.12 db. Sedangkan pada resonan frekuensi 5.8 GHz dihasilkan bandwidth sebesar 250 MHz pada hasil simulasi dengan koefisien refleksi S 11 terkecil adalah -31.77 db dan pada hasil pengukuran diperoleh bandwidth sebesar 330 MHz koefisien refleksi S 11 terkecil adalah -16.95 db. Hasil simulasi dan pengukuran menunjukkan bahwa antena dapat digunakan pada kedua standar frekuensi 802.11a pada frekuensi 5.8 GHz dan pada standar frekuensi 802.11b, 802.11g, dan 802.11n pada frekuensi 2.4 GHz dengan mekanisme switching secara elektrik Kata kunci : Antena Cerdas, Microstrip, Koefisien Refleksi S 11, VSWR Abstract This paper presents a needl of compatibility antenna system for radio frequency standard by IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) that 802.11a standard using frequency at 5.8 GHz, and 802.11b, 802.11g, 802.11n that using frequency at 2.4 GHz. This study aims to design a smart antenna system that can function in two frequency bands 2.4 GHz (for standard of IEEE 802.11b, 802.11g, 802.11n) and 5.8 GHz (for standard of IEEE 802.11a). Antenna was design using Ansoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v.13. Microstrip patch antenna has been design, consist of substrate dielectric with 4.4 of relative permitivity from FR-4 Epoxy. Perfect Electric Conductor as a radiating element patch and groundplane with relative permitivity (Ɛ r =1). Coaxial probe feeding used as a proposed feeding technique. The simulation result has been fabricated with the same structure between simulation and fabricated to validate the simulation. Switching configuration execute by switching the diodes on/off states. The simulated and measured results are presented to confirm the performance of the antenna. The measurement results show that the antenna is able to use in both of 802.11 a at 5.8 GHz standard and 802.11b, 802.11g, 802.11n at 2.4 GHz standard on electrical switch. The simulation and measurement results show the same range of the frequency operation. The bandwidth at 2.4 GHz achieved 30 MHz with lowest reflection coefficient S 11-19.12 db. For resonance frequency at 5.8 GHz achieved bandwidth about 250 MHz by simulation result with lowest reflection coefficient S 11-31.77 db and 330 MHz by measurement result with lowest reflection coefficient S 11-16.95 db. Keywords : Smart Antenna, Microstrip, Reflection Coefficient S 11, VSWR
PENDAHULUAN Komunikasi nirkabel saat ini mengalami perkembangan yang sangat pesat dengan lahirnya berbagai macam aplikasi yang semakin inovatif dalam segala aspek. (Christodoulou, 2012). Berbagai perusahaan saling berkompetisi untuk melahirkan aplikasi komunikasi bergerak dengan kemampuan yang semakin canggih, desain yang compact, dimensi yang kecil, long life battery, dan user friendly. (Kumar dkk., 2003). Sebagai contoh implementasi Wireless Local Area Network (WLAN) atau Wireless Fidelity (Wifi) yang telah lama digunakan. Awalnya Wi- Fi ditujukan untuk penggunaan perangkat nirkabel dan jaringan area local (LAN), namun saat ini lebih banyak digunakan untuk mengakses internet. (Abdelaziz, 2006). Hal ini memungkinkan seseorang dapat menggunakan komputer atau Personal Data Assistant (PDA) untuk terhubung ke internet. (Ramdano dkk., 2013). Berbagai perbaikan skema dilakukan untuk membuat berbagai piranti yang mendukung kinerja alat-alat komunikasi mobile. Salah satu bagian yang terpenting untuk mendukung kinerja alat-alat komunikasi mobile tersebut adalah sistem antena. (Chen dkk., 1997). Suatu sistem antena diinginkan memiliki performansi yang luar biasa untuk jaringan nirkabel, cakupan yang bisa mencapai jarak yang jauh dengan redaman yang kecil atau penguatan yang besar dan efisiensi yang tinggi, kebutuhan bandwidth yang lebar dan bisa bekerja pada beberapa pita frekuensi. (Tsoulos, 1999). Badan standarisasi Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) sejak tahun 1997 telah mengeluarkan beberapa standar spesifikasi Wi-Fi yang lebih dikenal dengan standar 802.11. Beberapa spesifikasi yang telah ada yaitu 802.11a yang bekerja pada frekuensi 5.8 GHz, sedangkan 802.11b, 802.11g dan 802.11n yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz. (Ditjen Postel, 2005). Permasalahan yang muncul adalah peralatan yang mendukung standar 802.11b, 802.11g dan 802.11n yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz tidak kompatibel dengan peralatan yang mendukung standar 802.11a yang bekerja pada frekuensi 5.8 GHz khususnya antena yang digunakan. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, dirasakan perlu untuk membuat sebuah piranti yang dapat mendukung kedua standar tersebut khususnya antena yang digunakan. Penelitian ini bertujuan untuk merancang sistem antena cerdas yang dapat direkonfigurasi pada kedua standar frekuensi 2.4 GHz dan 5.8 GHz.
BAHAN DAN METODE Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan selama kurang lebih delapan bulan yakni dimulai pada bulan November 2013 sampai dengan bulan Juli 2014 bertempat di Laboratorium Telekomunikasi, Radio dan Gelombang Pendek, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, Makassar, Indonesia dan di Laboratorium Microwave Universiti Kebangsaan Malaysia, Bangi, Selangor, Malaysia. Sumber Data Data yang dipergunakan dalam penelitian adalah data simulasi dan data pengukuran secara langsung dari hasil fabrikasi rancangan antena yang telah dibuat sebelumnya menggunakan software Ansoft High Frequency Structural Simulator v.13. Rancangan Penelitian Perancangan dibagi dalam beberapa tahapan. Tahapan pertama dilakukan kajian pustaka dengan mengumpulkan acuan dasar teori berupa literatur dan kajian terkait topik yang terdapat pada tesis ini. Acuan dasar teori tersebut bisa berupa artikel ilmiah, buku referensi, jurnal ilmiah, hasil penelitian, maupun sumber-sumber lain yang akurat, valid dan dapat dipercaya. Tahapan berikutnya adalah desain antena cerdas untuk aplikasi jaringan komunikasi mobile. Pembuatan desain antena cerdas mengacu kepada hasil studi literatur dan perhitungan dimensi antena sesuai frekuensi kerja yang diharapkan yaitu dapat bekerja pada dua pita frekensi 2.4-2.5 GHz dan 5.8 GHz. (Balanis, 2005). Perancangan dilanjutkan dengan simulasi antena menggunakan software HFSS v.13 hingga diperoleh parameter dengan performansi yang diharapkan, diantaranya adalah dapat bekerja pada dua band frekuensi yaitu 2.4 GHz dan 5.8 GHz. Selanjutnya adalah tahapan fabrikasi prototype menggunakan struktur & bahan yang sesuai dengan material pada perancangan menggunakan software. Tahapan terakhir yang dilakukan adalah pengukuran hasil rancangan antena untuk aplikasi komputasi bergerak untuk menguji keberhasilan perancangan. Metode Analisis Data Analisis data dilakukan dengan validasi hasil simulasi dengan hasil pengukuran untuk menilai keberhasilan perancangan antena. Validasi dilakukan pada beberapa parameter penting yang menentukan keberhasilan atau performansi yang baik dari sebuah antena. Parameterparameter yang dibuat analisis antara lain Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), koefisien
refleksi S 11, pola radiasi dan penguatan antena. (Waterhouse, 2003). Data-data yang diperoleh divalidasi menggunakan software Matlab versi 7.11 2012a, dengan membandingkan data yang diperoleh dari hasil simulasi pada desain antena dengan menggunakan simulator dan hasil fabrikasi. Dari hasil analisis tersebut dapat ditarik sebuah kesimpulan. HASIL PENELITIAN Perancangan desain pada awalnya mengacu pada persamaan matematis berdasarkan teori microstrip patch antenna untuk memperoleh dimensi antena berdasarkan frekuensi kerja (fo) yang telah ditentukan. Antena yang dirancang bekerja pada dua band frekuensi yaitu 2.4 GHz dan 5.8 GHz. Elemen peradiasi dari bahan perfect electric conductor (PEC) dengan permitivitas relatif (Ɛ r = 1) dan substrate dielectric dari bahan FR-4 Epoxy dengan permitivitas relatif (Ɛ r = 4.4). Pemilihan bahan tersebut karena banyak digunakan dan kemudahannya diperoleh di pasaran. Dimensi yang diperoleh dapat dilihat pada gambar 1, lebar (W = 65 mm), panjang (L = 40 mm) dan tebal substrate (h = 1.6 mm) dengan dua buah switch (A&B) yang akan berkontribusi dalam proses switching frekuensi 2.4 GHz dan 5.8 GHz. Desain yang dihasilkan pada software Ansoft HFSS v.13 kemudian dibuat prorotype pada printed circuit board (PCB) menggunakan bahan dan alat diantaranya PCB FR4-Epoxy dual layer, software CorelDraw Graphics Suite X3, SMA Connector, seperangkat alat bor dan seperangkat alat solder. Hasil desain prototype seperti ditunjukkan pada gambar 2(a) untuk elemen peradiasi dan gambar 2(b) untuk grounplane. Pengukuran dilakukan untuk menilai keberhasilan perancangan antena dengan membandingkannya terhadap hasil simulasi pada software Ansoft HFSS v13. Hasil pengukuran antena yang akan digunakan sebagai tolak ukur kelayakan antena yang dirancang terhadap spesifikasi yang telah ditentukan sebelumnya kemudian akan dilakukan analisa terhadap penyimpangan yang terjadi. Pengukuran idealnya dilakukan dalam ruangan anechoic chamber yang mampu menyerap gelombang elektromagnetik sehingga mengurangi pantulan dan interferensi gelombang lain sehingga tingkat keakuratan hasil pengukuran menjadi lebih presisi. Pengukuran dilakukan dengan mengambil data parameter koefisien refleksi S 11 yang ditunjukkan pada gambar 3, VSWR ditunjukkan pada gambar 4 dan pola radiasi yang ditunjukkan pada gambar 5(a) tampak dari sumbu x, gambar 5(b) tampak sumbu y dan
gambar 5(c) tampak sumbu z. PEMBAHASAN Penelitian ini menunjukkan bahwa antena yang dirancang dapat bekerja pada dua daerah resonan frekuensi yaitu 2.4 GHz dan 5.8 GHz. Untuk menilai unjuk kerja keberhasilan perancangan suatu antena, perlu ditinjau beberapa parameter penting yang merepresentasikan unjuk kerja antena yang dirancang. (Herscovici, 2000). Dari beberapa parameter penting antena, beberapa parameter yang akan disimulasikan menggunakan software Ansoft HFSS v13 antara lain adalah Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), koefisien refleksi (S 11 ), pola radiasi berdasarkan dua dimensi (2D) dan pola radiasi berdasarkan tiga dimensi (3D). (Balanis, 2005). Selain itu disimulasikan pula arah vektor E untuk melihat arah penjalaran medan listrik antena. VSWR memiliki korelasi dengan koefisien refleksi S 11. VSWR menunjukkan banyaknya tegangan yang terpantul kembali ke sumber akibat ketidak-matching-an impedansi saluran (Zo) dengan impedansi beban (ZL) sehingga tidak semua dapat diserap pada beban. (Kumar dkk., 2003). Untuk kondisi ideal, nilai VSWR yang dipersyaratkan adalah VSWR = 1, akan tetapi kondisi ini sangat sulit bahkan mustahil didapatkan pada kondisi real. Namun antena dikatakan dapat bekerja dengan baik jika VSWR 1 atau 1 VSWR 2. Nilai VSWR = 2 sama dengan nilai koefisien refleksi S 11 = -9.54 db. Sehingga aproksimasi untuk nilai S 11-10 db untuk memperoleh nilai VSWR < 2. (Chen dkk., 1997). Secara umum antena dapat bekerja pada beberapa band frekuensi. Namun fokus dalam penelitian ini adalah frekuensi kerja 2.4 GHz dan 5.8 GHz. Untuk hasil simulasi ditunjukkan oleh grafik berwarna biru pada gambar 4 di atas bahwa untuk daerah resonan frekuensi kerja 2.4 GHz antena beresonansi pada band frekuensi 2.26 GHz sampai 2.29 GHz (30 MHz), menghasilkan minimum kofisien refleksi -19.13 db. Sedangkan untuk frekuensi kerja 5.8 GHz antena beresonansi pada frekuensi 5.66 GHz 5.91 GHz (250 MHz) dengan minimum koefisien refleksi -30.49 db. Nilai S 11 yang semakin kecil dari -10 db menunjukkan bahwa tegangan yang dipantulkan kembali ke sumber semakin kecil. Hal ini berarti bahwa unjuk kerja antena pada frekuensi 5.8 GHz sangat baik yaitu mencapai nilai -30.49 db. Demikian halnya dengan hasil pengukuran yang ditunjukkan pada grafik berwarna merah. Pada daerah resonan frekuensi 2.4 GHz diperoleh bandwidth sebesar 30 MHz (sama dengan hasil simulasi). Begitu pula pada range frekuensi 2 GHz sampai 4 GHz, tidak terdapat perbedaan yang signifikan, namun pada frekuensi di atas 4 GHz, nilai koefisien refleksi S 11
yang diperoleh sedikit berbeda dengan hasil simulasi. Jika pada hasil simulasi diperoleh bandwidth sebesar 250 MHz dengan nilai koefisien refleksi S 11 terendah adalah -30.49 db, pada hasil pengukuran diperoleh bandwidth yang sedikit lebih lebar. Frekuensi terendah (f L = 5.62 GHz) dan frekuensi tertinggi (f H = 5.95 GHz), sehingga BW = f H f L = 5.95 GHz 5.62 GHz = 0.33 GHz = 330 MHz. Perbedaan ini dapat disebabkan oleh beberapa factor. Akan tetapi secara umum, ditunjukkan bahwa antena dapat bekerja pada frekuensi 2.4 GHz dan 5.8 GHz dengan nilai minimum koefisien refleksi S 11 pada kisaran -17 db. Jika pada nilai koefisien refleksi S 11 diperoleh nilai yang tidak berbeda secara signifikan, lain halnya yang terjadi pada nilai VSWR. Nilai VSWR menunjukkan beberapa perbedaan antara hasil simulasi dengan hasil pengukuran. Namun pada frekuensi kerja yang diinginkan, nilai VSWR yang dipersyaratkan tetap dipenuhi. Hasil simulasi diperoleh VSWR pada nilai 1.719 pada frekuensi 2.4 GHz, dan 1,374 pada frekuensi 5.8 GHz. Sedangkan pada hasil pengukuran diperoleh nilai VSWR 2.074 pada frekuensi 2.4 GHz dan 1.017 pada frekuensi 5.8 Ghz. Simulasi menggunakan software HFSS dapat menghasilkan pola radiasi tiga dimensi (3D) dan pola radiasi dua dimensi (2D) seperti pada lampiran. Pola radiasi hasil simulasi menggunakan software Ansoft HFSS v.13 cenderung mendekati pola radiasi bidirectional, sehingga untuk implementasi dapat dibuat algoritma antena cerdas untuk swithing beam. Pancaran maksimum yang dicapai oleh antena pada kisaran 0.18 dbi. Pola radiasi tiga dimensi (3D) menunjukkan representasi grafis pengarahan antena dalam bidang ruang mencakup penjalaran medan listrik (E) dan penjalaran medan magnet (H). KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil simulasi, fabrikasi dan analisa data yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa antena telah dapat digunakan pada standar 802.11b, 802.11g, dan 802.11n pada frekuensi 2.4 GHz standar 802.11a pada frekuensi 5.8 GHz. Bandwidth yang dihasilkan pada resonan frekuensi 2.4 GHz baik pada hasil simulasi maupun hasil pengukuran sebesar 30 MHz dengan VSWR 1.7, sedangkan pada resonan frekuensi 5.8 GHz dihasilkan bandwidth sebesar 250 MHz pada hasil simulasi dan pada hasil pengukuran diperoleh bandwidth sebesar 330 MHz. Untuk pengembangan selanjutnya perlu dilakukan simulasi dengan komputasi numeric yang lebih kompleks untuk memperoleh parameter yang lebih lengkap sehingga
diperoleh banyak data pendukung seperti gain, directivity dan polarisasi baik vertical maupun horizontal. UCAPAN TERIMA KASIH Keterbatasan sebagai manusia biasa dan menyadari bahwa penyusunan penelitian ini banyak mengalami hambatan, rintangan dan halangan, namun dengan bantuan dari berbagai pihak semua ini dapat terselesaikan dengan baik, Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Bapak Dr. Elyas Palantei, ST., M.Eng dan Bapak Dr. Eng. Wardi, ST.,M.Eng selaku pembimbing yang banyak meluangkan waktunya memberikan petunjuk dan arahan sehingga kesulitan demi kesulitan dalam penelitian ini dapat terlewati. Terima kasih pula kepada seluruh staf dan dosen yang telah memberikan banyak masukan dan bantuan selama menjalani pendidikan. DAFTAR PUSTAKA Abdelaziz A.A. (2006). Bandwidth Enhancement Of Microstrip Antenna. Misr University for Science and Technology.Department of Electronics and Communication Faculty of Engineering. Balanis C. A. (2005). Antenna Theory Analysis and Design. 3 rd Edition. New Jersey : John Wiley and Sons, Inc., Publication. Chen W., Lee Fong K. (1997). Advances in Microstrip Antennas. Texas: A&M University. John Wiley and Sons, Inc., Publication. Christodoulou C., Tawk, Y., Lane S. A., Erwin S.R. (2012). Reconfigurable Antennas for Wireless and Space Application. Proceeding of The IEEE Vol. 100, No.7, July. Direktorat Jenderal Pos & Telekomunikasi (Ditjen Postel). (2005). Perencanaan dan Kebijakan Spektrum Broadband Wireless Access (BWA). Departemen Komunikasi & Informasi - Direktorat Spektrum Frekuensi Radio dan Orbit Satelit : Jakarta Herscovici N., Christodoulou C. (2000). Smart Antennas. New Mexico: Democritus University of Thrace, Electrical and Computer Engineering Department Kumar G., Ray K. P. (2003). Broadband Microstrip Antennas. Boston, London: Artech House Antennas and Propagation Library, Inc. Ramdano A., Ansyah M., E.W.Pratama R., Sari M. (2013). Infrastruktur Jaringan WiFi di Universitas Multimedia Nusantara. Universitas Bina Darma : Palembang Tsoulos G. V. (1999). Smart Antennas for Mobile Communication Systems benefits and challenges. Electronics and Communication Engineering Journal. Waterhouse R. B. (2003). Microstrip Patch Antenna A Designer s Guide. Boston, London : Kluwer Academic RMIT University.
A B Patch (Perfect Electric Conductor - PEC) 40 mm 1.6 mm 65 mm Substrate dielectric FR-4 Epoxy (Ɛr = 4.4) Gambar 1. Rancangan antena microtrip pada software HFSS v13 (a) (b) Gambar 2. Hasil rancangan prototipe antena microtrip : (a) patch; (b) groundplane
Gambar 3. Grafik perbandingan hasil simulasi dengan hasil pengukuran koefisien refleksi S 11 antena microstrip Gambar 4. Grafik perbandingan hasil simulasi dengan hasil pengukuran VSWR antena microstrip (a) (b) (c) Gambar 5. Pola radiasi hasil simulasi antena microstrip pada software Ansoft HFSS v.13, (a) x-view; (b) y-view; (c) z-view