PENINGKATAN LEBAR PITA DENGAN METODE SUSUN DAN STAGGER BEBAN SALURAN MIKROSTRIP PADA ANTENA MIKROSTRIP SEGIEMPAT BEKERJA PADA FREKUENSI 2,3GHz TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh HARTUTI MISTIALUSTINA NIM : 232 07 003 Program Studi Teknik Telekomunikasi INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
PENINGKATAN LEBAR PITA DENGAN METODE SUSUN DAN STAGGER BEBAN SALURAN MIKROSTRIP PADA ANTENA MIKROSTRIP SEGIEMPAT BEKERJA PADA FREKUENSI 2,3GHz Oleh HARTUTI MISTIALUSTINA NIM : 232 07 003 Program Studi Teknik Telekomunikasi Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung Menyetujui, Bandung, Juni 2009 Pembimbing Dr. Ir. Adit Kurniawan NIP: 131 875 306 ii
ABSTRAK PENINGKATAN LEBAR PITA DENGAN METODE SUSUN DAN STAGGER BEBAN SALURAN MIKROSTRIP PADA ANTENA MIKROSTRIP SEGIEMPAT BEKERJA PADA FREKUENSI 2,3GHz Oleh HARTUTI MISTIALUSTINA NIM : 232 07 003 Spesifikasi antena yang dibutuhkan dalam sistem telekomunikasi frekuensi tinggi, khususnya teknologi Broadband Wireless Access (BWA), antara lain adalah antena dengan gain besar dan bandwidth yang lebih besar. Kemampuan beroperasi pada lebih dari satu pita frekuensi merupakan keunggulan yang perlu diupayakan, untuk mengikuti kecenderungan penggunaan dan alokasi frekuensi yang semakin bervariasi. Pada tesis ini telah dilakukan perancangan dan pembuatan antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub yang berperan sebagai resonantor dan juga penala. Digunakan satu ukuran beban yaitu 0,5λd x 2 mm. Antena rancangan sebelum diberi beban bekerja pada frekuensi 2,3GHz dengan bandwidth 3,12% / 71,70MHz. Setelah diberi beban dengan konfigurasi titik 1, 2, 3, 4, dan posisi +4, +4, +4, +4, bandwidth maksimal yang dapat dicapai sebesar 6,14% / 149,2MHz, di pita frekuensi kedua yaitu 2,3568GHz sampai 2,506GHz, dengan nilai VSWR terendah 1,027 pada 2,3875GHz. Selain itu hasil optimal lainnya, adalah saat penambahan beban dengan konfigurasi titik 1, dan posisi +4, bandwidth maksimal yang dapat dicapai sebesar 5,38% / 124,4MHz, di pita frekuensi kedua yaitu 2,2817GHz sampai 2,4061GHz, dengan nilai VSWR terendah 1,177 pada 2,3125GHz. Gain antena hasil rancangan adalah sebesar 7,968dB untuk frekuensi 2,2695GHz, 7,7364dB untuk frekuensi 2,3GHz, dan 5,936dB untuk frekuensi 2,3452GHz. Kata kunci : Peningkatan bandwidth, antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, beban stub iii
ABSTRACT BANDWIDTH ENHANCEMENT OF MICROSTRIP RECTANGULAR ANTENNA USING ARRAY METHOD AND STUB LOADING STAGGERING IN 2,3GHz FREQUENCY HARTUTI MISTIALUSTINA NIM : 232 07 003 Recently, rapid development of technology in high frequency telecommunication systems, has triggered into a demand of compact antenna design with easy and cheap fabrication, easy integration and high versatility. In some case, we even need an antenna which can operate in dual-band/multi-band, and also has wide bandwidth and high gain. In this thesis, therefore, a novel technique to excite a wide band and high gain microstrip antenna using array method and utilizing the embedded an adjustable stub-loading is proposed. Stubloading dimensions have been simulated in which their dimensions are chosen in one variation only, 0,5λd x 2 mm. The Antenna was operate in 2,3GHz, after utilizing the embedded an adjustable stub-loading, with specific stub-loading configuration in coordinate 1, 2, 3, 4 with position +4, +4, +4, +4, the maximum bandwidth achievement is 6,14%/149,2MHz, in 2,3568GHz 2,506GHz, with VSWR 1,027 in 2,3875GHz, another maximum bandwidth achievement is in coordinate 1, with position +4, the bandwidth is 5,38% / 124,4MHz, in 2,2817GHz 2,4061GHz, with VSWR 1,177 in 2,3125GHz. Antenna gains are 7,968dB for 2,2695GHz, 7,7364dB for 2,3GHz, and 5,936dB for 2,3452GHz. Keywords: Bandwidth enhancement, microstrip rectangular array four element antenna, stub-loading. iv
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. v
KATA PENGANTAR Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang, Segala puji dan syukur bagi Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayah-nya sehingga tesis ini dapat selesai dengan baik. Penulis mengucapkan terima kasih kepada: Bapak Dr. Ir. Adit Kurniawan selaku dosen pembimbing yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberi pengarahan, diskusi, bimbingan dan persetujuan, sehingga tesis ini dapat selesai dengan baik. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada: Kepada para dosen penguji, yang telah bersedia menjadi penguji dalam sidang tesis. Suami tercinta Muhammad Yusron Amriadi, yang tak pernah lelah memberikan doa restu, wasilah, kasih sayang dan dukungan. Buah hati tercinta kami Fakhira Aimee Tazkia dan janin tercinta calon anak kedua kami dalam usia delapan bulan kehamilan, yang telah memberi semangat dan inspirasi. Bapak Misyono dan Ibu Sri Suhartini, Bapak Muhammad Sholeh kosim dan Ibu Endang Martiningsih, Orang tua tercinta, yang senantiasa memberikan doa restu, wasilah dan dukungan, walau dari jauh. Semua rekan-rekan pasca sarjana Elektro Telekomunikasi angkatan 2007, yang telah memberi bantuan dan saran. Laboratorium Radar Institut Teknologi Bandung beserta para staf, dan semua rekan-rekan yang tidak disebutkan di sini, yang telah memberi dukungan berupa doa dan nasihat kepada penulis melalui SMS, telepon, dan email. Bandung, Juni 2009 Penulis, Hartuti Mistialustina NIM. 23207003 vi
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN. i ii ABSTRAK iii ABSTRACT PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS. iv v KATA PENGANTAR.. vi DAFTAR ISI vii DAFTAR GAMBAR xii DAFTAR TABEL xv BAB 1 PENDAHULUAN.. 1 1.1. Latar Belakang. 1 1.2. Tujuan.. 3 1.3. Perumusan Masalah... 4 1.4. Ruang Lingkup Penelitian... 4 1.5. Metodologi Penelitian.. 4 1.6. Sistematika Penulisan.. 5 BAB 2 TEORI DASAR pada ANTENA MIKROSTRIP... 7 2.1. Antena Mikrostrip Segiempat.. 7 2.1.1. Dimensi Elemen Peradiasi... 7 2.1.2. Frekuensi Resonansi.... 9 2.1.3. Medan Listrik... 9 vii
2.1.4. Pola Radiasi Patch Segiempat..... 10 2.1.5. Directive Gain (U) dan Efisiensi Radiasi.... 11 2.1.6. Faktor Kualitas.... 11 2.1.7. Fractional Bandwidth.. 12 2.2. Saluran Mikrostrip... 13 2.2.1. Karakteristik Saluran Mikrostrip Untuk w/h <1.. 13 2.2.2. Karakteristik Saluran Mikrostrip Untuk w/h >1.. 14 2.3. Teknik Pencatuan Saluran Mikrostrip. 14 2.3.1. Saluran Mikrostrip Menggunakan Inset untuk Elemen Tunggal... 14 2.3.2. Saluran Mikrostrip Menggunakan Transformer λ/4 untuk Elemen Susun... 15 2.4. Metode Peningkatan Bandwidth dan Gain Pada Antena Mikrostrip... 16 2.4.1. Metode Frekuensi Ganda Pada Antena Mikrostrip. 16 2.4.2. Metode Penalaan Pada Antena Mikrostrip. 18 2.4.3. Metode Peningkatan Bandwidth dan Gain dengan Metode Stagger pada Antena Mikrostrip Array/Susun. 20 2.5. Metode yang Digunakan Dalam Penelitian 21 BAB 3 PERANCANGAN, SIMULASI dan PABRIKASI ANTENA 22 3.1. Bahan dan Spesifikasi Antena Rancangan... 22 3.2. Peralatan yang Digunakan... 23 3.3. Perancangan Antena Mikrostrip Segiempat 23 3.3.1. Penentuan Dimensi Patch 23 3.3.2. Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Elemen Tunggal 25 viii
3.3.3. Penentuan Dimensi Rangkaian Pencatu Antena Susun Empat... 27 3.3.4. Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Susun Dua Elemen. 28 3.3.5. Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen. 30 3.3.6. Penentuan Dimensi Beban dan Posisi Beban.. 32 3.3.7. Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen dengan Beban Stub. 34 3.4. Pembuatan/Pabrikasi Antena Mikrostrip dan Beban Stub... 36 3.5. Diagram Alir Proses Perancangan dan Pembuatan Antena. 39 BAB 4 PENGUKURAN ANTENA, HASIL dan ANALISA... 40 4.1. Alat-alat Pengukuran... 40 4.2. Prosedur Pengukuran Parameter Antena. 40 4.2.1. Pengukuran Port Tunggal... 40 4.2.2. Pengukuran Pola Radiasi 41 4.2.3. Pengukuran Gain. 43 4.3. Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip Segiempat 44 4.3.1. Hasil Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Elemen Tunggal... 44 4.3.2. Hasil Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen... 46 4.4. Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip Segiempat dengan Beban Stub 50 4.4.1. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 1. 50 ix
4.4.2. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 2. 52 4.4.3. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 3. 54 4.4.4. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 4. 56 4.4.5. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 1 dan 2... 59 4.4.6. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 1 dan 4... 60 4.4.7. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 2 dan 3... 62 4.4.8. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 3 dan 4... 64 4.4.9. Pengukuran Port Tunggal Antena Mikrostrip Segiempat Susun Penempatan pada Titik 1, 2, 3, dan 4.. 66 4.4.10. Respon setiap Patch Peradiasi terhadap penambahan Beban Stub.. 68 4.5. Pengukuran Pola Radiasi dan Gain Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen...... 71 4.5.1. Pengukuran Pola Radiasi Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen...... 71 x
4.5.2. Pengukuran Gain Antena Mikrostrip Segiempat Susun Empat Elemen. 72 BAB 5 KESIMPULAN dan PENELITIAN LANJUTAN.. 75 5.1. Kesimpulan.. 75 5.2. Penelitian Lanjutan.. 76 DAFTAR PUSTAKA 77 LAMPIRAN A...A-1 xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konfigurasi antena mikrostrip segiempat.. 8 Gambar 2.2 Geometri saluran mikrostrip.. 13 Gambar 2.3 Antena mikrostrip segiempat dengan pencatu saluran tranmisi menggunakan inset 14 Gambar 2.4 Antena mikrostrip segiempat susun dua dengan pencatu saluran tranmisi menggunakan transformer λ/4 15 Gambar 2.5 Miscellaneous loading dengan (a) stub (b) notch (c) pin dan kapasitor (d) slot.. 17 Gambar.2.6 Antena mikrostrip segiempat frekuensi ganda dengan beban saluran mikrostrip... 17 Gambar.2.7 Antena mikrostrip segiempat frekuensi ganda dengan beban saluran mikrostrip, dengan pencatu saluran mikrostrip dengan inset... 18 Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen untuk resonator berupa saluran mikrostrip 19 Gambar 2.9 Ilustrasi peningkatan lebar pita.. 21 Gambar 3.1 Spesifikasi antena yang akan dibuat. (a) rancangan antena susun empat elemen tanpa beban stub, (b) rancangan antena susun empat elemen dengan beban stub... 22 Gambar 3.2 Parameter ukuran yang dibutuhkan pada setiap elemen tunggal antenna.. 24 Gambar 3.3 Plot return loss antena mikrostrip segiempat elemen tunggal, pada hasil simulasi Program Microwave Office 2002. 26 Gambar 3.4 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat elemen tunggal, pada hasil simulasi program Microwave Office 2002. 26 Gambar 3.5 Parameter ukuran rangkaian pencatu yang dibutuhkan pada antena susun empat elemen. 27 Gambar 3.6 Plot return loss antena mikrostrip segiempat susun dua elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office 2002. 29 xii
Gambar 3.7 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat susun dua elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office 2002 29 Gambar 3.8 Plot return loss antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office 2002 31 Gambar 3.9 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office 2002 31 Gambar 3.10 Plot gain antena mikrostrip segiempat susun empat elemen, pada hasil simulasi program Microwave Office 2002. 32 Gambar 3.11 Acuan posisi beban terhadap elemen peradiasi. 32 Gambar 3.12 Acuan nama titik penempatan beban. 33 Gambar 3.13 Tahapan proses pembuatan antena dengan teknik etching sederhana, (a). mencetak rancangan antenna pada permukaan substrat, (b). Menyiapkan larutan FeCl 3 untuk proses etching... 37 Gambar 3.14 Beban stub ukuran 0,5λd x 2 mm... 38 Gambar 3.15 Diagram alir proses perancangan dan pembuatan antena 39 Gambar 4.1 Konfigurasi pengukuran port tunggal 41 Gambar 4.2 Orientasi Bidang-E dan bidang-h pada antenna 42 Gambar 4.3 Konfigurasi pengukuran pola radiasi dan gain.. 43 Gambar 4.4 Plot return loss antena mikrostrip segiempat elemen tunggal... 45 Gambar 4.5 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat elemen tunggal.. 45 Gambar 4.6 Plot return loss antena mikrostrip segiempat susun empat elemen... 47 Gambar 4.7 Plot Smith chart antena mikrostrip segiempat susun empat elemen. 47 Gambar 4.8 Medan listrik tepi/fringing field pada daerah perubahan lebar dari saluran mikrostrip... 48 Gambar 4.9 Grafik return loss hasil simulasi antena mikrostrip segiempat susun empat elemen tanpa beban stub, ripple yang muncul di sekitar frekuensi operasi... 49 xiii
Gambar 4.10 Plot hasil pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan ukuran beban 0,5 d mm x 2 mm, penempatan titik 1 dan posisi + 4, (a) plot return loss untuk pita frekuensi kedua, (b) plot Smith chart untuk pita frekuensi kedua. 51 Gambar 4.11 Plot hasil pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan ukuran beban 0,5 d mm x 2 mm, penempatan titik 2 dan posisi + 22, (a) plot return loss, (b) plot Smith chart.. 53 Gambar 4.12 Plot hasil pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan ukuran beban 0,5 d mm x 2 mm, penempatan titik 3 dan posisi + 22, (a) plot return loss, (b) plot Smith chart.. 55 Gambar 4.13 Plot hasil pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan ukuran beban 0,5 d mm x 2 mm, penempatan titik 4 dan posisi + 8, (a) plot return loss, (b) plot Smith chart 57 Gambar 4.14 Plot hasil pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan ukuran beban 0,5 d mm x 2 mm, penempatan titik 1 dan 4, posisi + 4, +4, (a) plot return loss, (b) plot Smith chart.. 61 Gambar 4.15 Plot hasil pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan ukuran beban 0,5 d mm x 2 mm, penempatan titik 2 dan 3, posisi + 4, +4, (a) plot return loss, (b) plot Smith chart.. 63 Gambar 4.16 Plot hasil pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan ukuran beban 0,5 d mm x 2 mm, penempatan titik 1,2, 3 dan 4, posisi + 4, +4, +4, +4, (a) plot return loss, (b) plot Smith chart.. 67 Gambar 4.17 Pola radiasi antena mikrostrip segiempat susun empat elemen. 71 Gambar 4.18 Grafik gain antena mikrostrip segiempat susun empat elemen. 72 xiv
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Parameter substrat yang digunakan... 23 Tabel 3.2 Optimasi patch tunggal dengan PCAAD 3.0. 24 Tabel 3.3 Tabel 3.4 Tabel 3.5 Tabel 3.6 Tabel 3.7 Optimasi parameter-parameter inset dengan PCAAD 5.0 dan Microwave Office 2002... 24 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat elemen tunggal... 25 Optimasi parameter-parameter rangkaian pencatu antena susun empat elemen dengan PCAAD 5.0 dan Microwave Office 2002... 27 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun dua elemen 28 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen 30 Tabel 3.8 Variasi titik penempatan dan posisi beban. 33 Tabel 3.9 Tabel 3.10 Tabel 3.11 Tabel 3.12 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub, konfigurasi satu titik 34 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub, konfigurasi dua titik 35 Hasil simulasi port tunggal dari antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub, konfigurasi empat titik 36 Perbedaan dimensi ukuran-ukuran yang dirancang dan hasil pabrikasi pada antenna susun empat elemen... 38 Hasil pengukuran port tunggal antena mikrostrip segiempat elemen tunggal 44 elemen 46 xv
Tabel 4.3 Perbandingan perolehan frekuensi resonansi hasil simulasi dan pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen tanpa beban stub 48 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8 Tabel 4.9 Tabel 4.10 Tabel 4.11 Tabel 4.12 pada titik 1.. 50 pada titik 2.. 52 pada titik 3.. 54 pada titik 4.. 56 Perbandingan perubahan hasil pengukuran port tunggal antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub posisi 0.. 58 pada titik 1 dan 2 60 pada titik 1 dan 4 60 pada titik 2 dan 3 62 pada titik 3 dan 4 64 xvi
Tabel 4.13 Tabel 4.14 Perbandingan hasil pengukuran port tunggal antena mikrostrip segiempat susun empat elemen dengan beban stub konfigurasi dua titik, 1 dan 2 dengan 3 dan 4... 65 pada titik 1,2, 3, dan 4 66 Tabel 4.15 Hasil pengukuran gain antena mikrostrip segiempat susun empat elemen... 72 Tabel 4.16 Perbandingan perolehan gain hasil simulasi dan pengukuran antena mikrostrip segiempat susun empat elemen tanpa beban stub... 73 xvii