RANCANG BANGUN ANTENA SUSUN MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT DUAL BAND (2,3 GHz DAN 3,3 GHz) DENGAN PENGGUNAAN STUB Hadratul Hendra, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: Hadratulhendra1804@gmail.com Abstrak Untuk dapat mendukung teknologi Broadband Wireless Acces (BWA) diperlukan antena yang compatible dan mampu bekerja pada pita frekuensi lebar, salah satu antena yang mampu memenuhi kebutuhan tersebut adalah antena mikrostrip. Tulisan ini membahas antena susun mikrostrip patch segiempat dengan penggunaan stub yang memiliki dua frekuensi kerja yaitu pada frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz. Antena mikrostrip ini menggunakan sebuah Printed Circuit Board (PCB) double layer dengan substrat berbahan FR-4. Software yang digunakan dalam merancang antena ini adalah AWR 2004, software ini diperlukan dalam perancangan antena agar diperoleh nilai VSWR dan bandwidth yang diinginkan. Dari hasil yang diperoleh, didapatkan nilai VSWR sebesar 1,46 untuk frekuensi 2,3 GHz dengan bandwidth sebesar 127 MHz (2.271 2.398 MHz) dan 1,42 untuk frekuensi 3,3 GHz dengan bandwidth sebesar 525 MHz (2.999 3.524 MHz) dan pola radiasi yang didapat omnidirectional. Kata Kunci: antena mikrostrip, mikrostrip dual-band, VSWR, bandwidth 1. Pendahuluan Majunya perkembangan teknologi di bidang telekomunikasi khususnya teknologi tanpa kabel (wireless) menyebabkan para perancang antena agar merancang suatu antena yang dapat mendukung teknologi tersebut. Untuk dapat mendukung teknologi wireless, antena ini harus compatible, dan mampu bekerja pada pita frekuensi lebar (broadband). Antena mikrostrip adalah salah satu antena yang mampu memenuhi kebutuhan tersebut. Hal yang menjadi alasan dalam pemilihan antena mikrostrip adalah bahannya yang sederhana dan murah tetapi mampu memberikan unjuk kerja (performance) yang cukup baik. Saat ini antena mikrostrip banyak dikembangkan untuk mendukung teknologi Broadband Wireless Acces (BWA). BWA merupakan teknologi akses yang dapat menawarkan akses data/internet berkecepatan tinggi dan berkemampuan menyediakan layanan kapan dan di manapun dengan menggunakan media nirkabel (wireless). Beberapa frekuensi yang digunakan pada teknologi BWA diantaranya 2,3 GHz, 2,4 GHz, 3,3 GHz, 5,8 GHz, dan sebagainya [1]. Adapun parameter yang dapat diukur meliputi VSWR, return loss, bandwidth dan pola radiasi. 2. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 3 komponen yaitu: groundplane, substrate, dan patch peradiasi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 [2]. Gambar 1. Antena mikrostrip Dimensi antena mempresentasikan bentuk serta ukuran dari antena mikrostrip. Untuk dapat menentukan dimensi antena patch segiempat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang akan digunakan seperti ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (ε r), frekuensi kerja yang diharapkan (f Hz). Pendekatan yang digunakan untuk mancari panjang dan lebar antena mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan Persamaan1 [3]: 65 copyright@ DTE FT USU
= ( ) (1) Dimana: W: lebar patch (m) ε r : konstanta dielektrik c :kecepatan cahaya diruang bebas (3 10 8 m/s 2 ) f r :frekuensi kerja antena (Hz) Untuk menentukan lebar patch (L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect yaitu efek pada elemen peradiasi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya. Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dapat dihitung menggunakan Persamaan 2 [3]: = 0.412h. (. ). (. ) (2) Dimana h merupakan tebal substrat dan ε r eff merupakan konstanta dielektrik relatif yang ditentukan dengan Persamaan 3 [3]: = + [1 + 12 ] (3) Lebar patch (L) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 4 [3]: = 2 (4) Dimana L eff merupakan lebar patch efektif yang dapar dihitung dengan menggunakan persamaan5 [3]: = (5) Perancangan suatu antenna tidak terlepas dari penyesuaian impedansi (impedansi matching). Suatu saluran transmisi dikatakan matched apabila kharakter impedandi Z 0 = Z L, dimana Z 0 adalah impedansi saluran transmisi dan Z L impedansi beban. Untuk mencapai kondisi matching dibutuhkan suatu cara yaitu dengan cara transformator λ/4, pemberian single stub dan double stub [4]. 2.1 Metode Single Stub Stub adalah sebuah saluran transmisi yang disisipkan dilengan dari saluran transmisi tersebut. Untuk dapat melakukan penyesuaian impedansi dengan metode sigle stub ini dilakukan variasi parameter-parameter [5]: a. Jarak stub keimpedansi beban): d stub b. Panjang stub: L stub Keuntungan dari teknik matching dengan stub tunggal ini mempunyai sifat bisa mematching impedansi beban dengan nilai apapun. Tetapi, jika beban diganti, maka posisi stub harus diubah untuk mendapatkan kembali kondisi matching yang baru. Rangkaian penyesuaian impedansi dengan single stub dapat dilihat pada Gambar 2 [5]. Gambar 2. Penyesuaian impedansi single stub 3. Metode Penelitian Adapun metode atau langkah-langkah pada perancangan sebuah antena mikrostrip diantaranya: 1. Menentukan frekuensi kerja, dimensi antena, panjang stub, jarak antar elemen 2. Simulasi dengan bantuan software AWR Microwave Office 2004 3. Melakukan fabrikasi sesuai dengan rancangan simulasi 4. Melakukan pengukuran antena hasil dari fabrikasi. 3.1 Menentukan Frekuensi Kerja dan Jenis Substrat Antena yang akan dirancang pada tulisan ini adalah antena susun mikrostrip patch segiempat dual band (2,3 GHz dan 3,3 GHz) dengan penggunaan stub. Pada perancangan ini digunakan substrat Epoxy-FR4 dengan konstanta dielektrik 4,4 dan ketebalan substrat 1,6. 3.2 Perancangan Ukuran Antena Berdasarkan teori dan persamaan yang digunakan, diperoleh ukuran dimensi antena seperti pada Tabel 1. 66 copyright@ DTE FT USU
Tabel 1. Dimensi antena mikrostrip dual band Karakteristik Nilai Panjang dimensi antena 2,3 GHz 40mm Lebar dimensi antena 2,3 GHz 30mm Panjang dimensi antena 3,3 GHz 30mm Lebar dimensi antena 3,3 GHz 20mm Panjang stub 2,3 GHz 31mm Panjang stub 3,3 GHz 29mm Panjang saluran pencatu 25mm Dari Tabel 1, dibuat sketsa awal seperti pada Gambar 3 lalu disimulasikan dengan menggunakan bantuan software AWR 2004. h = 2,449 2,276 = 173 MHz Dan untuk frekuensi 3,3 GHz diperoleh bandwidth 257 MHz seperti perhitungan dibawah ini h = 3,545 3,288 = 257 MHz Dari hasil simulasi diketahui pula bahwa return loss antena adalah seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Gambar 5. Grafik return Loss hasil simulasi Gambar 3. Desain antena mikrostrip 4. Hasil dan Analisis 4.1 Hasil simulasi dengan bantuan software AWR Microwave Office 2004 Sesuai dengan hasil perhitungan dan perancangan antena pada simulator AWR 2004 diperoleh nilai VSWR yang diperlihatkan pada Gambar 4. Pola radiasi hasil simulasi pada frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz diperlihatkan pada Gambar 6. (a) Gambar 6. (b) (a). Pola radiasi antena 2,3 GHz (b). Pola radiasi antena 3,3 GHz Gambar 4. Grafik VSWR hasil simulasi Untuk perhitungan bandwidth digunakan acuan data pada VSWR 2. Maka besar bandwidth untuk frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz. Untuk frekuensi 2,3 GHz diperoleh bandwidth sebesar 173MHz seperti perhitungan dibawah ini: 4.2 Antena Mikrostrip Hasil Fabrikasi Berdasarkan hasil simulasi dari Tabel 1, antena kemudian difabrikasi seperti ditunjukkan oleh Gambar 7. 67 copyright@ DTE FT USU
Gambar 7. Antena hasil fabrikasi 4.3 Hasil Pengukuran Antena Fabrikasi Dalam pengukuran antena hasil fabrikasi, parameter-parameter yang akan diukur adalah VSWR, return loss, bandwidth, dan pola radiasi. Setelah dilakukan pengukuran dengan alat ukur Network Analyzer Anritsu MS2034B di Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara diperoleh nilai VSWR 1,46 di frekuensi 2,3 GHz dan 1,42 di frekuensi 3,3 GHz, dan diperoleh juga return loss -15,10 db di frekuensi 2,3 GHz dan -14,25 di frekuensi 3,3 GHz yang diperlihatkan pada Gambar 8 dan Gambar 9. Unjuk kerja antena hasil rancangan juga dilihat dari nilai bandwidth. Untuk perhitungan bandwidth digunakan acuan data pada VSWR 2. Untuk frekuensi 2,3 GHz diperoleh bandwidth sebesar 127 MHz seperti perhitungan dibawah ini: h = 2,398 2,271 = 127 MHz Untuk frekuensi 3,3 GHz diperoleh bandwidth sebesar 525 seperti perhitungan dibawah ini : h = 3,524 2,999 = 525 MHz Berdasarkan pengukuran yang dilakukan dengan alat ukur Network Analyzer Anritsu MS2034B diperoleh hasil pola radiasi frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz seperti ditunjukkan pada Gambar 10 dan Gambar 11. Gambar 10. Pola radiasi pengukuran 2,3 GHz Gambar 8. Grafik VSWR hasil pengukuran Gambar 11. Pola radiasi pengukuran 3,3 GHz Perbandingan hasil VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi dan pengukuran dari frekuensi 2,25 GHz 2,45 GHz ditunjukan pada Gambar 12. Gambar 9. Grafik return loss hasil pengukuran 68 copyright@ DTE FT USU
Gambar 12. Grafik VSWR hasil simulasi dan pengukuran (2,25-2,45) GHz Dan perbandingan hasil VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi dan pengukuran dari frekuensi 3,25 GHz 3,45 GHz ditunjukan pada Gambar 13. Gambar 13. Grafik VSWR hasil simulasi dan pengukuran (3,25-3,45) GHz Gambar 15. Grafik return loss hasil simulasi dan pengukuran (3,25-2,45) GHz 4.4 Analisis Capaian Spesifikasi Antena Berdasarkan hasil simulasi dan pengukuran yang telah dicapai dari rancangan antena susun mikrostrip patch segiempat dual band (2,3 GHz dan 3,3 GHz) dengan penggunaan stub diperlihatkan pada Tabel 2 dan Tabel 3, dimana pada kedua tabel tersebut ditunjukan bahwa antena hasil rancangan dan fabrikasi sudah mampu bekerja sesuai spesifikasi yang diinginkan. Tabel 2. Capaian spesifikasi hasil simulasi Sedangkan perbandingan hasil return loss yang diperoleh dari hasil simulasi dan pengukuran dari frekuensi 2,25 GHz 2,45 GHz ditunjukan pada Gambar 14. Tabel 3. Capaian spesifikasi hasil pengukuran Gambar 14. Grafik return loss hasil simulasi dan pengukuran (2,25-2,45) GHz Adapun perbandingan hasil return loss yang diperoleh dari hasil simulasi dan pengukuran dari frekuensi 3, 25 GHz 3,45 GHz ditunjukan pada Gambar 15. 5. Kesimpulan Dari hasil simulasi dan pengukuran diperoleh kesimpulan, yaitu: 2. Antena mikrostrip patch segiempat dualband telah berhasil dirancang bangun dan dapat bekerja pada dua frekuensi, yaitu 2,3 GHz dan 3,3 GHz. 69 copyright@ DTE FT USU
3. Nilai VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi antena adalah 1,69 untuk frekuensi 2,3 GHz dan 1,73 untuk frekuensi 3,3 GHz, dan 1,46 untuk frekuensi 2,3 GHz dan 1,42 untuk frekuensi 3,3 GHz hasil pengukuran. 4. Return Loss yang diperoleh dari hasil simulasi antena adalah sebesar -11,74 db untuk frekuensi 2,3 GHz dan -11,47 db untuk frekuensi 3,3 GHz, dan -15,10 db untuk frekuensi 2,3 GHz dan -14,25 db untuk frekuensi 3,3 GHz hasil pengukuran. 5. Bandwidth yang diperoleh dari hasil simulasi antena adalah sebesar 173 MHz untuk frekuensi 2,3 GHz dan 257 MHz untuk frekuensi 3,3 GHz, dan 127 MHz untuk frekuensi 2,3 GHz dan 525 MHz untuk frekuensi 3,3 GHz hasil pengukuran. 6. Pola radiasi yang diperoleh dari pengukuran antena adalah omni-directional [3] Balanis, Constantine A, Antena Theory: Analysis and Design, third edition, Jhon Wiley & sons, Canada, 2005. [4] Surjati, Indra, Antena Mikrostrip: Kons-ep dan Aplikasinya, Universitas Trisakti, Jakarta, 2010. [5] Alaydrus, Mudrik, Saluran Transmisi Telekomunikasi, Graha Ilmu, Yogyakarta,2009. [6] Pasaribu, Denny, Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Pada Frekuensi 2,4 GHz Dengan Metode Pencatuan Inset, Universitas Sumatera Utara, Medan, 2014. [7] Kumar, Girish dan K. P. Ray, Broadband Microstrip Antennas, Norwood: Artech House. Inc, London, 2003. 6. Daftar Pustaka [1] Setiawan, Denny, Alokasi Frekuensi Kebijakan dan Perencanaan Spektrum Indonesia. Departemen Komunikasi dan Informatika, Jakarta. 2014 [2] Garg,R,.dkk, Microstrip Antena Design Handbook, Norwood: Artech House. Inc, London, 2001. 70 copyright@ DTE FT USU