PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP ARRAY PATCH SEGITIGA DUA- BAND ( 2,4 GHz dan 3,3 GHz) DENGAN STUB PADA SAURAN PENCATU Eden Herdani, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik versitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 2155 INDONESIA e-mail: edenherdani@gmail.com Abstrak Kebutuhan akan antena saat ini semakin berkembang pesat sehingga menyebabkan teknologi perancangan antena juga harus semakin meningkat. Tulisan ini membahas tentang perancangan antena mikrostrip array patch segitiga dual band dengan penambahan pada saluran pencatunya yang memiliki dua frekuensi kerja yaitu pada frekuensi 2,4 GHz untuk aplikasi WAN dan 3,3 GHz yang dapat diaplikasikan untuk teknologi WiMAX. Antena mikrostrip ini menggunakan sebuah Printed Circuit Board (PCB) dengan substrat berbahan FR-4. Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan diantaranya bentuk fisik yang kecil dan massa yang ringan. Perangkat lunak yang digunakan dalam perancangan antena ini adalah simulator AWR Microwave 24, software ini diperlukan dalam perancangan antena agar diperoleh nilai VSWR dan bandwidth yang diinginkan. Dari hasil simulasi, didapatkan nilai VSWR sebesar 1,43 untuk frekuensi 2,4 GHz dengan bandwidth sebesar 135 MHz (2.37 MHz 2.513 MHz) dan 1,4 untuk frekuensi 3,3 GHz dengan bandwidth sebesar 1 MHz (3.29 MHz 3.37 MHz). Nilai gain yang diperoleh untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,5 db dan 5,5 db untuk frekuensi 3,3 GHz dengan pola radiasi yang didapat uni-. Kata Kunci: antena mikrostrip, dual-band, VSWR, bandwidth 1. Pendahuluan Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam saluran transmisi menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun. Antena mikrostrip merupakan jenis antena yang banyak digunakan dalam teknologi komunikasi wireless, khususnya pada perangkat mobile. Hal ini dikarenakan antena mikrostrip memiliki beberapa keunggulan diantaranya bentuk fisik yang relatif kecil, ringan, serta mudah dalam perancangan dan pabrikasinya. Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan, yaitu gain yang rendah, dan bandwidth yang sempit. Saat ini banyak muncul standar teknologi baru yang semakin canggih, sehingga komunikasi saat ini tidak hanya menggunakan layanan suara saja tetapi juga melayani komunikasi data berkecepatan tinggi sehingga diperlukan bandwidth yang cukup lebar. Salah satu teknologi yang dapat memenuhi permintaan tersebut adalah WAN dan WiMAX. Di beberapa negara, frekuensi yang digunakan untuk aplikasi WAN adalah 2,4 GHz dan untuk WiMAX telah ditetapkan pada 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz, dan 5, GHz [1]. Adapun parameter yang dapat diukur meliputi VSWR, bandwidth, gain, dan pola radiasi. 2. Antena Mikrostrip Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu micro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran yang sangat kecil. Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 3 komponen yaitu: groundplane, substrate, dan patch peradiasi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 [2]. 2 copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VO.11 NO.3/MEI 215 jarak tertentu yang sesuai dengan panjang gelombang yang merambat pada bidang dielektrik [3]. Bentuk patch antena segitiga elemen tunggal dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 1. Antena mikrostrip Dimensi antena mempresentasikan bentuk serta ukuran dari antena mikrostrip. Untuk dapat menentukan dimensi antena patch segitiga, 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 mencari panjang sisi patch antena mikrostrip patch segitiga dapat menggunakan Persamaan 1 [3]: 2c a (1) 3 fr r Dimana: a : panjang sisi patch segitiga (m) ε r : konstanta dielektrik c: kecepatan cahaya diruang bebas (3 1 m/s 2 ) f r :frekuensi kerja antena (Hz) Perancangan suatu antena tidak terlepas dari penyesuaian impedansi (impedansi matching). Suatu saluran transmisi dikatakan matched apabila kharakter impedandi =, dimana adalah impedansi saluran transmisi dan impedansi beban. Untuk mencapai kondisi matching dibutuhkan suatu cara yaitu dengan cara transformator λ/4, pemberian single dan double [4]. 2.1 Antena Mikrostrip Segitiga Sama Sisi Salah satu bentuk patch antena mikrostrip adalah segitiga. Pada Tulisan ini, akan dibahas mengenai perancangan antena mikrostrip segitiga sama sisi. Bentuk segitiga memiliki keunggulan dibandingkan dengan bentuk segi empat : yaitu untuk menghasilkan karakteristik radiasi yang sama, luas yang dibutuhkan oleh bentuk segitiga lebih kecil dibandingkan dengan luas yang dibutuhkan oleh antena mikrostrip bentuk segi empat. Hal yang membedakan pada sistem array adalah peletakan masing-masing patch pada Gambar 2. Antena segitiga tunggal dengan 2.2 Metode Single Stub Stub adalah sebuah saluran transmisi yang disisipkan dilengan dari saluran transmisi tersebut. Untuk dapat melakukan penyesuaian impedansi dengan metode sigle ini dilakukan variasi parameter yaitu, jarak keimpedansi beban (D ) dan panjang ( ) [5]. Keuntungan dari teknik matching dengan tunggal ini mempunyai sifat bisa mematching impedansi beban dengan nilai apapun. Tetapi, jika beban diganti, maka posisi harus diubah untuk mendapatkan kembali kondisi matching yang baru. Rangkaian penyesuaian impedansi dengan single dapat dilihat pada Gambar 3 [5]. Gambar 3. Penyesuaian impedansi single 3. Metodologi Penelitian Pada perancangan antena mikrsotrip array patch segitiga dengan penambahan pada masing-masing saluran pencatunya, langkah langkah yang dilakukan dalam perancangan antena ini dapat dilihat pada Gambar 4. 3 copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VO.11 NO.3/MEI 215 1.3 Menentukan ebar Saluran Pencatu Pada perancangan antena mikrostrip ini dilakukan pengaturan lebar saluran pencatu dengan menggunakan bantuan software TXine 23. Dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5. Tampilan TXine 23 untuk mencari lebar saluran pencatu. Gambar 4. Diagram alir perancangan antena 1.1 Menentukan Frekuensi Kerja dan Jenis Substrat Antena yang akan dirancang pada tulisan ini adalah antena susun mikrostrip patch segitiga dual band (2,4 GHz dan 3,3 GHz) dengan penambahan pada masing-masing saluran pencatu. Pada perancangan ini digunakan substrat Epoxy-FR4 dengan konstanta dielektrik 4,4 dan ketebalan substrat 1,6. 1.2 Dimensi Patch Antena Antena yang dirancang adalah antena mikrostrip patch segitiga. Sebelum simulasi dilakukan, terlebih dahulu menentukan parameter antena, yaitu dimensi patch antena. Untuk memperoleh dimensi patch segitiga digunakan Persamaan 1. Untuk frekuensi kerja 2,4 GHz, panjang patch adalah: 2x3x1 a 3mm 3x2,4 4,4 Untuk frekuensi 3,3 GHz, panjang patch adalah: 2x3x1 a 2mm 3x3,3 4,4 1.4 Perancangan T-Junction Dalam perancangan antena dualband ini, T-Junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 7 Ω, karena dapat mendukung untuk meminimalisir ukuran antena. Untuk mendapatkan panjang dan lebar saluran pencatu digunakan program TXine 23. Tampilan TXine 23 untuk mencari panjang dan lebar saluran pencatu dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6. Tampilan 23 untuk mencari dimensi T-Junction. 1.5 Jarak Antar Patch Antena Jarak antar elemen antena yang dirancang adalah sekitar seperempat panjang gelombang (d=1/4). Jarak antar elemen ini dapat diatur untuk memperoleh nilai yang optimal. Adapun jarak antar elemen dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : c 3x1 d 31mm 2xf 2x2,4x1 4 copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VO.11 NO.3/MEI 215 1.6 Perancangan Panjang dan etak Stub Rangkaian matching dapat dibuat dengan menyisipkan sebuah saluran transmisi yang lain (). Saluran transmisi adalah saluran transmisi dengan panjang tertentu yang ujungnya dihubung singkat (short) atau dibuka dan dipasang secara paralel (shunt) dengan saluran utama. Adapun perancangan panjang dan letak adalah sebagai berikut: a. Perancangan untuk frekuensi 2,4 GHz,57 j,5245 5,11576 j,149 arctan(1/,).143 24 mm Tabel 1. Dimensi antena mikrostrip dual band Karakteristik Nilai Panjang dimensi antena 2,4 GHz 33 mm Panjang dimensi antena 3,3 GHz 24 mm Panjang 2,4 GHz 24 mm Panjang 3,3 GHz 14 mm Panjang saluran pencatu 17 mm Jarak antar patch 31 mm ebar saluran pencatu 3 mm Dari Tabel 1, dibuat sketsa awal seperti pada Gambar 7 lalu disimulasikan dengan menggunakan bantuan software AWR 24. Sedangkan letak ( D ) terhadap beban adalah : 46 D x / 2,639 14mm 36 b. Perancangan untuk frekuensi 3,3 GHz,35756 j,275 5,7 j,4 arctan(1/1,1).117 14mm Sedangkan letak ( D ) terhadap beban adalah : 56 D x / 2,16 mm 36 Gambar 7. Desain antena mikrostrip dual band 2. Hasil dan Analisis 2.1 Hasil simulasi dengan bantuan software AWR Microwave Office 24 Sesuai dengan hasil perhitungan dan perancangan antena pada simulator AWR 24, adapun nilai VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi perancangan antena sebelum dilakukan iterasi panjang adalah sebesar 2,37 untuk frekuensi 2,4 GHz dan VSWR untuk frekuensi 3,3 GHz bernilai 1,64 seperti yang diperlihatkan pada Gambar. Dimana : : Impedansi beban : Panjang D : etak terhadap beban 1.7 Perancangan Ukuran Antena Dual Band Berdasarkan Persamaan (1), diperoleh nilai karakteristik dimensi antena seperti diperlihatkan pada Tabel 1. Gambar. Grafik VSWR sebelum iterasi panjang 5 copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VO.11 NO.3/MEI 215 Sedangakan nilai gain yang diperoleh untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,9 db dan 6,2 db untuk frekuensi 3,3 GHz seperti terlihat pada Gambar 9. (a) (b) Gambar 9. Nilai gain sebelum iterasi panjang Stub (a) Frekuensi 2,4 GHz (b) Frekuensi 3,3 GHz Hasil VSWR yang diperoleh seperti Gambar 5 belum sesuai dengan yang diinginkan, oleh karena itu dilakukan iterasi dengan mengubah panjang. Adapun hasil iterasi perubahan panjang pada kedua dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Hasil Iterasi Perubahan Panjang Stub PANJANG STUB (MM) WAN WiMAX Frekuensi VSWR Frekuensi 3,3 GHz 2,4 GHz 24 1 2,22 1,95 24 19 2,6 2,7 25 1 2,9 1,77 25 19 1,9 1,7 26 17 2,27 1,51 26 1 2,3 1,64 27 1 2,1 1,49 27 19 1,43 1,4 2 1 2,2 1,3 2 19 1,9 1,45 Dari hasil iterasi diperoleh bahwa nilai VSWR yang optimal adalah ketika memiliki panjang 27 mm untuk frekuensi 2,4 GHz dengan nilai VSWR adalah 1,43 dan panjang 19 mm untuk frekuensi 3,3 GHz dengan VSWR sebesar 1,4 untuk frekuensi 3,3 GHz nilai bandwidth yang diperoleh dari simulasi perancangan antena adalah sebesar 135 MHz (2.37 2.513 MHz) pada frekuensi 2,4 GHz, dan 1 MHz (3.29 3.37 MHz) pada frekuensi 3,3 GHz. Seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Grafik VSWR setelah iterasi panjang Berdasarkan hasil simulasi perancangan antena setelah melakukan iterasi panjang, diperoleh nilai gain untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,5 db dan 5,5 db untuk frekuensi 3,3 GHz. Pola radiasi yang diperoleh adalah pola radiasi uni seperti diperlihatkan pada Gambar 11. (a) (b) Gambar 11. Gain dan Pola Radiasi Antena (a) Frekuensi 2,4 GHz (b) Frekuensi 3,3 GHz 2.2 Analisis Capaian Spesifikasi Antena Dari hasil analisa simulasi pada perangkat lunak AWR Microwave 24, diperoleh perbandingan antara antena mikrostrip yang dirancang secara tunggal dengan antena mikrostrip dual band dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Hasil Analisa Perbandingan Antara Antena Mikrostrip Tunggal dengan Dual Band Frekuensi 2,4 GHz Frekuensi 3,3 GHz Parameter Antena Single Dual Single Band Dual Band Band Band VSWR 1,37 1,43 1,32 1,4 Bandwidth (VSWR 2) 442 MHz 135 MHz 75 MHz 1 MHz Gain 5,9 db 5,5 db 6,29 db 5,5 db Pola Radiasi 6 copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VO.11 NO.3/MEI 215 3. Kesimpulan Berdasarkan simulasi yang dilakukan pada antena diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu: 2. Perancangan antena mikrostrip array patch mikrostrip dual band dengan metode single diperoleh dengan baik dengan cara mengatur panjang pada masing-masing saluran pencatunya. 3. Bandwidth yang diperoleh dari hasil simulasi perancangan adalah sebesar 135 MHz untuk frekuensi 2,4 GHz dan 1 MHz untuk frekuensi 3,3 GHz. 4. Nilai VSWR dari perancangan antena antena mikrostrip array patch mikrostrip dual band pada frekuensi 2,4 GHz diperoleh sebesar 1,43 GHz dan pada frekuensi 3,3 GHz sebesar 1,4. 5. Nilai gain yang diperoleh untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,5 db dan 5,5 db untuk frekuensi 3,3 GHz. 6. Pola radiasi antena yang didapat adalah pola radiasi uni. 4. Daftar Pustaka [1] Dwi Cahyo, Rahmat. 212. Perancangan dan Analisis Antena Mikrostrip Array dengan Frekuensi 5 MHz untuk Aplikasi Praktikum Antena. Semarang: versitas Diponegoro. [2] Surjati, Indra. 21. Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya. Jakarta : versitas Trisakti. Hal 15 27 [3] Sihombing,Nevia.214. Studi Perancangan Antena Mikrostrip Array Patch Segitiga Dual Band. Medan:versitas Sumatera Utara. [4] Alaydrus, Mudrik. 211. Antena: Prinsip dan Aplikasi, Jakarta: Graha Ilmu. Hal 17 [5] Syamsuddin, Muhammad. 21. Cara Cepat Belajar Infrastruktur Wireless, Yogyakarta: Gava Media. Hal 21-22. 7 copyright@ DTE FT USU