TUGAS AKHIR TE 091399 Desain Antena Log Periodik Mikrostrip untuk Aplikasi Pengukuran EMC pada Frekuensi 2 GHz 3.5 GHz. Tara Aga Puspita NRP 2207100070 Dosen Pembimbing Eko Setijadi,ST.,MT.,Ph.D Ir.Aries Purnomo
Latar Belakang Hal yang menjadi alasan dalam pemilihan antena mikrostrip pada berbagai aplikasi adalah mampu memberikan unjuk kerja (performance) yang cukup baik. Berdasarkan hal-hal di atas, dalam tugas akhir ini akan merancang antenna log periodic mikrostrip untuk aplikasi pengukuran EMC pada frekuensi 2 GHz 3.5 GHz. Diharapkan akan menghasilkan antenna log periodic mikrostrip dengan performansi yang lebih baik.
Perumusan Masalah Permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah : Bagaimana merancang dan membuat antena mikrostrip log periodic untuk aplikasi pengukuran EMC pada frekuensi 2 GHz- 3.5GHz, yang meliputi dimensi elemen dan peradiasi dan saluran transmisi berdasarkan frekuensi dan substrat yang akan digunakan? Bagaimana pengujian performansi antena yang telah dirancang dan dibuat dengan pengukuran terhadap parameter antena yang meliputi VSWR, return loss, polarisasi, pola radiasi, dan gain?
Batasan Masalah Dalam pengerjaan tugas akhir, permasalahan di atas dibatasi dengan asumsi sebagai berikut : Antena yang dirancang adalah antena mikrostrip log periodic untuk pengukuran EMC dengan nilai Gain yang ingin dicapai adalah -2 sampai 7 db Pengukuran parameter antena meliputi return loss, VSWR, gain, pola radiasi polarisasi antenna dan bandwidth Rumus yang digunakan merupakan rumus akhir yang lazim digunakan untuk perancangan antena mikrostrip
Tujuan Mendesain dan membuat prototipe antena yaitu dengan desain log-periodik mikrostrip Mengetahui hasil perbandingan pola radiasi dan VSWR jika menggunakan desain antenna log periodic mikrostrip yang telah selesai dibuat sesuai dengan desain yang diinginkan.
Metodologi Studi Literatur Mengumpulkan dan mempelajari literatur mengenai antena, khususnya antenna mikrostrip log periodik dan Electromagnetic Compability (EMC). Perancangan Sistem Pada perencanaan sistem terdapat perangkat perangkat dari penunjang atau segala sesuatu hal yang dibutuhkan untuk membuat antena log periodic mikrostrip yang terdiri dari, PCB, pada konduktor bagian atas pada antena mikrostrip adalah potongan metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas) dan konduktor atas dapat berupa bentuk apapun, dalam pernancangannya, bentuk konduktor berbentuk persegi.
Metodologi Analisis Analisis I : Dilakukan setelah perancangan system untuk mengidentifikasi hasil dari perancangan system yang telah dilakukan agar mendapatkan hasil yang lebih memungkinkan atau lebih baik untuk dilakukannya tahap-tahap pembuatan antena selanjutnya. Analisis II : Dilakukan setelah tahap pengukuran untuk mengidentifikasi alat yang telah dibuat, sudah sesuaikah dengan ketentuan-ketentuan yang ada (seperti parameter-parameter yang telah dibuktikan oleh peneliti-peneliti sebelumnya dsb.) Simulasi Pembuatan hardware (berupa prototipe antena log periodik mikrostrip). Optimalisasi Pengukuran sistem Penulisan buku Tugas Akhir
EMC (Electromagnetic Compability) EMC (Electromagnetic Compability) atau Kompatibilitas elektromagnetik adalah toleransi gelombang elektromagnetik yang diijinkan yang ikut terpancarkan ketika sebuah modul elektronik berfungsi. Electromagnetic Compability (EMC) kadang-kadang disebut sebagai EMI Kontrol, dan dalam praktek EMC dan EMI sering disebut sebagai istilah gabungan "EMC / EMI". Sementara itu yang dimaksud dengan gangguan elektromagnetik (EMI) adalah sebuah fenomena radiasi yang dipancarkan dan dampaknya adalah kompatibilitas elektromagnetik (EMC) yaitu karakteristik peralatan atau properti yang tidak dapat diterima di lingkungan EMI. Cara lain untuk mengatakan ini adalah EMC kontrol dari EMI sehingga efek yang tidak diinginkan akan dicegah. Karena hasil dari emisi ini, akan mempengaruhi peralatan elektronik lainnya yang rentan untuk emisi ini. Sebagai mikroprosesor lebih banyak digunakan untuk menggantikan cara analog atau mekanis dari produk, menjadi jelas bahwa masalah EMC tidak dapat diabaikan. Mengabaikan hal ini akan menyebabkan produk untuk tiba-tiba tidak berfungsi atau bahkan menyebabkan kerusakan properti atau nyawa.
Antena pada dasarnya adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetika. Gelombang Ruang Bebas Waveguide Waveguide Gelombang Tertuntun Antena Pemancar Antena Penerima Gelombang Tertuntun Gambar 2. 1 Daerah daerah medan antena.
Antena Mikrostrip Definisi resmi IEEE dari suatu antena yang diberikan oleh Stutman dan Thiele adalah: Bagian dari sistem pengiriman dan penerimaan yang dirancang untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik. Bentuk paling sederhana dalam peralatan mikrostrip adalah berupa sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel yang dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. [2] Gambar 2.1 Parameter pada Antena Mikrostrip[3]
Konduktor Mikrostrip Konduktor bagian atas adalah potongan metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas), yang merupakan fraksi kecil dari suatu panjang gelombang. Konduktor bagian bawah adalah bidang pentanahan yang secara teori bernilai tak-hingga. Keduanya dipisahkan oleh sebuah substrat dielektrik yang non-magnetik. Konduktor atas dapat berupa bentuk apapun, bisa persegi-panjang, lingkaran, segi-tiga, elips, helix, cincin lingkaran, dsb.
Keuntungan Antena Mikrostrip Ringan, kecil dan tipis. Biaya pembuatan yang cukup terjangkau. Polarisasi linear &circular dihasilkan dengan teknik feeding yang mudah. Dapat diintegrasikan dengan perangakat microwave lainnya.
Kelemahan Antena Mikrostrip Mempunyai lebar band yang sempit Daya yang cukup rendah sekitar 6 db Efiensi yang rendah
Dimensi Antena Mikrostrip 1. Menentukan panjang gelombang di ruang bebas (λ0). Berdasarkan frekuensi acuan yang diradiasikan (fr) & kecepatan diruang bebas (c). c 0 (mm) f r 2. Menentukan panjang gelombang saluran transmisi (λd). d 3. Lebar patch (W ) 0 r (mm) W c 2 2 fr r 1 (mm) Keterangan : W= Lebar patch (mm) C = Kecepatan cahaya di ruang bebas 8 ( 3 10 ) fr = Frekuensi kerja (Hz) εr = Permitivitas relatif substrat (FR4=4.3)
Dimensi Antena Mikrostrip 4. Konstanta Dielektrik Relatif. reff r 2 1 r 2 1 12h 1 w 1 2 5. Panjang patch (L) L 2 fr c reff 2 L (mm) Keterangan : L = Panjang patch (mm) W = Lebar patch (mm) fr =Frekuensi kerja (Hz) εr = Permitivitas relatif substrat(fr4=4.3) εreff = Konstanta dielektrik efektif h = Ketebalan substrat (1.6 mm) ΔL =panjang pertambahan
Impedansi Antena Mikrostrip 1. Pada frekuensi resonansi nilai besarnya impedansi masukan elemen peradiasi adalah : 2. Untuk mendapatkan nilai resistansi input, maka digunakan persamaan sebagai berikut : Keterangan : Z A = Impedansi masukan elemen radiasi (Ω) L= Panjang elemen radiasi (mm) W = Lebar elemen radiasi (mm)
Dimensi Saluran Transmisi 1. Untuk menghitung dimensi saluran transmisi mikrostrip digunakan persamaan di bawah ini : 2. Untuk menghitung panjang saluran transmisi adalah sebagai berikut : Dengan, Keterangan : W 0 = Lebar saluran transmisi (mm) k h = Ketebalan Substrat (mm) Z 0 = Impedansi Karakteristik (Ω) = Konstanta dielektrik bahan (F/m) ε r = Impedansi karakteristik ruang bebas (120πΩ)
Antena Mikrostrip Log- Periodik 1. Antena mikrostrip log-periodik pada dasarnya merupakan antena yang di-array dengan struktur berulang secara periodik. 2. Dengan kata lain array adalah antena yang terdiri dari beberapa patch antena yang disusun dan saling berhubungan satu sama lain. 3. Menentukan jumlah elemen peradiasi secara empirik dapat digumakan dengan persamaan sebagai berikut : Keterangan : BW 1 = bandwith antena mikrostrip log-periodik yang akan dirancang (MHz) BW = bandwith antena mikrostrip satu elemen (MHz)
Hasil dari Single Patch Dari hasil perhitungan berdasarkan persamaan-persamaan diatas maka, didapatkan hasil dari single patch dengan frekuensi tengah 2.75 GHz, sebagai berikut : Dimensi Patch Panjang Gelombang Ruang bebas (λ 0 ) Panjang Gelombang pada Saluran (λ d ) Lebar Patch (W) 109 mm 52,56 mm 33,6 mm Konstata Dielektrik Efektif (ε reff ) 3,97 Penambahan Panjang Penampang ( L) Panjang Penampang (L) Impedansi Masukan (Z A ) 0,74 mm 25,5 mm 504 Ω
Mekanisme Pencatuan Antena Mikrostrip Telah diketahui impedansi pada tepi patch peradiasi adalah 504 Ω. Sehingga jarak inset dari tepi diperoleh dengan menggunakan persamaan dibawah ini : Sehingga didapatkan hasil y0 = 10.149 10
Mekanisme Dimensi Saluran Transmisi Untuk mencari dapat diperoleh nilai lebar saluran transmisinya (W 0 ) dan Panjang saluran L0 transmisi adalah dengan persmaan di bawah ini: Sehingga didapatkan hasil W0= 2.9 mm dan L0 = 13 mm
Simulasi Antena Dimensi Single Patch Sebelum Optimasi Sesudah Optimasi W=L L 0 W 0 y 0 W=L L 0 W 0 y 0 22,5 13 2,9 10 25,75 13 2,9 8 Gambar Hasil optimasi dimensi elemen peradiasi
Simulasi Antena Hasil return loss single patch sebelum dilakukannya optimasi
Simulasi Antena Single Patch Hasil return loss single patch setelah dilakukannya optimasi Langkah optimasi dilakukan agar antena menghasilkan perfoma yang sesuai dengan yang diinginkan. Dengan mengambil frekuensi tengah antena pada 2.75 GHz, sehingga bandwdth 91.6 MHz.
Simulasi Antena Log Periodik Mikrostrip Dari hasil simulasi single patch dengan menggunakan frekuensi tengah 2.75 Ghz dengan hasil perhitungan maka jumlah elemen didapatkan sebagai berikut : M = 16.37554585 patch 17 patch Maka dibawah ini dapat dilihat hasil dari penyusunan 17 patch menggunakan simulator CST yang terdapat pada gambar di bawah ini:
Simulasi Antena Antena Log Periodik Mikrostrip Hasil yang dikatakan sesuai dengan harapan adalah hasil dari S 11 bernilai dibawah -10. Hasil simulasi S 11 dari simulasi optimasi antena log periodik mikrostrip terdapat pada gambar di bawah ini :
Simulasi Antena Antena Log Periodik Mikrostrip Hasil yang dikatakan sesuai dengan harapan adalah hasil dari VSWR bernilai dibawah 2. Hasil simulasi VSWR dari simulasi optimasi antena log periodik mikrostrip terdapat pada gambar di bawah ini :
Simulasi Antena Antena Log Periodik Mikrostrip Hasil Polaradiasi Antena Log Periodik Mikrostrip 17 Patch
Implementasi Antena Pencatuan antena dilakukan dengan diletakkannya konektor N 50 Ohm pada ujung saluran (feed line). Impedansi dipilih 50 Ω karena perangkat pengukur parameter unjuk kerja antena mempunyai impedansi input sebesar 50 Ω, seperti pada gambar di bawah ini. Implementasi Antena Konektor N 50 Ω
Analisa Return Loss Perbandingan nilai return loss antena mikrostrip hasil simulasi dan hasil pengukuran dapat dilihat pada gambar 10. Nilai return loss terendah pada saat simulasi adalah -35 db, sedangkan pada saat pengukuran sebesar -41 db.
ANALISA POLARADIASI Pola radiasi φ=0 o pada hasil simulasi membentuk sebuah pola dimana terdapat suatu titik yang memberikan arah radiasi yang paling kuat, arah radiasi tersebut didapatkan ketika permukaan antena tepat mengarah ke sumber sinyal.. Pada pola radiasi hasil pengukuran, terlihat arah radiasi dari antena memiliki arah radiasi paling kuat pada sudut 10 0 hingga 70 0 pola radiasi dengan φ=90 o juga memiliki suatu pola dimana arah radiasi paling kuat di satu arah tertentu. Pada hasil pengukuran arah radiasi yang paling kuat adalah dari sudut 340 0 sampai 350 0. Secara teori dapat disimpulkan antena mikrostrip memiliki pola radiasi directional dimana mempunyai sifat radiasi atau penerimaan gelombang elektromagnetik yang lebih efektif pada satu arah tertentu dibandingkan dengan arah lainnya.
ANALISA POLARADIASI a. Simulasi Polaradiasi b. Pengukuran Polaradiasi Gambar 13. Perbandingan Pola Radiasi φ=90 o Antena
ANALISA POLARADIASI a. Simulasi Polaradiasi b. Pengukuran Polaradiasi Gambar 13. Perbandingan Pola Radiasi φ=0 o Antena
ANALISA GAIN Pengukuran gain pada antena dilakukan dengan cara membandingkan level daya terima antena yang direaliasikan dengan antena referensi. Antena referensi memiliki gain sebesar 7 dbi. Dari pengukuran diperoleh 5 sampel level daya terima seperti yang ditunjukkan pada tabel 3. Pengukuran Level daya terima Antena Referensi (dbm) ke-1-57.3-58,10 ke-2-53,3-52,4 ke-3-52,4-60,5 ke-4-56,5-55,4 ke-5-48,7-54,2 Level daya terima Antena Mikrostrip (dbm)
ANALISA GAIN Sampel tersebut kemudian dirata-rata kemudian digunakan untuk memperoleh gain antena. Gain antena (G t ) didapatkan dengan cara menambahkan gain antena referensi (G s ) dengan selisih level daya terima antena. Dari hasil pengukuran sebanyak lima kali diperoleh level daya terima antena referensi rata-rata sebesar -53,64 dbi dan level daya terima antena hasil penelitian sebesar -56.12 db, maka dihitunga gain antena penelitian rata-rata adalah : G t = G s + (P t ) (P s ) G t = 7 + (-53,64) (-56.12) G t = 9.48 db
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari hasil penelitian, dapat ditarik beberapa kesimpulan, antara lain : Penelitian yang dilakukan mendapatkan hasil antena log periodik array yang terbuat dari bahan FR-4 dan bekerja pada frekuensi 2 GHz hinggs 3.5 GHz. Antena yang log periodik array yang dihasilkan memiliki patch sebanyak 17 patch, dengan dimensi yang berbeda, dimana besar dimensi disesuaikan dengan hasil simulasi optimal dari masing-masing patch antena. Antena hasil penelitian memiliki return loss dibawah -10 db dan VSWR dibawah 2, dimana telah dilakukan pengukuran return loss dan VSWR antena. Gain rata-rata antena yang dihasilkan adalah sebesar 2.328 db. Pola radiasi antena memiliki hasil yang berbeda dengan hasil simulasi sebelumnya, dimana pada pengukuran pola radiasi menggunakan frekuensi tengah pada 2.75 GHz 5.2 Saran Saran dari penelitian yang telah dilakukan untuk penelitian selanjutnya antara lain : Dimensi antena sebaiknya diperkecil, namun tetap dapat bekerja seperti penelitian sebelumnya ataupun lebih baik daripada pengukuran sebelumnya.