Rancang Bangun Antena Mikrostrip 2,4 GHz untuk Aplikasi Wireless Fidelity (Wifi) Oleh Daniel Pebrianto NIM: 612010006 Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Juli 2015
i
ii
INTISARI Pada sistem komunikasi nirkabel, antena berfungsi memancarkan gelombang elektromagnetik ke udara pada sisi pengirim dan menerima gelombang elektromagnetik pada sisi penerima. Salah satu komunikasi nirkabel adalah Wireless Local Area Network (WLAN). Wifi adalah salah satu teknologi WLAN yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz. Untuk mendukung teknologi wifi diperlukan antena yang berukuran kecil dan mudah diintegrasikan dengan peralatan lain tetapi dengan biaya yang murah, untuk itu antena mikrostrip menjadi kandidat utamanya. Pada skripsi ini dirancang antena mikrostrip patch persegi panjang yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz (2,4 GHz 2,49 GHz) dengan VSWR 2 dan mempunyai gain minimal 3 db. Untuk meningkatkan gain antena dilakukan perancangan antena susun, yaitu antena array dua elemen. Simulasi antena menggunakan software Anshoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1. Dari hasil pengukuran antena yang telah dirancang, antena mikrostrip elemen tunggal mampu bekerja pada rentang frekuensi 2,4 GHz 2,5 GHz dengan VSWR 2 dan mempunyai gain 3,9 db. Sedangkan hasil pengukuran antena mikrostrip array dua elemen mampu bekerja pada rentang frekuensi 2,35 GHz 2,5 GHz dengan VSWR 1,5 dan mempunyai gain 6,67 db. i
ABSTRACT On the wireless communication system, antenna has function emitting electromagnetic wave to the air as the transmitter function, and receiving electromagnetic wave as the receiver function. One of wireless communication is Wireless Local Area Network (WLAN). Wifi is one of WLAN technology which work at the frequency of 2,4 GHz. To support wifi technology, antenna which has small size and easily be integrated with other device but with low cost is required. Therefore, antenna microstrip is become the main candidate. In this final project, the rectangular patch microstrip antenna which work at the frequency of 2.4 GHz (2,4 GHz 2,49 GHz) with VSWR 2 and minimal gain 3 db have been designed and fabricated. To increase the antennas gain, array antenna which has two rectangular patch elements microstrip array antenna is designed. Antenna simulation use Anshoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1 software. The result of fabricated antenna measurement shows that, the single patch microstrip antenna is capable of working at frequency range of 2,4 GHz 2,5 GHz with the VSWR 2 and gain 3.9 db, while two elements rectangular patch array microstrip antenna is capable of working at frequency range of 2,35 GHz 2,5 GHz with the VSWR 1,5 and gain of 6,67 db. ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang selalu menyertai, membimbing dan melimpahkan berkat-nya kepada penulis selama menempuh pendidikan sampai sekarang, sehingga penulis dapat menyelesaikan perancangan serta penulisan tugas akhir sebagai syarat kelulusan di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini : 1. Orang tua dan keluarga penulis yang selalu mendukung dan mendoakan penulis dalam segala hal. 2. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang sudah memberikan waktunya untuk memberi bimbingan, kritik dan saran kepada penulis selama mengerjakan skripsi ini. 3. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing II, terima kasih atas kerja sama, bimbingan dan saran-saran yang telah diberikan kepada penulis. 4. Ariza Chrisananda, Bapak Yuyu Wahyu dan Bapak Hendrawan yang telah membantu dalam proses pengukuran antena di Puslit PPET-LIPI Bandung. 5. Sahabat terkasih, Widita Retno Prayogung yang mendampingi dan memberikan perhatian sehingga penulis dapat mengerjakan skripsi ini dengan baik. 6. Keluarga besar Kontrakan Jambewangi, KBM Sepak Bola, Cafe Rindang dan Brandals yang telah menemani penulis bersenang-senang selama berkuliah. 7. Keluarga besar 2010 (Jamet, Jambrong, Roma, Wedha, Bintang, Adit, Kana, Yudha, Rizal, Grace, Ganteng, Bandot) serta Ruth dan Sekar sebagai Teman Seperjuangan Telkom yang selalu memberi dukungan kepada penulis. 8. Kakak angkatan dan adik angkatan, Demas 08, Tiras 11 yang telah memberikan bantuan serta pinjaman buku selama penulis berkuliah. 9. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK yang memfasilitasi penulis selama belajar di FTEK UKSW. 10. Berbagai pihak yang tidak dapat dituliskan satu persatu, penulis mengucapkan terimakasih. iii
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik telekomunikasi. Salatiga, Juli 2015 Penulis iv
DAFTAR ISI INTISARI... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR SIMBOL... xii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Tujuan... 1 1.2. Latar Belakang... 1 1.3. Spesifikasi Alat... 2 1.4. Sistematika Penulisan... 2 BAB II DASAR TEORI... 4 2.1. WLAN... 4 2.2. Antena... 5 2.3. Antena Mikrostrip... 6 2.4. Model Cavity... 9 2.5. Parameter Umum Antena Mikrostrip... 10 2.5.1. Impedansi Masukan... 10 2.5.2. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)... 11 2.5.3. Return Loss... 12 2.5.4. Bandwidth... 12 2.5.5. Keterarahan (Directivity)... 13 2.5.6. Penguatan (Gain)... 14 2.5.7. Pola Radiasi... 15 2.5.8. Frekuensi Resonansi... 16 2.6. Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang... 16 2.7. Teknik Pencatuan... 18 2.7.1. Microstrip Line Feed... 19 2.7.2. Coaxial Feed... 19 2.7.3. Aperture Coupling... 20 v
2.7.4. Proximity Coupling... 21 2.8. Antena Mikrostrip Array... 21 2.9. Penyesuaian Impedansi (Impedance Matching)... 23 2.10. T-Junction 50 Ohm... 24 2.11. Prosedur Pengukuran Antena... 24 2.11.1. Pengukuran Port Tunggal... 24 2.11.2. Pengukuran Pola Radiasi... 25 2.11.3. Pengukuran Gain... 26 BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI... 27 3.1. Peralatan yang Digunakan... 27 3.1.1. Perangkat Keras... 27 3.1.2. Perangkat Lunak... 27 3.2. Jenis Substrat Yang Digunakan... 28 3.3. Perancangan Patch Persegi Panjang Elemen Tunggal... 28 3.3.1. Diagram Alir Perancangan Elemen Tunggal... 28 3.3.2. Menentukan Karakteristik Antena... 29 3.3.3. Perancangan Dimensi Patch Persegi Panjang... 29 3.3.4. Perancangan Panjang dan Lebar Saluran Pencatu... 29 3.3.5. Menyimulasikan Rancangan... 30 3.3.6. Karakterisasi Antena Elemen Tuggal... 32 3.3.7. Hasil Simulasi Elemen Tunggal... 36 3.4. Perancangan Array Patch Persegi Panjang Dua Elemen... 38 3.4.1. Pengaturan Jarak Antar Elemen... 38 3.4.2. Perancangan T-Junction... 39 3.4.3. Desain Antena Array Dua Elemen... 40 3.4.4. Karakterisasi Antena Array Dua Elemen... 40 3.4.5. Hasil Simulasi Antena Array Dua Elemen... 42 BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS... 45 4.1. Hasil Pengukuran Parameter Antena... 45 4.1.1. Pengukuran VSWR dan Return Loss... 46 4.1.1.1. Hasil Pengukuran VSWR dan Return Loss Antena Elemen Tunggal... 46 4.1.1.2. Hasil Pengukuran VSWR dan Return Loss Antena Array Dua Elemen 48 4.1.2. Pengukuran Gain... 51 vi
4.1.2.1. Hasil Pengukuran Gain Antena Elemen Tunggal... 51 4.1.2.2. Hasil Pengukuran Gain Antena Array Dua Elemen... 52 4.1.3. Pengukuran Pola Radiasi... 53 4.2. Analisis Hasil Pengukuran... 56 4.2.1. Antena Elemen Tunggal... 56 4.2.2. Antena Array Dua Elemen... 59 4.2.3. Hasil Pengujian Antena Mikrostrip Pada Router Wifi... 62 4.3. Analisis Kesalahan Umum... 63 BAB V KESIMPULAN... 64 DAFTAR PUSTAKA... 65 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Struktur dari sebuah antena mikrostrip... 6 Gambar 2.2. Bentuk Patch [2]... 6 Gambar 2.3. Distribusi muatan dan densitas arus pada patch mikrostrip [4]... 9 Gambar 2.4. Rentang Frekuensi yang menjadi bandwidth... 13 Gambar 2.5. Bidang Pola Radiasi Antena [2]... 15 Gambar 2.6. Microstrip Line Feed [2]... 19 Gambar 2.7. Coaxial feed [2]... 20 Gambar 2.8. Aperture Coupling [2]... 20 Gambar 2.9. Proximity Coupling [2]... 21 Gambar 2.10. Antena array (a). Linear (b). Circular (c). Planar... 22 Gambar 2.11. Pemberian transformator λ 4 untuk memperoleh impedance matching 23 Gambar 2.12. T-Junction 50 Ohm... 24 Gambar 2.13. Konfigurasi Pengukuran Port Tunggal... 25 Gambar 2.14. Rangkaian peralatan pada pengukuran pola radiasi... 25 Gambar 2.15. Rangkain peralatan pada pengukuran gain antena... 26 Gambar 3.1. Diagram alir perancangan patch elemen tunggal... 28 Gambar 3.2. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal... 31 Gambar 3.3. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal... 31 Gambar 3.4. Return Loss simulasi elemen tunggal... 31 Gambar 3.5. Smith Chart elemen tunggal... 32 Gambar 3.6. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal dengan insert feed... 33 Gambar 3.7. Smith Chart elemen tunggal (a). panjang insert feed = 5 mm, (b). panjang insert feed = 8.78 mm, (c). panjang insert feed = 10 mm... 34 Gambar 3.8. Grafik nilai VSWR elemen tunggal... 35 Gambar 3.9. Grafik nilai return loss elemen tunggal... 35 Gambar 3.10. Bentuk hasil perancangan antena elemen tunggal... 36 Gambar 3.11. Hasil simulasi VSWR elemen tunggal... 37 Gambar 3.12. Hasil simulasi return loss elemen tunggal... 37 Gambar 3.13. Hasil simulasi gain elemen tunggal... 38 Gambar 3.14. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi elemen tunggal... 38 viii
Gambar 3.15. Perancangan T-Junction impedansi 70,711 Ω... 39 Gambar 3.16. (a). Bentuk rancangan array dua elemen, (b). Bentuk rancangan line feed array dua elemen... 40 Gambar 3.17. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen... 41 Gambar 3.18. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen... 41 Gambar 3.19. Bentuk hasil rancangan array dua elemen... 42 Gambar 3.20. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen... 42 Gambar 3.21. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen... 42 Gambar 3.22. Hasil simulasi gain array dua elemen... 43 Gambar 3.23. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi array dua elemen... 44 Gambar 4.1. (a) Hasil fabrikasi antena mikrostrip elemen tunggal (b) Hasil fabrikasi antena mikrostrip array dua elemen... 45 Gambar 4.2. Grafik hasil pengukuran VSWR antena elemen tunggal... 46 Gambar 4.3. Grafik hasil pengukuran return loss antena elemen tunggal... 47 Gambar 4.4. Smith Chart impedansi hasil pengukuran antena elemen tunggal... 47 Gambar 4.5. Grafik hasil pengukuran VSWR antena array dua elemen... 49 Gambar 4.6. Grafik hasil pengukuran return loss antena array dua elemen... 49 Gambar 4.7. Smith Chart impedansi hasil pengukuran antena array dua elemen... 49 Gambar 4.8. Daya yang diterima antena uji... 52 Gambar 4.9. Daya yang diterima antena referensi (antena horn)... 52 Gambar 4.10. Daya yang diterima antena uji... 53 Gambar 4.11. Daya yang diterima antena referensi (antena horn)... 53 Gambar 4.12. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth pada sudut elevasi = 90 antena elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz... 54 Gambar 4.13. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi pada sudut azimuth = 0 antena elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz... 55 Gambar 4.14. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth pada sudut elevasi = 90 antena array dua elemen pada frekuensi 2,45 GHz... 55 Gambar 4.15. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi pada sudut azimuth = 0 antena array dua elemen pada frekuensi 2,45 GHz... 56 Gambar 4.16. Grafik perbedaan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena elemen tunggal... 57 ix
Gambar 4.17. Grafik perbedaan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran antena elemen tunggal... 57 Gambar 4.18. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Elemen Tunggal... 59 Gambar 4.19. Grafik perbedaan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena array dua elemen... 59 Gambar 4.20. Grafik perbedaan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran antena array dua elemen... 60 Gambar 4.21. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Array Dua Elemen... 61 x
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Saluran wifi [1]... 5 Tabel 2.2. Nilai Permitivitas Relatif Beberapa Bahan Dielektrik... 8 Tabel 3.1. Spesifikasi substrat yang digunakan... 28 Tabel 4.1. Gain antena elemen tunggal... 51 Tabel 4.2. Gain antena array dua elemen... 52 Tabel 4.3. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena elemen tunggal... 58 Tabel 4.4. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena array dua elemen... 61 Tabel 4.5. Hasil pengujian antena mikrostrip pada router wifi... 62 xi
DAFTAR SIMBOL Ω Ohm ε r h J t J b W L Γ S θ φ D D max U U max U 0 P rad c f o Z o L L eff λ o λ g L f W f Y o R D Derajat Permitivitas relatif bahan substrat Ketebalan bahan substrat Kerapatan arus bagian atas patch Kerapatan arus bagian bawah patch Lebar patch Panjang patch Koefisien refleksi tegangan VSWR Sudut Elevasi Sudut Azimuth Keterarahan Keterarahan maksimum Intensitas radiasi Intensitas radiasi maksimum Intensitas radiasi pada sumber isotropic Daya total radiasi Kecepatan cahaya (3 10 8 m/s) frekuensi resonansi antena Impedansi karakteristik Pertambahan panjang patch Panjang patch efektif Panjang gelombang diruang bebas Panjang gelombang pada bahan Panjang saluran pencatu Lebar saluran pencatu Panjang insert feed Jarak antara Antena TX dengan RX Dimensi Antena xii