RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH ARRAY SEGI EMPAT TRIPLE BAND PADA FREKUENSI 2,3, 3,3 GHz DAN 5,8 GHz Ramli Qadar, Ali Hanafiah Rambe Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA email: ramli_qadar@students.usu.ac.id or ramli_kontash@yahoo.com Abstrak Antena triple band merupakan suatu jenis antena yang dapat bekerja secara bersamaan pada tiga range frekuensi yang berbeda tanpa memerlukan tiga buah antena yang berbeda fisik. Kelebihan lainnya dapat mengurangi drop call dan gangguan network busy. Tulisan ini merancang antena mikrostrip patch segiempat yang bekerja pada tiga frekuensi BWA yaitu 2,3 GHz, 3,3 GHz dan 5,8 GHz yang digunakan untuk aplikasi antena dengan bandwidth yang besar. Antena mikrostrip ini terdiri dari tiga buah patch segiempat yang disusun secara array dan dihubungkan oleh junction pada saluran pencatunya. Hasil yang didapatkan dalam pengukuran antena ini adalah antena bekerja pada frekuensi 2,3 GHz 2,4GHz dengan gain pada simulasi 5,72 db dan minimum 1,21 dan pola radiasi cenderung unidirectional. Frekuensi kedua bekerja dari 3,3 GHz 3,4 GHz dengan gain pada simulasi 7,63 db dan minimum 1,63 dan pola radiasi cenderung omniderctional. Frekuensi ketiga bekerja dari 5,7 GHz-5,8 GHz dengan gain pada simulasi 5,8 db dan minimum pada simulasi 1,404. Kata kunci : Triple-Band, antena mikrostrip, 1. Pendahuluan Teknologi komunikasi nirkabel salah satu teknologi yang banyak digunakan dalam dunia telekomunikasi. Sebagai teknologi yang tidak memerlukan sarana fisik dalam interface-nya, teknologi komunikasi nirkabel menuntut sistem antena bekerja meskipun terdapat penghalang antar pengirim dan penerima. Salah satu jenis antena yang sesuai untuk teknologi komunikasi nirkabel adalah antena mikrostrip, karena memiliki karakteristik dimensi kecil, ringan, ekonomis dan mudah dalam instalasinya[1]. Antena mikrostrip tidak hanya dapat digunakan untuk satu band frekuensi, tetapi juga dapat digunakan untuk lebih dari satu band frekuensi. Sehingga, sistem radio menjadi lebih efisien. 2. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan salah satu antena komunikasi nirkabel gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern seperti Radio Detection and Ranging (Radar) dan Global Positioning System (GPS). Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas tiga elemen, yaitu: elemen peradiasi (patch), elemen dielectric substrate dan elemen pentanahan (ground plane). Bentuk antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 1 [1]. Gambar 1. Struktur Antena Mikrostrip [1]. Hal yang harus dipertimbangkan dalam merancang patch yaitu pertimbangan memilih substrat. Elemen ini ada beberapa jenis yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik dan ketebalannya. Dalam pemilihan jenis substrat sangat dibutuhkan pengenalan tentang spesifikasi umum dari substrat tersebut yaitu kualitasnya[2]. Tabel 1 menunjukkan spesifikasi substrat yang digunakan. Tabel 1. Spesifikasi Substrat Jenis substrat FR-4 epoxy Konstanta Dielektrik 4,4 relative ( r ) Dielektrik Loss Tangent 0,02 ( tan ) Ketebalan substrat (h) 1,6 72 copyright@ DTE FT USU
2.1 Parameter-parameter Antena Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang digunakan, yaitu frekuensi antena,, bandwidth, gain antena, dan polaradiasi[3]. a. (Voltage Standing Wave Ratio) Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Г adalah nol, maka: Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat. Г = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna. Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka. Secara sederhana rumus untuk menentukan [1]. = = 1+ Γ (1) 1 Γ b. Frekuensi Resonansi Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resistif dimana, nilai reaktansi impedansi sama dengan nol [1]. c. Bandwidth Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi yang berhubungan dengan beberapa karakteristik antena lain seperti, impedansi masukan, bandwidth, polarisasi dan gain. Bandwidth suatu antena ditentukan oleh parameter yang digunakan. Dimana, menentukan bandwidth adalah frekuensi atas kurang frekuensi bawah dibagi dengan frekuensi carier, dirumuskan sebagai berikut [4]: h = 2 1 100% (2) a) Lobe utama (main lobe) b) Side lobe (cuping) c) Back lobe f. Return Loss Return loss adalah perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [1]. g. Impedansi Masukan Impedansi masukan dari suatu antena dapat dilihat sebagai impedansi dari antena tersebut pada terminalnya. Impedansi masukan adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena pada terminalnya [1]. 2.2 Antena Mikrostrip Patch Segi Empat aray triple-band Antena mikrostrip patch segi empat array triple-band, merupakan salah satu jenis antena mikrostrip yang dikembangkan dengan teknik arrayyaitu masing-masing patch diletakkan pada jarak tertentu[4]. Untuk menghasilkan tiga rentang frekuensi dengan menyusun tiga buah patch. Patch yang terdiri dari frekuensi 2,3 Ghz, 3,3 GHz, dan 5,8 GHz kemudaian disusun dengan teknik array untuk menghasilkan tiga buah rentang frekuensi yang berbeda. Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip patch segi empat diharapkan mendekati nilai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Selain saluran pencatu pada masing masing patch diperlukan junction untuk menyatukan saluran pencatu pada masing-masing patch. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 2003 untuk mencari lebar pencatu agar mempunyai impedansi 50 Ω, seperti ditunjukkan pada Gambar 2. d. Gain Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerima sinyal dari arah tertentu [3]. e. Pola Radiasi Pola radiasi adalah fungsi matematika dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang, biasanya terdiri dari [1]: Gambar 2. Tampilan TXLine 2003 Untuk Dimensi Saluran Pencatu. 73 copyright@ DTE FT USU
1 SINGUDA ENSIKOM VOL.12 NO.33/AGUSTUS 2015 3. Metodologi Penelitian Pada tahap ini dilakukan perencanaan dan perancangan antena yang meliputi penentuan frekuensi resonansi, spesifikasi substrate, dimensi patch antena dan dimensi saluran pencatunya. Kemudian dilanjutkan dengan menggabungkan ketiga patch dan menggabungkan saluran pencatu dengan junction, sehingga menghasilkan antena mikrostrip patch segi empat triple-band dan melakukan simulasi. Tahapan tahapan perancangan ditunjukkan dalam diagram alir pada Gambar 3. lebar 3 mm sedangkan untuk junction panjang 8 mm dan lebar 1 mm Gambar 4. 1 Gambar 4. Rancangan Antena Mikrostrip Patch 2,45 GHz. 3.2 Perancangan antena Triple-band Selanjutnya adalah menggabungkan ketiga buah patch kedalam satu substrat. Penggabungan patch dilakukan dengan menentukan jarak antar patch. Dari hasil perhitungan dimana frekuensi terbesar sebagai pedoman untuk menentukan jarak, maka patch untuk frekuensi 5,8 GHz dijadikan pedoman dan patch ini juga di letakkan di tengah karena merupakan frekuensi terbesar. Hasil perhitungan didapat jarak 32 mm antara patch 2,3GHz terhadap patch 5,8 GHz dan 22 mm untuk patch 3,3 GHz terhadap patch 5,8 GHz dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5. Rancangan Awal Patch Triple-band Gambar 3. Diagram Alir Perancangan 3.1 Perancangan Elemen Antena Pada perancangan antena yang di lakukan pertama kali yaitu menentukan ukuran patch untuk masing-masing frekuensi. Ukuran pacth untuk masing-masing frekuensi adalah suntuk frekuensi 2,3 GHz ukuran patch adalah panjang 40mm dan lebar 39mm, untuk frekuensi 3,3 GHz panjang 31 mm dan lebar 28mm dan untuk frekuensi 5,8 GHz panjang 15 mm dan lebar 10 mm. Kemudian untuk ukuran saluran pencatu dan junction didapatkan panjang 17 mm dan 4. Analisis Hasil Simulasi Setelah dirancang kemudian antena dianalisa kinerjanya dengan menganalisa, gain, dan pola radiasi antena. Analisis dilakukan baik secara simulasi maupun pengukuran parameter antena setelah antena di pabrikasi 4.1 Hasil Simulasi Triple-band Adapun nilai yang diperoleh setelah disimulasikan adalah 1,084 untuk frekuensi 2,3 GHz, bernilai 1,484 untuk frekuensi 3.3 GHz dan bernilai 2,009 untuk frekuensi 5,8 GHz, hasil dapat dilihat pada Gambar 6. 74 copyright@ DTE FT USU
40 30 20 2.3 GHz 2.4 GHz 3.705 1.4 3.3 GHz 7.083 3.4 GHz 1.603 (1) EM Structure 1 5.7 GHz 3.194 5.8 GHz 4.029 kembali dengan mengubah ukuran masingmasing patch. Hasil iterasi ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3. Data Perubahan Ukuran Patch 10 Patch 2,3GHz Patch 3,3GHz Patch 5,8GHz 0 2 3 4 5 6 Frequency (GHz) x y x y x y Gambar 6. Nilai Rancangan Awal. Adapun hasil gain untuk Rancangan Awal adalah 6,074 db (2,2 GHz - 2,6 GHz) dan 4,192 db (3,2 GHz - 3,6 GHz) dapat dilihat pada Gambar 7 dan Gambar 8. Hasil yang diperoleh seperti pada Gambar 6 belum sesuai dengan yang diinginkan yaitu 2, oleh karena itu dilakukan iterasi dengan mengubah ubah letak, ukuran, jarak antar patch, serta mengubah letak saluran pencatu pada masing masing patch dimensi patch data pergeseran dapat dilihat pada Tabel1. Tabel 1. Data Pergeseran Patch dengan Mengurangi Jarak Patch. Jarak patch (mm) 2,3GHz(mm) 3,3GHz(mm) 2,3GHz 3,3GHz 5,8GHz 32 22 3,75 7,083 4,029 31 21 4,451 8,219 3,471 30 20 5.243 8,995 4,139 29 19 6,069 9,958 4,183 28 18 6,941 10,58 4,42 Setelah melakukan pergeseran didapatkan yang belum optimal, dilakukan iterasi kembali dengan menambahkan jarak patch dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Data Pergeseran Patch dengan Menambah Jarak Patch Jarak patch(mm) 2,3GHz 3,3GHz 2,3GHz 3,3GHz 5,8GHz 33 23 3,75 7,083 4,029 34 24 2,54 4,688 1,499 35 25 2.157 3.875 1,21 36 26 2,034 2,031 1,277 37 27 2,124 2,341 1,312 43 30 2,1 28 21 2,3 20 12 1,3 43 30 2,1 28 21 2,3 21 12 1,3 43 30 2,0 28 21 1,9 22 12 1,6 43 30 2,0 28 21 2,1 23 12 1,4 43 30 2,0 28 21 2,4 24 12 1,1 43 30 2,0 28 21 2,4 25 12 1,8 Hasil iterasi yang di dapat masih belum optimal maka dilakukan kembali iterasi dengan mengubah jarak patch, perubahan jarak patch dilakukan dengan merubah masing masing patch sejauh x,y,z mm seperti ditunjukkan pada Tabel 4. Tabel 4. Hasil Iterasi Perubahan Jarak Letak Titik Pencatu Setiap Patch Perpindahan Nilai x y z F=2,3 F=2,4 F=3,3 F=3,4 F=5,7 F=5,8 GHz GHz GHz GHz GHz GHz 21 13 16 2,581 1,634 2,461 1,107 2,536 2,068 21 14 17 1,999 1,509 2,096 1,091 2,380 1,341 22 15 18 1,598 1,588 1,893 1,065 1,278 1,404 23 16 19 1,818 1,494 2,237 1,143 1,901 1,034 24 17 20 1,828 1.622 2,427 1,200 1,836 1,318 Setelah dilakukan pergeseran pada masing-masing patch tunggal, maka didapat yang dibutuhkan untuk mempabrikasi antena mikrostrip patch segiempat triple-band. Nilai optimal dari Tabel 3 dan Tabel 4 ditunjukkan pada Gambar 7. Dari hasil iterasi pada Tabel 2 dapat dilihat bahwa nilai 2 belum terpenuhi, sehingga hasil iterasi optimal yang mendekati 2 pada Tabel 2 tersebut diiterasi 75 copyright@ DTE FT USU
20 2.3 GHz 1.598 2.4 GHz 1.588 (1) Gabung 15 3.3 GHz 1.893 3.4 GHz 1.065 5.7 GHz 1.278 5.8 GHz 1.404 10 5 0 2 3 4 5 6 Frequency (GHz) Gambar 7. Nilai Optimal Antena 4.2 Hasil Pengukuran Setelah melakukan simulasi dan mendapatkan hasil yang optimal maka antena kemudian di fabrikasi dan diukur dengan alat ukur VNA meter untuk menentukan dan Gain dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 5. Hasil Pengukuran Retur Loss Frekuensi (GHz) Return Loss (db) 2-4.96 2.2-17.06 2.25-11.07 2.3-20.08 2.35-19 2.5-7.7 3.3-26.77 3.35-17.21 3.4-13.07 Sedangkan pola radiasi yang didapatkan merupakan unidirectional dapat dilihat pada Gambar 8 dan 9. Gambar 8. Pola Radiasi Frekuensi 2,3 GHz Gambar 9. Pola Radiasi Frekuensi 2,3 GHz 4.3 Analisis Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Hasil perbandingan dapat dilihat pada Tabel 6 dan 7. Tabel 6. Perbandingan hasil untuk frekuensi 2,3GHz Hasil Hasil Hasil Simulasi Simulasi Parameter Pengukuran Patch Patch Array Patch Array Tunggal Bandwidth Gain Return Loss 3,3 GHz 3,4 GHz (100 MHz) pada 2,81 Frekuensi 3,3 GHz 6,45 dbi -6,45 db pada frekueni 3,3GHz 2,81 pada frekuensi 3,3GHz 3,3 GHz 2,4 GHz (100 MHz) pada 1,89 Frekuensi 3,3 GHz 7,63 dbi -10,21dB pada frekueni 3,3 GHz 3.3 GHz 3,4 pada 1,14 - -26,77 db pada frekuensi 3,3 GHz 1,89 pada 1,14 pada frekuensi 3,3 Minimum frekuensi 3,3 GHz GHz Pola radiasi unidirectional unidirectional omnidirectional Tabel 7. Perbandingan hasil untuk frekuensi 3,3GHz Parameter Bandwidth Gain Return Loss Minimum Hasil Simulasi Patch Tunggal 2,3 GHz 2,4 pada 2,52 Frekuensi 2,3 GHz 6,18 dbi -10,24 db pada frekueni 2,3 GHz 2,52 pada frekuensi 2,3 GHz Hasil Simulasi Patch Array 2,3 GHz 2,4 pada 1,59 Frekuensi 2,3 GHz 5,72 dbi -12,76 db pada frekueni 2,3 GHz 1,59 pada frekuensi 2,3 GHz Hasil Pengukuran Patch Array 2,3 GHz 2,4 pada 1,21-20,8 db pada frekuensi 2,3 GHz 1,21 pada frekuensi 3,3 GHz Pola radiasi unidirectional unidirectional unidirectional 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil pengukuran dapat diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Perancangan antena triple band dengan teknik array patch segiempat dapat diperoleh dengan baik dengan cara 76 copyright@ DTE FT USU
mengatur jarak, ukuran, letak titik pencatu pada masing-masing patch. 2. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa rancangan antenna mampu memenuhi spesifikasi yang dibutuhkan yaitu pada frekuensi 2,3-2,4 GHz menghasilkan 1,598, pada frekuensi 3,3-3,4 GHz menghasilkan 1,893 dan pada frekuensi 5,7-5,8 GHz menghasilkan 1,404 3. Berdasarkan hasil pengukuran diperoleh untuk frekuensi 2,3-2,4 GHz menghasilkan 1,21 dan untuk frekuensi 3,3-3,4 GHz menghasilkan 1,63, sedangkan untuk frekuensi 5,8 GHz tidak dapat diukur karena keterbatasan alat ukur. 4. Berdasarkan simulasi gain antenna di peroleh pada frekuensi 2,3 GHz adalah 5,72 db, pada frekuensi 3,3 GHz adalah 7,63 db dan untuk frekuensi 5,8 GHz adalah 5,684 db. 5. Pola radiasi yang dihasilkan pada pengukuran di frekuensi 2,3 GHz cenderung unidirectional dan pada frekuensi 3,35 GHz cenderung mengarah ke segala arah (omnidirectional). 6. DAFTAR PUSTAKA [1] Indra Surjati (2010). Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti. [2] Muhammad Fahrazal. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Triple- Band Linear Array 4 Elemen untuk Aplikasi Wimax. Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia, 2008. [3] M. Alaydrus, Antena: Prinsip & Aplikasi, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2011. [4] Ali Hanafiah Rambe (2008). Rancang bangunan antena mikrostrip patch segiempat planar array 4 elemen dengan pencatuan aperture-coupled untuk aplikasi CPE pada wimax. Tesis Teknik Elektro Universitas Indonesia. 77 copyright@ DTE FT USU