RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT DENGAN TEKNIK PLANAR ARRAY UNTUK APLIKASI WIRELESS-LAN Wira Indani, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 0155 INDONESIA e-mail: wira_pr@usu.a.id or wira_pr@yahoo.om ABSTRAK Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya dalam sistem telekomunikasi sehingga banyak diaplikasikan pada peralatan-peralatan telekomunikasi modern saat ini. Salah satu aplikasinya adalah wireless LAN. Wireless LAN adalah suatu jaringan area lokal tanpa kabel dimana media transmisinya menggunakan frekuensi radio (RF) dan infrared (IR), untuk memberi sebuah koneksi jaringan keseluruh pengguna dalam area di sekitarnya. Salah satu bentuk konfigurasi antena mikrostrip adalah konfigurasi antena mikrostrip dengan teknik planar array dimana dengan antena ini pengguna dapat mengakses jaringan wireless dari ruang kelas keseluruh kampus atau dari kantor ke kantor yang berlainan dan berlainan gedung. Pelitian ini membahas bagaimana proses ranangan bangun antena mikrostrip ini sehingga sampai pada proses pengujian. Tahap awal untuk meranang bangun sebuah antena mikrostrip path segiempat yang disusun seara planar array adalah meranang antena ini dengan menggunakan Simulator Ansoft High Frequeny Struture Simulator v10. Jenis planar array yang digunakan adalah x. Adapun tahapan kedua adalah meranang bangun antena tersebut dan selanjutnya dilakukan proses pengujian VSWR dan gain. Adapun hasil yang didapat setelah dilakukan pengujian berupa VSWR 1,1 serta gain 7,38 dbi. Kata Kuni: Plannar array, VSWR, Gain 1. Pendahuluan Pada era informasi saat ini, manusia memerlukan komunikasi untuk saling bertukar informasi di mana saja, kapan saja dan dengan siapa saja. Salah satu sistem komunikasi yang merupakan andalan bagi terselenggaranya integrasi sistem telekomunikasi seara global adalah sistem komunikasi wireless. Dimana dalam komunikasi diperlukan suatu alat yang dapat menangkap gelombang wireless tersebut maka digunakanlah antena sebagai media penghubung. Salah satu wireless yang banyak digunakan pada saat ini adalah wireless LAN atau biasanya disingkat dengan WLAN, dimana antena yang digunakan pada aplikasi WLAN tersebut sudah ukup banyak diranang seperti mikrostrip, wajan bolik, bazooka, dipole, dan yagi. Antena mikrostrip merupakan antena yang sangat pesat perkembangannya di dalam dunia telekomunikasi. Penggunaan antena mikrostrip menjadi salah satu alternatif bagi para pengguna WLAN. Dengan berbagai konfigurasi bentuk dari antena mikrostrip antara lain, linear, planar, dan irular. Dari masing konfigurasi tersebut mempunyai kelebihan, adapun kelebihan dari planar array mudah dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi. Pada tulisan ini dibahas ranang bangun antena mikrostrip path segiempat yang disusun seara planar array yang diaplikasi pada wireless-lan dengan gain dihasilkan menapai 6 dbi.. Antena Mikrostrip Path Segiempat Bentuk dari path antena mikrostrip sangat beragam. Path ini dapat berbentuk persegi, persegi panjang, dipole, lingkaran, segitiga, elips dan lain sebagainya. Akan tetapi path yang berbentuk segiempat dan lingkaran merupakan bentuk path yang paling populer karena kemudahan dalam analisis, proses fabrikasi yang sederhana dan karakteristik radiasi yang atraktif. Path segiempat sejauh ini merupakan konfigurasi mikrostrip yang paling banyak digunakan. Path segiempat lebih mudah dibuat karena bentuknya yang lebih sederhana[]. Hanya dengan menyisakan metal yang -47- opyright @ DTE FT USU
berbentuk segiempat pada proses ething antena ini dapat dibuat. Bentuk dari antena mikrostrip path segiempat dapat dilihat pada Gambar 1[1][4]. dielektrik relatif yang dapat dihitungan menggunakan Persamaan 3. ε reff = ε r+1 + ε r-1 1 1+1 h (3) W Panjang path (L) dapat diari menggunakan Persamaan 4. L=L eff - L (4) Dimana L eff merupakan panjang path efektif yang dapat dirumuskan sebagai berikut: Gambar 1. Struktur antena mikrostrip Untuk meranang sebuah antena mikrostrip path segiempat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang digunakan yaitu ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (ε r ), dan dielektrik loss tangent (tan δ). Dari dari nilai tersebut diperoleh dimensi antena mikrostrip (W dan L). Pendekatan yang digunakan untuk menari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan 1 [3][6]: W= (ε f r +1) o Dimana : W : lebar konduktor ε r : konstanta dielektrik : keepatan ahaya di ruang bebas (3x10 ) f o : frekuensi kerja antena (1) L eff = (5) f o ε reff 4. Teknik Penatuan Ada dua teknik penatuan yang biasanya digunakan yaitu proximity oupling dan aperture oupling. Untuk ranang bangun antena mikrostrip ini digunakan teknik penatuan proximity oupling[5][8]. Pada teknik penatuan ini saluran transmisi (feed line) diletakan pada posisi yang lebih rendah dari path, lebih tepatnya dibawah path, mekanisme penggandengan yang akan timbul akan terlihat seperti pada Gambar 3. Pada pendekatan ini digunakan dua buah substrate, dimana path pada substrate bagian atas dengan bidang pentanahannya dihilangkan seluruhnya dan substrate yang berada pada bagian bawah merupakan saluran transmisinya(feed line)[5]. Sedangkan untuk menentukan panjang path (L) diperlukan parameter L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effet. Pertambahan panjang dari L ( L) tersebut dapat diari menggunakan Persamaan [3][6]. L=0,41h (ε reff +0,3) W h +0,64 (ε reff -0,58) W h +0,8 () Dimana h merupakan tinggi substrate atau tebal substrate, dan adalah konstanta Gambar 3. Teknik penatuan metoda proximity oupled 5. Peranangan Path Elemen Tunggal Adapun tahapan awal dari peranangan antena dimulai dengan pemilihan jenis substrate -48- opyright @ DTE FT USU
yang digunakan untuk jenis antena yang akan dibuat, selanjutnya dilakukan perhitungan dimensi path antena serta lebar saluran penatu. Hasil perhitungan tersebut disimulasikan dengan menggunakan simulator ansoft HFSS v10. Tabel 1 merupakan spesifikasi substrate yang digunakan. Tabel 1. Spesifikasi substrate yang digunakan Jenis Substrate FR-4 epoxy Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 4,4 Dielektrik Loss Tangent (tan δ) 0,0 Ketebalan substrate (h) 1,6mm Antena yang akan diranang pada penelitian ini adalah antena mikrostrip path segiempat dengan frekuensi kerja,4-,5. Untuk peranangan dimensi antena digunakan perhitungan pada antena mikrostrip dengan path segiempat yang menggunakan persamaan (1) sampai (5), sehingga diperoleh hasil-hasil sebagai berikut. a. Menentukan Lebar path Adapun hasil perhitungan lebar path didapat menggunakan Persamaan (1) Sehingga didapatlah lebar path adalah W= = (ε f r +1) o 3 10 8,45 10 9 4.4+1 = 0,0376 m= 37,6 mm b. Menentukan panjang path L eff = = 0,066 (4,381)(3,87+0,64) (3.83)(3,87+0,8) = 0,07386 m = 3 108 f o ε reff 18,18 10 9 = 0,033=3,3 m Dari nilai yang telah diketahui diatas, maka didapatlah panjang path sebagai berikut: L =L eff - L=3,3-0,148 =3,15 m = 31,5 mm Dari nilai diatas didapatkanlah nilai lebar dan panjang path adalah 37,6 mm dan 31,5 mm. Untuk memudahkan proses simulasi maka nilai lebar dan panjang dibulatkan menjadi 37,3 mm dan 3 mm.. Menentukan Lebar Saluran Penatu Saluran penatu yang digunakan pada peranangan antena mikrostrip ini diharapkan mempunyai impedansi masukan sebesar 50 ohm. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran penatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 003. Dari program TXLine 003 ini diperoleh bahwa saluran penatu yang mendekati impedansi 50 Ohm memiliki dimensi panjang dan lebar masing-masing 3.1 mm dan 3 mm. Setelah model antena mikrostrip path segi empat elemen tunggal ini disimulasikan maka didapatlah parameter yang diinginkan pada penelitian ini antara lain besar nilai VSWR dan gain. Dari hasil simulasi, didapatkan nilai VSWR seperti terlihat pada Gambar 4. Adapun hasil perhitungan panjang path didapat menggunakan Persamaan () sampai (5). Sehingga didapatlah panjang path adalah ε reff = ε r+1 + ε r-1 1 1+1 h W = 5,4 + 3,4 1 1,515 = 4,08100 (ε reff +0,3) W L = 0,41h h +0,64 (ε reff -0,58) W h +0,8 Gambar 4. VSWR hasilkan dari perhitungan Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain yang dihasilkan belum sesuai dengan yang diharapkan. Sehingga diperlukan iterasi antena -49- opyright @ DTE FT USU
tersebut sehingga didapat nilai VSWR dan gain yang optimum. Adapun parameter yang diiterasi adalah panjang path, lebar path, dan lebar penatu. Dari hasil iterasi beberapa parameter diatas didapatlah VSWR dan gain untuk ranangan antena elemen tunggal, seperti yang terlihat pada Tabel. Tabel. Hasil Iterasi Path elemen tunggal Dimensi penatu VSWR (mm) W L,40,45,50 Gain saat F=,45 3 3.1 1,97 1,7 1,85,57 Pada penelitian ini T-juntion yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70,71 Ω dan impedansi 86,6 Ω. Untuk mendapatkan panjang dan lebar saluran penatu agar mempunyai impedansi 70,71 Ω digunakan program TXLine003. Dengan impedansi 70,71 Ω dan frekuensi kerja adalah,45, maka dibutuhkan panjang dan lebar penatu masingmasing sebesar 19 mm dan 1,5 mm. Dengan ara yang sama, dimensi saluran penatu untuk impedansi 86,6 Ω diperoleh panjang saluran 18 mm dan lebar 0,9 mm. Dari hasil ranangan antena mikrostrip path 4 elemen maka diperoleh nilai VSWR seperti yang terlihat pada Gambar 6..9 3.1 1.90 1.8 1.77.55.8 3.1 1.76 1.5 1.68.59.7 3,1 1,64 1,4 1,6.6.6 3.1 1.54 1.4 1.71.60.5 3.1 1.7 1.6 1.73.53 Keterangan: W= Lebar, L= panjang Gain dalam dbi 6. Peranangan Path 4 Elemen Planar Array Peranangan antena mikrostrip planar array ini menggunakan data yang telah diperoleh dari hasil ranangan antena elemen tunggal (seperti dimensi path, lebar penatu, panjang saluran penatu). Selanjutnya menentukan jarak antar elemen, jarak antar elemen pada antena ini sekitar seperempat panjang gelombang (d = λ/4) atau 31,5 mm. Adapun langkah selanjutnya menentukan T-Juntion. Gambar 5 menunjukkan konfigurasi T-juntion yang akan digunakan. Gambar 6. VSWR hasil simulasi antena mikrostrip path 4 elemen Dari hasil simulasi yang telah dijalankan didapat bahwa antena mikrostrip path segiempat 4 elemen belum memenuhi karakteristik yang diinginkan yaitu VSWR, hal ini mungkin saja dipengaruhi oleh jarak antar elemen. Oleh karena itu yang hal yang perlu diiterasi adalah jarak antar elemen dari antena mikrostrip tersebut, sehingga nantinya didapat VSWR yang sesuai dengan yang diinginkan. Tabel 3 merupakan hasil dari iterasi jarak antar elemen antena mikrostrip 4 elemen. Tabel 3. Hasil iterasi jarak antar elemen Jarak (mm),40 VSWR,45,50 Gain saat F=,45 (dbi) 30.0 1.43 1.79 6.89 30.5 1.96 1.43 1.89 7.07 31 1.96 1.40 1.78 7.14 Gambar 5. Peranangan T-juntion: (a) Z= 70,711Ω (b) Z= 86,6Ω 31.5 1.89 1.31 1.58 7.0-50- opyright @ DTE FT USU
Tabel 3. Lanjutan Jarak (mm),40 VSWR,45,50 Gain saat F=,45 (dbi) 3 1.74 1. 1.54 7.7 7. Fabrikasi Antena Mikrostrip Adapun antena mikrostrip path segiempat 4 elemen planar array setelah difabrikasi dapat dilihat pada Gambar 8. 33 1.63 1.0 1.59 7.31 34 1.81 1.1 1.49 7.33 35 1.64 1.1 1.63 7.38 36 1.73 1. 1.59 7.9 37 1.76 1.0 1.51 7.34 Adapun Geometri dari hasil ranangan antena mikrostrip path segiempat 4 elemen ini setelah diiterasi jarak antar elemennya maka didapatlah seperti yang terlihat pada Gambar 7. 1,5 mm 37,5 mm 35 mm 37,5 mm 1,5 mm 10 mm Gambar 8. Antena mikrostrip path 4 elemen yang telah difabrikasi 8. Hasil Pengujian Dengan network stumbler dapat dilihat level sinyal yang diterima baik menggunakan antena dipole maupun antena mikrostrip path segiempat 4 elemen. Adapun level sinyal yang diterima ketika menggunakan antena dipole ditunjukkan oleh Gambar 9. 6, mm 35 mm 6, mm Gambar 4.7 Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena dipole 14.6 mm a 5,4 mm 19 mm 46,5 mm 3,1 mm Gambar 9. Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena dipole 1 mm 14 mm b 135 mm 14 mm 5.5 mm Dari Gambar 9 dapat dilihat level penerimaan kuat sinyal adalah -59 dbm. Selanjutnya level penerimaan kuat sinyal dengan menggunakan antena mikrostrip path segiempat 4 elemen ditunjukan oleh Gambar 10. 11 mm Gambar 7. Geometri hasil peranangan antena mikrostrip path segiempat 4 elemen planar array a. Path b. Feedline. Groundplane Gambar 10. Level sinyal penerimaan saat menggunakan antena mikrostrip -51- opyright @ DTE FT USU
Dari Gambar 10 dapat dilihat bahwa level penerimaan kuat sinyal adalah -55 dbm. Nilai pada level ini memperlihatkan bahwa penerimaan sinyal meningkat menjadi lebih baik. Dari nilai level penerimaan sinyal dari kedua antena diatas maka dapat dihitung gain antena dengan menggunakan Persamaan 6[7]. Ga(dB) = Pa(dBm)- Ps(dBm) + Gs(dBi) (6) Ga (db) = (-55 dbm) - (-59 dbm)+ 4dBi Ga(dB) = 8 dbi Dari persamaan diatas didapat besar gain dari antena mikrostrip path segiempat 4 elemen planar array yaitu sebesar 8 dbi. Nilai ini lebih baik dibandingkan dengan nilai hasil simulasi yaitu sebesar 7,38 dbi. Hal ini dapat disebabkan oleh faktor lingkungan, proses penetakan atau fabrikasi antena. Namun dari nilai ini menunjukan bahwa antena yang dibuat ini telah sesuai dengan yang diinginkan. 9. Kesimpulan Pada penelitian ini telah diranang antena mikrostrip path lingkaran 4 elemen planar array yang digunakan sebagai WLAN. Dari hasil peranangan, simulasi, dan pengujian diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Antena mikrostrip path segiempat 4 elemen planar array yang berkerja pada frekuensi,4 Ghz-,5 Ghz. Teknik penatuan yang digunakan adalah teknik penatuan proximity ouple, teknik ini merupakan bagian dari teknik penatuan tak langsung(elektomagneti ouple).. Gain pengujian sebesar 8 dbi, nilai ini lebih baik dibandingkan gain simulasi yaitu sebesar 7,38 dbi. Hal ini dapat disebabkan oleh faktor lingkungan saat pengujian serta pada saat proses fabrikasi antena ini. 3. Nilai VSWR yang didapatkan setelah dilakukan proses iterasi adalah 1,1 namun nilai ini jauh berbeda dengan VSWR pada saat perhitungan seara teori yaitu sebesar 9. Nilai VSWR yang didapatkan saat simulasi diperoleh ketika dilakukannya proses iterasi pada ukuran dimensi path, ukuran dimensi saluran penatu, serta jarak antar elemen. 10. Uapan Terima Kasih Penulis menguapkan terima kasih kepada kedua orang tua penulis serta keluarga besar penulis yang selalu memberi dukungan serta pengorbanan yang luar biasa bagi penulis, selanjutnya uapan terima kasih penulis sampaikan juga kepada Bapak Ali Hanafiah Rambe, ST. MT selaku dosen pembimbing, juga kepada Bapak Maksum Pinem, ST. MT, Bapak Rahmat Fauzi, ST. MT, dan Bapak Ir. Zulfin, MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan paper ini, semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu persatu. 11. Daftar Pustaka [1] Ardiyanto, Rian. 011. Peranangan dan Pembuatan Antena Mikrostrip Frekuensi,4 Ghz. Jakarta: Universitas Meru Buana. [] Hermansyah, M Rudy. 010. Ranang Bangun Antena Mirostrip Path Segiempat Untuk Aplikasi Wireless. Medan: Universitas Sumatera Utara. [3] Rambe, Ali hanafiah. 008. Ranang Bangun Antena Mikrostrip Path Segiempat Plannar Array 4 Elemen Dengan Penatuan Aperture-Coupled Untuk Aplikasi CPE Pada WIMAX. Jakarta: Universitas Indonesia. [4] Constantine A. Balanis, Antena Theory : Analysis and Design, (USA: John Willey and Sons,1997). [5] Surjati, Indra. Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti, 010. [6] Garg, Ramesh, Mirostrip Design Handbook, Norwood: Arteh House. In,001. [7] Yong, Daniel, 008, UHF Mirostrip Antenna Design and Simulation, first edition, Sim University Press. [8] Sibarani, Parulian. 01. Analisis VSWR Antena Mikrostrip Path Segiempat Dengan Model Saluran Transmisi Sederhana. Medan: Universitas Sumatera Utara. [9] Bhartia P, Bahl, Mirostrip Antennas, Canada: Arteh House, 1980. -5- opyright @ DTE FT USU