SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.3 /Maret ANALISIS PERBANDINGAN ANTARA SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED UNTUK ANTENA MIKROSTRIP PACTH SEGIEMPAT Ramando Sinaga, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: s_ramando@yahoo.com 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. Antena mikrostrip mempunyai beberapa kelebihan yaitu memiliki bentuk yang kompak, dimensi kecil, mudah untuk dipabrikasi, dan mudah untuk dihubungkan dengan perangkat komunikasi nirkabel yang ada.pencatuan pada antena mikrostrip dapat dibedakan 2 jenis yaitu pencatuan langsung dan pencatuan tidak langsung. Pencatuan langsung merupakan teknik pertama sekali ditemukan dan memiliki susunan yang sederhana. Sedangkan pencatuan tidak langsung merupakan teknik yang dikembangkan untuk mendukung berbagai kelebihan antena miktrostrip. Pada tulisan ini dianalisis perbandingan antara saluran pencatu feed line dan proximity coupled. Untuk membandingkan kedua saluran pencatu ini dengan menggunakan simulator Ansoft HFSSv10. Adapun parameter pencapaian yang akan dianalisis adalah bandwith, VSWR, gain, dan ukuran patch. Hasil yang didapat setelah dilakukan simulasi dan iterasi yaitu VSWR feed line = 1,22 sedangkan proximity coupled = 1,58, gain feed line = 1,48 dbi sedangkan proximity coupled = 2,57 dbi. Teknik pencatu proximity coupled dapat memperlebar bandwidth 100% dari pencatu feed line, serta besarnya nilai L(panjang) dan W (lebar) sangat memepengaruhi frekuensi kerja kedua saluran pencatu. Kata Kunci: Bandwith, Teknik Pencatuan, VSWR 1. Pendahuluan Teknologi antena mikrostrip sampai sekarang masih merupakan salah satu topik yang menarik di dalam berbagai aplikasi gelombang mikro, baik dibidang akademis, industri maupun penelitian. Halini disebabkan karena antena mikrostrip tersebut mempunyai bentuk yang sederhana, efisien, ekonomis, dan mudah pembuatannya. Namun antena mikrostrip ini juga mempunyai kelemahan yang sangat mendasar yaitu:bandwith yang sempit, keterbatasan gain, dan daya yang rendah. Saluran pencatu untuk antena mikrostrip dibagi menjadi 2 yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling). Pencatuan secara langsung mempunyai kelebihansangat sederhana dalam proses pencatuannya tetapi sulit jika antena mikrostrip disusun secara array danbandwidth yang sempit. Dengan teknik pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling) dapat memperlebar bandwidth.ada 2 teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada pencatuan ini, yaitu proximity coupling yang diperkenalkan oleh Oltman dan Huebner pada tahun 1981 dan aperture coupling yang diperkenalkan oleh Pozar, Grunoa dan Wolf pada tahun 1986. Pada tulisan ini akan dibandingkan antara saluran pencatu feed line dan proximity coupled. Adapun parameter karakteristik yang dibandingkan adalah bandwith, VSWR, gain, dan ukuran patch. Untuk membandingkan saluran pencatu feed line dan proximity coupled maka dilakukan dengan perangkat simulator Ansoft HFSS v10. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat. copyright DTE FT USU 135
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.3 /Maret Patch segiempat sejauh ini merupakan konfigurasi mikrostrip yang paling banyak digunakan. Patch segiempat lebih mudah dibuat karena bentuknya yang lebih sederhana[1]. Hanya dengan menyisakan metal yang berbentuk segiempat pada proses etchingantena ini dapat dibuat. Bentuk dari antena mikrostrip patch segiempat dapat dilihat pada Gambar 1[2][3]. ε reff = ε r+1 2 + ε r-1 1 (3) 2 1+12 h W Panjang patch (L) dapat dicari menggunakan persamaan 4. L=L eff -2 L (4) Dimana L eff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan sebagai berikut: L eff = (5) 2f o ε reff 2.2 Teknik Pencatuan c Gambar 1. Struktur antena mikrostrip Untuk merancang sebuah antena mikrostrip patch segiempat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang digunakan yaitu ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (ε r ), dan dielektrik loss tangent (tan δ). Dari nilai tersebut diperoleh dimensi antena mikrostrip (L dan W). Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan 1 [4][5]: W= c 2f o (ε r+1) 2 (1) Dimana : W : lebar konduktor ε r : konstanta dielektrik c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x10 ) f o : frekuensi kerja antena Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L ( L) tersebut dapat dicari menggunakan persamaan 2 [4][5]. Ada dua teknik pencatuan yang biasanya digunakan yaitu pencatuan secara langsung feed line dan Pencatuan tidak langsung proximity coupled. Untuk rancang bangun antena mikrostrip ini digunakan teknik pencatuan feed line dan proximity coupled[6][7]. Pada teknik pencatuan feed linepotongan konduktor dihubungkan langsung ke tepi patch seperti pada Gambar 2. Teknik pencatuan ini mudah untuk dibuat dan untuk penyesuaian impedansi[5]. Gambar 2 Teknik pencatuan dengan saluran mikrostrip (feed line) Pada teknik pencatuan proximity coupledsaluran transmisi (feed line) diletakan di bawah patch, seperti pada Gambar 3 L=0,412h (ε reff +0,3) W h +0,264 (ε reff -0,258) W h +0,8 (2) Dimana h merupakan tinggi atau tebal substrate, dan ε adalah konstanta dielektrik relatif yang dapat dihitung menggunakan persamaan 3. Gambar 3. Teknik pencatuan metoda proximity coupled Parameter dari kedua lapisan substrat dapat dipilih untuk meningkatkan bandwith antena, dan mengurangi radiasi elemen pencatu. Untuk copyright DTE FT USU 136
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.3 /Maret keperluan ini tebal substrat bagian bawah harus tipis. Dengan meletakkan patch peradiasi diatas dua lapisan substrat maka akan nya bandwith yang lebar. Hal ini dikarenakan dengan menggunakan dua lapisan maka ketebalan substrat yang digunakan menjadi lebih tebal [8][9]. 2.3 Ukuran Saluran Pencatu Besarnya panjang (L) pencatu sangat mempengaruhi nilai VSWR dan besarnya lebar(w) saluran pencatu sangat mempengaruhi nilai panjang pencatu, ditulis dengan persamaan [7]: y = (6) Untuk lebar pencatu sangat dipengaruhi dengan tinggi bahan dan jenis bahan substrat yang digunakan, ditulis dengan persamaan [7]: Dimana w = A = 2.4 Bandwith ( ) ( ) (7) + 0,23 +, (8) Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena.rumus mencari bandwith: BW= f 2 - f 1 f c x100% (9) Dimana: f 1 = frekuensi terendah, f 2 = frekuensi tertinggi, f c = frekuensi tengah 3. Perancangan Patch Elemen Tunggal Adapun tahapan awal dari perancangan antena dimulai dengan pemilihan jenis substrate yang digunakan untuk jenis antena yang akan dibuat, selanjutnya dilakukan perhitungan dimensi patch antena serta lebar saluran pencatu. Hasil perhitungan disimulasikan dengan menggunakan simulator ansoft HFSS v10. Tabel1.Spesifikasi substrate yang digunakan Jenis Substrate FR-4 epoxy Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 4,4 Dielektrik Loss Tangent (tan δ) 0,02 Ketebalan Substrate (h) 1,6mm Antena yang akan dirancang pada tulisan ini adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan frekuensi kerja 2,4-2,5 GHz. Untuk perancangan dimensi antena digunakan persamaan (1) sampai (5), sehingga diperoleh hasil-hasil sebagai berikut. a. Menentukan lebar patch Adapun hasil perhitungan lebar patch didapat menggunakan persamaan (1) sehingga didapatlah lebar patch adalah 37,26 mm. b. Menentukan panjang patch Adapun hasil perhitungan panjang patch didapat menggunakan persamaan (2) sampai (5). Sehingga didapatlah panjang patch adalah 31,5 mm. Dari nilai diatas didapatkanlah nilai lebar dan panjang patch adalah 37,26 mm dan 31,5 mm. Untuk memudahkan proses simulasi maka nilai lebar dan panjang dibulatkan menjadi 37 mm dan 32 mm. c. Menentukan lebar saluran pencatufeed line dan proximity coupled Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan ini diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati masukan sebesar 50 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut. dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan persamaan (8) dan persamaan (7). Untuk nilai z0 = 50 Ω, εr = 4,4 dan h = 1.6 mm, maka didapatlah lebar pencatu 3,06 mm. Untuk panjang saluran pencatu feed line digunakan persamaan (6). Sehingga didapatlah panjang pencatu feed line18,63 mm. 4. Hasil dan Analisis 4.1 Hasil Rancangan Antena Patch Segiempat dengan Pencatu Feed Line copyright DTE FT USU 137
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.3 /Maret Setelah antena mikrostrip patch segi empat elemen tunggal dengan pencatu feed line ini disimulasikan maka didapatlah nilai VSWR dengan teknik pencatu feed lineseperti terlihat pada Gambar 4. Gambar 4. VSWR yang dari perhitungan dengan pencatu feed line Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain yang belum sesuai dengan yang diharapkan. Sehingga diperlukan iterasi antena tersebut sehingga didapat nilai VSWR dan gain yang optimum. Adapun parameter yang diiterasi adalah panjang patch, lebar patch, lebar dan posisi pencatu. Dari hasil iterasi beberapa parameter diatas didapatlah VSWR dan gain untuk rancangan antena elemen tunggal, seperti yang terlihat pada Tabel 2. Tabel 2. Hasil Iterasi Patch elemen tunggal Posisi VSWR Gain saat No Pencatu (mm) 2,40 Ghz 2,45 Ghz 2,50 Ghz F= 2,45 Ghz (dbi) 1 30 2.40 1.64 2,38 1,40 2 25 2,32 1,36 2,32 1,38 3 20 2,39 1.49 2,30 1,43 4 15 2,37 1.32 2,22 1,45 5 12 2,02 1.22 2,27 1,47 6 10 2,42 1.53 2,13 1,43 4.2 Hasil Rancangan Antena Patch Segiempat dengan Pencatu Proximity Coupled Setelah antena mikrostrip patch segi empat elemen tunggal dengan pencatu proximity coupled ini disimulasikan maka didapatlahdidapatkan nilai VSWR dengan teknik pencatu proximity coupled seperti terlihat pada Gambar 5. Gambar 5. VSWR yang dari perhitungan dengan pencatu proximity coupled Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain yang belum sesuai dengan yang diharapkan. Sehingga diperlukan iterasi antena tersebut sehingga didapat nilai VSWR dan gain yang optimum. Adapun parameter yang diiterasi adalah panjang patch, lebar patch, dan lebar pencatu. Dari hasil iterasi beberapa parameter diatas didapatlah VSWR dan gain untuk rancangan antena elementunggal, seperti yang terlihat pada Tabel 3. Tabel 3 Hasil iterasi panjang pencatu proximity coupled Dimensi VSWR pencatu No Gain saat F= 2,45 Ghz (dbi) W L 2,40 2,45 2,50 Ghz Ghz Ghz 1 3 25,75 1,66 1,52 1,75 2,53 2 3 25,50 1,78 1,58 1,71 2,57 3 3 25,25 1.67 1,64 1.89 2.57 4 3 25 1.55 1.45 1.81 2.59 5 3 24,75 1,52 1,52 1,94 2,56 6 3 24,50 1.33 1.55 2,14 2,54 4.3 Perbandingan VSWR Antena Mikrostrip Pencatu Feed Line dan Proximity Coupled Setelah melakukan proses iterasi untuk dimensi patch dan panjang pencatu dari kedua antena tersebut, maka dapat diketahui nilai VSWR antena mikrostrip pencatu feed line dan proximity coupled. copyright DTE FT USU 138
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.3 /Maret Tabel 4. Nilai VSWR antena mikrostrip pencatu feed line dan proximity coupled setelah proses iterasi Frekuensi (GHz) Feed line VSWR Proximity coupled 2,40 GHz 2,02 1.78 2,45 GHz 1,22 1.58 2,50 GHz 2,27 1.71 4.4 Perbandingan Bandwith Antena Mikrostrip Pencatu Feed Line dan Proximity Coupled Dari hasil simulasi yang telah diiterasi dapat dilihat nilai frekuensi terendah, nilai frekuensi tertinggi dan nilai frekuensi tengah dari antena pencatu feed line. Maka dapat dihitung nilai bandwith antena pencatu feed line dengan menggunakan Persamaan (9). Maka didapatlah nilai bandwith3,67% (0,09 GHz = 90 Mhz) Dari hasil simulasi yang telah diiterasi dapat dilihat kembali nilai frekuensi terendah, nilai frekuensi tertinggi dan nilai frekuensi tengah dari antena pencatu proximity coupled. Maka dapat dihitung nilai bandwith antena pencatu proximity coupled dengan menggunakan persamaan (9). Maka didapatlah nilai bandwith7,34% (0,18 GHz = 180 MHz) Dengan menggunakan antena mikrostrip patch segiempat pencatu proximity coupled maka peningkatan bandwidth yang diperoleh : (180-90)/90x100%=100% 4.5 Perbandingan Gaindan Ukuran Patch Antena Mikrostrip Pencatu Feed Line dan Proximity Coupled Dari hasil simulasipencatu feed linediketahui gain yang antena dengan pencatu feed line pada frekuensi 2,45 Ghz adalah 1,48 dbi. Serta lebarnya 44,5mm dan panjangnya 28,2 mm. Sedangkan untuk antena mikrostrip dengan pencatu proximity coupled nilai gainnya lebih baik. Dari hasil simulasi pencatu proximity coupled diketahui nilai gain pada frekuensi 2,45 Ghz adalah 2,57 dbi. lebarnya 38 mm dan panjangnya 26,2 mm. 4.6 Analisis Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip Saluran Pencatu FeedLine dan Proximity Coupledserta Penggunaannya Tabel 5 Kelebihan dan kekurangan antena mikrostrip saluran pencatu Feedline dan Proximity coupled Jenis Kelebihan Kekurangan antena Feedline Proximity coupled Sederhana dalam pencatuan Bandwith yang cukup luas7,34% (0,18 GHz = 180 MHz). Gain yang lebih besar VSWR yang cukup baik Bandwith yang sempit3,67% (0,09 GHz = 90 Mhz). Gain yang masih kecil Nilai VSWR belum cukup baik Penguatan masih rendah Dari Tabel 5 hasil perbandingan antena mikrostrip pencatu proximity coupled memiliki frekuensi kerja yang lebih bagus.antena mikrostrip pencatu proximity coupled baik digunakan untuk Wireless Local Area Network (WLAN). WLAN adalah jaringan lokal yang meliputi daerah satu gedung, satu kantor, satu wilayah dan sebagainya, yang tidak menggunakan kabel. 5. Kesimpulan Dari hasil perbandingan antara saluran pencatu feed line dengan proximity coupled untuk antena mikrostrip patch segiempat, maka dapat diambil kesimpulan: 1. Antena mikrostrip pacth segiempat dengan pencatu feed line yang dirancang memiliki copyright DTE FT USU 139
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.3 /Maret gain 1,48 db dan VSWR 1,22 bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz- 2,49 Ghz. 2. Antena mikrostrip pacthsegiempat dengan pencatu proximity coupled yang dirancang memiliki gain 2,57 dbi dan VSWR 1,58 bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz 2,5 Ghz. 3. Dengan menggunakan teknik pencatu proximity coupled dapat memperlebar bandwith 100 % dari nilai bandwith pencatu feed line. 4. Besarnya nilai L (panjang) dan W (lebar) sangat mempengaruhi frekuensi kerja pada antena mikrostrip pacth segiempat dengan pencatu feed line dan pencatu proximity coupled. 6. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua penulis serta keluarga besar penulis yang selalu memberi dukungan serta pengorbanan yang luar biasa bagi penulis, selanjutnya ucapan terima kasih penulis sampaikan juga kepada Bapak Ali Hanafiah Rambe, ST. MT selaku dosen pembimbing, juga kepada Bapak Maksum Pinem, ST. MT, dan Ibu Naemah Mubarakah, ST.MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan tulisan ini, semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu persatu. 7. Daftar Pustaka [1] Hermansyah, M Rudy. 2010. Rancang Bangun Antena Microstrip Patch Segiempat Untuk Aplikasi Wireless. Medan: Universitas Sumatera Utara. [2] Ardiyanto, Rian. 2011. Perancangan dan Pembuatan Antena Mikrostrip Frekuensi 2,4 Ghz. Jakarta: Universitas Mercu Buana. [3] Constantine A. Balanis, Antena Theory : Analysis and Design, (USA: John Willey and Sons,1997). [4] Rambe, Ali hanafiah. 2008. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Plannar Array 4 Elemen Dengan Pencatuan Aperture-Coupled Untuk Aplikasi CPE Pada WIMAX. Jakarta: Universitas Indonesia. [5] Garg, Ramesh, Microstrip Design Handbook, Norwood: Artech House. Inc,2001. [6] Surjati, Indra. Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti, 2010. [7] Sibarani, Parulian. 2012. Analisis VSWR Antena Mikrostrip Patch Segiempat Dengan Model Saluran Transmisi Sederhana. Medan: Universitas Sumatera Utara. [8] Bhartia P, Bahl, Microstrip Antennas, Canada: Artech House, 1980. [9] Supendi, Okki Wibowo. 2009. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dual-Band Untuk Aplikasi Pembaca RFID. Jakarta : Universitas Indonesia. copyright DTE FT USU 140