JETri, Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 DUAL FREQUENCY ANTENA MIKROSTRIP Indra Surjati Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti Abstract This research showed that microstrip antenna can be worked at two different frequencies. This different frequency with low frequency ratio was required as its standard, such the third generation communications UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Using slot loaded two different frequencies can be achieved, f 1 = 1.83 GHz and f 2 = 2.07 GHz at the feed point (16;20,5) mm with frequency ratio 1.13 and VSWR under 1.2 Keywords: dual frequency, probe feed, microstrip antenna 1. Pendahuluan Komunikasi selular saat ini memerlukan dua frekuensi yang berbeda, seperti halnya pada generasi ketiga UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) yang bekerja pada frekuensi 1,8 GHz dan 2,1 GHz. Ada 3 cara untuk dapat menghasilkan dua frekuensi yang berbeda (Maci S. & G.B. Mantili, 1997: 13-19), yaitu: 1. Orthogonal Mode Dual Frequency Patch Antennas. 2. Multi Patch Dual Frequency 3. Antennas3) Reactively Loaded Dual Frequency Patch Antennas Orthogonal Mode Dual Frequency Patch Antennas adalah suatu jenis antena mikrostrip yang dicatu oleh dua mode dominan yang tegak lurus satu dengan yang lainnya. Multi Patch Dual Frequency Antennas adalah jenis antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masing masing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda. Sedangkan Reactively Loaded Dual Frequency Patch Antennas adalah jenis antena mikrostrip dimana dengan memberikan beban reaktif tambahan maka secara keseluruhan antena tersebut akan beresonansi pada dua frekuensi yang berbeda. Dari berbagai penelitian yang telah dilakukan, dual frequency dengan menggunakan sebuah bentuk antena mikrostrip segiempat dengan sepasang slot yang kecil dapat menghasilkan frekuensi ratio 1,6 2,0 (Maci S., 1995: 225-232). Dengan sepasang step slot yang dibuat pada antena mikrostrip segiempat akan dihasilkan frekuensi ratio 1,23 dan frekuensi yang dihasilkan adalah f 1 = 1878 MHz dan f 2 = 2320 MHz. Dengan
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 mengubah-ubah step slotnya akan dihasilkan frekuensi ratio dan frekuensi resonansi yang berbeda-beda (Jui Han Lu, 1999: 354-355). Menambahkan bent slot dengan sudut 60 0 pada setiap ujung segitiga sama sisi akan dihasilkan frekuensi ratio 1,41 untuk f 1 = 2068 MHz dan f 2 = 2928 MHz. Dengan mengubah-ubah panjang bent slot akan dihasilkan frekuensi ratio dan frekuensi resonansi yang berbeda-beda (Jui Han Lu, 1999: 133-136). Pada penelitian yang dilakukan ini memperlihatkan bahwa dengan menggunakan sepasang beban U slot dapat menghasilkan frekuensi ratio yang lebih kecil dari penelitian penelitian sebelumnya dengan frekuensi resonansi pertama dan frekuensi kedua mendekati frekuensi dari UMTS serta dapat menghasilkan VSWR lebih kecil dari 1,2. 2. Perancangan Antena Pada penelitian ini terlebih dahulu ditentukan frekuensi kerja pada 2,1 GHz. Dengan menggunakn piranti lunak PCAAD 3.0 (Personal Computer-Aided Antenna Design versi 3.0) untuk perancangan patch tunggal persegi empat. Substrat yang digunakan mempunyai spesifikasi seperti terlihat pada Tabel 1 dibawah ini. Tabel 1. Parameter substrat yang digunakan Parameter substrat Spesifikasi Jenis substrat GML 1032.060 1/1 Ketebalan dielektrik Rugi tangensial 0,0025 1,52 ± 0,08 mm Konstanta dielektrik 3,2 ± 0,05 Tebal konduktor Konduktivitas Termal (pada suhu 100 0 C) 1 ounce (0,00356 cm) 0,276 W/m/K Dengan menggunakan jenis sustrat GML 1032 serta piranti lunak PCAAD maka akan dihasilkan ukuran dari patch antena segiempat dengan ukuran panjang ( L ) = 41 mm, lebar ( W ) = 58 mm. Dua buah beban U slot dibuat pada antena mikrostrip dan dekat dengan ujung dari elemen antena. Letak dari beban U slot terhadap elemen antena dibuat dengan ukuran w = 1mm, l = 1mm dan ukuran slotnya sendiri adalah d = 1mm. Gambar 1 2
VSWR 1 Indra Surjati, Dual Frequency Antena Mikrostrip memperlihatkan perancangan dari antena mikrostrip segiempat dengan beban U slot. w d l L probe feed X h W ground ground Gambar 1. Geometri dari antena mikrostrip rancangan menggunakan probe feed dengan ukuran W = 58 mm, L = 41 mm, d = 1mm, l = 1mm, w =1mm, r = 3,20, h = 0,152 cm 3. Hasil Pengukuran Dan Analisa Untuk menentukan input impedansi sebesar 50 Ω dan frekuensi resonansinya, posisi dari feed point nya digeser-geser tanpa mengubah-ubah kedudukan dari slotnya. Dari uji coba karakteristik posisi feed point akan dihasilkan dua frekuensi resonansi yang berbeda-beda. Pada posisi feed point yang tepat seperti terlihat pada Gambar 2 akan menghasilkan dua frekuensi resonansi yang mendekati frekuensi sekitar 1, 8 GHZ dan 2,1 GHz yang merupakan frekuensi dari UMTS. 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.4 1.04 VSWR 1 1.12 1.3 1.13 0.8 1.2 1.6 2 2.3 2.6 Posisi feed point ( mm ) 1.48 Gambar 2a. Posisi feed point terhadap perolehan VSWR untuk frekuensi pertama 3
VSWR 2 JETri, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 VSWR 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.28 1.2 1.15 1.58 1.6 0.8 1.2 1.6 2 2.3 2.6 Posisi feed point ( mm ) 1.25 Gambar 2b. Posisi feed point terhadap perolehan VSWR untuk frekuensi kedua. Pada Gambar 2a dan Gambar 2b hampir pada seluruh posisi dari feed point mempunyai VSWR < 2, sehingga faktor posisi feed point sebagai saluran pencatu pada kasus ini menjadi tidak terlalu kritis. Hasil uji karakterisasi tersebut disimpulkan bahwa kondisi matching dari antenna mikrostrip bentuk segi empat dicapai pada saat posisi feed point berada pada (16 ; 20,5) mm, dimana impedansi masukannya mendekati 50 Ω. Dari pengukuran terlihat bahwa VSWR untuk frekuensi resonansi pertama adalah 1,12 dan untuk frekuensi resonansi kedua adalah 1,15. Ini menunjukkan bahwa VSWR tersebut mendekati nilai satu sehingga dapat dikatakan antena tersebut sudah cukup baik untuk rancangan ini. Gambar 3 dibawah ini memperlihatkan hasil pengukuran frekuensi resonansi pada posisi feed point (16 ; 20,5) mm, dimana frekuensi yang dihasilkan adalah f 1 = 1,83 GHz dan f 2 = 2,07 GHz. Sedangkan Gambar 4 memperlihatkan plot grafik perolehan pengukuran return loss pada posisi feed point (16 ; 20,5) mm dengan perolehan return loss 24,54 db untuk frekuensi resonansi pertama f 1 = 1,83 GHz dan return loss 23,79 db untuk frekuensi resonansi kedua f 2 = 2,07 GHz. Pada posisi feed point 16 mm, antena dapat menghasilkan frekuensi rasio yang terkecil, yaitu 1,13 dan makin tinggi frekuensi rasio-nya maka jarak antara frekuensi resonansi pertama dan frekuensi resonansi kedua makin jauh. 4
Frekuensi Rasio Indra Surjati, Dual Frequency Antena Mikrostrip Frekuensi Rasio 2 1.5 1 1.29 1.25 1.13 1.38 1.56 1.53 0.5 0 8 12 16 20 23 26 Posisi feed point ( mm ) Gambar 3. Grafik frekuensi rasio terhadap posisi feed point Dari pengukuran frekuensi resonansi yang telah dilakukan maka dapat dilihat perolehan frekuensi rasio dari kedua frekuensi resonansinya seperti terlihat pada Tabel 2 dibawah ini. Tabel 2 Frekuensi Rasio Dari Antena Rancangan Feed Point (mm) Frekuensi Pertama f 1 (GHz) Frekuensi Kedua f 2 ( GHz ) Frekuensi Rasio (f 2 /f 1 ) 8 2,07 2,68 1,29 12 1,75 2,20 1,25 16 1,83 2,07 1,13 20 1,65 2,28 1,38 23 1,70 2,65 1,56 26 1,72 2,63 1,53 5
Return Loss(dB) JETri, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 Gambar 4. Pengukuran frekuensi resonansi pada posisi (16 ; 20,5) mm untuk f 1 = 1,83 GHz dan f 2 = 2,07 GHz. 0-5 -10-15 -20-25 -30 12 mm mm 8 mm 0 0 0 mmmm 0 0 0 0 0-2.45-2.46-24.54-2.12 20 mm 16 mm -2.32-23.79 26 mm 23 mm 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0-35 1.5 1.7 1.8 2.0 2.2 2.6 2.8 3 Frekuensi 7 (GHz) 8 5 Gambar 5. Grafik hubungan return loss terhadap frekuensi pada posisi feed point ( 16 ; 20,5 ) mm 6
Indra Surjati, Dual Frequency Antena Mikrostrip Gambar 5. dan Ganbar 6. dibawah ini memperlihatkan pola radiasi dari kedua frekuensi resonansi. Akan terlihat bahwa kedua frekuensi resonansi mempunyai polarisasi yang sama dan mempunyai karakteristik radiasi yang broadside. Gambar 5 Pengukuran pola radiasi untuk f 1 = 1,83 GHz pada posisi feed point ( 16 ; 20,5 ) mm. Gambar 6 Pengukuran pola radiasi untuk f 2 = 2,07 GHz pada posisi feed point ( 16 ; 20,5 ) mm 7
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 1, Agustus 2003, Halaman 1-8, ISSN 1412-0372 4. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan terlihat bahwa dengan menggunakan dua buah U slot dapat dihasilkan dua frekuensi yang berbeda, yaitu f 1 = 1,83 GHz dengan return loss 24,54 db dan f 2 = 2,07 GHz dengan return loss 23,79 db. Dan frekuensi yang dihasilkan dapat digunakan untuk keperluan komunikasi selular generasi ketiga dengan frekuensi ratio 1,13 dan VSWR dibawah 1,2. Dan kedua frekuensi yang dihasilkan memperlihatkan karakteristik yang sama untuk pola radiasinya yaitu berbentuk broadside. Daftar Pustaka 1. Maci, S dan G.B. Mantili. December 1997. Dual Frequency Patch Antennas. IEEE Antennas and Propagation Magazine: Vol.39. No.6 hlm. 13-19. 2. Maci, S et al. June 1995. Dual Band Slot Loaded Patch Antenna. IEE Proc.Microw.Antennas Propagat: Vol. 142, No.3, hlm. 225-232 3. Jui Han Lu. March 1999. Single Feed Dual Frequency Rectangular Microstrip Antenna With Pair of Step Slots. Electron Lett: Vol.35, No.5, hlm. 354-355. 4. Jui Han Lu. July 1999. Novel Dual Frequency Design of Single Feed Equilateral Triangular Microstrip Antenna. Microwave and Optical Technology Letters: Vol. 22, No. 2, hlm. 133-136. 8