RANCANG BANGUN PATCH RECTANGULAR ANTENNA 2.4 GHz DENGAN METODE PENCATUAN EMC (ELECTROMAGNETICALLY COUPLED) Winny Friska Uli,Ali Hanafiah Ramb Konsntrasi Tknik Tlkomunikasi, Dpartmn Tknik Elktro Fakultas Tknik Univrsitas Sumatra Utara (USU) Jl. Almamatr, Kampus USU Mdan 2055 INDONESIA -mail: winny_ops88@yahoo.com, ali_hanf@yahoo.com Abstrak Antna mikrostrip saat ini mrupakan salah satu antnna yang sangat psat prkmbangannya dalam sistm tlkomunikasi. Antna mikrostrip tlah banyak digunakan karna mmiliki banyak kuntungan sprti bntuknya yang ringkas, praktis dan mudah untuk mngatur polarisasinya, shingga banyak diaplikasikan pada pralatan pralatan tlkomunikasi modrn saat ini. Pnlitian ini mmbahas bagaimana pross mrancang dan simulasi antna mikrostrip pada rntang frkunsi 2.400 MHz 2.500 MHz untuk mndukung tknologi WiFi (Wirlss Fidlity) dngan mnggunakan softwar simulator Ansoft HFSS v.9. Mtod pncatuan yang digunakan adalah EMC (Elctromagntically Coupld) yang mnggunakan dilktrik udara pada struktur pncatuan L-strip, dngan bntuk patch sgimpat. Pada simulasi, dilakukan pngulangan ukuran dimnsi antna untuk mndapatkan hasil yang ssuai dngan spsifikasi rancangan antna, yaitu dngan mngubah ukuran patch, groundplan, dan fdr. Adapun hasil yang diprolh dari rancang bangun antna mikrostrip patch rctangular brupa VSWR,37 srta gain dngan nilai 9,06 dbi. Kata Kunci: Patch Rctangular, Simulator, VSWR, Gain. Pndahuluan Antna mrupakan prangkat tlkomunikasi yang brfungsi untuk mradiasikan glombang lktomagntik dalam komunikasi radio. Syaratsyarat antna yang baik adalah impdansi input yang ssuai (matchd) dngan impdansi karaktristik kabl pncatunya, dapat mmancarkan dan mnrima nrgi glombang radio dngan arah dan polarisasi yang ssuai dngan aplikasi yang dibutuhkan. Antna adalah prangkat pnysuai (matching dvic) antara sistm pmancar dngan udara, bila antna trsbut brfungsi sbagai mdia radiasi glombang radio. Sbaliknya, sbagai prangkat pnysuai dari udara k sistm pnrima, bila antna trsbut brfungsi sbagai mdia pnrima glombang radio. Atau bahkan kdua - kduanya, brfungsi sbagai mdia radiasi dan skaligus pnrima glombang radio. Olh karna itu, sbuah antna mikrostrip rctangular patch dngan frkunsi 2,4 GHz mrupakan antna mikrostrip yang mmiliki klbihan dibandingkan dngan antna yang lain yaitu slain mmiliki massa yang ringan, antna mikrostrip juga lbih mnghmat biaya dalam prancangannya. Dalam pross rancang bangun antna rctangular patch ini digunakan tknik atau mtod pncatuan EMC (Elctromagntic Coupld).Mtod EMC diharapkan untuk mnghasilkan widband. 2. Antna Mikrostrip Patch Rctangular Bntuk dari patch antna mikrostrip sangat bragam. Patch ini dapat brbntuk prsgi, prsgi panjang, dipol, lingkaran, sgitiga, lips dan lain sbagainya []. Akan ttapi patch yang brbntuk sgimpat dan lingkaran mrupakan bntuk patch yang paling populr karna kmudahan dalam analisis, pross fabrikasi yang sdrhana dan karaktristik radiasi yang atraktif. Patch sgimpat sjauh ini mrupakan konfigurasi mikrostrip yang paling banyak digunakan. Patch sgimpat lbih mudah dibuat karna bntuknya yang lbih sdrhana[2]. Hanya dngan mnyisakan mtal yang brbntuk sgi mpat pada pross tching antna copyright DTE FT USU 8
ini dapat dibuat. Bntuk dari antna mikrostrip patch rctangular dapat dilihat pada Gambar [][2]. Panjang patch (L) dapat diprolh dngan mnggunakan Prsamaan 4 : (4) Dngan L ff mrupakan panjang patch fktif yang dapat dihitung mnggunakan Prsamaan 5: (5) Gambar. Struktur antna mikrostrip Untuk mrancang sbuah antna mikrostrip patch sgi mpat, trlbih dahulu harus diktahui paramtr bahan yang digunakan yaitu ktbalan dilktrik (h), konstanta dilktrik(ε r ), dan dilktrik loss tangnt (tan δ). Dari nilai trsbut diprolh dimnsi antna mikrostrip (W dan L). Pndkatan yang digunakan untuk mncari panjang dan lbar antna mikrostrip dapat mnggunakan Prsamaan [3][4]: c W = () ( ) 2 f r o 2 Dimana : W : lbar konduktor ε r : konstanta dilktrik c : kcpatan cahaya di ruang bbas (3x0 8 ) f o : frkunsi krja antna Sdangkan untuk mnntukan panjang patch (L) diprlukan paramtr ΔL yang mrupakan prtambahan panjang dari L akibat adanya fringing ffct. Prtambahan panjang dari L (ΔL) trsbut dapat dicari mnggunakan Prsamaan 2 [3][4]. W 0.3 L 0.264 =0.42 h (2) h W 0.258 0.83 h Dimana h mrupakan tinggi substrat atau tbal substrat, dan ε adalah konstanta prmitivitas fktif yang dapat diprolh dngan mnggunakan Prsamaan 3 : 2 ε = r r h 2 (3) 2 2 W Untuk mmprolh dimnsi minimum groundplan, dapat mnggunakan pndkatan pada Prsamaan 6 [6] : Ag = 6t + a (6) Dimana : Ag = nilai dimnsi minimum groundplan t = ktbalan tmbaga a = lbar patch 3. Tknik Pncatuan Scara umum, mtoda pncatuan pada antna mikrostrip dapat diklasifikasikan mnjadi pncatuan mikrostrip, pncatuan prob, dan pncatuan EMC. Pncatuan prob, yang mrupakan mtod pncatuan yang sring digunakan untuk mikrostrip antna tidak mampu mnghasilkan widband karna adanya raktansi parasitik yang dihasilkan olh struktur pncatuan. Pncatuan koaksial antna mikrostrip mmpunyai bandwidth impdansi yang smpit [6]. Pncatuan EMC brbda dngan mtod pncatuan yang lain. Tidak trjadi radiasi spurious dan mmbrikan karaktristik widband, sprti yang diprlihatkan pada Gambar 2 [5]. Gambar 2. Mtod pncatuan EMC 4. Prancangan Antna Patch Rctangular Adapun tahapan awal dari prancangan antna dimulai dngan pmilihan jnis substrat copyright DTE FT USU 82
yang digunakan untuk jnis antna yang akan dibuat, slanjutnya dilakukan prhitungan dimnsi patch antna srta lbar saluran pncatu. Hasil prhitungan trsbut disimulasikan dngan mnggunakan simulator ansoft HFSS v9. Tabl mrupakan spsifikasi substrat yang digunakan. Tabl. Spsifikasi Bahan Antna Bahan yang digunakan Bahan konduktor (Cu), udara dan Tflon Prmitivitas rlativ udara ( r) Ktbalan dilktrik 4 mm (tinggi Tflon) Ktbalan tmbaga mm (Cu) Fdr striplin Tmbaga dngan lbar 5 mm dan tbal mm Pnyangga Tflon dngan diamtr 0 mm dan tinggi 4 mm Adapun flowchart yang digunakan dalam prancangan untuk mndapatkan hasil simulasi dan hasil pngukuran ssuai dngan spsifikasi antna dapat dilihat pada Gambar 3. Antna yang akan dirancang pada pnlitian ini adalah antna mikrostrip patch sgi mpat dngan frkunsi krja 2,4-2,5 GHz. Untuk prancangan dimnsi antna digunakan prhitungan mnggunakan Prsamaan () sampai (5), shingga diprolh hasil-hasil sbagai brikut : a. Mnntukan Lbar patch Adapun hasil prhitungan lbar patch diprolh mnggunakan Prsamaan (). Shingga didapatlah lbar patch adalah : c 3.0 8 W = 2 f o = 6,5mm = ( r ) 2(2,45x0 2 9 ) b. Mnntukan panjang patch ( ) 2 Adapun hasil prhitungan panjang patch diprolh mnggunakan Prsamaan (2) sampai (5). Shingga didapatlah panjang patch adalah: 2 ε r = r h 2 2 2 W = 2 2 2 4 6,5 2 = 0.3 = 0.42 L h ΔL= 0,42 x 4 x = 9,06 mm W 0.264 h W h 0.258 0.83 6,5 0,3 0,264 4 6,5 4 0,258 0,83 Gambar 3. Flowchart Ralisasi Antna L = c 2 f r 2L 8 3.0 = 2(9,06) 9 2(2,45x0 ) = 43,38 mm 43,5 copyright DTE FT USU 83
c. Mnntukan Panjang Saluran Pncatu Saluran pncatu yang digunakan pada prancangan antna mikrostrip ini adalah mnggunakan bahan tmbaga (Cu) dngan tbal mm. Saluran pncatu yang akan dirancang dibuat dalam bntuk L-strip. Untuk panjang saluran pncatu (L-Strip) ditntukan dngan mlihat Gambar 4. mnggunakan simulator ansoft HFSS v.9. Dari hasil simulasi maka diprolh paramtr yang diinginkan antara lain bsar VSWR dan Gain. Dari hasil rancangan antna mikrostrip patchrctangular diprolh nilai VSWR sprti yang trlihat pada Gambar 5. VSWR = 2,07 Gambar 4. Konstruksi AntnaPatch Rctangular Dari Gambar 4, dapat ditntukan nilai-nilai dari tiap bagian pncatu L-Strip pada antna patch rctangular sprti yang trlihat pada Tabl 2. Gambar 5. Hasil Simulasi VSWR dari Nilai Prhitungan Tiap Elmn Antna Pada Gambar 6 diprlihatkan gain pada simulasi prancangan antna yang dihasilkan yaitu 7,9 dbi. Tabl 2. Saluran Pncatu L-Strip Dimnsi Pncatu L-Strip Tbal Subtrat (h) Panjang L-Strip (A x A2 x A3) Jarak Pangkal L-strip k pangkal patch (D) Tinggi antara L- strip k Groundplan (h2) Tinggi antara L- strip k Patch (h3) Nilai 4 mm 46 x 9 x mm 6 mm mm 2 mm d. Mnntukan Dimnsi Groundplan Adapun hasil prhitungan dimnsi groundplan didapat mnggunakan Prsamaan (6). Shingga didapatlah panjang patch adalah : Ag = 6t + a = 6 () + 6,5 = 67,5 mm 70 mm Gambar 6. Hasil Simulasi Untuk Paramtr Gain 6. Itrasi Ukuran Dimnsi Antna Dalam usaha untuk mmprolh suatu spsifikasi antna yang diinginkan dilakukan itrasi ukuran dimnsi antna scara brgantian dngan variabl dimnsi bagian yang lain dibuat ttap. Itrasi - itrasi trsbut diuraikan sbagai brikut. 5. Simulasi Antna Patch Rctangular Stlah smua langkah prancangan dilakukan, slanjutnya nilai nilai trsbut dapat dimasukkan pada simulasi prancangan dngan a. Itrasi Dimnsi Groundplan Adapun hasil itrasi dimnsi Groundplan dapat ditunjukkan pada Tabl 3. copyright DTE FT USU 84
Tabl 3. Hasil Simulasi prbandingan dimnsi Groundplan trhadap VSWR Nilai VSWR pada Frkunsi Gain Groundplan (GHz) (db) (mm) 2,4 2,45 2,5 70x70 2,00 2,07 2,08 7,9 80x80 2,8 2,20 2,5 8,33 90x90,65,69,68 8,06 00x00,6,58,52 8,76 0x0,50,5,49 8,93 20x20,36,37,3 9,06 b. Itrasi Dimnsi Patch Rctangular Hasil itrasi dimnsi pada lbar patch rctangular dapat ditunjukkan pada Tabl 4. Tabl 4 Hasil itrasi dimnsi lbar patch diubah dngan radius 0 mm Panjang Patch Lbar patch Nilai VSWR pada Frkunsi (GHz) Gain (db) (mm) (mm) 2,4 2,45 2,5 43,5 5,5,47,53,54 8,87 43,5 6,5,36,37,3 9,06 43,5 7,5,2,20,8 9,05 43,5 8,5,36,43,5 8,66 Adapun hasil itrasi dimnsi pada panjang patch rctangular dapat ditunjukkan pada Tabl 5. Tabl 5. Hasil panjang patch diubah dngan radius 0 mm Panjang Lbar Nilai VSWR pada Gain Patch patch Frkunsi (GHz) (db) (mm) (mm) 2,4 2,45 2,5 33,5 6,5,80,8,84 7,7 43,5 6,5,36,37,3 9,06 53,5 6,5 2,34 2,20 2,6 7,96 63,5 6,5 3,08 2,73 2,48 7,56 Tabl 6.Ukuran Dimnsi Tiap Elmn Antna Stlah Itrasi Dimnsi Antna Hasil yang diprolh Ukuran patch antna (W x L) (6,5 x 43,5) mm Prmitivitas rlatif bahan udara (ε r ) Ktbalan substrat (h) 4 mm Tinggi antara L- strip k mm Groundplan (h2) Tinggi antara L- strip k 2 mm Patch (h3) Jarak Pangkal L-strip k pangkal patch (D) 6 mm Panjang L strip 46 x 9 x mm ( A x A2 x A3) Minimum Dimnsi Groundplan Antna 20 x 20 mm 7. Prototip Antna Mikrostrip Antna mikrostrip patch rctangular stlah difabrikasi dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7. Hasil Prototip Antna mikrostrip patch rctangular 8. Hasil Pngujian Dngan ntwork stumblr dapat dilihat lvl sinyal yang ditrima baik mnggunakan antna dipol maupun antna mikrostrip patch rctangular. Lvl sinyal yang ditrima ktika mnggunakan antna dipol dapat ditunjukkan pada Gambar 8. Dari hasil itrasi dimnsi antna patch rctangular trsbut diprolh ukuran tiap dimnsi antna yang ditunjukkan pada Tabl 6. Gambar 8. Lvl sinyal pnrimaan saat mnggunakan antna dipol copyright DTE FT USU 85
Hasil pngujian dilihat dari Gambar 8 tampak bahwa lvl pnrimaan kuat sinyal adalah 37 dbm. Slanjutnya lvl pnrimaan kual sinyal dngan mnggunakan antna mikrostrip patch rctangular dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 9. Lvl sinyal pnrimaan saat mnggunakan antna mikrostrip Dari Gambar 9 tampak bahwa lvl pnrimaan kuat sinyal adalah -32 dbm. Nilai pada lvl ini mmprlihatkan bahwa pnrimaan sinyal mningkat mnjadi lbih baik. Dari nilai lvl pnrimaan sinyal dari kdua antna di atas maka dapat diprolh gain antna dngan mnggunakan Prsaman 7, yaitu : G t (db) = P t (db) - P s (db) + G s (db) G t (db) = - 32 (dbm) (-37)(dBm) + 4 (dbi) G t (db) = 9 dbi Dari prhitungan di atas diprolh bsar Gain antna mikrostrip patch rctangular yaitu 9 dbi. Nilai ini tidak mmiliki prbdaan yang jauh dibandingkan dngan hasil simulasi sbsar 9,06 dbi. Hal ini dapat disbabkan olh faktor lingkungan, pross pmbuatan atau fabrikasi antna mikrostrip ini. Namun dari nilai ini mnunjukan bahwa antna yang dibuat ini tlah ssuai dngan yang diinginkan. 9. Ksimpulan Pada pnlitian ini tlah dirancang antna mikrostrip patch rctangular yang digunakan sbagai WLAN. Dari hasil prancangan, simulasi, dan pngujian diprolh bbrapa ksimpulan, yaitu :. Pada saat pngujian gain yang didapat sbsar 9 dbi, nilai ini tidak brbda jauh dibandingkan gain yang dihasilkan pada saat simulasi yaitu sbsar 9,06 dbi. Hal ini disbabkan olh faktor lingkungan saat pngujian srta pada saat pross fabrikasi antna ini. 2. Nilai VSWR yang didapatkan stlah dilakukan pross itrasi adalah,37 namun nilai ini jauh brbda dngan VSWR pada saat prhitungan scara tori yaitu sbsar 3,34. Hal ini disbabkan olh pross itrasi yang mnghasilkan prubahan nilai nilai ukuran tiap dimnsi antna mikrostrip. Nilai VSWR yang didapatkan saat simulasi diprolh ktika dilakukannya pross itrasi pada ukuran dimnsi patch dan groundplan. 0. Ucapan Trima Kasih Pnulis mngucapkan trima kasih kpada Ir. W. Ompusunggu dan A.R br. Hutauruk slaku orang tua pnulis yang slalu mmbrikan dukungan bagi pnulis, slanjutnya ucapan trima kasih pnulis sampaikan juga kpada Bapak Ali Hanafiah Ramb, ST, MT slaku dosn pmbimbing, juga kpada Bapak Ir. M. Zulfin, MT dan Bapak Maksum Pinm, ST, MT slaku dosn pnguji pnulis yang sudah mmbantu pnulis dalam mnylsaikan makalah ini, srta smua pihak yang sudah mmbrikan dukungan slama pmbuatan makalah ini. 7. DaftarPustaka [] Hrmansyah, M Rudy. 200. Rancang Bangun Antna Microstrip Patch Sgimpat Untuk Aplikasi Wirlss. Mdan: Univrsitas Sumatra Utara. [2] Ramb, Ali Hanafiah. 2008. Rancang Bangun Antna Mikrostrip Patch Sgimpat Plannar Array 4 Elmn Dngan Pncatuan Aprtur-Coupld Untuk Aplikasi CPE Pada WIMAX. Jakarta: Univrsitas Indonsia. [3] Garg, Ramsh, Microstrip Dsign Handbook, Norwood: Artch Hous. Inc, 200. Hal 253 270 [4] Surjati, Indra. Antna Mikrostrip: Konsp dan Aplikasinya, Jakarta. Univrsitas Trisakti, 200 [5] Sibarani, Parulian Analisis VSWR Antna Mikrostrip Patch Sgi Empat Dngan Modl Saluran Transmisi Sdrhana, Tugas Akhir, USU, Mdan 202 [6] Parsaulian, Michal Torang Rancang Bangun Patch Triangular Antnna Dngan Modl Pncatuan Elctromagntically Coupld (EMC) Pada Frkunsi 2,3 GHz, Tugas Akhir, ITHB, Bandung, 2009 copyright DTE FT USU 86