JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 1 Perancangan Antena Dual Band Berbasis Metamaterial pada Frekuensi 2.3/3.3 GHz Nancy Ardelina, Eko Setijadi, Prasetiyono Hari Mukti Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: nancy10@mhs.ee.its.ac.id, ekoset@ee.its.ac.id, prasetiyono@elect-eng.its.ac.id Abstrak-- Antena merupakan suatu perangkat telekomunikasi yang mampu memancarkan dan/atau menerima gelombang elektromagnetik, sehingga penggunaan antena dapat mempermudah hubungan antara dua perangkat komunikasi. Antena yang telah banyak diciptakan dan diimplementasikan pada umumnya memiliki ukuran yang relatif besar, sehingga diperlukan teknik miniaturisasi untuk merancang antena yang lebih compact. Pada Tugas Akhir ini akan dibahas mengenai antena dual band berbasis metamaterial pada frekuensi 2.3/3.3 GHz. Metamaterial merupakan suatu material buatan yang memiliki permitivitas dan permeabilitas negatif. Metamaterial merupakan salah satu teknik miniaturisasi antena yang umum digunakan. Salah satu metode dalam perancangan antena berbasis metamaterial adalah dengan menggunakan teknik Composite Right Left Handed (CRLH) yang mendukung teknik miniaturisasi untuk antena metamaterial. Berdasarkan hasil simulasi diperoleh antena dual band dengan frekuensi tengah 2.395 GHz dan 3.315 GHz dengan nilai return loss masing-masing sebesar -18.999 db dan -24.207 db. Dari pengukuran hasil realisasi antena berbasis metamaterial diperoleh frekuensi tengah pada 1.95 GHz dan 2.94 GHz dengan nilai return loss masing-masing sebesar -13.0161 db dan -16.3527 db. Kata Kunci-- Metamaterial, Antena Dual Band, Composite Right Left Handed (CRLH), Interdigital. I. PENDAHULUAN ebutuhan manusia untuk mendapatkan informasi semakin Kmeningkat, sehingga dibutuhkan alat komunikasi yang dapat digunakan kapanpun dan dimanapun. Perkembangan teknologi telekomunikasi yang pesat telah mendorong terciptanya berbagai perangkat telekomunikasi yang bersifat mobile, sederhana, dan berdimensi kecil. Salah satu komponen penting dalam sebuah perangkat telekomunikasi adalah antena, yaitu perangkat telekomunikasi yang mampu memancarkan dan/atau menerima gelombang elektromagnetik. Bentuk dan desain antena yang diharapkan adalah antena yang mempunyai gain yang tinggi, bandwidth yang lebar, bobot yang ringan, dan biaya yang murah. Antena yang telah banyak diciptakan dan diimplementasikan pada umunya memiliki ukuran yang relatif besar. Antena mikrostrip merupakan salah satu teknik miniaturisasi antena yang telah banyak dikembangkan dan diimplementasikan selama ini. Namun, antena mikrostrip ini pada umumnya memiliki gain yang relatif rendah sehingga diperlukan teknik miniaturisasi lain untuk merancang antena yang lebih compact dengan gain yang relatif lebih tinggi. Salah satu teknik lain untuk melakukan miniaturisasi antena adalah dengan menggunakan metamaterial. Metamaterial merupakan suatu material buatan yang memiliki permitivitas dan permeabilitas negatif [1], dan tidak dapat ditemukan di alam. Antena berbasis metamaterial memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan antena mikrostrip, antara lain dimensi yang lebih kecil dan gain yang lebih tinggi. Salah satu teknik yang digunakan dalam pembentukan metamaterial adalah Composite Right Left Handed (CRLH). Saluran transmisi CRLH terdiri dari sebuah induktor L R yang terhubung seri dengan kapasitor C L dan sebuah kapasitor paralel C R yang terhubung paralel dengan induktor L L. Pada 1-D CRLH Unit-Cell kapasitansi seri dihasilkan oleh kapasitor interdigital, induktansi paralel dihasilkan oleh stub yang terhubung singkat. Pada Tugas Akhir ini akan dibahas mengenai spesifikasi antena berbasis metamaterial pada frekuensi 2.3/3.3 GHz, hasil desain dan rancangan antena berbasis metamaterial akan disimulasikan dengan CST Microwave Studio, kemudian difabrikasi. II. PERANCANGAN ANTENA Tahap perancangan antena metamaterial dimulai dengan penentuan kriteria desain antena yang digunakan sebagai acuan dalam desain antena. Setelah kriteria desain antena ditentukan, maka dilanjutkan dengan desain awal antena. A. Kriteria Desain Antena Kriteria desain antena berbasis metamaterial dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Kriteria Desain Antena Berbasis Metamaterial B. Desain Awal Antena Parameter Nilai Return loss < - 10 db Bandwidth > 100 MHz VSWR < 2 Desain awal antena berbasis metamaterial yang berupa antena mikrostrip dapat diliha pada Gambar 1 Simulasi antena mikrostrip ini menggunakan substrat FR4. Frekuensi dan nilai return loss hasil simulasi antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 1. Pada gambar tersebut terlihat bahwa antena mikrostrip yang telah disimulasikan merupakan antena single band karena hanya dapat bekerja pada satu frekuensi yaitu 3 GHz dengan nilai return loss sebesar -25.548 db.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 2 dilakukan parameter sweep terhadapparameter tersebut. Setelah melakukan parameter sweep terhadap parameter dimensi antena,maka dapat disimpulkan parameter yang memiliki pengaruh paling besar terhadap frekuensi dan nilai return loss antena. Parameter-parameter yang digunakan dalam penentuan dimensi antena dapat dilihat pada Gambar 4 dan Tabel 2. Gambar 1. Desain Awal Antena C. Desain Antena Metamaterial Desain awal antena yang berupa antena mikrostrip kemudian diubah menjadi metamaterial antena dengan menambahkan struktur interdigital. Pada Gambar 2 dapat dilihat antena metamaterial yang disimulasikan Gambar 2 Desain Antena Metamaterial Frekuensi dan nilai return loss antena metamtaerial dapat dilihat pada Gambar 3. Dari gambar tersebut terlihat bahwa antena metamaterial yang telah disimulasikan merupakan antena dual band karena dapat bekerja pada dua frekuensi sekaligus, yaitu 1.95 GHz dan 2.57 GHz dengan nilai return loss masing-masing sebesar -17.206 db dan -16.505 db. Gambar 4. Parameter-parameter Dimensi Antena Metamaterial Berdasarkan hasil parameter sweep yang dilakukan terhadap semua parameter dimensi maka dapat diketahui parameter yang paling berpengaruh terhadap frekuensi dan nilai return loss, yaitu Ctsa, Ctsb, Hca, Lcb, Sca, Scb, dan Wtsb yang masing-masing dapat dilihat pada Gambar 5, Gambar 6, Gambar 7, Gambar 8, Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11. Pada Gambar 5 dapat dilihat pengaruh parameter Ctsa terhadap frekuensi dan nilai return loss. Pengaruh bertambahnya nilai Ctsa relatif besar pada band 3.3 GHz, dimana semakin besar nilai Ctsa maka frekuensi akan bertambah dan return loss semakin turun. Gambar 3. Perbandingan Return loss Desain Antena III. OPTIMASI ANTENA METAMATERIAL Antena berbasis metamaterial yang disimulasikan diharapkan dapat berkerja pada frekuensi 2.3 dan 3.3 GHz, seehingga perlu dilakukan optimasi terhadap antena berbasis metamaterial yang telah disimulasikan sebelumnya. A. Desain Optimasi Antena Metamaterial Untuk menentukan desain antena metamaterial yang paling optimum maka perlu ditentukan parameter dimensi pada masing-masing bagian antena metamaterial, kemudian Gambar 5. Parameter sweep Ctsa Pada Gambar 6 dapat dilihat pengaruh parameter Ctsb terhadap frekuensi dan nilai return loss. Pengaruh bertambahnya nilai Ctsb relatif besar pada band 2.3 GHz, dimana semakin besar nilai Ctsa maka frekuensi akan bertambah dan return loss semakin turun.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 3 loss antena metamaterial, dimana semakin besar nilai Sca m aka frekuensi akan bertambah, return loss semakin turun, dan bandwidth semakin lebar. Gambar 6. Parameter sweep Ctsb Pada Gambar 7 dapat dilihat pengaruh parameter Hca Pada band 2.3 GHz, semakin besar nilai Hca tidak berpengaruh signifikan terhadap frekuensi, namun return loss semakin turun. Pada band 3.3 GHz, semakin besar nilai Hca maka frekuensi akan berkurang, nilai return loss semakin naik dan bandwidth semakin sempit. Gambar 9. Parameter sweep Sca Pada Gambar 10 dapat dilihat pengaruh parameter Scb Pada band 2.3 GHz dan 3.3 GHz, semakin besar nilai Scb maka frekuensi akan bertambah. Pada band 2.3 GHz semakin besar nilai Scb maka return loss semakin naik, sedangkan pada band 3.3 GHz, semakin besar nilai Scb maka return loss semakin turun. Gambar 7. Parameter sweep Hca Pada Gambar 8 dapat dilihat pengaruh parameter Lcb Saat nilai Lcb 0.35 mm hanya terbentuk satu band frekuensi kerja pada rentang 1 GHz sampai 3 GHz. Sedangkan saat nilai Lcb 0.25 mm dan 0.3 mm terbentuk dua band frekuensi pada rentang tersebut, dan penambahan nilai Lcb menyebabkan bertambahnya frekuensi kerja antena. Gambar 10. Parameter sweep Scb Pada Gambar 11 dapat dilihat pengaruh parameter Wtsb terhadap frekuensi dan return loss antena metamaterial. Saat nilai Wtsb bertmabah maka baik pada band 2.3 GHz maupun 3.3 GHz frekuensi akan berkurang. Sedangkan perubahan nilai Wtsb memberikan pengaruh yang berbeda pada band 2.3 GHz dan 3.3 GHz. Semakin besar nilai Wtsb, pada band 2.3 GHz return loss akan semakin turun, sedangkan pada band 3.3 GHz akan semakin naik. Gambar 8. Parameter sweep Lcb Pada Gambar 9 dapat dilihat pengaruh parameter Sca Pada band 3.3 GHz, perubahan nilai Sca memberikan pengaruh yang signifikan terhadap frekuensi dan nilai return Gambar 11. Parameter sweep Wtsb
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 4 Dari hasil parameter sweep dapat dilihat pengaruh masingmasing parameter terhadap frekuensi dan nilai return loss antena metamaterial, sehingga dapat ditentukan besarnya masing-masing parameter untuk mendapatkan frekuensi dan nilai return loss yang diharapkan. Hasil optimasi parameter dimensi antena metamaterial dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Dimensi Antena Metamaterial Parameter Dimensi (mm) Ctsa 2 Ctsb 3 Hca 0.9 Hcb 1.5 Lca 0.25 Lcb 0.3 Lf 14.75 Lg 14 Lp 17 Ls 21 Lts 6.3 Ltsb 0.55 Sca 0.45 Scb 0.4 Sts 0.5 Tp 0.035 Ts 1.59 Wgf 0.75 Wp 3.6 Ws 16 Wtsa 0.25 Wtsb 1.5 Wtsc 0.25 Simulasi hasil optimasi antena metamaterial dapat dilihat pada Gambar 12. B. Hasil Simulasi Optimasi Antena Metamaterial Hasil simulasi optimasi antena berbasis metamaterial adalah retrun loss, bandwidth, VSWR, pola radiasi. Return loss dan Bandwidth Nilai return loss dan bandwidth dari simulasi hasil optimasi desain antena berbasis metamaterial dapat dilihat pada Gambar 13. Gambar 13. Return loss Antena Berbasis Metamaterial Dari Gambar 13 dapat dilihat bahwa frekuensi tengah antena adalah 2.395 GHz dan 3.315 GHz. Pada frekuensi tengah 2.3883 GHz nilai return loss sebesar -18.999 db, sedangkan pada frekuensi tengah 3.315 GHz nilai return loss sebesar -24.207 db. Untuk menentukan bandwidth dari antena berbasis metamaterial pada frekuensi 2.395 GHz berdasarkan simulasi dapat dihitung dari nilai return loss dibawah -10 db. f L merupakan frekuensi terendah pada nilai return loss sama dengan -10 db, f H merupakan frekuensi tertinggi pada nilai return loss sama dengan 10 db dan f C merupakan frekuensi tengah dari f L dan f H. Dari hasil simulasi f L = 2.277 GHz, f H = 2.5176 GHz, dan f C = 2.395 GHz. Maka bandwidth dapat dihitung sebagai berikut: 2.5176 GGGGGG 2.277 GGGGGG BBBB = xx 100% 2.395 GGGGGG = 10.046% Maka bandwidth yang dihasilkan berdasarkan simulasi menggunakan CST Microwave Studio pada band frekuensi 2.3 GHz adalah 10.046% atau 0.2406 GHz atau 240.6 MHz. Untuk menentukan bandwidth dari antena berbasis metamaterial pada band frekuensi 3.3 GHz berdasarkan simulasi juga dapat dihitung dengan persamaan yang sama. Maka f L = 3.2422 GHz, f H = 3.4069 GHz, dan f C = 3.315 GHz. Sehingga nilai bandwidth: Gambar 12. Desain Optimasi Antena Metamaterial Frekuensi dan nilai return loss dari hasil optimasi antena metamaterial dapat dilihat pada Gambar 13. Dari gambar tersebut terlihat bahwa antena metamaterial hasil optimasi merupakan antena dual band karena dapat bekerja pada dua frekuensi dengan frekuensi tengah 2.395 GHz dan 3.315 GHz. 3.4069 GGGGGG 3.2433 GGGGGG BBBB = xx 100% 3.315 GGGGGG = 4.935% Maka bandwidth yang dihasilkan berdasarkan simulasi menggunakan CST Microwave Studio pada frekuensi 3.3 GHz adalah 4.935% atau 0.1636 GHz atau 163.6 MHz.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 5 VSWR Nilai VSWR pada band 2.3 GHz dan 3.3 GHz dari simulasi hasil optimasi desain antena berbasis metamaterial dapat dilihat pada Gambar 14. Gambar 17. Surface Current (a) Band 2.3 GHz (b) 3.3 GHz Gambar 14. VSWR Antena Metamaterial Dari Gambar 14 dapat dilihat bahwa nilai VSWR pada band frekuensi 2.3 GHz dan 3.3 GHz masing-masing sebesar 1.2528 dan 1.1313. Pola Radiasi Hasil Simulasi pola radiasi dari optimasi antena metamaterial dalam bentuk tiga dimensi dapat diilhat pada Gambar 15. IV. PENGUKURAN DAN ANALISIS Pada Tugas Akhir ini, antena berbasis metamaterial yang telah disimulasikan kemudian difabrikasi. Spesifikasi antena hasil fabrikasi dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Spesifikasi Antena Hasil Fabrikasi Jenis Substrat FR 4 Tebal Substrat 1.6 mm Jenis Patch Tembaga Tebal Patch 0.035 mm Jenis Konektor SMA Female PCB Hasil realisasi antena berbasis metamaterial dapat dilihat pada Gambar 18. Gambar 15. Pola Radiasi dalam Bentuk Tiga Dimensi (a) Band 2.3 GHz (b) Band 3.3 GHz Sedangkan hasil simulasi pola radiasi dari optimasi antena metamaterial dalam bentuk polar dapat dilihat pada Gambar 16. Pola Radiasi dari simulasi hasil simulasi antena metamaterial adalah omnidireksional. Gambar 16. Pola Radiasi dalam Bentuk Polar (a) Band 2.3 GHz (b) Band 3.3 GHz Surface current Pada Gambar 17 terlihat bahwa nilai surface current relatif lebih besar pada daerah patch dan interdigital dibandingkan pada daerah ground. Surface current pada band frekuensi 2.3 GHz di daerah patch sebagian besar lebih dari 3 A/m. sedangkan pada band frekuensi 3.3 GHz, hampir seluruh bagian patch antena metamaterial memiliki nilai surface current lebih dari 3.5A/m. Gambar 18. Hasil Realisasi Antena Berbasis Metamaterial Return loss Hasil pengukuran return loss antena metamaterial asil fabrikasi dapat dilihat pada Gambar 19. Nilai pengukuran return loss pada frekuensi tengah 1.9514 GHz adalah -13.0161 db, sedangkan pada frekuensi tengah 2.941 GHz nilai return loss sebesar -16.3527 db. Sedangkan pada saat simulasi nilai return loss pada frekuensi tengah 2.395 GHz adalah -18.999 db, dan pada frekuensi tengah 3.315 GHz nilai return loss sebesar -24.207 db. Berdasarkan hasil simulasi dan pengukuran hasil fabrikasi, terdapat perbedaan frekuensi tengah dan nilai return loss. Pada band frekuensi 2.3 GHz, terjadi pergeseran frekuensi sebesar 443.6 MHz, sedangkan pada band frekuensi 3.3 GHz terjadi pergeseran frekuensi sebesar 374 MHz. Perbedaan frekuensi dan nilai return loss ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor antara lain kurang presisinya hasil hasil fabrikasi yang disebabkan oleh dimensi pada masing-masing bagian antena metamaterial yang relatif sangat
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 6 kecil, perbedaan ketebalan patch yang digunakan, yaitu pada simulasi sebesar 1.59 mm sedangkan pada hasil fabrikasi sebesar 1.6 mm, dan perbedaan bahan substrat maupun patch yang berpengaruh terhadap nilai epsilon sehingga memungkinkan perbedaan frekuensi tengah dan nilai return loss antara hasil simulasi dan hasil pengukuran. Bandwidth Bandwidth antena berbasis metamaterial hasil fabrikasi pada frekuensi tengah 1.95 GHz adalah: BBBB = 2.01 GGGGGG 1.89 GGGGGG = 1.2 GGGGGG = 120 MMMMMM BBBB = 2.01 GGGGGG 1.89 GGGGGG 1.95 GGGGGG xx 100% = 6.1538% Bandwidth antena berbasis metamaterial hasil fabrikasi pada frekuensi tengah 2.94 GHz adalah: BBBB = 3.03 GGGGGG 2.87 GGGGGG = 1.6 GGGGGG = 160 MMMMMM BBBB = 3.03 GGGGGG 2.87 GGGGGG 2.94 GGGGGG xx 100% = 5.4422% Gambar 19..Retun Loss Hasil Fabrikasi Antena Berbasis Metamaterial VSWR Gambar perbandingan VSWR antara hasil simulasi dan fabrikasi dapat dilihat pada Gambar 20. Dari Gambar dapat dilihat bahwa pada hasil fabrikasi, frekuensi tengah antena yaitu pada 1.95 GHz memiliki nilai VSWR sebesar 1.9346 sedangkan pada frekuensi tengah 2.95 GHz nilai VSWR adalah sebesar 1.0647. Terdapat perbedaan nilai VSWR antara hasil simulasi dan fabrikasi yang disebabkan oleh perbedaan dimensi masing-masing bagian antena pada hasil simulasi dan fabrikasi karena kurang presisinya hasil fabrikasi, selain itu konektor SMA Female yang digunakan juga berpengaruh pada perbedaan nilai VSWR. Gambar 20. VSWR Hasil Fabrikasi Antena Berbasis Metamaterial V. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari hasil yang diperoleh baik dari hasil simulasi maupun pengukuran terhadap antena berbasis metamaterial, dapat disimpulkan bahwa antena berbasis metamaterial telah selesai disimulasikan, difabrikasi, dan telah diukur. Hasil simulasi telah memenuhi kriteria awal, sedangkan frekuensi antena berbasis metamaterial hasil fabrikasi mengalami pergeseran sebesar masing-masing 443.6 MHz dan 374 MHz. Return loss antena berbasis metamaterial hasil fabrikasi masing-masing - 13.0161 db dan -16.3527 db dan telah memenuhi kriteria awal desain yaitu <-10 db. VSWR pada frekuensi tengah 1.95 GHz dan 2.94 GHz memenuhi kriteria desain <2 yaitu masingmasing sebesar 1.9346 dan 1.0647. Bandwidth antena berbasis metamaterial hasil fabrikasi masing-masing sebesar 120 GHz dan 160 GHz yang sesuai dengan kriteria awal desain. Dari hasil yang didapat, dapat disimpulkan bahwa simulasi antena berbasis metamaterial telah memenuhi kriteria awal desain, yaitu return loss <-10 db, bandwidth >100 MHz, dan VSWR <2. Sedangkan hasil pengukuran antena berbasis metamaterial yang telah difabrikasi belum memenuhi kriteria desain karena frekuensi kerja antena hasil fabrikasi mengalami pergeseran sebesar 445 MHz dan 375 MHz. DAFTAR PUSTAKA [1] Anthony Lai, Christophe Caloz, dan Tatsuo Itoh, Microwave Devices Based on Composite Right/Left Handed (CRLH) Transmission Line Metamaterials, Univesity of California [2] Christophe Caloz dan Tatsuo Itoh, Electromagnetic Metamaterials Transmission Line Theory and Microwave Applications, John Wilwy & Sons, 2006. [3] Antony Lai dan Tatsuo Itoh, Composite Right/Left-Handed Transmission Line Metamateriala, University of Californoa 2004. [4] Left-Handed Metamaterials for Microwave Engineering Applications, UCLA [5] Mahmoud Abdalla, Usama Abdelnaby, Abdelazez A. Mitkees, Compact and Triple Band Meta-material Antenna for All Wimax Applications, MTC University Cairo Egypt