ANALISIS PENGARUH UKURAN GROUND PLANE TERHADAP KINERJA ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT PADA FREKUENSI 2.45 GHz Haditia Pramuda Hrp, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: haditia_pramuda_hrp@yahoo.com, Ali_hanf@yahoo.com Abstrak Seiring dengan semakin majunya teknologi semikonduktor, menyebabkan ukuran dari perangkat komunikasi yang digunakan semakin mengecil.oleh karena itu dibutuhkan suatu antena dengan bentuk fisik yang mudah difabrikasi serta memiliki performa tinggi untuk diaplikasikan pada perangkat telekomunikasi nirkabel yang ada. Antena mikrostrip adalah jawaban dari permasalahan diatas.dalam penelitian ini, dirancang sebuah antena mikrostrip patch segiempat yang mampu bekerja pada frekuensi 2.45 GHz untuk selanjutnya dilakukan analisis untuk mengetahui pengaruh ukuran ground plane yang bervariasi terhadap kinerja antena mikrostrip patch segiempat. Variasi ukuran yang digunakan adalah dari 0 mm sampai 20 mm. Dari hasil analisis, diperoleh antena dengan ukuran ground plane yang memenuhi standar untuk digunakan adalah antena mikrostrip dengan nilai x dari 8 mm (1/14 ) sampai dengan x = 12 mm (1/10 ). Namun, antena yang paling optimal untuk digunakan adalah antena dengan nilai x = 12 mm, karena memiliki nilai gain yang lebih besar dibandingkan dengan yang lainnya. Kata Kunci : Ground Plane, Antena Mikrostrip, Patch Segiempat 1. Pendahuluan Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip tersusun atas 3 komponen yaitu, ground plane, substrate dan patch peradiasi. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini. Hal ini disebabkan karena ukuran antena mikrostrip yang kecil dan beratnya yang ringan membuat jenis antena ini sederhana untuk dibuat dan mudah untuk diintegrasikan. Teknologi antena patch (mikrostrip) menjadi salah satu alternatif utama karena sudah terbukti sangat handal dalam penggunaannya pada frekuensi orde gigahertz.. Antena mikrostrip adalah antena yang dibentuk dari suatu saluran transmisi, dan mikrostrip-nya mempunyai pengertian suatu lapisan tipis konduktor (strip) yang berfungsi untuk merambatkan gelombang. Lapisan ini terdapat pada salah satu sisi permukaan substrate sedangkan pada permukaan sisi lainnya dilapisi konduktor sebagai bidang pentanahan (ground plane). 2. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang berbentuk papan tipis yang mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Antena mikrostrip dibuat dengan menggunakan sebuah substrate yang mempunyai tiga buah lapisan struktur dari substrate tersebut. Struktur tersebut terdiri dari patch antena yang sangat tipis (t<< 0, 0 adalah panjang gelombang di ruang hampa) dan bidang pentanahan atau ground plane yang dapat dicetak pada satu atau lebih dielektrik substrate (h<< 0,biasanya 0.0003 0 h 0.05 0)[1]. Bagian-bagian tersebut dapat dilihat pada Gambar 1 dan memiliki fungsi seperti dijelaskan sebagai berikut [2] : 1. Pacth, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi sebagai elemen peradiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas yang terletak pada bagian paling atas antena. Bentuk patch antena -104- copyright @ DTE FT USU
mikrostrip bermacam-macam, diantaranya segiempat, lingkaran, segitiga, circular ring dan lain sebagainya. 2. Substrate dielektrik, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk menyalurkan gelombang elektromagnetik yang berasal dari patch. Dalam perancangan antena mikrostrip, karakteristik substrate sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Ketebalan dielektrik substrate memiliki pengaruh besar terhadap bandwidth antena mikrostrip, dengan menambah ketebalan substrate dapat memperbesar bandwidth [3]. 3. Ground plane, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk memisahkan antenna substrate dielektrik dengan benda lain yang dapat menggangu radiasi sinyal. 5. Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave integrated circuits (MICs) 6. Kemampuan dalam dual frequency dan triple frequency. 7. Tidak memerlukan catuan tambahan. Namun, antena mikrostrip juga mempunyai beberapa kelemahan, yaitu : 1. Bandwidth yang sempit 2. Efisiensi yang rendah 3. Penguatan yang rendah 4. Memiliki daya (power) yang rendah 3. Diagram Alir Perancangan Antena Diagram alir dari perancangan antena mikrostrip patch segiempat pada frekuensi 2.45 GHz dapat diligat pada Gambar 2. Gambar 1. Antena Mikrostrip Gambar 1 memperlihatkan bentuk dari antena mikrostrip dimana W dan L adalah lebar dan panjang dari patch, h adalah tebal substrate dan ε r merupakan nilai konstanta dielektrik dari substrate. Beberapa material yang biasa digunakan sebagai substrate adalah polytetra fluorethylene (PTFE) dan epoxy. Berikut ini Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip yaitu[4] : 1. Mempunyai bobot yang ringan dan volume yang kecil. 2. Konfigurasi yang low profile sehingga bentuknya dapat disesuaikan dengan perangkat utamanya. 3. Biaya fabrikasi yang murah sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar. 4. Mendukung polarisasi linear dan sirkular. Gambar 2. Diagram Alir Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat -105- copyright @ DTE FT USU
4. Perancangan Antena Mikrostrip Dalam perancangan antena mikrostrip bahan substrate yang digunakan memilki spesifikasi seperti pada Tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi Parameter yang Digunakan Frekuensi Kerja : 2,45 GHz Jenis Substrate : FR4 (evoksi) Konstanta Dielektrik Relatif (ε r ) : 4,4 Dielektrik Loss Tangen (tan δ) : 0,02 Ketebalan Substrate (h) : 1,6 mm Dengan menggunakan spesifikasi parameter antena mikrostrip yang digunakan dan dengan menggunakan rumus, maka diperoleh panjang gelombang antena sebesar 122 mm. Sedangkan lebar dan panjang patch antena masing-masing 37 mm dan 29 mm. Kemudian untuk panjang dan lebar saluran pencatu masingmasing 11 mm dan 3 mm. Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan mempunyai impedansi masukan sebesar 50 Ω. 29 mm 11 mm 33 mm 3 mm Gambar 3. Hasil Rancangan Antena Mikrostrip 5. Hasil dan Pembahasan Dalam analisis ini, divariasikan nilai x dari 0 mm sampai dengan 20 mm. Dalam hal ini, x adalah jarak dari tepi patch ke tepi dari bagian ground plane. Untuk lebih jelasnya, x ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4. Notasi x pada Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segiempat Setelah dilakukan proses simulasi dengan software AWR Microwave Office 2004, maka diperoleh nilai dari parameter antena seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Nilai Parameter Antena Mikrostrip Hasil Simulasi Nilai x (mm) Return Loss (db) VSWR Gain (db) 0-2.655 6.596 5.146 1-6.780 2.697 5.290 2-7.634 2.426 5.322 3-8.374 2.238 5.353 4-8.874 2.130 5.384 5-9.198 2.066 5.416 6-9.406 2.030 5.448 7-9.537 2.007 5.480 8-9.612 1.994 5.512 9-9.648 1.987 5.544 10-9.655 1.966 5.576 11-9.639 1.989 5.608 12-9.607 1.994 5.640 13-9.564 2.001 5.665 Impedansi Masukan (Zin) (Ohm) 9.27567 - j 23.0275 69.8901 - j 57.2118 58.7429 - j 48.3994 50.1829 - j 41.0835 45.1792 - j 36.1531 42.1480 - j 32.8393 40.2003 - j 30.5664 38.8806 - j 28.9844 37.9430 - j 27.8776 37.2452 - j 27.1005 36.7005 - j 26.6722 36.2542 - j 26.2093 35.8714 - j 25.9667 35.5298 - j 25.8069-106- copyright @ DTE FT USU
14-9.513 2.010 5.696 15-9.459 2.020 5.725 16-9.403 2.029 5.754 17-9.349 2.039 5.782 18-9.297 2.049 5.808 19-9.250 2.057 5.832 20-9.208 2.065 5.855 35.2155 - j 25.7017 34.9206 - j 25.6300 34.6411 - j 25.5763 34.3753 - j 25.5296 34.1233 - j 25.4820 33.8860 - j 25.4289 33.6647 - j 25.3674 Dari nilai parameter antena hasil simulasi yang ditunjukkan pada Tabel 2, dapat dilihat bahwa ukuran ground plane antena yang memenuhi standar parameter antena adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan nilai x = 8 mm (1/14 ) sampai dengan x = 12 mm (1/10 ). Dari Tabel 2, dapat diperoleh grafik hubungan antara ukuran ground plane terhadap nilai return loss seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Return Loss (db) 0-2,000-4,000-6,000-8,000-10,000-12,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Ukuran x (mm) Gambar 5. Grafik Pengaruh Ukuran Ground Plane terhadap Nilai Return Loss Dari grafik pada Gambar 5, dapat dilihat bahwa nilai return loss menurun dari x = 0 mm sampai dengan x = 12 mm dan nilainya kembali naik dari x = 13 mm sampai x = 20 mm. Nilai return loss yang baik adalah dibawah -9.54 db sehingga antena mikrostrip paling optimal untuk digunakan adalah antena mikrostrip dengan nilai x = 8 mm sampai dengan x = 12 m yang memiliki nilai return loss dibawah -9.54 db. Gambar 6 menunjukkan grafik hubungan antara ukuran ground plane terhadap nilai VSWR. VSWR Gambar 6. Grafik VSWR Hasil Simulasi Dari grafik pada Gambar 6, dapat dilihat bahwa nilai VSWR menurun dari x = 0 mm sampai dengan x = 10 mm dan nilainya kembali naik dari x = 11 mm sampai x = 20 mm. Kondisi yang paling baik adalah ketika nilai VSWR sama dengan 1 atau S = 1. Namun pada prakteknya sulit didapatkan sehingga nilai standar VSWR yang diijinkan untuk simulasi dan fabrikasi antena mikrostrip adalah 2, sehingga nilai VSWR yang optimal adalah antena mikrostrip dengan nilai x = 8 mm sampai x= 12 mm. Gambar 7 menunjukkan grafik hubungan antara pengaruh ukuran ground plane terhadap nilai gain. Gain (db) 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 6,000 5,800 5,600 5,400 5,200 5,000 4,800 4,600 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Ukuran x (mm) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Ukuran x (mm) Gambar 7. Grafik Gain Hasil Simulasi Dari grafik pada Gambar 7, dapat dilihat bahwa nilai gain semakin meningkat seiring -107- copyright @ DTE FT USU
dengan pertambahan ukuran ground plane yang dilakukan pada simulasi antena mikrostrip patch segiempat dengan frekuensi 2.45 GHz. Perancangan antena mikrostrip patch segiempat untuk x = 12 mm ditunjukkan pada Gambar 8. (c) Grafik Pola Radiasi Gambar 8. Rancangan antenna mikrostrip patch segiempat untuk x = 12 mm Dari hasil perancangan antena mikrostrip patch segiempat pada Gambar 8, maka diperolah hasil simulasi seperti pada Gambar 9. (d) Grafik Impedansi Masukan Gambar 9. Grafik Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Segiempat untuk x = 12 mm (a) Grafik return loss Pada hasil simulasi diperoleh nilai return loss yang beresonansi pada frekuensi 2.45 GHz dengan nilai S-parameter sebesar -9.607 db dan nilai VSWR sebesar 1.994. Sedangkan untuk bentuk pola radiasinya adalah directional dengan besar gain-nya 5.640 db. Untuk nilai impedansi masukannya Zin = 35.8714 Ohm - j 25.9667 Ohm. 6. Kesimpulan Dari analisis yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : (b) Grafik VSWR 1. Antena mikrostrip yang paling baik digunakan sesuai dengan standar parameter antena adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan nilai x = 8 (1/14 ) sampai dengan x = 12 mm (1/10 ). -108- copyright @ DTE FT USU
2. Antena yang paling optimal untuk digunakan adalah antena dengan nilai x = 12 mm karena memiliki nilai gain yang lebih besar. 3. Semakin besar ukuran ground plane antena mikrostrip, semakin besar pula nilai gain yang dihasilkan. 4. Bentuk pola radiasi yang dihasilkan pada simulasi antena mikrostrip pacth segiempat pada frekuensi 2.45 Ghz adalah unidirectional. 5. Semakin besar ukuran ground plane antena mikrostrip, maka semakin kecil impedansi masukannya. 7. Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada ayahanda Hairuman Harahap, S.Pd dan ibunda Duma Sari Pasaribu, S.Pd, selaku orang tua penulis, adik-adik penulis, Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST. MT selaku dosen pembimbing penulis, Rahmad Fauzi, ST. MT dan Dr. Maksum Pinem, ST. MT selaku dosen penguji penulis yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan paper ini, serta kepada teman-teman penulis yang telah memberikan dukungan dan doa. 8. Daftar Pustaka [1] Alaydrus, Mudrik. 2011. Antena Prinsip dan Aplikasi. Jakarta : Graha Ilmu [2] Balanis, C.A. 2005. Antenna Theory Analysis and Design, third edition.wiley inc: New Jersey. [3] Garg,R,.dkk.2001, Microstrip Antena Design Handbook,ISBN:0-89006-5136, Artech House.Inc:London. [4] James JR dan Hall Ps. 1989. Handbook of Microstrip Antenna. First edition, Peter Peregrius Ltd -109- copyright @ DTE FT USU