TESIS ANTENA MIKROSTRIP PANEL BERISI 5 LARIK DIPOLE DENGAN FEEDLINE KOAKSIAL WAVEGUIDE UNTUK KOMUNIKASI 2,4 GHz ERNA RISFAULA K. 1109201007 Dosen Pembimbing Dr. YONO HADI PRAMONO, M.Eng FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN FISIKA JANUARI 2011
DAFTAR ISI BAB 1 PENDAHULUAN BAB 2 KAJIAN PUSTAKA BAB 3 METODE PENELITIAN BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ABSTRAK BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
PENDAHULUAN Perkembangan komunikasi wireless yang cepat menuntut adanya perkembangan antena sebagai perangkat penunjangnya. Perkembangan antena bertujuan memperoleh antena yang praktis, lebih ringan, relatif murah, memiliki gain tinggi, bandwidth lebar, jangkauan yang luas, VSWR, koefisien refleksi, dan return loss bernilai rendah. Salah satu antena yang memenuhi kriteria tersebut adalah antena mikrostrip panel.
PENDAHULUAN 1. Bagaimana memfabrikasi antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide? RUMUSAN MASALAH 2. Bagaimana karakteristik VSWR, koefisien refleksi, return loss, bandwidth, pola radiasi, dan gain antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide? 3. Bagaimana membuat program perhitungan impedansi karakteristik (Zo), impedansi input (Zin), koefisien refleksi, dan VSWR dengan parameter yang ada? 1. Frekuensi kerja yang digunakan 2,4 GHz. 2. Substrat antena adalah fiber (ε r = 4,8) BATASAN MASALAH 3. Hasil fabrikasi akan diuji VSWR, koefisien refleksi, return loss, dan frekuensi kerjanya dengan alat ukur Network Analyzer sedangkan pola radiasi dan gain dengan Access Point. 4. Metode penelitian yang digunakan adalah karakterisasi dan kalibrasi.
PENDAHULUAN 1. Penambahan jumlah larik dari 3 larik menjadi 5 larik diharapkan akan meningkatkan gain antena HIPOTESIS 2. Panjang larik yang berbeda-beda diharapkan membuat bandwidth semakin melebar 3. Pemberian reflektor pada antena diharapkan pola radiasi antena semakin terfokus TUJUAN PENELITIAN 1. Mendesain antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide. 2. Memfabrikasi antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide. 3. Memperoleh karakteristik VSWR, koefisien refleksi, return loss, bandwidth, pola radiasi, dan gain yang lebih baik dibandingkan antena mikrostrip 3 larik dipole. 4. Membuat program perhitungan impedansi karakteristik (Zo), impedansi input (Zin), koefisien refleksi, dan VSWR.
PENDAHULUAN MANFAAT 1. Mengetahui tentang cara desain dan fabrikasi antena 2. Dapat memfabrikasi antena yang murah tetapi memiliki keunggulan yang maksimal. 3. Meningkatkan gain dan bandwidth antena dari gain antena 3 larik dipole dengan cara menambah jumlah larik dari 3 larik menjadi 5 larik. 4. Memperoleh pola radiasi lebih terfokus satu arah dibandingkan antena 3 larik dipole dengan cara menambah antena dengan reflektor. 5. Mendukung teknologi antena panel.
Antena Mikrostrip 3 Larik Dipole Difabrikasi oleh Edi Daenuri Anwar tahun 2009 Frekuensi kerja 2,440 GHz dengan gain antena 16 db Nilai VSWR = 1,135, koefisien refleksi = 0,06, return loss = -23,97 dan bandwidth 0,9 GHz Nilai sinyal maksimum pada pola radiasi horizontal = 25 db dan vertikal = 41 db
Karakteristik Antena yang Diukur 1. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Rasio perbandingan tegangan maksimum terhadap tegangan minimum di sepanjang transmission line Antena bekerja baik jika VSWR bernilai antara 1 2 VSWR V V m ax m in VSWR 1 1 Γ Γ VSWR SWR 20 10 2. Koefisien Refleksi Perbandingan antara tegangan sinyal yang dipantulkan (sinyal refleksi) terhadap tegangan input Γ V V pantul input Z L Z L Z Z 0 0
3. Return Loss Karakteristik Antena yang Diukur Nilai loss (rugi) dari power input terhadap power refleksi antena RL(dB) 20log 10 Γ 4. Bandwidth Rentang daerah frekuensi kerja dimana antena dapat bekerja efektif dan baik Perhitungan bandwidth dibatasi oleh VSWR 1,5 atau return loss -15 db (Hermansyah, 2010). Bandwidth ( narrowband ) f2 f1 5. Pola radiasi 6. Gain Pernyataan grafis yang menggambarkan sifat suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. 4π kali perbandingan antara intensitas radiasi pada suatu arah dengan daya yang diterima oleh antena.
Persamaan yang Digunakan dalam Desain dan Karakterisasi Antena 1. Panjang Gelombang dan Permitivitas Efektif λ g λ ε 0 e f f ε e f f ε r 2 1 ε r 2 1 1 10 h w 0,555 2. Impedansi Input Z in Z 0 Z Z L 0 jz jz 0 L tan tan l l 2 g 3. Impedansi Karakteristik Impedansi Karakteristik Coaxial Line 138 log ε Z0 10 r D d
Impedansi Karakteristik Antena Jika t/h 0,005, 2 ε 10, dan w/h 0,1, maka nilai ketebalan patch (t) diabaikan Z 0 119,9 2 r 1 ln 4 h w 16 h w 2 2 Jika t/h 0,005, ε 2 dan ε 10, serta w/h 0,1, maka nilai ketebalan patch (t) tidak diabaikan Z 120π e e 0 1,393 0,667 1,444 ε ef f w h w h 1 dengan w e w 1,25t 4 1 ln h h h t w
METODOLOGI PENELITIAN Studi literatur Penentuan substrat PCB Pembuatan desain antena Fabrikasi antena Pengukuran karakterisasi antena Analisa data hasil pengukuran Analisa error data Pembuatan program perhitungan parameter antena Selesai
METODOLOGI PENELITIAN DESAIN FABRIKASI PENGUKURAN ANALISA DATA PROGRAM ANALISA ERROR
DESAIN ANTENA Dimensi Ukuran (mm) w 1, w 2, w 3, w 4, w 5 4 l 1, l 5 20 l 2, l 4 25 l 3 30 d 1, d 4 25 d 2, d 3 15 w 6, w 7 2 Ukuran antena adalah 18 x 14,2 cm, tebal 1,62 mm, dan berat 0,35 kg.
Proses Fabrikasi Desain gambar antena dengan software komputer Cetak gambar pada kertas Scotlight Tahap pelarutan (metode etching) Pembuatan reflektor Pemasangan antena dengan konektor dan reflektor
Hasil Fabrikasi Fabrikasi dilakukan dengan metode etching dengan larutan Fe(ClO 2 ) 3 (Ferric Chloride) Substrat fiber tebal 1,6 mm Antena diberi reflektor dengan jarak 1,8 mm dari reflektor Antena 5 larik dipole reflektor Koaksial waveguide
Proses Pengukuran VSWR Koefisien refleksi Return Loss Bandwidth Network Analyzer Antena panel dengan microstrip line berstruktur 5 larik dipole Pola Radiasi Gain Antena
ANALISA DATA Data VSWR, RL, koefisien refleksi hasil pengukuran Data pola radiasi dibandingkan Grafik dengan Microsoft Excel 2007 Data VSWR, RL, koefisien refleksi hasil perhitungan dengan program Gain Antena
VSWR Analisa Hasil Pengukuran 1. Pengukuran VSWR Pada frekuensi kerja 2,45 GHz VSWR bernilai 1,202 Pada frekuensi kerja 2,9 GHz VSWR bernilai 1,255 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 Frekuensi (GHz)
Koefisien Refleksi Analisa Hasil Pengukuran 2. Pengukuran koefisien refleksi Pada frekuensi kerja 2,45 GHz koefisien refleksi bernilai 0,092 Pada frekuensi kerja 2,9 GHz koefisien refleksi bernilai 0,113 0.22 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 Frekuensi (GHz)
Return Loss (db) Analisa Hasil Pengukuran 3. Pengukuran return loss Pada frekuensi kerja 2,45 GHz return loss bernilai -20,77 db Pada frekuensi kerja 2,9 GHz return loss bernilai -18,93 db Bandwidth (f 2 -f 1 = 3-2 = 1 GHz) 0-5 -10-15 -20-25 f 1 bandwidth 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3 f2 Frekuensi (GHz)
Analisa Hasil Pengukuran 4. Pengukuran Bandwidth Panjang larik yang berbeda-beda memberikan peluang frekuensi resonansi yang banyak sehingga superposisinya menjadikan bandwidth melebar.
POLA RADIASI 1. Pengukuran pola radiasi horizontal ternormalisasi Sebelum dinormalisasi Sinyal maksimum = 83 db Sinyal minimum = 36 db Setelah dinormalisasi Sinyal maksimum = 47 db Sinyal minimum = 0 db
HPBW (Half Power Beamwidth) HPBW = ½ x 175 0 = 87 0
POLA RADIASI 2. Pengukuran pola radiasi vertikal ternormalisasi Sebelum dinormalisasi Sinyal maksimum = 78 db Sinyal minimum = 36 db Setelah dinormalisasi Sinyal maksimum = 42dB Sinyal minimum = 0 db
Pengukuran pola radiasi horizontal dan vertikal ternormalisasi
Pengukuran Gain Antena Step 2 Step 1 Antena Pemancar Gain 18 db Power 25 dbm Total =18+25=43 db Antena acuan (antena monopole) Power Edimax =100mW =20dBm Total power sebagai standar pengukuran =43+20 =63 db Antena panel 5 larik dipole Nilai sinyal maksimum pengukuran horizontal = 83 db Gain = 83-63=20 db
Data Hasil Perhitungan Geometri desain antena dan letak impedansi l d 1 Z o3 d 2 Z o5 d 3 Z o7 d 4 Z Z o1 o9 Larik 1 Zin 1 Larik 2 Zin 3 Larik 3 Zin 5 Larik 4 Larik 5 Z o2 Z o4 Z o6 Z o8 w Stripline Zin 2 Zin 4 w 1 w 5 BAGIAN A w 2 w3 w 4 BAGIAN B
DESAIN PROGRAM PERHITUNGAN ANTENA
DESAIN PROGRAM PERHITUNGAN ANTENA
Data Hasil Pengukuran dan Perhitungan Hasil data Data Frekuensi (GHz) VSWR Koefisien refleksi Return loss Pengukuran 2,45 1,202 0,092-20,77 Perhitungan 2,4 1,569 0,222-13,07 Nilai error Dimensi Nilai error (%) 1 2 3 VSWR frekuensi ε x Total error ε 4 ε 4 0,62 0,043 0,625 23,4 2 Tidak bisa ditentukan 2 552,35 x Tidak adanya ruang anechoic chamber Banyaknya sinyal WiFi yang mengganggu saat pengukuran antena
KESIMPULAN 1. Hasil pengukuran dan fabrikasi mempunyai unjuk kerja terbaik pada frekuensi WiFi 2,45 GHz dengan nilai VSWR 1,202, koefisien refleksi 0,092, return loss -20,77, dan bandwidth 1 GHz. Apabila dibandingkan dengan antena 3 larik dipole, nilai VSWR, koefisien refleksi, dan nilai return loss antena 5 larik dipole nilainya lebih besar namun bandwidthnya lebih lebar. 2. Pemberian reflektor menyebabkan pola radiasi antena lebih terfokus satu arah dibanding dengan radiasi antena tanpa reflektor sehingga antena dapat diaplikasikan sebagai directional antenna. Antena memiliki kelebihan strukturnya sederhana, efisiensi yang besar, mudah difabrikasi, relatif ringan, dan biayanya lebih murah. 3. Gain antena pada pola radiasi horizontal sebesar 20 db dengan HPBW 87,5 0. Apabila dibandingkan dengan gain antena 3 larik dipole 16 db, gain antena 5 larik dipole nilainya lebih tinggi. 4. Program perhitungan yang sudah dibuat dapat memudahkan perhitungan karakteristik antena.
SARAN 1. Dapat dilakukan penelitian lebih lanjut dengan memvariasikan jumlah array (larik) dan jenis substrat. 2. Dapat dilakukan penelitian lebih lanjut dengan membuat program untuk mensimulasikan penelitian yang sudah dilakukan pada tesis ini.
DAFTAR PUSTAKA Anwar, E.D. (2009), Desain dan Karakterisasi Antena Mikrostrip Yagi Tiga Array Double Side, Magister Tesis Program Pasca Sarjana Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Balanis, C.A. (1997), Antenna Theory and Design, 2nd edition, John Wiley & Sons., New York. Balemurli (2010), Perancangan Antena Mikrostrip Patch Sirkular Untuk Aplikasi WLAN Menggunakan Simulator ANSOFT HFSS V10, Skripsi Sarjana Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, Medan. Djonoputro, B.D. (1984), Teori Ketidakpastian, Institut Teknologi Bandung, Bandung. Edwards, T. (1992), Foundations For Microstrip Circuit Design, 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc., Canada. Fadlillah, U. (2004), Simulasi Pola Radiasi Antena Dipole Tunggal, Jurnal Teknik Elektro dan Komputer Emitor, Vol.4, No.2. Fraden, J. (2003), Handbook of Modern Sensor, 3th edition, Jacob Fraden Advanced Monitors Corporation, San Diego USA. Hermansyah, R.M. (2010), Rancang Bangun Antena Microstrip Patch Segi Empat untuk Aplikasi Wireless-LAN, Skripsi Sarjana Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, Medan. Hund, E. (1989), Microwave Communications. Component and Circuits, McGraw-Hill, New York.
Muhtadi, D. (2009), Desain Fabrikasi Dan Karakterisasi Antena Wideband Mikrostrip Slot Bowtie dengan CPW Untuk Komunikasi Wireless, Magister Tesis Program Pasca Sarjana Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Rahayu, E.M, Pramono, Y.H., dan Rohedi, A.Y. (2009), Fabrikasi dan Karakterisasi Antena mikrostrip Loop Co-Planar Waveguide dua Lapis Substrat untuk Komunikasi C-Band dan Ku-Band, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol.5, No.2. Salim, A. (2009), Rancang Bangun Antena Mikrostrip Biquad Linear Array dengan Pencatuan Aperture- Coupled untuk Aplikasi BWA, Magister Tesis Program Pasca Sarjana Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta. Santoso, S.P. (2008), Antena Mikrostrip Segitiga dengan Saluran Pencatu Berbentuk Garpu yang Dikopel Secara Elektromagnetik, Magister Tesis Program Pasca Sarjana Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta. Susiloningsih, E., Pramono, Y.H., dan Rohedi, A.Y. (2009), Pembuatan dan Karakterisasi Antena Mikrostrip dengan Struktur Satu feed Line Dipole Co-Planar Waveguide dan Dua Patch untuk Repeater WIFI Dua Arah, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol.5, No.2 Struzak, R. (2007), Basic Antenna Theory, Lecture handout:wireless Networking, the International Telecommunication Academy, Trieste. Uboyo, A., Pramono, Y.H., dan Rohedi, A.Y. (2009), Desain dan Fabrikasi Antena Mikrostrip loop dengan Feed Line Mikrostrip Feed Line Dua Lapis Substrat untuk Komunikasi C-Band, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol.5, No.2.
ABSTRAK Desain, fabrikasi, dan karakterisasi antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide telah dilakukan di laboratorium optik dan microwave jurusan Fisika FMIPA ITS. Antena difabrikasi untuk bisa bekerja pada frekuensi WiFi 2,4 GHz. Substrat PCB double side yang digunakan untuk fabrikasi adalah fiber. Fabrikasi dilakukan dengan metode etching dengan larutan Fe(ClO2)3 (Ferric Chloride). Dimensi antena adalah 18 x 14,2 cm, tebal 1,62 mm, dan berat 0,35 kg. Struktur antena terdiri dari 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide. Parameter-parameter yang dikarakterisasi meliputi VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), Return Loss (RL), bandwidth, gain, dan pola radiasi. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa antena ini dapat diaplikasikan sebagai directional antenna (antena pengarah) dengan nilai VSWR 1,202, nilai koefisien refleksi 0,092, nilai return loss -20,77 db, bandwidth 1 GHz, pola radiasi horizontal memiliki gain 20 db dengan HPBW (Half Power Beamwidth) bernilai 87,50. Kelebihan dari antena ini adalah strukturnya sederhana, efisiensi yang besar, mudah difabrikasi, relatif ringan, biayanya lebih murah, dan dapat diaplikasikan sebagai directional antenna (antena pengarah). Kata kunci: antena panel, dipole, microstrip line, wireless, VSWR, return loss, feedline, waveguide, HPBW