STUDI PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP MULTI-PATCH STACKED DUAL-BAND PADA FREKUENSI WiMAX (3,3 GHZ DAN 5,8 GHZ) Franky, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 155 INDONESIA email: franky_juns@students.usu.ac.id or franky_juns@yahoo.com Abstrak Antena mikrostrip saat ini dikembangkan untuk mampu bekerja pada dua buah frekuensi tanpa memerlukan antena yang berbeda secara fisik atau yang disebut antena mikrostrip dual-band. Kemampuan ini dapat menunjang kinerja teknologi wireless yang bekerja pada beberapa frekuensi. Pada tulisan ini dirancang antena mikrostrip multi-patch stacked dual-frequency yang dapat bekerja pada frekuensi WiMAX yaitu 3,3 dan 5,8, dimana terdapat dua buah patch segiempat dengan frekuensi yang berbeda yang masing masing patch disusun secara menumpuk dengan pencatuan aperture coupled. Simulasi dan optimasi hasil perancangan dilakukan dengan menggunakan AWR Microwave 4. Nilai VSWR yang diperoleh pada frekuensi 3,35 adalah 1,893 dan pada frekuensi 5,85 adalah 1,55 Kata kunci : antena mikrostrip, dual band, multi-patch stacked dual-band, WiMAX 1. Pendahuluan Seiring perkembangan akan kebutuhannya sebagai salah satu bagian penting pada sistem telekomunikasi, antena sangat banyak dikembangkan salah satu diantaranya adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Saat ini antena mikrostrip dikembangkan untuk dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda atau sering disebut dual-band. Salah satu teknik untuk menghasilkan dua frekuensi adalah multi-patch stacked dual-band yaitu antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masing masing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda yang disusun secara menumpuk.. Antena Mikrostip Berdasarkan asal katanya, microstrip terdiri dari dua kata, yaitu micro yang berarti sangat tipis atau sangat kecil dan strip yang berarti bilah atau potongan. Jadi antena microstrip adalah antena yang berbentuk bilah atau potongan yang berukuran sangat kecil. Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 1 [1]. Gambar 1. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian utama, yaitu patch, substrate dan ground plane. Patch berfungsi sebagai peradiasi gelombang elektromagnetik yang terbuat dari lapisan logam dan memiliki ketebalan tertentu. Substrate merupakan bahan dielektrik yang berfunsi sebagai pembatas antara elemen peradiasi dan pentanahan. Ground plane terletak di bagian paling bawah antena yang berfungsi sebagai pentanahan yang memantulkan sinyal tidak diinginkan. -3- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. /November 14.1 Parameter-parameter Antena Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang digunakan, yaitu VSWR, frekuensi antena, bandwidth, gain antena, dan pola radiasi. a. Dimensi Antena Berdasarkan frekuensi kerja yang diinginkan maka dapat ditentukan dimensi antena mikrostrip yaitu lebar (W) dan panjang (L) yang akan dicari. Dimana lebar patch ditentukan dengan persamaan [] : W= (1) ( ) Sedangkan panjang patch adalah : = () b. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Г adalah nol, maka: Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat Г = : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka Secara sederhana rumus untuk menentukan VSWR[1]. V max 1 = = V min 1 (3) c. Frekuensi resonansi Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resitif dimana, nilai reaktansi impedansi sama dengan nol. d. Bandwidth Bandwidth suatu antena di defenisikan sebagai rentang frekuensi yang berhubungan dengan beberapa karakteristik antena lain seperti, impedansi masukan, bandwidth, polarisasi dan gain. Bandwidth suatu antena ditentukan oleh parameter yang digunakan. Dimana, menentukan bandwidth adalah frekuensi atas kurang frekuensi bawah dibagi dengan frekuensi carier, dirumuskan sebagai berikut: f f1 = x% (4) fc e. Gain Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerima sinyal dari arah tertentu. f. Pola radiasi Pola radiasi adalah fungsi matematika dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang, biasanya terdiri dari [3]: a. Lobe utama (mainlobe) b. Side lobe (cuping) c. Back lobe g. Return loss Return loss adalah perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi. h. Impedansi masukan Impedansi masukan dari suatu antena dapat dilihat sebagai impedansi dari antena tersebut pada terminalnya. Impedansi masukan adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena pada terminalnya.. Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band Dari asal katanya, stacked berarti tumpukan atau ditumpuk dan multi-patch yang berarti lebih dari satu atau banyak patch maka multi-patch stacked dapat -4- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. /November 14 diartikan lebih dari satu atau banyak patch yang disusun secara menumpuk. Teknik multi-patch stacked dual-band antennas adalah salah satu teknik antena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi dengan menyusun secara menumpuk lebih dari satu atau banyak patch yang memiliki frekuensi resonansi berbeda ditunjukkan pada Gambar [4]. Lebar slot aperture ( ) : = (,) (6) 3. Perancangan Antena Setelah ditentukan frekuensi kerja yang diharapkan maka dilakukan perhitungan untuk menentukan dimensi antena mikrostrip, yaitu dimensi patch-1 untuk frekuensi 3,3, patch- untuk frekuensi 5,8 dan penentuan spesifikasi substrat. Tahap selanjutnya adalah melakukan perhitungan untuk menentukan dimensi slot dan pencatu pada teknik pencatuan aperture coupled. Diagram alir perancangan antena mikrostrip ditunjukkan pada Gambar 3. Mulai Gambar. Antena mikrostrip multi-patch stacked dual-band.3 Teknik Pencatuan Aperture Coupled Konfigurasi teknik pencatuan aperture coupled dilakukan dengan melakukan pengopelan dari saluran pencatu (feed-line) ke patch melalui sebeuah aperture kecil yang berupa slot pada ground plane. Bentuk, ukuran dan lokasi penempatan slot aperture dapat mempengaruhi pengkopelan dari saluran pencatu ke patch, begitu juga dengan tinggi substrate yang digunakan dapat bervariasi dengan susunan yang berlapis lapis (multilayer). Umumnya slot aperture tersebut ditempatkan di tengah bawah dari patch [5]. Untuk menentukan dimensi slot aperture dari teknik pencatuan ini dapat digunakan persamaan berikut [6]: Masukkan data perancangan antena mikrostrip Menghitung dimensi setiap patch Menghitung dimensi slot dan pencatu pada pencatuan aperture coupled Simulasi dengan AWR 4 Nilai VSWR pada frekuensi kerja? Rancangan antena dualband Selesai Ya Iterasi lebar dan panjang patch, slot dan pencatu Tidak Panjang slot aperture ( ) : = (,1,) (5) Gambar 3. Diagram Alir Perancangan Antena Mikrostip Dual-Band. -5- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. /November 14 3.1 Perancangan Elemen Antena Perancangan elemen antena mikrostrip dilakukan dengan menentukan dimensi masing-masing patch untuk frekuensi kerja 3,3 dan 5,8 dengan spesifikasi substrate yang telah ditentukan yaitu FR-4 epoxy. Diperoleh dimensi patch untuk frekuensi tengah 3,35 yaitu lebar ( ) = 7 dan panjang ( ) = 1. Sedangkan dimensi patch untuk frekuensi tengah 5,85 yaitu lebar ( ) = 16 dan panjang ( ) = 1. 3. Perancangan Pencatuan Aperture Coupled Perancangan pencatuan aperture coupled dilakukan untuk menentukan dimensi slot dan pencatu. Penentuan dimensi dilakukan dengan menggunakan salah satu frekuensi kerja saja yaitu 3,3. Dimana diperoleh dimensi slot pada pencatuan aperture coupled dengan panjang ( ) = 18 dan lebar ( ) = 1,8. Dan dimensi pencatu pada pencatuan aperture coupled dengan panjang pencatu 3 mm dan lebar pencatu 3 mm. 4. Analisis Hasil Simulasi Berdasarkan perancangan dimensi antena mikrostrip multi-patch stacked dualband yang telah dilakukan dimana patch-1 (P = 7 mm; L = 1 mm), patch- (P = 16 mm; L = 1 mm), slot (P = 18 mm; L = mm) dan pencatu (P = 3 mm; L = 3 mm) maka langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi dengan menggunakan simulator AWR Microwave 4. Dari hasil simulasi diperoleh nilai VSWR untuk frekuensi resonansi 3,35 adalah 4,855 dan untuk frekuensi resonansi 5,85 adalah 11, ditunjukkan pada Gambar 4. 15 5 15 3.35 4.855 VSWR VSWR(1) P1 7x1 P 16x1 S 18x P 3x3 5.85 11. 3 4 5 6 6.5 Frequency () Gambar 4. Nilai VSWR Awal Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band Hasil simulasi yang diperoleh tidak optimal karena nilai VSWR >. Untuk mendapatkan hasil yang optimal (VSWR ) maka dilakukan iterasi pada dimensi antena dimana iterasi dilakukan dengan mengubah masing-masing dimensi patch-1, patch-, slot dan pencatu dan slot aperture secara sistematis. Kemudian dilakukan iterasi selanjutnya yaitu dengan megubah dimensi antena secara kombinasi dengan memperhatikan nilai VSWR yang mendekati. Dari data hasil iterasi diperoleh nilai VSWR optimal adalah ketika ukuran dimensi patch-1 (P = 7 mm; L = 1 mm), patch- (P = mm; L = 18 mm), slot (P = mm; L = 1 mm) dan pencatu (P = 33 mm; L = 3 mm) dengan nilai VSWR untuk frekuensi 3,35 adalah 1.893 dan frekuensi 5,85 adalah 1,55 ditunjukkan pada Gambar 5. 3.35 1.893 VSWR VSWR(1) P1 7x1 P x18 S x1 P 33x3 5.85 1.55 5 3 4 5 6 6.5 Frequency () Gambar 5. Nilai VSWR Optimal Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band -6- copyright @ DTE FT USU
-3 SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. /November 14 Setelah dilakukan simulasi pada antena mikrostrip multi-patch stacked dual-band maka diperoleh pola radiasi antena adalah unidirectional dan gain antena untuk frekuensi resonansi 3,35 adalah 5,466 db sedangkan pada frekuensi resonansi 5,85 diperoleh pola radiasi antena adalah unidirectional dan gain antena untuk adalah 5,466 db. Pola Radiasi dan Gain frekuensi 3,35 dan 5,85 ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7. Untuk frekuensi 3,35, nilai bandwidth diperoleh : = 5,948 5,85 =,13 = 13 15 5 3.345 3.35 1.893 3.44 VSWR VSWR(1) P1 7x1 P x18 S x1 P 33x3 5.85 5.85 1.55 5.948 DB( PPC_TPwr(,1) ) PB 7x1 PK x18 S x1 P 33 - Pola Radiasi - Mag 5.466 db Ang db 3 Mag Max db 3 4 5 6 6.5 Frequency () -6-5 -4 5 6 7 Gambar 8. Nilai Bandwidth Antena Mikrostrip -7 4-8 -9 - -1 db Per Div -1-13 -14-15 -16-17 Gambar 6. Pola Radiasi dan Gain 3,35 DB( PPC_TPwr(,1) ) PB 7x1 PK x18 S x1 P 33-3 - - 18 Pola Radiasi 17 16 15 14 Mag 8.65 db Ang db 3 13 1 1 8 9 Mag Min -4 db Mag Max db 4.1 Analisis Hasil Simulasi Perbandingan nilai parameter antena dari hasil simulasi dan perancangan ditunjukkan pada Tabel 3. No Tebel 3. Pencapaian Spesifikasi Antena Parameter Antena Simulasi Frekuensi 3,35 5,85 Teori Frekuensi 3,35 5,85-5 -4 4 5 1 VSWR 1,893 1,55 1,3 1,3 6-7 -6 7 8 Gain (db) 5,466 8,65 3,97 4,37-8 -9-9 3 Bandwidth 79 13 15-1 1 db Per Div -1-13 -14-15 -16-17 Gambar 7. Pola Radiasi dan Gain 5,85 Nilai bandwidth untuk frekuensi 3,35 diperoleh : = 3,44 3,345 =,79 = 79 18 17 16 15 14 13 1 Mag Min -3 db Dari Tabel 3 dapat diketahui bahwa antena mikrostrip multi-patch stacked dualband mampu memenuhi pencapaian parameter antena untuk VSWR dan gain meskipun untuk bandwidth antena belum memenuhi alokasi bandwidth teknologi WiMAX yaitu MHz untuk frekuensi 3,35 dan 15 untuk frekuensi 5,85. Pada saat simulasi VSWR yang didapatkan untuk frekuensi 3,35 sebesar 1,893 dengan gain 5,466 db. Sedangkan VSWR dari hasil perhitungan -7- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 9 NO. /November 14 adalah 1,3 dengan gain 3,97. Pada frekuensi 5,85, nilai VSWR dari hasil simulasi adalah 1,55 dengan gain diperoleh sebesar 8,65 dan secara perhitungan diperoleh VSWR sebesar 1,3 dengan gain 4,37. Diketahui bahwa nilai VSWR paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (VSWR=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna, namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah saat nilai VSWR. Hal inilah yang melatarbelakangi saat simulasi dilakukan proses iterasi sehingga didapatlah nilai VSWR. Nilai VSWR yang didapatkan dari simulasi diperoleh dengan baik dengan melakukan iterasi pada dimensi patch- (frekuensi 5,85 ) dimana panjang dan lebar diperbesar, mengubah ukuran dimensi slot dimana lebar slot diperkecil sedangkan panjang slot diperpanjang dan yang terakhir mengubah panjang pencatu. 5. Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisa yang dilakukan diperoleh beberapa kesimpulan : 1. Nilai VSWR yang diperoleh dari perhitungan dalam perancangan ini adalah 1,3 untuk frekuensi 3,35 dan frekuensi 5,85 sedangkan dari hasil simulasi nilai VSWR pada frekuensi 3,35 adalah 1,893 dan pada frekuensi 5,85 adalah 1,55.. Nilai gain yang diperoleh dari perancangan pada frekuensi 3,35 adalah 3,97 db dan pada frekuensi 5,85 adalah 4,37 db. Sedangkan hasil simulasi gain pada frekuensi 3,35 adalah 5,466 db dan pada frekuensi 5,85 adalah 8,65 db. 3. Nilai bandwidth dari hasil simulasi yaitu untuk frekuensi 3,35 adalah 79 MHz dan pada frekuensi 5,85 adalah 13 MHz, menunjukkan bahwa antena ini belum memenuhi alokasi bandwith WiMAX yaitu MHz untuk frekuensi 3,35 dan 15 MHz untuk frekuensi 5,85. 4. Hasil perancangan antena mikrostrip multi-patch dual-band dapat diperoleh dengan baik dengan melakukan iterasi pada dimensi patch- (frekuensi 5,85 ) dimana panjang dan lebar diperbesar, mengubah ukuran dimensi slot dimana lebar slot diperkecil sedangkan panjang slot diperpanjang dan yang terakhir mengubah panjang pencatu. 6. DAFTAR PUSTAKA [1] Garg, Ramesh. 1. Microstrip Antenna Design Handbook, First Edition. London : Artech House. [] Balanis, Constantine A. 5. Antenna Theory : Analysis and Design, Third Edition. New Jersey : A John Wiley and Sons, Inc, Publication. [3] Mahendra Adi, 8, Modul Antena http://pnj.ac.id/upload/artikel/files/elek tro/_adhi%mahendra_perancang an_jee%layout_new.pdf/6/1/3 [4] Maci, S. dan G. Biffi Gentili. Desember 1997. Dual-Frequency Patch Antennas. IEEE Antenas and Propagation Magazine, Vol. 39, No.6. [5] Girish Kumar, K.P. Ray. 3. Broadband Microstrip Antennas. London: Artech House. [6] Adel Bedair Abdel-Mooty Abdel- Rahman. 5. Design and Development of High Gain Wideband Microstrip Antenna and DGS Filters Using Numerical Experimentation Approach, Disertasi, University Magdeburg. -8- copyright @ DTE FT USU