DAFTAR PUSTAKA 1. Balanis Constatantine, A John Wiley - Sons.2005. Analysis And Design Antena Theory Third Edition. 2. Pozar,DM. Mikrostrip Antenna. Proceeding of the IEEE,Vol 80.No : 1, January 1992 3. Hutomo,Bambang.2006. Antena Propagasi 4. Khairudin, Wan A. 2004. Wideband Mikrostrip Antena For Land Based Vehicles. Malaysia. 36
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ANTENA MIKROSTRIP BOWTIE 2,4 GHz UNTUK JARINGAN WIRELESS - LAN Fakultas Teknologi Industri, Program Studi Teknik Elektro Universita Mercu Buana miramadhona@yahoo.com Abstrak : Antena merupakan komponen yang sangat penting dalam komunikasi radio, baik yang bersifat broadcast, point to point, maupun cellular. Antena sebagai salah satu perangkat komunikasi dituntut memiliki dimensi yang sangat kecil dengan kemampuan meradiasi dan menerima sinyal secara baik, dengan berkembangnya teknologi printed circuit, antena yang sering digunakan adalah Antena Mikrostrip. Antena Mikrostrip Bowtie dengan menggunakan teknik pencatu Dierect Microstrip Line yaitu konduktor dihubungkan secara langsung dengan alas patch antena, dan saluran pencatu dibuat lebih kecil dibandingkan dengan patch antena. Tujuan penggabungan saluran pencatu dengan patch adalah untuk matching impedance ( impedansinya sama ), sehingga teknik ini dapat meningkatkan lebar pita ( bandwidth ) dan dibuat paralel dengan tujuan untuk meningkatkan gain. Kata kunci: Mikrostrip Bowtie, Printed Circuit, Wireless 1. PENDAHULUAN Antena adalah perangkat yang berfungsi untuk memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Sistem Telekomunikasi Radio terdiri dari perangkat transmitter dan receiver. Transmitter berfungsi membangkitkan sinyal Radio Frekuensi (RF ). Setelah sinyal RF dibangkitkan selanjutnya diradiasikan melalui ruang bebas menuju receiver. Perangkat yang melakukan proses radiasi ini disebut Antena. Antena Mikrostrip merupakan salah satu bentuk antena yang dibuat dengan cara mencetak elemen peradiasinya pada suatu lempengan substrat Printed Circuit Board ( PCB ). Secara intrinsik antena mikrostrip memiliki bentuk rancangan yang tipis, kecil, dan ringan namun memiliki lebar pita ( bandwidth ) yang sempit dan keterbatasan penguatan ( gain ). Dengan alasan itulah penulis merancang dan membuat antena mikrostrip dengan patch antena berbentuk dasi kupu kupu (Bowtie). Antena Mikrostrip Bowtie ini, menggunakan teknik pencatu Dierect Microstrip Line yaitu konduktor dihubungkan secara langsung dengan alas patch antena, dan saluran pencatu dibuat lebih kecil dibandingkan dengan patch antena. Tipe ini mempunyai keuntungan yaitu Pencatu dapat di etching dalam substrat yang sama. Tujuan penggabungan saluran pencatu dengan patch adalah untuk matching impedance ( impedansinya sama ), sehingga teknik ini dapat meningkatkan lebar pita ( bandwidth ). Penulisan ini bertujuan agar penulis dan pembaca dapat merancang dan membuat antena mikrostrip Bowtie yang dioperasikan untuk jaringan wireless LAN. 2. ANTENA MIKROSTRIP 2.1 Umum Antena Mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip merupakan antena yang memiliki massa ringan, mudah untuk difabrikasi, dengan sifatnya yang konformal sehingga dapat ditempatkan pada hampir semua jenis permukaan dan ukurannya kecil dibandingkan dengan antena jenis lain, karena sifat yang dimilikinya, antena mikrostrip sangat sesuai dengan kebutuhan saat ini sehingga dapat di-integrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran kecil, akan tetapi antena mikrostrip juga memiliki beberapa kekurangan yaitu: bandwidth yang sempit, gain dan directivity yang kecil, serta efisiensi rendah. Antena Mikrostrip terdiri dari 3 bagian : 1. Conducting patch, patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara, terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena. 2. Substrat dielektrik, berfungsi sebagai media penyalur GEM dari catuan, dalam Tugas Akhir ini digunakan substrat dielektrik PCB FR4 Double Layer. 1
3. Groundplane, groundplane antena mikrostrip bisa terbuat dari bahan konduktor, dalam bahan alumunium dapat mencegah adanya back lobe. Alumunium berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan. Dalam tugas akhir ini saya menggunakan patch bentuk segitiga, seperti gambar di bawah ini : Bentuk konduktor bisa bermacam-macam tetapi yang pada umumnya digunakan berbentuk empat persegi panjang dan lingkaran karena bisa lebih mudah dianalisis Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang sisi petak segitiga sama sisi a antena miksostrip, dapat ditentukan dengan persamaan 2.8 : Gambar Variasi Antena Mikrostrip Sehingga panjang sisi patch segitiga samasisi diperoleh dengan persamaan 2. 9 : Keuntungan dari antena mikrostrip : Mudah dalam desain Ringan dan sangat tipis Mudah dintegrasikan dengan rangkaian planer yang lain Antena dengan polarisasi circular Kerugian dari antena mikrostrip : Daya rendah dan efisiensi rendah Jaringan feeder sering menimbulkan efek sirkurius / frekuensi bayangan Bandwidth sempit Gelombang permukaan menimbulkan redaman besar. 2.2 ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGITIGA Saat dilakukan perancangan panjang sisi segitiga dari hasil perhitungan harus dikurangi agar tercapai nilai effektif. Pengurangan nilai panjang sisi lebih dikarenakan adanya efek medan finging ( sisi tepi ) antara peradiasi ( patch ) dengan ground plane, efek ini dapat dihitung terhadap efektif relative permitivity (ε r.eff ) yang diformulasikan dengan persamaan : a eff = a + h ( ε r ) -1/2 dimana : a eff = panjang sisi efektif ( mm ) a = panjang sisi ( mm ) h = ketebalan substrace ( mm ) ε r = Konstanta relatif dielektrikum substrace Apabila Z 0 diketahui maka : ε r.eff = ε r / 0.96 + ε r ( 0.109 0.0044 ε r ) {log (10 + Z 0 )-1} 2
Gambar Patch Antena Mikrostrip Antena Segitiga Gambar memperlihatkan suatu bentuk dari patch segitiga, dimana nilai a adalah panjang sisi alas segitiga dan b adalah panjang sisi miringnya. Penentuan letak sebuah feed loci yang efektif pada dua frekuensi untuk memperoleh polarisasi LHCP diletakkan pada ґ2 dan ґ3 sedangkan untuk RHCP ( Right Handed Circular Polarized ) pada ґ1 dan ґ4. 2.3. Antena Mikrostrip Bowtie Bentuk geometri elemen peradiasi pada antena mikrostrip dapat bermacam macam. Bentuk Bowtie ( Dasi Kupu kupu ) pada antena mikrostrip pada dasarnya sama dengan bentuk antena mikrostrip segitiga sama sisi, namun bentuk Bowtie mempunyai radiator yang lebih besar. Patch Bowtie digunakan untuk menghasilkan frekuensi kerja yang sama pada kedua polarisasinya. Bentuk dasar antena mikrostrip terdiri dari elemen konduktor peradiasi ( patch ) yang dicetak pada Printed Circuit Board ( PCB ), dan Mikrostrip Line yaitu konduktor yang dihubungkan secara langsung dengan alas patch antena. Fungsi dari pembuatan antena ini adalah untuk penerima sinyal wireless. Bentuk geometri dasar antena mikrostrip terdiri dari elemen konduktor peradiasi (patch) yang dicetak pada substrat. Elemen peradiasi dapat dieksitasi oleh saluran transmisi koaksial, saluran mikrostrip, atau kopling elektromagnetik. 3. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ANTENA Perancangan patch antena Mikrostrip Bowtie menggunakan metode pencatuan saluran Mikrostrip dan Impedansi masukan ( impedansi karakterisitk ) 50 ohm. Jenis substrate yang digunakan untuk antena mikrostrip akan mempengaruhi parameter-parameter dalam perancangan, karena tiap substrace memiliki parameter yang berbeda. Parameter yang perlu diperhatikan adalah konstanta dielektrika relatif substrate ( ε r ) dan tebal substrate ( h ). Pada perancangan ini menggunakan jenis substrate FR4 Double Layer dengan konstanta dielektrik 4,2 loss tangent 0,0017 dan ketebalan copper / tembaga (Thickness) 0,2 mm atau tebal bahan keseluruhan 1,5 mm. Untuk menentukan panjang gelombang antena yang dirancang,maka rumus yang digunakan sebagai berikut : λ 0 = c / f = 3 x 10 8 m/s / 2,4 GHz = 12,5 cm λ = λ 0 / ε r.eff maka : λ = 12,5 / 2,3 = 8,3 cm dimana : ε r.eff = ε r / 0.96 + ε r ( 0.109 0.0044 ε r ) {log (10 + Z 0 ) 1} ε r.eff = 4.2 / 0.96 + 4.2 ( 0.109 0.0044 x 4.2 ) {log ( 10 + 50 ohm ) 1 } ε r.eff = 4.2 / 0.96 + 4.2 ( 0.109 0.0044 x 4.2 ) {log ( 10 + 50 ohm ) 1 } ε r.eff = 2.3 Pada pembuatan antena Mikrostrip Bowtie, ukuran PCB yang akan digunakan adalah panjang 2 λ dan lebarnya sebesar 1 λ. Sedangkan untuk menentukan ukuran patch yang berbentuk segitiga pada antena Mikrostrip Bowtie, rumus yang digunakan sebagai berikut : Sehingga ukuran yang diperoleh untuk masing-masing sisi segitiga pada patch antena Mikrostrip Bowtie tersebut adalah : a = a = 2x3x10 3x2.4x10 6x10 7.2x10 9 x 6 7.2x2.04 9 8 x 8 4.2 4.2 a = = 40.6mm = 4cm Perancangan line saluran transmisi antena Mikrostrip Bowtie dapat dilakukan dengan menggunakan software Sonnet 11.54. 3
4 PENGUKURAN DAN ANALISA ANTENA MIKROSTRIP Pada grafik terlihat bahwa antena dapat dikatagorikan baik pada frekuensi berapa saja. Pada gambar 4.2, 4.1 UMUM Setelah menjalani proses perancangan dan untuk frekuensi 2.60 GHz Ref.Ampl-nya 17.16 db, frekuensi 1.58 GHz Ref.Ampl-nya 28.76 db dan pada pembuatan antena Mikrostrip Bowtie, maka proses berikutnya adalah pengukuran. Pengukuran antena ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik antena yang frekuensi 1.96 GHz Ref.Ampl-nya 16.57 db. Dari data dapat dilihat bahwa antena dapat digunakan baik pada frekuensi 1.58 GHz dan 2.60 GHz. dibuat dengan antena standar. Pengukuran dilakukan Pada grafik 4.2 dapt dilihat bahwa antena dengan menggunakan spektrum analyzer dan network analyzer. Spektrum analyzer berguna untuk mengukur pola radiasi dari antena dan network analyzer untuk mengukur return loss atau VSWR dari antena Mikrostrip mikrostrip dapat bekerja secara optimal pada frekuensi 2.6 GHz dengan nilai magnitude -17.18 db. Dari data pengukuran yang diperoleh dapat dihitung VSWR yang dihasilkan, Bowtie. Ada beberapa parameter antena yang diukur ґ db = - 17.18 db, maka dapat dihitung ґ linier nya : untuk menunjukkan karakteristik serta kemampuan kerja dari antena, antara lain polarisasi, menghitung ґ db = 20 log ґ linier gain, bandwith dan VSWR dari antena. Berikut ini -17.18 = 20 log ґ linier gambar antena mikrostrip yang telah dipabrikasikan : -0.86 = log ґ linier ґ linier = 10-0.86 = 0.14, maka daya refleksi ( 0.14 ) 2 = 0.0196 atau 1.96% Berarti daya yang dipancarkan oleh antena 1.96 % daya yang direfleksikan. Secara teori dapat dihitung : 1+ Γ 1+ 0.14 1.14 linier VSWR = = = = 1. 33 1 Γlinier 1 0.14 0.86 4.2 Pengukuran dengan Network Analyzer. Return Loss = 20 log Γlinier = 20 log 0.14 = 17.08dB Pengukuran dilakukan dengan menghubungkan Network Analyzer dengan antena Mikrostrip Bowtie dan konektor SMA dengan Antena Mikrostrip Bowtie. Setelah itu menset frekuensi antara 1 GHz 3 Ghz, maka tampilan yang diperoleh sebagai berikut : 4.3 Pengukuran dengan Spektrum Analyzer Pengukuran dengan Spektrum Analyzer bertujuan untuk melihat tampilan pola radiasi yang dihasilkan oleh antena mikrostrip bowtie. Sebelum melakukan pengukuran ini hal hal yang perlu dipersiapkan adalah: 1. 2 buat tripot yang berfungsi sebagai tiang penyangga antena mikrostrip bowtie dan antena referensi. 2. Busur sebagai patokan pengukuran sudut 3. Benang berfungsi untuk mengukur jarak jangkauan antara antena pemancar dengan antena penerima. Gambar Grafik VSWR yang diukur dengan Network Analyzer 4. Perangkat Programmable Synthesizeri untuk membangkitkan sinyal frekuensi dan Spektrum Analyzer untuk melihat tampilan pola radiasi dari antena mikrostrip bowtie. Dapat dilihat pada gambar berikut : 4
Gambar Pengukuran Pola Radiasi Antena Mikrostrip Bowtie Perangkat Programmable Synthesizeri diset pada frekuensi 2.6036 GHz. Sehingga frekuensi pancar dari antena mikrostrip telah aktif diterima pada antena penerima dengan frekuensi 2.6036 GHz ( hal ini dapt dilihat pada perangkat Spektrum Analyzer ). Gambar Perangkat Programmable Synthesizeri HM8135 Proses pengukuran mulai dilakukan beberapa kali, yaitu pada frekuensi 2.6036 GHz dan 1.9563 GHz. Pengukuran antena Mikrostrip Bowtie dilakukan secara vertikal dan horizontal dengan sudut 0 0 sampai 180 0. Berikut ini adalah tabel hasil pengukuran antena Mikrostrip Bowtie secara horizontal dan vertikal pada Spektrum Analyzer. Tabel. Data hasil pengukuran pada frekuensi 2.6036 GHz Gambar Perangkat Spektrum Analyzer Langkah langkah pengukuran pola radiasi : 1. Pemasangan antena mikrostrip dan antena referensi pada masing masing tripot dimana jarak antara tripot antena mikrostrip bowtie dengan tripot antena referensi 300 cm, hal ini disebabkan karena ruangan yang dipakai untuk pengukuran adalah ruang kelas. 2. Pemasangan kabel koaksial pada antena mikrostrip bowtie dan pada perangkat Programmable Synthesizeri HM 8135 yang berfungsi untuk membangkitkan sinyal frekuensi. 3. Pemasangan kabel koaksial pada antena referensi dan pada perangkat Spektrum Analyzer. Berikut gambar pemasangan untuk point 2 dan 3 Sudut Pengukuran ( dbm ) ( Derajat ) Horizontal Vertikal 0-41.7-37.2 10-43 -34.6 20-43.5-36.4 30-45.6-35.3 40-55.7-35.7 50-46.6-35.6 60-38.9-38.9 70-37.1-37.8 80-36.1-35.2 90-35.5-33.5 100-35.3-33.6 110-35 -34.6 120-36.07-35.5 130-39.6-32.7 140-41 -33.2 150-41.4-32.8 160-41.1-33 170-42.8-33.4 180-43.8-35.7 Dari hasil pengukuran yang diperoleh, dapat digambarkan grafik sebagi berikut : 5
dbm dbm 0-10 -20-30 -40-50 -60 0 Pengukuran Horizontal Frek. 2.6 GHz 20 40 60 80 100 Sudut ( Derajat ) 120 140 160 180 Pengukuran Gambar Grafik pengukuran secara horizontal pada -28-30 -32-34 -36-38 -40 0 20 frek. 2.6 GHz Pengukuran Vertikal Frek. 2.6 GHz 40 60 80 100 120 140 160 180 Sudut ( Derajat ) Pengukuran Gambar Grafik pengukuran secara vertikal pada frek. 2.6 GHz Dari data pengukuran dan grafik yang digambarkan pada saat pengukuran pada frekuensi 2.6 GHz tersebut diatas terlihat bahwa daya pancaran terbesar atau terkuat terjadi pada sudut 90 0 dimana saat itu antena pemancar ( antena mikrostrip bowtie ) berhadapan lurus atau line of sight dengan antena penerima ( antena referensi ) yaitu -35.5 dbm dengan pengukuran horizontal. Pada percobaan vertikal daya pancar terbesar mengalami pergeseran ke sudut 150 0 ( -32.8 dbm ) dan 160 0 ( -33 dbm ). Hal ini terjadi akibat beberapa faktor, seperti pengembalian posisi antena pemancar ke titik posisi awal berubah atau berbeda dengan posisi saat percobaan horizontal. Faktor lain ketidak teraturan pada level sinyal atau daya karena pengukuran dilakukan di dalam ruangan, dimana dinding dan beton serta benda benda disekitar ruang uji yang dapat memantulkan sinyal. Dalam perancangan antena mikrostrip bowtie ini pada dasarnya sama dengan dasar konfigurasi antena mikrostrip array yang merupakan penggabungan dari beberapa elemen pencatu yang disusun secara paralel atau sehingga membentuk suatu jaringan. Dengan konfigurasi array, karakterisitik antena seperti level daya ( gain ) yang tinggi, beam scanning, steering capability dapat dihasilkan. Setiap elemen array dapat menghasilkan jenis pola radiasi linear, planar dan circular. Kelemahan dari jenis ini adalah antena ini membutuhkan suatu jaluran transmisi ( saluran catu ) yang panjang antara elemen peradiasi dengan input port agar dapat mengurangi rugi rugi yang akhirnya akan mengurangi effisiensi antena. Dalam perancangan antena mikrostrip bowtie ini seharusnya frekuensi kerja yang optimal terjadi pada frekuensi 2.4 GHz, tapi pada saat pengukuran frekuensi ini mengalami pergeseran yaitu pada frekuensi 2.6 GHz dan 1.58 GHz hal ini disebabkan karena dalam perancangan antena mikrostrip jenis substrate yang digunakan akan mempengaruhi parameter-parameter dalam perancangan, karena tiap substrace memiliki parameter yang berbeda. Parameter yang perlu diperhatikan adalah konstanta dielektrika relatif substrate ( ε r ) dan tebal substrate ( h ). 5. KESIMPULAN Setelah melakukan perancangan dan pembuatan Antena Mikrostrip Bowtie ini, dapat disimpulkan bahwa : 1. Pada perancangan antena mikrostrip bowtie dengan menggunakan program Sonnet 11.54, frekuensi kerja yang optimal pada antena mikrostrip bowtie ini terletak pada frekuensi 2.41 GHz dengan VSWR = 1.13, sedangkan pada saat pengukuran antena mikrostrip dengan network analyzer terjadi pergeseran frekuensi kerja dimana frekuensi kerja optimal terjadi pada frekuensi 2.6 GHz dengan VSWR = 1.33. Hal ini disebabkan karena dalam perancangan antena mikrostrip jenis substrate yang digunakan akan mempengaruhi parameter parameter dalam perancangan terutama parameter konstanta dielektrika relatif substrate seperti yang diprediksikan oleh teori. 2. Daya pancar terbesar atau terkuat pada antena mikrostrip bowtie terjadi pada saat pengukuran frekuensi 2.6 GHz secara horizontal dengan sudut 90 0 ( -35.5 dbm ). Karena pada sudut 90 0 posisi antena mikrostrip bowtie berhadapan langsung ( line of sight ) dengan posisi antena referensi seperti yang diprediksikan oleh teori. 6
DAFTAR PUSTAKA 1. Balanis Constatantine, A John Wiley - Sons.2005. Analysis And Design Antena Theory Third Edition. 2. Pozar,DM. Mikrostrip Antenna. Proceeding of the IEEE,Vol 80.No : 1, January 1992 3. Hutomo,Bambang.2006. Antena Propagasi 4. Khairudin, Wan A. 2004. Wideband Mikrostrip Antena For Land Based Vehicles. Malaysia. 7