Teori Dasar

Rancang Bangun Antena Parabola dengan Feed Point Mikrostrip Rectangular Array 2 Elemen Untuk Aplikasi WiFi 2,4 GHz

3. Teori Dasar

WiFi (Wide Fidelity) merupakan teknologi yang memanfaatkan peralatan elektronik untuk pertukaran data secara nirkabel atau menggunakan gelombang radio yang banyak digunakan untuk koneksi internet berkecepatan tinggi. Teknologi WiFi memiliki frekuensi kerja 2,4 GHz. Berdasarkan IEEE 802.11b/g WiFi beroperasi pada rentang frekuensi 2,4 GHz sampai dengan 2,488 GHz. Infrastruktur WiFi pada dasarnya memiliki jumlah channel yang sangat terbatas. Pada jaringan yang padat, tidak semua channel dapat digunakan karena dapat menimbulkan interferensi. Ntena

dibutuhkan agar wifi dapat bekerja sesui dengan spesifikasinya. Karena tidak selalu tersedia dipasaran, terkadang harus mendisain sendiri antena wifi.

Parameter-parameter antena yang dibutuhkan dalam mendesain antena mikrostrip meliputi : impedansi karakteristik antena, konstanta dielektrik efektif antena, pola radiasi antena, gain, VSWR,return loss, lebar bandwidth, dan batasan frekuensi yang dapat digunakan pada bahan substrat.

Antena Mikrostrip merupakan antena yang terdiri atas elemen radiasi (konduktor) yang sangat tipis yang diletakkan pada bidang tanah (ground plane), dimana diantara kedua bidang tersebut dipisahkan oleh substrat dielektrik. Antena mikrostrip memiliki struktur yang terdiri dari 3 lapisan yaitu:

a. Patch yang memiliki berbagai macam bentuk seperti square, rectangular, dipole, circular dan triangular. b. Substrat yang berfungsi sebagai media penyalur

gelombang elektro magnet dari ketebalan substrat berpengaruh pada bandwidth dari antenna. Beberapa jenis bahan substat antara lain epoxy, duroit, dan alumina, dimana permitivitas relative/konstanta dielektrik (Ɛr) dari setiap jenis substrat berbeda-beda. c. Ground Plane, merupakan lapisan paling bawah yang

berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.

Besar impedansi karakteristik ditentukan oleh besar konstanta dielektrik substrat, tinggi substrat h, serta langsung berhubungan dengan lebar strip konduktor yang digunakan W. Karena itu dengan besar impedansi karakteristik yang diinginkan dapat ditentukan lebar strip konduktor W yang diperlukan untuk perencanaan. Hubungan antara impedansi karakteristikdanlebar strip konduktor W itu dinyatakan dengan persamaan 1: 𝑍𝑍𝑍𝑍 =_{𝑊𝑊 .√𝜀𝜀𝜀𝜀}^{377 .ℎ} (1) Dimana:

h : Ketebalan substrat (mm) W :Lebar saluran mikrostrip (mm) 377 :Impedansi karakteristikpadaruangbebas Zo :Impedansikarakteristiksaluran (Ω) Ɛr :Konstantadielektrikrelatifsubstrat

Untuk menentukan ukuran lebar (Wz) dari saluran transmisi, masukan elemen peradiasi, dan transformer menggunakan persamaan 2:

𝑍𝑍𝑍𝑍 =³⁷⁷_{√𝜀𝜀𝜀𝜀}�_{𝑊𝑊𝑊𝑊}^ℎ� (2) Permitivitas Dielektrik Relatif

Antena mikrostrip memiliki dua bahan dielektrik yang tidak homogen, maka dari itu diperlukan parameter baru yang berguna untuk melihat pengaruh keduabahan

dielektrik tersebut. Parameter ini disebut konstanta permitivitas dielektrik relatif. Konstanta permitivitas dielektrik relative secara umum dinyatakan dengan persamaan 3:

𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 =^{𝜀𝜀𝜀𝜀+1}₂ +^{𝜀𝜀𝜀𝜀−1}₂ �1 +^10ℎ_𝑤𝑤�^−0,5 (3) Sedangkan untuk keadaan strip konduktor yang sangat tipis dimana ketebalan konduktor diabaikan, maka konstanta dielektrik untuk w/h ≥ 1 dinyatakan dengan persamaan 4t :

𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 =^{𝜀𝜀𝜀𝜀+1}₂ +^{𝜀𝜀𝜀𝜀−1}₂ �1 +^12ℎ_𝑤𝑤�^−0,5 (4) Dimana:

Ɛeff : Permitivitas dielektrik relative efektif Ɛr : Permitivitas dielektrik relative substrat ‘h : Ketebalan substrat (mm)

w : Lebar saluran mikrostrip (mm)

Polaradiasi (radiation pattern) suatu antenna adalah pernyataan grafis yang menggambarkan sifat radiasi suatu antenna pada medan jauhsebagai fungsi arah. Dengan adanya gambaran pola radiasi maka dapat dilihat bentukpancaran yang dihasilkan oleh antenna tersebut. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional.

Penguatan daya pada antenna mikrostrip dapat

ditentukan dari gain perbandingan, yaitu

perbandingandaya yang dipancarkan atau diterima oleh antena yang diuji dengan daya yang dipancarkan atau diterima antenna isotropis. Besarnya gain perbandingan tersebut adalah sebagai berikut:

𝐺𝐺𝑍𝑍 = 2,14 + 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑑𝑑𝑑𝑑) − 𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑑𝑑𝑑𝑑) (5) Dimana:

Gp : Gain perbandingan antenna uji (dB) Pu : Daya yang diterima antenna uji (dB)

Ps : Daya yang diterima antenna referensi/standar (dB) Go : Gain terhadap sumber isotropis (dB)

Return loss adalah salah satu parameter yang digunakan untuk mengetahui berapa banyak daya yang hilang pada beban dan tidak kembali sebagai pantulan. Kondisi yang sangat diharapkan untuk nilai return lost terbaik yaitu kurang dari -10 dB yang menyatakan nilai hilangnya suatu daya.

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) merupakan rasio atau perbandingan antara gelombang datang dengan gelombang pantul yang nantinya kedua gelombang tersebut akan membentuk standing wave (gelombang berdiri).

4. Hasil dan Pembahasan

Rancangan antena parabola yang dibuat dengan feed point mikrostrip rectangular array 2 elemen yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz dalam system WiFi berfungsi sebagai pengirim koneksi internet dan akan diterima oleh antenna penerima.

Perencanaan Dimensi AntenaMikrostrip

Panjang gelombang dengan frekuensi 2.4 GHZ pada ruang bebas didapat 12,4 cm. Panjang gelombang pada saluran transmisi mikrostrip dengan 𝜀𝜀𝜀𝜀 = 4,3

𝜆𝜆𝑑𝑑 = ^{𝜆𝜆𝑍𝑍}

√𝜀𝜀𝜀𝜀^{= 5,97 𝑐𝑐𝑐𝑐} Lebar dimensi antenna:

𝑊𝑊 =_{2 . 𝜀𝜀𝜀𝜀 𝑥𝑥}^𝑐𝑐 � ²

𝜀𝜀𝜀𝜀 + 1 = 3.81𝑐𝑐𝑐𝑐

Besar konstanta dielektrik dengan h =0.16 cm 𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 =^{𝜀𝜀𝜀𝜀 + 1}₂ +^{𝜀𝜀𝜀𝜀 − 1}₂ �1 + 12 �_𝑤𝑤^ℎ��

−1/2

= 3.995 Penambahan panjang antena ∆L:

∆L = 0,412 x h^{(𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀+0,3)�𝑊𝑊}ℎ+0,264�

(𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀−0,258)�^𝑊𝑊_ℎ+0,8�^{= 0.074113 cm}

Penambahan panjang efektif : 𝐿𝐿𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 = ^𝑐𝑐

2 𝑥𝑥 𝜀𝜀𝜀𝜀 𝑥𝑥 �𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀^{= 3.11 𝑐𝑐𝑐𝑐} Panjang elemen peradiasi (L):

𝐿𝐿 = 𝐿𝐿𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 − 2∆𝐿𝐿 = 2.96 𝑐𝑐𝑐𝑐

Berdasarkan perhitungan diatas, maka besar path untuk elemen peradiasi pada frekuensi 2412 MHz dimensinya adalah W= 3.81 cm dan L=2.96 cm, seperti pada Gambar 2.

Patch

Gambar 2. Panjang dan Lebar Dimensi Patch

Karena antenna yang akan dibuat adalah antenna mikrostrip rectangular array 2 elemen dengan frekuensi 2.4 GHz , dihitung arak antar elemen peradiasi

𝑑𝑑 =^𝜆𝜆_{2 =2𝜀𝜀 = 62.18 𝑐𝑐𝑐𝑐}^𝑐𝑐

L=2.96

100 Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 2 tahun 2017: 97-103

Perancangan Saluran Transmisi dan Saluran Transformer Antena Mikrostrip

Penentuan Impedansi Masukan Elemen Peradiasi Saluran Transmisi dan Transformer

Dengan menggunakan saluran transmisi T-junction 50 Ohm, impedansi beban pada saluran transmisi Z_L adalah 50 Ω dan untuk impedansi saluran transmisi Zo dua kali dari Z_L yaitu 100 Ω. Selanjutnya untuk menentukan impedansi transformer ZT.

𝒁𝒁_𝑻𝑻= √𝑍𝑍𝑍𝑍 𝑥𝑥 𝑍𝑍𝑍𝑍 = √𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓 = 𝟕𝟕𝟓𝟓 𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶𝑶 Penentuan Ukuran Lebar Saluran Transmisi Ukuran lebar saluran transmisi dipengaruhi oleh elemen peradiasi dan saluran transformer (WZ)

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝 𝑍𝑍𝑍𝑍 = 100, 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑍𝑍 =³⁷⁷ √𝜀𝜀𝜀𝜀^� ℎ 𝑍𝑍𝑍𝑍� = 2,908 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝 𝑍𝑍𝑍𝑍 = 70, 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑍𝑍 =³⁷⁷ √𝜀𝜀𝜀𝜀^� ℎ 𝑍𝑍𝑍𝑍^{� = 4.155 𝑐𝑐𝑐𝑐} 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝 𝑍𝑍𝑍𝑍 = 50, 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑍𝑍 =³⁷⁷ √𝜀𝜀𝜀𝜀^� ℎ 𝑍𝑍𝑍𝑍� = 5.817

Panjang Saluran Transformer (LT)

Panjang saluran transformer (L_T) sangat tergantung pada panjang gelombang. Dalam rancangan didapat

𝐿𝐿𝑑𝑑= 𝜆𝜆𝑑𝑑

4 = ^5.97₄ = 1,49 𝑐𝑐𝑐𝑐 �

Bentuk dan ukuran antenna mikrostrip yang akan dirancang berdasarkan nilai perhitungan diperlihatkan pada Gambar 3

Gambar 3. Hasil Perancangan Antena Mikrostrip Array 2 Elemen

Simulasi Rancangan Mikrostrip Rectangular Array 2 Elemen

Parameter-parameter yang telah dihitung akan disimulasikan dengan aplikasi perangkat lunak CST. Microwave Studio. Yang pertama akan dilihat S parameter . Gambar 4 merupakan hasil S parameter dari rancangan.

Gambar 4. S-Parameter Hasil Simulasi Rancangan Awal

Pada Gambar 4 dapat diketahui bahwa hasil perancangan awal ternyata belum mencapai frekuensi yang diharapkan. Untuk mendapatkan hasil sesuai dengan yang diharapkan maka dilakukan penyesuaian parameter antena. Dengan melakukan parameter sweep pada panjang patch dan nilai Wo maka didapat hasil S-Parameter sesuai dengan yang diharapkan seperti pada gambar 5

Gambar 5 S-Parameter Setelah Hasil Optimasi

Gambar 6 Hasil Pola Radiasi dan Gain

Setelah optimasi, maka polaradiasi antena dapat dilihat pada CST. Gambar 6 merupakan bentuk pola radiasi dan nilai gain hasil rancangan yang didapat, dimana besar gain 9 dBi atau sebesar 6.86 dB, dimana nilai gain ini sudah sesuai dengan perencanaan awal yaitu lebih besar dari 6 dB.

Perancangan Dimensi Reflektor Parabola

Perancangan reflektor parabola ini bertujuan untuk dapat meningkatkan gain dari antenna mikrostrip yang digunakan sebagai feed point. Untuk itu peru ditentukan letak titik fokus F. Reflektor parabola memiliki diameter sebesar 25 cm dan kelengkungan sebesar 6 cm. maka letak titik focus

𝐹𝐹 = �^{2,6 𝑥𝑥 0,25}₁₆ ²= 10 𝑐𝑐𝑐𝑐

Gambar 7 merupakan perencanaan bentuk reflektor parabola .

Gambar 7 Hasil Perencanaan Reflektor Parabola

Setelah diketahui dimensi dari antena parabola maka selanjutnya dapat dihitung gain yang akan didapat dengan menggunakan persamaan berikut

𝐺𝐺 = 10 log^{4 𝑥𝑥 𝜋𝜋 𝑥𝑥 𝐷𝐷 𝑥𝑥 𝐹𝐹}_𝜆𝜆2 (6) Dengan memasukan besar D, F dan λ didapat G = 4.035 dB. Berdasarkan perhitungan tersebut maka diharapkan dengan penambahan reflektor parabola pada antenna mikrostrip dapat meningkatkan gain antenna mikrostrip sebesar 4,035 dB.

Pengujian Parameter Antena

Setelah antena selesai dibuat berdasarkan rancangan diatas, berikutnya akan diadakan beberapa uji untuk mengetahui performansi dari antena, baik untuk medan dekat maunpun medan jauh. .

Pengujian Parameter Medan Dekat

Pengujuan parameter medan dekat terdiri dari pengukuran VSWR dan Return Loss.

Pengujian VSWR

Gambar 8 Pengujian VSWR

Gambar 3.8 nilai VSWR pada frekuensi 2,412 GHz sebesar 1,294. Berdasarkan hasil dari pengujian tersebut maka VSWR antena telah memenuhi spesifikasi antena yang diinginkan, yaitu < 1,5.

Pegujian return loss

Pengujian return loss menggunakan Network Analyzer dengan hasil seperti pada Gambar 9, dimana pada frekuensi 2,346 GHz memiliki nilai return loss sebesar -10,003 dan pada frekuensi 2,454 GHz memiliki nilai return loss sebesar -10,004. Sementara nilai return loss pada frekuensi 2,412 GHz sebesar -17,823 dB. Nilai return loss antena ini sudah memenuhi target awal, dimana nilai return loss ditargetkan < -10 dB.

Gambar 9. Pengujian return loss

Dari hasil pengujian return loss tersebut maka dapat diketahui nilai bandwidth

𝑑𝑑𝑊𝑊 = 𝜀𝜀𝑃𝑃𝑝𝑝𝑝𝑝𝜀𝜀𝜀𝜀 − 𝜀𝜀𝑍𝑍𝑍𝑍𝑤𝑤𝜀𝜀𝜀𝜀

𝑑𝑑𝑊𝑊 = 2,454 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑊𝑊 − 2,346 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑊𝑊 = 0,108 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑊𝑊 𝑑𝑑𝑝𝑝𝐵𝐵𝑑𝑑𝑤𝑤𝐵𝐵𝑑𝑑𝐵𝐵ℎ = 108 𝑀𝑀𝐺𝐺𝑊𝑊

Pengujian Parameter Medan Jauh

Pada pengujian terhadap parameter medan jauh antenna meliputi pengujian pola radiasi dan gain. Untuk itu digunakan alat ukur Spectrum Analyzer.

Pengujian Pola Radiasi

Pola radiasi antean parabola adalah directional, dimana kuat sinyal yang diterima besar pada arah maju dan kecil pada belakang. Untuk mengetahui pola radiasi antena, antena harus diputar per 10⁰, dan pada titik itu diukur kuat medan yang diterima, Setelah selesai hasil pengukuran dibuat tabel menggunakan excel, dan dengan fungsi grafik radar maka dapat digmbarkan pola radiasi antena yang diukut. Hasil pengukuran dari antena yang dibuat dapat dilihat pada gambar 10. Dari situ terlihat bahwa pola radiasi antena ini sudah sesuai dengan harapan, yaitu directional.

Pengujian Gain

Gain antena didapatkan dengan melakukan pengukuran level sinyal antena mikrostrip, level sinyal antena mikrostrip dengan reflektor parabola dan level sinyal antena referensi. Antena referensi yang digunakan dalam pengukuran ini adalah antena horn yang memiliki gain 12 dB. Gambar 11 merupakan hasil pengujian gain mikrostrip rectangular tanpa parabola

Gambar 10. Pola Radiasi

C=6

cm D=25 cm

102 Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 2 tahun 2017: 97-103

Gambar 11. Gain Mikrostrip Rectangular Tanpa Parabola

Berdasarkan diatas didapat nilai level sinyal maksimum sebesar -26,92 dBm. Besar gain antena

𝐺𝐺 = 𝑃𝑃1 − 𝑃𝑃2 + 𝑃𝑃𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀

𝐺𝐺 = −26,92 − (−22,89) + 12 𝑑𝑑𝑑𝑑 = 7,97 𝑑𝑑𝑑𝑑 Sementara hasil pengujian nilai gain antena mikrostrip rectangular dua elemen dengan menggunakan parabola dapat dilihat pada Gambar 12

Gambar 12.Gain Mikrostrip Rectangular Dengan Parabola

Berdasarkan gambar di atas nilai level sinyal maksimum sebesar -20,68 dBm. Maka untuk mengetahui nilai gain dapat menggunakan persamaan:

𝐺𝐺 = 𝑃𝑃1 − 𝑃𝑃2 + 𝑃𝑃𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀

𝐺𝐺 = −20,68 − (−20,67) + 12𝑑𝑑𝑑𝑑 = 11,99 𝑑𝑑𝑑𝑑 Dari persamaan di atas dapat diketahui bahwa nilai gain dari mikrostrip dengan menggunakan parabola sebesar 11,99 dB. Terjadi peningkatan gain sebesar 4.02 dB dari nilai gain mikrostrip tanpa menggunakan parabola. Pengujian Kuat Sinyal

Pengujian ini dimaksudkan bahwa antena ini digunakan pada jaringan internet, dengan disambungkan langsnng pada perangkat wifi. Hasil kuat sinyal antena mikrostrip parabola dibandingkan dengan kuat sinyal yang diterima oleh antena akses point pada sisi penerima, seperti pada Tabel 1.

Tabel .1 Perbandingan Kuat Sinyal

Pengujian Throughput

Pengujian througput dimaksudkan adalah pengujian kuat sinyal internet yang diterima menggunakan antena microstrip parabola. Pengujian dilakukan dalam dua keadaan, yaitu dalam keadaan LOS dan NLOS.

Tabel 4.2 Nilai Throughput

Jarak (m) Throughput LOS (Mbps) Throughput NLOS(Mbps) 10 56,30 50,62 20 48,13 46,64 30 47,88 44,71 40 44.45 40,19 50 41,73 38,27 60 40,79 29,89 70 38,27 24,68 80 20,97 18.01 90 16,64 15,85 100 12,29 10,93 110 9,21 7,07 120 2,34 1,91

Kedua antena dapat melakukan transfer data dengan mentransfer file video sebesar 283 MB. Pada saat pengukuran, semakin jauh jarak yang ditempuh maka throughput akan semakin mengecil yang artinya waktu pengiriman file pun akan semakin lama.

5. Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian dan proses pembuatan tugas akhir ini dapat disimpulkan bahwa :

1. Antena parabola feed point mikrostrip rectangular array 2 elemen memiliki range frekuensi 2,346 GHz-2,454 GHz dan bekerja secara optimum di frekuensi 2,412 GHz.

2. Antena parabola dengan feed point mikrostrip rectangular array 2 elemen memiliki nilai VSWR 1,294 dan nilai return loss<-17,823 dB.

3. Penambahan antena parabola sebagai reflektor antena mikrostrip rectangular array 2 elemen terbukti mampu memperbesar nilai gain dari antena mikrostrip sebesar 4,02 dB.

6. Daftar Acuan

Antena

Kuat Sinyal

Transmitter Receiver

Access Point ^Mikrostrip Parabola

65 dB Mikrostrip

Parabola ^{Access Point}

[1]. Balanis, Constantine A. (2005). Antenna Theory Analysis and Desain 3^rd edition. New York. Wiliey Inter Science

[2]. Hidayatulloh, Arif. (2013). Perancangan Dan Realisasi Antena Reflektor Parabola Dengan Feed Point Mikrostrip Untuk Stasiun Bumi Satelit Nano Iinusat-1. Tugas Akhir Institut Teknologi Telkom.

[3]. http://opensource.telkomspeedy.com/wiki/index.ph p/Coax [Diakses pada 31 Mei 2016]

[4]. Junita, Rati. (2013). Infrastruktur Jaringan Wi-Fi (Wireless Fidelity). Palembang. Universitas Bina Darma.

[5]. Winarno, Idris. (2008). Pembuatan Antena Wajan Bolik. Surabaya. ITS

[6]. Yurandi, Nugraha. (2013). Perancangan Dan Implementasi reflektor Antena Wifi Dengan Frekuensi 2,4 GHz. Bandung. Jurnal Reka Elkomika.

Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro Volume 2 tahun 2017: 104-108

104