RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH
CIRCULAR (2,45 GHZ) DENGAN TEKNIK PLANAR
ARRAY SEBAGAI PENGUAT SINYAL WI-FI
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana ( S-1 ) pada Departemen Teknik Elektro Sub Jurusan
Teknik Telekomunikasi
Oleh:
NIM : 100422024 NERONZIE JULARDI
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH CIRCULAR (2,45 GHZ) DENGAN TEKNIK PLANAR
ARRAY SEBAGAI PENGUAT SINYAL WI-FI
Oleh :
100422024 NERONZIE JULARDI
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PPSE FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada Tanggal 10 Bulan Januari Tahun 2013 di depan penguji :
1. Ketua Penguji : Naemah Mubarakah, ST.MT 2. Anggota Penguji : Rahmad Fauzi, ST.MT 3. Anggota Penguji : Ir. M. Zulfin,MT
Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir
NIP. 197808262003121001 Ali Hanafiah Rambe, ST.MT
Diketahui Oleh :
Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU
ABSTRAK
Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat
perkembangannya dalam sistem telekomunikasi, sehingga banyak diaplikasikan
pada peralatan-peralatan telekomunikasi modern saat ini. Salah satunya digunakan
sebagai WI-FI. Wi-Fi (Wireless Fidelity) adalah koneksi tanpa kabel seperti
handphone dengan menggunakan teknologi radio sehingga pemakainya dapat
mentransfer data dengan cepat dan aman. Adapun penggunaan antena ini dapat
mengakses jaringan wi-fi dari ruang kelas keseluruh kampus atau dari kantor ke
kantor yang berlainan dan antar gedung.
Tugas Akhir ini dirancang bangun sebuah antena mikrostrip patchcircular
yang disusun secara planar array yang digunakan sebagai penguat WI-FI. Untuk
merancang antena ini dilakukan dengan menggunakan Simulator Ansoft High
Frequency Structure Simulator (HFSS) V.10. Hasil yang diperoleh dari rancang
bangun antena mikrostrip yang disusun secara planar array berupa VSWR
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur penulis haturkan kehadiran Allah S.W.T yang telah
memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi segala cobaan dan
rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, selanjutnya shalawat beriring
salam penulis hadiahkan kepada nabi dan rasul akhir zaman Muhammad S.A.W.
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan
untuk memenuhi persyaratan menyelasaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di
Departemen Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini
adalah:
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH CIRCULAR (2,45 GHZ) DENGAN TEKNIK PLANAR ARRAY SEBAGAI PENGUAT SINYAL WI-FI
Selanjutnya Tugas Akhir ini Penulis persembahkan buat ayahnda dan ibunda
tercinta yang telah mengorbankan segalanya buat anaknya yang tercinta. Semoga
dengan segala pengorbanannya Allah membalasnya dengan memudahkan segala
urusannya baik didunia maupun diakhirat kelak.
Selama penulis menjalani masa pendidikan dikampus ini hingga
diselesaikan-nya Tugas Akhir ini, penulis badiselesaikan-nyak menerima bantuan, bimbingan, dan
dukungan dari berbagai pihak, untuk itu dalam kesempatan ini penulis mengucap-
kan terima kasih kepada:
1. Bapak Ali Hanafiah Rambe,ST.MT selaku Dosen Pembimbing Tugas
Akhir yang dengan ikhlas dan sabar membimbing penulis hingga Tugas
2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si selaku Ketua Departemen Teknik
Elekto.
3. Bapak Rahmat Fauzi, ST.MT selaku Sekretaris Departemen Teknik
Elekrto Fakultas Teknik.
4. Bapak Ir.Arman Sani, MT yang telah memberikan saran dan masukan
kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
5. Kepada Bapak dan Ibu tercinta yang telah mengantarkan doa, perhatian,
semangat dan segalanya sehingga penulisan Tugas Akhir ini dapat
terselesaikan. Dan saudara-saudara penulis tercinta Nicell Julardi dan
Nevo Julardi terima kasih atas perhatian dan doanya.
6. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah member bekal ilmu kepada penulis
selama menjalani perkuliahan.
7. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Universitas
Sumatera Utara, khususnya buat Bang Divo dan Bang Martin terima kasih
atas semua bantuannya.
8. Sahabat sekaligus teman terbaik Bang Wira Indani terima kasih atas semua
bantuannya, semoga Allah membalas semua kebaikan walaupun entah
dimana kita nantinya jangan lupa saling menasehati untuk kebaikan.
9. Sahabat-sahabat ekstensi 2010: Astrid, Edward, Roland, Franklin, Saipul,
Ginda, Yoland, Fauziah, Nata, Bang Doni, Dontri, Eljas, Iwan, Juhendra,
Ami, Reni, Gita, Ramando, Bang Hatta, Raihan, Nova, Winny, Masta, dan
kalian berikan kepada penulis selama kukiah, semoga silaturahim kita
terus terjaga.
10. Semua pihak yang tidak sempat penulis satu persatu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan, baik
dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu saran dan kritikan dengan
tujuan penyempurnaan dan pengembangan penelitian dalam bidang ini sangat
penulis harapkan.
Akhir kata penulis mohon perlidungan pada Allah SWT, semoga Tugas Akhir
ini bermanfaat bagi pembaca sekalian terutama buat penulis sendiri.
Medan, November 2012
Penulis
Nim. 100422024 Neronzie Julardi
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
BAB I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penulisan ... 2
1.4 Batasan Masalah... 2
1.5 Metode Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II. TEORI DASAR ANTENA DAN WI-FI ... 5
2.1 Umum ... 5
2.2 Model Cavity ... 6
2.3 Antena Mikrostrip Patch Circular ... 9
2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip ... 11
2.4.1 Bandwith Antena ... 12
2.4.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) ... 14
2.4.3 Return Loss ... 15
2.4.4 Pola Radiasi Antena ... 15
2.4.4.1 Pola Radiasi Antena Omnidirectional ... 15
2.4.4.2 Pola Radiasi Antena Sectoral ... 16
2.4.4.3 Pola Radiasi Antena Directional ... 17
2.4.6 Gain Antena ... 18
2.4.7 Keterarahan (Directivity) ... 20
2.5 Teknik Pencatuan ... 21
2.6 Teknik Array ... 23
2.7 Impedance Matching ... 25
2.8 Power Divider ... 26
2.9 T-Juntion 50 Ohm ... 26
2.10 WI-FI (Wireless Fidelity) ... 27
2.10.1 Keunggulan dan Kelemahan Jaringan Wireless ... 29
2.11 Ansoft High Frequency Strukture Simulator V. 10 ... 29
2.12 Aplikasi Antena Mikrostrip... 30
BAB III. PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP PACTH CIRCULAR ... 33
3.1 Umum ... 33
3.2 Peralatan Yang Digunakan ... 33
3.3 Perancangan Antena Elemen Tunggal ... 34
3.3.1 Menentukan Karakteristik Antena ... 36
. 3.3.2 Jenis Substrat Yang Digunakan ... 36
3.3.3 Perancangan Dimensi Patch Circular Elemen Tunggal ... 37
3.3.4 Perancangan Lebar Saluran Pencatu ... 37
3.3.5 Simulasi ... 38
3.4 Perancangan Antena 4 Elemen Planar Array ... 43
3.4.1 Pengaturan Jarak Antar Elemen ... 44
3.4.2 Perancangan T-Junction ... 45
BAB IV. PENGUJIAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH CIRCULAR 4
ELEMEN PLANAR ARRAY ... 55
4.1 Umum ... 55
4.2 Fabrikasi Antena Mikrostrip Patch Circular ... 55
4.3 Perlengkapan Yang Digunakan ... 57
4.4 Pengujian Parameter Antena ... 58
4.4.1 Pengujian Gain Antena Mikrostrip PatchCircular 4 Elemen ... 58
4.4.2 Mengamati Pengujian ... 59
4.4.3 Hasil pengujian ... 60
4.5 Analisa Pencapaian Spesifikasi Antena ... 65
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 67
5.1 Kesimpulan ... 67
5.2 Saran ... 68
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Antena sebagai peralatan transisi ... 6
Gambar 2.2 Distribusi muatan dan densitas arus yang terbentuk pada patch Mikrostrip ... 7
Gambar 2.3 Antena mikrostrip patch circular ... 9
Gambar 2.4 Rentang frekuensi yang menjadi bandwith ... 12
Gambar 2.5 Bentuk pola radiasi antena omnidirectional ... 16
Gambar 2.6 Bentuk pola radiasi antena sectoral ... 17
Gambar 2.7 Bentuk pola radiasi antena directional ... 17
Gambar 2.8 Teknik pencatuan metode proximity coupling ... 23
Gambar 2.9 Antena mikrostrip dengan teknik array ... 24
Gambar 2.10 N-way Wilkinson Combiner ... 26
Gambar 2.11 T-junction 50 ohm ... 27
Gambar 2.12 Mikrostrip pada Wimax ... 30
Gambar 2.13 Mikrostrip pada W-LAN ... 31
Gambar 2.14 Mikrostrip pada Bandpass Filter... 31
Gambar 2.15 Mikrostrip pada Mobile Satelite ... 32
Gambar 3.1 Diagram alir perancangan patch elemen tunggal ... 35
Gambar 3.2 Tampilan TXLine 2003 untuk mencari dimensi saluran pencatu ... 37
Gambar 3.3 Model antena mikrostrip patch circular elemen tunggal ... 38
Gambar 3.4 Grafik VSWR hasil simulasi awal ... 40
Gambar 3.5 Grafik VSWR hasil iterasi elemen tunggal ... 42
Gambar 3.6 Grafik gain hasil iterasi antena elemen tunggal ... 43
Gambar 3.7 Diagram alir perancangan antena mikrostrip 4 elemen planar array .... 44
Gambar 3.9 Model antena mikrostrip patch circular 4 elemen planar array ... 47
Gambar 3.10 Grafik VSWR hasil awal simulasi 4 elemen ... 48
Gambar 3.11 VSWR hasil iterasi jarak antar elemen ... 50
Gambar 3.12 Gain hasil iterasi jarak antar elemen ... 52
Gambar 3.13 Rancangan geometri antena 4 elemen planar array ... 54
Gambar 4.1 Antena mikrostrip patch circular yang telah difabrikasi ... 56
Gambar 4.2 Rangkaian pengujian antena mikrostrip patchcircular 4 elemen... 58
Gambar 4.3 Pengujian menggunakan antena dipole ... 59
Gambar 4.4 Pengujian menggunakan antena mikrostrip patch circular 4 elemen .... 60
Gambar 4.5 Access point didapat menggunakan antena dipole ... 61
Gambar 4.6 Access point didapat menggunakan antena mikrostrip 4 elemen ... 61
Gambar 4.7 Level sinyal penerimaan menggunakan antena dipole ... 63
Gambar 4.8 Level sinyal penerimaan menggunakan antena mikrostrip 4 elemen .... 64
DAFTAR TABEL
Tabel2.1 Channel pada Wifi ... 28
Tabel 3.1 Spesifikasi substrat yang digunakan ... 36
Tabel 3.2 Hasil Iterasi Dimensi Patch Elemen Tunggal ... 41
Tabel 3.3 Hasil Iterasi Lebar Pencatu Elemen Tunggal ... 41
Tabel 3.4 Hasil iterasi jarak antar elemen ... 49
Tabel 3.5 Perbandingan parameter antena elemen tunggal dan 4 elemen ... 52
ABSTRAK
Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat
perkembangannya dalam sistem telekomunikasi, sehingga banyak diaplikasikan
pada peralatan-peralatan telekomunikasi modern saat ini. Salah satunya digunakan
sebagai WI-FI. Wi-Fi (Wireless Fidelity) adalah koneksi tanpa kabel seperti
handphone dengan menggunakan teknologi radio sehingga pemakainya dapat
mentransfer data dengan cepat dan aman. Adapun penggunaan antena ini dapat
mengakses jaringan wi-fi dari ruang kelas keseluruh kampus atau dari kantor ke
kantor yang berlainan dan antar gedung.
Tugas Akhir ini dirancang bangun sebuah antena mikrostrip patchcircular
yang disusun secara planar array yang digunakan sebagai penguat WI-FI. Untuk
merancang antena ini dilakukan dengan menggunakan Simulator Ansoft High
Frequency Structure Simulator (HFSS) V.10. Hasil yang diperoleh dari rancang
bangun antena mikrostrip yang disusun secara planar array berupa VSWR
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Telekomunikasi adalah salah satu bidang yang memiliki peranan penting pada
abad ini. Dengan telekomunikasi orang saling bertukar informasi satu dengan
yang lainnya. Salah satu bagian utama dalam sistem telekomunikasi radio adalah
antena. Teknologi telekomunikasi saat ini terus mengalami perkembangan. Hal ini
juga didukung dengan perkembangan antena yang dapat memenuhi kebutuhan
teknologi tersebut. Berbagai antena yang telah banyak dikembangkan untuk
beragam aplikasi, salah satunya adalah antena Mikrostrip.
Antena mikrostrip adalah suatu antena konduktor metal yang menempel di
atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip
terdiri atas 3 komponen yaitu: groundplane, substrat, 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 diintergrasikan.
Gain dari antena mikrostrip dapat diperbesar dengan menambah patch secara
array, sehingga membentuk antena mikrostrip array. Antena mikrostrip array
adalah pengembangan dari antena mikrostrip yang merupakan gabungan dari
beberapa elemen peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Antena mikrostrip
array dapat berbentuk seri, paralel, atau gabungan dari keduanya. Kelebihan
antena mikrostrip array ini dibandingkan dengan antena mikrostrip biasa adalah
Ada beberapa macam konfigurasi antena array, diantaranya linear, planar,
dan circular. Masing-masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya linear
array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan
planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola
radiasi.
Pada tugas akhir ini, akan dibahas tentang perancangan antena Mikrostrip
patch circular dengan teknik planar array sebagai penguat sinyal wifi pada
frekuensi 2.45 GHz. Parameter-parameter utama yang akan dianalisis adalah
VSWR (Voltage Standing WaveRatio) dan gain.
1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan
yaitu:
1. Bagaimana merancang antena mikrostrip patch circular yang tersusun
secara planar array ?
2. Apa manfaat antena mikrostrip patchcircularplanar array ?
3. Bagaimana menguji kinerja antena dari hasil rancang bangun antenna
tersebut?
1.3 Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah merancang antena mikrostrip patch circularyang disusun secara planar array sebagai penguat sinyal wifiyang dapat
bekerjapada frekuensi 2,4 GHz.
1.4 Batasan Masalah
Agar pembahasan lebih terarah, maka pembahasan pada Tugas Akhir ini
1. Hanya membahas antena mikrostrip patch circular secara umum.
2. Analisa parameter antena mikrostrip patch circular meliputi gain dan
VSWR.
3. Susunan antena secara planar array yang dibahas hanya 2 x 2.
4. Perancangan antena dilakukan dengan bantuan software Ansoft HFSS V.
10
1.5 Metode Penulisan
1. Studi Literatur
Dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik Tugas Akhir
yang terdiri dari buku-buku referensi baik yang memilki oleh penulis atau
dari perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, layanan internet, dan
lain-lain.
2. Studi Bimbingan
Melakukan diskusi dengan dosen pembimbing dan para dosen lainnya
tentang topik Tugas akhir ini.
3. Merencanakan dan Merancang
Yaitu proses pembuatan antena mulai dari pemilihan bahan dan peralatan
yang dibutuhkan untuk membuat antena mikrostrip patch circular dengan
teknik planar array.
4. Pengukuran dan Analisa
yaitu serangkaian proses yang dilakukan untuk mengetahui apakah antena
yang telah dirancang telah bekerja sesuai dengan apa yang diharapkan.
Serta mengumpulkan dan menyimpulkan hasil data yang telah didapat
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini secara singkat,
maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan,
serta sistematika penulisan.
BAB II :
TEORI DASAR ANTENA DAN WI-FI
Bab ini berisi penjelasan tentang antena secara umum dan uraian
mengenai teknik planar array, wi-fi,serta teknik pencatuan.
BABIII: PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA
MIKROSTRIP PATCH CIRCULAR
Bab ini berisi mengenai perancangan dan pembuatan antena
mikrostrip patch circular yang disusun secara planar dan simulasi
menggunakan software Ansoft (HFSS) V.10.
BABIV: PENGUJIAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH
CIRCULAR DENGAN TEKNIK PLANAR ARRAY
Bab ini berisi mengenai pengujian antena mikeostrip patch circular
yang disusun secara planar array. Prosedur pengujian peralatan yang
digunakan.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil
BAB II
TEORI DASAR ANTENA DAN WI-FI
2.1 Umum
Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas
energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai
penerima energi itu dari ruang bebas. Antena merupakan bagian yang penting
dalam sistem komunikasi sehari-hari. Antena kita jumpai pada pesawat televisi,
telepon genggam, radio, dan lain-lain.
Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran
transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Saluran transmisi
adalah alat yang berfungsi sebagai penghantar atau penyalur energi gelombang
elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi yang
tak terhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang uniform
sepanjang saluran itu. Jika saluran ini dihubung singkat maka akan muncul
gelombang berdiri yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan
gelombang yang dipantulkan. Jika gelombang datang sama besar dengan
gelombang yang dipantulkan akan dihasilkan gelombang berdiri murni.
Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi
listrik seluruhnya ke energi magnet total dua kali setiap periode gelombang itu.
Gambar 2.1 memperlihatkan sumber atau pemancar yang dihubungkan
dengan saluran transmisi AB ke antena[1]. Jika saluran transmisi disesuaikan
dengan impedansi antena, maka hanya ada gelombang berjalan ke arah B saja.
resonator. Di daerah antena energi diteruskan ke ruang bebas sehingga daerah ini
merupakan transisi antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas[1].
Gambar 2.1 Antena sebagai peralatan transisi
2.2 Model Cavity
Untuk dapat menganalisis sebuah antena mikrostrip, maka diperlukan sebuah
pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena ke dalam sebuah kondisi
persamaan yang dapat dianalisis secara akurat. Berbagai pemodelan untuk antena
mikrostrip tersebut telah banyak dikembangkan dan satu diantaranya yang popular
adalah model cavity.
Pada model cavity, daerah interior yaitu ruang antara patch dan bidang
pentanahan diasumsikan sebagai sebuah ruang (cavity) yang dilingkari oleh suatu
dinding magnetik sepanjang tepinya, dan diapit oleh dinding elektrik dari atas dan
bawah. Model cavity dari sebuah antena mikrostrip diperlihatkan pada Gambar Gel. ruang bebas teradiasi
antena sal. transmisi
2.2. Beberapa asumsi model cavity berdasarkan observasi dari substrat tipis (h ≪
λo)[2]:
a. Medan elektrik E hanya terdiri atas komponen z, dan medan magnetik H
terdiri atas komponen transverse (komponen x dan y) di dalam daerah
yang dibatasi oleh patch dan bidang pentanahan.
b. Medan-medan dalam daerah ini tidak berubah-ubah (bebas) terhadap
koordinat z untuk semua frekuensi yang digunakan.
c. Komponen tangensial H sepanjang tepi diabaikan.
d. Memasukkan medan tepi (fringing field) dalam perhitungan dengan sedikit
memperlebar tepi-tepi.
Dengan peninjauan seperti diatas, maka Persamaan 2.1-2.4 Maxwel untuk
daerah diantara patch dengan bidang pentanahan dituliskan sebagai berikut:
���= −����� 2.1
��� =����+� 2.2
� .�= �� 2.3
� .�= � 2.4
Dimana � adalah permitivitas dari substrat,��adalah permeabilitas ruang
hampa,dan J adalah rapat arus.
Gambar 2.2 Distribusi muatan dan densitas arus yang terbentuk pada patch
Ketika suatu patch (elemen peradiasi) diberikan daya, maka akan terjadi
distribusi muatan seperti yang terlihat pada bagian atas dan bawah permukaan
elemen peradiasi dan pada bagian bidang pentanahan (Gambar 2.2). Distribusi
muatan ini diatur dengan dua mekanisme yaitu mekanisme tarik-menarik dan
mekanisme tolak-menolak. Mekanisme tarik–menarik terjadi antara dua muatan
yang berlawanan yaitu antara muatan yang terdapat pada bagian bawah dari
elemen peradiasi dengan muatan yang terdapat pada bidang pentanahan. Hal
tersebut akan membantu menjaga agar konsentrasi muatan tetap ada pada bagian
bawah elemen peradiasi. Mekanisme tolak-menolak terjadi antar muatan yang
terdapat pada bagian bawah elemen peradiasi. Hal tersebut akan menyebabkan
beberapa muatan terdorong dari bagian bawah patch ke bagian atas dari patch.
Pergerakan muatan ini akan menyebabkan arus mengalir pada bagian bawah dan
atas dari elemen peradiasi.
Model analisis cavity mengasumsikan bahwa perbandingan ketebalan
dengan lebar (ketebalan substrat dan lebar elemen peradiasi) sangat kecil dan
akibatnya, mekanisme tarik-menarik antar muatan akan mendominasi dan
menyebabkan sebagian besar konsentrasi muatan dan arus akan terjadi pada
bagian bawah dari permukaan patch. Ketika perbandingan height to width
semakin menurun arus yang berada pada bagian atas permukaan elemen peradiasi
akan mendekati nol, sehingga tidak akan terbentuk komponen tangensial medan
magnetik pada tepi elemen peradiasi. Empat dinding sisi antena dapat dimodelkan
sebagai permukaan konduktor magnetik yang sempurna. Hal ini menyebabkan
distribusi medan magnet dan medan listrik yang terdapat pada elemen peradiasi
medan magnetik tidak akan sama dengan nol tetapi memiliki nilai yang sangat
kecil dan dinding sisi antena bukan merupakan konduktor magnetik yang
sempurna karena dinding cavity (dalam hal ini merupakan material substrat)
lossless, cavity tidak akan beradiasi dan sifat dari impedansi masukannya akan
murni reaktif [2].
2.3 Antena Mikrostrip Patch Circular
Antena mikrostrip dengan patch circular memilki performa yang sama
dengan antena mikrostrip patch segiempat. Pada aplikasi tertentu, seperti array,
patch circular ini akan menghasilkan keuntungan dibandingkan dengan patch
yang lainnya. Antena mikrostrip dengan patch circular ini akan lebih mudah
dimodifikasi untuk menghasilkan jarak nilai impedansi, pola radiasi, dan
frekuensi kerja. Untuk menganalisis antena mikrostrip patch circular ini banyak
metode yang telah digunakan, termasuk diantaranya dengan menggunakan model
rongga (cavity model). Untuk lebih memahami antena mikrostrip patch circular
ini dapat dilihat pada Gambar 2.3.[3].
patch feed
patch
feed
grounplane
Substrate 1
Substrate 2
a. Tampilan mikrostrip circular dari atas b. Tampilan mikrostrip circular dari samping
Di dalam merancang antena mikrostrip patch circular ada pertimbangan
yang harus di perhatikan, yaitu pertimbangan memilih substrat untuk antena
mikrostrip patch circular sama seperti antena mikrostrip patch persegi panjang,
yaitu dimulai dengan memilih bahan dielektrik yang cocok dengan menyesuaikan
tingkat ketebalan h dan rugi-rugi garis singgung. Semakin tebal substrat, di
samping secara mekanik akan lebih kuat, akan meningkatkan daya radiasi,
mengurangi rugi-rugi konduktor, dan memperbaiki impedansi bandwidth.
Bagaimanapun hal ini juga akan meningkatkan berat, rugi dielektrik,
rugi-rugi gelombang permukaan, dan radiasi yang tidak berhubungan dari penyulang
pemeriksa. Konstanta substrat dielektrik εr memiliki fungsi yang sama seperti
ketebalan substrat. Nilai εr yang rendah akan meningkatkan daerah pinggir dari
keliling patch, sehingga akan meradiasikan daya. Oleh karena itu substrat dengan
nilai εr ≤ 2.5 lebih baik kecuali jika diinginkan ukuran patch yang lebih kecil.
Meningkatnya ketebalan substrat akan memiliki dampak yang sama ketika
menurunnya nilai εr dari karakteristik antena. Rugi-rugi garis singgung yang
tinggi akan meningkatkan rugi-rugi dielektrik dan oleh karena itu hal ini akan
menurunkan efisiensi antena. Bahan yang biasa digunakan sebagai substrat
diantaranya adalah honeycomb (εr = 1.07 ), duroid (εr = 2.32 ), quartz (εr = 3.8 ),
dan alumina (εr
Metalisasi patch dengan jari-jari ditentukan oleh kondisi resonansi dengan
Persamaan 2.5 di bawah ini :
= 10). Jadi substrat yang digunakan haruslah memiliki konstanta
dielektrik yang rendah. Hal ini bertujuan agar diperoleh efisiensi radiasi yang
lebih tinggi. Selain itu substrat yang semakin tebal akan meningkatkan impedansi
2.5
Dimana untuk mencari nilai jari-jari patch (a) digunakan Persamaan dibawah ini:
2.6
nilai dari a yang diinginkan pada frekuensi kerja (fr
�
=
8.794�109fr√��
2.7
) dan konstanta dielektrik
relatif (εr) didapatkan dengan menggunakan Persamaan 2.7 berikut ini[3]:
Untuk menentukan dimensi elemen peradiasi, maka terlebih dahulu harus
ditentukan frekuensi kerja (fr) yang digunakan untuk mencari panjang gelombang diruang bebas (�0) pada Persamaan 2.8:
�
0=
��
2.8
Setelah nilai (�0) diperoleh, maka panjang gelombang pada saluran transmisi mikrostrip (△ �) dapat dihitung dengan Persamaan 2.9:
△ �
=
�0√�� 2.9
Impedansi karakteristik antena mikrostrip ditentukan dengan Persamaan 2.10
sebagai berikut[3]:
���= 60△�� 2.10
Dimana : W : Diameter elemen peradiasi (mm).
2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip
Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-
parameter antena tersebut. Beberapa dari parameter tersebut saling berhubungan
menganalisis suatu antena adalah Bandwidth, Voltage Wave Standing Ratio
(VSWR), Gain antena, Impedansi masukan, Retrun loss, Pola radiasi dan
Keterarahan (Directivity) [2].
2.4.1 Bandwith Antena
Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana
kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti Voltage
Standing Wave Ratio (VSWR), Gain Antena, Impedansi Masukan, Retrun loss,
Pola radiasi dan Keterarahan (Directivity) memenuhi spesifikasi standar. Gambar
2.4 memperlihatkan grafik rentang frekuensi yang menjadi bandwidth[4].
Return loss
bandwith
-10dB
Gambar 2.4 Rentang frekuensi yang menjadi bandwith
Dalam menentukan bandwidth antena penting untuk menspesifikasikan
kriteria apa saja yang digunakan karena tidak terdapat definisi yang baku dari
bandwidth. Jadi, bandwidth suatu antena ditentukan oleh parameter apa yang
digunakan. Beberapa definisi dari bandwidth yang berhubungan dengan antena
mikrostrip adalah [4]:
a. Impedance bandwidth adalah rentang frekuensi tertentu dimana patch
antena matching dengan saluran catunya. Hal ini terjadi karena impedansi
menurut frekuensi. Kondisi matching dari suatu elemen antena dapat
dilihat dari retrun loss atau VSWR. Pada umumnya nilai retrun loss yang
diminta < -9,54 dBi atau VSWR <2, namun pada beberapa sistem ada
yang meminta retrun loss < -15 dBi atau VSWR<1,5.
b. Pattern bandwidth adalah rentang frekuensi dengan beamwidth, sidelobe,
atau gain memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus kita tentukan
sehingga besarnya bandwidth dapat ditentukan. Seperti property antena
lainnya, beamwidths, sidelobe, dan gain juga bervariasi menurut frekuensi.
c. Axial Ratio Bandwidth (ARBW) adalah rentang frekuensi dimana polarisi
(linier atau melingkar) masih terjadi. Dengan menentukan nilai maksimum
dari cross-polarization atau axial ratio, maka bandwidth antena dengan
polarisasi linier atau melingkar dapat ditentukan. Pada umumnya nilai
batas ARBW <3. Nilai ARBW yang semakin mendekati 1 menunjukkan
polarisasi antena yang semakin melingkar.
Bandwidth (BW) antena biasanya ditulis dalam bentuk persentase bandwidth
karena bersifat relative lebih konstan terhadap fekuensi dan dirumuskan pada
Persamaan 2.11[4]:
��
=
�2−�1��
�
100%
2.11Dengan : f1
f
= frekuensi tertinggi dalam band (GHz).
2
f
= frekuensi terendah dalam band (GHz).
2.4.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR adalah perbandingan antara ampiltudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V| max) dengan minimum (|V| min). Pada saluran transmisi ada
dua komponen (Vo+) dan tegangan yang direfleksikan (Vo
Γ
=
�0−�0+
=
��−�0��+�0
2.12
). Perbandingan antara
tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan tersebut sebagai
koefisien refleksi tegangan (Γ) menggunakan Persamaan 2.12[5]:
Dimana ZL
Γ
adalah impedansi beban (load) dan Zo adalah impedansi
saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang
merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa
kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka:
•Γ=−1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat.
•Γ=0 :tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matching sempurna.
•Γ=+1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah dengan Persamaan 2.13[5]:
���� =|��|��� |��|��� =
1+|Γ|
1−|Γ|
2.13
Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (VSWR=1) yang berarti
tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun
kondisi ini pada prakteknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR
2.4.3 Return Loss
Retrun loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirim. Retrun loss
digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan
(Vo- ) sebanding dengan gelombang yang dikirim (Vo+
�
=
|��|��� |��|���=
1+ |Γ|
1− |Γ|
=
����−1
����+1
2.14
). Retrun loss dapat terjadi
akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi
masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki
diskontinuitas (mismatched), besarnya Retrun loss bervariasi tergantung pada
frekuensi dengan menggunakan Persamaan 2.14-2.15[2].
����������= 20���10|Γ| 2.15
2.4.4 Pola Radiasi Antena
Pola radiasi antena atau pola antena didefinisikan sebagai fungsi matematik
atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi dari koordinat.
Disebagian besar kasus, pola radiasi ditentukan diluasan wilayah dan
direpresentasikan sebagai fungsi dari koordinat directional. Pola radiasi antena
adalah plot-3 dimensi distribusi sinyal yang dipancarkan oleh sebuah antena atau
plot-3 dimensi tingkat penerimaan sinyal yang diterima oleh sebuah antena[5].
2.4.4.1 Pola Radiasi Antena Omnidirectional
Antena Omnidirectional mempunyai sifat umum radiasi atau pancaran
sinyal yang digambarkan seperti bentuk kue donat (doughout) dengan pusat
berimpit. Antena Omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi 3600
gain sekitar 3-12 dBi, yang digunakan untuk hubungan Point-To-Multi-Point
(P2Mp) atau satu titik ke banyak titik di sekitar daerah pancaran. Yang bekerja
dari jarak 1-5 km, akan menguntungkan jika client atau penerima menggunakan
antena directional atau antena yang terarah. Gambar 2.5 merupakan gambaran
secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional[6].
Gambar 2.5 Bentuk pola radiasi antena omnidirectional
2.4.4.2 Pola Radiasi Antena Sectoral
Antena Sectoral hampir mirip dengan antena omnidirectional, yang juga
digunakan untuk hubungan Point-to Multi-Point (P2Mp) links. Beberapa antena
sectoral dibuat vertikal dan ada juga yang horizontal. Antena ini mempunyai gain
yang lebih besar dibandingkan dengan antena omnidirectional yaitu 10-20 dBi,
yang bekerja pada jarak atau area 6-8 km. Sudut pancaran antena ini adalah 450
-1800 dan tingkat ketinggian pemasangannya harus diperhatikan agar tidak terdapat
kerugian dalam penangkapan sinyal. Gambar 2.6 merupakan gambaran secara
Gambar 2.6 Bentuk pola radiasi antena sectoral
2.4.4.3 Pola Radiasi Antena Directional
Antena directional mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat
menjangkau jarak yang relatif jauh. Jenis antena ini digunakan pada sisi client
(penerima) dan mempunyai gain yang sangat tinggi yang diarahkan ke titik
sumber pancaran sinyal. Contoh yang biasa digunakan dari jenis antena ini yaitu
yagi digunakan untuk jarak pendek karena penguatannya rendah dan mempunyai
penguatan antara 7-19 dBi, parabolic (parabola) digunakan untuk jarak menengah
atau sedang dan mempunyai penguatan antara 18-28 dBi, wajan bolic jenis antena
ini sering digunakan di sisi client (penerima) pada jaringan RT/RW-net. Gambar
2.7 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh
antena directional[6].
[image:30.595.138.494.585.724.2]2.4.5 Impedansi Masukan
Impedansi masukan dari suatu antena dapat dilihat sebagai impedansi dari
antena tersebut pada terminalnya. Impedansi masukan, (���) terdiri dari bagian
real (Rin)dan imajiner (Xin
Z
) dengan Persaamaan 2.16 [2].
in = ( Rin + j Xin
Resistansi masukan (R
) Ω 2.16
in
2.4.6 Gain Antena
) mewakili disisipi yang terjadi karena dua hal.
Pertama karena daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali lagi (radiasi),
yang kedua karena rugi-rugi ohmic yang terkait dengan panas pada struktur
antena. Namun pada banyak antena, rugi-rugi ohmic sangat kecil bila
dibandingkan dengan rugi-rugi akibat radiasi tersimpan pada medan dekat antena.
Kondisi matchingharus dibuat sedemikian rupa sehingga mendekati 50 + j0Ω.
Gain adalah perbandingan antara rapat daya per satuan unit antena terhadap
rapat daya antena referensi dalam arah dan daya masukan yang sama. Gain suatu
antena berlainan dengan gain kutub empat, gain diperhatikan daya masukan ke
terminal antena. Gain didapat dengan menggunakan Persamaan 2.17[6] :
G =
η
x D 2.17Dimana : G : Gain antena (dBi)
η
:
Efisiensi antenaD : Directivity
Ada dua jenis parameter penguatan (Gain) yaitu absolute gain dan relative
antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika
daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Intensitas radiasi yang
berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara tropik sama dengan daya
diterima oleh antena (Pin
����
= 4
�
�(�,�)���
2.18
) dibagi 4
π
.
Absolute gain ini dapat dihitung denganPersamaan2.18[7]:
Dimana : �(�,�) : Intensitas radiasi pada arah tertentu
Pin : Intensitas radiasi yang diterima
Selain absolute gain juga ada relative gain. Relative gain didefenisikan
sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan
daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan
harus sama di antara kedua antena itu. Akan tetapi, antena refensi merupakan
sumber isotropic yang lossless (Pin(lossless)). Secara rumus dapat dihubungkan
pada Persamaan 2.19[7] :
����
=
�
4��(�,�)�����������
2.19
Adapun cara lain untuk menghitung gain antena yaitu dengan mengguna-
kan bantuan perangkat lunak tertentu. Perhitungan ini dilakukan berdasarkan level
penerimaan sinyal. Untuk menghitung gain dapat dilihat pada Persamaan 2.20
berikut ini:
Dimana: Ga : Gain total antena
Pa : Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dBm)
Ps : Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dBm)
Gs : Gain antena referensi
2.4.7 Keterarahan (Directivity)
Keterarahan dari sebuah antena dapat didefenisikan sebagai perbandingan
(rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi
rata-rata pada semua arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya
yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Jika arah tidak ditentukan, arah
intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud. Keterarahan ini
dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.21 berikut ini [2] :
� = �
�0 =
4��
���� 2.21
Dan jika arah ini tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi
maksimum yang didapat dengan Persamaan 2.22[2] :
���� =�0 = ����� 0 =
4�����
���� 2.22
Keterangan :
D = keterarahan
D0
U = intensitas radiasi maksimum = keterarahan maksimum
Umax
U
= intensitas radiasi maksimum
0
P
= intensitas radiasi pada sumber isotropic
Adapun cara lain untuk menghitung directivity single slot dapat dicari dengan
menggunakan Persamaan 2.23 berikut ini:
� =4�
2�2
�02�1
2.23
Dimana nilai �1 dapat dihitungan dengan menggunakan Persamaan 2.24 berikut
ini:
�1 = �
120�2�2
90�02 2.24
Setelah nilai directivity didapat maka nilai directivity susunnya dapat dicari
dengan menggunakan Persamaan 2.25 sebagai berikut:
������ = 2� 2.25
Setelah directivity ditentukan maka didapatlah nilai directivity total untuk
menghitung besarnya directivity total dapat dicari dengan menggunakan Persama-
an 2.26 sebagai berikut:
������ = ������× ������� 2.26
Keterangan:
�������= banyak elemen yang akan dirancang
2.5 Teknik Pencatuan
Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dapat dibagi menjadi
2, yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak
langsung (electromagnetic coupling). Pada awalnya pencatuan secara langsung
banyak digunakan karena mempunyai kelebihan, yaitu sangat sederhana dalam
terdapat pada pencatuan ini, seperti sangat sulit jika antena mikrostrip akan
disusun secara array dan antena mikrostrip akan menghasilkan pita frekuensi atau
bandwidth yang sempit sekitar 2% - 5% [3].
Dengan kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya
diperkenalkan apa yang disebut pencatuan tidak langsung atau electromagnetic
coupling. Keuntungan dari teknik pencatuan ini adalah dapat memperlebar
bandwidth dan dapat mengurangi proses penyolderan.
Dengan teknik pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling)
tidak ada kontak langsung antara saluran transmisi dengan elemen peradiasinya.
Ada dua teknik teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada pencatuan ini,
yaitu proximity coupling yang diperkenalkan oleh Oltman dan Huebner pada
tahun 1981 dan aperture coupling yang diperkenalkan oleh Pozar, Grunoa dan
Wolf pada tahun 1986[3].
Untuk rancang bangun antena mikrostrip ini digunakan teknik pencatuan
proximity coupling. Pada teknik pencatuan ini saluran transmisi (feedline)
diletakan pada posisi yang lebih rendah dari patch, lebih tepatnya dibawah patch,
mekanisme penggandengan yang akan timbul akan,seperti terlihat pada Gambar
2.8. Pendekatan ini digunakan dua buah substrat, dimana patch pada substrat
bagian atas dengan bidang pentanahannya dihilangkan seluruhnya dan substrat
Gambar 2.8 Teknik pencatuan metode proximity coupling
2.6 Teknik Array
Antena mikrostrip memiliki beberapa kelebihan seperti memiliki bentuk
yang sederhana, efisien, ekonomis, dan mudah pembuatannya. Namun demikian
antena mikrostrip ini juga memiliki kelemahan yang sangat mendasar, yaitu
bandwidth yang sempit, keterbatasan gain, dan daya yang rendah. Hal ini dapat
diatasi dengan menambah patch secara array.
Antena mikrostrip array merupakan gabungan dari beberapa elemen
peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Antena mikrostrip array dapat
berbentuk seri, paralel, atau gabungan keduanya. Dalam antena mikrostrip patch,
yang disusun secara array adalah bagian patch. Medan total dari antena array
ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen
tunggal. Untuk membentuk pola yang memiliki keterarahan tertentu, diperlukan
medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruktif pada arah yang
diinginkan dan berinterferensi secara destruktif pada arah lain.
Ada beberapa macam konfigurasi antena array, diantaranya linear, planar,
dan circular. Masing masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya linear
planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola
radiasi.
Antena mikrostrip bentuk array memiliki beberapa kelebihan dibanding
dengan antena mikrostrip konvensional. Kelebihannya yaitu memiliki bandwidth
dan gain yang lebih besar. Disamping memiliki kelebihan, antena jenis ini juga
memiliki kelemahan, yaitu membutuhkan suatu jalur transmisi/pencatu antara
elemen peradiasi dan input connector untuk mengurangi rugi-rugi sehingga
mengurangi efisiensi antena.
Pada antena array terdapat Array Factor (AF) yang merupakan pengali dari
medan elektrik dari elemen tunggal. Array Factor inilah yang menentukan
bagaimana pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang diradiasikan oleh
antena tersebut. Gambar 2.9 menunjukkan antena mikrostrip dengan teknik array.
Teknik Planar Array
Teknik Linier Array
[image:37.595.140.500.441.731.2]Teknik Circular Array
2.7 Impedance Matching
Impedance matching merupakan cara atau teknik yang dipakai untuk
menyesuaikan dua impedansi yang tidak sama, yaitu impedansi karakteristik
saluran (Zo) dan impedansi beban (ZL
Transformator λ/4 adalah suatu teknik impedance matching dengan cara
memberikan saluran transmisi dengan impedansi Z
). Beban dapat berupa antena atau rangkaian
lain yang mempunyai impedansi ekivalen. Impedance matching mempunyai
peranan yang sangat penting untuk memaksimalkan transfer daya dari sumber
sinyal ke beban. Kondisi yang sesuai (match) antara impedansi karakteristik
saluran dengan beban akan menghasilkan transfer daya yang maksimal karena
redaman yang disebabkan daya pantul akan diminimalkan. Pada prinsipnya, untuk
menyesuaikan impedansi saluran dengan impedansi beban dilakukan dengan
menyisipkan suatu “transformator impedansi” yang berfungsi mengubah
impedansi beban sama dengan impedansi karakteristik saluran. Ada beberapa
bentuk atau model teknik penyesuaian impedansi ini, diantaranya adalah,
transformator λ/4, single stub tuner, double stub tuner, dan lumped circuit. Pada
Tugas Akhir ini digunakan teknik transformator λ/4[2].
T
�
�=
�0�����
2.27
di antara dua saluran
transmisi yang tidak match. Panjang saluran transformator ini λ/4 adalah sebesar
�= 14�� dimana λg merupakan panjang gelombang pada bahan dielektrik yang
besarnya dapat dihitung dengan Persamaan 2.27.
dimana λ0 adalah panjang gelombang pada ruang bebas. Nilai impedansi ZT dapat
�
�=
��
1�
3 2.282.8 Power Divider
Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran
transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider
(combiner). Dalam hal ini, metoda Wilkinson merupakan teknik yang umum
digunakan. Gambar 2.10 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson [8].
Z
Z
Z
Z Z0
1
2
1
3
N
R
R
R
R
R = Z0
Gambar 2.10 N-way Wilkinson Combiner
Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan Persamaan 2.29
berikut [8].
�= �0√� 2.29 dimana N adalah jumlah titik pencabangan.
2.9 T-Junction 50 Ohm
T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan
pada konfigurasi antena array. Terdapat dua jenis T-junction 50 Ohm yang dapat
Gambar 2.11 T-junction 50 ohm
2.10 WI-FI (Wireless Fidelity)
Wireless adalah koneksi suatu perangkat dengan perangkat lainnya tanpa
menggunakan kabel. Wireless internet merupakan koneksi internet yang
menggunakan frekuensi radio dan bekerja pada kecepatan tinggi yaitu 11-54
Mbps, jauh lebih cepat daripada layanan internet melalui telepon yang hanya
kecepatan maksimum 56 Kbps (milik telkom). Pemakaian wireless internet
memungkinkan akses internet selama 24 jam dengan biaya sangat murah karena
wireless internet tidak akan dikenakan pulsa, sehingga pemakai hanya dikenakan
biaya pembayaran kepada Internet Service Provider (ISP).[9]
Wifi kependekan dari Wireless fidelity, adalah sekumpulan standar yang
digunakan untuk jaringan lokal nirkabel (Wireless Local Area Network – WLAN).
Secara teknis operasional, wifi merupakan salah satu varian teknologi komunikasi
dan informasi yang bekerja pada jaringan dan perangkat WLAN (Wireless Local
Area Network). Dengan kata lain, wifi adalah nama dagang (certification) yang
diberikan pabrikan kepada perangkat telekomunikasi (internet) yang bekerja di
jaringan W-lan dan sudah memenuhi kualitas interoperability yang
Wifi adalah koneksi tanpa kabel seperti handphone dengan menggunakan
teknologi radio sehingga pemakainya dapat mentransfer data dengan cepat dan
aman. wifi hanya dapat di akses dengan komputer, laptop, PDA atau Cellphone
yang telah dikonfigurasi dengan wifi certified Radio.
Karena sistem wifi mengunakan transmisi frekuensi secara bebas, maka
pancaran sinyal yang ditransmit pada unit wifi dapat ditangkap oleh komputer lain
sesama pemakai wifi. Tentu kita tidak seseorang masuk kedalam jaringan Network
tanpa izin. Pada teknologi wifi ditambahkan juga sistem pengaman misalnya WEP
(Wired Equivalent Privacy) untuk pengaman sehingga antar komputer yang telah
memiliki otorisasi dapat saling berbicara. Pada frekuensi wifi, ada beberapa
channel yang diizinkan beroperasi masing-masing 5 MHz, diperlihatkan pada
[image:41.595.217.407.439.740.2]Tabel 2.1[9].
Tabel 2.1Channel pada wifi
Channel Frekuensi
1 2,412 MHz
2 2,417 MHz
3 2,422 MHz
4 2,427 MHz
5 2,432 MHz
6 2,437 MHz
7 2,442 MHz
8 2,447 MHz
9 2,452 MHz
10 2,457 MHz
11 2,462 MHz
12 2,467 MHz
13 2,472 MHz
14 2,477 MHz
15 2,482 MHz
16 2,487 MHz
2.10.1Keunggulan dan Kelemahan Jaringan Wireless
Jaringan wireless memiliki beberapa keunggulan dan kelemahan. Beberapa
keunggulannya diantaranya biaya pemeliharannya murah, infrastrukturnya ber-
dimensi kecil, pembangunannya cepat, mudah dikembangkan, mudah dan murah
untuk direlokasi dan mendukung portabelitas.
Sedangkan kelemahannya adalah biaya peralatan mahal, delay yang besar,
adanya masalah propagasi radio (terhalang bangunan, interferensi), kapasitas
jaringan terbatas, dan keamanan data (kerahasiaan) kurang terjamin[9].
2.11 Ansoft High Frequency Structure Simulator V.10
Banyak perangkat lunak (Software) simulasi yang digunakan dalam
menganalisis karakteristik antena mikrostrip. Salah satunya adalah Ansoft High
Structure Simulator V.10. Dalam Tugas Akhir ini, penulis menggunakan Ansoft
High Structure Simulator V.10 untuk menganalisis karakteristik antena mikrostrip
yang penulis buat dalam Tugas Akhir ini.
Ansoft High Structure Simulator V.10 juga merupakan dasar dari
perancangan desain yang menyarankan pemakai untuk mendesain model dan
mensimulasikan secara analog, RF, aplikasi mixed-signal, membentuk papan
sirkuit, dan memperformasikan sinyal tersebut. Dalam software ini
terbentuk-bentuk skematik dengan berbagai macam layout, dan mempunyai bermacam
bentuk visualisasi dan analisis data.
Ansoft HFSS V.10 menggunakan teknik Finite Elemen Method (FEM)
dalam menghitung parameter antena. FEM adalah sebuah teknik penyelesaian
dengan cara mendiskretisasi (membagi-bagi) volume dari antena menjadi bagian
Ukuran panjang sisi dari bagian-bagian tersebut maksimal harus lebih pendek
dari 1/10 panjang gelombang. Sehingga jika struktur yang akan dihitung
mempunyai dimensi yang sangat besar dibandingkan dengan panjang gelombang,
maka jumlah segitiga yang digunakan juga akan banyak, dan ini berarti jumlah
unknown atau dimensi matrix yang akan diinversikan juga akan bertambah.
2.12 Aplikasi Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip sudah banyak digunakan dalam era informasi saat ini.Umumnya aplikasi yang telah digunakan antara lain adalah Wimax, W-LAN,
bandpass filter, mobile satellite[4].
A. Wimax
Dalam penggunaan mikrostrip untuk Wimax yang bekerja pada frekuensi 2,3
[image:43.595.153.474.427.668.2]GHz yang ditunjukkan pada Gambar 2.12[4].
B. W-LAN
Antena mikrostrip yang digunakan adalah antenna mikrostrip planar array
yang berfungsi untuk menambah penguatan pada W-LAN.Antena mikrostrip
dalam penggunaan W-LAN dapat dilihat pada Gambar 2.13[4].
Gambar 2.13 Mikrostrip pada W-LAN
c. Bandpass Filter
Bandpass filter bertugas untuk menyaring sinyal yang berada ditengah, sinyal
rendah dan tinggi ditolak.Antena mikrostrip adalah teknologi yang paling fleksible
untuk merancang filter. Filter Hairpin berikut ini bekerja pada frekuensi 2,45 GHz
yang ditunjukkan pada gambar 2.14[10].
D. Mobile Satelite
Antena mikrostrip array ini digunakan pada sistem komunikasi mobile satellite
pada rentang frekuensi 2,5-2,6 GHz dapat dilihat pada gambar 2.15[4].
[image:45.595.192.430.182.392.2]
BAB III
PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH CIRCULAR
3.1 Umum
Pada bagian ini akan dirancang antena mikrostrip patch c i r c u l a r
p l a n a r array 4 elemen dengan pencatuan Electro Magnetic coupled (EMC),
yang dapat beroperasi pada frekuensi 2,45GHz (2,4–2,5GHz) untuk
diaplikasikan pada teknologi wi-fi. Secara umum, perancangan antena ini dapat
dikelompokan atas 2 tahapan. Tahapan pertama adalah perancangan antena
mikrostrip patch cir cul ar elemen tunggal. Kegiatan yang dilakukan pada
tahapan ini adalah penentuan frekuensi resonansi yang diinginkan, penentuan
spesifikasi substrat yang akan digunakan, penentuan dimensi patch antena dan
penentuan dimensi saluran pencatunya. Hasil yang diperoleh dari tahapan
pertama selanjutnya dilanjutkan pada tahapan kedua. Pada tahapan ini, empat
buah patch elemen tunggal disusun dengan konfigurasi planar array sehingga
menghasilkan antena mikrostrip patch circular planar array 4 elemen.
Jenis antena mikrostrip yang dirancang adalah antena dengan patch
ber-bentuk circular dengan teknik pencatuan Electromagnetic couple. Teknik ini
memberikan peningkatan performansi yaitu meningkatkan lebar bandwith, tetapi
membutuhkan ketelitian penyesuaian kedua layernya agar tepat berada pada
koordinat yang sama.
3.2 Peralatan Yang Digunakan
Dalam tahap perancangan ini ada beberapa peralatan yang digunakan,
sebelum antena yang akan dirancang, sedangkan hardware digunakan untuk
fabrikasi serta pengujian antena. Berikut ini adalah beberapa peralatan yang akan
digunakan dalam perancangan antena mikrostrip patch circular :
a. Ansoft HFSS V.10, dengan progam ini, rancangan fisik antena mikrostrip
dapat dimodelkan dan disimulasikan serta dilihat parameter-parameter
antena antara lain VSWR dan gain.
b. TXLine 2003, digunakan untuk menentukan impedansi karakteristik dan
lebar saluran dari saluran mikrostrip.
c. Microsoft Visio 2007, digunakan untuk melakukan visualisasi desain pe-
rancangan dan juga berbagai macam visualisasi yang digunakan dalam
Tu gas Akhi r ini.
d. Kabel coaxial 50 Ω untuk pencatu.
e. Substrat mikrostrip FR4 (epoxy).
f. Konektor dengan impedansi karakteristik 50 Ω (SMA konektor).
3.3 Perancangan Antena Elemen Tunggal
Pada perancangan patch circular elemen tunggal ini terdapat beberapa
tahapan yang diawali dengan menentukan frekuensi kerja yang diinginkan
beserta spesifikasi yang akan dicapai. Selanjutnya menentukan jenis substrat
yang akan digunakan.
Dalam pemilihan jenis substrat harus mempertimbangkan kesesuaian antara
karakteristik substrat dengan spesifikasi antena yang dirancang, hal ini bertujuan
untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Sebelum simulasi dilakukan, terlebih
dahulu menentukan parameter dari antena yaitu dimensi patch, lebar saluran
dibahas pada bab II. Pada proses simulasi, dimungkinkan untuk memodifikasi
beberapa parameter yang telah ditentukan untuk mendapatkan hasil yang diingin-
kan, diantaranya adalah dengan mengatur lebar patch yang umumnya dapat
mengatur frekuensi resonansi menjadi lebih tinggi atau lebih rendah, sedangkan
pengaturan lebar atau panjang saluran pencatu, umumnya dilakukan untuk
mendapatkan nilai VSWR yang diinginkan.
Tujuan dari perancangan ini adalah untuk mendapatkan sebuah elemen
tunggal dengan dimensi patch dan l ebar pencatu yang optimal yaitu mampu
memberikan nilai VSWR ≤ 2, gain≥ 2 pada rentang frekuensi 2,4 - 2,5 GHz.
Diagram alir perancangan antena mikrostrip patch circular elemen tunggal dapat
dilihat pada Gambar 3.1.
Mulai
Menghitung dimensi patch
satu elemen
Menghitung panjang dan lebar pencatu
Simulasi dengan Ansoft HFSS V.10.0
Apakah VSWR ≤ 2, gain ≥ 2 pada frekuensi 2,4-2,5 GHz?
Selesai
Iterasi dimensi patch dan lebar pencatu
Tidak
Ya
Menentukan karakteristik yang diinginkan (frekuensi kerja,
VSWR , gain) dan jenis
substrate yang digunakan
[image:48.595.127.497.376.741.2]Membuat model rancangan antena mikrostrip
3.3.1 Menentukan Karakteristik Antena
Pada rancangan antena mikrostrip ini, diinginkan dapat bekerja pada
frekuensi 2,4-2,5 GHz. Hal ini berarti, frekuensi resonansinya adalah 2,4-2,5 GHz
dengan frekuensi tengah 2,45 GHz. Frekuensi tengah resonansi ini, selanjutnya
akan menjadi nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter
lainnya seperti dimensi patch dan lebar saluran pencatu. Pada rentang frekuensi
kerja tersebut (2,4 - 2,5 GHz), diharapkan antena memiliki parameter VSWR ≤ 2
serta gain≥ 2.
3.3.2 Jenis Substrat Yang Digunakan
Dalam pemilihan jenis substrat sangat dibutuhkan pengetahuan tentang
spesfikasi umum dari susbtrat tersebut, kualitasnya, ketersediannya, dan yang
tidak kalah penting adalah harga atau biaya yang harus dikeluarkan untuk
mendapatkannya, karena akan mempengaruhi nilai jual ketika akan dipabrikasi
secara massal untuk dipasarkan.
Jenis substrat yang digunakan pada perancangan antena ini adalah dua
buah substrat jenis fiber dengan ketebalan yang sama (h1 = h2). Adapun
[image:49.595.165.457.607.717.2]parameter substrat dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi substrat yang digunakan
Jenis Substrat FR-4 epoxy
Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 4,4
Dielektrik Loss Tangent (tan δ) 0,02
3.3.3 Perancangan Dimensi Patch Circular Elemen Tunggal
Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini adalah antena
mikrostrip patch circular dengan frekuensi kerja 2,45 GHz (2,4-2,5 GHz). Untuk
perancangan awal dari dimensi antena digunakan perhitungan antena mikrostrip
patch circular pada Persamaan (2.7).
�
=
8.794�109
fr x109√��
� = 8,794 � 10
9
2,45 x 109√4.4
= 17,1 mm
Dari perhitungan diatas, didapatlah nilai spesifikasi substrat yang akan
digunakan, m a k a diperoleh nilai radius patch adalah 17,1 mm.
3.3.4 Perancangan Lebar Saluran Pencatu
Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan antena mikrostrip patch
circular ini, diharapkan mendekati nilai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Untuk
mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran
pencatu dengan menggunakan bantuan program TXLine 2003. Tampilan dari
program TXLine 2003 untuk mencari lebar pencatu agar mempunyai impedansi 50
[image:50.595.130.497.595.736.2]Ω dapat dilihat pada Gambar 3.2.
Pada Gambar 3.2, setelah dimasukkan semua parameter yang digunakan,
maka program ini akan menampilkan nilai lebar dari saluran pencatu agar
menghasilkan nilai impedansi 50 Ω. Melalui perangkat lunak TXLine 2003 ini
diperoleh bahwa untuk menghasilkan impedansi 50 Ω dibutuhkan lebar saluran
pencatu sebesar 3,00593 mm. Untuk memudahkan dalam proses perancangan
maka lebar ini dibulatkan menjadi 3 mm.
3.3.5 Simulasi
Setelah semua langkah perancangan diatas dilakukan dengan meng-
gunakan simulator ansoft HFSS V.10 maka didapatlah model antena mikrostrip
[image:51.595.122.498.379.630.2]patchcircular elemen tunggal seperti yang tampak pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Model antena mikrostrip patch circular elemen tunggal
Setelah model antena mikrostrip patchcircular elemen tunggal disimulasi-
kan, maka didapat parameter yang diinginkan pada Tugas Akhir ini antara lain
menggunakan Persamaan 2.13, sebelumnya terlebih dahulu harus dicari besar
impedansi beban dari antena mikrostrip. Untuk mencari impedansi beban dapat
menggunakan Persamaan 2.8 sampai 2.10, hasilnya sebagai berikut:
�0 =�� = 3×10 8
2,45×109= 122,449 mm = 122 mm
Setelah nilai panjang gelombang di ruang bebas (�0) diperoleh, maka panjang
gelombang pada saluran transmisi (△ �) dengan Persamaan berikut ini:
△ �= �0
√4,4= 122
√4,4= 58,37527 mm
��� = 60△ �� = 60
58,37527
34,2 = 102,41257 Ω
Dari nilai impedansi beban diatas maka dicari besar koefisien refleksi (Γ) dengan
menggunakan Persamaan 2.12. Dan hasilnya sebagai berikut ini:
Γ = ZL− Z0 ZL+ Z0 =
102,41257−50
102,1257 + 50
= 102,41257−50 102,41257 + 50
=
52,41257152,41257
=
0,342Selanjutnya dari nilai koefisien refleksi diatas maka dicari VSWR secara teori.
Untuk menghitung nilai VSWR dapat dicari dengan menggunakan Persamaan
2.13. Adapun hasilnya sebagai berikut:
VSWR =1− |Γ| 1 + |Γ|=
1 + |0,342| 1−|0,342|=
1,342
0,658= 2,0396
Dari nilai diatas diketahui nilai VSWR secara teori didapat adalah 2,0396. Dari
2,40 GHz 1,48
[image:53.595.140.499.84.284.2]2,50 GHz 3,69
Gambar 3.4 Grafik VSWR hasil simulasi awal
Dari Gambar 3.4, didapatkan nilai VSWR pada saat frekuensi 2,45 Ghz
sebesar 2,42. Secara perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya didapatkan
nilai VSWR sebesar 2,1, namun kalau dilihat dari Gambar 3.4 diatas bahwa ketika
frekuensi 2,4 Ghz-2,5 Ghz besarnya VSWR berkisar dari 1,48 sampai 3,69, hal ini
menandakan bahwa secara teori nilai VSWR yang didapat tidak jauh berbeda
dengan hasil simulasi. Dari nilai VSWR yang didapatkan tidak sesuai dengan
diinginkan karena itu diperlukan proses iterasi pada antena mikrostrip ini,
sehingga hasil VSWR mencapai nilai yang diinginkan. Hal ini didapatkan dengan
cara mengubah nilai besaran dimensi patch dan mengubah lebar pencatu sehingga
dihasilkan nilai VSWR yang diinginkan (VSWR ≤ 2).
Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain yang dihasilkan belum
sesuai dengan yang diharapkan. Diperlukan iterasi pada antena tersebut agar
didapat nilai VSWR dan gain yang optimal. Banyak hal yang mempengaruhi nilai
VSWR dan gain tersebut antara lain besaran dimensi patch, lebar pencatu, dan
panjang pencatu. Maka untuk tahap awal yang perlu diiterasi adalah dimensi
Tabel 3.2 Hasil Iterasi Dimensi Patch Elemen Tunggal
No Radius
Patch (mm)
VSWR Gain (dBi)
2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz 2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz
1 17,1 1,48 2,42 2,20 2,79 2,74 2,62
2 17,0 1,46 2,37 3,62 2,64 2,68 2,54
3 16,9 1,24 1,85 2,92 2,79 2,77 2,69
4 16,8 1,30 1,60 2,50 2,77 2,77 2,71
5 16,7 1,41 1,44 2,20 2,77 2,79 2,74
6 16,6 1,59 1,34 1,90 2,74 2,78 2,75
7 16,5 1,77 1,32 1,71 2,74 2,79 2,78
8 16,4 2,06 1,37 1,46 2,69 2,76 2,77
Dari Tabel 3.2 diatas didapat hasil iterasi radius patch dengan nilai VSWR
1,32 pada frekuensi 2,45 Ghz dan gain 2,79 dBi yang memenuhi saat radius
patch 16,5 mm, namun dalam hal ini perlu adanya perbaikan agar mendapatkan
nilai gain yang diinginkan, sehingga diperlukan iterasi kembali. Pada tahap kedua
ini, bagian yang perlu diiterasi adalah lebar pencatu dengan mengubah nilai lebar
pencatu dan tidak mengubah nilai radius patch karena telah mencapai nilai yang
diinginkan. Untuk hasil iterasi lebar patch dapat dilihat pada Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Hasil Iterasi Lebar Pencatu Elemen Tunggal
No Lebar
Pencatu
Radius
Patch (mm)
VSWR Gain (dBi)
2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz 2,40 GHz 2,45 GHz 2,50 GHz
1 3 16,5 1,76 1,33 1,70 2,74 2,79 2,78
2 2,9 16,5 1,85 1,30 1,61 2,76 2,83 2,84
3 2,8 16,5 1,70 1,29 1,77 2,76 2,81 2,79
[image:54.595.115.512.566.758.2]Dari Tabel 3.3, dapat ketahuai bahwa VSWR yang dihasilkan sudah
optimal dengan nilai 1,29 pada frekuensi 2,45 Ghz hal ini didapat dengan cara
mengubah lebar pencatu dari 3 mm menurun hingga menjadi 2,7 mm, sehingga
dihasilkan nilai VSWR yang optimum pada frekuensi antara 2.40-2.50 Ghz. Nilai
tersebut menunjukan bahwa VSWR yang dihasilkan dari iterasi lebar pencatu
berada dibawah 2, karena itu paremeter yang dilihat selanjutnya adalah besar gain
yan
