TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT 2 ELEMEN DENGAN PENCATUAN APERTURE COUPLED
UNTUK APLIKASI EVDO Oleh :
YUDY WIJAYA 070402078
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
ABSTRAK
Antena mikrostrip dengan pencatuan aperture coupled adalah antena mikrostrip yang dicatu dengan prinsip coupling dari feed yang ada di substrat pencatu bagian bawah melewati celah/aperture yang ada pada groundplane di bagian tengah ke substrat pacth ke bagian atas. Antena mikrostrip yang dirancang menggunakan teknik pencatuan aperture coupled memiliki kelebihan berupa
bandwidth yang besar.
Perancangan antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen ini dilakukan karena ruang lingkup penggunaan antena mikrostrip dirasa masih sempit, padahal antena ini memiliki banyak keunggulan dibanding antena lainnya, contohnya dalam hal biaya dan ukuran.
Dalam Tugas Akhir ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled yang bekerja pada frekuensi 1,9 GHz. Antena yang dirancang akan diuji pada aplikasi modem EVDO.
Metode yang digunakan dalam merancang antena mikrostrip tersebut adalah dengan melakukan perhitungan dengan teori yang ada, kemudian hasil perhitungan tersebut disimulasikan, dan setelah hasil simulasi selesai, barulah difabrikasi dan diuji pada modem EVDO untuk memperkuat penerimaan sinyal EVDO.
KATA PENGANTAR
Puji syukur yang besar penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunia yang telah diberikan-Nya, yang memampukan penulis untuk melewati segala tahapan yang penuh dengan berbagai cobaan, halangan dan rintangan untuk sampai ke dalam tahap penyelesaian Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang tercinta kedua orang tua penulis, Bapak Wong Kwong Jie dan Ibu Ng So Me. Serta kepada abang dan adik, Eddy Wijaya dan Lisa Wijaya. Yang merupakan bagian teristimewa dalam hidup penulis, yang senantiasa menguatkan, serta memberikan cinta kasih, bantuan dan dukungan kepada penulis hingga saat ini.
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah:
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT 2 ELEMEN DENGAN PENCATUAN APERTURE COUPLED
UNTUK APLIKASI EVDO
1. Bapak Ali Hanafiah Rambe, ST, MT, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas nasehat, bimbingan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Raja Harahap, MT, selaku Penasehat Akademis penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan selama ini. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, MT dan Bapak Rahmad Fauzi ST, MT
selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
5. Sahabat-sahabat terbaik di Elektro, Denny Tanaya, Francisco, Jhony, Syuib, Wendy, Yuyanto, serta seluruh mahasiswa Teknik Elektro angkatan 2007.
6. Para Senior dan Junior Keluarga Besar Ikatan Mahasiswa Teknik Elektro yang telah banyak membantu penulis dari awal sampai akhir masa perkuliahan penulis.
7. Semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu per satu, yang telah memberikan dukungan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
penulis harapkan. Akhir kata penulis berserah diri pada Tuhan Y M E, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca sekalian.
Medan, Februari 2014 Penulis
DAFTAR ISI
1.1 Latar Belakang Masalah 1
1.2 Rumusan Masalah 2
2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip 8
2.4 Metode Pencatuan 8
2.5 Parameter Umum Antena Mikrostrip 10
2.5.1 Bandwith 10
2.5.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) 11
2.5.3 Return Loss 13
2.5.4 Polarisasi 13
2.5.5 Keterarahan (Directivity) 15
2.5.6 Penguatan (Gain) 16
2.6 Antena Mikrostrip Persegi Panjang 17
2.7 Antena Mikrostrip Array 18
2.9 T-Junction 50 Ohm 20
2.10 EVDO (Evolution Data Optimized) 21
2.11 Kecepatan EVDO 21
2.12 Mekasnisme Kerja EVDO 22
2.13 Keunggulan dan Kelemahan EVDO 22
BAB III PERANCANGAN ANTENA
3.1 Umum 24
3.2 Peralatan Yang Digunakan 24
3.3 Perancangan Patch Segiempat Elemen Tunggal 25 3.4 Perancangan Patch Segiempat 2 Elemen 34 3.5 Langkah Pengerjaan Antena Mikrostrip patch segiempat
2 elemen dengan pencatuan aperture coupled 39
BAB IV PENGUJIAN ANTENA
4.1 Umum 41
4.2 Persiapan Pengujian dan Pengukuran 41
4.3 Pengukuran Gain 43
4.4 Pengujian Transfer Data 45
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan 47
5.2 Saran 47
DAFTAR PUSTAKA 48
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Antena sebagai pengirim dan penerima gelombang
elektromagnetik ... 5
Gambar 2.2 Struktur dasar antena mikrostrip ... 7
Gambar 2.3 Beberapa bentuk patch ... 7
Gambar 2.4 Beberapa teknik pencatuan antena mikrostrip ... 9
Gambar 2.5 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth ... 11
Gambar 2.6 Polarisasi linier ... 14
Gambar 2.7 Polarisasi melingkar ... 14
Gambar 2.8 Polarisasi Elips ... 15
Gambar 2.9 Antena array ... 19
Gambar 2.10 Teknik pencatuan aperture coupled ... 20
Gambar 2.11 T-junction 50 ohm ... 21
Gambar 3.1 Diagram alir perancangan patch elemen tunggal ... 26
Gambar 3.2 Tampilan program TXLine 2003 untuk mencari lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 50Ω... 28
Gambar 3.3 Return loss hasil simulasi awal ... 30
Gambar 3.4 Return loss dengan perubahan panjang patch (L) ... 31
Gambar 3.5 Hasil simulasi return loss elemen tunggal ... 32
Gambar 3.6 Hasil simulasi VSWR elemen tunggal ... 32
Gambar 3.7 Hasil simulasi pola radiasi elemen tunggal ... 33
Gambar 3.8 Diagram alir perancangan array 2 elemen ... 35
Gambar 3.10 Tampilan program TXLINE untuk mencari panjang dan lebar
saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,711Ω... 36
Gambar 3.11 Hasil simulasi return loss 2 elemen ... 37
Gambar 3.12 Hasil simulasi VSWR 2 elemen ... 37
Gambar 3.13 Hasil simulasi pola radiasi 2 elemen ... 38
Gambar 3.14 Hasil Cetakan ... 40
Gambar 3.15 Proses Etching ... 40
Gambar 4.1 Antena mikrostrip yang telah difabrikasi ... 42
Gambar 4.2 Hasil Perolehan Sinyal Tanpa Menggunakan Antena Mikrostrip ... 44
Gambar 4.3 Hasil Perolehan Sinyal Dengan Menggunakan Antena Mikrostrip ... 44
Gambar 4.4 Hasil Tes Tanpa Menggunakan Antena Mikrostrip ... 45
DAFTAR TABEL
ABSTRAK
Antena mikrostrip dengan pencatuan aperture coupled adalah antena mikrostrip yang dicatu dengan prinsip coupling dari feed yang ada di substrat pencatu bagian bawah melewati celah/aperture yang ada pada groundplane di bagian tengah ke substrat pacth ke bagian atas. Antena mikrostrip yang dirancang menggunakan teknik pencatuan aperture coupled memiliki kelebihan berupa
bandwidth yang besar.
Perancangan antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen ini dilakukan karena ruang lingkup penggunaan antena mikrostrip dirasa masih sempit, padahal antena ini memiliki banyak keunggulan dibanding antena lainnya, contohnya dalam hal biaya dan ukuran.
Dalam Tugas Akhir ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled yang bekerja pada frekuensi 1,9 GHz. Antena yang dirancang akan diuji pada aplikasi modem EVDO.
Metode yang digunakan dalam merancang antena mikrostrip tersebut adalah dengan melakukan perhitungan dengan teori yang ada, kemudian hasil perhitungan tersebut disimulasikan, dan setelah hasil simulasi selesai, barulah difabrikasi dan diuji pada modem EVDO untuk memperkuat penerimaan sinyal EVDO.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas
groundplane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip
tersusun 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 diintegrasikan.
Gain dari antena mikrostrip dapat diperbesar dengan menambahkan 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 rangkaian. Antena mikrostrip array dapat berbentuk seri, paralel atau gabungan keduanya. Kelebihan antena mikrostrip array ini dibandingkan antena mikrostrip biasa yaitu memiliki
bandwidth dan gain yang lebih besar.
Ada beberapa teknik pencatuan antena mikrostrip, salah satunya adalah
aperture coupled. Teknik pencatuan ini digunakan untuk meningkatkan pola
radiasi antena dan bandwidth antena.
1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan pada Tugas Akhir ini yaitu:
1. Apa yang dimaksud dengan antena mikrostrip patch segiempat array 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled?
2. Bagaimana merancang antena mikrostrip patch segiempat array 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled untuk frekuensi 1,9 GHz?
3. Apa saja kinerja antena yang dirancang?
4. Bagaimana menguji antena hasil rancang bangun tersebut?
1.3 Tujuan Penulisan Tugas Akhir
Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk merancang bangun antena mikrostrip patch segiempat array 2 elemen dengan pencatuan aperture
coupled yang dapat diaplikasikan untuk memperkuat penerimaan sinyal EVDO.
1.4 Batasan Masalah
Agar pembahasan lebih terarah, maka pembahasan dibatasi sebagai berikut: 1. Hanya membahas antena mikrostip patch segiempat 2 elemen dengan
pencatuan aperture coupled.
2. Perancangan antena dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak (simulator) AWR 2004.
4. Kinerja antena mikrostrip yang dirancang adalah memiliki gain ≥ 5 dBi dan VSWR ≤ 2.
1.5 Metodologi Penulisan
Metodologi penulisan yang dilakukan pada penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku dan
tulisan-tulisan lain yang terkait serta dari layanan internet berupa jurnal-jurnal penelitian.
2. Simulasi, berupa pensimulasian antena yang telah dirancang menggunakan teori yang ada.
3. Mempersiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan
4. Memulai proses pembuatan antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen
dengan pencatuan aperture coupled. 5. Melakukan pengujian antena. 6. Melakukan analisis dan evaluasi.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I : PENDAHULUAN
BAB II : LANDASAN TEORI
Bab ini berisi penjelasan tentang antena mikrostrip, parameter-parameter umum antena, antena mikrostrip berbentuk persegi panjang, antena mikrostrip array, teknik pencatuan aperture
coupled dan teknik untuk memperoleh keadaan matching antara
saluran pencatu dan antena.
BAB III : PERANCANGAN ANTENA
Bab ini berisi perancangan antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled yang meliputi proses simulasi dan pembuatan
BAB IV : PENGUJIAN ANTENA
Bab ini berisi tentang pengujian antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled untuk memperkuat penerimaan sinyal EVDO. Parameter yang akan diuji adalah gain antena dan pengaruhnya terhadap tingkat transfer data.
BAB V : PENUTUP
BAB II
LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Antena
Antena merupakan salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis dalam sistem komunikasi tanpa kabel atau wireless. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistem tersebut.
Gambar 2.1 Antena sebagai pengirim dan penerima gelombang elektromagnetik
2.2 Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena Mikrostrip dapat didefinisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil.
Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas
ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik [2]. Konsep antena
mikrostrip diperkenalkan pada awal tahun 1950an di USA oleh Deschamps dan Perancis oleh Gutton dan Baissinot, dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah system telekomunikasi modern saat ini. Beberapa kemajuan pada area penelitian ini mulai menghasilan perkembangan antena praktis untuk pertama kalinya. Bentuk paling sederhana dalam peralatan mikrostrip adalah berupa sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel yang dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. Konduktor bagian atas adalah potongan metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas) yang merupakan fraksi kecil dari suatu panjang gelombang. Konduktor bagian bawah adalah bidang pentanahan yang secara teori bernilai tak hingga. Keduanya dipisahkan oleh sebuah substrat dielektrik yang non magnetik. 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 diintegrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran kecil [2].
peradiasi
substrat
pentanahan
Gambar 2.2 Struktur dasar antena mikrostrip
Elemen peradiasi (radiator) atau biasa disebut sebagai patch, berfungsi untuk meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Jenis logam yang biasanya digunakan adalah tembaga (copper) dengan konduktifitas 5,8 x 107 Siemens/meter. Berdasarkan bentuknya, patch memiliki jenis yang bermacam-macam diantaranya bujur sangkar (square), persegi panjang (rectangular), garis tipis (dipole), lingkaran, elips, segitiga, dll. Gambar 2.3 memperlihatkan beberapa jenis patch dari antena mikrostrip [4][5].
Gambar 2.3 Beberapa bentuk patch
Bentuk patch bujur sangkar, persegi panjang, garis tipis, dan lingkaran adalah yang paling umum digunakan karena mudah untuk dibuat dan dianalisa, dan memiliki karakteristik radiasi yang menarik, serta memiliki tingkat radiasi polarisasi silang yang kecil.
mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat.Terdapat berbagai jenis substrat yang dapat digunakan dalam perancangan antena mikrostrip, dan biasanya yang memiliki rentang konstanta dielektrik 2,2 ≤ ≤ 12 . Substrat yang paling baik digunakan untuk menghasilkan performa antena yang baik adalah substrat yang tebal dan memiliki konstanta dielektrik yang kecil, karena akan menghasilkan efisiensi yang baik, bandwidth yang besar.
Sedangkan elemen pentanahan (ground) berfungsi sebagai pembumian bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga.
2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan antena lainnya, seperti secara fisik antena mikrostrip lebih tipis, lebih kecil, dan lebih ringan, biaya pembuatan yang murah, dapat dilakukan polarisasi linear dan lingkaran dengan pencatuan yang sederhana, dan sebagainya. Tetapi, antena mikrostrip juga memiliki keterbatasan dibandingkan dengan antena lainnya, diantaranya memiliki bandwidth yang sempit, gain yang rendah, dan memiliki efek gelombang permukaan (surface wave).
Karena memiliki bentuk dan ukuran yang ringkas, antena mikrostrip sangat berpotensi untuk digunakan pada berbagai macam aplikasi yang membutuhkan spesifikasi antena yang berdimensi kecil, dapat mudah dibawa (portable) dan dapat diintegrasikan dengan rangkaian elektronik lainnya (seperti IC, rangkaian aktif, dan rangkaian pasif).
2.4 Metode Pencatuan
coupling, dan proximity coupling. Adapun beberapa teknik tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Beberapa teknik pencatuan antena mikrostrip
Pencatuan microstrip line adalah pencatuan secara langsung, menggunakan penghantar berupa garis yang biasanya memiliki lebar yang lebih kecil dari lebar
patch. Pencatuan dengan teknik microstrip line mudah untuk dibuat, tidak sulit
untuk dicocokkan impedansinya dengan mengatur posisi inset dan mudah untuk dimodelkan. Namun, seiring bertambahnya ketebalan substrat, gelombang permukaan dan radiasi spurious feed meningkat, yang mengakibatkan terbatasnya
bandwidth (sekitar 2-5%).
bidang pertanahan (ground plane), juga sering digunakan. Pencatuan secara
coaxial probe juga mudah dibuat dan dicocokkan impedansinya, selain itu juga
memiliki radiasi spurious yang kecil. Namun pencatuan dengan teknik ini menghasilkan bandwidth yang sempit dan susah untuk dimodelkan.
Kedua teknik pencatuan diatas memiliki radiasi polarisasi silang yang besar, untuk mengatasi masalah tersebut, maka diperkenalkanlah teknik pencatuan
aperture-coupled. Teknik pencatuan aperture-coupled adalah yang paling sulit
untuk dibuat diantara keempatnya dan juga memiliki bandwidth yang sempit. Namun, pencatuan dengan teknik ini cukup mudah untuk dimodelkan, dan memiliki radiasi spurious yang sedang. Pencatuan ini terdiri dari dua buah substart yang dipisahkan oleh bidang pertanahan (ground plane). Pada bagian bawah substrat bawah terdapat microstrip feed line yang energinya dikopling pada
patch melalui sebuah celah pada bagian tanah yang memisahkan kedua substrat
tersebut. Pengaturan ini memungkinkan untuk mengoptimalisasikan secara bebas baik mekanisme pencatuan ataupun elemen peradiasi.
Dari keempat teknik pencatuan, teknik pencatuan dengan kopling proximity memiliki bandwidth yang paling lebar (sebesar 13%), mudah untuk dimodelkan dan memiliki radiasi spurious yang kecil. Namun, proses pembuatan dengan teknik ini lebih sulit.
2.5 Parameter Umum Antena Mikrostrip
Unjuk kerja (performance) dari suatu antena mikrostrip dapat diamati dari parameternya. Beberapa parameter utama dari sebuah antena mikrostrip akan dijelaskan sebagai berikut.
2.5.1 Bandwidth
Bandwidth (Gambar 2.5) suatu antena didefinisikan sebagai rentang
frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR,
Gambar 2.5. Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth [6]
Bandwidth dapat dicari dengan menggunakan rumus berikut ini :
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya [6]:
a.Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada
pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing-masing adalah kurang dari -9,54 dB dan 2.
b.Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana beamwidth, sidelobe,
atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai
bandwidth dapat dicari.
c.Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana
polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.
2.5.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing
ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+)
dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang
direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [8]:
Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 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 [8]:
• Γ = − 1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran
Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah [8]:
Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=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 VSWR ≤ 2. Sedangkan pada penelitian ini, nilai
VSWR yang diharapkan adalah 1,5 untuk memenuhi spesifikasi teknis aplikasi
2.5.3 Return Loss
Return Loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan [9]. Return Loss digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0-) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0+). Return Loss dapat terjadi
akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [7].
bahwa nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan
dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah
dapat dianggap matching. Nilai parameter ini dapat menjadi salah satu acuan
untuk melihat apakah antena sudah mampu bekerja pada frekuensi yang
diharapkan atau tidak.
2.5.4 Polarisasi
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh
antena [9]. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada
arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi dari energi yang teradiasi
bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi
mempunyai polarisasi yang berbeda.
Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu
keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo
vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga
dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena
Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips). Polarisasi linier (Gambar 2.6) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi [5]:
a.hanya ada satu komponen, atau
b.komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau 1800 atau kelipatannya
Gambar 2.6 Polarisasi linier
Polarisasi melingkar (Gambar 2.7) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai jenis polarisasi ini adalah :
a.Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier b.Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama
c.Kedua komponen tersebut harus memiliki perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil 900.
Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular
Polarization (LHCP) dan Right Hand Circular Polarization (RHCP). LHCP
Polarisasi elips (Gambar 2.8) terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mendapatkan polarisasi ini adalah :
a.medan harus mempunyai dua komponen linier ortogonal
b.Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau berbeda
c.Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama, perbedaan fasa waktu antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 00 atau kelipatan 1800 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa di antara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 900 (karena akan menjadi lingkaran).
Gambar 2.8 Polarisasi Elips
2.5.5 Keterarahan (Directivity)
Keterarahan dari sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah [9]. Intensitas radiasi rata-rata-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 rumus berikut ini :
Umax = intensitas radiasi maksimum
U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropik
Prad = daya total radiasi
2.5.6 Penguatan (Gain)
Ada dua jenis parameter penguatan (Gain) yaitu absolute gain dan relative gain [9]. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan 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 isotropik sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4π. Absolute gain ini dapat dihitung
dengan rumus [8]: Selain absolute gain juga ada relative gain. Relative gain didefinisikan 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 referensi merupakan sumber isotropik yang lossless (Pin(lossless)). Secara rumus dapat dihubungkan sebagai
Gt (dB) = (Pt(dBm) – Ps(dBm)) + Gs(dB) (2-10) Dimana :
Gt = Gain antena mikrostrip
Pt = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena mikrostrip Ps = Nilai level sinyal maksimum yang diterima USB modem EV-DO Gs = Gain USB modem EV-DO
2.6 Antena Mikrostrip Persegi Panjang
Patch berbentuk persegi panjang merupakan bentuk yang paling umum
digunakan dan mudah untuk dianalisa. Berikut adalah beberapa perhitungan yang digunakan untuk merancang antena mikrostrip berbentuk persegi panjang [5][6]: Menentukan lebar patch (W) : substrat. Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ∆L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect.
Pertambahan panjang dari L (∆L) tersebut dirumuskan dengan [5][6]:
Dimana h merupakan tinggi substrat, dan εreff adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai [8][9]:
Dengan demikian panjang patch (L) diberikan oleh :
Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan :
Umumnya antena mikrostrip dengan patch elemen tunggal memiliki pola radiasi yang sangat lebar, dan menghasilkan keterarahan dan perolehan (gain) yang kurang baik [5]. Sedangkan pada beberapa aplikasinya diperlukan antena dengan keterarahan yang baik dan perolehan (gain) yang tinggi. Untuk memenuhi kebutuhan karakteristik tersebut, maka antena mikrostrip disusun dengan beberapa konfigurasi. Susunan antena ini sering disebut sebagai antena susun (array).
Antena array adalah susunan dari beberapa antena yang identik. 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 yang lain. Pada antena array dengan elemen yang identik, terdapat lima parameter yang dapat digunakan untuk membentuk pola antena, yaitu [5]:
a.konfigurasi geometri (linier, melingkar, rectangular, spherical, dll) b.pemindahan relatif antara elemen
c.amplitudo eksitasi dari setiap elemen d.fasa eksitasi dari setiap elemen e.pola relatif dari setiap elemen
Ada beberapa macam konfigurasi antena array [8], di antaranya : linear,
planar, dan circular. Antena array linear adalah array dengan titik pusat elemen
array berada pada satu garis lurus. Antena array planar adalah array dengan
perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi.
(a) Linear (b). Circular (c). Planar 4 x 4
Gambar 2.9 Antena array
2.8 TEKNIK PENCATUAN APERTURE COUPLED
Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Terdapat berbagai konfigurasi teknik yang telah dikembangkan yang masing-masingnya tentu memiliki kelebihan dan kekurangan. Salah satu teknik yang populer, sederhana dan mudah dipabrikasi adalah teknik line feed, tetapi teknik ini menghasilkan
bandwidth yang tidak lebar (biasanya 2-5%)[5]. Untuk kebutuhan mendapatkan
bandwidth yang lebar, salah satu teknik yang dapat digunakan adalah dengan teknik pencatuan aperture coupled. Arsitektur teknik pencatuan ini ditunjukkan pada Gambar 2.10 [13].
Pada konfigurasi teknik pencatuan aperture copled, pengkopelan dari saluran pencatu (feed-line) ke patch melalui sebuah aperture kecil yang berupa
slot pada bidang pentanahan (ground plane). Bentuk, ukuran, dan lokasi
Gambar 2.10 Teknik pencatuan aperture coupled
Teknik pencatuan jenis ini pertama sekali dibuat pada tahun 1985 yang bertujuan untuk meningkatkan bandwidth dari antena mikrostrip. Dengan pengoptimalan beberapa parameter termasuk dimensi slot aperture, maka dapat dicapai bandwidth mendekati 70 % [10]. Untuk menentukan dimensi slot aperture dari teknik pencatuan ini dapat digunakan Persamaan (2-16) dan (2-17) [1].
Panjang slot aperture (La):
La =(0,1 0, 2)− λ0 (2-16)
Lebar slot aperture (Wa):
Wa = 0,10La (2-17)
2.9 T-JUNCTION 50 OHM
T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan
pada konfigurasi antena array. T-junction 50 Ohm yang digunakan sebagai power
Gambar 2.11 T-junction 50 ohm
2.10 EVDO (Evolution Data Optimized)
EVDO merupakan suatu standar telekomunikasi untuk mentansmisikan data secara nirkabel dengan menggunakan sinyal radio, biasanya untuk akses internet
broadband. EVDO menggunakan teknik multiplexing, termasuk didalamnya
CDMA (Code Division Multiple Access) dan TDM (Time Division Mutiplexing) untuk meningkatkan throughput dari masing-masing pengguna dan throughput dari keseluruhan sistem.
Di Indonesia, teknologi EVDO bekerja pada dua frekuensi, yaitu 800 MHz dan 1900 MHz.
2.11 Kecepatan EVDO
Protokol EVDO menggunakan komunikasi asimetris, dimana bandwidth yang disediakan untuk download lebih besar dari bandwidth untuk upload. Pada EVDO revisi 0, kecepatan transmisi data yang disediakan untuk download adalah 2,4 Mbps dan unutk upload adalah 0,15 Mbps
2.12 Mekasnisme Kerja EVDO
CDMA (Coded Division Multiple Access) menggunakan metode matematis untuk dapat melewatkan multiple wireless devices untuk mengirim data secara bersamaan pada frekuensi yang sama. Setiap perangkat, seperti telepon seluler, ditandai dengan tanda unik matematis. Tanda unik tersebut diterapkan pada sinyal asli dan dikirim sebagai sinyal modified. Penerima juga menerapkan invers tanda matematika dari sinyal kirim untuk mendapatkan sinyal asli. Jaringan nirkabel dulunya memanfaatkan sebuah penghalang antara pengirim dan penerima, seperti kebanyakan telepon tradisional. EVDO, sebagai penggantinya mengadopsi pendekatan yang sama untuk untuk internet. IP, Internet Protocol, memecah data pada pada pecahan kecil yang kemudian disebut paket. Tiap paket dikirim secara independen terhadap Paket yang lain. Tentu hal ini akan mengirit bandwidth yang memungkinkan dipakai oleh perangkat lain; ketika tak ada percakapan telepon pastinya juga tidak ada paket yang lewat karena tidak ada paket yang dikirim. atau ketika sebuah website diakses, tidak akan ada bandwidth yang dipakai sampai site tersebut mulai mengirim web pages.
Berdasarkan standard yang digunakan pada sistem EVDO, modulasi ditentukan oleh besar ukuran data physical bit dalam satu frame yaitu: 1024, 2048, 3072 dan 4096 bit, modulasi yang digunakan dalam sistem EVDO yaitu QPSK, 8-PSK, 16-QAM dengan code rate 1/3.
2.13 Keunggulan dan Kelemahan EVDO
Sebagai 3G-nya jaringan CDMA, teknologi EVDO memiliki beragam keunggulan yang bisa menjadi keuntungan bagi penggunanya. Berikut ini dapat dipaparkan beberapa keunggulan teknologi EVDO :
- Memiliki kecepatan akses data yang tinggi - Biaya upgrade murah
- Adanya Quality of Service (QoS) - Backward Compability
- Fleksibel
- Meningkatkan kinerja VoIP
Adapun kelemahan dari teknologi EVDO, yaitu : - Jangkauan masih terbatas.
- Tidak dapat melakukan panggilan, dan
BAB III
PERANCANGAN ANTENA
3.1 Umum
Pada bagian ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled, yang dapat beroperasi pada frekuensi 1,98 GHz untuk diaplikasikan pada modem EVDO.
Secara umum, perancangan antena ini dapat dikelompokkan atas 2 tahapan. Tahapan pertama adalah perancangan antena mikrostrip patch segiempat 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 slot pada bidang pentanahan, serta penentuan dimensi saluran pencatunya. Hasil yang diperoleh dari tahapan pertama selanjutnya dilanjutkan pada tahapan kedua. Pada tahapan ini, dua buah patch elemen tunggal disusun dengan konfigurasi array sehingga menghasilkan antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen.
Jenis antena mikrostrip yang dirancang adalah antena dengan patch berbentuk segiempat dengan teknik pencatuan aperture-coupled. Keuntungan rancangan ini adalah bentuk patch yang sederhana dan mudah proses fabrikasinya serta teknik pencatuan yang dapat menghasilkan bandwidth yang lebar sehingga mampu memenuhi spesifikasi yang dibutuhkan.
3.2 Peralatan Yang Digunakan
Peralatan yang digunakan dalam perancangan ini terdiri dari perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat lunak digunakan untuk melakukan simulasi dan untuk mengetahui karakteristik antena yang dirancang. Sedangkan perangkat keras digunakan untuk alat fabrikasi dan pengukuran.
3.2.1 Perangkat Lunak
a. Microwave Office 2003 V.6.51, program ini sangat membantu dalam
seperti impedansi input, VSWR, return loss, pola radiasi dan frekuensi kerja. Serta terdapat program TXLine 2003 didalamnya yang digunakan untuk menentukan impedansi karakteristik dan lebar saluran dari saluran mikrostrip. b. Microsoft Excel 2003, perangkat lunak ini digunakan untuk mengolah data
hasil simulasi dan hasil pengukuran.
c. Microsoft Visio 2003, digunakan untuk melakukan visualisasi desain
perancangan dan juga berbagai macam visualisasi yang digunakan dalam skripsi ini.
3.2.2 Perangkat Keras
a. Substrat mikrostrip FR4 (evoksi). b. Kabel coaxial 50 Ohm untuk pencatu.
c. Konektor dengan impedansi karakteristik 50 Ohm. d. Modem EVDO
e. Gergaji besi untuk memotong papan pcb. f. Spidol tinta permanen.
3.3 Perancangan Patch Segiempat Elemen Tunggal 3.3.1 Diagram Alir Perancangan Elemen Tunggal
panjang saluran pencatu, umumnya dilakukan untuk mendapatkan nilai VSWR atau return loss yang diinginkan.
Tujuan dari perancangan ini adalah untuk mendapatkan sebuah elemen tunggal dengan dimensi patch, dimensi slot aperture, dan dimensi pencatu yang optimal yaitu mampu memberikan nilai VSWR ≤ 2 atau return loss ≤ -9,5 dB pada rentang frekuensi 1,96-2 GHz. Gambar diagram alir dari proses perancangan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal ini dapat dilihat pada Gambar 3.1.
3.3.2 Menentukan Karakteristik Antena
Pada rancangan antena ini, diinginkan antena mampu bekerja pada frekuensi 1,96-2 GHz dengan frekuensi tengah 1,98 GHz. Frekuensi ini, selanjutnya akan menjadi nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lainnya seperti dimensi patch, lebar saluran pencatu, dan dimensi slot
aperture. Pada rentang frekuensi kerja tersebut (1,96-2 GHz), diharapkan antena
memiliki parameter VSWR ≤ 2atau return loss ≤ -9,5 dB.
3.3.3 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 substrat jenis FR4 (evoksi) dengan ketebalan 1,6 mm. Adapun parameter substrat dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi substrat yang digunakan
Jenis Substrat FR4 (evoksi)
Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 4.4 Dielectric Loss Tangent (tanδ ) 0.022
Ketebalan Substrat (h) 1,6 mm
3.3.4 Perancangan Dimensi Patch Segiempat Elemen Tunggal
yang akan digunakan, diperoleh panjang dan lebar patch masing-masing adalah 38,08 mm dan 46,1 mm. Untuk menyesuaikan grid pada perangkat lunak
Microwave Office 6.51 maka panjang (L) dan lebar patch (W) dibulatkan menjadi
38 mm dan 46 mm.
3.3.5 Perancangan Lebar Saluran Pencatu
Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati impedansi masukan sebesar 50 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan menggunakan program TXLine 2003. Tampilan dari program
TXLine 2003 untuk mencari lebar catuan agar mempunyai impedansi 50 Ω dapat
dilihat pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Tampilan program TXLine 2003 untuk mencari lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 50 Ω.
diperoleh bahwa untuk menghasilkan impedansi 50 Ω dengan substrat yang akan digunakan dalam perancangan, dibutuhkan lebar saluran pencatu sebesar 3,00301 mm. Namun untuk menyesuaikan dengan ukuran grid yang digunakan pada perangkat lunak Microwave Office 6.51 maka lebar ini dibulatkan menjadi 3 mm. Dengan pembulatan ini nilai impedansi dari saluran pencatu menjadi 50,0296 Ohm. Kelebihan 0,0296 Ω ini masih dalam toleransi, sehingga dapat diabaikan.
Pada perancangan ini, parameter dari panjang saluran pencatu (Lf) diharapkan diperoleh nilai yang optimal melalui iterasi.
3.3.6 Perancangan Slot Aperture
Seperti telah dijelaskan pada sub-bab 2.8, bahwa pencatuan dengan
aperture coupled memiliki beberapa parameter yang dapat mempengaruhi
pengkopelan dari saluran pencatu ke patch, diantaranya bentuk slot, ukuran slot dan lokasi penempatannya.
Pada rancangan ini, slot aperture yang digunakan adalah berbentuk persegi panjang yang diletakkan tepat di tengah bawah dari patch. Sedangkan dimensinya ditentukan dengan menggunakan Persamaan (2-15) dan (2-16) sehingga diperoleh panjang slot (La) adalah 0,2 x 151,515 = 30,2 mm dengan pembulatan menjadi 30 mm dan lebar slot (Wa) adalah 0,1 x 30,2 = 3,02 mm dengan pembulatan menjadi 3 mm untuk menyesuaikan ukuran grid yang digunakan pada perangkat simulasi.
3.3.7 Mensimulasikan Rancangan
Pada tahap ini, hasil rancangan disimulasikan dengan perangkat lunak
Microwave Office 6.51. Gambar 3.3 menunjukkan grafik return loss hasil simulasi
awal yang merupakan hasil rancangan berdasarkan perhitungan teori (L=38 mm,
Gambar 3.3 Return loss hasil simulasi awal
Dari Gambar 3.3 dapat dilihat bahwa, pada frekuensi kerja yang diinginkan yaitu 1,98 GHz, nilai return loss yang diperoleh hanya sebesar -0,9029 dB. Hasil ini sangat jauh dari nilai yang diharapkan yaitu sebesar -9,5 dB. Sedangkan pada frekuensi 1,1 GHz terlihat memiliki nilai return loss -16,61 dB. Hal tersebut dapat disebabkan oleh ketidaksesuaian antara perhitungan dimensi
patch segiempat yang digunakan dengan teknik pencatuan aperture coupled.
Selain itu juga beberapa faktor pembulatan yang dilakukan atas nilai yang diperoleh dari perhitungan untuk penyesuaian grid dapat mempengaruhi hasil simulasi. Oleh karena itu, untuk mendapatkan rancangan yang optimal perlu dilakukan pengkarakterisasian antena.
3.3.8 Karaterisasi Antena Elemen Tunggal
yang diinginkan yaitu panjang saluran pencatu dan dimensi slot aperture. Dengan demikian parameter yang memungkinkan untuk digunakan pada pengkarakterisasian ini adalah dimensi patch, panjang saluran pencatu dan dimensi slot aperture.
Gambar 3.4 Return loss dengan perubahan panjang patch (L)
Gambar 3.4 memperlihatkan sebuah pengkarakterisasian dari rancangan antena dengan mengubah hanya ukuran panjang patch, sedangkan parameter lainnya tetap. Variasi panjang patch (L) yang dibuat adalah mulai 29mm hingga 37 mm dengan perubahan tiap 2 mm. Parameter yang tetap adalah: lebar patch (W=31mm), dimensi slot (s = 15mm x 2,5mm), dan panjang saluran pencatu (Lf = 34mm). Dari Gambar 3.4 tersebut dapat diamati bahwa dengan memperbesar panjang patch maka frekuensi kerja dari antena menjadi lebih kecil, demikian pula untuk sebaliknya.
3.3.9 Hasil Simulasi Elemen tunggal
simulasi elemen tunggal yang diperoleh optimal masing-masing diberikan pada Gambar 3.5, 3.6, dan 3.7.
Hasil simulasi yang optimum ini didapatkan dengan melakukan iterasi terhadap kombinasi antara nilai parameter dimensi patch, dimensi slot dan panjang saluran pencatu.
Gambar 3.5 Hasil simulasi return loss elemen tunggal
(a) Tampak atas substrat-1 :
Dari Gambar 3.5 dan 3.6 di atas dapat dilihat bahwa nilai return loss yang diperoleh pada frekuensi 1,96 GHz dan 2 GHz masing-masing adalah -18,48 dB dan -18,8 dB dan pada frekuensi tengahnya (1,98) GHz diperoleh -27,67 dB. Sedangkan nilai VSWR yang diperoleh pada frekuensi 1,96 GHz dan 2 GHz masing-masing adalah 1,98 dan 1,959. Pada frekuensi tengahnya nilai VSWR yang diperoleh mencapai 1,111. Nilai ini telah memenuhi kebutuhan yang ingin dicapai yaitu pada nilai VSWR ≤ 2 atau return loss ≤ -9,5 dB. Adapun bandwidth yang dicapai pada nilai VSWR ≤ 1,5 adalah:
Bandwidth = , ,
, x 100% = 1,15%
Gambar 3.7 Hasil simulasi pola radiasi elemen tunggal
3.4 Perancangan Patch Segiempat 2 Elemen 3.4.1 Diagram Alir Perancangan array 2 Elemen
Perancangan antena array ini menggunakan data yang telah diperoleh dari hasil rancangan antena elemen tunggal (seperti dimensi patch, slot aperture, panjang saluran pencatu dan magnitude pola radiasi). Pada penelitian ini, jenis yang digunakan adalah dengan konfigurasi array, hal ini dimaksudkan agar dapat lebih mudah mengatur pola radiasi dan meminimalisir dimensi antena. Setelah penentuan jenis konfigurasi array, selanjutnya adalah merancang konfigurasi saluran pencatu bagi setiap elemen. Perancangan konfigurasi saluran ini sangat kompleks, karena parameter yang mempengaruhinya sangat bervariasi. Namun secara sederhana, proses perancangan antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen ini dapat dibuat ke dalam diagram alir seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8.
3.4.2 Pengaturan Jarak Antar Elemen
Jarak antar elemen pada antena yang dirancang pada tesis ini sekitar setengah panjang gelombang (d = λ/2).
d = = =
, =75,7 mm
Jarak antar elemen ini dapat diatur untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal yaitu untuk meningkatkan magnitude hasil simulasi pola radiasi agar lebih besar dari yang dihasilkan pada rancangan elemen tunggal (5 dB).
3.4.3 Perancangan T-Junction
Gambar 3.8 Diagram alir perancangan array 2 elemen
Untuk mendapatkan panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,711 Ω digunakan program TXLine 2003. Tampilan program TXLine
2003 untuk mencari panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai
impedansi 70,711 Ω ditunjukkan pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Tampilan program TXLINE untuk mencari panjang dan lebar saluran pencatu agar mempunyai impedansi 70,711 Ω.
Melalui perangkat lunak TXLine 2003 ini (Gambar 3.10) diperoleh bahwa untuk menghasilkan impedansi 70,711 Ω dengan substrat yang akan digunakan dalam perancangan dan frekuensi kerja yang diinginkan yaitu 1,98 GHz, dibutuhkan panjang saluran pencatu sebesar 21,2921 mm dan lebar sebesar 1,57139 mm. Untuk menyesuaikan dengan ukuran grid yang digunakan pada perangkat lunak Microwave Office 6.51 maka panjang dan lebar ini dibulatkan menjadi 21 mm dan 1,5 mm. Dengan pembulatan ini nilai impedansi dari saluran pencatu menjadi 72,2626 Ohm. Kekurangan 1,5516 Ω ini masih dalam toleransi.
3.4.4 Hasil Simulasi 2 Elemen
Gambar 3.11 Hasil simulasi return loss 2 elemen
(a) Tampak atas substrat-1 :
Gambar 3.13 Hasil simulasi pola radiasi 2 elemen
Dari Gambar 3.11, 3.12 dan 3.13 dapat dilihat bahwa nilai return loss yang diperoleh pada frekuensi 1,98 GHz diperoleh -33,41 dB, nilai VSWR yang diperoleh adalah 1,045 dan pola radiasi pada sudut 0o adalah 6,579 dB. Nilai ini telah memenuhi kebutuhan yang ingin dicapai yaitu VSWR ≤ 2 atau return loss ≤ -14 dB. Adapun bandwidth yang dicapai pada nilai VSWR ≤ 2 adalah:
Bandwidth = . ,
, x 100% = 3,03%
Tabel 3.2 Parameter Antena Hasil Simulasi
Parameter Elemen Tunggal 2 Elemen
Return Loss minimum -27,67 dB -33,41 dB
VSWR minimum 1,09 1,045
Gain maksimum pola radiasi 5,432 dB (pada sudut 0o) 6,579 dB (pada sudut 0o)
Polarisasi Linier Linier
3.5 Langkah Pengerjaan Antena Mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan pencatuan aperture coupled
Antena yang sudah dirancang, kemudian difabrikasi untuk kemudian dapat dilakukan pengukuran. Langkah-langkah yang dilakukan, yaitu
1. Potong papan pcb sesuai dengan ukuran yang diinginkan dengan menggunakan gergaji besi.
2. Persiapkan kertas foto yang sudah dicetak dengan gambar desain antena mikrostrip. Dalam hal ini, harus menggunakan tinta mesin fotokopi atau tinta dari printer laser. Lalu kertas ditempelkan pada papan pcb, dan disetrika sambil ditekan perlahan agar gambar desain berpindah ke pcb. 3. Apabila hasil cetakan kurang bagus, maka dapat menggunakan spidol tinta
permanen untuk menandai daerah yang kurang bagus. Hasil cetakan dapat dilihat pada gambar 3.13 di bawah.
4. Setelah selesai dicetak, maka larutkan FeCl3 ke dalam air dalam satu ember plastik. Lalu pcb tersebut dicelupkan sambil digoyang perlahan agar tembaga yang tidak terlindung oleh tinta dapat luntur. Proses ini dinamakan proses etching. Proses dapat dilihat pada gambar 3.14 berikut di bawah.
Gambar 3.15 Proses etching
5. Setelah seluruh tembaga yang tidak terlindung oleh tinta, hilang, maka papan pcb dibilas dengan air bersih.
BAB IV
PENGUJIAN ANTENA
4.1 Umum
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.
Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter- parameter antena tersebut. Beberapa dari parameter tersebut saling berhubungan satu sama lain. Parameter yang akan diujikan pada dasarnya cukup banyak namun dalam Tugas Akhir ini parameter diuji hanya gain yang dihasilkan dari hasil fabrikasi antena mikrostrip 2 elemen, hal ini juga disebabkan keterbatasan peralatan dalam pengujian antena.
4.2 Persiapan Pengukuran dan Pengujian
Persiapan pengujian antena meliputi persiapan peralatan dan software pendukung. Peralatan yang disiapkan meliputi :
a. Antena mikrostrip
a.Tampak atas substart 1(patch)
b. USB modem EV-DO
USB Modem EV-DO disini berfungsi sebagai konektor sinyal dari BTS yang menyediakan layanan EVDO.
c. Kabel SMA Male to pigtail
Kabel ini berfungsi untuk menghubungkan antena mikrostrip dengan modem EVDO. Kabel yang digunakan adalah kabel coaxial RG-58 yang memiliki impedansi 50 ohm.
d. Laptop
Laptop yang digunakan telah dilengkapi dengan program QPST dan QXDM yang akan digunakan dalam pengujian dan pengukuran antena.
4.3 Pengukuran Gain
Pengukuran gain dilakukan dengan membandingkan perolehan level sinyal maksimum yang diperoleh ketika menggunakan antena mikrostrip dan dengan menggunakan USB modem EV-DO saja. Pertama kali yang akan diukur adalah level sinyal maksimum yang diperoleh tanpa menggunakan antena mikrostrip. Langkah – langkah untuk mengetahui nilai level sinyal yang diperoleh oleh USB modem EV-DO adalah sebagai berikut :
1. Nyalakan laptop.
2. Pasang USB modem EV-DO. 3. Jalankan program QXDM. 3 Catat level sinyal yang diterima
Gambar 4.2 Hasil Perolehan Sinyal Tanpa Menggunakan Antena Mikrostrip
Dari Gambar 4.2 perhatikan grafik sinyal yang berwarna biru. Dikarenakan modem yang digunakan dual band, maka muncul dua pembacaan power sinyal yang diterima (RX receiver) yaitu warna biru tua dan biru muda. Biru muda untuk frekuensi yang lebih rendah (800 MHz) dan biru tua untuk frekuensi yang lebih tinggi (1900 MHz). Dari Gambar 4.2 terlihat bahwa pembacaan level sinyal menunjukkan -83dBm +/- 2 dB. Ini merupakan perolehan sinyal dengan menggunakan USB modem EV-DO saja.
Dari Gambar 4.3 terlihat bahwa dengan menggunakan antena mikrostrip, terdapat penguatan gain pada penerimaan sinyal EVDO. Dari Gambar 4.3, terlihat bahwa pembacaan level sinyal menunjukkan -80dBm +/- 2dB.
Dari data yang diperoleh maka dapat dihitung besar gain antena mikrostrip dengan mengikuti Persamaan 2-10 dimana gain USB modem EV-DO sendiri adalah sebesar 2,1dBi. Hasil pengukuran gain antena mikrostrip yang dihitung berdasarkan Persamaan 2-10 dapat ditunjukkan sebagai berikut :
Gain =(-80 dBm - (-83 dBm)) + 2,1 dBi = 5,1 dBi
Dari perolehan ini dapat disimpulkan bahwa antena mikrostrip yang dirancang sudah sesuai dengan yang diharapkan yaitu sebesar 5 dBi.
4.4 Pengujian Transfer data
Pengujian transfer data dilakukan untuk melihat efek dari penguatan sinyal dari antena mikrostrip. Pengujian dilakukan bersamaan saat pengukuran gain. Pengujian transfer data dilakukan dengan cara melakukan tes download pada
server file hosting lokal, yaitu www.indowebster.com.
Pengujian transfer data yang dilakukan tanpa menggunakan antena mikrostrip ditunjukkan oleh Gambar 4.4.
(a) (b)
Gambar 4.4 Hasil tes tanpa menggunakan antena mikrostrip
menunjukkan laju maksimum komunikasi data antara modem dengan BTS. Dan pada gambar 4.4 (b) terlihat kecepatan transfer data berkisar pada 43 KBps.
Pengujian transfer data dengan menggunakan antena mikrostrip ditunjukkan oleh Gambar 4.5.
Gambar 4.5 Hasil tes dengan menggunakan antena mikrostrip
BAB IV
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil simulasi dan pengujian antena mikrostrip, dapat ditarik kesimpulan:
1. Besarnya patch (L dan W) sangat mempengaruhi frekuensi kerja pada antena microstrip patch segi empat, semakin besar nilai frekuensi maka semakin kecil nilai L dan W.
2. Antena mikrostrip sangat cocok digunakan pada aplikasi frekuensi yang tinggi.
3. Antena mikrostrip segiempat 2 elemen dengan pencatuan aperture-coupled yang dihasilkan memiliki gain 5 dBi pada frekuensi 1,98 GHz.
4. Gain antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen dengan pencatuan
aperture-coupled mencapai 6,367 dBi pada frekuensi kerja 1,98 GHz. Nilai
gain ini lebih baik dibandingkan dengan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal dengan pencatuan aperture-coupled yang memiliki gain sebesar 5,432 dBi pada frekuensi kerja 1,98 GHz. Persentase peningkatan nilai gain maksimum antara 2 elemen dan elemen tunggal adalah sebesar 17,2%.
5.2 Saran
Beberapa saran yang dapat penulis berikan pada Tugas Akhir ini adalah: 1. Dapat dilakukan variasi bentuk slot dan saluran pencatu untuk memperkaya
penerapan ilmu mengenai antena mikrostrip.
DAFTAR PUSTAKA
1. Bhima Augusta, 28 Juli 2011, Antena RF http://bhima-augusta.com/?page_id=847.
2. Anonim,21 Juli 2011, Antena Mikrostrip
http://www.scribd.com/doc/45977142/Antena-Mikrostrip.
3. Dwee, 20 Mei 2011, Aplikasi Substrat Alumina Pada Antena Mikrostrip
Patch PersegiUntuk Komunikasi Bergerak Pada Frekuensi 3,3 -3,4 GHz.
4. Constantine A. Balanis, 1997, Antena Theory : Analysis and Design, (USA: John Willey and Sons).
5. Ramesh Garg, et al, 2001., Microstrip Design Handbook, (Norwood: Artech House. Inc).
6. David M. Pozar, 1995, A Review of Bandwidth Enhancement Techniques for Microstrip Antenna, (New York: IEEE Press).
7. Fawwaz T. Ulaby, 2001, Fundamentals of applied Electromagnetics, (USA: Prentice Hall).
8. Demir, Simsek dan Canon Toker, 1999, Optimum Design of Feed Structures for High G/T Passive and Active Antenna Arrays, IEEE
Transactions on Antennaa and Propagation.
9. Girish Kumar, K.P. Ray, 2003, Broadband Microstrip Antennas, (London: Artech House).
11. Julio A.Navarro dan Kai Chang, 1996, Integrated Active Antennas and Spatial Power Combining, (USA: John Willey).
12. Sri Wahyu Widiastuti, 28 Juli 2011, Gelombang Electromagnet
http://www.scribd.com/doc/16680182/gelombang-elektromagnetik.
13. Adel Bedair Abdel-Mooty Abdel-Rahman, 2005, Design and Development of
High Gain Wideband Microstrip Antenna and DGS Filters Using Numerical
Experimentation Approach, Disertasi, University Magdeburg.
14. Anonim. 12 Mei 2013. Karakter Antena.
http://id.wikipedia.org/wiki/EVDO.
15. Anonim. 12 Mei 2013.
http://id.wikipedia.org/wiki/Telekomunikasi_seluler_di_Indonesia.
16. David M. Pozar, 1996, A Review of Aperture Coupled Microstrip Antennas: History, Operation, Development, and Applications.pdf (Amherst).
17. ZARREEN AIJAZ AND S.C.SHRIVASTAVA, An Introduction of Aperture Coupled Microstrip Slot Antenna.pdf ( India ).
LAMPIRAN
PETUNJUK PENGGUNA Microwave Office 2003 V.6.51
1. Jalankan program Microwave Office 2003 V.6.51.
2. Pada jendela program, arahkan mouse pada kolom Project, lalu arahkan mouse pada pilihan Add EM Structure, selanjutnya pilih dan klik New EM Structure. Selanjutnya akan mucul kotak dialog dimana kita dapat menamai struktur antena yang akan kita buat, lalu pilih dan klik Create.
3. Arahkan mouse pada kolom Structure yang muncul disebelah kolom Project, lalu pilih dan klik Substrate Information. Akan mucul jendela yang memiliki 3 kolom. Kolom pertama memiliki fungsi untuk menentukan panjang dan lebar
patch. Kolom kedua memiliki fungsi untuk menentukan jumlah lapisan patch
dan karakteristik patch yang mencakup ketebalan, konstanta dielektrik dan loss
tangent. Kolom ketiga memiliki fungsi untuk menentukan batas permukaan
atas dan bawah.
lompatan dari rentang frekuensi, misalnya dari rentang frekuensi 1 GHz sampai 2 GHz, jika kita masukkan nilai Step 0,2, maka frekuensi yang akan disimulasikan adalah 1 GHz; 1,2 GHz; 1,4 GHz; 1,5 GHz; 1,6 GHz; 1,8GHz; 2 GHz.
5. Langkah berikutnya adalah menggambar antena mikrostrip. Hal ini cukup mudah, yaitu dengan meletakkan tembaga (copper) pada bidang patch.
6. Apabila proses menggambar sudah selesai, maka langkah berikutnya adalah melakukan simulasi. Pilih graph yang terletak dibawah menu EM Structure, lalu klik kanan dan klik Add New Graph. Akan mucul kotak dialog, disini dapat kita ubah nama grafik sesuai dengan yang kita inginkan, misalnya nama grafik tersebut adalah return loss, lalu pilih dan klik OK.
7. Langkah berikut adalah memilih parameter yang akan disimulasi, dalam hal ini adalah return loss, VSWR dan gain. Klik kanan pada grafik yang sudah kita namai return loss, lalu pilih dan klik Add measurement. Akan mucul kotak dialog yang berfungsi untuk memasukkan parameter yang akan disimulasikan. Kita pilih Linear>Port Parameter>S lalu klik OK. Untuk parameter VSWR, pilih Linear>VSWR. Untuk parameter gain, pilih
![Gambar 2.5. Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth [6]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/191329.14299/22.595.232.392.86.192/gambar-rentang-frekuensi-menjadi-bandwidth.webp)
