PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP ARRAY PATCH SEGITIGA DUAL- BAND ( 2,4 GHz dan 3,3 GHz)
DENGAN STUB PADA SALURAN PENCATU
Eden Herdani, Ali Hanafiah Rambe
Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail: edenherdani@gmail.com
Abstrak
Kebutuhan akan antena saat ini semakin berkembang pesat sehingga menyebabkan teknologi perancangan antena juga harus semakin meningkat. Tulisan ini membahas tentang perancangan antena mikrostrip array patch segitiga dual band dengan penambahan stub pada saluran pencatunya yang memiliki dua frekuensi kerja yaitu pada frekuensi 2,4 GHz untuk aplikasi WLAN dan 3,3 GHz yang dapat diaplikasikan untuk teknologi WiMAX.
Antena mikrostrip ini menggunakan sebuah Printed Circuit Board (PCB) dengan substrat berbahan FR-4. Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan diantaranya bentuk fisik yang kecil dan massa yang ringan. Perangkat lunak yang digunakan dalam perancangan antena ini adalah simulator AWR Microwave 2004, software ini diperlukan dalam perancangan antena agar diperoleh nilai VSWR dan bandwidth yang diinginkan. Dari hasil simulasi, didapatkan nilai VSWR sebesar 1,43 untuk frekuensi 2,4 GHz dengan bandwidth sebesar 135 MHz (2.378 MHz – 2.513 MHz) dan 1,48 untuk frekuensi 3,3 GHz dengan bandwidth sebesar 81 MHz (3.289 MHz – 3.370 MHz). Nilai gain yang diperoleh untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,58 dB dan 5,05 dB untuk frekuensi 3,3 GHz dengan pola radiasi yang didapat uni-directional.
Kata Kunci: antena mikrostrip, dual-band, VSWR, bandwidth
1. Pendahuluan
Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam saluran transmisi menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun.
Antena mikrostrip merupakan jenis antena yang banyak digunakan dalam teknologi komunikasi wireless, khususnya pada perangkat mobile. Hal ini dikarenakan antena mikrostrip memiliki beberapa keunggulan diantaranya bentuk fisik yang relatif kecil, ringan, serta mudah dalam perancangan dan pabrikasinya. Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan, yaitu gain yang rendah, dan bandwidth yang sempit.
Saat ini banyak muncul standar teknologi baru yang semakin canggih, sehingga komunikasi saat ini tidak hanya menggunakan
layanan suara saja tetapi juga melayani komunikasi data berkecepatan tinggi sehingga diperlukan bandwidth yang cukup lebar. Salah satu teknologi yang dapat memenuhi permintaan tersebut adalah WLAN dan WiMAX. Di beberapa negara, frekuensi yang digunakan untuk aplikasi WLAN adalah 2,4 GHz dan untuk WiMAX telah ditetapkan pada 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz, dan 5,8 GHz [1]. Adapun parameter yang dapat diukur meliputi VSWR, bandwidth, gain, dan pola radiasi.
2. Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu micro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran yang sangat kecil. Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 3 komponen yaitu: groundplane, substrate, dan patch peradiasi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 [2].
Gambar 1. Antena mikrostrip
Dimensi antena mempresentasikan bentuk serta ukuran dari antena mikrostrip. Untuk dapat menentukan dimensi antena patch segitiga, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang akan digunakan seperti ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr), frekuensi kerja yang diharapkan (fHz).
Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang sisi patch antena mikrostrip patch segitiga dapat menggunakan Persamaan 1 [3]:
r fr a c
3
2 (1)
Dimana:
a: panjang sisi patch segitiga (m) εr : konstanta dielektrik
c: kecepatan cahaya diruang bebas (3×108 m/s2) fr :frekuensi kerja antena (Hz)
Perancangan suatu antena tidak terlepas dari penyesuaian impedansi (impedansi matching). Suatu saluran transmisi dikatakan matched apabila kharakter impedandi Z0 = ZL,
dimana Z0 adalah impedansi saluran transmisi dan ZL impedansi beban. Untuk mencapai kondisi matching dibutuhkan suatu cara yaitu dengan cara transformator λ/4, pemberian single stub dan double stub [4].
2.1 Antena Mikrostrip Segitiga Sama Sisi Salah satu bentuk patch antena mikrostrip adalah segitiga. Pada Tulisan ini, akan dibahas mengenai perancangan antena mikrostrip segitiga sama sisi. Bentuk segitiga memiliki keunggulan dibandingkan dengan bentuk segi empat : yaitu untuk menghasilkan karakteristik radiasi yang sama, luas yang dibutuhkan oleh bentuk segitiga lebih kecil dibandingkan dengan luas yang dibutuhkan oleh antena mikrostrip bentuk segi empat.
Hal yang membedakan pada sistem array adalah peletakan masing-masing patch pada
jarak tertentu yang sesuai dengan panjang gelombang yang merambat pada bidang dielektrik [3]. Bentuk patch antena segitiga elemen tunggal dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Antena segitiga tunggal dengan stub 2.2 Metode Single Stub
Stub adalah sebuah saluran transmisi yang disisipkan dilengan dari saluran transmisi tersebut. Untuk dapat melakukan penyesuaian impedansi dengan metode sigle stub ini dilakukan variasi parameter yaitu, jarak stub keimpedansi beban (Dstub) dan panjang stub (Lstub) [5].
Keuntungan dari teknik matching dengan stub tunggal ini mempunyai sifat bisa me- matching impedansi beban dengan nilai apapun. Tetapi, jika beban diganti, maka posisi stub harus diubah untuk mendapatkan kembali kondisi matching yang baru. Rangkaian penyesuaian impedansi dengan single stub dapat dilihat pada Gambar 3 [5].
Gambar 3. Penyesuaian impedansi single stub
3. Metodologi Penelitian
Pada perancangan antena mikrsotrip array patch segitiga dengan penambahan stub pada masing-masing saluran pencatunya, langkah – langkah yang dilakukan dalam perancangan antena ini dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Diagram alir perancangan antena 1.1 Menentukan Frekuensi Kerja dan Jenis
Substrat
Antena yang akan dirancang pada tulisan ini adalah antena susun mikrostrip patch segitiga dual band (2,4 GHz dan 3,3 GHz) dengan penambahan stub pada masing-masing saluran pencatu. Pada perancangan ini digunakan substrat Epoxy-FR4 dengan konstanta dielektrik 4,4 dan ketebalan substrat 1,6.
1.2 Dimensi Patch Antena
Antena yang dirancang adalah antena mikrostrip patch segitiga. Sebelum simulasi dilakukan, terlebih dahulu menentukan
parameter antena, yaitu dimensi patch antena.
Untuk memperoleh dimensi patch segitiga digunakan Persamaan 1. Untuk frekuensi kerja 2,4 GHz, panjang patch adalah:
x mm x
a x 38
4 , 4 4 , 2 3
10 3
2 8
Untuk frekuensi 3,3 GHz, panjang patch adalah:
x mm x
a x 28
4 , 4 3 , 3 3
10 3
2 8
1.3 Menentukan Lebar Saluran Pencatu Pada perancangan antena mikrostrip ini dilakukan pengaturan lebar saluran pencatu dengan menggunakan bantuan software TXLine 2003. Dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Tampilan TXLine 2003 untuk mencari lebar saluran pencatu.
1.4 Perancangan T-Junction
Dalam perancangan antena dualband ini, T-Junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70 Ω, karena dapat mendukung untuk meminimalisir ukuran antena. Untuk mendapatkan panjang dan lebar saluran pencatu digunakan program TXLine 2003. Tampilan TXLine 2003 untuk mencari panjang dan lebar saluran pencatu dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Tampilan 2003 untuk mencari dimensi T-Junction.
1.5 Jarak Antar Patch Antena
Jarak antar elemen antena yang dirancang adalah sekitar seperempat panjang gelombang (d=1/4). Jarak antar elemen ini dapat diatur untuk memperoleh nilai yang optimal. Adapun jarak antar elemen dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
x mm x
x xf
d c 31
10 4 , 2 2
10 3
2 8
8
1.6 Perancangan Panjang dan Letak Stub Rangkaian matching dapat dibuat dengan menyisipkan sebuah saluran transmisi yang lain (stub). Saluran transmisi stub adalah saluran transmisi dengan panjang tertentu yang ujungnya dihubung singkat (short) atau dibuka dan dipasang secara paralel (shunt) dengan saluran utama. Adapun perancangan panjang dan letak stub adalah sebagai berikut:
a. Perancangan stub untuk frekuensi 2,4 GHz
mm L
j Z
Z j
stub L L
24 143 . ) 0 8 , 0 / 1 arctan(
010049 ,
0 011576 ,
0
50
502045 ,
0 5788 , 0
Sedangkan letak stub (Dstub) terhadap beban adalah :
mm x
Dstub /2 0,0639 14 360
46
0 0
b. Perancangan stub untuk frekuensi 3,3 GHz
mm L
j Z
Z j
stub L L
14 117 . ) 0 1 , 1 / 1 arctan(
00048 , 0 007 , 0
50
028758 ,
0 350756 ,
0
Sedangkan letak stub (Dstub) terhadap beban adalah :
mm x
Dstub /2 0,16 8 360
56
0 0
Dimana :
ZL : Impedansi beban Lstub : Panjang stub
Dstub: Letak stub terhadap beban
1.7 Perancangan Ukuran Antena Dual Band Berdasarkan Persamaan (1), diperoleh nilai karakteristik dimensi antena seperti diperlihatkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Dimensi antena mikrostrip dual band
Karakteristik Nilai
Panjang dimensi antena 2,4 GHz 33 mm Panjang dimensi antena 3,3 GHz 24 mm Panjang stub 2,4 GHz 24 mm Panjang stub 3,3 GHz 14 mm Panjang saluran pencatu 17 mm
Jarak antar patch 31 mm
Lebar saluran pencatu 3 mm Dari Tabel 1, dibuat sketsa awal seperti pada Gambar 7 lalu disimulasikan dengan menggunakan bantuan software AWR 2004.
Gambar 7. Desain antena mikrostrip dual band
2. Hasil dan Analisis
2.1 Hasil simulasi dengan bantuan software AWR Microwave Office 2004
Sesuai dengan hasil perhitungan dan perancangan antena pada simulator AWR 2004, adapun nilai VSWR yang diperoleh dari hasil simulasi perancangan antena sebelum dilakukan iterasi panjang stub adalah sebesar 2,37 untuk frekuensi 2,4 GHz dan VSWR untuk frekuensi 3,3 GHz bernilai 1,64 seperti yang diperlihatkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Grafik VSWR sebelum iterasi panjang stub
Sedangakan nilai gain yang diperoleh untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,9 dB dan 6,2 dB untuk frekuensi 3,3 GHz seperti terlihat pada Gambar 9.
(a) (b)
Gambar 9. Nilai gain sebelum iterasi panjang Stub (a) Frekuensi 2,4 GHz (b) Frekuensi 3,3 GHz
Hasil VSWR yang diperoleh seperti Gambar 5 belum sesuai dengan yang diinginkan, oleh karena itu dilakukan iterasi dengan mengubah panjang stub. Adapun hasil iterasi perubahan panjang pada kedua stub dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil Iterasi Perubahan Panjang Stub PANJANG STUB
(MM) VSWR
WLAN WiMAX Frekuensi 2,4 GHz
Frekuensi 3,3 GHz
24 18 2,22 1,95
24 19 2,06 2,07
25 18 2,09 1,77
25 19 1,9 1,87
26 17 2,27 1,51
26 18 2,03 1,64
27 18 2,01 1,49
27 19 1,43 1,48
28 18 2,02 1,38
28 19 1,9 1,45
Dari hasil iterasi diperoleh bahwa nilai VSWR yang optimal adalah ketika stub memiliki panjang 27 mm untuk frekuensi 2,4 GHz dengan nilai VSWR adalah 1,43 dan panjang stub 19 mm untuk frekuensi 3,3 GHz dengan VSWR sebesar 1,48 untuk frekuensi 3,3 GHz nilai bandwidth yang diperoleh dari simulasi perancangan antena adalah sebesar 135 MHz (2.378 – 2.513 MHz) pada frekuensi 2,4 GHz, dan 81 MHz (3.289 – 3.370 MHz) pada frekuensi 3,3 GHz. Seperti diperlihatkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Grafik VSWR setelah iterasi panjang stub
Berdasarkan hasil simulasi perancangan antena setelah melakukan iterasi panjang stub, diperoleh nilai gain untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,58 dB dan 5,05 dB untuk frekuensi 3,3 GHz. Pola radiasi yang diperoleh adalah pola radiasi unidirectional seperti diperlihatkan pada Gambar 11.
(a) (b)
Gambar 11. Gain dan Pola Radiasi Antena (a) Frekuensi 2,4 GHz (b) Frekuensi 3,3 GHz 2.2 Analisis Capaian Spesifikasi Antena
Dari hasil analisa simulasi pada perangkat lunak AWR Microwave 2004, diperoleh perbandingan antara antena mikrostrip yang dirancang secara tunggal dengan antena mikrostrip dual band dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Hasil Analisa Perbandingan Antara Antena Mikrostrip Tunggal dengan Dual Band Parameter
Antena
Frekuensi 2,4 GHz Frekuensi 3,3 GHz Single Band Dual Band Single
Band
Dual Band
VSWR 1,37 1,43 1,32 1,48
Bandwidth
(VSWR ≤2) 442 MHz 135 MHz 705 MHz 81 MHz Gain 5,98 dB 5,58 dB 6,29 dB 5,05 dB
Pola Radiasi
Uni directional
Uni directional
Uni directional
Uni directional
3. Kesimpulan
Berdasarkan simulasi yang dilakukan pada antena diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu:
2. Perancangan antena mikrostrip array patch mikrostrip dual band dengan metode single stub diperoleh dengan baik dengan cara mengatur panjang stub pada masing-masing saluran pencatunya.
3. Bandwidth yang diperoleh dari hasil simulasi perancangan adalah sebesar 135 MHz untuk frekuensi 2,4 GHz dan 81 MHz untuk frekuensi 3,3 GHz.
4. Nilai VSWR dari perancangan antena antena mikrostrip array patch mikrostrip dual band pada frekuensi 2,4 GHz diperoleh sebesar 1,43 GHz dan pada frekuensi 3,3 GHz sebesar 1,48.
5. Nilai gain yang diperoleh untuk frekuensi 2,4 GHz adalah sebesar 5,58 dB dan 5,05 dB untuk frekuensi 3,3 GHz.
6. Pola radiasi antena yang didapat adalah pola radiasi unidirectional.
4. Daftar Pustaka
[1] Dwi Cahyo, Rahmat. 2012.
Perancangan dan Analisis Antena Mikrostrip Array dengan Frekuensi 850 MHz untuk Aplikasi Praktikum Antena. Semarang: Universitas Diponegoro.
[2] Surjati, Indra. 2010. Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya.
Jakarta : Universitas Trisakti. Hal 15–
27
[3] Sihombing,Nevia.2014. Studi Perancangan Antena Mikrostrip Array Patch Segitiga Dual Band.
Medan:Universitas Sumatera Utara.
[4] Alaydrus, Mudrik. 2011. Antena:
Prinsip dan Aplikasi, Jakarta: Graha Ilmu. Hal 17
[5] Syamsuddin, Muhammad. 2010. Cara Cepat Belajar Infrastruktur Wireless, Yogyakarta: Gava Media. Hal 21-22.
