Abstrak - IINUSAT-1 (Indonesia Inter University Satellite-1) merupakan proyek satelit pertama antar universitas yang ada di indonesia pada awal tahun 2010 sampai akhir 2012. Dalam rangka partisipasi ITS dalam pembangunan satelit IINUSAT-1 pada bagian stasiun bumi yang terdiri dari stasiun bumi tetap dan stasiun bumi bergerak. Pada penelitian portable ground station salah satu sub-sistem yang akan di bangun adalah antena. Desain antena pada satelit tidak mungkin berpolarisasi sirkular, karena ukuran satelit nano IINUSAT-1 yang kecil sehingga digunakan antena Linier Cross Polar. Untuk dapat membangun komunikasi antara portable ground station dan satelit, pada ground station akan dibangun antena yang berpolarisasi sirkular dan berpolaradiasi direksional. Pada penelitian ini telah dilakukan rancang bangun antena mikrostrip pada frekuensi 145.9 MHz dan 436.5 MHz terpolarisasi sirkular dan berpolaradiasi direksional. Tahap awal dalam pembuatan antena dilakukan simulasi dengan menggunakan software HFSS v11 dan CST 2011. Setalah dihasilkan disain yang sesuai, maka dilakukan fabrikasi antena. Pengukuran antena dilakukan pada parameter nilai Retun Loss (RL), vswr, polarisasi dan pola radiasi antena. Pengukuran mikrostrip 145.9 MHz yang dioptimasi menggunakan impedance matching type LC menghasilkan nilai RL Port1= -30.62 dan RL Port2= -25.91 , г Port1= 0.029 dan г Port2 = 0.05, Zin Port1= 52.98 Ω dan Zin Port2= 55.26 Ω, VSWR Port1= 1.059 dan VSWR Port1= 1.106, gain= 8.18 dB, polarisasi ellips (axial ratio AR = 1.24) serta pola radiasi dengan HPBW= 47.5o. Pengukuran mikrostrip 436.5 MHz menghasilkan nilai RL= -17.24 dB, г= 0.13, Zin= 64.9 Ω, VSWR = 1.31, gain = 2.2 dB, polarisasi antena adalah ellips (axial ratio AR= 1.21) serta pola radiasi dengan HPBW= 46o.
I. PENDAHULUAN
iNUSAT-1 sebagai cikal bakal satelit pertama yang dibangun oleh mahasiswa Indonesia dengan kerjasama antar 5 perguruan tinggi dan 1 badan nasional yaitu UI, ITB, UGM, ITS, PENS ITS dan LAPAN. Pada IiNUSAT-1, Institut Teknologi Sepuluh Nopember berpartisipasi pada bidang ground segment. Ground segment terbagi menjadi dua bagian yaitu fix ground segment dan portable ground segment. Penelitian mahasiswa ITS saat ini fokus pada pembangunan
portable ground segment. Antena merupakan salah satu sub-system penting pada portable ground segment. Satelit IiNUSAT-1 merupakan satelit NANO yang memiliki dimensi kecil sehingga pada satelit tidak memungkinkan pembuatan antena dengan polarisasi sirkular yang memiliki dimensi lebih besar dari dimensi satelit dimana pada satelit menggunakan antena linier cross dengan polarisari polar. Satelit ini bekerja pada frekuensi 145.8 146 MHz (uplink) dan 435 MHz-438 MHz (downlink) [1]. Untuk menjawab permasalahan di atas, maka pada pembuatan sub-system antena portable ground segment yaitu antena mikrostrip pada frekuensi 145.9 MHz dan 436.5MHz terpolarisasi sirkular dan polaradiasi direksional. Perancangan antena mikrotsrip dengan karakteristik polarisasi sirkular dirancang untuk mendukung komunikasi satelit bergerak [2], yang sangat cocok diaplikasikan pada portable ground segment.
II. LANDASAN TEORI
Pada antena mikrostrip ada beberapa macam patch yang dapat diaplikasikan. Pada tugas akhir ini konfigurasi digunakan adalah circular patch (Gambar 1) dan rectangular patch (Gambar 2).
A. Circular Patch
Gambar 1. Geometri antena mikrostrip circular patch Untuk mendisain mikrostrip, pertama menentukan konstanta dielektrik substrat (ɛr), frekuensi resonansi (fr) dan
ketebalan substrat h. menentukan nilai jari-jari patch (a) dengan rumus :
I
Perancangan dan Pembuatan Antena
Mikrostrip Pada Frekeunsi 145.9 MHz dan 436.5 MHz
Terpolarisasi Sirkular dan Berpolaradiasi Direksional Untuk
Portable Transceiver Satelit.
Untuk Downlink Stasiun Bumi Satelit IiNUSAT-01
Rizadi Sasmita Darwis, Eko Setijadi, Gamantyo Hendrantoro Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh NopemberKampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia Email: [email protected]
a = F 1+ 2h πεrF ln π F 2h ! " # $ % & +1.7726 ' ( ) * + , -. / 0 1 2 1 2 Dimana : F =8.791×10 9 fr εr
Ingat bahwa h pada (pers 2) harus dalam cm [3]. B. Rectangular Patch
Gambar 2. Geometri antena mikrostrip rectangular patch Untuk Menghitung nilai W dan L dapat menggunakan rumus :
1 2 2⋅ + = r r f c W ε L f c L reff r Δ ⋅ − ⋅ = 2 2 ε dengan ΔL :
(
)
(
)
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + ⋅ ⋅ = Δ 8 , 0 258 , 0 264 , 0 3 , 0 412 , 0 h W h W h L reff reff ε ε dan εeff : 2 1 12 1 2 1 2 1 − ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + − + + = W h r r reff ε ε ε Keterangan :εreff = konstanta dielektrik efektif (F/m) εr = konstanta dielektrik bahan (F/m) h = tinggi bahan substrat (m) W = lebar elemen radiasi (m) L = panjang elemen radiasi (m) [3] C. Sistem Feeding
Antena mikrostrip berpolarisasi circular dikategorikan menjadi dua tipe berdasarkan sistem feeding nya , yang pertama adalah dual-feed CP antena dengan polarizer eksternal seperti 3 dB hybrid, dan kedua singly-fed tanpa polarizer eksternal. Klasifikasi antena berdasarkan jumlah titik feeding diperlukan untuk eksitasi polarisasi sirkular.
Gambar 3. Dua tipe Sistem Feeding pada Antena Mikrostrip Polarisasi sirkular [4]
III. PERANCANGAN DAN SIMULASI
Langkah awal dalam perancangan antena mikrostrip 145.9 MHz dan 436.5 MHz polarisasi sirkular adalah menentukan karakteristik awal yaitu return loss ≤ -10dB, VSWR< 2, polarisasi sirkular, substrat yang digunakan adalah FR4 dengan ketebalan h=1.6 mm dan permitifitas relative εr=4.4.
Pada perancanan ini mikrostrip 145.9 MHz menggunakan rectangular patch dual feeding (Gambar 3a) dan mikrostrip 436.5 MHz menggunakan circular patch single feeding (Gambar 3b), konfigurasi ini digunakan untuk menghasilkan polarisasi sirkular pada antena. Dari hasil perhitunngan dimensi mikrostrip 145.9 MHz W=L= 49 cm serta mikrostrip 436.5 MHz memiliki jari-jari patch a= 9.52 cm.
A. Hasil simulasi mikrostrip 145.9 MHz :
Gambar 4. Dimensi antena mikrostrip 145.9 MHz Tabel 1. Ukuran Antena Mikrostrip 145.9 MHz
Simbol Ukuran L 47.6 cm W 47.6 cm fd1 19.2 cm fd2 19.2 cm Wg 60.4 cm h 3.2 mm
Nilai return loss mikrostrip 145.9 MHz dari simulasi adalah -12.98 dB seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 .
Gambar 5. Return Loss Mikrostrip 145.9 MHz Simulasi Dari nilai return loss maka dapat dihitung bandwidth dari antena hasil simulasi yaitu :
% 100 x F F F BW C L U− = (a) Dual fed patch
(b) Singly fed patch
( pers. 1 ) ( pers. 2 ) ( pers. 3 ) ( pers. 4 ) ( pers. 5 ) ( pers. 6 ) ( pers. 7 )
% 823 . 0 % 100 8 . 145 2 . 145 4 . 146 = − = x MHz MHz MHz BW
Gambar 6 merupakan hasil simulasi mikrostrip 145.9 MHz menggambarkan pola radiasi sebagai fungsi gain dengan nilai gain= -6.2 dB. Hasil simulasi kuat medan listrik serta arah vector real pointing yang menyatakan polarisasi antena dengan arah vector adalah Left Hand Circular Polarization (LHCP) terdapat pada Gambar 7.
Gambar 6. Polaradiasi Mikrostrip 145.9 MHz Simulasi
Gambar 7. Kuat Medan Listrik dan Arah Vector Real Pointing Mikrostrip 145.9 MHz Simulasi B. Hasil optimasi simulasi mikrostrip 436.5 MHz :
Gambar 8. Dimensi Antena Mikrostrip 436.5 MHz
Tabel 2. Ukuran Antena Mikrostrip 436.5 MHz Simbol Ukuran a 8.2 cm s1 / s2 3.3 cm fd1 / fd2 5 cm Wg 24 cm h 1.6 mm θ 45o
Return loss mikrostrip 436.5 MHz dari hasil simulasi bernilai -22.49 dB ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Return Loss Mikrostrip 436.5 MHz Simulasi Bandwidth mikrostrip 436.5 MHz dari simulasi dapat dihitung menggunakan persamaan 7 yaitu :
% 372 . 1 % 100 437 434 440 = − = x MHz MHz MHz BW
Hasil simulasi mikrostrip 436.5 MHz menggambarkan pola radiasi antena terdapat pada Gambar 10 dan hasil simulasi kuat medan listrik serta arah vector real pointing dari antena ditunjukkan oleh Gambar 11.
Pada Gambar 10 diketahui polaradiasi dari fungsi gain bernilai -5 dB pada phi= 0o. Pada Gambar 11 polarisasi dari
simulasi ditunjukkan oleh arah vector real pointing yang memiliki vector perputaran dengan arah Left Hand Circular Polarization (LHCP).
Gambar 11. Kuat Medan Listrik dan Arah Vector Real Pointing MIkrostrip 436.5 MHz Simulasi IV. ANALISIS DATA HASIL PENGUKURAN Parameter unjuk kerja dari antena mikrostrip yang akan dianalisis dan dibahas pada pengukuran antena, yaitu:
a. Return Loss (S11) b. Bandwitdh c. VSWR d. Gain Antena e. Pola Radiasi f. Polarisasi
Pengukuran antena dilakukan dengan menggunakan Network Analyzer, Spectrum Analyzer dan Signal Generator .
A. Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip 145.9 MHz
Pengukuran return loss dan VSWR antena dilakukan dengan menggunakan network analyzer dengan hasil pengukuran return loss pada Gambar 12. Return losss pada Port1 adalah -30.62 dB dan pada Port2 adalah -25.91 dB. Dari
Gambar 12 dapat dilihat bahwa kurva dengan nilai minimum telah tercapai pada frekuensi 145.9 MHz. Bandwidth mikrostrip 145.9 MHz dari pengukuran dapat dihitung menggunakan persamaan 7 yaitu :
% 408 . 0 % 100 9 . 146 6 . 146 2 . 147 1 = − = x MHz MHz MHz BWPort % 544 . 0 % 100 8 . 146 4 . 146 2 . 147 2= − x = MHz MHz MHz BWPort
Gambar 12. Retun Loss Mikrostrip 145.9 MHz Pengukuran
Gambar 13. VSWR Mikrostrip 145.9 MHz Pengukuran Tabel 3. Hasil Pengukuran Daya Terima Antena Untuk Gain
Antena Monopole 145.9 MHz
Antena Mikrostrip 145.9 MHz
-50.67 dBm -46.99 dBm
Gambar 13 menunjukan hasil pengukuran VSWR mikrostrip 145.9 MHz. VSWR pada Port1 = 1.059 dan pada Port2 =1.106, dari data ini VSWR telah memenuhi krtiteria <
2 dan memiliki nilai mendekati VSWR = 1. Sehingga rasio dari tegangan gelombang pantul dan gelombang datang sangat kecil.
Pengukuran besaran gain, polaradiasi dan polarisasi menggunakan alat ukur spectrum analyzer dengan sumber sinyal menggunakan signal generator. Berikut hasil pengukuran gain mikrostrip 145.9 MHz :
Pada Tabel 3, dari kedua daya terima terbut dan gain antena referensi 4.5 dBi, maka gain antena mikrostrip dapat dicari [6]: dBm dB dBm K K dB dBm K Gmonopole momopole 17 . 55 5 . 4 67 . 50 5 . 4 67 . 50 Pr − = − − = + = − + = dB dBm dBm G dBm G dBm K G mikrostrip mikrostrip p mikrostiri mikrostrip 18 . 8 17 . 55 99 . 46 ) 17 . 55 ( 99 . 46 Pr = + − = − + = − + =
Dari hasil simulasi di HFSS dihasilkan gain -6.24 dB. Pada pengukuran gain mikrostrip 145.9 MHz adalah 8.18 dB. Hal ini mungkin terjadi akibat kurang akuratnya software simulasi dalam menentukan nilai gain antena secara simulasi.
Berikut hasil pengukuran polaradiasi mikrostrip 145.9 MHz :
Gambar 14. Polaradiasi Mikrostrip 145.9 MHz Pengukuran
( pers. 7 )
Tabel 4. Polarisasi Mikrostrip 145.9 MHz Pengukuran Pr Antena Posisi Horizontal (dBm) Pr Antena Posisi Vertikal (dBm) -33.77 -49.03
Gambar 14 menunjukkan polaradiasi dari nilai daya terima antena mikrostrip 145.9 MHz yang telah ternormalisasi. Pola radiasi dari pengukuran menghasilkan HPBW= 47.5o.
Data pengukuran polarisasi mikrostrip 145.9 MHz dari daya terima antena pada posisi horizontal dan vertikal terdapat pada Tabel 4. Dari data hasil pengukuran pada Tabel 4, terlebih dahulu konversi daya terima (dBm) ke bentuk kuat medan terima (dBuV/m) dengan menggunakan persamaan berikut [7] : K dBm m V dBµ / = +107+ 8 . 29 ) log( 20 − − = F G K Dimana :
K : Faktor koreksi antena F : Frekuensi (MHz) G : Gain antena
Kuat medan pada horizontal :
m V dB m V dBµ / =−33.77+107+[20log(145.9)−8.18−29.8]=78.53 µ /
Kuat medan pada vertikal :
m V dB m V dBµ / =−49.03+107+[20log(145.9)−8.18−29.8]=63.27 µ /
Dari data hasil pengukuran di atas dapat dihitung nilai axial ratio dari polarisasi antena 145.9 MHz dengan menggunakan persamaan berikut [5] :
24 . 1 / 27 . 63 / 53 . 78 = = = m dBuV m BuV E E AR Minor Major
Axial ratio antena mikrostrip 145.9 MHz adalah elliptical karena elliptical memiliki range 1 < AR < ∞.
B. Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip 436.5 MHz
Gambar 15 merupakan hasil pengukuran return loss antena mikrostrip 436.5 MHz. Return loss antena mikrostrip pada frekuensi 436.5 MHz adalah -17.24dB, dimana nilai return loss terendah terletak pada frekuensi 431.1MHz dengan nilai -31.06dB.
Bandwidth mikrostrip 436.5 MHz dari pengukuran dapat dihitung menggunakan persamaan 7 yaitu :
% 29 . 24 % 100 5 . 444 5 . 390 5 . 498 = − = x MHz MHz MHz BW
Gambar 15. Retun Loss Mikrostrip 436.5 MHz Pengukuran
Gambar 16. VSWR Mikrostrip 436.5 MHz Pengukuran Tabel 5. Hasil Pengukuran Daya Terima Antena Untuk Gain
Antena Monopole
Antena Mikrostrip 436.5 MHz
-53.3 dBm -56.3 dBm
VSWR berdasarkan hasil pengukuran antena mikrostrip 436.5 MHz dapat dilihat pada Gambar 16. VSWR (Voltage Standing Wave Rasio) antena mikrostrip pada frekuensi 436.5 MHz adalah 1.31, dimana nilai VSWR terendah terletak pada frekuensi 431.1 MHz dengan nilai 1.06.
Pengukuran gain antena dilakukan dengan menggunakan antena referensi monopole yang bekerja pada frekuensi 430 MHz dengan gain antena 5.2 dBi. Untuk pengukuran digunakan spectrum analyzer untuk mengetahui daya terima dari antena referensi monopole dan antena mikrostrip 436.5 MHz.
Tabel 5 adalah hasil pengukuran daya terima untuk antena monopole dan mikrostrip. Kedua daya terima tersebut dan gain antenna referensi diketahui, maka gain antenna mikrostrip dapat hitung [6]:
dBm dB dBm K K dB dBm K Gmonopole momopole 5 . 58 2 . 5 3 . 53 2 . 5 3 . 53 Pr − = − − = + = − + = dB dBm dBm G dBm G dBm K G mikrostrip mikrostrip p mikrostiri mikrostrip 2 . 2 5 . 58 3 . 56 ) 5 . 58 ( 3 . 56 Pr = + − = − + = − + =
Dari hasil simulasi di HFSS dihasilkan gain -5 dB. Pada pengukuran gain mikrostrip 145.9 MHz adalah 2.2 dB. Hal ini mungkin terjadi akibat kurang akuratnya software simulasi dalam menentukan nilai gain antena secara simulasi.
Gambar 17 merupakan hasil pengukuran polaradiasi mikrostrip 436.5 MHz.
( pers. 9 ) ( pers. 10 )
Gambar 17. Polaradiasi Mikrostrip 436.5 MHz Pengukuran Tabel 6. Polarisasi Mikrostrip 436.5 MHz Pengukuran
Pr Antena Posisi Horizontal (dBm)
Pr Antena Posisi Vertikal (dBm)
-35.51 -51.63
Gambar 17 menunjukkan polaradiasi dari nilai daya terima antena mikrostrip 436.5 MHz yang telah ternormalisasi. Pola radiasi dari pengukuran menghasilkan HPBW= 46o.
Data pengukuran polarisasi mikrostrip 436.5 MHz dari daya terima antena pada posisi horizontal dan vertical terdapat pada Tabel 6.
Dari data hasil pengukuran pada Tabel 6, terlebih dahulu konversi daya terima (dBm) ke bentuk kuat medan terima (dBuV/m) dengan menggunakan persamaan 9 dan 10 : Kuat medan pada horizontal :
m V dB m V dBµ / =−35.51+107+[20log(436.5)−2.2−29.8]=92.28 µ /
Kuat medan pada vertikal :
m V dB m V dBµ / =−51.63+107+[20log(436.5)−2.2−29.8]=76.16 µ /
Dengan mengetahui kuat medan terima dari antena dapat dihitung nilai axial ratio dari polarisasi antena 436.5 MHz dengan menggunakan persamaan 10 :
21 . 1 / 16 . 76 / 28 . 92 = = = m dBuV m dBuV E E AR Minor Mayor
Axial ratio antena mikrostrip 436.5 MHz adalah elliptical karena elliptical memiliki range 1 < AR < ∞.
V. KESIMPULAN
Dari analisis terhadap hasil simulasi dan pengukuran antena Mikrostrip 145.9 MHz dan 436.5 MHz, disimpulan bahwa antena mikrostrip 145.9 MHz telah selesai disimulasi, fabrikasi dan dilakukan pengukuran. Hasil Simulasi mikrostri 145.9 MHz telah memenuhi kriteria disain, hasil fabrikasi mengalami pergeseran frekuensi tengah dan telah dilakukan optimasi dengan menggunakan impedance matching LC type L dengan hasil optimasi menunjukkan return loss pada Port1 =
-30.62 dB dan Port2 = -25.91 dB, bandwidth Port1= 0.408%
dan Port2= 0.544%, VSWR pada Port1 = 1.059 dan pada Port2
=1.106, impedansi input antena Zin pada Port1 = 52.98 ohm
dan Port2 = 55.26 ohm, pola radiasi dengan HPBW= 47.5o
serta polarisasi dari antena adalah ellips dengan axial ratio AR = 1.24. Antena mikrostrip 436.5 MHz telah selesai disimulasi, fabrikasi dan dilakukan pengukuran dengan hasil return loss = -17.24dB, bandwidth = 24.29% dan VSWR = 1.31, pola radiasi dengan HPBW= 46o serta polarisasi dari antena adalah ellips dengan axial ratio AR = 1.21. Antena mikrostrip 145.9 MHz dan 436.5 MHz yang dibuat telah memenuhi parameter nilai return loss, VSWR, namun untuk polarisasi dan pola radiasi hampir memenuhi parameter awal antena.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] IiNUSAT. "Preliminary Design Review". 2010.
[2] Darsono M. Perancangan Antena Mikrostrip Patch Segitiga Polarisasi Lingkaran Untuk Aplikasi Global Positioning Service (Gps) Pada Satelit Mikro Lapan- Tubsat. Jurnal Sains dan Teknologi EMAS. Vol 18. No 2; Mei 2008.
[3] Balanis. Constantine.A. Antenna Theory : Analysis and Design. (USA: John Willey and Sons, 1997).
[4] James J R & Hall P S. Handbook of Microtrip Antennas. IEE
Electromagnetic Waves Series 28. Vol 1; 1989.
[5] Nakar, Punit S. 2004. Design of a Compact Microstrip Patch
Antenna for use in Wireless/Cellular Devices. The Florida State
University. Thesis.
[6] Mudrik Alaydrus. Antena Prinsip dan Aplikasi. Graha Ilmu, 2011.
[7] Harold Kinley. R, “Standard Radio Communications Manual :
With Instrumentation And Testing Techniques”, Printice-Hall,
1985.
VII. BIOGRAFI
Rizadi Sasmita Darwis, lahir di Pekanbaru 10 April 1988, anak pertama dari tiga bersaudara pasangan Darwis Wahab dan Yenita Madjid. Memulai pendidikan formalnya di SD Negeri 034 Sukajadi - Pekanbaru, kemudian meneruskan pendidikan di SLTP Negeri 4 Pekanbaru, penulis lulus pada tahun 2006 dari SMU Negeri 5 Pekanbaru. Penulis melanjutkan studi di Politeknik Caltex Riau pada program studi Teknik Telekomunikasi dari tahun 2006-2009. Untuk mendapatkan gelar sarjana, penulis melanjutkan kuliah di Intitut Teknologi Sepuluh Nopember - Jurusan Teknik Elektro program studi Telekomunikasi Multimedia.
