TUGAS AKHIR STUDI IMPLEMENTASI RANGKAIAN KENDALI PHASED SHIFTER PADA PHASED ARRAY ANTENNA. Oleh. Irsyad Khairi Tanjung NIM :

TUGAS AKHIR

STUDI IMPLEMENTASI RANGKAIAN KENDALI PHASED SHIFTER PADA PHASED ARRAY ANTENNA

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh

Irsyad Khairi Tanjung NIM : 100402099

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2017

ABSTRAK

Antena sebagai salah satu komponen penting dalam sistem telekomunikasi telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Salah satu pengembangan antena adalah Phased Array Antenna yang merupakan kombinasi antena array dengan pengolahan sinyal. Pola radiasi antena array dapat dikendalikan dengan mengatur fasa pada masing-masing elemennya dengan menggunakan phase shifter sehingga pola radiasinya dapat diubah secara elektronik tanpa harus mengubah posisi fisiknya.

Pada tugas akhir ini dibahas mengenai efek pola pancar atau pola radiasi dari implementasi penggeser fasa terhadap phased array antenna yang dirancang bekerja pada frekuensi 433 MHz. Perancangan dilakukan dengan menggunakan program matlab R2015 b. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa nilai return loss, impedansi dan pola pancar yang dihasilkan berubah akibat pergeseran fasa oleh phase shifter. Pola pancar yang dihasilkan bergantung dari nilai pergeseran fasa dari phase shifter.

Hal tersebut menunjukkan bahwa phase shifter berperan penting dalam kinerja phase array antena.

Kata kunci : Phased Array Antenna, phase shifter, pola pancar, return loss, impedansi

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah S.W.T yang telah memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi cobaan, halangan, dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam penulis sampaikan kepada junjungan ummat Nabi Muhammad S.A.W.

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda Rusdi Tanjung dan ibunda Ratna Fatria Pasaribu yang senantiasa mendukung dan mendo’akan dari sejak penulis lahir hingga sekarang, serta kakanda Khairunnisa Poralidya Tanjung yang senantiasa mendukung dan memberi semangat kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir 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 :

“STUDI IMPLEMENTASI RANGKAIAN KENDALI PHASE SHIFTER PADA PHASED ARRAY ANTENNA”

Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas nasehat, bimbingan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Soeharwinto, ST, MT selaku Penasehat Akademis penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam melayani perkuliahan selama ini.

3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rahmad Fauzi ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Ayahanda Rusdi Tanjung dan Ibunda Ratna Fatria Pasaribu tercinta yang senantiasa selalu mendo’akan, memberikan semangat dan segalanya sehingga penulisan Tugas Akhir ini terselesaikan.

5. Kakakku tersayang Khairunnisa Poralidya Tanjung yang selalu mendukung dan memberi semangat. Terima kasih atas perhatian dan do’anya.

6. Bapak Dr. Emerson P. Sinulingga, ST, MSc, Ph.D dan Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku dosen penguji Tugas Akhir, atas masukan dan bantuannya dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.

7. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas segala bantuannya.

8. Teman – teman di Teknik Elektro FT-USU, terkhusus angkatan 2010 atas dukungan, do’a, suka dan duka selama di bangku perkuliahan.

9. Abang dan kakak senior stambuk 2008 yang selalu membantu, mendukung dan memberi masukan selama menjalani perkuliahan.

10. Keluarga Besar Laboratorium Sistem Komunikasi Radio FT USU.

11. Keluarga Besar MME-GS yang telah memberikan banyak sekali pembelajaran.

12. Semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu saran dan kritik dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan.

Akhir kata penulis berserah diri pada Allah SWT, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca sekalian terutama bagi penulis sendiri.

Medan, Januari 2017 Penulis

Irsyad Khairi Tanjung NIM. 100402099

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... xi

I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 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 ... 3

II. DASAR TEORI 2.1 Pengertian Phased array antenna ... 5

2.2 Tipe Phased Array Antenna ... 8

2.2.1 Active Phased Array Antenna ... 8

2.2.2 Passive Phased Array Antenna ... 9

2.3 Susunan Phased Array Antenna ... 10

2.3.1 linear array ... 11

2.3.2 Rectangular Array ... 12

2.3.3 CircularArray ... 12

2.3.4 Conformal Array ... 13

2.4 Manfaat Phased Array Antenna ... 14

2.5 Pengertian RF Phase Shifter ... 15

2.6 Parameter-Parameter Phase Shifter... 16

2.6.1 Bandwidth ... 16

2.6.2 Phase Error ... 16

2.6.3 Return Loss ... 16

2.6.4 Insertion Loss ... 18

2.7 Metode Perancangan RF Phase Shifter ... 19

2.7.1 Switched-Line Phase Shifter ... 19

2.7.2 Loaded-Line Phase Shifter ... 21

2.7.3 Reflection Phase Shifter ... 22

2.7.4 High Pass-Low Pass Phase Shifter ... 23

2.8 Parameter Phased Array Antenna ... 26

2.8.1 Pola Radiasi ... 26

2.8.2 Array Factor ... 27

2.8.2 Impedansi Antena ... 28

III. PERANCANGAN PHASED ARRAY ANTENNA 3.1 Umum ... 29

3.2 Konfigurasi Phase Shifter ... 30

3.3 Proses Perancangan Phased Array Antenna ... 36

3.4 Konfigurasi Phased Array Antenna ... 37

3.5 Array Factor ... 39

3.7 Proses Simulasi Uniform Linear Array ... 43

IV. ANALISIS KINERJA PHASED ARRAY ANTENNA

4.1 Umum ... 44 4.2 Analisis Kinerja Uniform Linear Array ... 44

V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 58 5.2 Saran ... 59

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram Pergeseran Fasa pada Phased Array Antenna ... 7

Gambar 2.2 Diagram Blok dari Active Phase Array Antenna ... 9

Gambar 2.3 Diagram Blok dari Passive Phase Array Antenna ... 10

Gambar 2.4 Linear Array Antenna ... 11

Gambar 2.5 Rectangular Array Antenna... 12

Gambar 2.6 Circular Array Antenna... 13

Gambar 2.7 Conformal Array Antenna ... 13

Gambar 2.8 Switched-Line Phase Shifter ... 19

Gambar 2.9 Phase Shifter dengan Rangkaian Lumped Element yang Setara dengan Saluran Transmisi ... 20

Gambar 2.10 Loaded-Line Phase Shifter ... 21

Gambar 2.11 Reflection Phase Shifter ... 22

Gambar 2.12 High Pass-Low Pass Phase Shifter ... 24

Gambar 2.13 Model Π dan T ... 24

Gambar 2.14 Sistem Koordinat Untuk Menganalisis Antena ... 26

Gambar 3.1 Prinsip kerja phased array antenna... 30

Gambar 3.2 Konfigurasi Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit 30 Gambar 3.3 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit ... 31

Gambar 3.4 Skema Perancangan Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit ... 31

Gambar 3.5 Diagram alir perancangan phased array antenna ... 37

Gambar 3.6 Source Code Array Factor untuk Uniform Linear Array ... 40

Gambar 3.8 Tampilan layout 2-elemen Array dengan program Matlab ... 41 Gambar 3.9 Tampilan 2-elemen array pada bidang x,z ... 42 Gambar 4.1 Pola radiasi uniform linear array 2-elemen ... 45 Gambar 4.2 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut azimuth -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa 0° ... 46 Gambar 4.3 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut elevasi -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa 0° ... 47 Gambar 4.4 Tampilan grafik return loss dan impedansi pada perbedaan

fasa 0° ... 48 Gambar 4.5 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut azimuth -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa 90° atau -270° ... 49 Gambar 4.6 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut elevasi -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa 90° atau -270° ... 50 Gambar 4.7 Tampilan grafik return loss dan impedansi pada perbedaan

fasa 90° atau -270° ... 51 Gambar 4.8 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut azimuth -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa -90° atau 270° ... 52 Gambar 4.9 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut elevasi -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa -90° atau 270° ... 53 Gambar 4.10 Tampilan grafik return loss dan impedansi pada perbedaan

fasa -90° atau 270° ... 54 Gambar 4.11 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut azimuth -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa -180° atau 180° ... 55 Gambar 4.12 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut elevasi -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa -180° atau 180° ... 56 Gambar 4.13 Tampilan grafik return loss dan impedansi pada perbedaan

fasa -180° atau 180° ... 57

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter Untuk

Frekuensi 433 MHz ... 35

Tabel 3.2 Spesifikasi Phased Array Antenna ... 38

Tabel 3.3 Pergeseran Fasa High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit ... 43

Tabel 3.4 Pergeseran Fasa Linear Array 2 elemen... 43

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Antena merupakan komponen yang sangat penting dalam sistem komunikasi sebagai pemancar dan penerima gelombang elektromagnet. Pada saat ini kebanyakan antena yang digunakan adalah antenna konvensional berupa antena omnidirectional yg memiliki arah pancaran yang banyak terbuang sia-sia karena tidak semua arah pancaran mengarah ke pengguna. Untuk meminimalisir daya yang terbuang sia-sia itulah maka digunakan Phased Array Antenna. Phased Array Antenna adalah antenna yang merupakan susunan dari antenna (antena array) yang dikombinasikan dengan pengolahan sinyal. Keunikan antena array ini adalah bahwa pola radiasi dari antena dapat dikendalikan dengan cara mengatur sedemikian rupa fasa arus catu masing-masing elemen antena dan mengatur jarak antar elemennya [1].

Pada Phased Array Antenna, dapat dilakukan perkiraan arah kedatangan sinyal terhadap sinyal terima antena array, kemudian sinyal yang diterima oleh receiver akan dikendalikan fasanya sehingga main beam (pola radiasi maksimum) dapat diarahkan ke penerima yang dimaksud [1].

Untuk dapat mengatur fasa masing-masing antena array dibutuhkan suatu rangkaian penggeser fasa (phase shifter). Phase shifter adalah suatu rangkaian fungsional yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang

ditransmisikan sehingga pola radiasi antena dapat diubah secara elektronik tanpa harus mengubah posisinya.

Oleh karena itu, Tugas Akhir ini mencoba mengkaji prinsip-prinsip dasar dari phase shifter untuk mengatur dan mengendalikan fasa pada Phased Array Antenna dan menganalisisnya dengan menggunakan program Matlab R2015b.

1.2 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Menjelaskan prinsip kerja Phase Shifter.

2. Menjelaskan cara melakukan perancangan rangkaian sistem kendali untuk menggeser fasa Phase Shifter pada Phased Array Antenna.

3. Melakukan simulasi dan mengamati kinerja rangkaian kendali penggeser fasa pada Phased Array Antenna.

1.3 Tujuan Penulisan

Adapun tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah menganalisis hasil Implementasi rangkaian kendali Phase Shifter pada Phased Array Antenna.

1.4 Batasan Masalah

Agar isi dan pembahasan Tugas Akhir ini menjadi terarah, maka penulis perlu membuat batasan masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah pada penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

1) Membahas tentang Phased Array Antenna.

2) Parameter yang akan diamati adalah lebar beamwidth yang tergeser berdasarkan pengaruh rangkaian kendali phase shifter dan bagaimana arahnya terhadap sumbu normal.

3) Penggunaan jenis antena array dengan jumlah elemen tertentu untuk mendapatkan Gain minimum.

4) Perancangan rangkaian kendali Phase Shifter.

5) Simulasi dengan perangkat lunak (software) yang digunakan untuk analisa adalah program Matlab.

1.5 Tahapan Penelitian

Dalam penulisan Tugas Akhir ini digunakan beberapa metode untuk mendapatkan data-data yang diperlukan sebagai pedoman dalam menulis laporan Tugas Akhir ini. Metode-metode tersebut adalah :

1) Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari berbagai buku, tulisan, dan sumber pustaka yang relevan serta mendukung dalam penulisan tugas akhir ini.

2) Perancangan dan pengoperasian rangkaian kendali Phase Shifter dengan menggunakan Matlab.

3) Studi analisis, yaitu melakukan analisis studi rangkaian kendali penggeser fasa pada Phased Array Antenna dengan menggunakan Phase Shifter.

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 latar belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan, manfaat, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II DASAR TEORI

Pada bab ini akan diuraikan mengenai materi yang berkaitan dengan antena secara umum, Phased Array Antenna dan rangkaian kendali penggeser fasa.

Bab ini membahas tentang perancangan rangkaian kendali penggeser fasa pada Phased Array Antenna.

BAB IV ANALISIS KINERJA PHASED ARRAY ANTENNA

Bab ini berisi tentang data pengukuran serta analisis kinerja rangkaian kendali penggeser fasa pada Phased Array Antenna.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari pembahasan pada bab-bab sebelumnya

BAB II DASAR TEORI

2.1 Pengertian Phased array antenna

Phased Array Antenna adalah sebuah array dari antena di mana fase relatif sinyal masing-masing antena bervariasi dalam sedemikian rupa sehingga pola radiasi efektif array diperkuat dalam arah yang diinginkan dan ditekan dalam arah yang tidak diinginkan [2].

Antena array merupakan sekelompok beberapa antena aktif digabungkan ke sumber yang sama atau beban untuk menghasilkan pola radiasi direktif. Biasanya, hubungan spasial dari antena individu juga berkontribusi terhadap directivitas dari antena array. Penggunaan istilah "antena aktif" dimaksudkan untuk menggambarkan unsur-unsur yang energi outputnya dimodifikasi karena adanya sumber energi dalam elemen (selain energi sinyal hanya yang melewati sirkuit) atau elemen di mana energi output dari sumber energi dikontrol oleh sinyal input.

Salah satu aplikasi umum dari hal ini adalah dengan antena televisi multiband standar, yang memiliki beberapa elemen digabungkan bersama-sama [2]. Jika dibandingkan dengan antenna dish parabola yang digunakan lebih dahulu, phased array yg digunakan mempunyai keuntungan menerima sinyal yg lebh baik dalam cuaca yang buruk, ukuran yang lebih kecil dan mempunyai berat yang lebih ringan sehingga lebih mudah dipasang pada atap rumah ataupun dinding rumah.

Pemikiran dasar suatu Phased Array antenna adalah bagaimana membuat pola radiasi antena tidak tetap, tetapi terarah dan mengikuti posisi pemakai

(adaptive). Dengan Phased Array antenna maka pemakaian daya dan spektrum akan semakin hemat dan terhindar dari gangguan sinyal-sinyal yang lain [3].

Antena array dirancang sedemikian rupa menjadi suatu sistem antena yang dapat menggeser sinyal sebelum ditransmisikan atau sesudah diterima pada masing- masing elemen sehingga antena mempunyai suatu pengaruh kombinasi. Konsep tersebut dikenal sebagai antena phased array.

Antena phased array digunakan dalam berbagai aplikasi seperti pengaplikasian radar pada system militer dan sistem komunikasi nirkabel. Pada antena ini, berbagai elemen antena ditempatkan secara terpisah dalam satu, dua atau tiga dimensi untuk membentuk suatu pola sorotan antena sehingga kekuatan sinyal ke / dari arah yang dimaksud meningkat dan pancaran ke / dari penerima / sumber yang tidak diinginkan dihilangkan [3]. Tidak seperti antena konvensional yang diputar secara mekanik, arah dan bentuk pola radiasi dari antena dapat dikendalikan secara elektronik dengan menggunakan phase shifter.

Gambar 2.1 menampilkan arsitektur umum Phased Array Antenna dengan metode phased array menggunakan pergeseran fasa RF [4]. Pada arsitektur ini, sinyal pada masing-masing elemen antena mengalami pergeseran fasa oleh phase shifter dan kemudian sinyal tersebut dikombinasikan dalam wilayah RF.

RF Power Combiner

LNA

Phase Shifter

LO

IF

Mixer

Gambar 2.1 Diagram Pergeseran Fasa pada Phased Array Antenna [4]

Antena array itu sendiri biasanya terdiri dari dua atau beberapa buah antena- antena yang digabungkan pada suatu sumber atau beban yang disusun menurut konfigurasi geometris dan elektris tertentu untuk menghasilkan suatu pola radiasi yang direktif. Biasanya, hubungan setiap antena-antena juga berperan untuk keterarahan antena array.

Medan listrik/magnet total dari array adalah superposisi secara vektorial medan yang dihasilkan dari masing-masing antena. Di dalam menghasilkan suatu diagram radiasi tertentu, ke arah pancar yang diprioritaskan untuk mendapatkan direktivitas yang tinggi,diupayakan medan vektornya saling bersuperposisi secara konstruktif, sedangkan ke arah pancar lain yang diinginkan memiliki direktivitas rendah, superposisinya diupayakan berlangsung secara destruktif.

2.2 Tipe Phased Array Antenna

Secara umum ada 2 tipe phased array antenna, yaitu active phased array antenna dan passive phased array antenna. Active phased array antenna menyertakan penguatan pancaran bersamaan dengan pergeseran fasa pada setiap elemen antenna ataupun sekumpulan elemen antenna. Passive phased array antenna biasanya menggunakan penguatan yang besar untuk menghasilkan gelombang yang akan dikirim antenna. Penggeser fasa biasanya memuat gelombang terbimbing dari elemen yang diatur berdasarkan medan magnet, pengaturan tegangan input atau teknologi lainnya.

2.2.1 Active Phased Array Antenna

Pada active phased array antenna, pengendali amplitudo dan fasa disediakan oleh suatu peredam variable dan sebuah penggeser fasa variable.

Karena komponen ini ditempatkan di masukan penguatan daya tinggi dan keluaran dari penguatan dengan noise rendah, menyebabkan hal ini memiliki dampak yang kecil pada kekuatan pancaran dan noise dari sinyal. Komponen- komponen ini berada dalam suatu module yang sering disebut T/R Module. Blok diagram dari active phased array antenna dapat dilihat pada Gambar 2.2 [4].

Gambar 2.2 Diagram blok dari Active Phase Array Antenna [4]

2.2.2 Passive Phased Array Antenna

Proses pergeseran fasa yang digunakan pada passive phased array antenna biasanya meletakkan gelombang pancar yang datang dengan gelombang yang dikirim secara berlawanan dengan posisi diagonal. Tanda dari pergeseran fasa harus dibalik setelah pulsa yang dikirim berakhir dan sebelum waktu penerimaan pulsa dimulai untuk menempatkan gelombang pancar yang diterima dengan gelombang pancar yang dikirim pada lokasi yang sama. Blok diagram dari passive phased array antenna dapat dilihat pada Gambar 2.3 [4].

Gambar 2.3 Diagram blok dari Passive Phase Array Antenna [4]

2.3 Susunan Phased Array Antenna

Susunan geometri dari phased array antenna adalah hal yang sangat penting dalam menghasilkan pancaran yang diinginkan pada phased array antenna. Tipe elemen, jarak antar elemen maupun penyusunan antenna menjadi sebuah antenna array akan menentukan pergeseran pancaran dari antenna dan jumlah sidelobe dari antenna tersebut. Ada beberapa susunan phased array antenna yang umum digunakan yaitu linear phased array, rectangular phased array, circular phased array, dan conformal phased array [5].

2.3.1 Linear array

Linear phased array merupakan beberapa elemen antena yang disusun dalam satu baris dengan jumlah elemen tertentu dan jarak spasi antarelemen yang disusun sedemikian rupa . Gambar 2.4 menunjukkan susunan dari linear array antenna [5].

Gambar 2.4 Linear Array Antenna [5]

Linear phased array terbagi menjadi dua, yaitu :

a) Uniform Linear Array (ULA)

Uniform Linear Array merupakan antena Linear Array yang memiliki jumlah N elemen antena, namun disusun dengan jarak spasi antarelemen yang sama dan dengan posisi antena yang sama dan sejajar untuk setiap antena.

b) Non-Uniform Linear Array (Non-ULA)

Non-Uniform Linear Array adalah antena linear array yang memiliki jumalah elemen antena N, namun dengan jarak spasi antarelemen yang berbeda dan posisi antena yang berbeda.

Antena array yang elemen-elemennya disusun membentuk persegi dengan jumlah kolom dan baris disebut dengan sebutan Rectangular Array. Rectangular array dapat disusun dengan jarak antar elemen yang sama (Uniform Rectangular Array) ataupun dengan jarak antar elemen atau posisi elemen yang berbeda (Non- Uniform Rectangular Array). Susunan rectangular array antenna ditampilkan pada Gambar 2.5 [5].

Gambar 2.5 Rectangular Array Antenna [5]

2.3.3 CircularArray

Circular array merupakan antena yang setiap elemen-elemennya disusun secara linear namun membentuk sebuah lingkaran yang hanya termuat dalam bentuk 2 dimensi. Pada Gambar 2.6 ditampilkan bentuk dari susunan circular array antenna [5].

Gambar 2.6 Circular Array Antenna [5]

2.3.4 Conformal Array

Conformal array adalah antenna array yang disusun secara pada sebuah bidang atau aperture yang melengkung. Conformal array dipresentasikan dalam bidang 3 dimensi yang memuat bidang sumbu x,y dan z. Pada Gambar 2.7 ditampilkan bentuk dari susunan conformal array antenna [5].

2.4 Manfaat Phased Array Antenna

Teknologi phased array memiliki banyak manfaat, di antaranya [6] : 1. Pengurangan interferensi co-channel

Phased array memiliki kemampuan agar dapat fokus memancarkan energi dalam bentuk pola radiasi hanya ke arah yang diinginkan pengguna dan memiliki pola radiasi nulls ke arah yang tidak diinginkan. Oleh karena itu interferensi co- channel dapat diabaikan.

2. Peningkatan jangkauan / cakupan

Penggunaan antena array menimbulkan peningkatan rata-rata kekuatan sinyal pada penerima, hal ini disebabkan adanya kombinasi koheren dari sinyal yang diterima pada semua elemen antena. Peningkatan kekuatan sinyal tersebut menyebabkan peningkatan jangkauan dan cakupan dari sistem.

3. Peningkatan kapasitas

Phased array memungkinkan pengurangan interferensi co-channel, yang menyebabkan peningkatan faktor frekuensi reuse. Hal ini berarti bahwa phased array memungkinkan pengguna yang lebih banyak untuk menggunakan spektrum frekuensi yang sama pada saat yang sama dan mengakibatkan peningkatan yang sangat besar dalam kapasitas.

4. Pengurangan daya yang ditransmisikan

Antena konvensional memancarkan energi ke segala arah yang mengakibatkan pemborosan listrik, sementara phased array memancarkan energi hanya ke arah yang diinginkan. Oleh karena itu, daya yang diperlukan untuk memancarkan energi berkurang. Pengurangan daya yang ditransmisikan juga menyiratkan pengurangan gangguan terhadap pengguna lain.

5. Kompatibilitas

Teknologi phased array dapat diterapkan pada berbagai teknik multiple access seperti TDMA, FDMA, dan CDMA. Hal ini sesuai dengan hampir semua metode modulasi dan bandwidth atau pita frekuensi.

2.5 Pengertian RF Phase Shifter

Phase shifter merupakan suatu perangkat yang sangat penting pada sistem smart antenna, yang digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang ditransmisikan pada sistem. Jika diaplikasikan ke dalam antena, phase shifter digunakan untuk menggeser atau menambah fasa dari sinyal yang diumpankan ke antena [7].

Phase shifter dapat dikatakan bekerja dengan baik jika memenuhi persyaratan berikut ini [8] :

1. Memiliki jangkauan phase-control yang luas, yaitu hingga 360°.

2. Memiliki ukuran langkah pergeseran fasa yang kecil, misalnya 22,5°.

3. Insertion loss rendah.

4. Setiap state phase shifter memiliki rugi-rugi variasi yang rendah.

5. Daya yang digunakan rendah.

6. Mudah dikendalikan.

2.6 Parameter-parameter Phase Shifter

Parameter – parameter phase shifter digunakan untuk menggambarkan kinerja dari phase shifter yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter yang sering digunakan yaitu bandwidth, phase error, return loss dan insertion loss.

2.6.1 Bandwidth

Bandwidth operasi dari phase shifter merupakan bagian yang sangat penting terutama setelah perkembangan aplikasi broadband yang semakin pesat.

Bandwidth suatu phase shifter dapat disefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja dari phase shifter yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar [9].

2.6.2 Phase Error

Salah satu ciri dari phase shifter yang ideal adalah memiliki nilai pergeseran fasa yang konstan selama bandwidth operasi. Phase error dapat diartikan sebagai selisih dari nilai pergeseran fasa yang dihasilkan oleh suatu sistem dengan nilai pergeseran fasa yang diinginkan. Nilai phase error digunakan untuk mengetahui seberapa besar kesalahan nilai pergeseran fasa yang dihasilkan oleh suatu sistem.

2.6.3 Return Loss

Koefisien refleksi yang biasa disimbolkan dengan Γ, merupakan perbandingan amplitudo tegangan gelombang ternormalisasi yang dipantulkan terhadap amplitudo tegangan gelombang datang yang dirumuskan oleh Persamaan (2.1) [9].

𝛤 = |

^{𝑉𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑒𝑑}

𝑉_{𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡}

| =

^𝑉0−

𝑉₀⁺

=

^{𝑍𝐿−𝑍0}

𝑍_𝐿+𝑍₀ (2.1) Dimana

𝑉₀⁻ = gelombang yang direfleksikan

𝑍₀ = impedansi karakteristik 𝑍₀ = impedansi beban

Gelombang pantul yang terjadi pada suatu rangkaian dapat mengakibatkan timbulnya koefisien refleksi. Gelombang pantul merupakan konsekuensi logis dari kondisi-kondisi batas untuk tegangan dan arus di daerah ujung saluran transmisi, atau pada lokasi-lokasi di mana terdapat titik sambungan antara dua saluran yang berbeda, yang disebut dengan titik-titik diskontinuitas [10].

Ketika Γ = 0, maka tidak ada gelombang yang dipantulkan. Hal ini hanya bisa dicapai jika impedansi beban 𝑍_𝐿 mempunyai nilai yang sama dengan impedansi karakteristik 𝑍₀ saluran transmisi. Pada kondisi tersebut, beban dikatakan match dengan saluran transmisi karena tidak ada pemantulan dari gelombang datang. Ketika beban tidak match (missmatch), maka ini berarti bahwa tidak semua daya yang tersedia dari generator dihantarkan ke beban. Hal ini akan menimbulkan loss yang disebut dengan return loss (RL) yang dinyatakan dalam decibel (dB), dapat dirumuskan seperti Persamaan (2.2) [10].

𝑅𝐿 = −20 log|𝛤| 𝑑𝐵 (2.2) Jika Γ = 0 atau kondisi beban dalam keadaan match, maka return loss bernilai ∞ dB, hal ini berarti bahwa tidak ada daya yang dipantulkan. Jika Γ = 1, maka return loss bernilai 0 dB, hal ini berarti bahwa semua daya yang dikirimkan dipantulkan dan terjadi pemantulan total [11]. Umumnya, phase shifter digunakan dengan komponen lain yang membentuk suatu sistem yang lebih rumit. Nilai return loss pada phase shifter harus dijaga serendah mungkin agar tidak menimbulkan berbagai gangguan terhadap fungsi komponen lain yang dapat

2.6.4 Insertion Loss

Tidak semua gelombang dapat dipantulkan, sebagian diantaranya ditransmisikan ke saluran kedua dengan amplitudo tegangan yang diberikan oleh koefisien transmisi yang biasa disimbolkan dengan T, yang dapat dirumuskan oleh Persamaan (2.3) [9]:

𝑇 = 1 + 𝛤 = 1 +

^{𝑍𝐿−𝑍0}

𝑍_𝐿+𝑍₀

=

^2𝑍𝐿

𝑍_𝐿+𝑍₀

(2.3) Insertion loss (IL) merupakan koefisien transmisi di antara dua titik pada sebuah rangkaian listrik yang biasa dinyatakan dalam dB. Insertion loss dapat juga didefinisikan sebagai loss yang terjadi karena penyisipan komponen pada saluran transmisi, yang dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.4) [9]. Dalam keadaan ideal, insertion loss bukan merupakan bagian yang diinginkan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin mendapatkan insertion loss bernilai 0 [11].

𝐼𝐿 = −20 log|𝑇| 𝑑𝐵 (2.4)

2.7 Metode Perancangan RF Phase Shifter

Ada beberapa metode perancangan RF phase shifter yang biasa digunakan, diantaranya adalah :

2.7.1 Switched-Line Phase Shifter

Switched-line phase shifter merupakan phase shifter yang memiliki konfigurasi paling sederhana. Sinyal yang melewati saluran transmisi dengan panjang tertentu akan mengalami penundaan waktu yang setara dengan pergeseran fasa sinyal tersebut. Saluran transmisi yang digunakan pada switched-

line phase shifter terdiri dari saluran referensi dan saluran delay. Pergeseran fasa terjadi dengan men-switch sinyal di antara saluran referensi dan saluran delay yang telah ditentukan pada frekuensi tertentu seperti pada Gambar 2.8[13].

L2

L1

RF_in RF_out

Gambar 2.8 Switched-Line Phase Shifter [13]

Nilai pergeseran fasa yang diinginkan dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.5) [13] :

∆𝜑 = 𝛽(𝑙₂− 𝑙₁) (2.5) Dengan :

Δφ = Pergeseran fasa (°)

β = Konstanta propagasi (rad/m) l1 = Saluran delay

l2 = Saluran referensi

Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan tergantung pada panjang fisik saluran transmisi, frekuensi sinyal, dan kecepatan fasa dari sinyal yang merambat dalam media saluran transmisi. Phase shifter ini biasanya digunakan untuk pergeseran fasa sebesar 90° dan 180°. Keuntungan penting dari rangkaian ini adalah pergeseran fasa yang dihasilkan merupakan fungsi linier dari frekuensi dan sangat stabil terhadap waktu dan temperatur [9]. Sementara itu, kekurangan dari phase shifter ini adalah dibutuhkan saluran transmisi yang semakin panjang untuk

ukuran yang tidak praktis dan meningkatkan rugi-rugi. Penggunaan dua state waktu tunda akan mempunyai atenuasi yang berbeda, hal ini mengakibatkan ketidakseimbangan amplitudo di antara kedua state tersebut [10].

Pada frekuensi rendah, bagian ¼ panjang gelombang dari saluran delay phase shifter dapat diganti dengan rangkaian lumped-element untuk meminimalkan dimensi rangkaian [9]. Konfigurasi phase shifter dengan komponen lumped-element dapat direkomendasikan untuk aplikasi dengan rentang HF (High Frequency) hingga UHF (Ultra High Frequency) seperti pada Gambar 2.9[9].

L2 L1

C1

≡

l, Z0

Gambar 2.9 Phase Shifter dengan Rangkaian Lumped Element yang Setara dengan Saluran Transmisi [9]

2.7.2 Loaded-Line Phase Shifter

Loaded-line phase shifter merupakan jenis phase shifter yang biasa digunakan untuk menghasilkan pergeseran fasa 22,5° hingga 45°. Setiap bagian dari loaded-line phase shifter terdiri dari saluran transmisi yang pada kedua ujungnya dipasang beban reaktif secara shunt. Dengan mengatur jarak beban reaktif terpisah sekitar ¼ λ, maka refleksi yang dihasilkan oleh beban reaktif tersebut dapat diminimalkan . Rangkaian loaded-line phase shifter diperlihatkan pada Gambar 2.10 [10].

λ/4, Z₀

in out

ctrl

-jB jB -jB jB

Gambar 2.10 Loaded-Line Phase Shifter [10]

Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung pada nilai suseptansi yang dipasang di ujung saluran transmisi, jika suseptansi adalah kapasitif maka kecepatan fasa berkurang dan jika suseptansi adalah induktif maka kecepatan fasa bertambah. Phase shifter ini biasa digunakan untuk pita sempit dan bisa menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi.

Jaringan yang dihasilkan dapat dianalisis dengan mudah menggunakan matriks transmisi ABCD sebagaimana yang ditunjukkan pada Persamaan (2.6) [10]:

𝑇 = [1 0 𝑗𝐵 1] ∙ [

0 𝑗𝑍₀

𝑗

𝑍0 0 ] ∙ [1 0 𝑗𝐵 1] = [

−𝐵𝑍₀ 𝑗𝑍₀

𝑗(1−𝐵²𝑍₀²)

𝑍0 −𝐵𝑍₀] (2.6) Pergeseran fasa antara dua state dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.7) [10]:

∆𝜑 = 2𝑡𝑎𝑛⁻¹( ¹

𝐵𝑍0−^𝐵𝑍0

2 )

(2.7)

Adapun kelebihan dari loaded-line phase shifter adalah phase shifter ini dapat menghasilkan fasa yang konstan terhadap frekuensi pada pita sempit, mempunyai rangkaian yang cukup sederhana, dan insertion loss rendah.

Kekurangan dari phase shifter ini terletak pada keterbatasan pergeseran fasa, yaitu

maksimal hanya sekitar 45°. Jika nilai pergeseran fasa semakin besar, maka nilai insertion loss akan semakin meningkat .

2.7.3 Reflection Phase Shifter

Rangkaian reflection phase shifter terdiri dari sebuah quadrature coupler dan sepasang beban reflektif sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.11 [6].

Sinyal input yang melalui quadrature coupler dibagi menjadi dua buah sinyal output dengan perbedaan fasa sebesar 90°, kemudian sinyal tersebut dipantulkan oleh sepasang beban reflektif dan bergabung dalam fasa pada keluaran phase shifter. Pergeseran fasa bergantung pada variasi nilai impedansi beban reflektif [6].

ZL ZL

V_in Quadrature Coupler V_out

Switched Loads

Gambar 2.11 Reflection Phase Shifter [6]

Koefisien pantul dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.8) [6]:

𝛤 =

^{𝑍𝐿−𝑍0}

𝑍_𝐿+𝑍₀

(2.8)

Jika 𝑍_𝐿 bervariasi dari 𝑍_𝑚𝑖𝑛 hingga 𝑍_𝑚𝑎𝑥, maka pergeseran fasa dicapai dengan Persamaan (2.9) [6]:

∆𝜑 = 2 [𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (^{𝑍𝑚𝑎𝑥}

𝑍0 ) − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (^{𝑍𝑚𝑖𝑛}

𝑍0 )]

(2.9)

Kelebihan dari reflection phase shifter adalah rangkaian ini dapat digunakan untuk menghasilkasn pergeseran sesuai dengan yang diinginkan, baik besar maupun kecil. Sedangkan kekurangan dari phase shifter ini adalah pemrograman koefisian refleksi membawa variasi fasa dan amplitudo dari sinyal yang dipantulkan, hal ini mengakibatkan rugi-rugi dalam variasi yang besar terhadap pengaturan fasa yang berbeda. Quadrature coupler berbasis silikon on- chip dapat menghasilkan insertion loss yang tinggi pada gelombang mikro [6].

2.7.4 High Pass-Low Pass Phase Shifter

Sesuai dengan namanya, phase shifter ini terdiri dari dua buah filter, yaitu high pass filter dan low pass filter. Induktor yang dipasang shunt dan kapasitor yang dipasang seri membentuk high pass filter sementara low pass filter dibentuk oleh induktor yang dipasang seri dan kapasitor yang dipasang shunt yang memberikan fasa delay. Gambar 2.12 mengilustrasikan rangkaian high pass-low pass phase shifter [9].

RF_in RF_out

Low Pass

High Pass

Gambar 2.12 High Pass-Low Pass Phase Shifter [9]

Pergeseran fasa disebabkan oleh perbedaan respon fasa yang terjadi pada high pass filter dan low pass filter, yang dapat diperoleh dengan men-switch

Nilai pergeseran fasa yang dihasilkan bergantung kepada nilai komponen L dan C yang terdapat pada kedua rangkaian filter tersebut. Kedua filter tersebut dapat dirancang dengan menggunakan model T atau Π seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.13 [10].

L

C

L L

L

L L C

C

C C

C

(a) Low-pass Π network (b) High-pass Π network

(c) Low-pass T network (d) High-pass T network

Gambar 2.13 Model Π dan T [10]

Nilai setiap komponen yang terdapat pada Gambar 2.7 dapat dihitung sebagai berikut [10]:

1. Low-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ

< 0° :

𝐿 =^{𝑍0𝑠𝑖𝑛|𝜑|}

𝜔0 (2.10) 𝐶 =^{𝑡𝑎𝑛|𝜑/2|}

𝜔₀𝑍₀ (2.11) 2. High-pass dengan model Π (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ

< 90° :

𝐿 = ^𝑍0

𝜔0𝑡𝑎𝑛|𝜑/2| (2.12)

𝐶 = ¹

𝜔0𝑍0𝑠𝑖𝑛|𝜑| (2.13)

3. Low-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa -90° < φ

< 0° :

𝐿 =^{𝑍0𝑡𝑎𝑛|𝜑/2|}

𝜔0 (2.14) 𝐶 =^{𝑠𝑖𝑛|𝜑|}

𝜔₀𝑍₀ (2.15) 4. High-pass dengan model T (Gambar 2.7a) dengan pergeseran fasa 0° < φ

< 90° :

𝐿 = ^𝑍0

𝜔0𝑠𝑖𝑛|𝜑| (2.16)

𝐶 = ¹

𝜔0𝑍0𝑡𝑎𝑛|𝜑/2| (2.17) Phase shifter ini dapat menghasilkan pergeseran fasa hingga 180° dan mampu menyediakan pergeseran fasa mendekati konstan dalam rentang frekuensi yang lebar. Keuntungan lain dari rangkaian ini adalah memiliki tata letak yang compact karena lumped-element biasanya digunakan sebagai saluran delay. Hal ini merupakan pertimbangan yang cukup penting bagi frekuensi rendah mengingat saluran transmisi delay bisa menjadi sangat besar.

2.8 Parameter Phased Array Antenna

Di dalam phase array antenna ada beberapa parameter yang perlu menjadi pertimbangan. Berikut penjelasan mengenai parameter-parameter tersebut.

2.8.1 Pola Radiasi

Pola radiasi merupakan bentuk pancaran sinyal yang dihasilkan dari sebuah antena. Pola radiasi dari antenna terdiri dari lobe utama (main lobe) dan lobe sampingan (sidelobe). Pola radiasi dari sebuah antena didefinisikan sebagai fungsi matematis atau gambaran secara grafis dari karakteristik radiasi sebuah antenna sebagai fungsi dari koordinat ruang. Pada kasus secara keseluruhan, pola radiasi

arah. Karakteristik radiasi mencakup rapat flux daya, intensitas radiasi, kuat medan, keterarahan/direktivitas, fasa atau polarisasi [12]. Karakteristik radiasi yang menjadi pusat perhatian adalah distribusi energi radiasi dalam ruang 2 dimensi maupun 3 dimensi sebagai fungsi dari posisi pengamat di sepanjang jalur dengan jari-jari yang konstan. Contoh koordinat yang sesuai diperlihatkan pada Gambar 2.14 [12].

Gambar 2.14 Sistem Koordinat Untuk Menganalisis Antena [12]

2.8.2 Array Factor

Keseluruhan pola radiasi pada phased array antenna akan berubah ketika beberapa elemen antenna disusun menjadi sebuah phased array. Hal inilah yang disebut dengan array factor. Pada phased array antenna pola radiasi total yang dihasilkan merupakan pola radiasi dari setiap elemen antenna dikalikan dengan Array Factor. Faktor ini memperhitungkan efek radiasi yang dipancarkan dari elemen- elemen yang dikombinasikan tanpa perlu memperhitungkan pola radiasi setiap elemen secara spesifik. Persamaan untuk menghitung array factor secara umum dapat dinyatakan dengan persamaan (2.18)

Array Pattern = Array element Pattern x Array Factor (AF) (2.18)

Array Pattern merupakan Pola Radiasi Total, Array element Pattern adalah pola

Untuk antenna yang disusun secara linear array yang teridiri dari N elemen dan pergeseran fasa sebesar ψ derajat, maka array factor dapat dihitung dengan persamaan (2.19).

(2.19)

Karakteristik umum dari array factor AF terhadap ψ pada linear array adalah jumlah lobe keseluruhan adalah N-1. Nilai array factor mencapai nilai maksimal saat phased array tidak mengalami pergeseran fasa (ψ = 0). Fungsi untuk menghitung nilai pergeseran fasa ψ dari antena array itu sendiri dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.20):

𝜓 = 𝑘𝑑𝑐𝑜𝑠Ө + 𝛽 (2.20)

Dimana nilai k adalah 2π/λ, 𝛽 adalah pergeseran fasa relative antarelemen dan Ө adalah sudut antara susunan dengan arah kedatangan pancaran.

2.8.3 Impedansi Antena

Impedansi antena diperoleh dari adanya harga dan tegangan sepanjang antena (14).

Z =^𝑉

𝐼 (ohm) (2.21)

Mengingat harga arus dan tegangan yang tidak sama disepanjang konduktor,

ujung antena dengan panjang setengah lamda terdapat impedansi maksimum, sedangkan di titik tengah (center) antena tersebut terdapat impedansi minimum.

Harga impedansi antena perlu dikenali dalam rangka penyesuaian impedansi (impedansi matching) terhadap saluran transmisi yang digunakan. Jadi bila energi RF dari radio pemancar disalurkan melalui saluran transmisi dengan impedansi karakteristik 75 ohm maka titik catu pada antena dicari pada impedansi yang mendekati 75 ohm.

BAB III

IMPLEMENTASI PHASED SHIFTER PADA ANTENNA

3.1 Umum

Phased array adalah sebuah array dari antena di mana relatif fase sinyal masing-masing antena bervariasi dalam sedemikian rupa sehingga pola radiasi efektif array diperkuat dalam arah yang diinginkan dan ditekan dalam arah yang tidak diinginkan.

Dalam aplikasinya, sebagian besar antena array menggunakan elemen yang sama; seperti antena dipole, antena celah, dan antena horn atau antena parabola, yang dicatu dengan arus atau distribusi medan yang sama. Elemen- elemen antena array biasanya diatur dalam konfigurasi yang bervariasi, seperti konfigurasi satu dimensi, dimana tiap-tiap elemen disusun sepanjang garis lurus, atau konfigurasi kisi-kisi dua dimensi, sehingga elemen membentuk jaringan persegi. Bentuk pola radiasi medan jauh yang dihasilkan dari konfigurasi array tersebut dapat dilakukan dengan mengontrol amplitudo relatif dari elemen array.

Cara lain adalah dengan menggunakan penggeser fasa (phase shifter) antar elemen antena array, sehingga pola radiasi yang dihasilkan dapat diatur secara elektronik. Dengan cara inilah dihasilkan antenna phased array. Prinsip kerja dari perancangan phased array antenna dapat dilihat pada gambar 3.1 [4].

Gambar 3.1 Prinsip kerja phased array antenna [4]

3.2 Konfigurasi Phase Shifter

Untuk menggeser fasa dari masing-masing elemen antena dari antena array, dibutuhkan perangkat penggeser fasa (phase shifter). Di dalam tugas akhir ini, phased array antena yang dirancang dengan menggunakan High Pass Low Pass Phase shifter 2 bit pada setiap elemen antenna, menggunakan skema perancangan yang telah dirancang oleh Dwi Purnama Sari dan Arman Sani yang telah dipublikasikan pada tahun 2014 sebagai acuan. Gambar 3.2 menunjukkan gambar konfigurasi rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit [1].

RF_in

RF_out Low Pass

High Pass

Low Pass

High Pass

Rangkaian pertama meyediakan pergeseran fasa dalam rentang +45°

hingga -45° dan rangkaian kedua menyediakan pergeseran fasa dalam rentang +90° hingga -90°. Oleh karena itu, pergeseran fasa terjadi dalam rentang +135°

hingga -135° yang dapat dioperasikan dalam empat tahap fasa sebesar 45° seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3.3 [1].

Gambar 3.3 Pola Cakupan High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit [1]

Skema perancangan rangkaian high pass-low pass phase shifter 2 bit yang dirancang dan dijalankan dengan menggunakan software ADSdiperlihatkan pada Gambar 3.4 [1].

Gambar 3.4 Skema Perancangan Rangkaian High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit [1]

0.1 0.2 0.3

0.4 0.5

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

Berdasarkan referensi sebelumnya yang digunakan sebagai acuan, untuk menentukan nilai setiap komponen yang terdapat pada rangkaian yang terlihat pada Gambar 3.4 dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.10), (2.11), (2.16), dan (2.17) sebagai berikut :

1. Penentuan nilai komponen pada rangkaian pertama yaitu rangkaian low pass filter dengan model Π.

Untuk menentukan nilai C1 dan C2, maka digunakan Persamaan (2.11) : 𝐶 =𝑡𝑎𝑛|𝜑 2⁄ |

𝜔₀𝑍₀

𝐶 = 𝑡𝑎𝑛|45° 2⁄ | 2720,62 × 10⁶× 50 𝐶 = 𝑡𝑎𝑛|22,5°|

1,36031 × 10¹¹

𝐶 = 0,414213562 1,36031 × 10¹¹

𝐶 = 3,045 𝑝𝐹

Nilai 𝐶₁ = 𝐶₂ = 𝐶 = 3,045 𝑝𝐹

Untuk menentukan nilai L1, maka digunakan Persamaan (2.10) :

𝐿₁ =𝑍₀𝑠𝑖𝑛|𝜑|

𝜔₀

𝐿₁ = 50 × 𝑠𝑖𝑛|45°|

2720,62 × 10⁶

𝐿₁ = 35,355 2720,62 × 10⁶ 𝐿 = 12,995 𝑛𝐻

2. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian high pass filter dengan model Τ.

Untuk menentukan nilai C3 dan C4, maka digunakan Persamaan (2.17) :

𝐶 = 1

𝜔₀𝑍₀𝑡𝑎𝑛|𝜑 2⁄ |

𝐶 = 1

(2720,62 × 10⁶)(50)𝑡𝑎𝑛|22,5°|

𝐶 = 1

5,6345 × 10¹⁰ 𝐶 = 17,748 𝑝𝐹 Nilai 𝐶₃ = 𝐶₄ = 𝐶 = 17,748 𝑝𝐹

Untuk menentukan nilai L2, maka digunakan Persamaan (2.16) :

𝐿₂ = 𝑍₀ 𝜔₀𝑠𝑖𝑛|𝜑|

𝐿₂ = 50

2720,62 × 10⁶𝑠𝑖𝑛|45°|

𝐿₂ = 50

1,9238 × 10⁹

𝐿₂ = 25,991 𝑛𝐻

3. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian low pass filter dengan model Π.

Untuk menentukan nilai C5 dan C6, maka digunakan Persamaan (2.11) : 𝐶 =𝑡𝑎𝑛|𝜑 2⁄ |

𝜔₀𝑍₀

𝐶 = 𝑡𝑎𝑛|90° 2⁄ | 2720,62 × 10⁶× 50

𝐶 = 1

1,36031 × 10¹¹

𝐶 = 7,351 𝑝𝐹

Nilai 𝐶₅ = 𝐶₆ = 𝐶 = 7,351 𝑝𝐹

Untuk menentukan nilai L3, maka digunakan Persamaan (2.10) :

𝐿₃ = 𝑍₀𝑠𝑖𝑛|𝜑|

𝜔₀

𝐿₃ = 50 × 𝑠𝑖𝑛|90°|

2720,62 × 10⁶

𝐿₃ = 50

2720,62 × 10⁶ 𝐿₃ = 18,378 𝑛𝐻

4. Penentuan nilai komponen pada rangkaian kedua yaitu rangkaian high pass filter dengan model Τ.

Untuk menentukan nilai C7 dan C8, maka digunakan Persamaan (2.17) :

𝐶 = 1

𝜔₀𝑍₀𝑡𝑎𝑛|𝜑 2⁄ |

𝐶 = 1

(2720,62 × 10⁶)(50)𝑡𝑎𝑛|45°|

𝐶 = 1

1,36031 × 10¹¹ 𝐶 = 7,351 𝑝𝐹 Nilai 𝐶₇ = 𝐶₈ = 𝐶 = 7,351 𝑝𝐹

Untuk menentukan nilai L4, maka digunakan Persamaan (2.16) :

𝐿₄ = 𝑍₀ 𝜔₀𝑠𝑖𝑛|𝜑|

𝐿₄ = 50

2720,62 × 10⁶𝑠𝑖𝑛|90°|

𝐿₄ = 50

2720,62 × 10⁶ 𝐿₄ = 18,378 𝑛𝐻

Nilai setiap komponen yang telah ditentukan untuk rangkaian high pass- low pass phase shifter yang dirancang dapat ditunjukkan pada Tabel 3.1 [1].

Tabel 3.1 Nilai Komponen High Pass-Low Pass Phase Shifter Untuk Frekuensi

433 MHz

Tabel 3.1 Lanjutan

Komponen Nilai

C₁ 3,045 pF

C₂ 3,045 pF

C₃ 17,748 pF

C₄ 17,748 pF

Konfigurasi High Pass-Low Pass Phase Shifter untuk frekuensi 433 MHz serta penentuan nilai setiap komponen penyusun High-Pass Low-Pass Phase Shifter yang diimplementasikan pada Phased Array Antenna di Tugas Akhir ini telah dipublikasikan sebelumnya pada jurnal Tugas Akhir yang berjudul “Studi tentang Radio Frequency Phase Shifter pada Smart Antenna” Oleh Dwi

Purnama Sari dan Arman Sani yang telah diterbitkan oleh Singuda Ensikom pada Desember 2014.

3.3 Proses Perancangan Phased Array Antenna

Perancangan Phased Array Antenna yang dibahas pada tugas akhir ini adalah perancangan phased array antenna yang disusun secara linear dengan jarak antar elemen dan tipikal elemen yang sama atau sering disebut dengan Uniform Linear Array yang bekerja pada frekuensi 433 MHz. Uniform Linear Array ini dirancang dengan menggunakan software Matlab 2015b. Setelah dirancang dengan menggunakan matlab, lalu antenna array tersebut disimulasikan dan dianalisis. Diagram alir perancangan phased array antenna yang ditunjukkan pada

C₅ 7,351 pF

C₆ 7,351 pF

C₇ 7,351 pF

C₈ 7,351 pF

L₁ 12,995 nH

L₂ 25,991 nH

L₃ 18,378 nH

L₄ 18,378 nH

Gambar 3.5 merupakan tahapan yang digunakan dalam proses perancangan phased array antenna.

Gambar 3.5 Diagram alir perancangan phased array antenna

3.4 Konfigurasi Phased Array Antenna

Berikut ini adalah konfigurasi dari phased array antenna yang terdiri dari Uniform Linear Array dengan menggunakan 2 elemen antenna. Phased array

susunan geometri secara linear dengan jarak antarelemen, dan tipe elemen yang sama atau sering disebut dengan Uniform Linear Array.

Tabel 3.2 Spesifikasi Phased Array Antenna

Parameter Nilai

Frekuensi 433Mhz

Tipe elemen dipole

Jarak spasi (dx) 0.49 λ

Gain ≤15 dB

Bandwidth 10 – 100 MHz

VSWR 1 ≤ VSWR ≤ 2

Impedansi Saluran Transmisi

50 Ohm

Sebelum memulai simulasi linear array 433 MHz menggunakan perangkat lunak Matlab R 2015 b, akan ditentukan parameter-parameter yang dibutuhkan.

Pada Tabel 3.2 ditampilkan parameter yang telah ditentukan. Nilai parameter diubah ke dalam satuan perbandingan λ terlebih dahulu, dengan cara :

𝜆 = 𝑐 𝑓

Dengan nilai c adalah 3x10⁸ m/s dan f bernilai 433x10⁶ Hz, sehingga : 𝜆 = 3𝑥10⁸𝑚/𝑠

433𝑥10⁶𝐻𝑧= 0.69284 𝑚

Jadi, nilai satu siklus panjang gelombang 433 MHz adalah 0.69284 meter.

Antena dipole yang digunakan sebagai penyusun elemen antena array terbuat dari logam sehingga memiliki nilai velocity factor K = 0,95 yg merupakan nilai pendekatan cepat rambat gelombang elektromagnet pada media logam. Antena

dirancang agar beroperasi pada frekuensi 433MHz, dan setiap elemen mampu panjang yg sama dengan tiga siklus panjang gelombang. Sehingga untuk menentukan panjang elemen antena L dihitung dengan cara:

λ = 300 / f L = 3 x K x λ

Nilai λ yaitu 0,69284 m, dan f =433 MHz, K=0,95, sehingga diperoleh panjang antena dipole adalah :

L = 3 x 0,95 x 0,69284 L = 1.97454 m

Jadi, panjang setiap elemen antena dipole yang digunakan sebagai penyusun phased array antena adalah 1.97454 m atau sekitar 2 m.

3.5 Array Factor

Sebelum memulai melakukan perancangan dan simulasi pada antena array, terlebih dahulu dilakukan analisa array factor dari antena array. Array factor sendiri merupakan sebuah faktor yang mempengaruhi derivasi dari pola radiasi total yang dipancarkan dari sebuah antena array. Array factor berbeda beda pada setiap antena array tergantung dari antena array yang digunakan. Untuk antena array dengan susunan linear dapat dihitung dengan Persamaan (2.6).

Source Code yang digunakan untuk menghitung nilai dari array factor pada Uniform linear array pada tugas akhir ini ditampilkan pada gambar 3.6.

Gambar 3.6 Source Code array factor untuk uniform linear array

Array factor akan menentukan pola radiasi total dari antena array khususnya phased array. Hal ini sangat penting dalam menentukan beamscanning, mutual coupling ataupun pergeseran fasa dari main lobe nantinya.

Dengan menggunakan source code diatas diperoleh array factor pada uniform linear array dengan 2 elemen seperti tampilan pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7 Array factor untuk uniform linear array

3.6 Perancangan Uniform Linear Array

Perancangan dan simulasi antena array pada Tugas Akhir ini dilakukan dengan menggunakan software matlab R2015b. Dengan memanfaatkan antenna toolbox yang terdapat di dalam software matlab, perancangan maupun analisis pada antenna tunggal maupun antenna array menjadi lebih sederhana. Source code yang digunakan pada tugas akhir ini untuk perancangan phased array antena dapat dilihat pada lampiran 1.

Antena dipole disusun secara linear sejajar dengan sumbu x untuk menghasilkan polarisasi broadside dengan jarak antarelemen sebesar ½ λ atau sekitar 0.34642 m dan pada frekuensi 433 MHz. Jumlah antena dipole adalah 2 buah (N = 2) dengan parameter disesuaikan dengan parameter yang telah ditentukan sebelumnya. Pada Gambar 3.8 merupakan tampilan antena array yang didesain dengan menggunakan program matlab.

Gambar 3.8 Tampilan layout 2 –elemen array dengan program matlab

Gambar 3.9 Tampilan 2-elemen array pada bidang x,z

Pada umumnya di dalam mendesain phased array antenna, lebar berkas dari lobe utama akan meningkat seiring dengan bertambahnya jarak spasi antar elemen. Pada jarak spasi antar elemen yang lebih besar atau sama dengan nilai λ, maka akan muncul main lobe pada arah yang tidak diinginkan. Lobe inilah yang disebut grating lobes. Untuk itu jarak spasi antarelemen didesain kurang dari λ untuk menghindari adanya grating lobes yang muncul.

3.7 Proses simulasi Uniform Linear Array

Simulasi dilakukan dengan memasukkan nilai pergeseran fasa phase shifter pada setiap elemen sesuai dengan pola cakupan dari High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 bit yang digunakan. Phase shifter pada setiap elemen memiliki 4 pola cakupan dengan rentang -135° sampai 135° seperti yang ditampilkan pada tabel 3.3 [1].

Tabel 3.3 Pergeseran Fasa High Pass-Low Pass Phase Shifter 2 Bit

State Pergeseran Fasa

(°)

00 -134,997

01 45,003

10 -44,998

Antena yang dirancang terdiri dari 2 elemen antena sehingga dengan phase shifter yang dicatu pada setiap elemen antena akan memiliki 16 state nilai masukkan seperti ditampilkan pada Tabel 3.4.

Tabel 3.4 Pergeseran Fasa Linear Array 2 elemen

Pergeseran fasa elemen 1 antena

Pergeseran fasa elemen 2 antena

-135° -135°

-135° -45°

-135° 45°

-135° 135°

-45° -135°

-45° -45°

-45° 45°

-45° 135°

45° -135°

45° -45°

45° 45°

45° 135°

135° -135°

135° -45°

135° 45°

135° 135°

Setelah nilai diatas dimasukkan, kemudian diamati pola pancar beserta parameter yang dihasilkan oleh antena untuk setiap keadaan.

BAB IV

ANALISIS KINERJA PHASED ARRAY ANTENNA

4.1 Umum

Bab ini membahas tentang hasil simulasi phased array antena yang dirancang dengan menggunakan software matlab R 2015 b. Pengukuran parameter dan ujicoba simulasi ini dilakukan untuk mengetahui apakah kinerja phase shifter pada antena yang dirancang sudah memenuhi kriteria yang diinginkan atau tidak.

4.2 Analisis Kinerja Uniform Linear Array

Berikut ini adalah hasil simulasi yang telah dirancang sesuai dengan kriteria spesifikasi dari bab sebelumnya dengan bantuan program matlab R2015b.

Setelah dilakukan simulasi, maka pola radiasi dari uniform linear array dengan jumlah 2 elemen pada frekuensi 433 Mhz yang dihasilkan dengan menggunakan program matlab R 2015 b dapat dilihat pada Gambar 4.1. Pola radiasi yang ditampilkan pada gambar adalah pola radiasi pada kondisi awal,yaitu kondisi dimana tidak ada pergeseran fasa yang terjadi pada elemen 1 maupun pada elemen 2.

Gambar 4.1 Pola radiasi uniform linear array 2-elemen

Nilai direktivitas maksimum dari antena uniform linear array dengan 2 elemen berada pada nilai 6.53 dBi dan nilai direktivitas minimum berada pada nilai -24,7 dBi yang bekerja pada frekuensi 433Mhz dengan sudut Azimuth pada -180° sampai 180° dan sudut elevasi -90° sampai 90°.

Analisis uniform linear array dengan 2 elemen dibagi menjadi 4 tahapan sesuai dengan nilai masukkan pergeseran fasa pada elemen 1 dan 2.

1. Perbedaan pergeseran fasa sebesar 0°

Pada keadaan ini, selisih pergeseran fasa antara elemen 1 dan 2 adalah sebesar 0° atau dengan kata lain tidak ada perbedaan fasa antara elemen 1 dengan elemen 2. Nilai masukkan pergeseran fasa elemen 1 dan elemen 2 sama yaitu pada saat nilai masukkan elemen 1 = -135° dan elemen 2 = -135°, kemudian nilai masukan elemen 1 = -45° dan elemen 2

= -45°, lalu nilai masukan elemen 1 = 45° dan elemen 2 = 45°, kemudian

dihasilkan pada kondisi ini yang diamati pada sudut azimuth -180° sampai 180° ditampilkan pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut azimuth -180°

sampai 180° dengan perbedaan fasa 0°

Pada saat perbedaan fasa antara elemen 1 dan elemen 2 adalah 0°, nilai direktivitas maksimumnya adalah 5,33 dBi dan nilai direktivitas minimumnya adalah -24,7 dBi yang bekerja pada frekuensi 433Mhz dengan sudut Azimuth pada -180° sampai 180° dan sudut elevasi 0°. Pola radiasi yang dihasilkan pada kondisi ini yang diamati pada sudut elevasi - 180° sampai 180° ditampilkan pada Gambar 4.3.

. Gambar 4.3 Pola pancar 2-elemen ULA pada sudut elevasi -180° sampai

180° dengan perbedaan fasa 0°

Nilai direktivitas maksimum adalah 0,872 dBi dan nilai direktivitas minimumnya adalah -24,7 dBi yang bekerja pada frekuensi 433Mhz dengan sudut Azimuth pada 0° dan sudut elevasi -180 sampai 180°.

Nilai impedansi dan return loss dari elemen antena yang dirancang dengan menggunakan matlab R 2015 untuk masing2 elemen dapat dilihat pada lampiran 2. Hasil simulasi dilakukan pada rentang frekuensi 410 Mhz sampai 460 Mhz. Tampilan grafik return loss dan impedansi dari masing- masing elemen antena dapat dilihat pada Gambar 4.4.

(a) Tampilan grafik nilai return loss

(b) Tampilan grafik nilai impedansi

Gambar 4.4 Tampilan grafik return loss dan impedansi pada perbedaan fasa 0°

2. Perbedaan pergeseran fasa sebesar 90° atau -270°

Pada keadaan ini, selisih pergeseran fasa antara elemen 1 dan 2 adalah sebesar 90° dan -270°. Keadaan ini terjadi pada kondisi elemen 1 = 45° dan elemen 2 = -45°, kemudian elemen 1 = -45° dan elemen 2 = -135°

, kemudian elemen 1 = 135° dan elemen 2 = 45° yang menghasilkan perbedaan fasa antarelemen sebesar 90°. Pada saat elemen 1 = -135° dan elemen 2 = 135° kondisi yang sama juga terjadi dimana perbedaan fasa antarelemen disini adalah -270° atau sama dengan 90°. Pola radiasi yang