“RANCANG BANGUN ANTENA
PENERIMA SISTEM KOMUNIKASI MUATAN BALON ATMOSFER
Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S Departemen Teknik Elektro Sub K
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN ANTENA STACKING YAGI UNTUK STASIUN PENERIMA SISTEM KOMUNIKASI MUATAN BALON ATMOSFER
FREKUENSI 433 MHZ”
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) Pada
Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Telekomunikasi
Oleh :
KHARISMA MUHAMMAD NIM : 100402050
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2015
YAGI UNTUK STASIUN PENERIMA SISTEM KOMUNIKASI MUATAN BALON ATMOSFER
RANCANG BANGUN ANTENA STACKING YAGI UNTUK STASIUN PENERIMA SISTEM KOMUNIKASI MUATAN BALON ATMOSFER
FREKUENSI 433 MHZ
Oleh :
KHARISMA MUHAMMAD NIM: 100402050
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada tanggal 7 bulan Januari tahun 2015 di depan Penguji :
1. Rahmat Fauzi, S.T, M.T : Ketua Penguji
2. Dr. Ali Hanafiah Rambe, S.T, M.T : Anggota Penguji
Disetujui oleh : Pembimbing Tugas Akhir,
Ir. Arman Sani, M.T NIP.196311281991031003
Diketahui oleh :
ABSTRAK
Pengukuran profil tekanan udara, temperatur, kelembaban, kecepatan arah angin horizontal serta informasi lainnya dalam pengamatan cuaca pada kondisi vertikal atmosfer sangat diperlukan oleh Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional. Salah satu cara untuk mendapatkan informasi ini adalah dengan menerbangkan balon udara pada atmosfer setinggi 10 km di atas permukaan laut. Balon udara ini membawa muatan berupa radiosonde yang bekerja pada frekuensi 433 MHz yang akan mengukur profil-profil tersebut dan mengirimkan data ke stasiun penerima di permukaan bumi untuk menjamin kontinuitas hubungan komunikasi antara radiosonde dan stasiun penerima diperlukan antena stasiun penerima yang memiliki gain yang tinggi dan beamwidth tertentu. Salah satu antena yang dapat memenuhi kriteria ini adalah antena Stacking Yagi.
Dalam Tugas Akhir ini akan dirancang antena Stacking Yagi dengan frekuensi operasi 433 MHz. Perancangan dilakukan menggunakan perangkat lunak 4NEC2. Dari pengukuran langsung terhadap antena menggunakan VNA Meter Anritsu MS2034B, nilai VSWR pada frekuensi 433 MHz sebesar 1,45 dan dari pengujian langsung dilapangan, antena Stacking Yagi yang dirancang dapat menjangkau jarak 5 km dengan baik pada frekuensi yang diinginkan.
Kata kunci: radiosonde, unidirectional, Stacking Yagi, 433 MHz, 4NEC2, gain, VSWR
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah S.W.T yang telah memberikan kemampuan dan kesehatan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam penulis sampaikan kepada junjungan umat Nabi Muhammad S.A.W.
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 STACKING YAGI UNTUK STASIUN PENERIMA SISTEM KOMUNIKASI MUATAN BALON ATMOSFER
FREKUENSI 433 MHZ”
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda H. Ismail Mahsah, SH dan ibunda Oni Suismiyati, SH yang senantiasa memberikan perhatian dan kasih sayang sejak penulis lahir hingga sekarang, serta adik-adik tercinta Bina Anugrah Alami dan Fadjar Agus Wibawa yang senantiasa mendukung dan memberi semangat untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
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 Ir. Masykur Sjani, 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. Bapak Rahmat Fauzi, ST, MT dan Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku dosen penguji Tugas Akhir, atas masukan dan bantuannya dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.
5. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas segala bantuannya.
6. Betty Widya Oktaria yang selama ini mendukung dan memberi semangat kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. Terima kasih atas perhatian dan do’anya.
7. Temen - teman UKM Robotik Sikonek USU yang selama ini membantu dan memfasilitasi penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
8. Teman – teman di Teknik Elektro FT-USU, terkhusus angkatan 2010 dan 2012 atas dukungan, do’a, suka dan duka selama di bangku perkuliahan. 9. Abang-abang senior stambuk 2009 yang selalu membantu, mendukung
dan memberi masukan selama menjalani perkuliahan.
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, 8 Januari 2015 Penulis
Kharisma Muhammad NIM. 100402050
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xiii
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 1 1.3 Tujuan Penulisan ... 2 1.4 Batasan Masalah ... 2 1.5 Manfaat Penulisan ... 2 1.6 Metode Penulisan ... 3 1.7 Sistematika Penulisan ... 3
II. TEORI DASAR ANTENA DAN PROPAGASI GELOMBANG RADIO 2.1 Umum ... 5 2.2 Gelombang Elektromagnetik... 6 2.3 Antena ... 7 2.3.1 Parameter Antena ... 8 2.3.1.1 Pola Radiasi ... 8 2.3.1.2 Lebar Berkas ... 9 2.3.1.3 Direktivitas ... 10
2.3.1.4 Gain ... 11 2.3.1.5 Frekuensi Resonansi ... 11 2.3.1.6 Lebar Pita ... 11 2.3.1.7 Impedansi Input ... 12 2.3.1.8 VSWR ... 12 2.4 Antena Unidirectional ... 13
2.4.1 Macam-macam Antena Unidirectional ... 14
2.4.1.1 Antena Apertur ... 14 2.4.1.2 Antena Mikrostrip ... 14 2.4.1.3 Antena Array ... 15 2.4.1.4 Antena Reflektor ... 17 2.5 EIRP ... 18 2.6 Receiver Gain ... 18 2.7 Pathloss ... 19
2.7.1 Persamaan Transmisi Friis ... 19
2.7.2 Multipath Fading ... 19
2.8 Propagasi Untuk Komunikasi Bergerak ... 20
2.8.1 Okumura-Hata ... 20
2.8.2 COST-231 ... 21
2.9 Link Budget ... 22
III. RANCANG BANGUN ANTENA STACKING YAGI FREKUENSI 433 MHZ
3.2 Langkah Pengerjaan Stacking Yagi... 23
3.3 Antena Stacking Yagi ... 25
3.3.1 Elemen Antena Stacking Yagi ... 26
3.3.1.1 Antena Yagi ... 26
3.3.1.1.1 Penentuan Parameter Antena Yagi ... 28
3.3.1.1.2 Teknik Pencatuan Antena Yagi ... 31
3.3.2 Penentuan Parameter Stacking Yagi ... 32
3.3.3 Teknik Pencatuan Antena Stacking Yagi ... 33
3.4 Spesifikasi Antena Stacking Yagi Yang Dirancang ... 35
3.5 Simulasi Antena Stacking Yagi ... 35
3.5.1 Simulator 4NEC2 ... 35
3.5.2 Simulasi Antena Yagi ... 36
3.5.3 Simulasi Antena Stacking Yagi ... 40
3.6 Perakitan Antena Stacking Yagi ... 43
3.6.1 Perlengkapan ... 43
3.6.2 Peralatan ... 48
3.6.3 Pembuatan ... 48
3.7 Pengujian Antena Stacking Yagi ... 54
3.7.1 Pengukuran VSWR ... 54
3.7.2 Pengujian Lapangan ... 56
3.7.2.1 Langkah Pengujian Lapangan ... 57
3.7.2.2 Perlengkapan Pengujian ... 59
3.7.2.3 Penentuan Titik Pengujian ... 62
IV. DATA DAN ANALISIS ANTENA STACKING YAGI 433 MHZ
4.1 Umum ... 66
4.2 Hasil Simulasi ... 66
4.2.1 Hasil Simulasi Antena Yagi ... 66
4.2.2 Hasil Simulasi Antena Stacking Yagi ... 69
4.3 Hasil Pengujian Antena Stacking Yagi ... 72
4.3.1 Hasil Pengukuran VSWR ... 72
4.3.2 Hasil Percobaan Simulasi ... 74
4.4 Analisis ... 76
4.4.1 Analisis Antena Yagi ... 76
4.4.2 Analisis Antena Stacking Yagi... 76
4.4.3 Analisis Ujicoba Simulasi ... 76
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 80
5.2 Saran ... 80
DAFTAR PUSTAKA ... xiv LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Antena Sebagai Media Transisi ... 7
Gambar 2.2 Sistem Koordinat Untuk Menganalisis Antena ... 8
Gambar 2.3 Ilustrasi HPBW dan FNBW ... 9
Gambar 2.4 Perbandingan Distribusi Medan Listrik pada Antena Isotrop dan Direksional ... 13
Gambar 2.5 Konfigurasi Antena Apertur ... 14
Gambar 2.6 Konfigurasi Patch pada Mikrostrip ... 15
Gambar 2.7 Patch Persegi pada Mikrostrip ... 15
Gambar 2.8 Antena Array ... 16
Gambar 2.9 Antena Yagi-Uda ... 16
Gambar 2.10 Stacking Yagi ... 17
Gambar 2.11 Antena Reflektor ... 17
Gambar 3.1 Diagram Alur Perancangan dan Perakitan Yagi dan Stacking Yagi 433 MHz ... 24
Gambar 3.2 Area Cakupan Antena Yagi ... 25
Gambar 3.3 Ilustrasi Stacking Yagi ... 25
Gambar 3.4 Antena Yagi dengan Stacking Horizontal dan Vertikal ... 26
Gambar 3.5 Antena Yagi-Uda ... 27
Gambar 3.6 Elemen Penyusun Yagi-Uda... 27
Gambar 3.7 Parameter-parameter Antena yang telah dioptimalkan ... 29
Gambar 3.8 Kurva Desain untuk menentukan panjang elemen Yagi-Uda .. 30
Gambar 3.9 Peningkatan panjang optimum dari elemen-elemen parasit ... 30
Gambar 3.11 Ilustrasi Balun 1:1 pada Koaksial 50 Ohm ... 32
Gambar 3.12 Stacking Yagi Horizontal dan Vertikal ... 33
Gambar 3.13 Pembagi Daya Wilkinson ... 34
Gambar 3.14 Tampilan Menu Utama Simulator 4NEC2 Untuk Yagi ... 38
Gambar 3.15 Tampilan Menu Geometry Edit Untuk Yagi 433 MHz ... 40
Gambar 3.16 Tampilan Menu Utama Simulator 4NEC2 Stacking Yagi ... 41
Gambar 3.17 Tampilan Menu Geometry Edit Stacking Yagi ... 43
Gambar 3.18 N Female Coaxial Connector ... 44
Gambar 3.19 Matching Impedance DF9IC ... 44
Gambar 3.20 Kabel RG-178/U PTFE ... 45
Gambar 3.21 N Male crimping – BNC Male Connector ... 45
Gambar 3.22 SO-239 – BNC Male Connector ... 46
Gambar 3.23 BNC Male – SMA Male Connector ... 46
Gambar 3.24 Kabel Koaksial Belden RG58A/U ... 46
Gambar 3.25 Multimeter Digital Heles UX-866TR ... 47
Gambar 3.26 VNA Master Anritsu MS2034B ... 47
Gambar 3.27 Kawat Las Aluminum... 49
Gambar 3.28 Batang Aluminum Untuk Boom ... 49
Gambar 3.29 Pemasangan Elemen-elemen ... 50
Gambar 3.30 Rangkaian Balun pada Papan PCB... 50
Gambar 3.31 Pemasangan Kabel Balun dan N Female Connector pada Papan PCB... 50
Gambar 3.34 Antena Stacking Yagi ... 52
Gambar 3.35 Wilkinson Power Divider ... 53
Gambar 3.36 Rangkaian Balun Untuk Stacking Yagi ... 54
Gambar 3.37 Tampilan Pengukuran VSWR Antena Yagi Menggunakan VNA Master Anritsu MS2034B... 55
Gambar 3.38 Tampilan Pengukuran VSWR Antena Stacking Yagi Menggunakan VNA Master Anritsu MS2034B ... 56
Gambar 3.39 Ilustrasi Pengujian di Lapangan ... 57
Gambar 3.40 Diagram Alur Pengujian di Lapangan ... 58
Gambar 3.41 Radiosonde ... 59
Gambar 3.42 Stasiun Penerima Muatan Balon Atmosfer ... 60
Gambar 3.43 Google Earth ... 61
Gambar 3.44 Kompas ... 61
Gambar 3.45 Titik-titik Pengujian Lapangan ... 63
Gambar 3.46 Bearing dan Elevasi Antena ... 64
Gambar 3.47 Tampilan Aplikasi i3DR Radio Config ... 64
Gambar 4.1 Hasil Simulasi Antena Yagi 433 MHz ... 67
Gambar 4.2 Tampilan Grafik Gain, Impedansi dan VSWR Yagi... 69
Gambar 4.3 Hasil Simulasi Antena Stacking Yagi 433 MHz ... 70
Gambar 4.4 Tampilan Grafik Gain, Impedansi dan VSWR Stacking Yagi . 72 Gambar 4.5 Hasil Pengukuran VSWR Antena Yagi Menggunakan VNA Master Anritsu MS2034B ... 73
Gambar 4.6 Hasil Pengukuran VSWR Antena Stacking Yagi Menggunakan VNA Master Anritsu MS2034B ... 74
Gambar 4.7 Data Gedung Teknik Tegangan Tinggi DTE USU ... 75 Gambar 4.8 Data Parkiran Mobil Lantai Atas Sun Plaza ... 75 Gambar 4.9 Aplikasi Lat Long Converter ... 77
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio... 6
Tabel 3.1 Perbandingan dari Ketiga Pembagi Daya Pasif ... 33
Tabel 3.2 Spesifikasi Antena Stacking Yagi Yang Dirancang ... 35
Tabel 3.3 Parameter Perancangan Yagi 433 MHz 12 Elemen ... 37
Tabel 3.4 Nilai Parameter Antena Yagi 433 MHz ... 38
Tabel 3.5 Parameter Stacking Yagi 433 MHz ... 40
Tabel 3.6 Nilai Parameter Stacking Yagi 433MHz 2λ ... 41
Tabel 4.1 Data Koordinat Ujicoba Simulasi ... 77
Tabel 4.2 Data Analisis Ujicoba Antena ... 78
