BAB III
PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH RECTANGULAR SLOT DUAL BAND 2,4 GHz - 5,8 GHz
3.1 Pembahasan Umum
Pada tugas akhir ini merancang sebuah antena mikrostrip patch rectangular yang dapat digunakan pada sistem wireless LAN baik sebagai penguat antena pada Access Point (AP) atau Wireless Router ataupun pada sisi terminal (laptop, PC dan PDA). Dengan penggunaan antena microstrip dengan harga yang relatif murah dan USB wireless adapter sebagai penangkap sinyal, maka antena ini merupakan pilihan yang tepat untuk solusi internet yang murah dan cepat. Perancangan antena ini dilakukan dengan menggunakan simulator antena Ansoft HFSS v11.
Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat dan selanjutnya menghitung dimensi patch antena serta lebar saluran pencatunya. Hasil dari perhtiungan tersebut kemudian disimulasikan dengan simulator Ansoft HFSS v11. Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan beberapa karakterisasi berupa perubahan panjang saluran pencatu dan perubahan dimensi patch. Dengan melakukan beberapa perubahan selanjutnya diperoleh hasil rancangan yang lebih optimal tersebut. Dengan simulator Ansoft HFSS v13 dapat diperoleh parameter – parameter antena yang dihasilkan berupa nilai VSWR, Gain antena dan pola radiasinya.
Perancangan dan perakitan antena microstrip patch segi empat dapat digambarkan dengan diagram alur pada Gambar 3.1.
Mulai
Menentukan Lebar patch elemen band peradiasi pertama
Menentukan Lebar saluran Pencatu dengan PCAAD
Menambakan Slot pada sisi kiri adan kanan pada patch peradiasi untuk menghasilkan
band
Simulasi dengan Ansoft
HFSS V13
Nilai return loss dan VSWR Pada Prekuensi
kerja
A
Pabrikasi anena Mikrostrip regtangular slot
dual -band
Selesai
Iterasi letak slot/letak titik
pencatu A
Ya
Tidak
Gambar 3.1 Flowchart proses pembuatan antena 3.2 Jenis Substrat Yang Digunakan
Didalam pemilihan jenis substrate dibutuhkan pengetahuan secara umum mengenai jenis substrate yang akan digunakan mulai dari kualitas, ketersediaan di pasaran dan harga dari bahan tersebut yang akan sangat mempengaruhi nilai jual apabila dipabrikasi secara massal untuk dipasarkan.
Jenis substrate yang digunakan dalam pembuatan tugas akhir ini adalah
Tabel 3.1 Spesifikasi substrate yang digunakan
Jenis substrate FR4 – Epoxy
Konstanta Dielektrik Relatif
( εr) 4.4 Dielektri Loss Tangent (tanδ) 0.02
Ketebalan Substrate (h1 –h2) 1.6 mm
3.3 Perancangan Dimensi Patch Antena
Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini adalah antena microstrip dengan frekuensi kerja 2.45 GHz. Sebelum merancang antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 12 elemen , lebih dahulu ditentukan antena mikrostrip elemen tunggal yang hasilnya akan digunakan dalam merancang antena mikrostrip patch segiempat 2 sampai dengan 12 elemen. Untuk perancangan awal dari dimensi antena digunakan perhitungan pada antena microstrip dengan patch berbentuk segi empat. Dalam merancang sebuah antena mikrostrip array ada beberapa parameter yang harus dihitung terlebih dahulu:
1. Menentukan panjang gelombang dari antena yang dapat dibuat dengan menggunakan Persamaan berikut:
……….. (3.1)
2. Menentukan lebar patch dengan menggunakan Persamaan berikut[5][6]:
√ ……… (3.2)
3. Menentukan panjang patch dengan menggunakan Persamaan sampai berikut[3.4][3.5]:
……… (3.3)
√ ……….……. (3.4)
√ ) ……… (3.5)
……… (3.6)
dengan nilai c = 3x108 m/s dan f0 = 2,4 GHz.
dimana nilai h = 1.6 mm , dan ε = 4,4 maka,
Dengan menggunakan persamaan (3.1) sampai dengan persamaan (3.5), diperoleh panjang dan lebar patch sebagai berikut :
a.Menentukan Panjang Gelombang (λ):
12,5 cm =125 mm
b.Menentukan Lebar Patch :
√
√
√
c. Menentukan panjang patch :
√
√
√
= 4,08
√
√
0,0303 m = 30,3 mm
Maka Panjang Patch adalah :
mm
3.4 Perancangan Saluran Pencatu Mikrostrip 50 Ω
Pencatuan yang diinginkan pada antenna yang dirancang pada tugas akhir ini adalah menggunakan teknik pencatuan mikrostrip feedline
secara tidak langsung. Pada saat pengukuran antenna elemen tunggal, pencatu antenna mikrostrip akan dihubungkan dengan konector SMA 50 Ω. Dengan demikian dalam perancangan pencatu antenna mikrostrip perlu impedansi masukan (Zin) 50 Ω. Nilai tersebut bisa didapatkan dengan mengatur lebar dari saluran pencatu. Untuk mendapatkan besar lebar dari saluran pencatu yang menghasilkan nilai impedansi 50 Ω dapat dicari dengan menggunakan perangkat lunak PCAAD 5.0. tampilan dari program PCAAD untuk mencari lebar catu agar mempunyai impedansi 50 Ω dapat dilihat pada gambar 3.2
Gambar 3.2 Tampilan Program PCAAD untuk mencari lebar catu agar mempunyai 50 Ω.
Dengan memasukkan karakteristik impedansi yang diinginkan dan parameter substrat yang digunakan, pada PCAAD ini didapatkan nilai
untuk menghasilkan nilai impedansi 50 dengan menggunakan nilai parameter substrat yang digunakan dalam perancangan ini, dibutuhkan lebar saluran pencatu sebesar 3,059 mm. Sedangkan untuk panjang saluran pencatu pada perancangan awal akan digunakan bentuk pencatuan mikrostrip line short circuited. Selain mendapatkan lebar saluran pencatu mikrostrip 50 ohm juga diperoleh konstanta dielektrik efektif (εeff) senilai 3,381. Konstanta dielektrik ini akan digunakan untuk menghitung panjang pencatu saluran mikrostrip 50 ohm sebesar :
√
√
Sehingga panjang saluran pencatu mikrostrip 70,7 Ω adalah :
Gambar 3.3. Rancangan Antena Mikrostrip 2,4 GHz 3.5 Penambahan Slot-slot Antena
Selanjutnya adalah proses penambahan beban slot pada sisi bagian kanan dan kiri
elemen tunggal untuk pembangkitan frekuensi kedua yaitu frekuensi 5.8 GHz. Pertama – tama ukuran panjang dan lebar slot disesuaikan dengan ukuran patch yaitu 28,63 mm dan 1 mm, dengan jarak ke tepi patch masing – masing 1 mm. Rancangan awal antena dengan tambahan slot ditunjukkan pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Rancangan awal antenna mikrostrip patch regtangular slot 2,4 GHz dan 5,8 GHz
Tabel 3.2 Parameter Antena Rancangan Awal
Parameter Ukuran
Lebar Patch regtangular 37,26 mm Panjang Patch regtangular 28,63 mm
Lebar Pencatu (w) 3.06 mm
Panjang Pencatu (l) 16,99 mm
Lebar Slot (kiri/kanan) 10 mm Panjang Slot (kiri/kanan) 1 mm
3.6 Hasil Simulasi Rancangan Awal
Pada tahap ini, hasil rancangan disimulasikan dengan perangkat lunak HFSS. 13. Gambar 3.7 menunjukkan grafik return loss hasil simulasi awal yang merupakan hasil rancangan berdasarkan perhitungan yang ukurannya telah dijabarkan pada table 3.1.
Gambar 3.5 Return loss pada frekuensi 2 GHz sampai 4 GHz Dari gambar 3.5 dapat dilihat bahwa frekuensi 2 GHz sampai 4 GHz terdapat dua frekuensi kerja yaitu frekuensi 2.4 GHz dengan nilai return loss yang diperoleh sebesar 11,7196 db, dan frekuensi 3,5 GHz dengan return loss sebesar 11,2024 GHz Hasil ini sudah mencapai pada frekuensi yang diharapkan yaitu 2,4 GHz dengan return loss < -10 db.
Gambar 3.6 Return loss pada frekuensi 4 GHz sampai 6 GHz
Dari gambar 3.6 dapat dilihat bahwa frekuensi 4 GHz sampai 6 GHz terdapat tiga frekuensi kerja yang nilai return loss yang diperoleh < -10
yaitu : 4,3 GHZ sebesar 13,1690 db, 4,58 GHz sebesar 25,4134. Hasil ini sudah mencapai pada frekuensi 41,34 dB dan 5,92 GHz sebesar 12,916 dB. Adapun dari hasil simulasi rancangan awal antenna ini, telah diberi penanda untuk range frekuensi yang diinginkan. Untuk frekensi 5,8 GHz masih bergeser ke 5,92 GHz. Hal tersebut dapat disebabkan oleh ketidaksesuaian antara perhitungan dimensi slot yang digunakan dengan teknik pencatuan mikrostrip feedline. Oleh karena itu, untuk mendapatkan rancangan yang optimal perlu dilakukan pengkarakterisasi antenna.
G a m b a r
3.7 VSWR frekuensi pada 2 GHz sampai 4 GHz
Pada gambar 3.7 didapatkan hasil simulasi pada VSWR pada frekuensi 2 GHz sampai 4 GHz terdapat dua frekuensi yang nilai VSWR nya mencapai
< 2, yaitu pada frekuensi 2,4 GHz sebesar 1,7006 dan frekuensi 3,5 GHz sebesar 1,7599. Hasil ini sudah mencapai pada frekuensi yang diharapkan yaitu 2,4 GHz dengan VSWR < 2.
Gambar 3.8 VSWR rekuensi pada 4 GHz sampai 6 GHz Pada gambar 3.8 didapatkan hasil simulasi pada VSWR pada frekuensi 4 GHz sampai 6 GHz terdapat tiga frekuensi yang nilai VSWR nya hampir mencapai < 2, yaitu pada frekuensi 4,34 GHz sebesar 1,5627 , frekuensi 4,58 GHz sebesar 1,1133 dan frekuensi 5,9 GHz sebesar 1,5823. Adapun dari hasil simulasi rancangan awal antenna ini, telah diberi penanda untuk range frekuensi yang diinginkan. Untuk frekuensi 5,8 GHz masih bergeser ke 5,9 GHz. Hal tersebut dapat disebabkan oleh ketidaksesuaian antara perhitungan dimensi slot yang digunakan dengan teknik pencatuan mikrostrip feedline. Oleh karena itu, untuk mendapatkan rancangan yang optimal perlu dilakukan pengkarakterisasi antenna.
3.7. Hasil Optimasi Antena Mikrostrip Patch Regtangular Slot
Gambar 3.9 merupakan geometri hasil rancangan akhir setelah pengkarakterisasian, seperti yang terdapat pada table 3.2. Dengan mengetahui karakteristik dari antenna yang dirancang maka dapat membantu mempermudah memperolah rancangan yang optimal.
Tabel 3.3 Optimasi Parameter Rancangan Antena
Parameter Ukuran
Lebar Patch regtangular 40 mm
Panjang Patch regtangular 30 mm
Lebar Pencatu (w) 2,85 mm
Panjang Pencatu (l) 31,5 mm
Lebar Slot (kiri/kanan) 10 mm
Panjang Slot (kiri/kanan) 3,575 mm
Gambar 3.9 Returnloss frekuensi pada 2 GHz sampai 4 GHz
Pada Gambar 3.9 dapat dilihat bahwa frekuensi 2 GHz sampai 4 GHz terdapat dua frekuensi kerja yaitu frekuensi 2.4 GHz dengan nilai return loss yang diperoleh sebesar 12,0211 db, dan frekuensi 3,5 GHz dengan return loss sebesar 13,6192 GHz Hasil ini sudah mencapai pada frekuensi yang diharapkan yaitu 2,4 GHz dengan return loss < -10 db.
Perbandingan hasil simulasi antara hasil perhitungan dan optimalisasi software mendapatkan nilai dimensi yang baik untuk dilakukan pabrikasi kemudian dilakukan pengujian antena.
Gambar 3.10 VSWR frekuensi pada 2 GHz sampai 4 GHz Pada gambar 3.10 didapatkan hasil simulasi pada VSWR pada frekuensi 2 GHz sampai 4 GHz terdapat dua frekuensi yang nilai VSWR nya mencapai < 2, yaitu pada frekuensi 2,4 GHz sebesar 1,6687 dan frekuensi 3,5 GHz sebesar 1,5267. Hasil ini sudah mencapai pada frekuensi yang diharapkan yaitu 2,4 GHz dengan VSWR < 2 . Perbandingan hasil simulasi antara hasil perhitungan dan optimalisasi software mendapatkan nilai dimensi yang baik untuk dilakukan pabrikasi kemudian dilakukan pengujian antena.
Gambar 3.11 Returnloss frekuensi pada 4 GHz sampai 6 GHz Dari gambar 3.8 dapat dilihat bahwa frekuensi 4 GHz sampai 6 GHz terdapat tiga frekuensi kerja yang nilai return loss yang diperoleh < -10 yaitu : 4,3 GHZ sebesar 30,6166 db, 5,84 GHz sebesar 19,6296 dan 5,8 GHz sebesar 14,8426. Hasil ini sudah mencapai pada frekuensi 5,8 GHz sebesar 14,8426 dB.
Gambar 3.12 VSWR frekuensi pada 4 GHz sampai 6 GHz Pada gambar 3.15 didapatkan hasil simulasi pada VSWR pada frekuensi 4 GHz sampai 6 GHz terdapat empat frekuensi yang nilai VSWR nya hampir mencapai < 2, yaitu pada frekuensi 4,36 GHz sebesar 1,0607 , frekuensi 4,5 GHz sebesar 1,3388 frekuensi 5,84 sebesar 1,2330 dan frekuensi 5,8 GHz sebesar 1,4422. Hasil ini sudah mencapai pada frekuensi yang diharapkan yaitu 5,8 GHz dengan VSWR < 2
Perbandingan hasil simulasi antara hasil perhitungan dan optimalisasi software mendapatkan nilai dimensi yang baik untuk dilakukan pabrikasi kemudian dilakukan pengujian antenna
Gambar 3.13 Gain Antena Mikrostrip regtangular patch slot Gambar 3.13 menunjukan nilai gain yang didapatkan dari hasil simulasi yaitu 6.6487 dB.
Tabel 3.4 Hasil Perhitungan Simulasi Hasil Simulasi
Frekuensi 2,4 Ghz 5,8 Ghz
VSWR 1,669 1,442
Return Loss 12,021 14,843
Impedansi Input 35,534 36,076
Hasil dari simulasi didapatkan nilai Retrun Loss sebesar 12,021 pada frekuensi 2,4 GHz dB. Dan 14,834 pada frekuensi 5,8 GHz. Hasil VSWR untuk frekuensi 2,4 GHz dari hasil simulasi mendapatkan nilai 1,669 dan 1,442 untuk Frekuensi 5,8 Ghz. Gain hasil simulasi didapatkan sebesar
35,534 pada frekuensi 2,4 Ghz. pada frekuensi 5,8 Ghz Hasil simulasi diperoleh hasil 36,076
3.8 Realisasi Antena Mikrostrip Regtangular Slot Pacth 3.8.1 Bahan Antena
Bahan yang diperlukan untuk membuat suatu antena mikrostrip regtangular slot patch array ini diharapkan dapat memberikan daya pancar radiasi gelombang elektromagnetik yang cukup besar, sehingga dibutuhkan pemilihan bahan yang cukup memadai. Pada pembentukan antena mikrostrip regtangular slot patch array ini dipilih dari PCB epoxy FR-4 dengan ukuran tebal 1,6 mm. Ada beberapa hal yang memungkinkan bahan tersebut digunakan: mudah didapat, ringan, konduktivitasnya cukup besar, mudah untuk konstruksi dan penyambungannya.
3.8.2 Teknik Pembuatan
Teknik pembuatan antena mikrostrip regtangular slot patch array ini cukup rumit dilakukan tanpa peralatan yang memadai untuk mendapatkan dimensi antenna yang tepat (presisi).
Alat dan Bahan : 1. Kertas transfer paper.
2. Pemotong PCB, PCB FR-4 epoxy dua layer 150 cm x 130 cm 3. N connector RG-58 male dan fimale.
4. SMA connector fimale.
5. Pelarut HCL, H2O2, dan washing tiner (M3).
6. Nampan tempat Pelarutan PCB
antena mikrostrip regtangular slot patch array 2,4 GHz - 5,8 GHz dan layak untuk digunakan pada komunikasi data atau jaringan komputer secara wireless dengan frekuensi 2,4 GHz – 5,8 GHz. Ada beberapa parameter antena yang diukur untuk menunjukkan karakteristik serta kemampuan kerja dari antenna.
Pengukuran pola radiasi dilakukan untuk mengetahui bagaimanakah bentuk pola radiasi antena mikrostrip regtangular slot patch array yang telah dibuat. Selain itu yang paling penting adalah mengetahui seberapa jauhkah ketepatan perancangan antena dan apakah antena yang telah dibuat telah sesuai dengan harapan.
Terdapat beberapa jenis pola radiasi, antara lain dinyatakan dalam pola kerapatan daya (W/m) serta pola kuat medan (A/m). Secara ideal, antena penerima dapat digunakan sebagai antena pemancar dengan sifat yang sama (prinsip reprositas). Untuk memudahkan pengukuran, maka antena mikrostrip regtangular slot patch array digunakan sebagai antena penerima dengan memakai asumsi prinsip reprositas.
Untuk mendapatkan hasil yang baik dari pengukuran pola radiasi ada beberapa hal yang harus diperhatikan adalah menghindari gangguan pantulan dari benda disekitar pengukuran, tinggi antena default sebagai pemancar di sisi access point dengan antena mokrostrip regtangular slot patch array yang diukur sebagai penerima di sisi laptop haruslah sejajar dan lurus. Pola radiasi suatu antena merupakan karakteristik yang menggambarkan sifat radiasi antena pada medan jauh sebagai fungsi dari
arah.
Arah disini adalah memutar antena penerima dari posisi 00 sampai 900, pada posisi line of sigt. Untuk mengukur pola radiasi antena yang sudah dibuat, maka antena tersebut dipakai sebagai antena penerima, dengan bantuan laptop dan di tambahkan access point dengan frekuensi 2,4 GHz dan 5 GHz yang kemudian diletakkan antena mikrostrip regtangular slot patch array sebagai pengganti antena eksternal dari access point. Pada pengukuran ini antena pemancar menggunakan antena yang sudah terpasang oleh access point TP-link (TL-WA702ND) standar protocol 802.11g dengan frekuensi 2,4 GHz. Peralatan yang digunakan dalam pengukuran pola radiasi ini diantaranya adalah :
3.9.1. Laptop
Pada pengukuran parameter antena dan pengujian antena pada jaringan wireless ini penggunaan laptop sangat dibutuhkan. Laptop yang digunakan adalah laptop support dengan jaringan wireless. Melalui laptop, kita dapat memantau aktifitas wireless yang ada dengan menggunakan software monitor. Software yang digunakan adalah Insider Home dan software dari access point.
Gambar 3.19 Penggunaan Laptop pada Pengukuran
Pada tugas akhir ini, digunakan AP produk TP-Link tipe TL-WA701ND standar IEEE 802.11g dengan frekuensi 2,4 GHz. Access Point digunakan sebagai pemancar dan penerima, dimana antenna yang digunakan sebagai antenna eksternal disisi penerima digantikan dengan antenna mikrostrip regtangular slot patch array. Sebelumnya yang perlu diperhatikan dalam menggunakan AP untuk koneksi antar jaringan komputer secarawireless adalah penamaan SSID (Service Set IDentifier).
Pengukuran Polaradiasi dilakukan sekali,yaitu pola radiasi pada posisi line of sigt. Dalam pengukuran harus memperhatikan jarak pada proses pengukuran. Peralatan yang digunakan pada pengukuran pola radiasi ini diantaranya adalah :
a. Antena mikrostrip regtangular slot patch array yang telah dibuat b. Laptop
c. 1 Buah Access Point pada sisi pengirim dan penerima
Langkah-langkah yang harus dilakukan dalam melakukan pengukuran pola radiasi yaitu :
1. Merangkai peralatan-peralatn seperti pada Gambar 3.22, memastikan posisi Access Point (AP) dan antenna yang diukur sejajar.
Gambar 3.21 Antena Mikrostrip Dipasang pada accespoint TL- WA701ND
2. Menyalakan laptop dan memasangkan accesspoint, memastikan antenna dan accesspoint sudah benar-benar terhubung dengan menggunakan kabel pig tail. Jika laptop yang digunakan support dengan wirelesss maka perangkat wireless pada laptop dipastikan mati.
3. Menyalakan Access Point (AP), memastikan indikasi led pada power menyala. AP yang terpasang adalah AP yang telah diset .
4. Set alamat IP pada laptop. IP pada laptop harus satu network dengan IP pada AP. IP pada AP adalah 192.168.1.1.
5. Setelah semua terangkai dengan benar cek apakah sinyal AP telah dapat tertangkap oleh antena mikrostrip regtangular slot patch array yang terhubung dengan laptop.Ini dapat dilihat dengan memilih menu
Wireless mode client survey.
6. Mencatat nilai level sinyal yang tertera pada laptop pada sudut 00.
Level sinyal pada laptop dapat dipantau dengan menggunakan sotware Netstumbler atau dari nilai sinyal yang terdapat pada AP List.
7. Memutar posisi antena menjadi 100, 200,300 hingga posisi 900dengan aturan seperti pada Gambar 3.18, lalu mencatat nilai level daya ke dalam table pada posisi sudut tersebut, untuk mendapatkan hasil pola radiasi line of sigt.
8. Setelah mendapatkan nilai tersebut konversi level dalam unit dB tersebut menjadi satuan milliwatt
9. Untuk membantu mengetahui hasil gambar pola radiasi dari hasil data secara mudah dan cepat berdasarkan pada data yang sudah diambi ldari posisi sudut 00 sampai 900 pada level sinyal pola radiasi line of sigt, dapat digunakan Autoshape pada Microsoft Word.
Gambar 3.22 Posisi Antena untuk Pola Radiasi line of sight 3.9.3 Pengukuran Gain
Untuk menyatakan gain maksimum antenna mikrostrip regtangular slot patch array ini dengan cara membandingkan dengan antena lain dari Access Point (dengan metode pengukuran). Dalam posisi ini antena penerima harus mempunyai polarisasi yang sama dengan antena pada Access Point dan selanjutnya ia diarahkan sedemikian rupa agar diperoleh daya output maksimum.
Ga(dBi) = Pa(dBm) – Ps(dBm) + PREF (dBi) ……….…..(3.1) Keterangan :
Ga adalah Gain antena yang diukur.
Pa adalah Level daya yang diterima antena yang diukur.
Ps adalah Level daya yang dikirim antena yang diukur.
PREF merupakan Level daya antena referensi
