ANTENA MIKROSTRIP PANEL BERISI 5 LARIK DIPOLE DENGAN FEEDLINE KOAKSIAL WAVEGUIDE UNTUK KOMUNIKASI 2,4 GHz

ANTENA MIKROSTRIP PANEL BERISI 5 LARIK DIPOLE DENGAN FEEDLINE KOAKSIAL

WAVEGUIDE UNTUK KOMUNIKASI 2,4 GHz

ERNA RISFAULA K.

1109201007

TESIS

Dosen Pembimbing

Dr. YONO HADI PRAMONO, M.Eng

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN FISIKA

JANUARI 2011

DAFTAR ISI

BAB 1

PENDAHULUAN

BAB 2

KAJIAN PUSTAKA

BAB 3

METODE PENELITIAN

ABSTRAK

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

PENDAHULUAN

 Perkembangan komunikasi wireless yang cepat menuntut adanya perkembangan antena sebagai perangkat penunjangnya.

 Perkembangan antena bertujuan memperoleh antena yang praktis, lebih ringan, relatif murah, memiliki gain tinggi, bandwidth lebar, jangkauan yang luas, VSWR, koefisien refleksi, dan return loss bernilai rendah.

 Salah satu antena yang memenuhi kriteria tersebut adalah antena mikrostrip panel.

PENDAHULUAN

1. Frekuensi kerja yang digunakan 2,4 GHz.

2. Substrat antena adalah fiber (ε_r = 4,8)

3. Hasil fabrikasi akan diuji VSWR, koefisien refleksi, return loss, dan frekuensi kerjanya dengan alat ukur Network Analyzer sedangkan pola radiasi dan gain dengan Access Point.

4. Metode penelitian yang digunakan adalah karakterisasi dan kalibrasi.

BATASAN MASALAH RUMUSAN MASALAH

1. Bagaimana memfabrikasi antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide?

2. Bagaimana karakteristik VSWR, koefisien refleksi, return loss, bandwidth, pola radiasi, dan gain antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide?

3. Bagaimana membuat program perhitungan impedansi karakteristik (Zo), impedansi input (Zin), koefisien refleksi, dan VSWR dengan parameter yang ada?

PENDAHULUAN

HIPOTESIS

1. Penambahan jumlah larik dari 3 larik menjadi 5 larik diharapkan akan meningkatkan gain antena

2. Panjang larik yang berbeda-beda diharapkan membuat bandwidth semakin melebar

3. Pemberian reflektor pada antena diharapkan pola radiasi antena

semakin terfokus

TUJUAN PENELITIAN

1. Mendesain antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide.

2. Memfabrikasi antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide.

3. Memperoleh karakteristik VSWR, koefisien refleksi, return loss,

bandwidth, pola radiasi, dan gain yang lebih baik dibandingkan antena mikrostrip 3 larik dipole.

4. Membuat program perhitungan impedansi karakteristik (Zo), impedansi input (Zin), koefisien refleksi, dan VSWR.

PENDAHULUAN

1. Mengetahui tentang cara desain dan fabrikasi antena

2. Dapat memfabrikasi antena yang murah tetapi memiliki keunggulan yang maksimal.

3. Meningkatkan gain dan bandwidth antena dari gain antena 3 larik dipole dengan cara menambah jumlah larik dari 3 larik menjadi 5 larik.

4. Memperoleh pola radiasi lebih terfokus satu arah dibandingkan antena 3 larik dipole dengan cara menambah antena dengan reflektor.

5. Mendukung teknologi antena panel.

MANFAAT

Antena Mikrostrip 3 Larik Dipole

 Difabrikasi oleh Edi Daenuri Anwar tahun 2009

 Frekuensi kerja 2,440 GHz dengan gain antena 16 dB

 Nilai VSWR = 1,135, koefisien refleksi = 0,06, return loss = -23,97 dan bandwidth 0,9 GHz

 Nilai sinyal maksimum pada pola radiasi horizontal = 25 dB dan vertikal = 41 dB

Karakteristik Antena yang Diukur

1. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

 Rasio perbandingan tegangan maksimum terhadap tegangan minimum di sepanjang transmission line

 Antena bekerja baik jika VSWR bernilai antara 1 – 2

20 SWR

10

Γ VSWR

1

Γ VSWR 1

m in m ax

V VSWR V

0 0

ZL

Z Z

Z

L

2. Koefisien Refleksi

 Perbandingan antara tegangan sinyal yang dipantulkan (sinyal refleksi) terhadap tegangan input

input pantul

V Γ V

Karakteristik Antena yang Diukur

3. Return Loss

 Nilai loss (rugi) dari power input terhadap power refleksi antena Γ

log 20 (dB)

RL ₁₀

5. Pola radiasi

 Pernyataan grafis yang menggambarkan sifat suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah.

6. Gain

 4π kali perbandingan antara intensitas radiasi pada suatu arah dengan daya yang diterima oleh antena.

4. Bandwidth

 Rentang daerah frekuensi kerja dimana antena dapat bekerja efektif dan baik

 Perhitungan bandwidth dibatasi oleh VSWR ≤ 1,5 atau return loss ≤ -15 dB (Hermansyah, 2010).

1 2

)

( f f

Bandwidth_narrowband

Persamaan yang Digunakan dalam Desain dan Karakterisasi Antena

1. Panjang Gelombang dan Permitivitas Efektif

f f e

0

g ε

λ λ

0,555 r

r f

f

e w

10 h 2 1

ε 1 2

ε 1 ε

2. Impedansi Input

l jZ

Z

l jZ

Z Z Z

L L

in tan

tan

0

0 0

3. Impedansi Karakteristik

d log D ε

Z 138 ₁₀

r 0

 Impedansi Karakteristik Coaxial Line

g

2

2 16

4 ln 1 2

9 ,

119 ²

0 w

h w

Z h

r

1 e

e

f f e

0 1,444

h 0,667 w 1,393

h w ε

Z 120π

 Jika t/h ≤ 0,005, 2 ≤ ε ≤ 10, dan w/h ≥ 0,1, maka nilai ketebalan patch (t) diabaikan

 Jika t/h ≥ 0,005, ε ≤ 2 dan ε ≥ 10, serta w/h ≤ 0,1, maka nilai ketebalan patch (t) tidak diabaikan

t w h

t h

w h

w_e 4

ln 25 1

, 1 dengan

 Impedansi Karakteristik Antena

METODOLOGI PENELITIAN

Studi literatur

Penentuan substrat PCB

Pembuatan desain antena

Fabrikasi antena

Pengukuran karakterisasi antena

Analisa data hasil pengukuran

Selesai Analisa error data

Pembuatan program perhitungan parameter antena

METODOLOGI PENELITIAN

DESAIN

FABRIKASI

PENGUKURAN

ANALISA DATA

ANALISA ERROR PROGRAM

DESAIN ANTENA

Dimensi Ukuran (mm)

w_1, w_2, w_3, w_4, w₅ 4

l₁, l₅ 20

l_2, l₄ 25

l₃ 30

d₁, d₄ 25

d₂, d₃ 15

w_6, w₇ 2

Ukuran antena adalah 18 x 14,2 cm, tebal 1,62 mm, dan berat 0,35 kg.

Proses Fabrikasi

Desain gambar antena dengan software komputer

Tahap pelarutan (metode etching)

Pembuatan reflektor

Pemasangan antena dengan konektor dan reflektor Cetak gambar pada kertas

Scotlight

 Fabrikasi dilakukan dengan metode etching dengan larutan Fe(ClO₂)₃ (Ferric Chloride)

 Substrat fiber tebal 1,6 mm

 Antena diberi reflektor dengan jarak 1,8 mm dari reflektor

Hasil Fabrikasi

Koaksial waveguide Antena 5 larik dipole reflektor

Proses Pengukuran

VSWR

Koefisien refleksi Return Loss

Bandwidth

Pola Radiasi

Gain Antena

Antena panel dengan microstrip line berstruktur 5 larik

dipole

Network Analyzer

ANALISA DATA

Data VSWR, RL, koefisien refleksi hasil pengukuran

Data

pola radiasi

Data VSWR, RL, koefisien refleksi

hasil perhitungan dengan program Gain Antena

Grafik dengan Microsoft Excel 2007

dibandingkan

Analisa Hasil Pengukuran

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

Frekuensi (GHz)

VSWR

 Pada frekuensi kerja 2,45 GHz VSWR bernilai 1,202

 Pada frekuensi kerja 2,9 GHz VSWR bernilai 1,255

1. Pengukuran VSWR

Analisa Hasil Pengukuran

 Pada frekuensi kerja 2,45 GHz koefisien refleksi bernilai 0,092

 Pada frekuensi kerja 2,9 GHz koefisien refleksi bernilai 0,113

2. Pengukuran koefisien refleksi

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

Frekuensi (GHz)

Koefisien Refleksi

Analisa Hasil Pengukuran

 Pada frekuensi kerja 2,45 GHz return loss bernilai -20,77 dB

 Pada frekuensi kerja 2,9 GHz return loss bernilai -18,93 dB

 Bandwidth (f₂-f₁= 3 - 2 = 1 GHz)

3. Pengukuran return loss

-25 -20 -15 -10 -5 0

2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3

Frekuensi (GHz)

Return Loss (dB)

bandwidth

f₁

f₂

Analisa Hasil Pengukuran

 Panjang larik yang berbeda-beda memberikan peluang frekuensi resonansi yang banyak sehingga superposisinya menjadikan bandwidth melebar.

4. Pengukuran Bandwidth

POLA RADIASI

1. Pengukuran pola radiasi horizontal ternormalisasi

Sebelum dinormalisasi Sinyal maksimum = 83 dB Sinyal minimum = 36 dB Setelah dinormalisasi Sinyal maksimum = 47 dB Sinyal minimum = 0 dB

HPBW (Half Power Beamwidth)

HPBW = ½ x 175⁰= 87⁰

POLA RADIASI

2. Pengukuran pola radiasi vertikal ternormalisasi

Sebelum dinormalisasi Sinyal maksimum = 78 dB Sinyal minimum = 36 dB Setelah dinormalisasi Sinyal maksimum = 42dB Sinyal minimum = 0 dB

Pengukuran pola radiasi horizontal dan vertikal ternormalisasi

Antena acuan (antena monopole) Antena Pemancar

Antena panel 5 larik dipole

Gain 18 dB Power 25 dBm Total =18+25=43 dB

Power Edimax =100mW

=20dBm Total power sebagai standar

pengukuran

=43+20 =63 dB

Nilai sinyal maksimum pengukuran horizontal =

83 dB

Gain = 83 - 63=20 dB

Pengukuran Gain Antena

Step 1

Step 2

Data Hasil Perhitungan

 Geometri desain antena dan letak impedansi

w₁

w2

w₃

w4

w5

d₁ d₂ d₃ d₄

BAGIAN A BAGIAN B

Z_o1

Zo3 Z_o5 Z_o7

Z_o9

Z_o2 Z_o4 Z_o6 Z_o8

Larik 1

Larik 5 Larik

2

Larik 3

Larik

l 4

Zin₁

Zin₂ Zin₃

Zin4

Zin₅

w

Stripline

DESAIN PROGRAM PERHITUNGAN ANTENA

DESAIN PROGRAM PERHITUNGAN ANTENA

Data Hasil Pengukuran dan Perhitungan

Data Frekuensi (GHz) VSWR Koefisien refleksi Return loss

Pengukuran 2,45 1,202 0,092 -20,77

Perhitungan 2,4 1,569 0,222 -13,07

1

2

3

Dimensi Nilai error (%) 0,62

0,043 0,625 23,4

2

Tidak bisa ditentukan Total error

ε4

VSWR ε4

frekuensi

εx

35 2

,

552 _x

 Hasil data

 Nilai error

 Tidak adanya ruang anechoic chamber

 Banyaknya sinyal WiFi yang mengganggu

saat pengukuran antena

KESIMPULAN

2. Pemberian reflektor menyebabkan pola radiasi antena lebih terfokus satu arah dibanding dengan radiasi antena tanpa reflektor sehingga antena dapat diaplikasikan sebagai directional antenna. Antena memiliki kelebihan

strukturnya sederhana, efisiensi yang besar, mudah difabrikasi, relatif ringan, dan biayanya lebih murah.

1. Hasil pengukuran dan fabrikasi mempunyai unjuk kerja terbaik pada frekuensi WiFi 2,45 GHz dengan nilai VSWR 1,202, koefisien refleksi 0,092, return loss -20,77, dan bandwidth 1 GHz. Apabila dibandingkan dengan antena 3 larik dipole, nilai VSWR, koefisien refleksi, dan nilai return loss antena 5 larik dipole nilainya lebih besar namun bandwidthnya lebih lebar.

3. Gain antena pada pola radiasi horizontal sebesar 20 dB dengan HPBW 87,5⁰. Apabila dibandingkan dengan gain antena 3 larik dipole 16 dB, gain antena 5 larik dipole nilainya lebih tinggi.

4. Program perhitungan yang sudah dibuat dapat memudahkan perhitungan karakteristik antena.

SARAN

1. Dapat dilakukan penelitian lebih lanjut dengan memvariasikan jumlah array (larik) dan jenis substrat.

2. Dapat dilakukan penelitian lebih lanjut dengan membuat program untuk mensimulasikan penelitian yang sudah dilakukan pada tesis ini.

DAFTAR PUSTAKA

Anwar, E.D. (2009), Desain dan Karakterisasi Antena Mikrostrip Yagi Tiga Array Double Side,

Magister Tesis Program Pasca Sarjana Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

Balanis, C.A. (1997), Antenna Theory and Design, 2nd edition, John Wiley & Sons., New York.

Balemurli (2010), Perancangan Antena Mikrostrip Patch Sirkular Untuk Aplikasi WLAN Menggunakan Simulator ANSOFT HFSS V10, Skripsi Sarjana Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, Medan.

Djonoputro, B.D. (1984), Teori Ketidakpastian, Institut Teknologi Bandung, Bandung.

Edwards, T. (1992), Foundations For Microstrip Circuit Design, 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc., Canada.

Fadlillah, U. (2004), “Simulasi Pola Radiasi Antena Dipole Tunggal”, Jurnal Teknik Elektro dan Komputer Emitor, Vol.4, No.2.

Fraden, J. (2003), Handbook of Modern Sensor, 3th edition, Jacob Fraden Advanced Monitors Corporation, San Diego USA.

Hermansyah, R.M. (2010), Rancang Bangun Antena Microstrip Patch Segi Empat untuk Aplikasi Wireless-LAN, Skripsi Sarjana Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara, Medan.

Hund, E. (1989), Microwave Communications. Component and Circuits, McGraw-Hill, New York.

Muhtadi, D. (2009), Desain Fabrikasi Dan Karakterisasi Antena Wideband Mikrostrip Slot Bowtie dengan CPW Untuk Komunikasi Wireless, Magister Tesis Program Pasca Sarjana Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya

Rahayu, E.M, Pramono, Y.H., dan Rohedi, A.Y. (2009), “Fabrikasi dan Karakterisasi Antena mikrostrip Loop Co-Planar Waveguide dua Lapis Substrat untuk Komunikasi C-Band dan Ku-Band”, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol.5, No.2.

Salim, A. (2009), Rancang Bangun Antena Mikrostrip Biquad Linear Array dengan Pencatuan Aperture- Coupled untuk Aplikasi BWA, Magister Tesis Program Pasca Sarjana Teknik Telekomunikasi,

Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta.

Santoso, S.P. (2008), Antena Mikrostrip Segitiga dengan Saluran Pencatu Berbentuk Garpu yang Dikopel Secara Elektromagnetik, Magister Tesis Program Pasca Sarjana Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta.

Susiloningsih, E., Pramono, Y.H., dan Rohedi, A.Y. (2009), “Pembuatan dan Karakterisasi Antena Mikrostrip dengan Struktur Satu feed Line Dipole Co-Planar Waveguide dan Dua Patch untuk Repeater WIFI Dua Arah”, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol.5, No.2

Struzak, R. (2007), Basic Antenna Theory, Lecture handout:Wireless Networking, the International Telecommunication Academy, Trieste.

Uboyo, A., Pramono, Y.H., dan Rohedi, A.Y. (2009), “Desain dan Fabrikasi Antena Mikrostrip loop dengan Feed Line Mikrostrip Feed Line Dua Lapis Substrat untuk Komunikasi C-Band”, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol.5, No.2.

ABSTRAK

Desain, fabrikasi, dan karakterisasi antena mikrostrip panel berisi 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide telah dilakukan di laboratorium optik dan microwave jurusan Fisika FMIPA ITS. Antena difabrikasi untuk bisa bekerja pada frekuensi WiFi 2,4 GHz. Substrat PCB double side yang digunakan untuk fabrikasi adalah fiber. Fabrikasi dilakukan dengan metode etching dengan larutan Fe(ClO2)3 (Ferric Chloride). Dimensi antena adalah 18 x 14,2 cm, tebal 1,62 mm, dan berat 0,35 kg. Struktur antena terdiri dari 5 larik dipole dengan feedline koaksial waveguide.

Parameter-parameter yang dikarakterisasi meliputi VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), Return Loss (RL), bandwidth, gain, dan pola radiasi. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa antena ini dapat diaplikasikan sebagai directional antenna (antena pengarah) dengan nilai VSWR 1,202, nilai koefisien refleksi 0,092, nilai return loss -20,77 dB, bandwidth 1 GHz, pola radiasi horizontal memiliki gain 20 dB dengan HPBW (Half Power Beamwidth) bernilai 87,50. Kelebihan dari antena ini adalah strukturnya sederhana, efisiensi yang besar, mudah difabrikasi, relatif ringan, biayanya lebih murah, dan dapat diaplikasikan sebagai directional antenna (antena pengarah).

Kata kunci: antena panel, dipole, microstrip line, wireless, VSWR, return loss, feedline, waveguide, HPBW