Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 28 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
BAB IV
PENGUKURAN DAN ANALISIS
4.1 Syarat Pengukuran
Pengukuran suatu antena yang ideal adalah dilakukan di suatu ruangan yang bebas pantulan atau ruang tanpa gema (Anechoic Chamber). Pengukuran antena dilakukan di daerah medan jauh antena, hal ini dimaksudkan agar antena tidak terpengaruh oleh medan dari benda-benda di sekitarnya. Jarak pengukuran antara antena pemancar dengan penerima
adalah
2 2D
R
, dengan D adalah panjang dimensi terbesar antena.
Untuk menghindari kesalahan dan data yang dihasilkan dapat dipertanggung jawabkan maka syarat-syarat pengukuran harus diperhatikan seperti frekuensi sistem harus stabil dan tidak boleh berubah-ubah, kriteria medan jauh dan lingkungan bebas pantulan harus dipenuhi, lingkungan bebas noise dan interferensi benda-benda sekelilingnya, dan antena diarahkan berimpit dengan sumbu utama.
Namun kondisi ideal susah dicapai karena kondisi nyatanya adalah :
Pengukuran antena sering kali dipengaruhi oleh pantulan gelombang yang tidak diinginkan.
Pengukuran outdoor memberi kondisi lingkungan EM yang tidak terkontrol.
Secara umum, teknologi pengukuran antena sangat mahal.
Melihat pertimbangan inilah maka akan dilakukan pengukuran antena dengan kondisi yang seideal mungkin. Dengan menggunakan sarana dan prasarana yang terbatas tetapi diharapkan mendapatkan hasil yang dapat dipertanggung jawabkan
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 29 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
4.2 Alat Ukur
Perangkat ukur yang digunakan dalam pengukuran antenna ini adalah:
1. Network Analyzer (Anritsu), range 300 KHz - 3 GHz.
Alat ukur ini digunakan dalam pengukuran VSWR, bandwidth, dan impedansi antena. Network analyzer akan menampilkan grafik hasil ukur berupa VSWR fungsi frekuensi, dan impedansi dalam bentuk
smith chart.
2. Spectrum Analyzer (GWInstek GSP-830), range 9 KHz - 3 GHz.
Alat ukur ini digunakan dalam pengukuran gain, dan polarisasi dari antena yang diukur. Spectrum Analyzer digunakan untuk mengukur level daya terima.
3. Signal Generator (HAMEG 3GHz)
Alat ukur ini berfungsi membangkitkan frekuensi dan level daya.
4.3 Pengukuran Karakteristik Antena
4.3.1 Pengukuran VSWR, Bandwidth, dan Impedansi input
Pengukuran VSWR dilakukan untuk mengetahui nilai gelombang berdiri yang disebabkan oleh sinyal pantul yang terjadi. Semakin besar nilai VSWR, maka semakin besar pula gelombang yang dipantulkan kembali ke transmitter. Nilai VSWR harus sesuai dengan ambang batas dari perangkat yang digunakan. Pada Tugas Akhir ini nilai VSWR yang diharapakan tidak lebih dari ≤ 2,0.
Pengukuran bandwidth dilakukan untuk mengetahui daerah frekuensi yang dimiliki antena tersebut dengan batas VSWR tertentu (dalam hal ini VSWR 2,0). Jika bandwidth antena besar, maka akan banyak aplikasi yang dapat dilakukan dengan menggunakan antena tersebut. Sedangkan pengukuran impedansi bertujuan untuk mengetahui apakah antena yang dipakai sesuai dengan impedansi saluran transmisi yang digunakan. Untuk mengukur VSWR, bandwidth dan impedansi antena, alat yang digunakan adalah Network Analyzer, merek Anritsu (300 KHz - 3
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 30 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
GHz) yang mempunyai kemampuan mengukur karakteristik antena dari frekuensi 300 KHz sampai dengan 3 GHz.
4.3.1.1 Prosedur Pengukuran VSWR, Bandwidth dan Impedansi Prosedur pengukurannya adalah sebagai berikut :
1. Kalibrasi Network Analyzernya beserta kabel koaxial yang dipergunakan dengan calibration kit yang tersedia sehingga nilai
return loss mendekati nol untuk semua frekuensi. Langkah kalibrasi
ini sangat penting untuk mendapatkan nilai validitas pengukuran sebaik mungkin.
2. Hubungkan antena AUT (antena under test) ke port 1 Network
Analyzer. Posisi AUT adalah arah radiasi yang menjauhi Network
Analyzer.
3. Tampilkan masing-masing parameter yang ingin diketahui melalui tombol format, kemudian catat serta rekam grafik hasil pengukuran tersebut.
4. Untuk VSWR didapatkan fungsi grafik SWR terhadap frekuensi, sedangkan impedansi input didapatkan fungsi grafik smith chart yang menggambarkan fungsi impedansi terhadap frekuensi.
Gambar 4.1 Konfigurasi Pengukuran VSWR, Bandwidth, dan Impedansi
Gambar diatas memperlihatkan konfigurasi pengukuran VSWR,
bandwidth dan impedansi. Antena yang diukur terhubung melalui kabel
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 31 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
4.3.1.2 Hasil Pengukuran VSWR, Bandwidth 1. VSWR dan bandwidth
a. Antenna 1
Gbr. 4.2 Penampang Antenna dengan posisi Switch 0000
Gbr. 4.3 Grafik Hasil Pengukuran VSWR untuk Switch 0000
Dari hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR = 3.56, nilai frekuensi kerja(f) adalah 2.4 GHz.
Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR < 2 tidak tercapai, dengan kata lain, antena ini tidak menghasilkan VSWR sesuai dengan spesifikasi. Nilai VSWR yang terbaik berada pada frekuensi 3.66 GHz yaitu 1,2 .
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 32 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
b. Antenna 2
Gbr. 4.4 Penampang Antenna dengan posisi Switch 1000
Gbr. 4.5 Grafik Hasil Pengukuran VSWR untuk Switch 0000
Dari hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR = 4.38, nilai frekuensi kerja(f) adalah 2.4 GHz.
Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR < 2 tidak tercapai, dengan kata lain, antena ini tidak menghasilkan VSWR sesuai dengan spesifikasi.
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 33 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
c. Antenna 3
Gbr. 4.6 Grafik Hasil Pengukuran VSWR untuk Switch 1101
Gbr. 4.7 Grafik Hasil Pengukuran VSWR untuk Switch 1101
Dari hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR = 3.30, nilai frekuensi kerja(f) adalah 2.4 GHz.
Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR < 2 tidak tercapai, dengan kata lain, antena ini tidak menghasilkan VSWR sesuai dengan spesifikasi.
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 34 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
d. Antenna 4
Gbr. 4.8 Grafik Hasil Pengukuran VSWR untuk Switch 1110
Gbr. 4.9 Grafik Hasil Pengukuran VSWR untuk Switch 1110
Dari hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR = 5.00, nilai frekuensi kerja(f) adalah 2.4 GHz.
Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR < 2 tidak tercapai, dengan kata lain, antena ini tidak menghasilkan VSWR sesuai dengan spesifikasi.
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 35 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
4.3.1.3 Analisis Hasil Pengukuran VSWR dan Bandwidth
Pada pengukuran VSWR, bandwidth dan impedansi dihubungkan dengan port Network Analyzer dengan impedansi 50 Ω. Dari pengukuran ini diharapkan transfer daya maksimum dengan impedansi antena yang bersifat resistif murni sebesar 50 Ω. Dari hasil pengukuran VSWR ≤ 2 diketahui hasil yang diperoleh tidak sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukani. Hal ini disebabkan oleh beberapa hal,yaitu:
1. Antena mikrostrip memiliki karakteristik bandwidth yang sempit. 2. Pemilihan substrat FR4 dengan tebal 1.6 mm memiliki bandwidth
yang lebih kecil dibandingkan FR4 dengan tebal 3.2 mm.
Perbandingan hasil pengukuran antara antena prototipe dengan simulasi adalah: Tabel 4.1VSWR Simulasi. Kombinasi Simulasi Rentang Frekuensi (MHz) Bandwidth (MHz) 0000 Tidak dapat ditentukan 1000 BW = fu – fl = 2410 MHz – 2350MHz = 60MHz 1101 BW = fu – fl = 2400 MHz – 2390MHz = 10MHz
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 36 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
1110 Tidak dapat
ditemtukan
Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa terjadi penyimpangan
bandwidth antara pengukuran dan simulasi, hal ini dipengaruhi karena ada
penyimpangan yang terjadi pada ukuran prototipe antena saat diproduksi.
4.3.2 Pengukuran Pola Radiasi
Pola radiasi dari suatu antena merupakan gambaran dari intensitas pancaran antena sebagai fungsi dari parameter koordinat bola (θ,φ). Komponen-komponen yang terdapat dalam gambaran pola radiasi adalah
mainlobe, sidelobe, dan backlobe. Dari mainlobe bisa dilihat parameter
Half Power Beamwidth (HPBW) dan First Null Beamwidth (FNBW).
Pola radiasi antena diukur pada daerah medan jauh antena, karena pada daerah tersebut gelombang elektromagnetik yang terpancar tidak bergantung jarak dari antena. Nilai medan jauh dapat dihitung melalui
persamaan
2
2L
R dengan L adalah dimensi terbesar dari antena dan adalah panjang gelombang. L dari antena mikrostrip ini adalah diagonal dari groundplane yang panjangnya= 18.87cm, sedangkan
= m cm x x f c 5 . 12 125 . 0 10 4 . 2 10 3 9 8
Medan jauh dari AUT yaitu L 56.97cm 0.5697m
5 . 12 ) 87 . 18 ( 2 2 2 2 .
Medan jauh antena Referensi yaitu L 100cm 1.0m
5 . 12 ) 25 ( 2 2 2 2
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 37 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
4.3.2.1 Prosedur Pengukuran Pola Radiasi
Gambar 4.10 Konfigurasi Pengukuran Pola Radiasi
Pengukuran pola radiasi antena pada tugas akhir ini dilakukan di dalam ruang tertutup. Konsekuensi logis dari pengukuran di dalam ruangan adalah adanya gelombang elektromagnetik, pantulan sinyal seluler, wireless LAN Mercubuana. Hal ini akan turut mempengaruhi akurasi hasil pengukuran.
Rekayasa yang dilakukan antara lain :
1. Menaikkan daya pancar yang keluar dari generator, hal ini bertujuan agar terjadi dominasi level daya pada frekuensi ukur. Power output yang dipakai sebesar -13 dBm.
2. Menggunakan antena unidireksional pada sisi pemancar, penggunaan antena unidireksional bertujuan agar gelombang elektromagnetik yang terpancar akan terkonsentrasi pada boresight yang berhimpit dengan sumbu pengukuran.
3. Mencari ruangan yang memiliki pantulan kecil, seperti bahan bangunan berupa kayu, karena kayu sangat berkompeten mengurangi pantulan.
4. Pengukuran dilakukan pada waktu malam hari, pengukuran pada malam hari akan memberikan hasil yang lebih baik, karena variasi medan yang diterir signalma lebih kecil, hal ini ditunjukkan level daya terima yang tidak berubah-ubah secara drastis.
Sinyal Utama
Sinyal yang tidak diinginkan Sinyal dari sistem lain
Sinyal Pantul AUT Pengirim Spectrum Analyzer Function Generator L R 2 2 > m 1.8 Rotator
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 38 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
Langkah-langkah pengukuran:
1. Antena pemancar dihubungkan ke generator signal dan Antenna
Under Test (AUT) dihubungkan ke spectrum analyzer
2. Pengukuran dilakukan dengan AUT berada pada jarak 1.6m dari antena pemancar, yaitu memenuhi jarak minimum medan jauh (R ≥ 1.59 m)
3. AUT diputar-putar secara azimuth atau elevasi per 100
Catat level terima yang terbaca pada spectrum analyzer. Semakin kecil resolusi sudut pemutaran, maka akan semakin terlihat pola radiasinya. Hasil pengukuran dicatat sebanyak dua kali dalam rentang waktu yang sama, tujuan dari ini adalah untuk mencari nilai rata- rata akibat dari fluktuasi level daya yang terus berubah-ubah akibat
multipath. Hasil rata-rata yang didapatkan akan dinormalisasikan
terhadap daya yang terbesar. Normalisasi ini akan menghasilkan gain
normalisasi yang kemudian hasilnya akan digambarkan sebagai pola radiasi normal dalam skala logaritmis, ini dapat dilihat dalam skala nilai terbesar adalah 0 dB. Untuk melihat pola radiasi tersebut digunakan software Microsoft Excel.
4.3.2.2 Hasil Pengukuran Pola Radiasi Antena
Setelah diperoleh level daya terima antena yang dicatat dan kemudian diolah dengan menggunakan software Excel, maka diperolehlah plot pola pancar dengan bentuk 2D sebagai berikut :
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 39 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
Tabel 4.2 Perbandingan Pola Radiasi Antara Hasil Pengukuran Dengan Dimulasi
State Hasil Pengukuran Hasil Simulasi
0000 Azimuth
Elevasi
1000 Azimuth
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 40 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
1101 Azimuth
Elevasi
1110 Azimuth
Elevasi
4.3.2.3 Analisa Perbandingan Hasil Pengukuran Pola Radiasi dan Simulasi. Dari hasil pengukuran dan simulasi antena patch fractal persegi diperoleh pola radiasi tampak pada tabel 4.3. Hasil simulasi dan pengukuran terdapat penyimpangan pada besarnya mainlobe dan side lobenya. Tetapi secara
Bab IV Pengukuran dan Analisis
Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada 41 Frekuensi 2.3GHz – 2.5GHz
keseluruhan hasil pengukuran dari empat kombinasi hampir mendekati hasil simulasi.
Penyimpangan ini disebabkan karena disekitar area pengukuran terdapat beberapa objek pemantul seperti bangunan gedung, sehingga selain sinyal langsung, receiver juga menerima sinyal tak langsung akibat multipath. Perubahan suhu udara juga turut mempengaruhi perilaku gelombang yang terpancar, akibatnya pada sisi penerima terjadi variasi medan yang cukup besar. Sedangkan pada simulasi, vektor medan yang datang hanya dari gelombang yang dinginkan saja dan diasumsikan pembentukan pola pancarnya berada di suatu ruangan ideal tanpa adanya pantulan.