Jurnal Antena Mikrosrip 2.1 GHz

(1)

Makalah Seminar Kerja Praktek

PERANCANGAN DAN REALISASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH PERSEGI PADA FREKUENSI 2.1 GHZ UNTUK 3G DI PT.LEN INDUSTRI.

Devin Fortranansi Firdaus – 091344005

Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Telekomunikasi, Politeknik Negeri Bandung JL. Gegerkalong Hilir Ds.Ciwaruga Kotak Pos 1234 40012 Bandung, Indonesia

e-mail : devina.devont@gmail.com ABSTRAK

Kebutuhan layanan akses internet untuk mendapatkan informasi yang dibutuhkan dalam waktu singkat membuat munculnya teknologi 3G (Third Generation Technology). Untuk penggunaan teknologi tersebut diperlukan perangkat antena yang dapat melayani frekuensi 3G. Antena Mikrostrip yang low profile menjadikan banyaknya perusahaan melakukan penelitian dan pengembangan untuk mendapatkan antena yang lebih efektif dan efisien. Pada laporan Kerja Praktek kali ini telah dirancangan dan di realisasikan antena mikrostrip pada frekuensi resonansi 2.1 GHz yang menggunakan teknik pencatuan insetfed. Bahan yang digunakan adalah FR4-epoxy dengan impedansi imput 50 Ω. Hasil Pengukuran menunjukan bahwa antena ini memunyai nilai VSWR 1.34 dan return loss sebesar 16.77 dB pada frekuensi 2.1 GHz. Bandwidth yang dihasilkan adalah pada VSWR ≤2.

Kata kunci : insetfed, FR4-epoxy, bandwidth. I. PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Perkembangan teknologi dan informasi yang kian pesatnya, mendorong bermunculannya teknologi dan solusi baru. Pada awal tahun 2006, muncul teknologi baru yang disebut 3G. 3G adalah singkatan dari Third Generation Technology. Selain jenis layanan yang bertambah, 3G juga meningkatkan kemampuan layanan akses internet sehingga memudahkan para pengguna untuk mendapatkan informasi yang mereka butuhkan dalam waktu yang singkat.

Untuk mendukung penggunaan teknologi tersebut, diperlukan perangkat antena yang dapat melayani frekuensi 3G. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya di dalam sistem telekomunikasi sehingga mendapatkan banyak perhatian karena efisiensi dan kehandalannya. Antena mikrostrip dapat menjadi pilihan utama dalam berbagai macam aplikasi karena kelebihannya yang low profile, compact dan bisa beroperasi pada single, dual maupun multi band.

Penggunaan antena mikrostrip yang terus berkembang, menjadikan banyak perusahaan melakukan penelitian dan pengembangan

untuk mendapatkan antena mikrostrip yang lebih efektif dan efisien. Sehingga pada laporan kerja praktek ini penulis akan membahas mengenai Perancangan Dan Realisasi Antena Mikrostrip Patch Persegi Pada Frekuensi 2.1 Ghz Untuk Aplikasi 3G Di PT.Len (Persero)

1.2 TUJUAN

Adapun tujuan dan kegunaan dari pembuatan laporan Kerja Praktek ini adalah : A. Tujuan Umum

1. Memperoleh pengalaman dari dunia kerja. 2. Merasakan persaingan di dunia industri

yang sebenarnya.

3. Belajar bekerja sama secara berkelompok (team work), bersosialisai dan beradaptasi dengan lingkungan kerja.

B. Tujuan Khusus

1. Merancang dan mensimulasi antena mikrostrip dengan menggunakan software simulator CST Studio Suite 2011 pada titik frekuensi 2.1 GHz.

2. Mengetahui perbedaan hasil simulasi dan hasil pabrikasi.

1.3 BATASAN MASALAH

Batasan masalah dalam pengerjaan laporan kerja praktek ini :

(2)

inc ref

V





1. Perancangan dimensi antena menggunakan

bantuan software simulator CST 2011. 2. Substrat yang digunakan adalah FR-4

epoxy.

3. Spesifikasi perancangan dengan batasan sebagai berikut:

- Frekuensi Tengah : 2.1 GHz

- VSWR : 2 : 1

- Z terminasi : 50 Ω

- Bandwidth : ≥ 50 MHz

- Pola Radiasi : Directional

4. Pengukuran menggunakan konektor SMA to N pada antena mikrostrip.

II. DASAR TEORI 2.1 DEFINISI ANTENA

Beberapa definisi antena adalah sebagai berikut :

A. Menurut Kamus Webster

A Usually metallic device (such as rod or wire) for radiating or receiving radio waves.

B. Menurut IEEE

A means for radiating or receiving radio waves.

2.2 FUNGSI ANTENA

Antena memiliki 2 fungsi utama yaitu [1] : 1. Directional Device

Antena berfungsi untuk mengarahkan energi atau daya elektromagnetik ke arah tertentu.

2. Matching Device

Antena berfungsi untuk menyesuaikan sifat-sifat atau karakteristik gelombang elektromagnetik di ruang bebas dengan gelombang elektromagnetik di saluran transmisi.

2.3. PARAMETER ANTENA 1. Pola Radiasi

Pola radiasi sebuah antena didefinisikan sebagai gambaran grafis dari sifat-sifat pancaran antena sebagai fungsi dari koordinat ruang. Pola radiasi antena dibedakan menjadi 3 yaitu, pola radiasi isotropis, pola radiasi direksional, dan pola radiasi omnidireksional. 2. Return Loss Dan VSWR

Return loss merupakan besaran daya pantul (faktor refleksi) yang disebabkan oleh tidak match-nya beban dengan transmission line dalam dB. Faktor refleksi secara matematis

dimana:

 _{= faktor refleksi.}

ref

V = tegangan yang dipantulkan inc

V = tegangan yang datang dari sumber Hubungan antara return loss dengan faktor refleksi dapat dituliskan sebagai berikut :

 

20log

RL

₀







₁

_(2-2)

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) didefinisikan sebagai perbandingan (ratio) antara tegangan maksimum (Vmaks) dan tegangan minimum (Vmin) yang terjadi pada saluran yang tidak sesuai (match). Secara matematis hubungan antara VSWR dan faktor refleksi dapat dituliskan sebagai berikut:

min V V VSWR maks VSWR= _ _   1 1 3. Directivity

Menurut definisi pengarahan (directivity) adalah perbandingan rapat daya radiasi maksimum yang dimiliki antena S

 

,_{m ax} dan rapat daya radiasi rata- rata yang dimiliki oleh antena tersebut S

 

, _av.

4. Gain

Gain (penguatan) suatu antena merupakan perbandingan antara intensitas radiasi maksimum suatu antena terhadap intensitas radiasi maksimum suatu antena referensi dengan daya yang masuk pada kedua antena adalah sama. Gain suatu antena memiliki keterkaitan dengan directivity yang dinyatakan pada persamaan berikut:

G = e.D

dimana : G = penguatan (Gain) e = Efisiensi

D = pengarahan (directivity)

5. Polarisasi Antena

Salah satu sifat penting dari gelombang elektromagnetik adalah polarisasi yang menggambarkan orientasi dari medan listrik E pada bidang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Sedangkan polarisasi antena berarti arah gerak medan listrik dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena pada lobe utamanya.

(3)

L o L eff    2 2                                           _  1 12 1 2 1 2 1 1 1 04 , 0 12 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 d W W d d W d W W d r r r r e      2 1 2 1 2        o r W  









                  813 . 0 258 . 0 264 . 0 3 . 0 412 . 0 h w h w h L eff eff   d W r 6. Bandwidth

Bandwidth merupakan daerah frekuensi pada antena yang menunjukkan lebar atau sempitnya frekuensi kerja suatu antena.

VSWR

Frequency 1.5

Gambar 3. 1 Ilustarsi bandwidth pada VSWR ≤ 2 untuk dual operation [3]

2.4 ANTENA MIKROSTRIP

Pada umumnya antena mikrostrip berbentuk rectangular, circular, equirectangular, dan anular, tetapi yang banyak digunakan adalah rectangular dan circular karena lebih mudah dianalisis.

1. Karakteristik Dasar Antenna Mikrostrip Persegi Panjang

Antena mikrostrip seperti yang ditunjukan pada gambar 3.3 terdiri dari tebal patch yang sangat tipis, substrate dan groundplane.

Tampak Atas Tampak Samping Gambar 3. 3 Struktur antena mikrostrip [6] 2. Dimensi Antenna Mikrostrip

Lebar (W) dan panjang (L) antenna mikrostrip dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

3. Teknik Pencatuan Antena 3.1 Teknik Pencatuan Probe Koaxial

Pada teknik ini, pencatuan dilakukan dengan cara melubangi patch untuk dihubungkan dengan elemen pencatu (konektor). Penentuan letak titik catu yang tepat menyebabkan antena ini tidak membutuhkan rangkaian penyepadan dalam pengaplikasiannya.

Gambar 3.4 Teknik pencatuan probe koaxial 3.2 Teknik Pencatuan Mikrostrip Line

Pada teknik ini, pencatuan dilakukan dengan cara menghubungkan saluran pencatu dengan patch, dimana patch dan saluran pencatu menggunakan bahan yang sama yang dipabrikasi dengan cara di-etching-kan.

Gambar 3.5 Teknik pencatuan mikrostrip line Kelebihan dari teknik pencatuan mikrostrip line adalah pabrikasi yang mudah yaitu dengan cara menghubungkan mikrostrip ke tepi patch secara langsung, tetapi matching impedansi tidak sesuai atau tidak terjadi matching impedansi seperti yang diharapkan dan akan muncul radiasi yang tidak diinginkan dari line pencatuan. Oleh karena itu untuk mematchingnya digunakan insetfed atau transformator λ/4.

4. Saluran Mikrostrip

Saluran mikrostrip secara keseluruhan, dapat kita pandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tetapi lebih kecil dari εr .Konstanta dielektrik

ini disebut konstanta dielektrik efektif (effective dielectric constant) [4].

Gambar 3. 6 Pola medan listrik pada saluran mikrostrip

(4)

43.87 mm

34.28 mm Untuk keperluan perancangan, bila diketahui

impedansi karakteristik Z0 dan konstanta

dielektrik



_r, lebar strip dapat dicari dengan persamaan [4] : 2 8 2 2 1 2 0,61 1 ln(2 1) ln( 1) 0.39 2 2 A A r r r e W d e W d B B  B W d     _  _    _ _{ } _{ }   _{ } _  _     _ _ __  dengan 0 1 1 _0.23 0,11 60 2 1 r r r r Z A           _  _    r Z B   0 2 377 

Bila pengaruh ketebalan konduktor diperhitungkan, maka lebar strip seolah-olah akan bertambah lebar, karena adanya medan limpahan (fringing field) yang tidak dapat diabaikan. Dengan demikian besaran W/d diganti dengan lebar efektif, We/d yaitu [5] :

1.25 2 1 1 ln 2 1.25 4 1 1 ln 2 e W t d W d d d t W d W t W W d d d t       _  _  _           _ _ _ _ _  _ _ 

Untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi dibutuhkan juga sebuah transformator λ/4 . Transformator λ/4 merupakan sebuah saluran mikrostrip yang panjangnya dan besarnya [5] :

Gambar 3.7 Transformator λ/4 III. PERANCANGAN, REALISASI DAN

PENGUKURAN

3.1. PERANCANGAN ANTENA 1. Pendahuluan

Perancangan antena mikrostrip dilakukan dalam beberapa tahapan, tahapan-tahapan ini dimaksudkan agar perancangan dapat dilaksanakan secara sistematis dan kontinyu. 2. Spesifikasi Antena

Spesifikasi dari antena mikrostrip yang akan direncanakan adalah sebagai berikut :

Frekuensi Resonansi : 2.1 GHz

VSWR : 2 : 1

Pola Radiasi : Directional

Impedansi : 50 Ω

Konektor : SMA

3. Karakteristik Bahan

Antena Mikrostrip yang dirancang menggunakan material tembaga untuk patch dan ground plane. Sedangkan untuk substrat menggunakan FR-4 epoxy. Karakteristik material yang akan digunakan untuk antena mikrostrip adalah sebagai berikut :

Patch (tembaga)  Permitivitas relative (εr) : 1  Permeabilitas relative (μr) : 0.99991  Ketebalan : 0.035 mm Dielektrik (FR-4)  Permitivitas relative (εr) : 4.3  Permeabilitas (μr) : 1  Ketebalan : 1.6 mm

4. Konstruksi dan Teknik Pencatuan Antena Konstruksi antena yang dipilih pada perancangan antena kali ini adalah antena mikrostrip persegi yang dicatu menggunakan teknik Insetfed dengan harapan impedansi input mendekati 50 Ω dan mendapatkan hasil Return Loss dan VWSR yang lebih bagus. 5. Perancangan Awal Dimensi Antena Pada perancangan awal, yang pertama kita lakukan adalah merancang ukuran dari dimensi patch dan pencatuan insetfeed line. 5.1 Dimensi Patch

Ukuran patch yang digunakan pada awal perancangan antena mikrostrip adalah :

 Patch untuk frekuensi 2.1 GHz.

1. Lebar Patch ( ) (ε )( ) (ε )( ) _√_ε

(5)

53.87 mm 54.08 mm 43.87 mm 33.11 mm 10.97 mm 5 mm 10 mm 19.377 mm 1 mm 3.1145 mm

2. Konstanta Dielektrik effektif (εe)

( ) ⁄ 5.2 Dimensi Groundplane

Dimensi minimum ground plane yang dibutuhkan menggunakan persamaan berikut : Lg = 6h + L [8]. Groundplane yang dipakai adalah groundplane berbentuk persegi panjang yang mempunyai ukuran 54.08 mm x 53.87 mm. Dimana ukuran ini lebih besar dari panjang minimum groundplane (Lg) yaitu sebesar 43.68 mm.

5.3 Dimensi Substrate

Dimensi substrat pada laporan kerja praktek kali ini memiliki dimensi yang sama dengan dimensi groundplane sebesar 54.08 mm x 53.87 mm.

5.4 Dimensi Pencatuan Insetfed

Insertfed merupakan salah satu metoda untuk mendapatkan letak pencatuan dimana pada posisi tersebut impedansi input pada antena sebesar 50 Ω untuk satu elemen. Perancangan insetfed menggunakan persamaan :

 Menentukan harga A : (√ ) ( )

 Menentukan Lebar Pencatu (W) 50 Ω :

6. Simulasi dengan CST Studio Suite 2011 Pada perancangan antena mikrostrip, penulis menggunakan bantuan software CST Studio Suite 2011 yang berfungsi sebagai simulator. 6.1 Hasil Simulasi

1. Dimensi Antena Hasil Simulasi

(A) (B)

Gambar 4.4 (A) Tampilan CST Studio Suite 2011 beserta pemodelan Antena Mikrostrip (B) Dimensi Patch dan Ground Plane Antena Mikrosrip tampak depan

Tabel 1. Dimensi Antena Hasil Simulasi Komponen Panjang

Patch 43.87 mm x 33.11 mm Groundplane 53.87 mm x 54.08 mm Tinggi Substrate 1.6 mm 2. Return Loss

Pengukuran Return Loss dilakukan untuk mengetahui dimankah frekuensi dari antena mikrostrip ini bekerja. Hasil pengukuran return loss dari simulasi pada CST Studio Suite 2011 adalah sebagai berikut :

Gambar 4.5 Respon Return Loss pada frekuensi 2,1 GHz

3. Bandwidth

Dari gambar diatas. Didapatkan bandwidth sebesar : FL = 2.0718 GHz Fc = 2.100 GHz FH = 2.1294 GHz BW = FH - FL = 57.6 MHz (VSWR≤2) 4. VSWR

Gambar 4.6 Hasil Plot VSWR menggunakan Software CST Studio Suite 2011 Tabel 2. Hasil Simulasi Return Loss dan

VSWR Frekuensi (MHz) Return Loss (dB) VSRW 2071 10.007 1.93 2100 20.719 1.20 2129 10.008 1.92

(6)

5. Pola Radiasi

Gambar 4.7 Plot Pola radiasi 3 Dimensi menggunakan Simulator CST Studio Suite a. PENGUKURAN ANTENA

Pengukuran yang dilakukan pada antena mikrostrip ini meliputi pengukuran Return Loss, VSWR, Bandwidth dan Gain.

1. Return Loss, VSWR dan Bandwidth a. Frekuensi terendah (FL)

Gambar 4.8 Hasil Pengukuran Return Loss dan VSWR pada Frekuensi Terendah (FL)

b. Frekuensi tertinggi (FH).

Gambar 4.9 Hasil Pengukuran Return Loss dan VSWR pada Frekuensi Tertinggi (FH)

c. Frekuensi 2.1 GHz (FC)

Gambar 4.10 Hasil Pengukuran Return

Tabel 3. Pengukuran Return Loss dan VSWR Frekuensi (MHz) Return Loss (dB) VSRW 2078 10.04 1.92 2100 16.77 1.34 2158 10.12 1.91

Melihat tabel diatas, bisa didapatkan besar bandwidth dari antena. Dengan mengetahui : FH = 2158 MHz

FL = 2078 MHz

Sehingga

BW = FH - FL = (2158 – 2078) MHz = 80 MHz

 Analisis Hasil Pengukuran

Dari hasil pengukuran terlihat bahwa frekuensi kerja antena dimulai dari 2078 MHz sampai 2158 MHz, sedangkan pada spesifikasi antena hasil simulasi bekerja pada frekuensi 2071 MHz sampai 2129 MHz atau frekuensi kerja bergeser sebesar 7 MHz.

2. Pengukuran Gain

Pengukuran gain bertujuan untuk mengetahui besarnya penguatan antena mikrostrip yang direalisasikan dibandingkan dengan antena pembanding. Penentuan jarak antara antena pemancar dengan antena pembanding berdasarkan syarat medan jauh

 Hasil Pengukuran

a. Pengukuran Antena Horn 10 dBi

Gambar 4.11 Antena Horn GD = 10 dB dan PD = -69.5 dBm

b. Pengukuran antena mikrostrip 2.1 GHz

(7)

 Analisa Hasil Pengukuran

Berdasarkan hasil pengukuran kuat medan maksimum antena referensi (PAREF) dan

penerima (PAP) maka gain dari antena

mikrostrip dapat dihitung sebagai berikut : G Y (dB) = PY (dBm) – PD (dBm) + GD (dB)

Gain = 2.9 dB

Hasil gain yang diperoleh jauh lebih kecil dari spesifikasi yang dirancang, yaitu 3.57 dB.

3.3 Perbandingan Spesifikasi Hasil Perancangan Dan Realisasi

IV.PENUTUP 4.1 KESIMPULAN

Dari kegiatan kerja praktek serta pembuatan laporan ini penulis telah mendapat beberapa kesimpulan antara lain :

1. Telah direalisasikan antena mikrostrip patch metoda insetfed frekuensi 2.1 GHz untuk aplikasi 3G dengan substrate FR-4 epoxy 4,3 dengan nilai return loss perancangan didapatkan 20.719 dB sedangkan pengukuran didapatkan 16.77 dB.

2. Mengetahui perbedaan hasil simulasi dan pabrikasi yang ditunjukan oleh tabel 4.4. Untuk VSWR ≤ 2, bandwidth spesifikasi yang diinginkan yaitu ≥ 50 MHz sedangkan pada pengukuran adalah 80 MHz dari fekuensi 2070 MHz sampai 2158 MHz. 3. Hasil pengukuran unjuk kerja antena

memiliki hasil yang berbeda dengan hasil perancangan simulasi. Hal ini dikarenakan, saat pengukuran dilakukan dalam suatu ruangan yang tidak bebas pantul, sehingga hasil pengukuran berbeda dengan hasil simulasi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Muchlisah, Maryam. Realisasi Antena Mikrostrip Persegi Corner-Truncated Untuk Aplikasi Global Positioning System, Bandung. 2009.

[2] Balanis, Constatine A. Antenna Theory : Analisis and Design, 2nded. Jhon Wiley & Sons, Ltd. 1997

[3] G. Kumar and K.P. Ray. Broadband Microstrip Antennas, London: Artech House. 2003.

[4] Pratama, Oki A. Realisasi Antena Mikrostrip Lingkaran dengan metoda Stacked Parasitic Menggunakan Substrat Acrylic Untuk Repeater GSM. POLBAN. Bandung. 2009

[5] Lestari, Mega Suci. Realisasi Antena Patch Polarisasi Sirkular dangan Teknik Pesturbasi Sudut Segi Empat pada Frekuensi 2.4 GHz. Bandung 2009 [6] C. A. Balanis. Antenna Theory-Analysis

and Design, 3rd ed. New York: Wiley, 2005.

[7] A. B. Simanjuntak, Diktat Kuliah Teknik Antena, Politeknik Negeri Bandung. 2008.

[8] M.R.Jagdish and P.K.Yogesh, “Design and Development of Microstrip Patch Array Antena”. Bandung 2012

I.J.Bahl, P.Bhartia. “Mikrostrip Antenna”, Artech House, pp(44-55) 1980

RIWAYAT PENULIS

Penulis dilahirkan di Surabaya 1 April 1991, merupakan anak kedua dari 3 bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu di SD ASY-SYIFA 2 Bandung, SMPN 22 Bandung, SMA (+) Muthahhari Bandung, kemudian melanjutkan studi di Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Telekomunikasi DIV. Penulis pernah mengikuti Kerja Praktek di PT. Len (PERSERO) pada Divisi Pusat Teknologi dan Inovasi (PUSTEKIN).

Perancangan Realisasi Frekuensi 2.1 GHz Return Loss 20.719 dB 16.77 dB VSWR 1.20 1.34 Frekuensi Terendah 2071 MHz 2070 Mhz Frekuensi Tertinggi 2129 MHz 2158 MHz Bandwidth 57.6 MHz 80 MHz Gain 3.57 dB 1.1 dB