-103- copyright @ DTE FT USU STACKED DUAL-BAND PADA FREKUENSI WiMAX (3,3 GHZ DAN 5,8 GHZ)
Franky, Ali Hanafiah Rambe
Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA email: franky_juns@students.usu.ac.id or franky_juns@yahoo.com
Abstrak
Antena mikrostrip saat ini dikembangkan untuk mampu bekerja pada dua buah frekuensi tanpa memerlukan antena yang berbeda secara fisik atau yang disebut antena mikrostrip dual-band. Kemampuan ini dapat menunjang kinerja teknologi wireless yang bekerja pada beberapa frekuensi. Pada tulisan ini dirancang antena mikrostrip multi-patch stacked dual-frequency yang dapat bekerja pada frekuensi WiMAX yaitu 3,3 GHz dan 5,8 GHz, dimana terdapat dua buah patch segiempat dengan frekuensi yang berbeda yang masing – masing patch disusun secara menumpuk dengan pencatuan aperture coupled.
Simulasi dan optimasi hasil perancangan dilakukan dengan menggunakan AWR Microwave 2004. Nilai VSWR yang diperoleh pada frekuensi 3,35 GHz adalah 1,893 dan pada frekuensi 5,85 GHz adalah 1,505
Kata kunci : antena mikrostrip, dual band, multi-patch stacked dual-band, WiMAX 1. Pendahuluan
Seiring perkembangan akan kebutuhannya sebagai salah satu bagian penting pada sistem telekomunikasi, antena sangat banyak dikembangkan salah satu diantaranya adalah antena mikrostrip.
Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Saat ini antena mikrostrip dikembangkan untuk dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda atau sering disebut dual-band. Salah satu teknik untuk menghasilkan dua frekuensi adalah multi-patch stacked dual-band yaitu antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masing – masing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda yang disusun secara menumpuk.
2. Antena Mikrostip
Berdasarkan asal katanya, microstrip terdiri dari dua kata, yaitu micro yang berarti sangat tipis atau sangat kecil dan strip yang berarti bilah atau potongan. Jadi antena microstrip adalah antena yang
berbentuk bilah atau potongan yang berukuran sangat kecil. Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 1 [1].
Gambar 1. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian utama, yaitu patch, substrate dan ground plane. Patch berfungsi sebagai peradiasi gelombang elektromagnetik yang terbuat dari lapisan logam dan memiliki ketebalan tertentu. Substrate merupakan bahan dielektrik yang berfunsi sebagai pembatas antara elemen peradiasi dan pentanahan.
Ground plane terletak di bagian paling
bawah antena yang berfungsi sebagai
pentanahan yang memantulkan sinyal tidak
diinginkan.
-104- copyright @ DTE FT USU 2.1 Parameter-parameter Antena
Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang digunakan, yaitu VSWR, frekuensi antena, bandwidth, gain antena, dan pola radiasi.
a. Dimensi Antena
Berdasarkan frekuensi kerja yang diinginkan maka dapat ditentukan dimensi antena mikrostrip yaitu lebar (W) dan panjang (L) yang akan dicari. Dimana lebar patch ditentukan dengan persamaan [2] :
W=
( )(1) Sedangkan panjang patch adalah :
= − 2∆ (2) b. VSWR (Voltage Standing Wave
Ratio)
Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Г adalah nol, maka:
Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat
Г = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka Secara sederhana rumus untuk menentukan VSWR[1].
=
min max V
V =
1
1 (3)
c. Frekuensi resonansi
Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resitif dimana, nilai reaktansi impedansi sama dengan nol.
d. Bandwidth
Bandwidth suatu antena di defenisikan sebagai rentang frekuensi yang berhubungan dengan beberapa karakteristik antena lain seperti, impedansi masukan, bandwidth, polarisasi dan gain. Bandwidth suatu antena ditentukan oleh parameter yang digunakan. Dimana, menentukan bandwidth adalah frekuensi atas kurang frekuensi bawah dibagi dengan frekuensi carier, dirumuskan sebagai berikut:
=
2 1x 100 % f
f f
c
(4)
e. Gain
Gain adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerima sinyal dari arah tertentu.
f. Pola radiasi
Pola radiasi adalah fungsi matematika dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang, biasanya terdiri dari [3]:
a. Lobe utama (mainlobe) b. Side lobe (cuping) c. Back lobe
g. Return loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi.
h. Impedansi masukan
Impedansi masukan dari suatu antena dapat dilihat sebagai impedansi dari antena tersebut pada terminalnya. Impedansi masukan adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena pada terminalnya.
2.2 Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band
Dari asal katanya, stacked berarti
tumpukan atau ditumpuk dan multi-patch
yang berarti lebih dari satu atau banyak
patch maka multi-patch stacked dapat
-105- copyright @ DTE FT USU diartikan lebih dari satu atau banyak patch
yang disusun secara menumpuk.
Teknik multi-patch stacked dual-band antennas adalah salah satu teknik antena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi dengan menyusun secara menumpuk lebih dari satu atau banyak patch yang memiliki frekuensi resonansi berbeda ditunjukkan pada Gambar 2 [4].
Gambar 2. Antena mikrostrip multi-patch stacked dual-band
2.3 Teknik Pencatuan Aperture Coupled Konfigurasi teknik pencatuan aperture coupled dilakukan dengan melakukan pengopelan dari saluran pencatu (feed-line) ke patch melalui sebeuah aperture kecil yang berupa slot pada ground plane.
Bentuk, ukuran dan lokasi penempatan slot aperture dapat mempengaruhi pengkopelan dari saluran pencatu ke patch, begitu juga dengan tinggi substrate yang digunakan dapat bervariasi dengan susunan yang berlapis – lapis (multilayer). Umumnya slot aperture tersebut ditempatkan di tengah bawah dari patch [5].
Untuk menentukan dimensi slot aperture dari teknik pencatuan ini dapat digunakan persamaan berikut [6]:
Panjang slot aperture ( ) :
= (0,1 − 0,2) (5)
Lebar slot aperture ( ) :
= (0,10) (6) 3. Perancangan Antena
Setelah ditentukan frekuensi kerja yang diharapkan maka dilakukan perhitungan untuk menentukan dimensi antena mikrostrip, yaitu dimensi patch-1 untuk frekuensi 3,3 GHz, patch-2 untuk frekuensi 5,8 GHz dan penentuan spesifikasi substrat.
Tahap selanjutnya adalah melakukan perhitungan untuk menentukan dimensi slot dan pencatu pada teknik pencatuan aperture coupled. Diagram alir perancangan antena mikrostrip ditunjukkan pada Gambar 3.
Mulai
Masukkan data perancangan antena
mikrostrip
Menghitung dimensi setiap patch
Menghitung dimensi slot dan pencatu pada pencatuan
aperture coupled
Simulasi dengan AWR 2004
Nilai VSWR ≤ 2 pada frekuensi kerja?
Rancangan antena dualband
Selesai
Iterasi lebar dan panjang patch, slot dan
pencatu
Tidak
Ya
Gambar 3. Diagram Alir Perancangan
Antena Mikrostip Dual-Band.
-106- copyright @ DTE FT USU
2 3 4 5 6 6.5
Frequency (GHz) VSWR
0 5 10
15 5.85 GHz
11.2
3.35 GHz 4.855
VSWR(1)
P1 27x21 P2 16x12 S 18x2 P 32x3
2 3 4 5 6 6.5
Frequency (GHz) VSWR
0 5 10 15 20
5.85 GHz 1.505 3.35 GHz
1.893
VSWR(1)
P1 27x21 P2 22x18 S 20x1 P 33x3
3.1 Perancangan Elemen Antena
Perancangan elemen antena mikrostrip dilakukan dengan menentukan dimensi masing-masing patch untuk frekuensi kerja 3,3 GHz dan 5,8 GHz dengan spesifikasi substrate yang telah ditentukan yaitu FR-4 epoxy. Diperoleh dimensi patch untuk frekuensi tengah 3,35 GHz yaitu lebar ( ) = 27 dan panjang ( ) = 21 . Sedangkan dimensi patch untuk frekuensi tengah 5,85 GHz yaitu lebar ( ) = 16 dan panjang ( ) = 12 .
3.2 Perancangan Pencatuan Aperture Coupled
Perancangan pencatuan aperture coupled dilakukan untuk menentukan dimensi slot dan pencatu. Penentuan dimensi dilakukan dengan menggunakan salah satu frekuensi kerja saja yaitu 3,3 GHz. Dimana diperoleh dimensi slot pada pencatuan aperture coupled dengan panjang ( ) = 18 dan lebar ( ) = 1,8 . Dan dimensi pencatu pada pencatuan aperture coupled dengan panjang pencatu 32 mm dan lebar pencatu 3 mm.
4. Analisis Hasil Simulasi
Berdasarkan perancangan dimensi antena mikrostrip multi-patch stacked dual- band yang telah dilakukan dimana patch-1 (P = 27 mm; L = 21 mm), patch-2 (P = 16 mm; L = 12 mm), slot (P = 18 mm; L = 2 mm) dan pencatu (P = 32 mm; L = 3 mm) maka langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi dengan menggunakan simulator AWR Microwave 2004. Dari hasil simulasi diperoleh nilai VSWR untuk frekuensi resonansi 3,35 GHz adalah 4,855 dan untuk frekuensi resonansi 5,85 GHz adalah 11,2 ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Nilai VSWR Awal Antena Mikrostrip Multi-Patch Stacked Dual-Band
Hasil simulasi yang diperoleh tidak optimal karena nilai VSWR > 2. Untuk mendapatkan hasil yang optimal (VSWR ≤ 2) maka dilakukan iterasi pada dimensi antena dimana iterasi dilakukan dengan mengubah masing-masing dimensi patch-1, patch-2, slot dan pencatu dan slot aperture secara sistematis. Kemudian dilakukan iterasi selanjutnya yaitu dengan megubah dimensi antena secara kombinasi dengan memperhatikan nilai VSWR yang mendekati 2.
Dari data hasil iterasi diperoleh nilai VSWR optimal adalah ketika ukuran dimensi patch-1 (P = 27 mm; L = 21 mm), patch-2 (P = 22 mm; L = 18 mm), slot (P = 20 mm; L = 1 mm) dan pencatu (P = 33 mm; L = 3 mm) dengan nilai VSWR untuk frekuensi 3,35 GHz adalah 1.893 dan frekuensi 5,85 GHz adalah 1,505 ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Nilai VSWR Optimal Antena
Mikrostrip Multi-Patch
Stacked Dual-Band
-107- copyright @ DTE FT USU Setelah dilakukan simulasi pada antena
mikrostrip multi-patch stacked dual-band maka diperoleh pola radiasi antena adalah unidirectional dan gain antena untuk frekuensi resonansi 3,35 GHz adalah 5,466 dB sedangkan pada frekuensi resonansi 5,85 GHz diperoleh pola radiasi antena adalah unidirectional dan gain antena untuk adalah 5,466 dB. Pola Radiasi dan Gain frekuensi 3,35 GHz dan 5,85 GHz ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.
Gambar 6. Pola Radiasi dan Gain 3,35 GHz
Gambar 7. Pola Radiasi dan Gain 5,85 GHz
Nilai bandwidth untuk frekuensi 3,35 GHz diperoleh :
= 3,424 − 3,345
= 0,079 = 79
Untuk frekuensi 3,35 GHz, nilai bandwidth diperoleh :
= 5,948 − 5,825
= 0,123 = 123
Gambar 8. Nilai Bandwidth Antena Mikrostrip
4.1 Analisis Hasil Simulasi
Perbandingan nilai parameter antena dari hasil simulasi dan perancangan ditunjukkan pada Tabel 3.
Tebel 3. Pencapaian Spesifikasi Antena
Dari Tabel 3 dapat diketahui bahwa antena mikrostrip multi-patch stacked dual- band mampu memenuhi pencapaian parameter antena untuk VSWR dan gain meskipun untuk bandwidth antena belum memenuhi alokasi bandwidth teknologi WiMAX yaitu 100 MHz untuk frekuensi 3,35 GHz dan 125 GHz untuk frekuensi 5,85 GHz. Pada saat simulasi VSWR yang didapatkan untuk frekuensi 3,35 GHz sebesar 1,893 dengan gain 5,466 dB.
Sedangkan VSWR dari hasil perhitungan
0
-10 -2 - 0
30 -4
0 -50
-60 -70
-80
-90
-100
-110
-120
-130 -140
-150 -160
-170 180 170
160 150
140 130
120 110
100 90 80 70 60 50 40 30 20
10
Pola Radiasi
Mag Max 10 dB
Mag Min -40 dB 10 dB
Per Div
Mag 5.466 dB Ang 0 dB
DB(|PPC_TPwr(0,1)|) PB 27x21 PK 22x18 S 20x1 P 33
0
-10 -2
0 -30 -40 -50 -60
-70 -80
-90
-100
-110
-120 -130
-140 -150
-160
-170 180 170
160 15
0 140
130 120
110 100
90 80 70 60 50 40 30 20
10
Pola Radiasi
Mag Max 10 dB
Mag Min -30 dB 10 dB
Per Div
Mag 8.065 dB Ang 0 dB DB(|PPC_TPwr(0,1)|)
PB 27x21 PK 22x18 S 20x1 P 33
No
Parameter Antena
Simulasi Teori
Frekuensi Frekuensi
3,35 GHz
5,85 GHz
3,35 GHz
5,85 GHz
1 VSWR 1,893 1,505 1,23 1,23
2 Gain (dB) 5,466 8,065 3,907 4,037
3 Bandwidth 79 123 100 125
2 3 4 5 6 6.5
Frequency (GHz) VSWR
0 5 10 15 20
5.948 GHz 2 3.424 GHz
2
5.825 GHz 2 3.345 GHz
2
5.85 GHz 1.505 3.35 GHz
1.893
VSWR(1)
P1 27x21 P2 22x18 S 20x1 P 33x3