Desain Antena Array Mikrostrip Tapered Peripheral Slits Pada Frekuensi 2,4 Ghz Untuk Satelit Nano

(1)

Desain Antena Array Mikrostrip Tapered Peripheral Slits Pada Frekuensi 2,4 Ghz Untuk Satelit Nano

Dosen Pembimbing :

1. Eko Setijadi, ST, MT, Ph.D.

2. Prof. Ir. Gamantyo Hendrantoro, M.Eng, Ph.D.

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Seminar Tugas Akhir Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia 25 JUNI 2012

Oleh

Widyanto Dwiputra Pradipta 2208 100 087

(2)

00000 : Nomor port

Partisipasi ITS dalam program IINUSAT-01

Pengembangan IINUSAT II dan ITS-SAT dengan komunikasi real time video

Antena mikrostrip sebagai antena

pemancar

Desain antena mikrostrip array

Gain antena

mikrostrip relatif kecil

Latar Belakang

1

(3)

Perumusan Masalah

 Bagaimana desain rancangan antena mikrostrip array dengan pola tapered peripheral slits dan pencatuan aperture coupled dapat memberikan hasil yang optimal.

 Apa saja pengaruh penyusunan antena mikrostrip secara array sehingga didapatkan karakteristik

antena yang lebih baik.

 Bagaimana gain dan pola radiasi yang diperoleh dari antena array mikrostrip ini.

 Bagaimana hasil desain antenna untuk satelit S-

band sehingga dapat di realisasikan pada IINUSAT II dan ITS-sat.

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

2

(4)

Tujuan dari penelitian ini adalah didapatkan hasil rancangan desain antena array mikrostrip tapered

peripheral slits yang dapat beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz untuk dapat direalisasikan

pada Satelit Nano.

Tujuan

3

(5)

1. Panjang sisi satelit nano 10x10 cm.

2. Software CST 2012 Microwave Studio.

3. VSWR, Return Loss, Gain dan Pola radiasi.

4. Laboratorium Antena dan Propagasi Teknik Elektro ITS dan PENS.

Batasan Masalah

4

(6)

5

Metode Penelitian

Penentuan Kriteria Antena

Simulasi Desain Antena

Realisasi Desain Antena

Evaluasi Desain Antena

Pencarian Literatur

Optimasi Desain Antena

Pengukuran Parameter Antena Start

Sesuai Kriteria?

End

1

Ya Tidak

(7)

www.themegallery.com

Antena Mikrostrip

• Patch rectangular :

1 2

2 

 ^c ^fr 

^r

W

L fr

L c

reff





 2

2 

Keterangan :

L = Panjang patch (mm) W= Lebar patch (mm)

C = Kecepatan cahaya di ruang bebas Fr =Frekuensi kerja (Hz)

εr = Permitivitas relatif substrat(FR4=4.4)

εreff = Konstanta dielektrik efektif h = Ketebalan substrat (1.6 mm) ΔL =panjang pertambahan

Lebar patch (W)

Panjang patch (L)

6

(2)

(Buku Balanis, Constantine.A., Antena Theory ).

(1)

(8)

Pencatuan Aperture Coupled

7

Pencatuan aperture coupled digunakan untuk menghasilkan gain antena yang lebih besar.

(Buku Thesis Civerolo, Michael Paul. Aperture Coupled Microstrip Antenna Design and Analysis).

Dimensi slot pada ground plane

Dimensi panjang

saluran pencatu

(9)

Pola Tapered Peripheral Slits

Untuk meminimalkan ukuran patch antena, maka digunakan teknik Tapered Peripheral Slits yang mampu mengurangi dimensi patch hingga 33%.

(Jurnal Kakoyiannis, C., A Compact Microstrip Antenna with Tapered Peripheral Slits for CubeSat RF

Playloads at 436 MHz : Miniaturization Techniques, Design & Numerical Result). 8

(10)

Cross Slot

Salah satu teknik untuk mendapatkan polarisasi sirkular pada antena mikrostrip dengan pencatuan aperture coupled adalah dengan memberikan slot berbentuk cross (+).

(Jurnal Chang, The-Nan and Lin, Jyung-Min, Serial Aperture-Coupled Dual Band Circularly Polarized Antenna).

9

(11)

Desain Antena Array Dengan T-Junction

T-junction merupakan sebuah teknik pembagian daya (power divider) yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Salah satu jenis T-junction 50 Ohm yang dapat digunakan sebagai pembagi daya

Z0 Z Z0

Z0

Untuk menentukan nilai Z, digunakan metoda wilkinson.

Z = Z₀ N

10

(12)

Penentuan Kriteria Antena

Parameter acuan antena perancangan :

Antena array 2x2

Frekuensi kerja 2.4 GHz Returnloss < - 10 dB VSWR < 2

Jarak antar Patch

½ λ atau 62,5 mm

Polarisasi Sirkular

(LHCP/RHCP) Pola radiasi Directional Gain > 3,7 dB

Karakteristik Nilai / satuan Koefisien Dielektrik 4.3

Ketebalan substrat 1.6 dan 1 mm Ketebalan tembaga 35 mikron

Spesifikasi Bahan dasar (substrat) FR-04 Epoxy :

11

(13)

Perancangan Desain Antena

Parameter Desain Lambang Nilai Panjang Gel. di ruang bebas λ_o 125 mm Panjang Gel. di dielektrik λ_d 60 mm

Lebar Patch W 38 mm

Panjang Patch L 29,42 mm

Lebar Slot Ws 8,788 mm

Panjang Slot Ls 0,975 mm

Panjang Saluran Pencatu 50Ω

43,97 mm

Lebar Saluran Pencatu 50Ω 3,11 mm Panjang Saluran Pencatu

70,7Ω

17,7 mm

Lebar Saluran Pencatu 70,7Ω

1,63 mm

12

(14)

Perancangan Cross Slot

Paramater Ukuran Antena

Dimensi (mm)

Ukuran subtrat 51.4 x 40

Tebal subtrat 1 1.6

Tebal subtrat 2 1

Panjang patch (l) 23.95

Panjang slot (Ls) 16.5

Lebar slot (Ws) 1.5

Panjang Saluran Pencatu (Total) 64.43

Lebar Saluran Pencatu 3.11

13

(15)

Pola Tapered Peripheral Slits

Dimensi Antena Panjang (mm) Panjang sisi patch 20.3

Panjang slit 1 6

Panjang slit 2 4.5

Panjang slit 3 3

Panjang slit 4 1.5

Lebar slit 0.4

14

(16)

Desain Antena Mikrostrip Array 2x2

15

(17)

Hasil Simulasi Returnloss dan Bandwidth

Perhitungan Bandwidth

B = 𝑓2 − 𝑓1 = 2.4191 − 2.3947 = 34,4 𝑀𝐻𝑧

Frekuensi (GHz) Return Loss (dB)

2,4 -15,708

2,3847 -10

2,4191 -10

16

(18)

Hasil Simulasi VSWR

17

(19)

Hasil Simulasi Gain

Gain total : 4,413 dB

18

(20)

Hasil Simulasi Pola Radiasi

19

(21)

Perhitungan Axial Ratio

Medan Listrik pada sumbu Y E_major= 14730 v/m Medan Listrik pada sumbu X E_minor= 12130 v/m

AR = E_major / E_minor= 14730 / 12130 = 1,197

20

(22)

Hasil Realisasi Antena Mikrostrip Planar Array Dua Elemen

a) Gambar antena bagian atas b) Gambar antena bagian bawah

21

(23)

Metode Pengukuran Antena

Pengukuran Return Loss dan VSWR

Network Analyzer

Antena Mikrostrip Array

Perangkat yang dibutuhkan : 1. Network Analyzer

2. Kabel Coaxial RG58 3. Konektor N to SMA

22

(24)

Metode Pengukuran Antena

Pengukuran Gain dan Pola Radiasi

Spectrum Analyzer

Antena Referensi

Signal Generator

Antena Pemancar Antena Mikrostrip

Array

23

(25)

Hasil Pengukuran Returnloss dan Bandwidth

Perhitungan Bandwidth

B = 2 − 𝑓1 = 2.077 − 2.666 = 588,67 𝑀𝐻𝑧 Frekuensi (GHz) Return Loss (dB)

2,4 -30,894

2,077 -10

2,666 -10

24

(26)

Hasil Pengukuran VSWR

Frekuensi (GHz) VSWR

2,4 1,191

25

(27)

Hasil Pengukuran Pola Radiasi

Pola radiasi phi=0^o Pola radiasi phi=90^o

27

(28)

Hasil Pengukuran Gain

Perhitungan nilai gain antena dengan menggunakan antena referensi dengan gain 7 dB, untuk menentukan gain antena digunakan persamaan :

G_t (Gain Antena Mikrostrip) = G_s (Gain Antena Referensi) + P_t (Daya Terima antena mikrostrip - P_s (Daya Terima antena refrensi)

Dengan

G_t = (Gain Antena Mikrostrip) G_s = (Gain Antena Referensi)

P_t = (Daya Terima Antena Mikrostrip) P_s = (Daya Terima Antena Refrensi) maka

G_t = 7 + (-48.459) – (-45.563) G_t = 7 + (-2.896)

G_t = 4,104 dB

No

Level Daya Terima Antena

Referensi (Ps (dBm))

Level Daya Terima Antena

yang diukur (Pt (dBm))

Rasio level Daya Antena

(dB)

1 -41.37 -45.38 -4.01

2 -42.45 -49.73 -7.28

3 -48.35 -51.37 -3.02

4 -47.46 -52.24 -4.78

5 -40.23 -44.5 -4.27

6 -49.42 -45.31 4.11

7 -50.22 -54.25 -4.03

8 -51.87 -52.93 -1.06

9 -43.24 -45.26 -2.02

10 -41.02 -43.62 -2.6

Rata -rata

-45.563 -48.459 -2.896

28

(29)

Institut Teknologi Sepuluh Nopember 29

KESIMPULAN

1. Pada simulasi didapatkan parameter-parameter untuk frekuensi 2.4GHz sebagai berikut:

Return loss = -15.708 dB Bandwidth = 34,4 MHz VSWR = 1,3922 Gain = 4,413 dB

Sedangkan hasil pengukuran parameter-parameter untuk frekuensi 2.4 GHz yaitu:

Return loss = -30,894 dB Bandwidth = 588,67 MHz VSWR = 1,191 Gain = 4,104 dB

2. Pola radiasi antena mikrostrip planar array 2x2 hasil simulasi dan hasil pengukuran memiliki karakteristik direksional.

3. Dengan tanpa melupakan keterbatasan data yang diperoleh, secara umum antenna array mikrostrip tapered peripheral slits memiliki spesifikasi dan rancangan yang memenuhi untuk digunakan pada satelit S-Band IINUSAT II atau ITS-SAT pada frekuensi 2.4 GHz

(30)

SARAN

1. Pengukuran hendaknya dilakukan di ruangan khusus pengukuran antena yang disebut chamber agar tidak terjadi interferensi pantulan gelombang elektromagnetik.

2. Menggunakan perangkat Network Analyzer yang memiliki presisi yang baik.

3. Pembuatan antena yang kurang bagus dan tidak teliti mengakibatkan perubahan dalam nilai paramater antena, hendaknya pembuatan antena mikrostrip dilakukan di tempat pembuatan PCB yang profesional.

4. Pemakaian konektor dan kabel koaksial yang tidak cocok juga dapat mempengaruhi hasil pengukuran. Gunakan konektor dan kabel dengan impedansi yang sesuai dengan impedansi antena

(31)

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

TERIMA KASIH

BUILDING THE NATIONAL INDEPENDENCE IN SATELLITE TECHNOLOGY THROUGH

STUDENT NETWORKING

(32)

Penentuan dimensi patch antena mikrostrip

-Panjang gelombang di ruang bebas (𝜆

₀

)

𝜆_𝑜 = 𝑐

𝑓_𝑜 = 3 𝑥 10⁸ 𝑚/𝑠

2.4 𝑥 10⁹ 𝐻𝑧 = 0.125 𝑚 = 125 𝑚𝑚

-Panjang gelombang pada dielektrik FR04 Epoxy

𝜆_𝑑 = 𝜆_𝑜

𝜀_𝑟 = 0.125 𝑚

4.3 = 0.06 𝑚 = 60 𝑚𝑚

-Lebar Patch (W)

W = _2𝑥𝑓^𝐶 𝑥 _ɛ²

r:1 = _{2.4 𝑥 10}^{3 𝑥 10}⁸₉ 𝑥 _4.4:1² = 0.038 m = 38 mm

PERANCANGAN DESAIN ANTENA

(33)

PERANCANGAN DESAIN ANTENA

-Panjang Patch (L) L =

_{2 𝑥 𝑓 𝑥 ɛ}^𝐶

reff

− 2 𝑥 ∆L =

2 𝑥 2.4 𝑥 10^{3 𝑥 10}⁹ 𝑥 4.085⁸

− 2 𝑥 0.7388

= 29.42 mm dengan :

ɛ

_reff

=

^ɛ^r:₂¹

+

^ɛ^r;1₂

𝑥 (1 +

^{12 𝑥 ℎ}_𝑊

)

^;0.5

=

^4.4₂^:¹

+

^4.4₂^;1

𝑥 (1 +

^{12 𝑥 1.6}₃₈

)

^;0.5

= 2.7 + 1.385 = 4.085

∆L = 0.412 x h x

^ɛreff:0.258 𝑥(

𝑊

ℎ_:0.264)

ɛ_reff;0.258 𝑥(^𝑊_ℎ:0.813)

= 0.412 x 1.6 x

^4.085^{:0.258 𝑥(}

38

1.6_:0.264)

4.085

;0.258 𝑥(_1.6³⁸:0.813)

= 0.7388 mm

Maka dari hasil perhitungan dimensi Patch pada frekuensi 2,4 GHz adalah W = 38 mm, dan L= 29.42 mm

(34)

Perancangan Dimensi Slot

Panjang slot = 0.1477 x λ

_d

= 0.1477 x 60 = 8.788 mm Lebar slot = 0.0164 x λ

_d

= 0.0164 x 60 = 0.975 mm

Ketebalan feed subtrat = 0.0169 x λ

_d

= 0.0169 x 60 = 1 mm

(35)

Perancangan Dimensi Saluran Pencatu

Dimensi Saluran Pencatu 50Ω -Panjang Saluran Pencatu

Panjang saluran pencatu

0.739 x λ

_d

= 0.739 x 60 = 43.97 mm Panjang saluran pencatu (offset)

0.211 x λ

_d

= 0.211 x 60 = 12.554 mm

-Lebar Saluran Pencatu

𝑊_𝑧 = 2𝑥0.0016

𝜋 5,711 − 1 − 𝑙𝑛 2𝑥5,711 − 1 +4.3 − 1

2𝑥 4.3 𝑙𝑛 5,711 − 1 + 0.39 − 0.61

= 3.11 𝑚𝑚 4.3

Dengan

^{𝐵 =} _𝑍^60𝜋²

0 𝜀_𝑟 = ^60𝜋²

50 4.3 = 5,711

(36)

Perancangan Dimensi Saluran Pencatu

Dimensi Saluran Pencatu 70,7Ω -Panjang Saluran Pencatu

𝑙 = 𝜆_𝑜

𝜀_{𝑟𝑒𝑓𝑓} 𝑥 4 = 125 𝑚𝑚

3.11 𝑥 4 = 17.7 𝑚𝑚

-Lebar Saluran Pencatu

𝑊_𝑧 = 2𝑥0.0016

𝜋 4.039 − 1 − 𝑙𝑛 2𝑥4.039 − 1 +4.3 − 1

2𝑥 4.3 𝑙𝑛 4.039 − 1 + 0.39 −0.61

4.3 = 1.63 𝑚𝑚

Dengan

^{𝐵 =} _𝑍^60𝜋²

0 𝜀_𝑟 = _{50 4.3}^60𝜋² = 5,711

(37)

Polarisasi saat LHCP

Polarisasi saat RHCP

Desain Antena Array Mikrostrip Tapered Peripheral Slits Pada Frekuensi 2,4 Ghz Untuk Satelit Nano