SKRIPSI
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PATCH BUJUR SANGKAR TIPE POLARISASI MELINGKAR DENGAN PERGESERAN
POSISI PENCATU DAN PEMOTONGAN SUDUT PATCH
Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Teknik Telekomunikasi Oleh
RADINAL MUCHTAR RANGKUTI NIM : 140402014
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2018
ABSTRAK
Antena adalah suatu perangkat yang berfungsi untuk mengubah gelombang listrik menjadi gelombang elektromagnetik dan sebaliknya mengubah gelombang elektromagnetik ke gelombang listrik. Antena mikrostrip banyak digunakan karena ukurannya yang kecil serta ringan dan mampu beroperasi pada frekuensi yang tinggi serta memiliki pola radiasi yang terarah. Antena yang dirancang pada skripsi ini adalah antena mikrostip patch bujur sangkar (AMPBS) dengan tipe polarisasi melingkar. Untuk menghasilkan polarisasi melingkar dilakukan dengan pergeseran posisi pencatu dan pemotongan sudut patch. Rancangan dilakukan dengan teknik pencatuan inset pada frekuensi 1.575 GHz. Pada rancangan antena menggunakan substrat Epoxy Fiberglass-FR 4 dengan ketebalan 1,6 mm dan konstanta dielektrik 4,4. Sebagai perbandingan skripsi ini juga merancang antena yang memiliki polarisasi linier. Untuk proses simulasi dan optimasi rancangan AMPBS digunakan perangkat lunak AWR Microwave Office. AMPBS PL memiliki nilai VSWR 1,65 dan VSWR PM 1,10, nilai return loss AMPBS PL -12,07 dB dan AMPBS PM - 26,04 dB dan nilai axial ratio AMPBS PL 6,69 dB dan AMPBS PM 1,29 dB. Hal ini menunjukkan bahwa AMPBS PM memiliki polarisasi melingkar.
Kata kunci: Pemotongan sudut patch, pergeseran posisi pencatu dan polarisasi melingkar
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah Subhanahu wa Ta’ala yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang. Segala Puji bagi Allah Subhanahu wa Ta’ala atas limpahan nikmat, berkat dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul:
“Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Bujur Sangkar Tipe Polarisasi Melingkar dengan Pergeseran Posisi Pencatu dan Pemotongan Sudut Patch”
Skripsi ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini, penulis dipersembahkan kepada Ayah (Rahmat Rangkuti) dan Ibu (Masdinar Nasution) yang telah membimbing penulis dengan kasih sayang . Selama masa kuliah hingga penyelesaian skripsi ini, penulis juga banyak mendapatkan dukungan maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan ucapan rasa terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT, selaku dosen Pembimbing Skripsi yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk selalu memberikan bantuan, bimbingan, dan pengarahan kepada penulis.
2. Bapak Ir. Sihar Parlingoman Panjaitan, MT., selaku dosen pembimbing akademik serta Dosen Penguji Skripsi yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan skripsi ini dan telah banyak memberi motivasi , dan arahan selama masa perkuliahan.
3. Bapak Dr. Maksum Pinem, S.T, M.T., selaku Dosen Penguji Skripsi yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan skripsi ini serta senantiasa memberikan bimbingan selama perk.
4. Bapak Dr. Fahmi, ST. M.Sc, IPM selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT – USU, dan Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT – USU.
5. Teman – teman terdekat : Bayu, Zacky, Illo, Tanjung, Bek, Fadlan, dan Khairunnisa Nasution yang telah memberikan dukungan dan motivasi penulis.
6. Teman – teman anak korban : Dio, Faris, Fahmy, Furqon, Wahyu, Teguh, Alif, Ari, Fitra dan Lutfi
7. Rekan satu tim skripsi : Dimas, Erif, Lutfi Asri, Farmato, Kelvin dan Raih yang telah memberikan dukungan serta bantuam kepada penulis.
8. Sahabat penulis : Al Khairi, Fajri, Ade, Mirza, Iqbal, Nawir, Rezi, Nur dan Yaumil. Yang telah memberikan semangat kepada penulis.
9. Teman – teman stambuk 2014 yang tidak dapat disebutkan satu per satu terima kasih atas dukungannya.
10. Seluruh senior dan junior di Departemen Teknik Elektro FT-USU
11. Seluruh pihak yang telah membantu penulis baik secara langsung maupun tidak langsung dalam menjalani masa perkuliahan yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih belum sempurna karena masih terdapat banyak kekurangan. Saran dan kritik dari pembaca dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat
penulis harapkan. Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan skripsi ini dapat berguna bagi kita semua dan hanya kepada Allah SWT-lah penulis menyerahkan diri.
Medan, Desember 2018
Radinal Muchtar Rangkuti
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah ... 3
1.5 Metodologi Penelitian ... 4
1.6 Sistematika Penelitian ... 5
BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Globab Positioning Service ... 6
2.2 Antena Mikrostrip ... 7
2.3 Parameter Antena... 9
2.3.1 VSWR (Volt Standing Wave Ratio)... 9
2.3.2 Return Loss ... 10
2.3.3 Bandwidth ... 11
2.3.4 Polarisasi ... 12
2.3.5 Gain ... 15
2.3.6 Axial ratio ... . 15
2.3.7 Pola Radiasi ... 17
2.4 Antena Mikrostrip Patch Bujur Sangkar ... 17
2.5 Teknik Pemotongan Sudut Patch ... 20
2.6 Teknik Pencatuan Inset ... 22
2.7 AWR Microwave Office 2004 ... 24
BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1 Umum ... 26
3.2 Diagram Alir Penelitian ... 27
3.3 Perancangan Antena Mikrostrip ... 28
3.4 Metode Optimasi yang Dilakukan ... 32
3.4.1 Optimasi Rancangan Antena Mikrostrip Patch Bujur Sangkar (AMPBS) ... 32
3.4.2 Optimasi Rancangan Antena Mikrostrip Polarisasi Melingkar ... 33
3.5 Variabel yang Diamati ... 34
3.6 Alat dan Bahan ... 35
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum ... 36
4.2 Hasil Simulasi Rancangan AMBPS ... 36
4.2.1 Karakterisasi Rancangan AMPBS ... 37
4.2.2 Rancangan AMPBS Polarisasi Linear (PL) ... 39
4.3 Hasil Simulasi Rancangan AMPBS Polarisasi Melingkar (PM) ... 41
4.3.1 Karakterisasian Rancangan dengan Pergeseran Posisi Pencatu ... 41
4.3.2 Karakterisasi Rancangan dengan Pemotongan Sudut Patch ... 44
4.4 Fabrikasi Antena ... 49
4.5 Hasil Pengkuran Antena ... 50
4.5.1 Hasil Pengukuran AMPBS PL ... 50
4.5.2 Hasil Pengukuran AMPBS PM ... 57
4.6 Analisis Hasil Capain ... 63
4.6.1 Analisis Hasil Capain AMPBS PL ... 63
4.6.2 Analisis Hasil Capain AMPBS PM ... 70
4.6.3 Analisis Perbandingan Hasil Capain AMPBS PL dan AMPBS PM ... 77
4.7 Analisis Kesalahan Umum ... 79
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 81
5.1 Saran ... 81
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Antena Mikrostrip ... 7
Gambar 2.2 Jenis-jenis Patch Antena Mikrostrip ... 8
Gambar 2.3 Rentang Frekuensi yang Menjadi Bandwidth... 11
Gambar 2.4 Polarisasi Linier ... 13
Gambar 2.5 Polarisasi Melingkar ... 14
Gambar 2.6 Polarisasi Elips ... 15
Gambar 2.7 Arah Propagasi Polarisasi Elips ... 16
Gambar 2.8 Pola Radiasi Antena ... 17
Gambar 2.9 Struktur Antena Mikrostrip Patch Bujur Sangkar ... 18
Gambar 2.10 Antena Mikrostrip dengan Pencatu Rangkap ... 20
Gambar 2.11 Antena Mikrostrip dengan Pencatu Tunggal ... 21
Gambar 2.12 Teknik Pemotongan Sudut Patch ... 21
Gambar 2.13 Antena Mikrostrip dengan Pencatuan Microstrip Line Fee ... 22
Gambar 2.14 Antena Mikrostrip dengan Pencatuan Inset Line ... 23
Gambar 2.15 Tampilan dari AWR Microwave 2004 ... 25
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 27
Gambar 3.2 Pergeseran Posisi Pencatu Antena ... 31
Gambar 3.3 Pemotongan Sudut Patch Antena ... 32
Gambar 3.4 Diagram Alir Metode AMPBS ... 33
Gambar 3.5 Diagram Alir Metode Optimasi Antena Tipe Polarisasi Melingkar ... 34
Gambar 4.1 Grafik Simulasi VSWR Rancangan AMPBS Berdasarkan Perhitungan Teoritis ... 36
Gambar 4.2 Grafik Simulasi Return Loss Rancangan AMPBS
Berdasarkan Perhitungan Teoritis ... 37
Gambar 4.3 Grafik Simulasi Return Loss dengan Perubahan Dimensi Patch ... 38
Gambar 4.4 Grafik Simulasi Return Loss dengan Perubahan Ukuran Panjang Inset ... 38
Gambar 4.5 Grafik Hasil Simulasi Return Loss AMPBS PL ... 39
Gambar 4.6 Grafik Hasil Simulasi VSWR AMPBS PL ... 39
Gambar 4.7 Grafik Hasil Simulasi Axial Ratio AMPBS PL ... 40
Gambar 4.8 Ukuran Ground plane dan Patch AMPBS PL dan Ukuran pencatu dan inset AMPBS PL ... 41
Gambar 4.9 Grafik Hasil Simulasi Return Loss Antena dengan Pergeseran Posisi Pencatu ... 42
Gambar 4.10 Grafik Hasil Simulasi VSWR Antena dengan Pergeseran Posisi Pencatu ... 42
Gambar 4.11 Grafik Hasil Simulasi Axial Ratio Antena dengan Pergeseran Posisi Pencatu ... 43
Gambar 4.12 Grafik Hasi Simulasi Return Loss Pemotongan Sudut Patch .. 44
Gambar 4.13 Grafik Hasil Simulasi VSWR Pemotongan Sudut Patch ... 45
Gambar 4.14 Grafik Hasil Simulasi Axial Ratio Pemotongan Sudut Patch .. 45
Gambar 4.15 Hasil Simulasi Gain AMPBS PM ... 47
Gambar 4.16 Bentuk Gometris AMPBS PM ... 47
Gambar 4.17 AMPBS PL ... 48
Gambar 4.18 AMPBS PM ... 48
Gambar 4.19 Hasil Fabrikasi Antena ... 49
Gambar 4.20 Grafik Pengukuran VSWR AMPBS PL ... 50
Gambar 4.21 Grafik Pengukuran Return Loss AMPBS PL ... 52
Gambar 4.22 Grafik Pengukuran VSWR AMPBS PM ... 57
Gambar 4.23 Grafik Pengukuran Return Loss AMPBS PM ... 59
Gambar 4.24 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran VSWR AMPBS PL ... 64
Gambar 4.25 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Return Loss AMPBS PL ... 66
Gambar 4.26 Grafik Hasil Pengukuran Pola Radiasi AMPBS PL ... 67
Gambar 4.27 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Axial Ratio AMPBS PL ... 69
Gambar 4.28 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran VSWR AMPBS PM ... 71
Gambar 4.29 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Return Loss AMPBS PM... 73
Gambar 4.30 Grafik Hasil Pengukuran Pola Radiasi AMPPBS PM ... 74
Gambar 4.31 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Axial Ratio AMPBS PM ... 76
Gambar 4.32 Perbandingan VSWR AMPBS PL dan PM ... 78
Gambar 4.33 Perbandingan return loss AMPBS PL dan AMPBS PM ... 78
Gambar 4.34 Perbandingan axial ratio AMPBS PL dan AMPBS PM. ... 79
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat Yang Digunakan ... 26
Tabel 4.1 Tabel 4.1 Hasil Karakterisasi Pergeseran Posisi Pencatu ... 43
Tabel 4.2 Tabel 4.2 Hasil Data Iterasi Simulasi Antena ... 46
Tabel 4.3 Hasil Pengukuran VSWR AMPBS PL ... 51
Tabel 4.4 Hasil Pengukuran Return loss AMPBS PL ... 53
Tabel 4.5 Hasil Pengukuran Pola Radiasi AMPBS PL ... 54
Tabel 4.6 Hasil Pengukuran Axial ratio AMPBS PL ... 55
Tabel 4.7 Hasil Pengukuran Antena VSWR AMPBS PM ... 58
Tabel 4.8 Hasil Pengukuran Return loss AMPBS PM ... 60
Tabel 4.9 Hasil Pengukuran Pola Radiasi AMPBS PM ... 61
Tabel 4.10 Hasil Pengukuran Axial ratio AMPBS PM ... 62
Tabel 4.11 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran VSWR AMPBS PL ... 63
Tabel 4.12 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Return loss AMPBS PL ... 65
Tabel 4.13 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Axial Ratio AMPBS PL ... 68
Tabel 4.14 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran VSWR AMPBS PM ... 70
Tabel 4.15 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Return loss AMPBS PM ... 72
Tabel 4.16 Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran Axial Ratio AMPBS PM ... 75
Tabel 4.16 Pencapaian Spesifikasi Antena ... 77
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda [1]. Gelombang yang terpolarisasi melingkar meradiasikan energi pada bidang vertikal dan horizontal dan semua bidang di antaranya. Perbedaannya, jika beberapa di antara puncak maksimum dan minimum seperti antena dirotasikan melewati semua sudut, hal ini disebut rasio aksial, dan biasanya dispesifikasikan dalam desibel (dB). Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah dari 0 dB sampai 3 dB [2].
Teknik pencatuan tunggal sangat umum digunakan pada antena mikrostrip, karena sederhana, mudah diproduki serta biaya yang rendah dan kompleks pada struktur dari antena tersebut [2]. Umumnya antena mikrostrip pencatu tunggal digunakan pada patch lingkaran dan patch segiempat. Karena bentuk antena mikrostrip menghasilkan polarisasi liniear maka harus ada beberapa perubahan desain patch antena untuk menghasilkan polarisasi melingkar. Untuk mendapatkan polarisasi melingkar, teknik yang sering digunakan ialah memberikan slot pada patch dan memotong sudut patch [2],[3].
Salah satu antena yang membutuhkan tipe polarisasi melingkar adalah Global Positioning System (GPS). Global Positioning System (GPS) merupakan
sebuah sistem penentu posisi dan navigasi secara global menggunakan satelit.
Sistem GPS dirancang untuk memberikan informasi posisi serta informasi mengenai waktu secara kontinyu di seluruh dunia dalam berbagai kondisi cuaca.
Data yang dikirim dari satelit berupa sinyal radio dengan frekuensi L1 1575,42 MHz dan L2 1227,60 MHz (digunakan untuk keperluan militer) yang dimodulasikan secara binary phase shift keying (BPSK) dengan data digital. Data dari satelit GPS diterima oleh pengguna (user) melalui antena pada GPS receiver.
Antena GPS receiver pada umumnya berbentuk kecil dan tipis [4].
Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip bujur sangkar dengan teknik pencatuan inset pada frekuensi 1575,42 MHz untuk aplikasi GPS yang membutuhkan polarisasi melingkar. Adapun parameter yang diamati adalah VSWR, return loss, gain dan axial ratio. Untuk membantu proses perancangan, perbandingan dan menentukan rancangan yang paling optimal digunakan simulator AWR Design Environment 2004.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah pada Skripsi ini adalah sebagai berikut :
1. Perancangan antena mikrostrip patch bujur sangkar (AMPBS) tipe polarisasi melingkar dengan pergeseran posisi pencatu antena dan pemotongan sudut patch antena.
2. Permodelan dan simulasi antena mikrostrip bujur sangkar tipe polarisasi melingkar.
3. Realisasi rancangan dan pengukuran dengan mengunakan Vector Network Analyzer (VNA) Anritsu MS2034B.
4. Menganalisis hasil capaian rancangan antena mikrostrip bujur sangkar tipe polarisasi melingkar.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari Skripsi ini adalah untuk merancang bangun sebuah antena mikrostrip bujur sangkar dengan pergeseran posisi pencatu antena dan pemotongan sudut patch untuk menghasilkan polarisasi melingkar.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah skripsi ini adalah:
1. Hanya membahas antena mikrostrip patch bujur sangkar dengan teknik pencatuan inset.
2. Teknik yang digunakan untuk menghasilkan tipe polarisasi melingkar adalah pergeseran posisi pencatu antenadengan pemotongan sudut patch.
3. Frekuensi yang digunakan yaitu 1575,42 MHz.
4. Jenis substrat yang digunakan adalah Epoxy Fiberglass-FR 4 dengan ketebalan 1,6 mm dan konstanta dielektrik sebesar 4,4.
5. Simulasi yang digunakan AWR Design Environment 2004.
6. Parameter yang dibahas pada antena adalah VSWR, return loss, dan axial ratio.
7. Pengukuran parameter antena dilakukan menggunakan Vector Network Analyzer (VNA) Anritsu MS2034B.
1.5 Metodologi Pembahasan
Dalam penulisan laporan skripsi ini digunakan beberapa metode untuk mendapatkan data-data yang diperlukan sebagai pedoman dalam menulis laporan.
Metode-metode tersebut adalah:
1. Studi Literatur.
Dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik Skripsi yang terdiri dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau dari perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, layanan internet, dan lain-lain.
2. Perancangan dan Simulasi
Merancang antenna dan melakukan simulasi berdasarkan perhitungan dan bahan yang ditetapkan dalam perancangan. Hasil keluaran simulasi berupa VSWR, return loss, axial ratio dan gain. Proses mendesain antena mikrostrip array menggunakan software AWR Microwave Office 2004.
3. Fabrikasi Antena
Membangun antena berdasarkan dimensi optimal yang telah didapatkan dari hasil simulasi.
4. Pengukuran dan Analisis Data
Melakukan pengukuran secara umum terhadap antena yang telah dibangun serta mengukur parameternya dengan alat ukur.
5. Kesimpulan dan Saran
Merangkum kesimpulan selama analisis dan rancang bangun antena dan memberikan saran untuk penelitian selanjutnya yang berkaitan.
1.6
Sistematika Penulisan
Agar mempermudah pemahaman, adapun sistematika penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut:
BAB I :PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan secara singkat secara singkat latar belakang, tujuan penelitian, pembatasan masalah dan metodologi.
BAB II : DASAR TEORI
Pada bab ini berisi teori tentang antena, parameter antena, antena mikrostrip, teknik pencatuan antena mikrostrip, serta aplikasinya pada radar maritim secara umum.
BAB III : METODE PENELITIAN
Dalam bab ini akan berisi penjelasan tentang metode penelitiam yang digunakan untuk perancangan, simulasi dan pengukuran antena.
BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi mengenai hasil simulasi, hasil pengukuran antena dan analisa parameter-parameter yang dihasilkan.
BAB V : PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah dilakukan.
BAB II DASAR TEORI
2.1 Global Positioning Service
Global Positioning Service (GPS) adalah sistem radio navigasi dan penentuan posisi menggunakan satelit yang dimiliki dan dikelola oleh Amerika Serikat. Sistem ini dapat digunakan oleh banyak orang sekaligus dalam segala cuaca, serta didesain untuk memberikan posisi dan kecepatan tiga dimensi yang teliti dan juga informasi mengenai waktu secara kontinyu di seluruh dunia tanpa bergantung pada waktu dan cuaca, kepada banyak orang secara simultan [5].
Satelit GPS pertama diluncurkan tahun 1978 dan konstelasi 24 satelit berhasil dilengkapi tahun 1994. Setelah itu satelit-satelit baru rutin diluncurkan untuk mengupgrade satelit lama atau mengganti satelit yang rusak atau tidak berfungsi lagi. Tiap satelit mentransmisikan data navigasi dalam sinyal CDMA (Code Division Multiple Access) sama seperti jenis sinyal untuk telepon seluler CDMA. Sinyal CDMA menggunakan kode pada transmisinya sehingga penerima GPS tetap bisa mengenali sinyal navigasi GPS walaupun ada gangguan pada frekuensi yang sama. Frekuensi yang digunakan adalah L1 (1575,42 MHz) pada kebutuhan domestic dan L2 (1227,6 MHz) untuk keperluan militer.
Salah antena yang digunakan untuk aplikasi Global Positioning System (GPS) adalah antena mikrostrip. Polarisasi yang melingkar sifatnya berorientasi pada jalur lingkaran, artinya menerima gelombang tidak hanya satu arah saja tetapi juga sekitarnya. Polarisasi melingkar juga dibutuhkan pada komunikasi satelit ataupun GPS karena antara satelit dan antena di bumi tidak memiliki keadaan yang selalu tetap. GPS sangat membutuhkan polarisasi circular agar dapat menerima
gelombang peradiasi lebih cepat dan akurat [3]. Sistem GPS bekerja pada frekuensi kerja 1575,42 MHz, untuk itu sangat dibutuhkan sebuah antena mikrostrip yang mampu memberikan kinerja yang baik untuk sistem tersebut.
Pada komunikasi satelit ataupun GPS, diperlukan polarisasi melingkar yang dapat dibangkitkan dengan memberikan sedikit gangguan berupa pemberian slot, stub, atau memotong sedikit disain dari patch. Hal ini dimaksudkan untuk membangkitkan arus yang berbeda fasa 90 derajat sehingga didapatkan polarisasi melingkar tersebut. Beberapa fungsi dan kegunaan GPS adalah untuk keperluan militer, navigasi, sistem informasi geografis, sistem pelacakan kendaraan, untuk pemantau gempa, pemetaan lautan dan daratan, perhubungan darat, laut dan udara serta pada keperluan lainnya bagi manusia.
2.2 Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 3 elemen yaitu: elemen peradiasi (radiator), elemen substrat (substrate), dan elemen pentanahan (ground), seperti diperlihatkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Antena Mikrostrip
Konsep antena mikrostrip diperkenalkan pada tahun 1950an di USA oleh Deschamps dan Perancis oleh Gutton dan Baissinot, dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell yang merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini [7].
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro (sangat tipis atau kecil) dan strip (bilah atau potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah atau potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis atau kecil. Antena mikrostrip sangat sesuai dengan kebutuhan saat ini sehingga dapat di integrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran kecil.
1. Patch
Patch adalah lapisan teratas yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik dan terbuat oleh lapisan logam dengan ketebalan tertentu. Patch dapat berbentuk lingkaran, persegi panjang, segitiga, circular ring, persegi dan elips. Gambar 2.2 menunjukkan jenis-jenis patch antena mikrostrip.
Gambar 2.2 Jenis-jenis Patch Antena Mikrostrip
2. Substrat
Substrat adalah lapisan tengah yang berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan.
Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik (εr) dan ketebalannya (h). Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat.
3. Groundplane
Groundplane adalah lapisan paling bawah (pembumian) bagi sistem antena mikrosrip yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.
2.3 Parameter Antena
Beberapa parameter antena yang perlu diperhatikan dalam merancang antena adalah sebagai berikut.
2.3.1 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (Vmax) dengan minimum (Vmin). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (𝑉𝑉𝑂+) dan tegangan yang direfleksikan (𝑉𝑉𝑂−).
Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisienrefleksi tegangan (Ґ)[8]. Persamaan matematisnya dapat dilihat pada Persamaan 2.1 berikut.
Γ =𝑉0−
𝑉0+= 𝑍𝐿−𝑍0
𝑍𝐿+𝑍0 (2.1)
Dimana 𝑍𝐿 adalah impedansi beban (load) dan 𝑍0 adalah impedansi saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka :
• Γ = − 1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat,
• Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna,
• Γ = + 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR dapat dilihat pada Persamaan 2.2
𝑆 =𝑉𝑚𝑎𝑥
𝑉𝑚𝑖𝑛 = 1+|Γ|
1−|Γ| (2.2)
Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna[9]. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah VSWR ≤ 2 [9].
2.3.2 Return loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss merupakan koefisien refleksi dalam bentuk logaritmik yang menunjukkan daya yang hilang karena antena dan saluran transmisi tidak matching. Return loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas di antara saluran transmisi dengan impedansi
masukan beban (antena). Sehingga tidak semua daya diradiasikan melainkan ada yang dipantulkan balik. Return loss dapat dihitung dengan Persamaan 2.3 berikut
return loss = 20 log10|Γ| (2.3)
Dengan menggunakan nilai VSWR ≤ 1,5 maka diperoleh nilai return loss yang dibutuhkan adalah di bawah -14 dB. Dengan nilai ini, dapat dikatakan bahwa nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah dapat dianggap matching. Nilai parameter ini dapat menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah mampu bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.3.3 Bandwidth
Bandwidth (Gambar 2.3) suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar [9].
Gambar 2.3 Rentang Frekuensi yang Menjadi Bandwidth
Bandwidth dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.4 berikut ini :
𝐵𝑊 =𝑓2−𝑓1
𝑓𝑐 𝑥100% (2.4) dengan :
𝑓2 = frekuensi tertinggi 𝑓1 = frekuensi terendah 𝑓𝑐 = frekuensi tengah
2.3.4 Polarisasi
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena [4]. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda.
Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitude vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu. Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips).
a. PolarisasiLinier
Polarisasi linier terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. Gambar 2.4 menunjukkan polarisasi linier.
Gambar 2.4 Polarisasi Linier
b. Polarisasi melingkar
Gelombang yang terpolarisasi melingkar meradiasikan energi pada bidang vertikal dan horizontal dan semua bidang di antaranya. Perbedaannya, jika beberapa di antara puncak maksimum dan minimum seperti antena dirotasikan melewati semua sudut, hal ini disebut axial ratio dan biasanya dispesifikasikan dalam desibel (dB). Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah dari 0 dB sampai 3 dB [1]. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai jenis polarisasi ini adalah :
a. Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier b. Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama
c. Kedua komponen tersebut harus memiliki perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil 900.
Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular Polarization (LHCP) dan Right Hand Circular Polarization (RHCP). LHCP terjadi ketika 𝛿 = +𝜋/2 , sebaliknya RHCP terjadi ketika 𝛿 = −𝜋/2.
Gambar 2.5 Polarisasi Melingkar
c. Polarisasi elips
Polarisasi elips (Gambar 2.6) terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mendapatkan polarisasi ini adalah :
a. medan harus mempunyai dua komponen linier ortogonal
b. Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau berbeda
c. Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama, perbedaan fasa waktu antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 00 atau kelipatan 1800 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa di antara kedua
komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 900 (karena akan menjadi lingkaran).
Gambar 2.6 Polarisasi Elips
2.3.5 Penguatan (Gain)
Ada dua jenis parameter penguatan (gain) yaitu absolute gain dan relative gain [7]. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropik sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4𝜋. Absolute gain ini dapat dihitung dengan Persamaan 2.5.
𝑔𝑎𝑖𝑛 = 4𝜋𝑈(𝜃∅)
𝑃𝑖𝑛 (2.5) 2.3.6 Axial ratio
Axial ratio selalu dijadikan ukuran kualitas pada sebuah antena ketika polarisasi antena yang diinginkan adalah polarisasi melingkar. Axial ratio adalah rasio dari sumbu mayor dan sumbu minor pada polarisasi elips. Sebagai catatan
bahwa polarisisasi melingkar dan linier adalah kasus khusus dari polarisasi elips.
Arah propagasi dan arah rotasi polarisasi elips dapat dilihat pada Gambar 2.7 [3].
Gambar 2.7 Arah Propagasi Polarisasi Elips
Dari Gambar 2.7 rumus axial ratio secara teoritis dapat dilihat pada Persamaan 2.6.
𝐴𝑅(𝑑𝐵) = 20 log𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 𝑎𝑥𝑖𝑠
𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 𝑎𝑥𝑖𝑠 = 20 log𝑂𝐴
𝑂𝐵 (2.6 ) Daerah polarisasi melingkar terdiri dari dua komponen orthogonal medan E pada amplitudo yang sama dan memiliki perbedaan fasa sebesar 900. Karena komponennya memiliki magnitudo yang sama, maka pada polarisasi melingkar axial ratio-nya adalah 1 atau 0 dB. Namun pada sebagian besar aplikasi antena mikrostrip, axial ratio sebesar 3 dB sudah dianggap cukup untuk menggambarkan polarisasi melingkar antena [7].
2.3.7 Pola Radiasi
Pola radiasi dari sebuah antena adalah gambaran secara grafis karakteristik radiasi dari antena sebagai fungsi dari koordinat ruang. Pada umumnya ada tiga jenis pola radiasi pada antena yaitu pola radiasi unidirectional, bidirectional dan pola radiasi omnidirectional. Antena unidirectional mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat menjangkau jarak yang relative, antena bidirectional mempunyai pola memancarkan gelombang disekitar dua arah tertentu, sedangkan antena omnidirectional mempunyai pola radiasi yang digambarkan seperti bentuk ring dengan pusat berimpit. Antena omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi 3600 jika dilihat pada bidang medan magnetnya [4]. Gambar 2.8 menunjukkan jenis pola radiasi antena.
Gambar 2.8 Pola Radiasi Antena
2.4 Antena Mikrostrip Patch Bujur Sangkar
Salah satu bentuk umum dari patch peradiasi adalah persegi panjang, selain bentuk lingkaran (circular), segitiga (triangular) dan (square). Gambar 2.9 memperlihatkan struktur sebuah patch bujur sangkar dari antena mikrostrip pada lapisan permukaan dielektrik substrat dengan ketebalan (h), dimana patch persegi panjang. Pada sisi lapisan bawah konduktor dijadikan sebagai ground plane [10].
Gambar 2.9 Struktur Antena Mikrostrip Patch Bujur Sangkar
Untuk merancang sebuah antena mikrostrip patch bujur sangkar, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang digunakan yaitu ketebalan dielektrik, konstanta dielektrik, dan dielektrik loss tangent. Untuk mencari panjang patch bujur sangkar antena diperoleh menggunakan Persamaan 2.7
𝐿 = 𝑐
2𝑓𝑟√ε𝑟 (2.7) Dimana:
𝐿: Panjang konduktor (mm) ε𝑟 : konstanta dielektrik
𝑐: kecepatan cahaya di ruang bebas (3x108 m/s) 𝑓𝑟: frekuensi kerja antena (Hz)
Untuk sisi panjang efektif patch bujur sangkar dengan pertimbangan terhadap efek fringing pada sisi tepi peradiasi diperluas dengan menambahkan parameter ΔL[10]. Besarnya ΔL dapat diperhitungkan dengan persamaan 2.8.
Δ𝐿 = 0,412ℎ(ε𝑟𝑒𝑓𝑓+0,3)(
𝑊 ℎ+0,264) (ε𝑟𝑒𝑓𝑓−0.258)(𝑊
ℎ+0,8) (2.8) Dari persamaan diatas diketahui bahwa untuk mendapatkan nilai Δ𝐿, terlebih dahulu kita harus mendapatkan 𝑤 dan nilai ε 𝑟𝑒𝑓𝑓 yang diperoleh dari Persamaan 2.9 dan 2.10.
𝑤 = 𝑐
2𝑓𝑟√(ε𝑟+1) 2
(2.9)
Dimana konstanta dielektrik efektif (ε 𝑟𝑒𝑓𝑓) untuk 𝑊 ⁄ℎ ≥1 dengan W adalah lebar patch dan h adalah ketebalan substrat dielektrik :
ε𝑟 𝑒𝑓𝑓 = ε𝑟+1
2 +ε𝑟−1
2 ( 1
√1+12ℎ𝑊
) (2.10)
Sehingga panjang efektif untuk sisi patch bujur sangkar diperoleh melalui persamaan 2.11.
𝐿 𝑒𝑓𝑓 = 𝐿 + 2Δ𝐿 (2.11)
Untuk menghitung lebar dan panjang groundplane untuk antena mikrostrip dapat menggunakan Persamaan 2.12 dan 2.13.
Panjang groundplane :
𝐿𝑔 = 6ℎ + 𝐿 (2.12) Lebar groundplane :
𝑊𝑔 = 6ℎ + 𝑊 (2.13)
2.5 Teknik Pemotongan Sudut Patch
Antena mikrostrip yang terpolarisasi melingkar dapat dikategorikan menjadi 2 (dua) tipe berdasarkan sistem pencatuannya, yakni antena mikrostrip pencatuan rangkap dengan polarisator eksternal dan antena mikrostrip dengan pencatuan tunggal. Klasifikasi antena ini berdasarkan atas jumlah titik pencatu, yang dibutuhkan untuk membangkitkan polarisasi melingkar.
Namun, dalam prakteknya dilapangan,sistem pencatuan rangkap sangat jarang digunakan untuk mendapatkan polarisasi melingkar pada antena mikrostrip.
Hal ini disebabkan karena kedua tipe tersebut cukup sulit dalam hal perancangan dan fabrikasi, karena pada sistem pencatuan ini dibutuhkan polarisator tambahan.Antena mikrostrip dengan sistem pencatu tunggal merupakan antena yang sederhana,mudah dalam fabrikasi, murah, serta memiliki struktur yang rapi.
Bentuk pokok pada sebuah antena mikrostrip pencatuan rangkap ditunjukkan pada Gambar 2.10, yang mana patch dicatu dengan amplitudo sama dan memiliki perbedaan fasa sebesar 900 serta menggunakan polarisator eksternal [8].
Gambar 2.10 Antena Mikrostrip dengan Pencatu Rangkap
Umumnya antena mikrostrip pencatu tunggal digunakan pada patch lingkaran dan patch segiempat. Untuk mendapatkan polarisasi melingkar, teknik yang sering digunakan adalah memberikan slot pada patch dan memotong sudut patch, seperti yang terlihat pada Gambar 2.11 [7].
Gambar 2.11 Antena Mikrostrip dengan Pencatu Tunggal
Teknik pemotongan sudut patch adalah teknik yang digunakan untuk mendapatkan polarisasi circular, yaitu dengan cara memotong ujung diagonal dari patch.Antena mikrostrip patch segiempat dengan sudut terpotong merupakan salah satu antena mikrostrip dengan pencatu tunggal yang palingsering digunakan.
Bentuknya sederhana dengansudut yang terpotong 450 secara diagonal atau menyilang pada patchnya. Pada prakteknya, bentuk dari patchnya, seperti yang terlihat pada Gambar 2.12, dianggap memiliki bentuk hampir persegi, tetapi hanya mendekati bentuk persegi karena patchnya memilki panjang (L) dan lebar (W) [11].
Gambar 2.12 Teknik Pemotongan Sudut Patch
Pencatu pada antena ini membangkitkan medan dibawah patch hanya seperti sebuah antena yang berpolarisasi linier. Sinyal yang dimasukkan cenderung terpropagasi pada satu arah yang diarahkan oleh bentuk transmisionline dari patchnya. Sehingga dalam hal ini dilakukan satu modifikasi pada antena yaitu dengan memotong sudut patch antena. Ketika sudutnya dipotong, resonansi tidak hanya pada satu sisi patch ke sisi lainnya tetapi sepanjang diagonal patch. Jika sudutnya dipotong pada jumlah yang tepat, maka pada frekuensi yang berbeda akan menyebabkan perpindahan fasa sebesar900. Untuk perpindahan fasa 900 disebabkan oleh faktor posisi titik pencatu.
2.6 Teknik Pencatuan Inset
Pencatuan inset merupakan turunan dari pencatuan microstrip line. Bentuk pencatuannya hampir mirip dengan pencatuan microstrip line, bedanya terlihat dari hubungan antara patch antena dan catuannya terlihat sedikit menjorok kearah patch antena mikrostrip tersebut [12]. Pada teknik pencatuan microstrip line, pencatuan dilakukan dengan cara menghubungkan saluran pencatu dengan patch, dimana patch dan saluran pencatu menggunakan bahan dan substrate yang sama yang dipabrikasi dengan cara di-etching-kan. Dari penjelasan tersebut maka dapat dilihat lebih jelas pada Gambar 2.13 [12].
Gambar 2.13 Antena Mikrostrip dengan Pencatuan Microstrip Line Fee
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.
Tipe pengaturan pencatuan semacam ini mempunyai keuntungan bahwasanya pencatuan dapat diberikan langsung pada substrat yang sama untuk menyediakan suatu struktur planar. Lebar strip konduktor lebih kecil daripada elemen peradiasi antena mikrostrip. Pencatuan inset memberikan potongan menjorok (inset) ke dalam patch. Tujuan dari pemotongan patch membentuk pencatuan inset agar menyamakan impedansi feed line dengan patch tanpa perlu penambahan elemen lain seperti ditunjukan pada Gambar 2.14 [12].
Gambar 2.14 Antena Mikrostrip dengan Pencatuan Inset Line
Untuk perhitungan ukuran saluran pencatu inset dilakukan dengan menghitung lebar dan panjangnya. Lebar saluran inset (W) dihitung dengan Persamaan (2.13) dan (2.14) [13].
𝑊 =2ℎ
𝜋 (𝐵 − 1 − ln(2𝐵 − 1) +ε𝑟−1
2ε𝑟 ln(𝐵 − 1) + 0.39 −0,61
ε𝑟 ) (2.13) Dimana
𝐵 = 60𝜋2
𝑍0√ε𝑟 (2.14) Sedangkan panjang saluran transmisi dihitung dengan Persamaan (2.15)
𝐿 =1
4𝜆𝑔 (2.15)
Dimana 𝜆𝑔 (panjang gelombang guide)dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (2.16)
𝜆𝑔 = 𝑐
𝑓𝑥√ε𝑟× 1000 (mm) (2.16)
Untuk menghitung panjang inset saluran pencatu (y0) digunakan persamaan (2.17), dimana persamaan ini valid untuk nilai 2≤ εr ≤10 [12].
𝑦0 = 10−4(0,001699ε𝑟7+ 0,13761ε𝑟6− 6,1783ε𝑟5+ 93,187ε𝑟4− 682,69ε𝑟3+ 2561,9ε𝑟2− 4043ε𝑟+ 6697)𝐿
ℎ (2.17)
2.7 AWR Microwave Office 2004
AWR Design Environment 2004 adalah penggabungan dari microwave office dan office analog yang merupakan perangkat lunak untuk mendesain dan menganalisis alat integrasi untuk RF, microwave, millimeterwave, analog dan desain RFIC. Microwave office dan office analog digunakan untuk merancang desain sirkuit yang linier dan non-linier dan struktur EM serta menghasilkan tata
letak representasi dari hasil desain tersebut. Adapun tampilan dari AWR Microwave 2004 adalah seperti terlihat pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Tampilan dari AWR Microwave 2004
Metode yang digunakan dalam menganalisis antena adalah method of moment (MoM). Metode MoM pertama kali diperkenalkan pada metode matematika dimana ide dasarnya adalah untuk mengubah satu persamaan integral kedalam suatu persamaan matriks yang kemudian dapat diselesaikan dengan persamaan numerik.
Adapun kemampuan dari Microwave Office adalah perancangan schematic/layout, simulasi rangkaian linier dan non linier, analisa EM, sintesis, optimasi, dan analisis hasil, DRC/L vs skematik dan Process designs kits (PDKs) dari berbagai perancangan. Sedangkan aplikasi dari Microwave Office adalah microwave Integrated Circuits (MIC), papan cetak perancangan RF (PCB) dan rakitan microwave terpadu.
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Umum
Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat, kemudian memilih jenis substrat yang digunakan untuk jenis antena yang akan dibuat, selanjutnya menghitung dimensi patch yang akan digunakan, menghitung ukuran pencatu antena dan menghitung ukuran inset. Selanjutnya dari hasil perhitungan tersebut dilakukan proses simulasi menggunakan simulator AWR Microwave 2004.
Untuk mendapatkan rancangan antena yang paling optimal dilakukan beberapa iterasi yaitu perubahan dimensi patch antena, perubahan ukuran pencatu, perubahan ukuran inset dan pergeseran posisi pencatu. Setelah melakukan proses iterasi tersebut maka selanjutnya didapatkan rancangan antena yang paling optimal.
Dengan menggunakan simulator AWR Microwave 2004, diperoleh parameter- parameter antena yang dihasilkan berupa VSWR, retur loss, axial ratio dan gain.
Adapun spesifikasi substrat yang digunakan pada perancangan ini dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat Yang Digunakan
Jenis Substrat FR4 Epoxy
Dieletric Loss Tangent (tan δ) 0.02
Ketebalan Substrat (ɦ) 1.6 mm
Konstanta Dielektrik Relatif 4.4
3.2 Diagram Alir Penelitian
Pada penelitian ini, penulis membuat diagram alir penelitian sebagai gambaran proses perancangan antena mikrostrip dan sebagai arah dalam melaksanakan penelitian ini. Diagram alir ini ditunjukkan pada gambar 3.1
Mulai
Frekuensi : 1575,42 MHZ , Jenis Substrat : FR4-Epox, (Ԑr) 4,4 , Loss tangent (tan δ) 0.02 dan Substrat (h) 1,6 mm
Perancangan Teoritis AMPBS
Karakterisasi Rancangan AMPBS
Karakterisasi Rancangan AMPBS Tipe Polarisasi
Melingkar
Fabrikasi dan Pengukuran Antena
Selesai
Perancangan AMPBS Tipe Polarisasi Melingkar
Analisi Hasil Capain Apakah Rancanan AMPBS Optimal ?
Apakah Rancangan Optimal ?
Melakukan Optimalisasi Rancangan AMPBS
Melakukan Optimalisasi dengan Pergeseran Posisi Pencatu dan Pemotongan
Sudut Patch TIDAK
YA
TIDAK
YA
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
3.3 Perancangan Antena Mikrostrip
Langkah awal dalam perancangan antena ini adalah melakukan perancangan mikrostrip patch bujur sangkar tanpa pemotongan sudut patch.
Adapun langkah-langkah perancangan scara teoritis sebagai berikut : 1. Perhitungan Ukuran Patch
Panjang patch sebuah antena mikrostri ditentukan dengan persamaan
𝐿 = 3𝑥108
2𝑥1.575𝑥109√4.4= 45.41𝑚𝑚
Dikarenakan adanya efek fringing seperti yang telah dijelaskan pada Bab 2, maka untuk patch bujur sangkar digunakan panjang efektif dengan menggunakan Persamaan (2.6) :
𝐿𝑒𝑓𝑓 = 𝐿 + 2Δ𝐿
Dimana untuk menyelesaikan perhitungan tersebut digunakan persamaan 2.1 untuk menghitung nilai 𝑊, persamaan 2.3 untuk menghitung nilai Δ𝐿 dan persamaan 2.4 untuk menghitung ε 𝑟𝑒𝑓𝑓.
𝑊 = 3𝑥108
2𝑥(1.575𝑥109)√(4,4 + 1) 2
= 57.96 𝑚𝑚
Dengan mensubstitusikan nilai W pada Persamaan (2.3), maka diperoleh :
𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = 4,4 + 1
2 +4,4 − 1 2
(
1
√1 + 12 1,6 57.96)
= 3.816 𝑚𝑚
Dan dari Persamaan (2.3) diperoleh :
∆𝐿 = 0,412(1,6)
(3.816 + 0,3) (57.94
1,6 + 0,264) (3.816 − 0,258) (57.94
1,6 + 0,8)
= 0,751 𝑚𝑚
Sehingga panjang patch efektif diperoleh : 𝐿𝑒𝑓𝑓 = 𝐿 + 2Δ𝐿
𝐿𝑒𝑓𝑓 = 45.41 + 2(0,751)
𝐿𝑒𝑓𝑓 = 46.912
Didapat panjang sisi efektif untuk patch bujur sangkar sebesar 46.912 mm, untuk kebutuhan perancangan maka dibulatkan menjadi 47 mm.
2. Perhitungan Saluran Pencatu Antena
Dalam perancangan antena mikrostrip ini menggunakan impedansi saluran pencatu 50 Ω. Adapun langkah untuk menghitung dimensi saluran pencatu dengan menggunakan Persamaan
Dimensi Lebar (W) saluran pencatu dengan nilai impedansi 50 Ω dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.13) dan (2.14).
W (saluran pencatu 50 Ω) 𝐵 = 60𝜋2
50√4,4= 5,64 𝑊 =2𝑥1,6
3,14 {5,64 − 1 − ln(2(5,64) − 1) +4,4 − 1
2𝑥4,4 [ln(5,64 − 1) + 0,39 −0,61 4,4]}
W saluran pencatu 50 Ω = 3,2 mm
Panjang (L) saluran pencatu dengan nilai impedansi 50 Ω dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.18 [10].
𝐿(𝑠𝑎𝑙𝑢𝑟𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑎𝑡𝑢) = 1
4𝜆𝑔 (𝑚𝑚)
Dimana perhitungan dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.16 [9].
𝜆𝑔 = 3𝑥108
1.575𝑥109√4,4𝑥1000 (𝑚𝑚) 𝜆𝑔 = 90mm
𝐿(𝑠𝑎𝑙𝑢𝑟𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑛𝑐𝑎𝑡𝑢) = 1
4 𝑥 90 = 25 𝑚𝑚 3. Perhitungan Pencatuan Inset
Dalam perancangan antena mikrosrip ini menggunakan teknik pencatuan inset yang merupakan turunan dari pencatuan microstrip line. Untuk perancangan penjorokan pencatuan kearah patch maka dilakukan perhitungan panjang saluran (y0) seperti yang tertera pada Persamaan (2.20) dimana persamaan ini valid untuk nilai 2≤ εr ≤10.
𝑦0 = 10−4(0,001699(4,4)7+ 0,13761(4,4)6− 6,1783(4,4)5+ 93,187(4,4)4
− 682,69(4,4)3+ 2561,9(4,4)2− 4043(4,4) + 6697)45.41 1,6 𝑦0 = 17 𝑚𝑚
Maka panjang dari penjorokan inset (y0)= 17 mm 4. Perhitungan Dimensi Ground Plane / Substrate
Perancangan dimensi ground plane dilakukan dengan memperhitungkan dimensi panjang dan lebar dari substrate. Ukuran dimensi ground plane sama dengan dimensi subrate yang dapat dihitung dengan Persamaan (2.11) dan (2.12).
Diperoleh panjang dari ground plane Lg= 56.81 mm dan lebar ground plane Wg= 67.54 mm.
Optimasi dari perancangaan antena mikrostrip patch bujur sangkar akan diperoleh berdasarkan hasil simulasi antena. Untuk mendapatkan tipe polarisasi melingkar dilakukan dengan pergeseran posisi pencatu dan pemotongan sudut patch. Pergeseran posisi pencatu dilakukan dengan ukuran 1mm sampai 11 mm seperti diperlihatkan pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Pergeseran Posisi Pencatu Antena
Setelah melakukan pergeseran posisi pencatu dilakukan pemotongan sudut patch antena untuk mendapatkan polarisasi melingkar. Pemotongan sudut patch antena dilakukan mulai ukuran 2mm, 4mm, 6mm, 8mm dan 10 mm seeperti diperlihatkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Pemotongan Sudut Patch Antena 3.4 Metode Optimasi yang Dilakukan
Dalam melakukan optimasi dalam perancangan antena mikrostrip ini ada beberapa metode optimasi yang dilakukan.
3.4.1 Optimasi Rancangan Antena Mikrostrip Patch Bujur Sangkar (AMPBS)
Metode optimasi AMPBS dilakukan dengan mengubah ukuran patch antena dan ukuran inset antena. Berikut diagram alir metode optimasi rancangan antena mikrostrip tanpa pemotongan sudut patch.
Mulai
Optimasi Ukuran Patch Antena
Rancangan AMPBS Optimal
Selesai
Karakterisasi Perubahan Ukuran Patch Antena
Rancangan dengan Ukuran Patch Antena
Optimal
Karakterisasi Perubahan Ukuran Panjang Inset
Antena
Gambar 3.4 Diagram Alir Metode AMPBS
3.4.2 Optimasi Rancangan Antena Mikrostrip Polarisasi Melingkar
Setelah mendapatkan hasil optimal dari AMPBS, dilakukan optimasi untuk mendapatkan antena yang memiliki polarisasi melingkar dengan metode pergeseran posisi pencatu antena dan pemotongan sudut patch antena. Berikut diagram alir metode optimasi rancangan antena tipe polarisasi melingkar.
Mulai
Rancangan AMPBS
Rancangan Optimal dari Pergeseran Posisi Pencatu
Rancangan AMPBS Tipe Polarisasi Melingkar
Selesai
Karakterisasi Pergeseran Posisi Pencatu
Karakterisasi Pemotongan Sudut Patch
Gambar 3.5 Diagram Alir Metode Optimasi Antena Tipe Polarisasi Melingkar
3.5 Variabel yang Diamati
Variabel yang diamati dari penelitian ini adalah ukuran antena patch bujur sangkar. Hasil yang optimal dari variabel tersebut diperoleh berdasarkan pencapaian parameter kerja antena yaitu VSWR < 2 , axial ratio< 3, gain dan return loss< -10.
3.6 Alat dan Bahan
Untuk melakukan perancangan dan pengukuran antena mikrostrip pada tugas akhir ini maka digunakan bahan dan alat. Bahan yang digunakan untuk membuat antena mikrostri terbuat dari bahan substrat FR4 epoxy dengan nilai 𝜀𝑟=4.4 dan memiliki ketebalan sebesar 1.6 mm. Sedangkan Alat Yang digunakan antara lain :
1. Software AWR Microwave 2004Laptop 2. Timah
3. Solder
4. Konektor SMA 50 Ω 5. Microsoft Visio 2007 6. Kabel Coaxial
7. Network Analizer Anritsu MS2304B 8. Microsoft Excel
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAAN
4.1 Umum
Pada tugas akhir ini akan dirancang antena mikrostrip dengan patch bujur sangkar yang memiliki polarisasi melingkar dengan pergeseran posisi pencatu antena dan pemotongan sudut patch antena dan memiliki teknik pencatuan inset dan bekerja pada frekuensi 1.575GHz yang kemudiakan akan disimulasikan menggunakan simulator AWR Microwave 2004.
4.2 Hasil Simuasi Rancangan AMPBS
Berdasarkan hasil rancangan secara teoritis yang telah dilakukan pada sub bab 3.3, selanjutnya dilakukan simulasi menggunakan AWR Microwave Office 2004. Gambar 4.1 dan 4.2 menunjukkan VSWR dan return loss hasil simulasi rancangan AMPBS berdasarkan perhitungan teoritis.
Gambar 4.1 Grafik Simulasi VSWR Rancangan AMPBS Berdasarkan Perhitungan Teoritis
Gambar 4.2 Grafik Simulasi Return Loss Rancangan AMPBS Berdasarkan Perhitungan Teoritis
Nilai return loss dan VSWR dari hasil simulasi rancangan AMPBS teoritis belum memenuhi parameter antena yang baik, dimana antena yang baik memiliki nilai return loss ≤ 10 dB dan VSWR ≤ 2. Oleh karena itu, untuk mendapatkan rancangan AMPBS yang optimal maka dilakukan karakterisasi rancangan antena.
4.2.1 Karakterisasi Rancangan AMPBS
Karakterisasi antena dilakukan dengan dilakukan dengan cara memperbesar atau memperkecil dimensi patch antena. Pada rancangan ini digunakan pencatuan inset yang memiliki parameter yang dapat dimodifikasi untuk mendapatkan karakteristik antena yang diinginkan. Dengan demikian paremeter yang memungkinkan untuk digunakan pada pengkarakterisasi ini adalah dimensi patch dan panjang inset.
Karakterisisian dilakukan pertama dengan perubahan ukuran patch antena sedangkan parameter lainnya tetap. Variasi ukuran sisi patch bujur sangkar ini dimulai dari 45 mm sampai 49 mm.
Gambar 4.3 Grafik Simulasi Return Loss dengan Perubahan Dimensi Patch Gambar 4.3 memperlihatkan karakterisasian antena dengan perubahan dimensi patch antena. Dari grafik diatas dapat kita lihat bahwa ukuran patch yang paling tepat untuk perancangan antena ini berada pada ukuran patch 46 x 46 mm.
Setelah mendapatkan ukuran patch antena paling optimal, selanjutnya dilakukan karakterisasian antena perubahan ukuran penjorok inset antena. Ukuran penjorok inset dimulai dari 17 mm sampai 10 mm.
Gambar 4.4 Grafik Simulasi Return Loss dengan Perubahan Ukuran Panjang Inset
Gambar 4.4 memperlihatkan karakterisasian antena dengan perubahan ukuran panjang inset antena. Dari grafik diatas bahwa panjang inset paling tepat untuk perancangan antena ini berada pada ukuran penjorok inset 11 mm.
4.2.2 Rancangan AMPBS Polarisasi Linear (PL)
Hasil simulasi yang optimal didapatkan dengan melakukan optimasi ukuran patch antena dan ukuran panjang inset antena. Pengamatan pada parameter antena dilihat dari nilai return loss dan VSWR diperlihatkan pada Gambar 4.5 dan Gambar 4.6.
Gambar 4.5 Grafik Hasil Simulasi Return Loss AMPBS PL
Gambar 4.6 Grafik Hasil Simulasi VSWR AMPBS PL
Dari hasil simulasi diatas dapat dilihat bahwa pada Gambar 4.5 nilai return loss pada frekuensi 1.575 bernilai -21.66 dB dan pada Gambar 4.6 VSWR pada frekuensi 1.575 bernilai 1.18. Sedangkan nilai axial ratio ditunjukkan pada Gambar 4.7 pada frekuensi 1.575 bernilai 202.5 dB.
Gambar 4.7 Grafik Hasil Simulasi Axial Ratio AMPBS PL
Dari hasil simulasi diatas ditunjukkan bahwa pada rancangan AMPBS optimal memiliki polarisasi linear (PL). Adapun antena yang memiliki karakteristik polarisasi lingkaran memiliki nilai axial ratio dibawah 3 dB. Maka untuk memiliki bentuk polarisasi melingkar dilakukan karakterisasi dengan pergeseran posisi pencatu dan pemotongan sudut patch pada antena. Berikut bentuk geometris AMPBS yang ditunjukkan Gambar 4.8.
(a)
(b)
Gambar 4.8 (a) Ukuran Ground plane dan Patch AMPBS PL (b) Ukuran pencatu dan inset AMPBS PL
4.3 Hasil Simulasi Rancangan AMPBS Polarisasi Melingkar (PM)
Setelah mendapatkan hasil rancangan AMPBS PL, untuk mendapatkan polarisasi melingkar dilakukan karakterisasi rancangan dengan pergeseran posisi pencatu antena dan pemotongan sudut patch antena.
4.3.1 Karakterisasian Rancangan dengan Pergeseran Posisi Pencatu
Berdasarkan perancangan awal dengan pemotongan sudut patch belum memenuhi parameter antena axial ratio yang belum dibawah 3 dB. Maka dari itu dilakukan optimasi perancangan antena dengan pergeseran posisi pencatu antena.
Dengan memperhatikan nilai axial ratio, return loss dan VSWR. Berikut hasil simulasi dengan pergeseran posisi pencatu.
Gambar 4.9 Grafik Hasil Simulasi Return Loss Antena dengan Pergeseran Posisi Pencatu
Gambar 4.10 Grafik Hasil Simulasi VSWR Antena dengan Pergeseran Posisi Pencatu
Gambar 4.11 Grafik Hasil Simulasi Axial Ratio Antena dengan Pergeseran Posisi Pencatu
Dari Gambar 4.9, 4.10 dan 4.11 dapat dilihat bahwa rancangan antena yang paling mendekati parameter antena yang ingin dirancang berada pada pergeseran posisi pencatu 8 mm. Berikut Tabel hasil karakerisasi pergeseran posisi pencatu menggunakan AWR Microwave.
Tabel 4.1 Hasil Karakterisasi Pergeseran Posisi Pencatu Besar Pergesera Posisi Pencatu (mm) Parameter yang Diamati
VSWR Axial ratio (dB) Return loss (dB)
7 2.576 2.719 -7.126
8 2.496 3.061 -7.389
9 2.456 3.497 -7.538
10 2.448 4.019 -7.578
11 2.46 4.019 -7.551
12 2.48 5.443 -7.494
Setelah mendapatkan hasil yang optimal dari pergeseran posisi pencatu dilakukan karakterisasi kembali dengn pemotongan sudut patch antena.
4.3.2 Karakterisasi Rancangan dengan Pemotongan Sudut Patch
Setelah mendapatkan hasil optimal dari pergeseran posisi pencatu maka dilakukan iterasi pemotongan sudut patch dimulai dari 2 mm sampai 10 mm, dengan memperhatikan parameter antena yaitu VSWR, return loss, dan axial ratio.
Gambar 4.12 Grafik Hasi Simulasi Return Loss Pemotongan Sudut Patch Dari Gambar 4.12 hasil simulasi return loss pemotongan sudut patch pada frekuensi 1.575 GHz masing-masing pemotongan -7.607 dB pada pemotongan 2 mm, -8.606 dB pada pemotongan 4 mm, -12.24 dB pada pemotongan 6 mm, -27.56 dB pada pemotongan 8 mm dan -14.49 dB pada pemotongan 10 mm.
Gambar 4.13 Grafik Hasil Simulasi VSWR Pemotongan Sudut Patch Dari simulasi VSWR pemotongan sudut patch pada Gambar 4.13 pada frekuensi 1.575 GHz masing-masing pemotongan 2.435 dB pada pemotongan 2 mm, 2.184 pada pemotongan 4 mm 1.647 pada pemotongan 6 mm, 1.101 pada pemotongan 8 mm dan 1.465 pada pemotongan 10 mm.
Gambar 4.14 Grafik Hasil Simulasi Axial Ratio Pemotongan Sudut Patch
Sedangkan untuk simulasi axial ratio pemotongan sudut patch pada Gambar 4.14 pada frekuensi 1.575 GHz masing-masing pemotongan 3.191 dB pada pemotongan 2 mm, 2.569 dB pada pemotongan 4 mm, 1.387 dB pada pemotongan 6 mm, 1.878 dB pada pemotongan 8 mm dan 4.04 dB pada pemotongan 10 mm.
Berdasarkan hasil simulasi menggunakan AWR Microwave pemotongan sudut patch, maka didapatkan hasil iterasi yang ditunjukkan pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Hasil Data Iterasi Simulasi Antena
Besar Pemotongan Sudut Patch (mm) Parameter yang Diamati
VSWR Axial ratio (dB) Return loss (dB)
2 2.435 3.191 -7.067
4 2.184 2.569 -8.606
6 1.647 1.387 -12.24
8 1.101 1.878 -27.56
10 1.465 4.04 -14.49
Berdasarkan Tabel 4.1 didapatkan hasil yang paling optimal berada pada pemotongan 8 mm dengan nilai VSWR sebesar 1.101, axial ratio 1.878 dB dan return loss -27.56 dB. Dari hasil pemotongan 8 mm diperoleh nilai gain dengan simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 4.15.
Gambar 4.15 Hasil Simulasi Gain AMPBS PM
Gambar 4.15 menunjukkkan nilai gain sebesar 5.346 dB, nilai ini digunakan untuk mengetahui arah radiasi sinyal atau penerimaan sinyal dari arah tertentu.
Berikut bentuk geometris AMPBS PM.
Gambar 4.16 Bentuk Gometris AMPBS PM
Ada dua antena yang difabrikasi yaitu antena rancangan awal dengan pemotongan sudut patch dan antena tanpa pemotongan sudut patch. Gambar 4.17 dan 4.18 menunjukkan antena yang akan di fabrikasi dirancang dengan Microsoft visio.
Gambar 4.17 AMPBS PL
Gambar 4.18 AMPBS PM
4.4 Fabrikasi Antena
Setelah diperoleh rancangan antena yang optimal, kemudian dilakukan fabrikasi dengan bahan substrat yang digunakan yaitu FR4 yang memiliki ketebalan 1,6 mm dan konstanta dielektrik 4,4.Antena ini dicetak di Jalan Ters.Jakarta NO 49/D3 Antapani Bandung Website: www.multikarya.com. Gambar 4.20 menunjukan hasil fabrikasi antena dengan pemotongan sudut patch dan tanpa pemotongan sudut patch.
(a)
(b)
Gambar 4.19 Hasil Fabrikasi Antena (a) AMPBS PL DAN (b) AMPBS PM
4.5 Hasil Pengkuran Antena
Berdasarkan hasil simulasi optimal dari rancangan AMPBS PL dan AMPBS PM maka rancangan difabrikasi, selanjutnya dilakukan pengukuran antena menggunakan VNA (Vector Network Analyzer) Anritsu.
4.5.1 Hasil Pengukuran AMPBS PL
Pada antena yang telah difabrikasi saluran pencatunya dihubungkan dengan konektor SMA 50 Ohm, kemudian diukur menggunakan VNA (Vector Network Analyzer) Anritsu untuk mendapatkan nilai VSWR. Berikut ini pengukuran nilai VSWR AMPBS PL, seperti ditunjukkan Gambar 4.20.
Gambar 4.20 Grafik Pengukuran VSWR AMPBS PL
Dari pengukuran menggunakan Vector Network Analyzer dapat dilihat bahwa nilai VSWR pada frekuensi 1.575 GHz 1.65 yang ditunjukkan pada marker 2 sekaligus sebagai VSWR minimum, pada frekuensi 1.563 GHz nilai VSWR 2.14
