DIPOLE CETAK 900 MHZ DAN 1800 MHZ UNTUK ANTENA REFERENSI Hendro Darmono
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang hendrodarmonoo@gmail.com
ABSTRACT
The objective of the research is to design the shape and size of the printed dipole antenna that will radiate energy at two 900 MHz and 1800 MHz frequencies. The antenna is printed on a FR4 double layer PCB with a 30 µm copper conductor thickness. The parameters tested were return loss, radiation pattern and antenna gain. The calculation of physical size yields a first arm size of 65 mm, and a second arm 25.8 mm. The antenna test results resonate at frequencies 916 MHz and 1848 MHz, return loss -19.8 dB at 916 MHz frequency with bandwidth of 280 MHz, and -14 dB at 1848 MHz frequency with 55 MHz bandwidth. Radiation pattern test results produce a directional pattern. The results of the strengthening test showed a value of -0.78 dB for a frequency of 916 MHz and at a frequency of 1884 resulted in a gain of -1 dB. Designed antennas have constraints in the design of balance to unbalance ¼ λ which only works
on one frequency but the design antenna can be used as a reference antenna at 900 MHz frequency.
Keywords: dipole antenna, return loss, radiation pattern, and gain
ABSTRAK
Tujuan penelitian adalah merancang bentuk dan ukuran antena dipole cetak yang akan meradiasikan energi pada dua frekuensi 900 MHz dan 1800 MHz. Antena dicetak pada PCB lapisan ganda FR4 dengan ketebalan konduktor tembaga 30 µm. Parameter yang diuji adalah return loss, pola radiasi dan penguatan antena. Perhitungan ukuran phisik menghasilkan ukuran lengan pertama 65 mm, dan lengan kedua 25.8 mm. Hasil pengujian antena beresonansi pada frekuensi 916 MHz dan 1848 MHz, return loss -19.8 dB pada frekuensi 916 MHz dengan bandwidth 280 MHz, dan -14 dB pada frekuensi 1848 MHz dengan bandwidth 55 MHz. Hasil pengujian pola radiasi menghasilkan pola direksional. Hasil pengujian penguatan menunjukkan nilai -0,78 dB untuk frekuensi 916 MHz dan pada frekuensi 1884 menghasilkan penguatan -1 dB. Antena hasil perancangan mempunyai kendala dalam perancangan
balance to unbalance ¼ λ yang hanya bekerja pada satu frekuensi namun demikian antena hasil
perancangan dapat digunakan sebagai antena referensi pada frekuensi 900 MHz. Kata kunci: antena dipole, return loss, pola radiasi, dan penguatan
PENDAHULUAN
Antena dipole banyak diaplikasikan pada sistem telekomunikasi diantaranya sebagai antena penerima televisi sampai pada jaringan telekomunikasi nirkabel 2,4 GHz. Selain mempunyai kelebihan, antena dipole juga memiliki kekurangan. Salah satu kelebihannya adalah keterarahan pemancaran gelombang elektromagnetik dan kekurangannya adalah nilai gain yang tidak cukup besar nilainya. Pengujian antena dalam sebuah laboratorium, salah satu antena acuan yang digunakan diantaranya antena
dipole karena dapat dikorelasikan langsung dengan isotropik. Pengujian untuk antena
mikrostrip telah banyak dilakukan yang mencakup pengujian polarisasi, polaradiasi, dan pengujian gain antena. Pengujian gain antena memerlukan antena referensi dan antena referensi yang sering digunakan adalah antena dipole non mikrostrip. Pengujian gain antena mikrostrip dengan antena acuan berstruktur mikrostrip atau cetak belum banyak dilakukan dengan alasan belum terstandarisasi.
Penelitian antena dipole cetak telah banyak dilakukan Z.G Fan (2009), tentang pengaruh rekaraya bentuk pentanahan terhadap kinetja antena, Constantionus Votis (2010) tentang pengaruh jarak antar peradiasi terhadap impedansi antena, C.F. Tseng (2009) tentang rekayasa bentuk peradiasi untuk perbaikan bandwidh impedance. Namun demikian penelitian tersebut di atas untuk antena yang bekerja pada satu frekuensi resonansi tertentu sehingga diduga penelitian antena dipole cetak yang menghasilkan lebih dari satu frekuensi resonansi untuk kebutuhan pengujian antena belum dilakukan.
Rumusan Masalah dalam penelitian ini adalah (1) Bagaimana bentuk dan ukuran antena dipole yang beresonansi pada frekuensi 900 MHz dan 1800 MHz, (2) Berapa
gain antena dipole mikrostrip terhadap antena dipole batang standar yang digunakan
sebagai acuan.
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang antena dipole cetak yang dapat digunakan sebagai antena referensi pada frekuensi 900 MHz dan/atau 1800 MHz. Metode Penelitian
Metoda yang digunakan pada penelitian adalah eksperimen yang mencakup perencanaan bentuk dan ukuran antena, bahan antena, dan pengujian parameter antena. Parameter yang diuji adalah panjang lengan dipole terkait dengan frekuensi resonansi,
dan panjang transformer terhadap nilai impedansi di titik catu antena sedangkan pengujian mencakup pengujian return loss, gain, polaradiasi, dan polarisasi.
2.1 Perancangan
Perancangan mencakup perancangan bentuk antena dan ukuran antena. Hasil perhitungan diuji dengan perangkat lunak sehingga diperoleh hasil yang diharapkan. Ukuran dipole diperoleh dengan memposisikan panjang masing masing lengan 1/4 λ sehingga panjang keseluruhan ½ λ. Faktor pemendekan dipertimbangkan agar impedansi pada titik catu peradiasi bersifat resistansi.
Frek. 900 MHz Frek. 1800 MHz λ = c f! λ =3x10! 𝑚/𝑑𝑒𝑡 925x10! 𝐻𝑧 λ = 0.3243 m 1 2λ = 1 2x0.3243 m 1 2λ = 0.16215 m 1 2λ = 162.15 mm λ = c f! λ =3x10! 𝑚/𝑑𝑒𝑡 1795x10!𝐻𝑧 λ = 0.1671 m 1 2λ = 1 2x0.1671 m 1 2λ = 0.08355 m 1 2λ = 83.55 mm
Penentuan panjang transformer ¼ λ pada dipole, frekuensi resonansi yang dipilih
adalah frekuensi tengah pada range frekuensi sebesar fr = 1385MHz, maka panjang
saluran transformer (LT) (Johnson, 1993:7-5):
λ = c f! λ = 3x10! 1385x10! λ = 0.2166 m L! =1 4λ
L! =1
4x 0.2166 m
L! = 0.05415 m
L! = 54.15 mm
Penentuan lebar saluran (WZ) antena dengan Zo yang diinginkan 50 Ω digunakan
persamaan (Johnson, 1993:7-5):
Z!= 377
ε!
h
W!
dari persamaan di atas, dapat diketahui nilai WZ sebagai berikut :
W! =377 ε! h Z! W! = 377 4.4 1.47 50 W! = 554.19 104.8808848 W! ≈ 6.00 mm
Bentuk dan ukuran antena direncanakan berdasarkan konsep frekuensi resonansi dan konsep transformasi dipole ke monopole. Bentruk dipole terdiri atas dua elemen dengan panjang yang tidak sama. Elemen pertama akan beresonansi pada frekuensi yang lebih rendah dan elemen kedua beresonasi pada frekuensi lebih tinggi.
81 mm 81 mm 6 m m 6 m m 6 m m 6 m m 54 .1 5 m m 54 .1 5 m m 10 m m 10 m m 21.56 mm 42 mm 42 mm
2.2 Pengujian dengan Perangkat Lunak
Pengujian dengan perangkat lunak diperlukan agar bentuk dan ukuran antena diperoleh sesuai dengan harapan. Hasil pengujian dengan perangkat lunak diperliharkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Hasil simulasi return loss antena dipole Return Loss (dB)
Frek. (MHz)
Pengurangan ukuran masing-masing lengan 0 mm 10 mm 12 mm 14 mm 16 mm 900 -14.3 -14.7 -16.0 -15.7 -18.6 925 -14.3 -14.6 -15.9 -15.1 -17.6 930 -14.2 -14.5 -15.7 -15.2 -16.7 1790 -14.1 -13.7 -14.7 -13.7 -13.9 1795 -13.7 -13.2 -13.7 -13.7 -13.9 1800 -12.5 -12.5 -13.50 -12.4 -12.6
Hasil menunjukkan bahwa ukuran peradiasi antena yang sesuai adalah 65 mm dan 25,8 mm. 65.00 mm 65.00 mm 6 m m 6 m m 6 m m 6 m m 5 4 .1 5 m m 5 4 .1 5 m m 1 0 m m 1 0 m m 20 mm 25.8 mm 25.8 mm
Gambar 2 Ukuran antena dari hasil simulasi
Ukuran antena yang akan diuji kemungkinan tidak sama dengan nilai ukuran yang dimaksud karena keterbatasan teknologi proses cetak.
Gambar 4 Tampak belakang antena dipole HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian parameter antena mencakup pengujian return loss, pengujian pola radiasi,
dan gain antena dengan rentang frekuensi 890 MHz sampai 960 MHz, dan 1710 MHz
sampai 1880 MHz.
Pengujian Return Loss
Tujuan pengujian return loss adalah untuk mengetahui nilai return loss dari antena. Pengujian return loss menggunakan perangkat spectrum analyzer yang dilengkapi dengan sebuah directional coupler, dan konektor adapter dari SMA ke BNC sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 5
Gambar 5 Koneksi pengujian return loss
Hasil pengujian return loss menunjukkan bahwa antena beresonansi pada dua frekuensi yaitu pada frekuensi 916 MHz dan 1848 MHz seperti diperlihatkan dalam
Gambar 6. yang menujukkan nilai return loss antena dipole pada frekuensi 916 MHz
sebesar - 42,8 dBm dan -37 dBm pada frekuensi 1848 MHz. Nilai yang terbaca sebesar -42,8 dBm belum merupakan nilai sebenarnya dari nilai return loss antena. Nilai yang
terbaca mencakup pelemahan directional coupler (DC) sebesar 20 dB dan acuan perangkat sebesar -3 dB dengan demikian nilai return loss dari AUT (antenna under
test) sebesar -19.8 dB. fL = 850 MHz fH = 1130 MHz Bandwidth = 280 MHz -32.5 -33.5
Gambar 6 Hasil pengujian return loss pada fr= 916 MHz.
Nilai return loss yang terbaca pada frekuensi 1848 MHz sebesar - 37 dBm, sedang pada frekuensi 1825 MHz dan terbaca -35.5 dBm pada frekuensi 1880 MHz, dengan demikian nilai return loss antena pada kedua frekuensi tersebut berturut turut sebesar
-14 dBm dan -12,5 dBm sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 7
fL = 1825 MHz
fH = 1880 MHz
-35.5
Bandwidth = 55 MHz
Gambar 7 Hasil pengujian return loss pada fr= 1848 MHz.
Nilai return loss (RL) antena mempunyai kaitan erat dengan parameter SWR (standing wave ratio) dan nilai koeffisien pantul antena. Keterkaitan parameter tersebut dijabarkan sebagaimana dituangkan pada persamaan
RL = 20 log |Г|
|Г|= 0.102
Hasil perhitungan koefisien pantul Г| dapat diperoleh nilai VSWR sebesar 1.227
dan nilai impedansi input antena (Zin) pada frekuensi resonansi 916 MHz sebesar
Г =Z!"− Z! Z!"+ Z!
0.102 =Z!"− 50Ω
Z!"+ 50Ω
Z!" = 61.359 Ω
Perbandingan nilai return loss simulasi dan pengukuran untuk rentang frekuensi 850 MHz s/d 1130 MHz ditampilkan pada grafik sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 8
Gambar 8 Grafik perbandingan return loss hasil simulasi dan pengujian
Pengujian Gain Antena
Pengujian gain antena dipole dilakukan untuk mengetahui berapa nilai gain antena jika dibandingkan dengan antena dipole batang yang selama ini digunakan sebagai antena acuan pada setiap pengukuran antena. Hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel 2
Tabel 2 Hasil pengujian gain antena dipole No. Frek (MHz) Eref dipole batang λ/2 (dB) EAUT dipole mikrostrip (dB) Gain (dB) 1 890 -48.3 -49.9 -6.4 2 900 -43.4 -45.4 -2 3 910 -42.8 -43.9 -1 4 912 -43.4 -45.4 -2 5 914 -43.5 -44.6 -1.1 -11.6 -16 -16.6 -16.1 -14.7 -13.5 -13 -9.5 -18 -19.8 -19 -15.5 -13 -9.5 -30 -20 -10 0 850 890 916 925 960 1110 1130 Hasil Simulasi Hasil Pengukuran Frekuensi (MHz) Re tu rn L os s (d Bm)
6 916 -43.5 -42.3 1.2 7 918 -43.1 -44.1 -1 8 920 -43.8 -43.6 0.2 9 930 -48.2 -48.9 0.7 10 940 -47.1 -46.1 1 11 950 -46.5 -45.7 0.8 12 960 -41.5 -41.7 0.2 rata-rata -44.6 -45.1 -0.78
Pada rentang frekuensi 890 MHz s/d 960 MHz, antena dipole mikrostrip mempunyai nilai gain yang lebih rendah dibanding dipole batang. Hal ini dapat dimengerti bahwa secara struktur phisik antena dipole batang lebih besar dan alasan kedua adalah daya yang diterima pada titik catu antena mikrostrip lebih kecil dibanding antena dipole batang. Demikian pula pada rentang frekuensi 1710 MHz s/d 1880 MHz,
gain antena mikrostrip lebih rendah 1,05 dB.
Tabel 3 Hasil pengujian gain antena dipole frekuensi untuk 1710 s/d 1884 MHz No. Frek (MHz) Erefantena dipole batang λ/2 (dB) EAUT dipole mikrostrip (dB) Gain (dBd) 1 1710 -72.5 -75.7 -3.2 2 1730 -70 -72.2 -2.2 3 1750 -63.9 -64.9 -1 4 1770 -67.1 -67.5 -0.4 5 1790 -61.3 -62.7 -1.4 6 1810 -58.6 -60.2 -1.6 7 1830 -63.6 -63.1 0.5 8 1840 -53.4 -54.1 -0.7 9 1842 -52.9 -51.8 1.1 10 1844 -52.2 -50.9 1.3 11 1846 -52.8 -52.2 0.6 12 1848 -53.2 -52.4 0.8 No. Frek (MHz) Erefantena dipole batang λ/2 (dB) EAUT dipole mikrostrip (dB) Gain (dBd) 13 1860 -51.4 -54.9 -3.5 14 1880 -55.3 -60.3 -5 Rata-rata -59.2 -60.2 -1.05 Pengujian Polaradiasi
Tujuan pengujian pola radiasi adalah untuk mengetahui bentuk pola radiasi antena
dipole menggambarkan diagram polar pola radiasi antena.
Pengujian pola radiasi dilakukan dengan cara memutar secara azimuth antena penerima
(dipole) dari 0o sampai 360o dengan jarak antena pemancar dan penerima dijaga tetap.
dengan signal generator. Pada pengujian ini antena dipole mikrostrip berfungsi sebagai antena undertest.
Hasil pengujian ditunjukkan dalam Gambar 9 untuk frekuensi 916 MHz. Pola radiasi yang diperoleh adalah directional dengan nilai maksikum pada sudut 20 ° dan nilai minimum pada sudut 90 °. Demikian pula untuk frekuensi 1884 MHz, Pola radiasi yang diperoleh adalah directional dengan nilai maksikum pada sudut 20 ° dan nilai minimum pada sudut 90 °. Pada sudut 0°, besarnya daya yang diterima lebih rendah jika dibandingkan sudut 10° . Hal ini disebabkan adanya pemantulan pada ruang uji yang sifatnya dapat melemahkan sinyal yang langsung arah antena.
Back lobe dan side lobe yang muncul pada pola terjadi karena radiasi pada arah yang tidak diinginkan dan tidak dapat dihilangkan serta kemungkinan pengaruh pemantulan-pemantulan pada ruang.
Gambar 9 Diagram polar pola radiasi antena dipole pada frekuensi 916 MHz
-‐0.5 0 -‐0.8 -‐1.2 -‐3 -‐4 -‐9.1 -‐6.7 -‐7.1 -‐5.4 -‐10.7 -‐8.7 -‐10.2 -‐9.8 -‐12.6 -‐10.5 -‐8.5 -‐9.1 -‐9.7 -‐9.1 -‐8.5 -‐10.5 -‐12.6 -‐9.8 -‐10.2 -‐8.7 -‐10.7 -‐5.4 -‐7.1 -‐6.7 -‐9.1 -‐4 -‐3 -‐1.2 -‐0.8 0 -‐14 -‐12 -‐10 -‐8 -‐6 -‐4 -‐2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Pola radiasi MAIN LOBE BACK LOBE
Gambar 10 Diagram polar pola radiasi antena dipole pada frekuensi 1844 MHz Kesimpulan
Berdasarkan hasil perencanaan dan pengujian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Hasil pengujian antena dipole didapatkan nilai ukuran lengan pertama 65 mm dan lengan kedua 25,8 mm yang menghasilkan frekuensi resonansi pertama 916 MHz dan 1884 MHz
2. Gain antena mikrostrip pada rentang frekuensi 890 MHz s/d 960 Mhz bernilai lebih rendah 0,78 dB dibanding dipole batang dan lebih rendah 1,05 dB untuk rentang frekuensi 1710 MHz s/d 1880 MHz.
DAFTAR PUSTAKA
Balanis, Constantine A. 2005. Antena Theory Analisis dan Design Third Edition. New York: John Wiley & Sons, Inc.
Brown. 1982. Line, Wave and Antenna, Wiley, USA
Constantinus Votis, Measurement of Balun and Gap Effects in a Dipole Antenna, Int. J
Communications, Network and System Sciences, 2010, 3, 434-440
C.F Tseng, Design of a Plannar UWB Dipole Antenna with Band Notched
Characteristic, Progress In Electromagnetics Research, Vol 11. 1 – 10, 2009
Garg, 2002. Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, Norwood, England Nasimuddin. 2011. Microstrip Antenas. India: Intechweb, Org.
Sinnema W.1988. Electronic Trasmission Technology, Prentice Hall, New Jersey, USA. p 15 – 17 -‐2.4 -‐1.4 0 -‐1 -‐1.3 -‐4 -‐4.5 -‐5.3 -‐9.7 -‐4.7 -‐4.3 -‐4 -‐7.9 -‐5.9 -‐4.8 -‐6.7 -‐6.1 -‐5 -‐3.9 -‐5 -‐6.1 -‐6.7 -‐4.8 -‐5.9 -‐7.9 -‐4 -‐4.3 -‐4.7 -‐9.7 -‐5.3 -‐4.5 -‐4 -‐1.3 -‐1 0 -‐1.4 -‐10 -‐8 -‐6 -‐4 -‐2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 Pola radiasi MAIN LOBE BACK LOBE
Wong. 2002. Compact and Broadband Microstrip Antennas. John Wiley and Sons, Inc, New York.
Z. G Fan, 2007, A Miniaturized Printed Dipole Antenna with V Shaped Ground for 2,45 GHz RFID Reader, Progress in Electromagnetics Research, PIER 71, 149-158
