PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA PLANAR ULTRA WIDEBAND BERBASIS METAMATERIAL MENGGUNAKAN SUBSTRAT FR-4

(1)

SEMINAR TUGAS AKHIR / 18 Juni 2014

PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA

PLANAR ULTRA

WIDEBAND

BERBASIS

METAMATERIAL

MENGGUNAKAN SUBSTRAT

FR-4

ADITYA HERDIYAN PRATAMA

NRP 2210 100 016

Dosen Pembimbing

Eko Setijadi, S.T., M.T., Ph.D.

Prasetiyono Hari Mukti, S.T., M.T., M.Sc.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya 2014

(2)

Outline

•

Pendahuluan

•

Dasar Teori

•

Implementasi Antena

Metamaterial Pada

•

Analisis Perbandingan

Hasil Simulasi dan

Pengukuran

•

Penutup

Metamaterial Pada

Substrat FR-4

•

Optimasi Antena

Metamaterial Pada

Substrat FR-4

Penutup

18/6/2014

Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena Planar Ultra Wideband Berbasis Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4

(3)

(4)

Latar Belakang

Kebutuhan akan perangkat nirkabel yang

meningkat

Permintaan akan performa perangkat nirkabel

yang tinggi

Antena dengan performa tinggi

18/6/2014

(5)

Antena dengan performa tinggi

•

Ukuran kecil

•

Bandwidth yang lebar

•

Penggunaan daya yang rendah

•

Penggunaan daya yang rendah

(6)

Antena Kecil?

Bandwidth Sempit, Efisiensi Daya Buruk,

Gain dan Directivity Kecil

18/6/2014

(7)

Solusi ?

•

Penggunaan sel Metamaterial untuk

peningkatan bandwidth, efisiensi daya dan

miniaturisasi ukuran

•

Penggunaan substrat FR-4 untuk menekan

biaya

(8)

Permasalahan

•

Melakukan Implementasi desain antena

metamaterial pada substrat FR-4 untuk

meningkatkan kinerja

•

Apakah Antena pada Substrat FR-4

•

Apakah Antena pada Substrat FR-4

Memberikan Kinerja yang Lebih Baik?

18/6/2014

(9)

Batasan Masalah

•

Analisis dilakukan pada pita frekuensi

Ultra

Wideband

(3.1 – 10 .6 GHz)

•

Substrat yang digunakan adalah jenis FR-4

dengan properti fisik (ɛ

r

= 4.3, μ

r

= 1)

dengan properti fisik (ɛ

r

= 4.3, μ

r

= 1)

•

Analisis perhitungan kualitas menggunakan

tingkat

return loss bandwidth

(

s11

< -10 dB)

•

Desain antena menggunakan software CST

Studio Suite 2011

(10)

Tujuan

•

Melakukan Analisa Implementasi desain

antena metamaterial pada substrat FR-4

•

Melakukan Optimasi Antena pada

Substrat FR-4

18/6/2014

(11)

(12)

Antena Mikrostrip

•

Definisi : antena yang berupa konduktor (biasanya berupa

plat tembaga) yang dicetak pada sebuah media dielektrik

yang disebut substrat

•

Bagian : Patch, Substrat, dan Ground

18/6/2014

(13)

Kelebihan:

•

Dapat berupa planar maupun non planar.

•

Mudah difabrikasi dengan teknik pencetakan

rangkaian

•

Dengan bentuk patch yang berbeda dapat

memberikan respon s11, pola radiasi dan

directivity yang berbeda-beda sesuai kebutuhan

Kekurangan:

•

Bandwidth sempit

•

Efisiensi daya buruk

(14)

Parameter Antena Mikrostrip:

•

Pola radiasi dan Gain

•

Return Loss

•

Bandwidth

•

Distribusi Arus

•

Distribusi Arus

18/6/2014

(15)

Ultra Wideband

Sinyal

Ultra Wideband

didefinisikan FCC dan ITU-R

sebagai sinyal yang memiliki

bandwidth

melebihi

500 MHz atau 20% dari frekuensi kerjanya serta

mencakup frekuensi diantara 3.1 – 10.6 GHz

(16)

Metamaterial Elektromagnetik

Metamaterial Elektromagnetik : struktur

elektromagnetik homogen buatan dengan

sifat elektromagnet yang tidak dapat ditemui

di alam

18/6/2014

(17)

(18)

Left Handed Metamaterial :

Sebuah material atau bahan elektromagnetik

yang memiliki indeks bias negatif yang

disebabkan permitivitas dan permeabilitas yang

bernilai negatif sehingga menimbulkan

gelombang elektromagnetik propagasi terbalik.

18/6/2014

(19)

Composite Right/Left Handed Metamaterial :

•

Saluran transmisi CRLH atau

composite right left

handed transmission line

adalah sebuah

implementasi

left-handed metamaterial

pada sebuah

implementasi

left-handed metamaterial

pada sebuah

saluran transmisi

•

Terdiri dari implementasi kapasitor

interdigital

dan

induktor

shunt

(

stub

) pada sebuah saluran transmisi

(20)

Interdigital Capacitor

Shunt Inductor

18/6/2014

(21)

IMPLEMENTASI DAN SIMULASI

ANTENA PADA SUBSTRAT FR-4

(22)

Implementasi pada Substrat FR-4

•

Substrat yang digunakan adalah FR-4 (ɛ

r

= 4.3,

μ

r

= 1) dengan ukuran 60 x 30 mm dan

ketebalan 1.6 mm.

•

Penyesuaian yang harus dilakukan :

•

Penyesuaian yang harus dilakukan :

–

Perubahan jenis port panel mount menjadi pcb

mount.

–

Panjang saluran transmisi.

–

Lebar saluran transmisi untuk mengakomodasi

port baru.

18/6/2014

(23)

(24)

S-Parameter (S11)

18/6/2014

(25)

Analisis Pengaruh Sel Metamaterial

(26)

S11

18/6/2014

(27)

(28)

Metode Optimasi

Parameter sweep

:

Optimasi dilakukan dengan melakukan tuning

dimensi antena dimana setiap dimensi antena

dirubah – rubah untuk menemukan pengaruh

setiap bagian antena tersebut pada respon

s

parameter

nya (s11).

18/6/2014

(29)

Dimensi Antena Pengaruh

L1 Return lossseluruh banddan bandwidth bandketiga

L2 Return lossseluruh band

L3 Return lossdan bandwidth bandketiga dan frekuensi 7 – 8 GHz W Return loss bandkedua, ketiga, dan frekuensi 7 – 8 GHz Ltl + Ground Return lossseluruh band

Ltl + Induktor 3 Return lossseluruh band

Wtl Return loss bandkedua, ketiga, frekuensi 4 – 5 GHz, dan frekuensi 7 – 8 GHz Wtl Return loss bandkedua, ketiga, frekuensi 4 – 5 GHz, dan frekuensi 7 – 8 GHz

Lc Return loss bandpertama, pergeseran frekuensi bandkedua, bandwidthdan return loss bandketiga

Wgc Return lossseluruh band, frekuensi 4 – 5 GHz, 7 – 8 GHz dan bandwidth bandkedua dan ketiga

Li Return loss bandpertama, ketiga dan frekuensi 7 – 8 GHz, bandwidth bandketiga

Wi Return loss bandpertama dan kedua

(30)

Dimensi yang Meningkatkan Kinerja :

•

Panjang lengan 1 antena dari 4.5 mm menjadi 4.25 mm

•

Panjang lengan 3 antena dari 4.5 mm menjadi 5 mm

•

Panjang saluran transmisi dari 15 mm menjadi 22.5

mm serta lebar

ground

dari 10 mm menjadi 17.5 mm

•

Panjang

interdigital capacitor

dari 2 mm menjadi 1.75

mm

•

Jarak antara konduktor kapasitor dari 0.26 mm menjadi

0.52 mm, lebar lengan antena dari 1.5 mm menjadi 2

mm, dan panjang lengan 2 dari 3.5 mm menjadi 4.5

mm

•

Panjang induktor 2 dari 6.15 mm menjadi 7.15 mm

18/6/2014

(31)

Implementasi Hasil Optimasi pada

Antena

(32)

Kode Deskripsi Dimensi Lama Dimensi Baru L1 Panjang Lengan 1 4.5 mm 4.25 mm L2 Panjang Lengan 2 3.5 mm 4.5 mm L3 Panjang Lengan 3 4.5 mm 5 mm Lc Panjang Interdigital capacitor 2 mm 1.75 mm Ltl Panjang Saluran Transmisi 15 mm 22.5 mm W Lebar Lengan Antena 1.5 mm 2 mm Wgc Jarak Antar Konduktor Kapasitor 0.26 mm 0.52 mm

Wtl Lebar Saluran Transmisi 0.8 mm 0.8 mm

Via Diameter Via 0.7 mm 0.7 mm Li1 Panjang Shunt Induktor 1 1.5 mm 1.5 mm Li2 Panjang Shunt Induktor 2 6.15 mm 7.15 mm Li3 Panjang Shunt Induktor 3 1.25 mm 1.25 mm Lg Panjang Ground 60 mm 60 mm Wi Lebar Induktor 0.75 mm 0.75 mm Wg Lebar Ground 10 mm 17.5 mm

18/6/2014

(33)

Hasil Simulasi

(34)

Pola Radiasi (θ)

18/6/2014

(35)

(36)

ANALISIS PERBANDINGAN HASIL

SIMULASI DAN PENGUKURAN

18/6/2014

(37)

(38)

Metode Pengukuran

18/6/2014

(39)

Hasil Pengukuran

S Parameter (s11)

-20 -10 0 R e tu rn L o s s [ d B ] S11 Simulasi Pengukuran 3 4 5 6 7 8 9 10 x 109 -60 -50 -40 -30 Frekuensi [Hz] R e tu rn L o s s [ d B ]

(40)

Pola Radiasi (θ)

0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 60 90 120 150 180 0 Pola Radiasi pengukuran simulasi 18/6/2014

40 210 240 270 300 330 180 0

(41)

(42)

Kesimpulan

•

Antena metamaterial

ultra wideband

yang dioptimasi menggunakan

substrat FR-4 memiliki

bandwidth

sebesar 5.94 GHz pada frekuensi

3.65 – 9.59 GHz.

•

Hasil fabrikasi dan pengukuran yang dilakukan memberikan hasil

•

Hasil fabrikasi dan pengukuran yang dilakukan memberikan hasil

yang kurang sesuai dengan simulasi dari segi

return loss

namun

tidak terjadi pergeseran frekuensi resonansi yang terlalu jauh. Hal

ini mungkin disebabkan kesalahan saat proses menyolder.

18/6/2014

(43)