PENERAPAN METODE MULTI-SUBSTRAT UNTUK MENINGKATKAN PERFORMA ANTENA MIKROSTRIP DENGAN MENGGUNAKAN CST
MICROWAVE STUDIO
Denny Kurniadi1 Khairi Budayawan2
ABSTRACT
Improved the performance of microstrip antenna is the attention of many researchers, both in terms of efficiency, gain, bandwidth, and radiation pattern. Many methods have been used to improve the performance of the antenna. In this study, the antenna built is rectangular microstrip antenna that works on the resonant frequency of 2.45 GHz.
One of solution is using multi-substrate method to get a small dielectric constant and thick substrate, so that the efficiency, gain and bandwidth antenna will be increased. Multi-substrate method will produce the equivalent dielectric constant, which is the prediction of the dielectric constant of multi-substrate. Calculation of the antenna dimensions using transmission line method, and the calculation of the equivalent dielectric constant using the expression approach.
The experimental results show an improved performance of microstrip antenna in terms of efficiency, gain and bandwidth, where the antenna that has the equivalent dielectric constant is close to the dielectric constant of air has a better performance. Value of efficiency, gain and bandwidth for the antenna at a resonant frequency 2.45 GHz is 95%, 8.6dB, and 4.2% respectively.
Keywords : microstrip antenna, dielectric, bandwidth
INTISARI
Peningkatan performa antena mikrostrip menjadi perhatian banyak peneliti, baik dalam hal efisiensi, gain, bandwidth, dan pola radiasi. Banyak metode yang telah digunakan untuk meningkatkan performa antena. Dalam penelitian ini, antena yang dibuat adalah antena mikrostrip persegi panjang yang bekerja pada frekuensi resonansi 2.45 GHz.
Salah satu solusinya adalah dengan menggunakan metode multi-substrat untuk mendapatkan konstanta dielektrik yang kecil dan substrat yang tebal agar efisiensi, penguatan dan bandwidth antena meningkat. Metode multi-substrat ini akan menghasilkan konstanta dielektrik ekuivalen yang merupakan prediksi konstanta dielektrik untuk multi-substrat. Penghitungan dimensi antena menggunakan metode jalur transmisi, dan penghitungan konstanta dielektrik ekuivalen dengan menggunakan metode ekspresi pendekatan.
Hasil eksperimen memperlihatkan adanya peningkatan performa antena mikrostrip dalam hal efesiensi, gain dan bandwidth, dimana antena yang memiliki konstanta dielektrik ekuivalen yang mendekati konstanta dielektrik udara memiliki
1 Dosen Teknik Elektronika Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang 2
performa yang lebih baik. Nilai efisiensi, gain dan bandwidth untuk antena tersebut pada frekuensi resonansi 2.45 GHz adalah 95%, 8.6dB dan 4.2%. Kata Kunci : microstrip antena, dielektrik, bandwidth
PENDAHULUAN
Akhir-akhir ini popularitas aplikasi nirkabel semakin bertambah, baik dalam dunia industri maupun dalam kehidupan sosial. Kebutuhan aplikasi nirkabel yang tinggi karena kemampuan mobilitinya. Hal ini dapat kita lihat bahwa saat ini penggunaan telepon nirkabel dan internet nirkabel sudah menjadi kebutuhan dasar [1]. Kemampuan nirkabel pada perangkat tersebut didapat karena adanya perangkat antena didalamny. Antena tersebut berfungsi sebagai transducer gelombang elektromagnetik, pada mode pemancar mengubah gelombang listrik menjadi gelombang elektromagnetik untuk dipancarkan ke udara bebas, dan pada mode penerima akan menangkap gelombang elektromagnetik pada udara bebas dan mengubahnya menjadi gelombang listrik.
Ada beberapa tipe antena, diantaranya adalah antena kawat, antena aperture, antena mikrostrip, antena array, antena reflector dan antena lensa. Diantara antena tersebut, yang paling terkenal dan banyak digunakan adalah antena mikrostrip. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip mempunyai beberapa kelebihan diantaranya adalah profil rendah, ringan,
compact dan comformable, murah dan mudah dalam pembuatan, tahan terhadap pengaruh lingkungan, dan kemampuan terintegrasi dengan perangkat lain dalam satu chip atau rangkaian [2].
Bagaimanapun, antena mikrostrip juga mempunyai beberapa kekurangan yaitu; mempunyai bandwidth sempit, polarisasi jelek, efisiensi rendah, dan penguatan rendah [3]. Untuk mengatasi salah satu atau beberapa keterbatasan tersebut, beberapa teknik telah digunakan seperti probe fed stacked, substrat tebal, slotted patch, dan stacked shorted patches [4][5].
Untuk mendapatkan antenna mikrostrip yang mempunyai efisiensi tinggi, penguatan tinggi dan bandwidth lebar, banyak parameter yang harus dipertimbangkan. Sebagaimana terlihat pada gambar 1, secara teori, untuk mendapatkan antena mikrostrip efisiensi tinggi maka konstanta dielektrik dan ketebalan substrat harus rendah, tapi hal ini akan mengakibatkann bandwidth menjadi berkurang akibat berkurangnya ketebalan substrat [6]. Untuk mendapatkan performa yang diinginkan adalah dengan membuat konstanta substrat menjadi rendah dan substrat tebal.
Gambar 1. Grafik efisiensi dan bandwidth terhadap tebal substrat dengan frekuensi resonansi konstan untuk antena mikrostrip (Balanis, 1997).
PENDEKATAN PEMECAHAN MASALAH
Antena Mikrostrip Persegi Panjang
Antena mikrostrip persegi panjang dapat didesain dengan menggunakan model jalur transmisi.
Antena mikrostrip persegi panjang dengan bandwidth kurang dari 1% atau lebih besar dari 4% membutuhkan analisis rongga untuk hasil lebih akurat, tetapi model jalur transmisi mencakup banyak desain [7].
Gambar 2. Antena mikrostrip persegi panjang Gambar 2 memperlihatkan
tampak atas dan tampak samping antena mikrostrip persegi panjang. Sebuah patch persegi panjang
didefinisikan dengan panjang L dan lebar W. Parameter yang paling penting dibutuhkan untuk desain antena adalah lebar dan panjang
h t εr W L Feed point x patch
patch. Akurasi nilai lebar dan panjang sangat mempengaruhi hasil. Lebar W patch diberikan oleh [7]
(1) dan panjang L patch adalah
(2) dimana c = kecepatan cahaya f = frekuensi resonansi ΔL = penambahan panjang patch akibat efek dari radiasi tepi. εeff = konstanta
dielektrik efektif dari substrat.
Panjang L harus lebih sedikit lebih kecil dari λ/2, dimana λ adalah panjang gelombang dalam media dielektrik. Disini, λ adalah sama dengan , dimana λ0 adalah
panjang gelombang pada udara bebas. Nilai konstanta dielektrik efektif εeff adalah sedikit lebih kecil
dari konstanta dielektrik dari substrat εr, karena medan radiasi tepi sekitar
patch tidak hanya terbatas pada substrat tetapi juga pada udara sebagai mana ditunjukkan pada gambar 3. Radiasi terjadi dari medan tepi. Medan ini memperpanjang rangkaian terbuka efektif (dinding magnetik) hingga diluar tepi. Perpanjangan ini diberikan oleh [8][9].
(3)
dimana h adalah ketebalan substrat, dan konstanta dielektrik efektif εeff
adalah
(4) Lebar W Patch mempunyai efek kaca pada frekuensi resonansi dan
pola radiasi antena. Ini mempengaruhi tahanan input dan bandwidth menjadi lebih besar. Lebar L patch yang besar meningkatkan radiasi daya dan penurunan tahanan resonansi, menambah bandwidth, dan menambah efisiensi radiasi.
Gambar 3 Distribusi medan elektrik pada antena mikrostrip
persegi panjang
Model jalur transmisi merepresentasikan patch sebagai jalur mikrostrip impedansi rendah dimana lebar W menentukan impedansi dan konstanta dielektrik efektif. Sebuah kombinasi conductance radiasi plat parallel dan beban susceptance kapasitif meradiasi pada tepi patch. Radiasi conductance untuk plat parallel diberikan oleh [10].
(5) Susceptance kapasitif relatif terhadap perpanjangan jalur efektif:
(6) Conductance input patch feed pada tepi akan dua kali conductance dari satu slots tepi, sehingga tahanan input Re pada tepi menjadi
(7)
dan jarak x dari tengah patch adalah (8)
dimana Ri adalah tahananan input
(50 ohm).
Antena Mikrostrip Multi-Substrat
Antena mikrostrip metode multi-substrat merupakan salah satu metoda untuk meningkatkan performa antenna dari segi penguatan, bandwidth, dan efisiensi antenna, dimana dengn metode ini, konstanta dielektrik substrat dapat diatur sesuai kebutuhan.
Gambar 4 Geometri dari antena mikrostrip segiempat metode multi-substrat
Geometri dari antena mikrostrip segiempat dengan metode multi-substrat ditunjukkan pada gambar 4. Struktur antena
multi-substrat dapat dianalogikan kedalam bentuk antena satu substrat seperti pada gambar 5.
Gambar 5 Struktur antena mikrostrip, (a) dengan multi-substrat, dan (b) ekuivalen.
Substrat multi-substrat dapat dihitung sebagai ekuivalen substrat
satu lapis dengan ketebalannya h adalah (h = h1 + h2 + h3) [11]. εr1 εr2 εr3 h3 h2 h1 εreq h
a.
b.
ε1, h1 ε3, h3 ε2, h2 L W xKonstanta dielektrik ekuivalen diperoleh dari modifikasi formula untuk antena dua-substrat [12].
(9)
dimana
εr1, εr2, εr3 adalah konstanta
dielektrik lapisan 1, 2, dan 3 h1, h2, h3 adalah ketebalan
substrat lapisan 1, 2, dan 3
Gambar 6. Flowchart prosedur desain antena HASIL DAN PEMBAHASAN
Antena mikrostrip multi-substrat di desain berdasarkan model perhitungan jalur transmisi sebagaimana ditunjukkan pada tabel 1. Konstanta dielektrik ekuivalen bergantung pada konstanta dielektrik dan ketebalan dari setiap lapisan substrat. Pada tabel tersebut terlihat bahwa konstanta dielektrik ekuivalen untuk antena 4 lebih kecil
dibandingkan antena yang lain. Ini adalah pengaruh dari substrat lapisan kedua yang merupakan lapisan udara yang mempunyai konstanta dielektrik r = 1 dan
memiliki ketebalan yang lebih tebal dibandingkan antena lain. Konstanta dielektrik ekuivalen untuk antena 1 juga kecil, tapi tidak mendekati konstanta dielektrik udara, karena ketebalan lapisan udara ini tidak Studi
Literatur Start
Menentukan tipe antena mikrostrip
Menentukan spesifikasi antena mikrostrip (frekuensi resonansi 2.45GHz, return loss <-9.54dB, directional)
Menghitung dimensi antena mikrostrip berdasarkan teori Simulasi menggunakan CST MWS Spesifikasi ditemui? End Tidak Ya tuning
setebal antena 4. Secara teori, konstanta dielektrik yang rendah akan menambah dimensi dari patch antena. Karena itu, antena 4 mempunyai ukuran patch yang lebih
besar dibandingkan antena lain. Pengaruh dari variasi ketebalan lapisan 2 dapat dilihat pada gambar 7
Tabel 1 Perhitungan parameter untuk antena mikrostrip ekuivalen.
Parameters Antenna 1 Antenna 2 Antenna 3 Antenna 4 Konstanta dielektrik substrat 1,
εr1
4.4 4.4 2.2 2.2
Konstanta dielektrik substrat 2, εr2
1 2.2 4.4 1
Konstanta dielektrik substrat 3, εr3
4.4 4.4 2.2 2.2
Tebal substrat 1, h1 (mm) 1.60 1.60 0.508 0.508
Tebal substrat 2, h2 (mm) 1.60 0.508 1.60 3
Tebal substrat 3, h3 (mm) 1.60 1.60 0.508 0.508
Konstanta dielektrik ekuivalen, εreq 2.063 3.87 3.169 1.16 Tebal ekuivalen, h (mm) 4.80 3.708 2.616 4.016 Panjang patch, L (mm) 36.00 28.40 32.37 50.25 Lebar patch, W (mm) 42.63 31.12 34.39 56.84 Titik Feed, x0 (mm) 8.30 6.10 6.10 10.26
Gambar 7. Grafik konstanta dielektrik ekuivalen dari antena
mikrostrip multi-substrat dengan variasi pada ketebalan substrat 2.
Gambar 8 memperlihatkan simulasi return loss setiap antena ekuivalen yang dihitung dengan menggunakan persamaan 9. Dari
gambar tersebut dapat dilihat bahwa, secara umum frekuensi resonansi dari antena ekuivalen adalah sekitar 2.45 GHz.
Gambar 8. Simulasi return loss dari antena mikrostrip multi-substrat
Hasil simulasi return loss dari antena mikrostrip multi-substrat di tunjukkan pada gambar 9.
(b)
Gambar 9. Simulasi return loss dari antena mikrostrip multi-substrat (a) magnitude, (b) phase.
Hasi pengukuran return loss untuk antena mikrostrip multi-substrat ditunjukkan pada gambar 10. Bandwidth dari antena 1, 2, 3
dan 4 adalah 5.48%, 5.08%, 3.75% dan 4.23%. Return loss untuk antena 1, 2, 3 dan 4 adalah 21dB, -23dB, -12dB dan -33.53dB.
(b)
Gambar 10. Hasil pengukuran return loss antena mikrostrip multi-substrat (a) magnitude, (b) phase.
Gambar 11. Hasil pengukuran impedansi input antena mikrostrip multi-substrat.
Hasil pengukuran impedansi input ditunjukkan pada gambar 11, dimana impedansi input keempat antena pada frekuensi resonansi 2.45 GHz berada di area SWR=2. Gambar 12 memperlihatkan hasil simulasi pola radiasi pada frekuensi resonansi 2.45 GHz untuk keempat antena. Pola radiasi E-plane adalah lebih direktif dibandingkan H-plane. Antena dengan konstanta dielektrik ekuivalen yang rendah lebih direktif,
dimana lebar sudut (3dB) pada E-plane untuk antena 1, 2, 3, dan 4 adalah 80°, 93.3°, 91.4° dan 65.9°, dan lebar sudut (3dB) pada H-plane untuk antena 1, 2, 3, dan 4 adalah 79.1°, 94.4°, 94.5° dan 70.7°. Level side lobe pada E-plane untuk antena 1, 2, 3, dan 4 adalah 18.6dB, -12.2dB, -11.4dB, dan -14.9dB, dan level side lobe pada H-plane untuk antena 1, 2, 3, dan 4 adalah 18.6dB, 12.2dB, 11.4dB, dan
15.1dB. Jadi, dapat disimpulkan bahwa level side lobe akan
berkurang sebagaimana konstanta dielektrik ekuivalen berkurang.
Gambar 12. Simulasi pola radiasi dari antena mikrostrip multi-substrat (a) E-plane, and (b) H-plane.
Efisiensi radiasi antena yang tinggi terjadi pada antena yang memiliki lapisan substrat udara, seperti yang terlihat pada gambar 13, dimana efisiensi radiasi antena 4 dan 1 pada frekuensi resonansi 2.45 GHz lebih dari 85% dibandingkan antena 2 dan 3 adalah kurang dari
80%. Pengaruh lapisan substrat udara ini juga meningkatkan penguatan (gain) antena, dimana antena 4 dan 1 pada frekuensi resonansi 2.45 mempunyai gain lebih dari 6.5 dB, dan sebaliknya pada antena 2 dan 3 memiliki gain kurang dari 5.2 dB, sebagaimana
(b)
30 0 60 90 120 150 180 -30 -60 -120 -150(a)
30 0 60 90 120 150 180 -30 -60 -120 -150ditunjukkan pada gambar 14. Hasil fabrikasi untuk keempat antena
ditunjukkan pada gambar 15.
Gambar 13. Simulasi efesiensi radiasi dari antena mikrostrip multi-substrat.
Gambar 14. Simulasi penguatan (gain) dari antena mikrostrip multi-substrat.
Tampak atas Tampak samping (c)
Tampak atas Tampak Samping
(b)
Tampak atas Tampak samping
Gambar 15. Hasil fabrikasi dari antena mikrostrip multi-substrat, (a) antena 1, (b) antena 2, (c) antena 3, (d) antena 4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil eksperimen, dapat disimpulkan bahwa;
Metoda ekspresi pendekatan dapat digunakan untuk menghitung konstanta dielektrik ekuivalen kombinasi tiga substrat,
Antena yang
dikombinasikan dengan substrat udara memiliki konstanta dielektrik yang rendah dan sekaligus meningkatkan performa antena dalam hal efisiensi, penguatan dan bandwidth yang besar dibandingkan substrat lain.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Abdullah, R. R., Yoharaaj, D., & Ismail, A. (2008). Bandwidth Enhancement for Microstrip Antenna in Wireless Applications. Modern Applied Science , 2 (6), 179-187.
[2] Balanis, C. A. (1997). Antenna Theory: Analysis and Design. New York, USA: John Wiley & Sons, Inc.
[3] Balanis, C. A. (2008). Modern Antenna Handbook. Canada: John Wiley & Sons, Inc.
[4] Carver, K. R., & Mink, J. W. (1981). Microstrip Antenna Technology. IEEE Transactions on Antennas and Propagation , AP-29 (1), 2-24.
[5] Chen, Z. N., & Luk, K. M. (2009). Antennas for Base Stations in Wireless Communications. New York, USA: The McGraw-Hill Companies.
[6] Fang, D. G. (2010). Antenna Theory and Microstrip Antennas. Boca Raton, USA: CRC Press Taylor & Francis Group.
[7] Farida, S. F., Hadalgi, P. M., Hunagund, P. V., & Ara, S. R. (1998). Effect of Substrate Thickness and Permittivity on The Characteristics of Rectangular Microstrip Antenna. Precision Electromagnetic Measurements Digest (pp. 598-599). IEEE.
[8] Kraus, J. D., & Marhefka, R. J. (1997). Antennas for All Applications. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited.
[9] Milligan, T. A. (2005). Modern Antenna Design (2 ed.). New
Tampak atas Tampak samping
Jersey, USA: A John Wiley & Sons, Inc.
[10] Schantz, H. G. (2001). Measurement of UWB Antenna Efficiency. Vehicular Technology Conference. 2, pp. 1189-1191. IEEE. [11] Srivastava, D. K., Vishwvakarma, B. R., Saraswat, R. C., & Saini, J. P. (2007). Investigation of Effect of Substrate Thickness and Permittivity of Rectangular Microstrip Antenna for Bandwidth Enhancement. International Conference on Information and Communication Technology in Electrical Sciences (ICTES 2007), (pp. 970-973). Cennai, Tamil Nadu. [12] Yazdandoost, K. Y., & Ghapure,
D. C. (1998). Simple Formula for Calculation of the Resonant Frequency of a Rectangular Microstrip Anenna. IEEE , 604-605.
[13] Zuniga, V., Haridas, N., Erdogan, A., & Arslan, T. (2009). Effect of a Central Antenna Element on the Directivity, Half-Power Beamwidth and Side-Lobe Level of Circular Antenna Arrays. NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and Systems (pp. 252-256). IEEE.
