29
BAB IV
HASIL SIMULASI DAN ANALISA PENGUKURAN
4.1. Perhitungan Saluran Pencatu
Saluran pencatu yang digunakan pada Tugas Akhir ini menggunakan mikrostrip feedline. Panjang dan lebar feedline dapat dihitung terlebih dahulu yaitu :
a. Panjang Feedline
Panjang feedline menggunakan ukuran λ/4 yang merupakan saluran istimewa.
dimana λ = = ; maka λ/4 adalah 31.25mm.
b. Lebar Feedline
Untuk memperoleh lebar feedline maka terlebih dahulu harus dihitung Zo dan ZL. ZL dapat diperoleh dari simulasi dengan HFSS 13 tanpa menggunkan feedline. Nilai ZL adalah impedansi pada antena yang diukur. Zo adalah Impedansi Saluran dengan Zin = 50 Ohm. Tabelnya dapat dilihat dibawah ini:
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Tabel 4.1 Penentuan Lebar Feedline
Gambar Antena ZL (Mag) Perhitungan
109.4 W = 1.475 mm 114 W = 1.4126 mm 128 W = 1.242 mm ohm ZL Zin Zo 50 109.41 73.91 ohm ZL Zin Zo 50 114 75.5 ohm ZL Zin Zo 50 128 80 186 . 2 11 . 0 23 . 0 1 1 2 1 60 9 . 73 r r r r A 227 . 2 11 . 0 23 . 0 1 1 2 1 60 5 . 75 r r r r A 351 . 2 11 . 0 23 . 0 1 1 2 1 60 80 r r r r A 922 . 0 8 2 186 . 2 2 186 . 2 x e e h w 8828 . 0 8 2 227 . 2 2 227 . 2 x e e h w 776 . 0 8 2 351 . 2 2 351 . 2 x e e h w
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan c. Penentuan Jumlah Feedline dan Letak Feedline
Dengan demikian terlebih dahulu dilakukan simulasi sesuai ukuran yang telah dihitung secara manual yaitu :
Dimensi antena (s) = 29.79 mm
Panjang feedline (l) = 31.25 mm
Lebar Feedline (w) = 1.242 mm
Cutting (d) = 2.1 mm
Tabel 4.2. Hasil Simulasi Berdasarkan Letak Feedline
Gambar Antena VSWR Pola Radiasi 3D
VSWR=18.759
VSWR=18.219
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Dari tabel di atas dapat dilihat tentang letak feedline. Apabila letak feedline semakin di tepi maka pola radiasi yang diperoleh lebih terarah. Untuk itu seluruh simulasi menggunakan letak feedline yang di tepi kanan.
4.2. Pengubahan Dimensi Patch Antena
Agar antena dapat bekerja pada frekuensi yang kita inginkan maka ukuran parameter antena fractal ini dapat diubah meskipun tidak sesuai dengan hasil perhitungan.
Tabel di bawah ini menunjukkan hasil simulasi pengubahan ukuran dimensi
patch antena untuk mendapatkan frekuensi yang diharapkan. Frekuensi tengah
digeser sampai mendapatkan VSWR di bawah 2.
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Dengan Mengubah s (Panjang Patch)
s (mm) VSWR (1)
Dan (2) Return Loss Pola Radiasi 3D
29.79 16.7110 16.6732 28 16.0477 15.8457 27 14.5683 14.5087
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan 26 12.3344 12.1503 25 8.7424 7.7163 24 2.8014 2.7741 23 1.4178 1.4012 23.23 1.2524 1.2521
Dari tabel di atas dapat dilihat untuk menggeser frekuensi dari kiri ke kanan maka dimensi patch harus diperkecil dan sebaliknya.
4.3. Penentuan Jumlah Excitation Pada Antena 4 Feedline
Untuk antena yang menggunakan 4 feedline ini ditambahkan excitation terhadap feedline yang ingin dicatu. Kombinasi 4 feedline ini diharapkan mendapatkan berbagai arah beam pola radiasi yang berbeda dengan tujuan menjadi antena beamforming.
Simulasi ini mengkombinasikan beberapa state dengan menggunakan 2
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan memperoleh excitation. Feedline yang On mendapat catuan dan feedline yang Off diberi excitation. Sedangkan ke-2 feedline sisanya tidak diberi catuan dan beban 50 ohm atau dalam kondisi terbuka.
Tabel 4.4. Kombinasi 4 feedline dengan 2 excitation
Dari tabel di atas diperoleh 2 arah pola radiasi yang berbeda. Masing-masing pasang feedline tersebut memperoleh 2 state pola radiasi yang hampir mirip antara kombinasi-kombinasi feedline yang lain. Kombinasi 2 excitation ini mendapat
Gambar Antena Excitation
Feedline Pola Radiasi Dengan 2 Excitation VSWR
12
Feed 1 On Feed 2 On Feed 12 On
1.3984 1.3951
34
Feed 3 On Feed 4 On Feed 3,4 On
1.3509 1.3064
23
Feed 2 On Feed 3 On Feed 2,3 On
1.3335 1.3325
14
Feed 1 On Feed 4 On Feed1,4On
1.3658 1.3227 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan VSWR < 1.5 sehingga sudah memenuhi kriteria suatu antena. Kombinasi feedline yang diukur dapat dipilih dari model ‘12’, ‘34’, ‘23’, dan ‘14’.
Namun hasil pola radiasinya akan berbeda jika feedline yang dicatu saling berhadapan. Hasil pola radiasinya itu menjadi bidirectional dengan VSWR < 1.5 yang dapat dilihat pada tabel dibawah ini:
Tabel 4.5 Feedline yang On yang berhadapan.
Dengan mengacu terhadap simulasi-simulasi yang telah dilakukan maka dapat dilihat dari bentuk antena yang simetri mempengaruhi VSWR. Nilai VSWR yang diperoleh antara masing-masing feedline yang ON besarnya sama. Begitu juga pola radiasi yang lebih terarah diperoleh saat feedline berada pada tepi patch karena medan elektromagnetik yang timbul tidak sepenuhnya tegak lurus terhadap
patch dan groundplane. Gelombang elektromagnetik yang tidak tegak lurus inilah
yang akhirnya membentuk arah pola radiasi.
4.4. Pemodelan Prototipe
Setelah dilakukan simulasi untuk mendapatkan kombinasi letak feedline dengan 2 feedline saja yang aktif maka prototipe antena switch beam dapat dibuat.
13
Feed 1 On Feed 3 On Feed 1,3 On
1.3095 1.3025
24
Feed 2 On Feed 4 On Feed2,4 On
1.3071 1.3068 4 3 2 1 4 3 2 1
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Ukuran antena prototipe sesuai dengan yang telah disimulasikan. Antena ini menggunakan 4 buah konektor SMA 50 ohm agar dapat dipasang dummy load untuk state kombinasi yang diinginkan. Untuk state antena feedline 2,3 On dibutuhkan 2 buah dummy load.
Berikut ini merupakan gambar dari prototype antena switch beam dengan
patch fractal persegi :
Gambar 4.1 Prototipe 4 Feedline 4.5. Pengukuran Karakteristik Antena
Pengukuran antena dilakukan untuk mengetahui karakteristik antena yang telah dibuat. Pengukuran yang dilakukan terhadap antena ”Antena Switch Beam
Patch Fractal Persegi” akan dibandingkan hasilnya dengan simulasi. Hasil
pengukuran tersebut dapat dijadikan sebagai bahan verifikasi atau tolak ukur dari simulasi untuk kemudian dilakukan analisis terhadap setiap penyimpangan yang terjadi.
Adapun pengukuran karakteristik antena meliputi VSWR, impedansi, pola radiasi, gain dan polarisasi. Dalam pengukuran antena, hal-hal yang perlu diperhatikan adalah kemampuan perangkat ukurnya terutama rating maksimum dan frekuensi dari alat ukur itu sendiri. Dalam tugas akhir ini alat ukur yang digunakan adalah sebagai berikut :
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan
1. Network Analyzer, merek Anritsu, range 300 KHz - 6 GHz.
Alat ukur ini digunakan dalam pengukuran VSWR, bandwidth, dan impedansi
antena. Network analyzer akan menampilkan grafik hasil ukur berupa VSWR fungsi frekuensi, dan impedansi dalam bentuk smith chart.
2. Spectrum Analyzer, merek GWInstek GSP-830, range 9 KHz - 3 GHz.
Alat ukur ini digunakan dalam pengukuran gain, pola radiasi, dan polarisasi dari antena yang diukur. Dalam penggunaanya spectrum analyzer ditempatkan pada antena penerima (Rx) yang akan menampilkan level daya terima (RSL). Melalui pengukuran inilah dapat diketahui karakteristik level sinyal pada antena penerima.
3. Signal Generator, merek HAMEG 3 GHz.
Dalam pengukuran, Signal Generator ditempatkan pada antena pemancar (Tx) yang berfungsi memberikan level daya dan frekuensi.
4.5.1 Pengukuran VSWR, Return Loss, dan Impedansi Input
VSWR diukur untuk mengetahui kemampuan antena switch beam fractal persegi dapat bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR berhubungan dengan koefisien refleksi yaitu mengetahui perbandingan daya pantul terhadap daya yang dikirim ke antena pada rentang frekuensi yang didesain.
Besarnya VSWR yang ideal adalah 1 yang berarti semua daya yang diradiasikan antena pemancar dapat diterima antena penerima (match). Semakin besar nilai VSWR menunjukan daya yang dipantulkan semakin besar yang berarti semakin tidak match.
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Pada antena switch beam fractal persegi ini menggunakan 2 excitation yang berarti menambahkan beban 50 ohm terhadap konektor SMA 50 ohm. State yang dipilih adalah model ‘23’ karena secara simulasi untuk state ini memiliki beam lebih dari satu dan VSWR yang < 1.5. Untuk itu dilakukan pengukuran untuk memverifikasi hasil pengukuran apakah sesuai dengan hasil simulasi. Cara mengukurnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 4.2. Contoh Pengukuran VSWR, Return Loss dan Impedansi Pengukuran VSWR antena tersebut menggunakan network analyzer, yaitu dengan membaca parameter S(2.2) dan S(3.3), yang merepresentasikan perbandingan daya yang dikirim ke beban dengan daya yang terpantul dari beban. Pada saat mengukur VSWR di port 1 antena maka port 1 antena tersebut terhubung ke port 1 network analyzer dan port 2 antena diberi konektor beban 50 ohm. Demikian seterusnya sampai state 3.
Pada kondisi ideal, pengukuran VSWR dilakukan di dalam ruangan tanpa pantul sehingga daya pancar yang dikirim dari port 1 network analyzer diserap dan tidak dipantulkan kembali ke antena. Selain itu antena yang diukur harus bebas dari benda-benda di sekelilingnya, karena akan mempengaruhi hasil ukur. Namun hal tersebut sulit dicapai, sehingga dalam pengukurannya daya pancar yang keluar dari network analyzer diatur sekecil mungkin, atau diatur mengikuti kondisi default.
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan 4.5.1.1 Hasil pengukuran
1. Antena yang menggunakan 4 Feedline a. VSWR
VSWR (2) VSWR (3)
Gambar 4.3 Hasil Simulasi VSWR (2) dan VSWR (3)
Gambar 4.4 Hasil Pengukuran VSWR (2) dan VSWR (3)
Dari simulasi VSWR yang didapat untuk feedline 2 = 1.3335 dan feedline 3 = 1.3325. Sedangkan saat dilakukan pengukuran VSWR yang didapat untuk
feedline 2 = 2.26 begitu juga dengan feedline 3 = 2.26 karena ukurannya yang
simetris maka VSWR 2 = VSWR 3. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada VSWR < 1.75 tidak tercapai, dengan kata lain antena ini tidak menghasilkan VSWR sesuai dengan spesifikasi.
b. Return Loss 2 dan 3 On
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan
S(2,2) S(3,3)
Gambar 4.5 Hasil Simulasi Return Loss (2) dan (3)
Gambar 4.6 Hasil Pengukuran Return Loss (2) dan (3) 4.5.1.2 Analisis Hasil Pengukuran VSWR dan Return Loss.
Sinyal datang dan sinyal pantul pada saluran akan berinterferensi sehingga menimbulkan gelombang berdiri. Pada gelombang berdiri terdapat tegangan maksimum dan minimum. Perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum disebut VSWR. Perbandingan hasil pengukuran antara pengukuran dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 4.6 Perbandingan Hasil VSWR dan Return Loss
State 2, 3 On Hasil Simulasi Hasil Pengukuran
VSWR
Feedline 2 Feedline 3 Feedline 2 Feedline 3
1.33 1.33 2.26 2.26
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Untuk menghasilkan VSWR, return loss yang baik pada network analyzer lokasi pengukuran sangat mempengaruhi. Lokasi pengukuran diharapkan tidak berisi objek pemantulan, seperti dilapangan atau di ruangan yang luas. Namun pada prakteknya pengukuran dilakukan di laboratorium dimana banyak terdapat lemari-lemari peralatan dan pembatas ruangan yang merupakan objek pemantulan. Sehingga memungkinkan hasil pengukuran berbeda dengan hasil simulasi. Dan konektor yang baik juga sangat mempengaruhi hasil pengukuran.
Bandwidth atau lebar pita frekuensi dari suatu antena adalah daerah
frekuensi kerja suatu antena yang dibatasi oleh VSWR tertentu. Pada antena
fractal ini dibatasi pada VSWR ≤ 1,75 untuk mendapat bandwidth yang lebih
lebar.
Dari grafik VSWR baik secara simulasi dan pengukuran dapat diperoleh
bandwidthnya dari masing-masing state.
Gambar 4.7 Hasil Simulasi Bandwidth
Dari gambar 4.3 di atas dapat dihitung hasil bandwidth dengan rumus di bawah ini yaitu :
BW(feed 2 ) = fu – fl BW(feed 3) = fu - fl
= (2483-2397) MHz = (2483-2397) MHz = 86 MHz = 86 MHz
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan
Bandwidth yang diharapkan pada aplikasi WLAN sebesar 83.5 MHz yang range frekuensinya dari (2400 MHz - 2483.5) Mhz.
Adapun orientasi pengamatan pada pengukuran indoor ini adalah VSWR dan
bandwidth saja. Hasil pengukuran VSWR akan dibandingkan dengan simulasi
dengan menghitung nilai bandwidth dengan batas VSWR = 1.75.
4.5.2 Pengukuran Pola Radiasi
Pola radiasi antena adalah pola pancar antena yang tergambar dalam plot 3 -dimensi. Pola radiasi antena dibentuk oleh dua buah pola radiasi berdasarkan bidang irisan yaitu pola radiasi pada bidang irisan arah elevasi (pola elevasi) dan pola radiasi pada bidang irisan arah azimuth (pola azimuth).
Oleh karena itu pengukuran pola radiasi dilakukan dua kali untuk masing-masing state antena fractal tersebut yaitu pola radiasi pada bidang E dan pada bidang H. Pola radiasi diukur pada bidang irisan arah elevasi (vertikal) dan pola radiasi pada bidang irisan arah azimuth (horizontal).
Pengukuran pola radiasi harus memperhatikan jarak ukur yaitu dengan memperhatikan daerah medan jauh antena, karena pada daerah tersebut gelombang elektromagnetik yang terpancar bersifat transversal penuh dan antena tidak dipengaruhi oleh benda di sekelilingnya.
Nilai L (panjang dimensi terbesar antena) pada antena mikrostrip ini adalah panjang dari diagonalnya yaitu 15 cm.
sedangkan nilai f c = m cm x x 5 . 12 125 , 0 10 4 . 2 10 3 9 8
Syarat medan jauh antena AUT yaitu R x R 36cm
5 . 12 15 2 2 = 0.36 m ≈ 0.4 m
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan
Syarat medan jauh antena referensi yaitu R x R 100cm
5 . 12 25 2 2 = 1 m
Jadi syarat medan jauh yang digunakan pada pengukuran R > 1 m (1+0.2)
Pada saat pengukuran antena ini dilakukan pada R = 1.2 m karena antena
horn lebih besar dimensinya dari antena AUT.
4.5.2.1 Prosedur Pengukuran Pola Radiasi.
Gambar. 4.8 Konfigurasi Pengukuran Pola Radiasi
Konsekuensi apabila kita melakukan pengukuran pola radiasi di lapangan terbuka adalah adanya gelombang elektromagnetik yang terpancar dari sistem komunikasi radio lain, misalnya sistem seluler, wireless LAN Universitas Mercu Buana dan radio teresterial. Hal ini akan turut mempengaruhi akurasi hasil pengukuran, sehingga perlu dilakukan menaikkan daya pancar yang keluar dari generator sebesar 13 dBm.
Langkah-langkah pengukuran :
1. Antena pemancar dihubungkan ke sweep generator dan Antenna Under Test (AUT) dihubungkan ke spectrum analyzer.
2. Pengukuran dilakukan dengan AUT berada pada jarak 1.2 m dari antena pemancar, yaitu memenuhi jarak minimum medan jauh (R ≥ 1 m)
S inyal U tam a
S inyal yang tidak diinginkan S inyal dari sistem lain
S inyal P antul A U T P engirim S pectrum A nalyzer F unction G enerator L R 2 2 m 1.8 R otator
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan 3. Pengukuran antena dilakukan secara vertikal dan horizontal dari 10osampai
3500
4. Catat level terima yang terbaca pada spectrum analyzer. Semakin kecil resolusi sudut pemutaran, maka akan semakin terlihat pola radiasinya. Hasil pengukuran dicatat sebanyak dua kali dalam rentang waktu yang sama, tujuan dari ini adalah untuk mencari nilai rata- rata akibat dari fluktuasi level daya yang terus berubah-ubah akibat multipath. Hasil rata-rata yang didapatkan akan dinormalisasikan terhadap daya yang terbesar. Normalisasi ini akan menghasilkan gain yang kemudian hasilnya akan digambarkan sebagai pola radiasi normal dalam skala logaritmis, ini dapat dilihat dalam skala nilai terbesar adalah 0 dB dengan menggunakan software microsoft excel.
4.5.2.2 Perbandingan Hasil Pengukuran Pola Radiasi dan Simulasi
Hasil yang diperoleh dari simulasi pola radiasi dan distribusi arus state
feedline 2 On dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
a. State ‘Feedline 2 on’
Gambar 4.9 Hasil Simulasi Pola Radiasi dan Distribusi Arus State Feedline 2 On Saat pengukuran state feedline 2 On berarti feedline 2 terhubung ke sumber catuan dan feedline 3 hanya terpasang konektor dengan beban 50 ohm. Pola
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan radiasi terbentuk ke arah sumbu ‘Y’ karena pada saat arus masuk dari feedline 2 maka arah arus itu terpencar dan terlihat bertumpuk didaerah feedline 3 dan
feedline 1.
b. State ‘Feedline 3 on’
Gambar 4.10 Hasil Simulasi Pola Radiasi dan Distribusi Arus State Feedline 3 On Saat pengukuran state feedline 3 On berarti feedline 3 terhubung ke sumber catuan dan feedline 2 hanya terpasang konektor dengan beban 50 ohm. Pola radiasi terbentuk ke arah sumbu ‘-Y’ karena pada saat arus masuk dari feedline 2 maka arah arus itu terpencar dan terlihat bertumpuk didaerah feedline 2 dan 4. c. State ‘Feedline 2,3 on’
Gambar 4.11 Hasil Simulasi Pola Radiasi dan Distribusi Arus State
Feedline 2,3 on
Saat pengukuran state feedline 2,3 On berarti feedline 2 dan 3 terhubung ke sumber catuan. Pola radiasi terbentuk ke arah sumbu ‘Y’ dan ‘-Y’ karena arus masuk dari feedline 2 dan 3 sehingga arusnya menyebar di daerah feedline 1 dan 4.
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Dari hasil simulasi diperoleh pada state model 23 memperoleh VSWR dan pola radiasi yang terarah maka yang diukur sebagai bahan verifikasi dengan simulasi adalah state model 23 juga. Orientasi pengamatan pada saat melakukan pengukuran ini adalah pada arah beam yang diperoleh. Pencatuan dengan feedline 2 On dan 3 On memiliki arah beam yang berkebalikan. Begitu juga saat feedline 2 dan 3 dicatu sekaligus maka diperoleh dua beam yang merupakan penggabungan antara saat feedline 2 On dan feedline 3 On.
Tabel 4.7 Perbandingan Pola Radiasi Antara Hasil Simulasi Dengan Pengukuran
State
Model 23
Hasil Simulasi Hasil Pengukuran
Azimuth Elevasi Azimuth Elevasi
Feedline 2 On Feedline 3 On Feedline 2,3 On
Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan 4.5.2.3 Analisa Hasil Pengukuran Pola Radiasi dan Simulasi
Hasil pengukuran dapat dilihat pada tabel 4.7 yang dapat dibandingkan dengan hasil simulasi. Jika dilihat hasil simulasi dan pengukuran terdapat penyimpangan pada besarnya mainlobe dan sidelobenya. Tetapi secara keseluruhan pola yang diperoleh dari pengukuran dari state 1-3 mendekati hasil simulasi.
Penyimpangan tersebut dimungkinkan disebabkan oleh beberapa hal diantaranya adalah adanya sinyal-sinyal yang tidak dinginkan, seperti pantulan-pantulan sinyal yang mengenai benda sekitar akibat ketidakhomogenan tempat pengukuran ataupun gelombang dari sistem lain yang tertangkap seperti misalnya sinyal dari BTS disekitar tempat pengukuran.
Sedangkan pada simulasi diasumsikan dalam kondisi ideal seperti vektor medan yang datang hanya dari gelombang yang diinginkan saja dan diasumsikan pembentukan pola pancarnya berada di suatu ruangan tanpa adanya pantulan.
