RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PERSEGI PANJANG ARRAY 8×1 PADA FREKUENSI 5,625 GHZ
Oleh
Angelita Dinda Arum Sari NIM: 612014060
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Oktober 2018
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PERSEGI PANJANG ARRAY 8×1 PADA FREKUENSI 5,625 GHZ
Oleh
Angelita Dinda Arum Sari NIM: 612014060
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Oktober 2018
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan kuasa-Nya penulis dapat menyelesaikan perancangan dan penulisan skripsi ini. Skripsi ini berjudul “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Persegi Panjang Array 8×1 pada Frekuensi 5,625 GHz”. Penulisan ini dilakukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjana teknik dalam konsentrasi telekomunikasi Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga.
Selain itu penulis berharap apa yang penulis susun ini dapat bermanfaat bagi pembaca yang mana nantinya dapat digunakan sebaik-baiknya. Tidak hanya itu, semoga skripsi ini dapat dikembangkan lebih lanjut sehingga tercapai teknologi tepat guna dan efisien untuk diaplikasikan ke dalam kehidupan sehari-hari khususnya di bidang telekomunikasi. Tanpa bantuan dari pihak yang bersangkutan, penulisan skripsi ini tidak akan berjalan dengan baik.
Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang banyak membantu dan memberi bimbingan, masukan, kritik serta dukungan semangat yang luar biasa kepada penulis selama mengerjakan skripsi ini
2. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing II yang sudah banyak membantu dan meluangkan waktunya untuk memberi bimbingan, masukan dan kritik kepada penulis selama mengerjakan skripsi ini
3. Bapak Yuyu Wahyu, Bapak Bagus, Bapak Agus, Bapak Joko, Bapak Heri, dan Bapak Sadli yang telah membantu dalam proses pengukuran antena di Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi-Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPET-LIPI) Bandung
4. Bapak dan Ibu tercinta yang selalu mendukung, mendoakan dan memberikan cinta luar biasa kepada penulis serta yang selalu ada dimanapun penulis membutuhkan semangat.
5. Mas Dimas, Mama Istinah, Mba Wati, Asher, Mba Ya, Mba Santi, Budhe Sutri, Deon, Bulik Wiwik, dan semua keluarga besar penulis yang selalu ikut mendukung, membantu, dan menemani penulis dalam banyak hal.
6. Dinindira dan Asra, teman seperjuangan dan berkeluh kesah yang selalu bersama penulis menjalani proses belajar sehingga skripsi ini dapat selesai
7. Queen bees 2014, Dira, Icha, Sekar, Nia, Thalia, Khansa, Novi, Dara, Ane, dan Ega.
Para wanita hebat 2014 yang bersama melalui proses belajar dari awal sampai akhir perkuliahan
8. My best team, keluargaku FTEK 2014 (Queen Bees, BK, Enno, Dido, Fikra, Restu, Melky, Adit, Arvin, Awen, Nico, Edwin, Putu, Pupuh, Emon, Kevin, Abdussy, Mbah, Mamat, Pian, Elisa, Gigih, Huda, Bancak, Risky, Eko, Dera, Aldo, Yosa, Aka, Jason, Yesaya, Kelvin, Dio, Tian, Dani R, Danjo, Alvin, Agung, Victor, Richard, Adrian, Andika, Allam, Rifay, Yoga, Bagus, Baskoro, Darwin, Jojo, Kadip, Jordy, Roni, Yosua, Cepe, dll), teman yang selalu ada dalam suka dan duka yang ditempa dan berjuang bersama dari awal. Banyak pelajaran hidup yang penulis dapatkan di dalam keluarga ini, sangat bangga dan bersyukur pernah dipertemukan dengan manusia-manusia tengil seperti mereka. Banyak warna yang telah dipoles dan terlukis bersama mereka, terimakasih kuucapkan wahai manusia-manusia yang aku sayang!
9. Timothy Immanuel Paulus, S.T. yang menjadi support system terkhusus untuk penulis dari awal kuliah sampai akhir.
10. Keluarga besar FTEK, baik kakak angkatan, adik angkatan, dan sivitas akademika FTEK lainnya, yang telah banyak mendukung, membantu dan memfasilitasi penulis selama belajar di FTEK UKSW
11. Nanda, Anis, Nono, Awan, Ceple, Dika, Sarah, Chrissa, Raka, dll , teman yang selalu memberikan kehangatan dan ketenangan untuk penulis dalam menjalani dinamika perkuliahan. Teman yang selalu memberikan tawa dan sudut pandang berbeda yang penulis butuhkan untuk terus maju. Bahagia hidup ditengah-tengah kalian!
12. Teman – teman serta pihak- pihak yang tidak dapat dituliskan satu persatu, penulis mengucapkan terimakasih.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan yang disebabkan karena keterbatasan yang penulis miliki. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca demi penyempurnaan penulisan ini kedepannya. Dengan segala kerendahan hati, penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi semua orang terutama untuk para pembaca.
Salatiga, Oktober 2018 Penulis
ABSTRACT
Various types of antennas and their applications are being studied and developed, one of them is a microstrip type antenna that has a simple design but is able to provide good performance for high frequency, one of them for radar frequency. The development of antenna has been produced a lot of antenna design which are work on S band (2-3 GHz), X band (8-12 GHz), Ku band (12-18 GHz) with a variety of patches and designs.
In the project that entitled "Design of 8×1 Array Rectangular Microstrip Antenna operates at 5,625 GHz" to discuss the making of C band microstrip antenna which is included in radar frequency, one of which is the weather radar that operates at 5.6-5.65 GHz. This design is using microstrip line feed rationing techniques and it has an rectangular patch and using FR-4 epoxy with εr = 4.65 for the substrate material. In designing this antenna dimensions used mathematical analysis and simulated with CST Microwave Studio Suite 2016 software until the antenna according to desired specifications.
Based on the simulation results, this antenna works in the frequency range 5.5302 GHz - 5.7153 GHz, the resulting bandwidth is 185 MHz, has a VSWR value of 1.061 and a return loss of -30.448 dB, and a gain of 9.65 dB. Based on the measurement results, this antenna has a working frequency range of 5.478 GHz - 5.788 GHz and works on radar frequency bands 5.625 GHz, has a VSWR of 1.229 and return loss of -19.781 dB, has a bandwidth of 310 MHz, and a gain of 10.56 dB.
Keywords: microstrip antennas, array, gain, microstrip line feed.
INTISARI
Beragam jenis antena dan pengaplikasiannya sedang marak diteliti dan di kembangkan, salah satunya antena jenis mikrostrip yang memiliki design sederhana namun mampu memberikan kinerja yang bagus untuk frekuensi tinggi salah satunya untuk frekuensi radar.
Pada perkembangannya sudah banyak dihasilkan perancangan antena yang bekerja pada S band (2-3 GHz), X band (8-12 GHz), Ku band (12-18 GHz) dengan beraneka macam bentuk patch dan design.
Skripsi ini berjudul “Rancang Bangun Antena Mikrostrip Persegi Panjang Array 8×1 pada Frekuensi 5,625 GHz” membahas mengenai pembuatan antena mikrostrip pada C band (4-8 GHz) yang termasuk rentang frekuensi untuk radar, salah satunya radar cuaca yang bekerja pada 5,6 – 5,65 GHz. Perancangan ini menggunakan teknik pencatuan microstrip line feed dengan bentuk patch persegi panjang dan menggunakan bahan substrat FR 4 epoxy dengan εr = 4, 65.
Dalam merancang dimensi antena ini digunakan analisis matematis dan disimulasikan dengan software CST Microwave Studio Suite 2016 sampai didapatkan antena sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan.
Berdasarkan hasil simulasi, antena ini bekerja pada rentang frekuensi 5,5302 GHz – 5,7153 GHz, bandwidth yang dihasilkan sebesar 185 MHz, mempunyai nilai VSWR 1,061 dan return loss sebesar -30,448 dB, serta gain 9,65 dB. Berdasarkan hasil pengukuran, antena ini mempunyai rentang frekuensi kerja 5,478 GHz – 5,788 GHz dan bekerja pada band frekuensi radar yaitu 5,625 GHz, memiliki VSWR sebesar 1,229 dan return loss sebesar -19,781 dB, memiliki bandwidth yang mencapai 310 MHz, dan gain 10,56 dB.
Kata kunci: antena mikrostrip, array, gain, microstrip line feed.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRACT ... iii
INTISARI ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR SIMBOL ... x
DAFTAR ISTILAH ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Tujuan ... 1
1.2. Latar Belakang ... 1
1.3. Spesifikasi Alat ... 2
1.4. Sistematika Penulisan ... 3
BAB II DASAR TEORI ... 4
2.1. Antena ... 4
2.2. Antena Mikrostrip ... 4
2.3. Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang ... 5
2.4. Teknik Pencatuan Antena Microstrip Line Feed ... 7
2.5. Antena Array pada Mikrostrip ... 8
2.6. Parameter Antena Mikrostrip ... 9
2.6.1. Impedansi Masukan ... 9
2.6.2. Voltage Standing Wave Ratio ... 9
2.6.3. Bandwidth ... 10
2.6.4. Return Loss ... 10
2.6.5. Gain ... 11
2.6.6. Frekuensi Resonansi ... 11
2.6.7 Pola Radiasi ... 12
2.7. Prosedur Pengukuran Antena ... 12
2.7.1. Pengukuran Return Loss, VSWR, dan Impedansi ... 12
2.7.2. Pengukuran Gain ... 14
2.7.3. Pengukuran Pola Radiasi ... 15
BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI ... 16
3.1. Peralatan yang Digunakan ... 16
3.1.1. Perangkat Keras ... 16
3.1.2. Perangkat Lunak ... 16
3.2. Jenis Substrat yang Digunakan ... 17
3.3. Perancangan Antena Mikrostrip Array ... 18
3.3.1. Diagram Alir Perancangan Antena Mikrostrip Array ... 18
3.3.2. Menentukan Spesifikasi Antena ... 18
3.3.3. Perancangan Dimensi Patch Antena ... 19
3.3.4. Perancangan Dimensi Ground Plane Antena ... 19
3.3.5. Perancangan Dimensi Saluran Pencatu ... 19
3.3.6. Simulasi Antena Elemen Tunggal ... 22
3.3.7. Optimasi Antena Elemen Tunggal ... 24
3.3.8. Hasil Simulasi Antena Elemen Tunggal ... 26
3.3.9. Perancangan Antena Array ... 27
3.3.10. Optimasi Antena Array ... 29
3.3.11. Hasil Simulasi Antena Array ... 34
BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS ... 38
4.1. Hasil Pengukuran Parameter Antena ... 38
4.1.1. Pengukuran VSWR, Return Loss dan Impedansi ... 39
4.1.1.1. Hasil Pengukuran VSWR ... 39
4.1.1.2. Hasil Pengukuran Return Loss ... 40
4.1.1.3. Hasil Pengukuran Impedansi ... 42
4.1.2. Pengukuran Gain ... 43
4.1.3. Pengukuran Pola Radiasi ... 44
4.2. Analisis Hasil Pengukuran dan Simulasi ... 45
4.3. Analisis Kesalahan Umum ... 47
BAB V KESIMPULAN ... 49
DAFTAR PUSTAKA ... 50
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Struktur Antena Mikrostrip [9] ... 4
Gambar 2.2. Microstrip Line Feed [9] ... 7
Gambar 2.3.Antena Array(a)Linear(b)Circular(c)Planar[6] ... 8
Gambar 2.4. Konfigurasi Pengukuran VSWR, Bandwidth, dan Impedansi ... 13
Gambar 2.5.Konfigurasi Pengukuran Gain Antena ... 14
Gambar 3.1. Diagram Alir Perancangan Antena ... 18
Gambar 3.2. Bentuk perancangan awal antena elemen tunggal(a)tampilan atas (b)tampilan samping ... 22
Gambar 3.3. Return Loss simulasi elemen tunggal ... 23
Gambar 3.4. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal ... 23
Gambar 3.5. Nilai Impedansi simulasi elemen tunggal ... 23
Gambar 3.6. Bentuk perancangan awal antena dengan inset feed ... 24
Gambar 3.7. Nilai Return Loss simulasi elemen tunggal inset feed ... 24
Gambar 3.8. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal inset feed ... 25
Gambar 3.9 Nilai Impedansi simulasi elemen tunggal inset feed ... 25
Gambar 3.10. Hasil simulasi nilai return loss pada antena elemen tunggal ... 26
Gambar 3.11. Hasil simulasi nilai VSWR pada antena elemen tunggal ... 26
Gambar 3.12. Hasil simulasi nilai Impedansi pada antena elemen tunggal ... 26
Gambar 3.13. Hasil simulasi nilai gain pada antena elemen tunggal ... 27
Gambar 3.14. Desain antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 27
Gambar 3.15. Return Loss antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 28
Gambar 3.16. VSWR antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 28
Gambar 3.17. Impedansi antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 28
Gambar 3.18. Nilai Return Loss optimasi terhadap lebar patch ... 29
Gambar 3.19. Nilai VSWR optimasi terhadap lebar patch ... 30
Gambar 3.20. Nilai Impedansi optimasi terhadap lebar patch ... 30
Gambar 3.21. Nilai Return Loss optimasi terhadap panjang patch ... 31
Gambar 3.22. Nilai VSWR optimasi terhadap panjang patch ... 31
Gambar 3.23. Nilai Impedansi optimasi terhadap panjang patch ... 31
Gambar 3.24. Nilai Return Loss optimasi terhadap panjang inset feed ... 32
Gambar 3.25. Nilai VSWR optimasi terhadap panjang inset feed ... 33
Gambar 3.26. Nilai Impedansi optimasi terhadap panjang inset feed ... 33
Gambar 3.27. Hasil simulasi nilai Return Loss antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 34
Gambar 3.28. Hasil simulasi nilai VSWR antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 34
Gambar 3.29. Hasil simulasi nilai Impedansi antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 35
Gambar 3.30. Hasil simulasi nilai gain antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 36
Gambar 3.31. Hasil simulasi nilai pola radiasi antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1(a) azimuth(b)elevasi ... 36
Gambar 4.1. Hasil fabrikasi antena mikrostrip array 8×1 ... 38
Gambar 4.2. Grafik hasil pengukuran VSWR antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 40
Gambar 4.3. Grafik hasil pengukuran return loss antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 41
Gambar 4.4. Grafik hasil pengukuran Impedansi antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 42
Gambar 4.5. Grafik hasil pengukuran pola radiasi elevasi antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 44
Gambar 4.6. Grafik hasil pengukuran pola radiasi elevasi antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 44
Gambar 4.7. Grafik perbandingan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 45
Gambar 4.8. Grafik perbandingan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 46
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Spesifikasi substrat yang digunakan ... 17
Tabel 3.2. Hasil Perhitungan Dimensi Antena ... 22
Tabel 3.3. Optimasi Nilai Lebar Patch ... 29
Tabel 3.4. Optimasi Nilai Panjang Patch ... 32
Tabel 3.5. Optimasi Nilai panjang Inset Feed ... 33
Tabel 4.1. Hasil pengukuran gain antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 43
Tabel 4.2. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena mikrostrip patch persegi panjang array 8×1 ... 47
DAFTAR SIMBOL
Ω Ohm
𝜀𝑟 Permitivitas relatif bahan substrat
h Ketebalan bahan substrat
𝑊𝑝 Lebar patch
𝑐 Kecepatan cahaya (3 × 108 m/s) 𝑓𝑜 frekuensi resonansi antena
𝐿𝑝 Panjang patch
∆𝐿 Pertambahan panjang patch
𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 Permitivitas relatif efektif 𝐿𝑒𝑓𝑓 Panjang patch efektif
𝐿𝑔 Panjang ground plane
𝑊𝑔 Lebar ground plane
𝑤𝑓 Lebar saluran pencatu
𝐿𝑓 Panjang saluran pencatu
𝜆𝑜 Panjang gelombang diruang bebas 𝜆𝑔 Panjang gelombang pada bahan 𝑌𝑜 Panjang inset feed
𝑍𝑖𝑛 Impedansi antena
Rin Resistansi antena
Xin Reaktansi antena
𝑅𝑟 Resistansi radiasi antena
𝑅𝐿 Resistansi rugi-rugi
𝛤 Koefisien refleksi tegangan 𝑍𝑜 Impedansi karakteristik
𝑓𝐻 Frekuensi tertinggi
𝑓𝐿 Frekuensi terendah
G Gain
η Efisiensi antena
D Direktivitas antena
◦ Derajat
DAFTAR ISTILAH
Antena Array
Antena referensi : :
antena yang tersusun dari beberapa patch yang identik antena pembanding
Bandwidth : lebar pita frekuensi antena yang dibatasi oleh VSWR
tertentu Direksional
Fringing effect
: :
pola radiasi ke satu arah sudut tertentu
medan limpahan dari medan listrik yang menyebar dari kedua sisi patch antena mikrostrip
Gain : perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena
terhadap instensitas radiasi antena referensi dengan daya input yang sama
Konduktivitas : sifat bahan yang merupakan ukuran kemampuannya untuk menghantarkan arus elektrik.
Main lobe : arah pola radiasi maksimum
Matching
Patch
:
:
kondisi sepadan antara saluran transmisi satu dengan yang lain.
bidang peradiasi (patch) yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik Permitivitas
Pola radiasi
:
:
ukuran derajat perlawanan suatu medium terhadap aliran muatan dalam medium tersebut.
representasi grafis karakteristik radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang
Return loss
VSWR
:
:
perbandingan dalam decibel antara daya yang terpantulkan dengan daya masukan
perbandingan antara gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min), yang terjadi pada saluran karena tidak matching
