BAB III PERANCANGAN ANTENA ARRAY FRACTAL MIKROSTRIP

PERANCANGAN ANTENA ARRAY FRACTAL MIKROSTRIP

3.1. Pendahuluan

Pada penelitian ini akan dirancang dan analisa antena mikrostrip array fractal

dengan teknik pencatuan secara tidak langsung yaitu menggunakan saluran

mikrostrip (Microstrip Feed Line). Dengan rancangan ini adalah diharapkan

menghasilkan bandwidth yang lebar sehingga mampu memenuhi spesifikasi

yang dibutuhkan. Tahapan pertama dimulai dengan perancangan antena

mikrostrip single patch seperti flowchart dibawah ini.

Gambar 3.1 Prosedur Rancang Bangun Antena Mikrostrip Single Patch

Pada tahapan ini mengesampingkan nilai VSWR dan return loss karena

sebagai pembanding pada pembuatan antena fractal. Setelah perancangan

antena mikrostrip single patch selesai dilakukan dengan perancangan antena

mikrostrip single fractal iterasi 1. tahapan perancangan antena mikrostrip single fractal iterasi 1 dapat dilihat di flowchart di bawah ini.

Gambar 3.2 Prosedur Rancang Bangun Antena Mikrostrip Single Fractal Iterasi 1

Pada tahapan ini juga mengesampingkan nilai VSWR dan return loss karena

sebagai pembanding pada pembuatan antena fractal. Setelah perancangan

antena mikrostrip single fractal iterasi 1 selesai dilakukan dengan perancangan antena mikrostrip single fractal iterasi 2. tahapan perancangan antena mikrostrip single fractal iterasi 2 dapat dilihat di flowchart di bawah ini.

Gambar 3.3 Prosedur Rancang Bangun Antena Mikrostrip Single Fractal

Iterasi 2

Pada tahapan ini mengesampingkan nilai VSWR dan return loss karena sebagai pembanding pada pembuatan antena fractal.

Dalam hal pembuatan antena fractal menggunakan mode Sierpinski_Karpet

Setelah perancangan antena mikrostrip single fractal iterasi 2 selesai

dilakukan perancangan array terhadap antena tersebut sehingga diperoleh

antena mikrostrip array 2 fractal iterasi 2. Pada tahapan ini sebelumnya

dilakukan modifikasi antena single fractal iterasi 2 yang digunakan karena

frekuensi kerja antena tersebut telah bergeser dari frekuensi kerja yang

diinginkan. Setelah didapat hasil antena single fractal iterasi 2 yang

dimodifikasi sesuai frekuensi kerja yang diinginkan selanjutnya dilakukan

perancangan array 2 pada antena tersebut, Pada tahapan ini nilai VSWR dan

Return Loss tidak dikesampingkan, untuk mencari hasil terbaik dalam

perancangan saluran pencatu. tahapan perancangan antena mikrostrip array 2

fractal iterasi 2 dapat dilihat di flowchart di bawah ini.

Gambar 3.4 Prosedur Rancang Bangun Antena Mikrostrip Array 2 Fractal

Setelah perancangan antena mikrostrip array 2 fractal iterasi 2 selesai, maka dilanjutkan dengan perancangan antena mikrostrip array 4 fractal iterasi 2.

Pada tahapan ini nilai VSWR dan Return Loss tidak dikesampingkan, untuk

mencari hasil terbaik dalam perancangan saluran pencatu. tahapan

perancangan antena mikrostrip array 4 fractal iterasi 2 dapat dilihat di

flowchart di bawah ini.

Gambar 3.5 Prosedur Rancang Bangun Antena Mikrostrip Array 4 Fractal

Iterasi 2

Ada beberapa tahapan utama dalam perancangan antena ini, diantaranya adalah penentuan karakteristik antena, penentuan spesifikasi substrat yang akan digunakan, penentuan dimensi patch antena dan penentuan dimensi saluran pencatu yang kemudian disimulaskan pada perangkat lunak sonnet.

3.2. Perangkat Lunak Perancangan Antena

Pada perancangan antena ini menggunakan perangkat lunak. Perangkat lunak (software) yang digunakan untuk simulasi dan untuk mengetahui karakteristik atau kinerja antena yang dirancang. Adapun perangkat perangkat lunak yang digunakan yaitu :

 Sonnet versi 11.54.

Perangkat lunak ini dipergunakan untuk merancang dan mensimulasikan antena array fractal yang akan dibuat. Setelah disimulasi akan diperoleh beberapa karakteristik antena seperti frekuensi kerja, bandwidth, impedansi input , return loss, VSWR, dan pola radiasi.

 Software TXLINE 2003

Perangkat lunak ini digunakan untuk menentukan saluran pencatu microstrip line sehingga dihasilkan kondisi matching.

 Softaware ExpressPCB versi 70.02

Perangkat lunak ini digunakan untuk membuat gambar layout PCB yang

akan dibuat sebelum dicetak pada PCB

 Microsoft Excel 2007

Perangkat lunak ini digunakan untuk mengolah data dengan persamaan matematis.

3.3. Perancangan Antena

Tahapan perancangan antena pertama kali yaitu menentukan frekuensi kerja antena mikrostrip yaitu 2.45 GHz (2.4 GHz – 2.5 GHz) untuk aplikasi WIFI.

Setelah menentukan frekuensi kerja antena mikrostrip, tahapan selanjutnya yaitu menentukan jenis substrat yang akan digunakan untuk pembuatan antena, dalam hal ini penulis menggunakan jenis FR-4 karena jenis ini banyak digunakan untuk pembuatan antena mikrostrip di Indonesia dan mudah ditemukan di lapangan serta harga yang terjangkau. Jenis substrat FR-4 mempunyai spesifikasi sebagai berikut:

Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat yang Digunakan Konstanta Dielektrik Relatif (𝜀

𝑟

) 4,2

Dielektrik Loss Tangent (tan δ) 0,0017

Ketebalan Substrat (h) 1,6 mm

Konstanta Permeabilitas Relatif (𝜇

𝑟

) 1 Konduktifitas Bahan 5,88 x 10

⁷

S/m

Ketebalan substrat akan mempengaruhi bandwidth dan gelombang permukaan

(surface wave), semakin kecil tebal substrat maka efek gelombang permukaan

semakin kecil, dengan mengecilnya gelombang permukaan diharapkan dapat

meningkatkan kinerja antena, seperti : gain dan bandwidth. Selain itu konstanta dielektrik relatif (𝜀

𝑟

) juga akan mempengaruhi terjadinya gelombang permukaan, namun dengan semakin kecilnya konstanta dielektrik relatif maka ukuran patch dan saluran pencatu mikrostrip yang dibutuhkan akan semakin besar, karena ukuran patch saluran pencatu mikrostrip yang dibutuhkan akan semakin besar, karena ukuran patch dan saluran mikrostrip berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik.

3.4. Perancangan Saluran Pencatuan Mikrostrip

Teknik pencatuan yang digunakan pada penelitian ini adalah direct coupling (pencatuan secara langsung). Pada penelitian ini digunakan dua buah spesifikasi saluran pencatu mikrostrip, yaitu : 50 Ohm dan 100 Ohm.

3.4.1. Saluran Pencatu 50 Ohm

Saluran pencatu 50 Ohm dihubungkan dengan konektor 50 Ohm. Untuk

mendapatkan nilai impendasi 50 Ohm dapat dilakukan dengan mencari

lebar saluran pencatu. Dengan menggunakan perangkat lunak txline 2003

dan memasukan beberapa parameter yang dibutuhkan , maka secara

otomatis akan diketahui berapa lebar impendasi 50 Ohm. Pada gambar di

bawah ini :

Gambar 3.6 Tampilan txline 2003 untuk mencari lebar saluran pencatuan 50 Ohm

Seperti terlihat pada gambar 3.2 di atas, maka didapatkan lebar saluran pencatu 50 ohm sebesar 3.12958 mm, dan dalam perancangan dibulatkan menjadi 3 mm karena disesuaikan dengan grid yang ada pada perangkat lunak SONNET.

3.4.2. Saluran Pencatu 100 Ohm

Dengan cara yang sama, menggunakan perangkat lunak txline 2003 dapat

dihasilkan lebar saluran pencatu 100 ohm sebagai berikut :

Gambar 3.7 Tampilan txline 2003 untuk mencari lebar saluran pencatuan 100 Ohm

Seperti yang terlihat pada gambar 3.3 di atas, didapatkan lebar saluran pencatu 100 ohm sebesar 0,702304 mm, dan dalam perancangan dibulatkan menjadi 1 mm karena disesuaikan dengan grid pada perangkat lunak SONNET. Saluran pencatu 100 ohm dihubungkan dengan patch pada perancangan dua elemen atau lebih (array). Setelah itu dihubungkan dengan saluran pencatu 50 ohm.

Gambar 3.8 Saluran Pencatu 50 Ohm dan 100 Ohm

3.5. Perancangan Antena Single Patch

Setelah menentukan frekuensi kerja antena dan jenis substrat yang digunakan, maka langkah selanjutnya melakukan perancangan patch antena. Perancangan patch antena dimulai dengan menentukan dimensi dari patch tersebut. Patch antena yang dirancang berbentuk persegi panjang (rectangular) dan formula untuk perhitungan dimensi dari patch sebagai berikut :

Sebelum menentukan nilai panjang dan lebar patch kita harus menentukan terlebih dahulu nilai panjang gelombang antena yang kita rancang.

Diketahui : 𝑐 : 3 × 10

⁸

𝑚 𝑠

𝑓

_𝑜

: 2,45 𝐺𝐻𝑧 = 2,45 × 10

⁹

𝐻𝑧 𝜀

_𝑟

: 4,2

tan 𝛿 : 0,0017

ℎ : 1,6𝑚𝑚

𝜇

_𝑟

: 1

Maka rumus untuk mencari panjang gelombang :

𝜆 = 𝑐 𝑓

_𝑟

𝜆 = 3 × 10

⁸

𝑚 𝑠 2,45 × 10

⁹

𝐻𝑧

𝜆 = 122,45 𝑚𝑚

Setelah itu dapat dicari nilai dari lebar patch antena dengan rumus :

𝑊 = 𝑐 2𝑓

_𝑜 ^𝜀𝑟+1

2

𝑊 = 3 × 10

⁸

2 × 2,45 × 10

^{9 4,2+1}

2

𝑊 = 3 × 10

⁸

2 × 2,45 × 10

⁹

× 2,6

𝑊 = 3 × 10

⁸

7,9 × 10

⁹

𝑊 = 0,03797 𝑚 = 37,97 𝑚𝑚

𝑊 ≈ 38 𝑚𝑚

Untuk mencari nilai konstanta dielektrik efektif (𝜀

𝑟,𝑒𝑓𝑓

) dapat dirumuskan :

𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

= 𝜀

_𝑟

+ 1

2 + 𝜀

_𝑟

− 1 2

1 1 + 12 ℎ 𝑊

𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

= 4,2 + 1

2 + 4,2 − 1 2

1

1 + (12 × 1,6 × 10

⁻³

) 37,97 × 10

⁻³

𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

= 2,6 + 1,6 1

1 + 0,51)

𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

= 2,6 + 1,6 1 1,23

𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

= 2,6 + 1,3

𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

≈ 3,9

Selanjutnya untuk mencari efek medan tepi pada elemen peradiasi sebagai berikut :

Δ𝐿 = 0,412ℎ 𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

+ 0,3

^𝑊

ℎ

+ 0,264 𝜀

_{𝑟,𝑒𝑓𝑓}

− 0,258

^𝑊

ℎ

+ 0,8

Δ𝐿 = (0,412 × 1,6 × 10

⁻³

) 3,9 + 0,3

^{37,97×10−3}

1,6×10⁻³

+ 0,264 3,9 − 0,258

^{37,97×10−3}

1,6×10⁻³

+ 0,8

Δ𝐿 = 0,6592 × 10

⁻³

3,9 + 0,3 23,731 + 0,264 3,9 − 0,258 23,731 + 0,8

Δ𝐿 = 0,6592 × 10

⁻³

4,2 × 23,995 3,642 × 24,531

Δ𝐿 = 0,6592 × 10

⁻³

100,779 89,342

Δ𝐿 = 0,6592 × 10

⁻³

× 1,128

Δ𝐿 ≈ 0,74 × 10

⁻³

Selanjutnya untuk mencari panjang elemen peradiasi efektif (𝐿

𝑒𝑓𝑓

) sebagai berikut :

𝐿

_𝑒𝑓𝑓

= 𝑐 2𝑓

_𝑜

𝜀

𝑟,𝑒𝑓𝑓

𝐿

_𝑒𝑓𝑓

= 3 × 10

⁸

2 × 2,45 × 10

⁹

× 3,9

𝐿

_𝑒𝑓𝑓

= 3 × 10

⁸

9,68 × 10

⁹

𝐿 ≈ 31 × 10

⁻³

𝑚

𝐿

_𝑒𝑓𝑓

≈ 31 𝑚𝑚

Dan selanjutnya untuk mencari panjang patch antena adalah :

𝐿 = 𝐿

_𝑒𝑓𝑓

− 2Δ𝐿

𝐿 = 31 × 10

⁻³

− 2 × 0,74 × 10

⁻³

𝐿 = 31 − 1,48 × 10

⁻³

𝐿 ≈ 29,52 × 10

⁻³

𝑚

𝐿 ≈ 29,52 𝑚𝑚

Sehingga berdasarkan perhitungan didapatkan panjang dan lebar patch antena yaitu 𝑊 = 36,9 𝑚𝑚 dan 𝐿 = 28,8 𝑚𝑚.

3.6. Merancang Antena dengan Sonnet

3.6.1. Perancangan Antena Mikrostrip Single Patch

Setelah diperoleh nilai panjang dan lebar patch yang digunakan, setelah itu dilakukan simulasi di software sonnet versi 11.54.

Gambar 3.9 Tampilan Awal Sonnet Task Bar

Gambar 3.10 Tampilan New Geometry Software Sonnet

Lalu dilakukan penambahan sebuah metal/substrat yang berbentuk rectangular dengan panjang dan lebar sesuai dengan perhitungan di atas melalui tab tools-add metalization-rectangle seperti gambar dibawah ini.

Gambar 3.11 Tampilan Penambahan Sebuah Metal/Substrat pada Sonnet

Setelah itu dilakukan konfigurasi nilai parameter-parameter dielektrik sesuai spesifikasi substrat yang digunakan antara lain konstanta dielektrik relatif (𝜀

𝑟

), dielektrik loss tangent (tan δ), ketebalan substrat (h) dan konstanta permeabilitas relatif (𝜇

𝑟

) pada tab Circuit-Dilectric Layer seperti gambar di bawah ini.

Gambar 3.12 Tampilan Konfigurasi Dielectric Material dengan Sonnet

Karena pada perancangan antena mikrostrip ini menggunakan metode

pencatuan secara langsung menggunakan saluran pencatu mikrostrip,

maka di desain pula saluran pencatuan tersebut sesuai perhitungan

software txline 2003 di atas dan diatur pula berapa nilai impendasi input

dari konektor yang digunakan seperti gambar di bawah ini.

Gambar 3.13 Dimensi Antena Single Patch Mikrostrip

Gambar 3.14 Konfigurasi Port Antena Mikrostrip pada Sonnet

Kemudian dilakukan simulasi dengan range frekuensi antara 2-3 GHz (frekuensi wifi) sehingga diperoleh nilai return loss, VSWR dan pola radiasi sebagai berikut :

Gambar 3.15 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai Return Loss

Antena Single Patch

Gambar 3.16 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai VSWR Antena Single Patch

Gambar 3.17 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Pola Radiasi Antena

Single Patch

3.6.2. Perancangan Antena Mikrostrip Single Patch Fractal Iterasi 1

Dengan didapatkannya nilai untuk dimensi antena mikrostrip single patch, setelah itu dilakukan perancangan antena jenis fractal untuk iterasi 1 menggunakan metode sierpinski karpet. Karena nilai panjang dan lebar sulit dibagi 3 maka dilakukan sedikit modifikasi agar diperoleh nilai yang bisa dibagi 3 seperti gambar di bawah ini.

Gambar 3.18 Dimensi Antena Mikrostrip Single Patch Fractal Iterasi 1

Kemudian dilakukan simulasi dengan range frekuensi antara 2-3 GHz

(frekuensi wifi) sehingga diperoleh nilai return loss, VSWR dan pola

radiasi sebagai berikut :

Gambar 3.19 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai Return Loss Antena Single Patch Fractal Iterasi 1

Gambar 3.20 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai VSWR Antena

Single Patch Fractal Iterasi 1

Gambar 3.21 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Pola Radiasi Antena Single Patch Fractal Iterasi 1

3.6.3. Perancangan Antena Mikrostrip Single Patch Fractal Iterasi 2

Dengan didapatkannya nilai untuk dimensi antena mikrostrip single patch

fractal iterasi 1, setelah itu dilakukan perancangan antena jenis fractal

untuk iterasi 2 menggunakan metode yang sama dengan pembutan antena

mikrostrip single patch fractal iterasi 1 seperti gambar berikut.

Gambar 3.22 Dimensi Antena Mikrostrip Single Patch Fractal Iterasi 2

Kemudian dilakukan simulasi dengan range frekuensi antara 2-3 GHz

(frekuensi wifi) sehingga diperoleh nilai return loss, VSWR dan pola

radiasi sebagai berikut :

Gambar 3.23 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai Return Loss Antena Single Patch Fractal Iterasi 2

Gambar 3.24 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai VSWR Antena

Single Patch Fractal Iterasi 2

Gambar 3.25 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Pola Radiasi Antena Single Patch Fractal Iterasi 2

3.6.4. Perancangan Antena Mikrostrip Array 2 Fractal Iterasi 2

Dari hasil simulasi mulai antena single patch sampai antena single patch fractal iterasi 2 didapatkan pergeseran frekuensi kerja dari 2,47 GHz menjadi 2,19 GHz. Karena frekuensi kerja yang diinginkan adalah 2.45 GHz maka dilakukan perubahan dimensi antena dengan perhitungan sebagai berikut :

%perubahan dimensi = frekuensi kerja sekarang

frekuensi kerja yang diharapkan × 100%

%perubahan dimensi = 2.19 GHz

× 100%

%perubahan dimensi = 89,39%

Lalu masukan nilai tersebut pada tab modify-resize maka tampilan sebagai berikut :

Gambar 3.26 Konfigurasi Resize Dimensi Antena Mikrostrip

Maka akan terbentuk dimensi baru antena mikrostrip single fractal iterasi

2 seperti gambar berikut ini.

Gambar 3.27 Dimensi Antena Mikrostrip Single Patch Fractal Iterasi 2 yang Dimodifikasi

Kemudian dilakukan simulasi dengan range frekuensi antara 2-3 GHz

(frekuensi wifi) sehingga diperoleh nilai return loss, VSWR dan pola

radiasi sebagai berikut :

Gambar 3.28 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai Return Loss Antena Single Patch Fractal Iterasi 2

Gambar 3.29 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai VSWR Antena

Single Patch Fractal Iterasi 2

Gambar 3.30 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Pola Radiasi Antena Single Patch Fractal Iterasi 2

Dari data di atas di dapat frekuensi kerja adalah 2.46 GHz lalu antena tersebut dirancanglah antena array 2 fractal iterasi 2 seperti gambar berikut:

Gambar 3.31 Dimensi Antena Mikrostrip Array 2 Fractal Iterasi 2

Kemudian dilakukan simulasi dengan range frekuensi antara 2-3 GHz (frekuensi wifi) sehingga diperoleh nilai return loss, VSWR dan pola radiasi sebagai berikut :

Gambar 3.32 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai Return Loss Antena Mikrostrip Array 2 Fractal Iterasi 2

Gambar 3.33 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai VSWR Antena

Mikrostrip Array 2 Fractal Iterasi 2

Gambar 3.34 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Pola Radiasi Antena Mikrostrip Array 2 Fractal Iterasi 2

3.6.5. Perancangan Antena Mikrostrip Array 4 Fractal Iterasi 2

Seperti halnya perancangan antena array 2 fractal iterasi 2, maka

dibuatlah antena array 4 fractal iterasi 2 seperti gambar berikut:

Gambar 3.35 Dimensi Antena Mikrostrip Array 4 Fractal Iterasi 2

Kemudian dilakukan simulasi dengan range frekuensi antara 2-3 GHz

(frekuensi wifi) sehingga diperoleh nilai return loss, VSWR dan pola

radiasi sebagai berikut :

Gambar 3.36 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai Return Loss Antena Mikrostrip Array 4 Fractal Iterasi 2

Gambar 3.37 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Nilai VSWR Antena

Mikrostrip Array 4 Fractal Iterasi 2

Gambar 3.38 Tampilan Hasil Simulasi Sonnet untuk Pola Radiasi Antena

Mikrostrip Array 4 Fractal Iterasi 2