PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ANTENA HELIKS QUAD BAND PADA RANGE FREKUENSI ( ) MHZ, ( ) MHZ, ( ) MHZ DAN ( ) MHZ

(1)

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ANTENA HELIKS QUAD BAND PADA RANGE FREKUENSI (750-950) MHZ, (1700-1900) MHZ, (2000-2200) MHZ DAN

(2300-2500) MHZ

I Gede Made Wira Saputra¹, Suprayogi², Budi Prasetya³

¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom Abstrak

Antena merupakan suatu device yang digunakan pada komunikasi radio sebagai pelepas energi elektromagnetik ke ruang bebas dan atau sebagai penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas. Dalam sistem komunikasi radio bergerak yang frekuensinya semakin tinggi, penggunaan antena pita lebar diperlukan agar mampu untuk pertukaran berbagai informasi serta hemat energi.

Antena yang dirancang dan direalisasikan pada tugas akhir ini adalah antena heliks yang sesuai dengan rancangan gambar teknik. Sebagai penyepadan impedansi digunakan tranformator λ/4 bertingkat binomial, dengan konstruksi saluran strip tunggal. Frekuensi kerja antena ini disesuaikan dengan trend saat ini, yaitu 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz dan 2300-2500 MHz yang mencakup wilayah frekuensi CDMA 800, GSM 900, DCS-1800, CDMA 1900, WCDMA, UMTS 2100, Wi-Fi, WIMAX dan berbagai aplikasi lain.

Dari hasil pengukuran yang dilakukan secara umum, semua analisis dan data pengukuran yang valid nantinya bisa diharapkan untuk menghasilkan suatu bentuk konfigurasi antena

unidirectional helix yang mempunyai wilayah frekuensi 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz dan 2300-2500 MHz. Serta memiliki polarisasi sirkular yang dapat mendukung berbagai sistem teknologi komunikasi wireless.

Kata Kunci : Antena Heliks, CDMA800, GSM900, DCS-1800, CDMA1900, WCDMA, UMTS2100, Wi-Fi dan WIMAX

Abstract

Antenna is a device that used for radio communication as transmitter of electromagnetic energy to the free space or receiver from the free space. In mobile radio communication system with higher frequency, the usage of broad band antenna is needed for varied information exchange and it is also economical from the energy utilization.

The antenna that will be designed and realized in this final project is helix antenna that appropriate with the design of technical drawing. It uses binomial transformer λ/4 system for matching impedance with one strip channel construction. The work frequency of this antenna is adapted with today’s trend, i.e. 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz and 2300-2500 MHz including CDMA 800, GSM 900, DCS-1800, CDMA 1900, WCDMA, UMTS 2100, Wi-Fi, WIMAX and another varied application frequency range.

From the measurement that has been done, writer hope all of the analysis and the realible measurement data can appear a configuration of helical unidirectional antenna with range frequency 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz and 2300-2500 MHz and sircular polarization which is support in many wireless communication technology systems.

Keywords : Helix Antenna, Quad Band, CDMA800, GSM900, DCS-1800, CDMA1900, WCDMA, UMTS 2100, Wi-Fi and WIMAX

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

(2)

xiv

Permeabilitas : perbandingan medan imbas magnetik atau rapat fluks magnetik B dalam suatu medium terhadap medan magnetik luar H yang mengimbaskannya

Permitivitas : ukuran derajat perlawanan suatu medium terhadap aliran muatan dalam medium tersebut, ditakrifkan sebagai perbandingan antera pergeseran elektrik dalam medium tersebut dengan medan elektrik yang mengimbaskannya Polarisasi : orientasi penjalaran gelombang elektromagnetik.

Pola radiasi : representasi grafis karakteristik radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang

Prototipe : model

RSL (Received Signal Level) : level daya terima Side lobe : arah pancar ke samping

Smith chart : diagram yang menunjukkan kurva resistansi tetap dan reaktansi tetap; dapat menyatakan impedansi masukan atau impedansi beban

Transformator : Pengubah gelombang terbimbing yang dilewatkan pada saluran transmisi menjadi gelombang ruang bebas dan sebaliknya.

Unidireksional : pola pancar terarah / pola pancar dominan ke satu arah tertentu

Uniform : Seragam atau sama

VSWR : perbandingan tegangan pantul terhadap tegangan datang pada batas dua medium.

(3)

xv

DAFTAR SINGKATAN

AUT : Antena Under Test BPF : Band Pass Filter

CDMA : Code Division Multiple Access

dB : decibel

DCS : Digital Communication System DUT : Device Under Test

EM : Elektromagnetik

GSM : Global System for Mobile Communication

NA : Network Analyzer

RSL : Receive Signal Level

Rx : Receiver

SA : Spectrum Analyzer

SWR : Standing Wave Ratio

TX : Transmitter

UMTS : Universal Mobile Telecommunication System VSWR : Voltage Standing Wave Ratio

WCDMA : Wideband Code Division Multiple Access Wi-Fi : Wireless Fidelity

WI-MAX : Worldwide Interoperability for Microwave Access

W-LAN : Wireless Local Area Network

(4)

Pendahuluan

Perancangan Dan Implementasi Antena Heliks Quad Band Pada Range Frekuensi

(750-950) MHz, (1700-1900)MHz, (2000-2200)MHz, Dan (2300-2500)MHz 1

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang Masalah

Telekomunikasi adalah salah satu bidang yang memegang peranan penting di abad ini. Dengan telekomunikasi orang bisa saling bertukar informasi satu dengan yang lain. Seiring dengan perkembangan aktifitas manusia yang semakin mobile maka dituntut pula suatu pola komunikasi yang mudah dilakukan dimana saja. Sehingga muncullah konsep telekomunikasi yang tidak lagi menggunakan media kabel yang disebut sistem telekomunikasi mobile wireless yang menggunakan antena.

Antena memiliki banyak fungsi dan ragam yang bergantung pada jenis komunikasi yang dilayani. Secara umum, antena sebagai pengubah gelombang terbimbing yang dilewatkan pada saluran transmisi menjadi gelombang ruang bebas dan sebaliknya. Pada komunikasi radio, antena digunakan sebagai pelepas energi elektromagnetik ke ruang bebas dan sebagai penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas.

Perkembangan teknologi komunikasi wireless yang semakin cepat dan beragam memunculkan berbagai standar teknologi yang baru. CDMA800, GSM900, GSM1800, CDMA1900, WCDMA/3G, Wi-Fi dan WIMAX merupakan hasil kemajuan teknologi

wireless yang masing-masing bekerja pada frekuensi tertentu. Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah antena tertentu untuk setiap aplikasi agar komunikasi dapat berlangsung dengan baik.

Dalam perkembangannya, sebuah antena dapat dirancang agar dapat bekerja pada frekuensi yang lebar, gain dan direktifitas yang tinggi, memiliki pola pancar yang terarah dan dapat bekerja pada banyak aplikasi. Untuk sebuah pengguna yang ingin menjalankan teknologi di atas pada perangkat terminalnya, maka diperlukan suatu perangkat antena yang bisa beroperasi pada frekuensi tersebut. Salah satunya adalah dengan menggunakan antena

unidirectional helix yang mempunyai polarisasi sirkular.

Tugas akhir ini membahas perancangan dan implementasi antena heliks mode aksial yang memiliki quad-band frekuensi yaitu (750-950) MHz, (1700-1900) MHz, (2000-2200) MHz dan (2300-2500) MHz. Dengan frekuensi kerja ini, antena yang akan dirancang dapat menjadi device pendukung CDMA800, GSM900, GSM1800, CDMA1900, WCDMA/3G, UMTS, Wi-Fi dan WIMAX.

(5)

Pendahuluan

1.2Tujuan Penelitian

Tujuan dari pembuatan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Merancang dan mengimplementasikan antena heliks quad band frekuensi untuk komunikasi mobile wireless.

2. Melakukan eksperimen, merancang bangun dan menguji antena heliks quad band pada range frekuensi (750-950) MHz, (1700-1900) MHz, (2000-2200) MHz dan (2300-2500) MHz.

3. Memahami karakteristik antena heliks quad band frekuensi dalam mempengaruhi

bandwithd antena, direktifitas dan back loop.

4. Mendapatkan informasi mengenai kinerja antena yang dibuat. 5. Membuat antena heliks yang murah dan berkualitas.

1.3Rumusan Masalah

Perumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah :

1. Bagaimana merancang dan merealisasikan antena heliks quad band frekuensi pada range frekuensi (750-950) MHz, (1700-1900) MHz, (2000-2200) MHz dan (2300-2500) MHz. 2. Bagaimana spesifikasi yang tepat dari antena heliks quad band frekuensi agar dapat

bekerja pada frekuensi (750-950) MHz, (1700-1900) MHz, (2000-2200) MHz dan (2300-2500) MHz.

3. Bagaimana analisis hasil pengujian parameter-parameter heliks quad band frekuensi yang telah dibuat.

1.4Batasan Masalah

Pada Tugas Akhir ini terdapat beberapa batasan masalah sebagai berikut : 1. Jenis antena yang dibuat adalah antena heliks quad band frekuensi.

2. Jenis bahan untuk pembuatan antena adalah bahan tembaga pada bagian circum.

3. Frekuensi kerja antena hanya pada (750-950) MHz, (1700-1900) MHz, (2000-2200) MHz dan (2300-2500) MHz.

4. Heliks berada pada sumbu dan arah putar yang sama.

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

(6)

Perancangan Dan Realisasi Antena

3.3Konsep Dasar Perancangan Antena Heliks Quad Band Pada Range Frekuensi 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz dan 2300-2500 MHz

Gambar 3.1 Konsep Dasar Perancangan

Gbr 3.2 Konstruksi Saluran Kawat Tunggal dengan Ground Plane

Z

=

………..…(3.2)

Keterangan:

d = diameter kawat konduktor (mm) εr = permitivitas relatif bahan h = spasi jarak antara dua kawat (mm) L = Panjang saluran

Z = impedansi saluran

Dengan pendekatan transformasi kawat ke strip, nilai w ≈ 2d dapat didekati jika tebal strip mendekati 0. Maka persamaannya diubah menjadi :

Z

=

………...……… (3.3)

(7)

3.4 Diagram Alir Perancangan dan Pengujian Antena Heliks Quad Band Pada Range Frekuensi 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz dan 2300-2500 MHz

Adapun dalam merancang bangun antena dalam tugas akhir ini mengikuti prosedur diagram alir di bawah ini yang diharapkan akan menghasilkan suatu antena prototipe dengan spesifikasi yang teruji.

MULAI

MENENTUKAN SPESIFIKASI ANTENA

MENGHITUNG DAN MENENTUKAN ELEMEN PRIMER ANTENA HELIKS (PANJANG GELOMBANG, DIAMETER

LILITAN, DIAMETER GROUND PLANE, SPASI ANTAR LILITAN, JUMLAH LILITAN, SUDUT PITCH

DAN NILAI IMPEDANSI.)

MERANCANG PENYEPADANAN BINOMIAL

A Bw m 2 1 cos 4 2 -1

MENGJITUNG NILAI IMPEDANSI TIAP TINGKAT

) ln( 2 ln ln 0 1 Z ZL N n N n n Z C Z

MENENTUKAN BAHAN DIELEKTRIK

SALURAN STRIP TUNGGAL

MENGKONSTRUKSI LILITAN KAWAT TEMBAGA, MENGKONSTRUKSI SALURAN STRIP TUNGGAL PADA

ANTENA HELIKS DAN MEMBUAT GAMBAR TEKNIK

ANTENA HELIKS JADI

SELESAI h 8w log ε 276 Z r

Gbr 3.3 Diagram Alir Perancangan dan Pembuatan Antena Heliks Quad Band Frekuensi

(8)

Untuk pengujian antena yang dirancang bangun, mengikuti diagram alir pengujian antena dibawah ini, dimana antena diuji dengan persyaratan ruangan, instrumen dan spesifikasi yang baik, agar dapat menghasilkan pengukuran yang baik. Dalam arti bahwa, tingkat kesalahan pengukuran yang minimal dan hasil yang maksimal.

Adapun pengujian dari parameter antena yang dibuat terlihat pada diagram alir sebagai berikut :

SPESIFIKASI INSTRUMEN RUANG UJI

PEMODELAN (Penskalaan) PROTOTIPE

TATA RUANG

PENGUJIAN MODEL (Medan Jauh)

SIMPANGAN SPESIFIKIASI TOLERANSI MODEL KONTRA PEMODELAN UJI LAPANGAN PROTOTIPE SIMPANGAN SPESIFIKIASI TOLERANSI

PROTOTIPE SIAP GANDA Ya Tidak Ya Tidak P e m o d e la n (u ji-m o d e l) P e m b u a ta n p ro to ti p e

(9)

3.5Perancangan Antena Heliks Quad Band Pada Range Frekuensi 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz dan 2300-2500 MHz

Beberapa pertimbangan yang diambil dalam perancangan antena heliks quad band pada range frekuensi 750-950 MHz, 1700-1900 MHz, 2000-2200 MHz dan 2300-2500 MHz ini adalah:

1. Persamaan – persamaan antena heliks didapatkan dari hasil percobaan, sehingga menimbulkan pembatasan. Jadi, antena heliks yang dirancangbangun haruslah sesuai atau memenuhi batasan – batasan tersebut, yaitu untuk 0.8 C 1.2 dan 120 140 dimana n 4.

2. Untuk pelilitan tembaga, dilakukan dengan melilitkannya pada plat aklerik yang memiliki panjang sesuai dengan perhitungan.

3. Antena Heliks ini menggunakan pelataran berbentuk persegi yang berfungsi untuk memudahkan dalam penempatan konektor.

4. Antena Heliks ini menggunakan pola pencatuan peripheral, dimana pencatuannya terdapat di sisi lilitan.

3.5.1Perancangan Elemen Primer

a. Untuk frekuensi kerja 750-950 MHz 1. Menentukan Panjang Gelombang (λ)

Foperasi/ kerja atau ftengah adalah 850 MHz

λ = C/f ………. (3.3)

= 3 x 108 / 850 x 106 = 35,294 cm 2. Menentukan Diameter Lilitan (D)

C = π x D ↔ D = C / π ………. (3.4)

Agar bekerja pada mode aksial sehingga didapat pola radiasi yang unidireksional, maka harus memenuhi syarat, seperti di sub bab 2.2. Digunakan C = 1λ atau C = λ untuk memudahkan perhitungan dan masih dalam range mode aksial, sehingga diperoleh :

D = λ / π ………. (3.5)

= 35.294cm/ 3,14 = 11,24 cm

(10)

3. Menentukan Spasi atau Jarak Antar Lilitan (S)

Sudut lilitan (pitch angle) yang optimal adalah 120 140, maka dapat dipilih sudut lilitan (pitch angle) sebesar = 130 dengan Tan = S/C, dimana C = λ sehingga diperoleh: S = Tan x λ ………. (3.6) = Tan 130 x 35,294 cm = 0,231 x 35,294 cm = 8,148 cm Sλ = S / λ ………. (3.7) = 8,148 cm / 35,294 cm = 0,231

4. Menentukan Jumlah Lilitan (n)

Sesuai dengan spesifikasi gain, yaitu ≥ 15 dBi. Maka dapat dicari jumlah lilitan (n)

minimum untuk merancang bangun antenna heliks, yaitu :

G = η D ………. (3.8)

dengan asumsi efisiensi 100% maka G = D, sehingga :

G = 12C 2nS ……….. (3.9)

G = 15 dBi = 15 = 12C 2nS sehingga didapat n = 15 / [12 x (1)2 x 0,231]

= 5,411 lilitan ≈ 6 lilitan

Dalam Tugas Akhir ini, digunakan 6 lilitan. 5. Menentukan Panjang Antena Helix

Panjang sumbu antenna heliks adalah :

P = S x n ………... (3.10)

= 8,148 cm x 6 = 48,888 cm

6. Menentukan Ukuran Ground Plane (Pelataran)

Pada tugas akhir ini, dipilih groundplane berbentuk persegi dimana ukuran groundplane harus lebih besar dari 0,5 λ. Oleh karena itu, digunakan groundplane dengan diameter 1,4 λ, Karena untuk memudahkan dalam penempatan konektor. Sehingga :

(11)

Gp = 1 λ ………... (3.11)

= 49,4116 cm

Sehingga ukuran grounplane berdiameter 49,4116 cm 7. Nilai Impedansi Antena

Nilai impedansi Antena Heliks yang menggunakan pola pencatuan peripheral

adalah :

R = ……….. (3.12)

= = 150

8. Menghitung Nilai Koefisien Pantul ( Г )

Г = = = 0,2 ………... (3.13)

b. Untuk frekuensi kerja 1700-1900 MHz 1. Menentukan Panjang Gelombang (λ)

Foperasi/ kerja atau ftengah adalah 1800 MHz λ = C/f

= 3 x 108 / 1800 x 106 = 16,666 cm

2. Menentukan Diameter Lilitan (D) C = π . D ↔ D = C / π

D = λ / π

= 16,666 cm/ 3,14 = 5,307 cm

3. Menentukan Spasi atau Jarak Antar Lilitan (S) Dengan Tan = S/C dan C = λ maka diperoleh :

S = Tan x λ

= Tan 130 x 16,666 cm = 0,231 x 16,666 cm = 3,849 cm

(12)

Sλ = S / λ = Tan = 0,231

Dengan gain ≥ 15 dBi, maka dapat dicari jumlah lilitan (n) minimum untuk merancang bangun antenna heliks, yaitu :

G = 12C 2nS

G = 15 dBi = 15 = 12C 2nS sehingga didapat n = 15 / [ 12 x (1)2 x 0,231 ]

Panjang sumbu antenna heliks adalah : P = S x n

= 3,849 cm x 6 = 23,094 cm

Groundplane yang digunakan memiliki ukuran yang sama dengan groundplane yang terdapat pada freuensi (750-950) MHz, yaitu 49,4116 cm. Karena masih sesuai dengan syarat ukuran ground plane, yaitu lebih besar dari 0,5λ.

7. Nilai Impedansi Antena

Denga tekhnik pencatuan peripheral, maka deperoleh nilai impedansi sebesar:

R = = = 150

(13)

c. Untuk frekuensi kerja 2000-2200 MHz 1. Menentukan Panjang Gelombang (λ)

= 3 x 108 / 2100 x 106 = 14,285 cm

D = λ / π

= 14,285 cm/ 3,14 = 4,549 cm

S = Tan x λ = Tan 130 x 14,285 cm = 0,231 x 14,285 cm = 3,299 cm Sλ = S / λ = Tan = 0,231

G = 12C 2nS

Panjang sumbu antenna heliks adalah :

(14)

P = S x n

= 3,849 cm x 6 = 19,794 cm

R = = = 150

Г = = = 0,2

d. Untuk frekuensi kerja 2300-2500 MHz 1. Menentukan Panjang Gelombang (λ)

= 3 x 108 / 2400 x 106 = 12,5cm

D = λ / π

= 16,666 cm/ 3,14 = 3,98 cm

S = Tan x λ

(15)

(750-950) MHz, (1700-1900)MHz, (2000-2200)MHz, Dan (2300-2500)MHz 24 = 0,231 x 12,5 cm = 2,887 cm Sλ = S / λ = Tan = 0,231

G = 12C 2nS

Panjang sumbu antenna heliks adalah : P = S x n

= 2,887 cm x 6 = 17,322 cm

R = = = 150

Г = = = 0,2

(16)

3.5.2Efek Mutual Coupling

Gbr 3.5 Gambar Susunan Antena Heliks

Impedansi = impedansi sendiri + impedansi gandeng = Zxx + Zyx + Zyx + Zyx Impedansi 1 = Z11 + Z21 + Z31 + Z41 = 150 + Z21 + Z31 + Z41 Impedansi 2 = Z22 + Z12 + Z32 + Z42 = 150 + Z12 + Z32 + Z42 Impedansi 3 = Z33 + Z13 + Z23 + Z43 = 150 + Z13 + Z23 + Z43 Impedansi 4 = Z44 + Z14 + Z24 + Z34 = 150 + Z14 + Z24 + Z34 Dimana Zxx = Ryx + Xyx ………... (3.14a)

(17)

………... (3.14b)

Gbr 3.6 Konstruksi kawat pada heliks quad band

Ket: L = Panjang lilitan kawat heliks d = Jarak antara antena heliks Ci = cosine integral (dari tabel) Si = sine integral (dari Tabel)

(18)

Dengan demikian, setelah melalui perhitungan maka nilai impedansi yang timbul adalah:  Frekuensi 750-950 MHz Z21 = 3123,7 + j2399,54 Ω Z31 = -5699,62 – j4467,97 Ω Z41 = 2713,92 + j2503,05 Ω Maka Z11 = 150 + 3123,7 + j2399,54 - 5699,62 – j4467,97 +2713,92 + j2503,05 = 288 + j434,62 Ω  Frekuensi 1700-1900 MHz Z12 = -2263,37– j3437,01 Ω Z32 = -5301,52 - j7673,03 Ω Z42 = 7699,18 + j11062,92 Ω Maka Z22 = 150 – 2263,37 – j3437,01 - 5301,52 - j7673,03 + 7699,18 + j11062,92 = 284,29 - j 47,12 Ω  Frekuensi 2000-2200 MHz Z13 = -8696 – j 5658,01 Ω Z23 = 4717,12 + j 2627,29 Ω Z43 = 4088,63 + j 3595,17 Ω Maka Z33 = 150 - 8696 – j 5658,01 + 4717,12 + j 2627,29 + 4088,63 + j 3595,17 = 259,75 – j564,45 Ω  Frekuensi 2300-2500 MHz Z14 = -13647,17 – j 11180,19 Ω Z24 = 7332,33 + j 5018,33 Ω Z34 = 6458,11 + j 6505,46 Ω Maka Z44 = -13647,17 – j 11180,19 + 7332,33 + j 5018,33 + 6458,11 + j 6505,46 = 293,27 – j 343,64 Ω