YAGI ANTENNA DESIGN FOR WIRELESS LAN 2,4 GHZ
Tito Tuwono,ST, M.Sc
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Islam Indonesia
Jalan Kaliurang km 14,5 jogjakarta 55501
titoyuwono@yahoo.com, tito@fti.uii.ac.id
Abstraksi
This paper will discuss about design and evaluation Yagi Antenna for Wireless LAN 2,4 GHz. Yagi was selested becaused it has simple construction, high directivity and very chip. By the calculation, yagi antenna element can considered like length of directory, driver and reflector. Result of this research can be conclused that Yagi Antenna very suitable for considered, because it has good perfermance in the data ytansmission like SOM, link quality, and traoughput.
Kata kunci: Antenna Yagi, WLAN 2,4 GHz
.1. Teori Dasar antena Yagi
Antena merupakan piranti untuk menangkap dan memancarkan gelombang elektromagentik. Terdapat berbagai macam jenis antena, diantaranya antena helix, antena parabola, antena sektor, antena pintar, dan antena yagi. Di antara antena-antena tersebut antena yagi mempunyai beberapa kelebihan, diantaranya konstruksi sangat murah, mempunyai pengarahan yang tinggi. Sehingga pada paper ini akan di terangkan dan diteliti kinerja antena yagi pada WLAN.
Antena yagi secara teoritis yaitu sejenis antena yang terdiri dari 3 macam elemen. Dimana 3 macam yang memegang peranan penting dalam konstruksi antena yagi yaitu reflektor, dipole dan direktori [1]. Dalam pengimplementasianya sebuah antena Yagi dapat dibuat dari elemen berbentuk pararel,silindris. R D DR R = REFLEKTOR D = DRIVER DR = DIRECTORY X asis Y axis Z axis
Gambar 1. Antena yagi pada koordinat cartesius [1][2]
Pada gambar diatas menunjukkan bahwa elemen-elemen yagi terletak sejajar pada Z axis, sedangkan boom ataupun bahan penyangga elemen sejajar dengan X axis, Antena Yagi yang paling sederhana adalah antena yagi dengan 2 elemen yang terdiri atas satu radiator atau driven elemen dan satu elemen parasitik sebagai direktori.
Gambar 2. Antena yagi pada koordinat cartesius
Elemen Driver
Driver merupakan bagian paling penting dari sebuah antena yagi karena elemen inilah yang akan membangkitkan gelombang elektromagnetik menjadi sebuah sinyal yang akan di pancarkan. Untuk menjadikan sebuah driver yang menghantarkan radiasi dengan baik, biasanya menggunakan antena dipole sebagai bentuk drivernya.
Antena dipole adalah antena berbentuk linear pendek, yang bila sedang memancarkan
dapat dianggap mempunyai arus yang sama diseluruh panjangnya.
Gambar 3. Antena dipole Dalam pembuatan driver antena yagi, antena dipole yang biasa digunakan adalah antena dipole setengah-gelombang, dimana panjang total minimalnya pada frekuensi pembawa adalah ½ λ, penerapannya antena ini bertujuan karena antena dipole ½ λ memiliki resistansi radiasi yang rendah, namun dengan tingkat reaktansi yang tinggi, sehingga antena ini efisien digunakan pada antena yang memiliki panjang gelombang yang cukup lebar.ini terlihat pada pola pancaran antena dipole ½ λ .
Modifikasi terkenal dari antena dipole ½ λ adalah antena dipole dilipat (folded), antena ini lebih suka digunakan daripada antena dipole yang single untuk elemen pendorong, karena dapat dibuat dengan murah,memberikan impedansi terminl yang lebih tinggi,dan memiliki struktur mekanis yang kuat,
Antena dipole lipat ini pada masing-masing ujungnya digabung menjadi satu. Antena dipole ini sebenarnya dibagi menjadi 2 bagian yang masing-masing ¼ λ,dan pola radiasi yang dihasilkan akan tepat sama seperti untuk antena dipole tunggal, tetapi resistansi radiasinya akan berbeda karena jalur transmisinya dihubungkan pada pusatnya yang mempunyai impedansi 73 Ω, tapi karena penggabungan tersebut maka resistansi radiasi menjadi 4x 73Ω atau 292 Ω di titik umpannya, bentuk antena dipole folded ini terlihat pada gambar dibawah ini:
½ λ
Gambar 4. Antena dipol terlipat (folded)
Elemen Reflector
Sesuai dengan namanya reflector, elemen ini merupakan elemen pemantul. Elemen reflektor ditempatkan di belakang dipole dan dibuat lebih panjang dari pada panjang dipole.
Gambar 5 Susunan driver dan reflektor Tujuan utama dari penempatan reflektor di belakang adalah untuk membatasi radiasi agar tidak melebar kebelakang namun kekuatan pancarannya akan diperkuat ke arah sebaliknya. Reflektor juga bersifat menjadikan antena lebih induktif.
Gambar 6. Pola radiasi yang ditimbulkan oleh pengaruh reflektor
Untuk penentuan ukuran dari sebuah reflektor ditentukan dengan[1][4] :
dipole dipole ref
l
l
l
=
+
5
%
(1)
dimana : l
ref= panjang reflektor
l
dipole= panjang elemen driver
pemasangan reflektor hanya digunakan satu saja, karena penambahan reflektor yang kedua atau ketiga praktis tidak akan menambah apapun pada keterarahan struktur. Sedangkan penempatan elemen reflektor yaitu dibelakang elemen driver ( dipole) dengan jarak optimum yaitu
0,15 –
0,2 λ.
1/4 Wavelength 1/4 Wavelength
Elemen Directori
Elemen Direktori merupakan elemen pengarah yang diletakkan didepan antena dipole terlipat (driver), direktori akan memaksakan radiasi dari driver menuju ke satu arah. Elemen ini juga kadang sering disebut dengan elemen parasitic.
Gambar 7. Penempatan elemen direktori Dari gambar terlihat bahwa pola 1 merupakan pola radiasi yang diciptakan oleh antena dipole terlipat, dengan penambahan reflektor dan direktori pola radiasi antena akan diubah dan diperkecil menjadi satu arah namun dengan daya pancar yang lebih jauh seperti yang terlihat pada pola 2
Gambar 8. Pola radiasi antena yang diarahkan Penambahan satu atau lebih direktori merupakan metode yang paling efektif dalam mendapatkan penguatan yang lebih besar, semakin banyak jumlah elemen direktori maka akan didapat penguatan yang lebih besar juga.
Seperti halnya reflektor, elemen direktori juga memiliki pengaturan dalam penentuan ukuran dan jarak, baik itu jarak dengan driver ataupun jarak antara direktori satu dengan direktori lainnya. Karena ukuran dalam penentuan ini akan mempengaruhi kinerja kemampuan antena yagi.
Untuk penentuan ukuran, direktori di buat dengan ukuran harus lebih kecil daripada ukuran antena dipole,untuk penentuan ukuran dapat dibuat menggunakan persamaan
dipole dipole
directory
l
l
l
=
−
5
%
(2)dimana : ldirectory= panjang direktori
ldipole= panjang elemen driver
Pengarah atau direktori yang terdekat pada antena dipole adalah pengarah yang paling berpengaruh terhadap penguatan, dan pengaruh yang paling jauh memiliki pengaruh yang kecil
dalam beberapa teori terdapat sebuah persamaan yang mengemukakan tentang jarak antara direktori, persamaan tersebut yaitu:
f
d
=
36
,
6
(3)Dimana : d = jarak antara direktori ( m )
f = frekuensi kerja
( MHz)
Penguatan antena yagi
Gain atau penguatan dari sebuah antena yagi diperoleh dari memaksimalkan faktor-faktor penting elemen-elemen parasitik antena yagi. Dalam meningkatkan gain antena yagi mengubah pengaturan driver tidak akan memberikan efek yang banyak dalam penguatannya, cara yang paling efektif adalah dengan melakukan pengaturan yang tepat pada besarnya ukuran serta jarak dalam penempatan elemen tersebut.
Gain antena yagi merupakan peningkatan antena dipole sebagai antena drivernya, adapun secara teori gain maksimal dari antena dipole λ/2 adalah 10 log 1.66 atau 2.2. dBi. Dalam hal ini peningkatan jumlah faktor elemen yang meningkatkan gain tersebut seperti yang terlihat pada persamaan di bawah ini:
G = 10 log 1,66 x (nelemen) (4)
Umumnya gain antena yagi akan menurun secara nyata apabila panjang reflektor lebih kecil ataupun sebaliknya panjang direktori lebih besar daripada panjang ukuran dipole. Selain dari tinjauan diatas terdapat juga formula yang menyatakan bahwa gain antena yagi bisa didapat dari analisa gambar, persamaan yang digunakan pada analisa gambar adalah
E H
G
θ
θ
41253
log
10
=
(5)
Dimana G = gain terhadaap antena isotropic
H
θ
= sudut ½ kekuatan horizontal polarisasi
θ
E = sudut ½ kekuatan elipticalpolarisasi
3.
Perancangan antena yagi
Pada Sub Bab ini akan dibahas perancangan antena Yagi untuk WLAN dengan frekuensi kerja sekitar 2,4 GHz.Untuk mendapatkan panjang gelombang pada frekuensi kerja, maka dapat dihitung sebagai berikut: mm cm m 12,5 125 125 . 0 000 . 000 . 240 000 . 000 . 300 = = = = λ
Panjang diatas dinamakan panjang
teoritis,namun dalam pelaksanaanya panjang tersebut tidak selalu seperti
perhitungan,sehingga biasanya panjang elemen antena lebih pendek,
3.1 Perancangan elemen driver
Seperti yang telah dikemukakan bahwa elemen driver merupakan elemen paling penting,karena melalui elemen inilah medan elektromagnetik akan diradiasikan di udara. Perancangan driver menggunakan cara perancangan antena dipole yang memiliki panjang ½ gelombang, namun agar dapat menghilangkan komponen reaktif,maka seharusnya panjang antena ½ dipole tersebut adalah:
cm
cm
x
12
,
5
5
,
93
5
,
9
475
,
0
475
,
0
λ
=
=
≈
Panjang driver juga bisa ditentukan dengan rumus: l f 0,0593m 5,93cm 65 , 142 = = =
Gambar 9. Ukuran antena dipol
3.2 Perancangan elemen reflektor
Panjang reflektor ditentukan dengan:
dipole dipole ref
l
l
l
=
+
5
%
cm lref =5,9+(0,05)5,9=5,9+0,295=6,19≈6,2Penempatan atau posisi dari sebuah reflektor akan memberikan penguatan juga, elemen reflektor ditempatkan dibelakang elemen driver ( dipole) dengan jarak optimum yaitu 0,15 – 0,2 λ. Dimana dari penelitian, secara teoritis penempatan terbaik yaitu berjarak 0.15λ = 0,15x12,5cm = 1,87 cm, akan terlihat seperti gambar dibawah ini
Gambar 10. Penempatan optimal reflektor
3.3 Perancangan elemen directori
Panjang direktori dapat ditentukan dengan: dipole dipole directory
l
l
l
=
−
5
%
= 5,9
cm – 0.05*5,9cm = 5,9 – 0,295 = 5,6 cm Sama seperti pada reflektor,posisipenempatan juga memiliki peranan penting dalam penguatan, jarak spasi antar tiap direktori adalah: cm m f d 0,015 1,5 2400 6 , 36 6 , 36 = = = =
Gambar 11. Jarak antara direktori Pada pembuatan antena yagi ini dirancang direktori dengan jumlah 12 buah dimana bertujuan untuk mendapatkan gain yang cukup besar dengan pengarahan yang lebih tertuju ke satu titik.
1/4λ= 2,95cm 1/4λ= 2,95cm
Pengujian dan Pengukuran Perfromance
Pengujian dilakukan pada jarak yang berbeda-beda, yaitu 20m , 150 m, dan 500 m berdasarkan gambar-gambar di bawah ini.
c X1 X2 a b = pancaran sinyal = posisi Tx = posisi Rx X1 X2
Gambar 12. Denah penempatan posisi Rx dan Tx dengan jarak 20 m
X1 X2 kampus FTI GOR UII x=152,5m y = 12m z Tx
Gambar 13. Denah penempatan
posisi Rx dan Tx dengan jarak 150
m
Rx MESJID UII X = 507,6 Mtr y = 21,8 meter ZGambar 14 Denah penempatan posisi Rx dan Tx dengan jarak 500
m
Tabel 1. Hasil pengujian
Bahan
perbandingan
Jarak
20 m
Jarak
150 m
Jarak
500 m
SOM 59,72
42,22
15,64
Signal
strength
-25 -68 -72
SNR Quality
Maximal
= 75
Maximal
= 32
Maximal
= 32
Lama
download data
10.3 MB
23 detik 48 detik 1 menit
45 detik
4. Kesimpulan
Setelah dilakukannya perancangan, implementasi pada jaringan WLAN, beserta analisa yang dibuat, terdapat beberapa kesimpulan yang didapat sebagai hasil dari penelitian :
1. Antena yagi sebenarnya merupakan pemodifikasian antena dipole ½ λ dengan penambahan beberapa elemen seperti pemantul dan pengarah yang bertujuan mendapatkan penguatan yang lebih dan terarah.
2. Antena yagi merupakan salah satu antena yang layak dikedepankan dalam penggunaanya di jaringan WirelessLAN, selain mudah dalam konstruksinya dan tingkat gain yang cukup tinggi yaitu 14 dB, antena yagi juga memiliki tingkat direktivitas yang sangat terarah.
3. Selain itu dari hasil SOM atau fade margin yang didapat, antena yagi telah memenuhi syarat dalam perancanaan WLAN, karena SOM yang didapat lebih besar dari 10 dB, yang sesuai dengan teori ”jika jarak < 16 Km,maka SOM minimal 10 dB, hal ini akan mempengaruhi konektivitas sistem wireless
4. Tingkat penguatan antena yagi dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti :
• Kualitas bahan yang digunakan.
• Panjang elemen driver, elemen reflektor, maupun elemen direktorinya.
• Jarak antara tiap elemennya.
