Desain Antena Helix Dan Loop Pada Frekuensi 2.4
GHz Dan 430 MHz Untuk Perangkat Ground
Station Satelit Nano
Muhammad Hasan Mahmudy(1), Eko Setijadi(2), dan Gamantyo Hendrantoro(3)
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111
Email: (1) [email protected] (2)[email protected](3)
[email protected]
Abstrak – Desain antena helix 2,4 GHz digunakan untuk
downlink sedangkan antena loop 430 MHz digunakan untuk uplink satelit IiNUSAT-02. Namun dalam perkembangan
penelitian terjadi perubahan frekuensi kerja untuk uplink satelit IiNUSAT-02 menjadi 436,5 MHz. Supaya Antena loop dapat digunakan pada satelit IiNUSAT-02 maka dilakukan perubahan frekuensi pada antena loop menjadi 436,5 MHz.
Dari hasil simulasi menggunakan software CST 2012 untuk antena helix 2,4 GHz didapatkan nilai return loss sebesar -64,65 dB, VSWR 1,007, bandwidth 0,7 GHz, dan gain sebesar 7,4 dBi. Untuk antena loop 436,5 MHz didapatkan nilai return loss sebesar -37,608 dB, VSWR 1,02669, bandwidth 5,34 MHz, dan
gain sebesar 8,91 dBi. Sedangkan dari hasil pengujian antena
helix 2,4 GHz didapatkan nilai return loss sebesar -26,364 dB, VSWR 1,184, bandwidth 0,33 GHz, dan gain sebesar 5,454 dBi. Untuk antena loop 436,5 MHz didapatkan nilai return loss sebesar -23,154 dB, VSWR 1,197, bandwidth 64,08 MHz, dan
gain sebesar 4,148 dBi. Dari hasil simulasi dan pengujian
memungkinkan antena tersebut dapat direalisasikan pada
ground station satelit IiINUSAT-02.
Kata Kunci ̶̶ Antena helix, antena loop, bandwidth, dan gain
I. PENDAHULUAN
ROGRAM IINUSAT (Indonesian Inter University
Satellite) merupakan suatu program kegiatan
pengembangan satelit dengan tujuan penguasaan dan pengembangan teknologi luar angkasa oleh beberapa partisipan seperti UGM, UI, ITB, ITS, PENS, ITT Telkom, LAPAN dan mahasiswa Indonesia di TU Delft. Maka sebagai salah satu partisipan ITS membentuk Komunitas Satelit-ITS (ITS-sat) dengan salah satu misi yaitu menciptakan dan mengoperasikan satelit ITS[1].
Sebelumnya komunitas satelit nano ITS sedang mengembangkan proyek portable transceiver untuk satelit Nano yang bekerja pada frekuensi 430 MHz UHF untuk uplink dan 144 MHz VHF untuk downlink yang hanya untuk komunikasi data teks. Kedepannya direncanakan satelit S-Band yang dapat bekerja pada frekuensi 2,4 GHz untuk downlink pada komunikasi real time video[2]. Untuk itu diperlukan antena penerima di ground station untuk
menerima dan mengirim sinyal berupa gelombang
elektromagnetik yang dari satelit. Antena yang akan di desain adalah antena helix moda aksial untuk downlink pada frekuensi 2,4 GHz karena moda ini menyediakan gain dan rasio bandwidth yang tinggi. Dan antena loop untuk uplink pada frekuensi UHF 430 MHz, kedua antena ditempatkan pada satu ground plane. Namun dalam perkembangan
penelitian terjadi perubahan frekuensi kerja untuk uplink satelit IiNUSAT-02 menjadi 436,5 MHz[2]. Supaya antena loop dapat diaplikasikan untuk satelit IiNUSAT-02 maka terjadi perubahan frekuensi dalam desain antena loop yang pada awalnya 430 MHz menjadi 436,5 MHz.
II. PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA
Ada beberapa kriteria desain yang harus dipenuhi pada perancangan dan pembuatan antena baik antena helix maupun antena loop sebelum disimulasikan menggunakan software CST 2012 (computer simulation technology) seperti return loss < -10 dB, pola radiasi direksional, VSWR < 2, dan gain antena > 0 dB.
A. Antena Helix
Antena helix adalah antena dengan bentuk geometri dasar berupa tiga dimensi. Helix merupakan kombinasi bentuk garis lurus, lingkaran, dan silinder[5].
Gambar 1. Konstruksi antena helix[3]
Konfigurasi geometris dari antena helix,diameter D, spasi antar lilitan S, dan jumlah lilitan N. Total panjang dari antena helix adalah L yang didapat menggunakan persamaan L = N x S (1) untuk niliai circumference C menggunakan persamaan
C = π D (2)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) sedangkan untuk mendapatkan desain antena he polarisasi sirkuler, terutama pada ma
circumference dari helix harus bernilai 0,75λ
akan mendekati optimum pada saat
= 1, nilai spasi antar
lilitan helix S ≈
λ dengan jumlah lilitan N > 3.
Dalam melakukan perancangan antena helix diperlukan beberapa parameter dimensi antena helix yang didapat dari frekuensi kerja dari antena. Untuk parameter yang diperlukan dan nilai dari parameter tersebut ditunjukkan pada tabel 1
Tabel 1. Nilai dimensi antena helix
Parameter Frekuensi Panjang gelombang Jumlah lilitan Diameter helix Keliling helix Spasi antar lilitan Panjang helix Diameter groundplane
Diameter tembaga Tebal groundplane (aluminium)
B. Simulasi Antena Helix
Dalam simulasi kedua antena diletakkan dalam satu ground plane namun karena frekuensi kerjanya berbeda maka dilakukan pencatuan yang berbeda.
Gambar 2. Simulasi antena dalam satu ground plane
Dalam simulasi data yang diperlukan adalah data dari parameter dimensi antena helix yang terdapat pada tabel 1, dengan melakukan simulasi didapatkan nilai dari beberapa parameter antena yang meliputi: return loss, VSWR, bandwidth, pola radiasi, polarisasi dan gain
untuk hasil simulasi didapat nilai return loss helix yang ditunjukkan pada gambar 3.
½λ
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 sedangkan untuk mendapatkan desain antena helix dengan
major lube nilai 0,75λ < C < 1,3λ, dan = 1, nilai spasi antar dengan jumlah lilitan N > 3.
perancangan antena helix diperlukan beberapa parameter dimensi antena helix yang didapat dari frekuensi kerja dari antena. Untuk parameter yang diperlukan dan nilai dari parameter tersebut ditunjukkan
Nilai 2,4 GHz 12,5 cm 3,6 4 cm 12,5 cm 3 cm 11,1 cm 51,54 cm 2 mm 1,5 mm
simulasi kedua antena diletakkan dalam satu namun karena frekuensi kerjanya berbeda
Dalam simulasi data yang diperlukan adalah data dari yang terdapat pada tabel 1, dengan melakukan simulasi didapatkan nilai dari beberapa return loss, VSWR, gain dari antena, return loss dari antena
Gambar 3. Return loss antena helix dari data return loss didapat
pengurangan frekuensi atas dan frekuensi bawah untuk nilai return loss lebih kecil -10 dB, sehingga
GHz
Gambar 4. VSWR antena helix
Gambar 5. Pola radiasi antena helix
dapat diketahui nilai gain antena yakni sebesar 7,4 dB Setelah dilakukan simulasi maka didapat nilai medan listrik pada sumbu x sebesar 13823,6 vm-1
listrik pada sumbu y sebesar 13620,5 v menggunakan persamaan
axial ratio = ,
,
berdasarkan nilai dari axial ratio berpolarisasi sirkular karena nilai axial ratio
Untuk menentukan LHCP atau RHCP dilihat dari -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 2.2185 2.3935 2.5685 re tu rn l o ss ( d B ) Frekuensi (GHz) 2.4: -64.659 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.1975 2.3025 2.4075 2.5125 2.6175 2.7225 Frekuensi (GHz) VSWR 2.22:2.1 2 2.2 2.4 2.45 2.55 2,68 2,83 2.9 2.99 2.4:1.0017 2.22: - 10.5 s11
didapat nilai bandwidth dari pengurangan frekuensi atas dan frekuensi bawah untuk nilai 10 dB, sehingga BW= 2,99-2,22 = 0,7
antena yakni sebesar 7,4 dBi. Setelah dilakukan simulasi maka didapat nilai medan listrik
1
, sedangkan untuk medan pada sumbu y sebesar 13620,5 vm-1. Dengan
=
1.015axial ratio maka antena helix axial ratio mendekati satu. Untuk menentukan LHCP atau RHCP dilihat dari gain.
2.7435 2.9185 Frekuensi (GHz) 2.99: - 10.5 2.7225 2.8275 2.9325 3.0375 3.1425 Frekuensi (GHz) 2.2 2.4 2.45 2.55 2,68 2,83 2.9 2.99 2.99:2.01
Dengan gain LHCP sebesar 7,29 dBi dan RHCP 1,92 dBi maka antena helix baik menggunakan LHCP (left hand circular polarization). Nilai beberapa parameter dari hasil simulasi antena helix yang ditunjukkan pada tabel 2
Tabel 2. Parameter antena helix Parameter Nilai Return Loss -64,659 dB VSWR 1,00117 Bandwidth 0,7 GHz Gain 7,4 dBi Axial Ratio 1,015
Pola Radiasi Direksional
HPBW 200
C. Antena Loop
Antena loop merupakan antena yang terdiri dari sebuah lingkaran konduktor listrik dengan ujungnya terhubung kesaluran transmisi dan mempunyai kontruksi yang
sederhana sehingga mudah untuk diaplikasikan. Antena loop dikategorikan menjadi dua kategori yaitu electrically small and electrically large. Electrically small antenas
mempunyai nilai keliling lingkaran (circumference) lebih kecil dari 1/10 λ (C < 1/10 λ). Sedangkan untuk electrically large mempunyai nilai keliling lingkaran (circumference) mendekati nilai panjang gelombang (C ~ λ). Gambar konstruksi antena loop diyunjukkan pada gambar 4 dengan a diameter dalam loop dan b diameter luar dari antena loop[5].
Gambar 4. Bentuk dari antena loop
jarak antara loop dan reflektor dengan range sebesar 0,05 ≤ h ≤ 0,2.
Dari perhitungan menggunakan persamaan yang ada didapatkan dimensi antena loop 436,5 MHz yang ditunjukkan pada tabel 3.
Tabel 3. Nilai dimensi antena loop Parameter Nilai Frekuensi 436,5 GHz Panjang gelombang 68,7 cm Diameter loop 21.87 cm Keliling loop 68,7 cm Diameter groundplane 51,54 cm Diameter tembaga 3 mm Tebal groundplane (aluminium) 1,5 mm
D. Simulasi Antena Loop
Dari hasil simulasi antena loop 436,5 MHz diperoleh beberapa parameter dari antena loop yang ditunjukkan pada gambar 6, 7. Dan 8
Gambar 6. Return loss antena loop
dari data return loss didapat nilai bandwidth dari pengurangan frekuensi atas dan frekuensi bawah untuk nilai return loss lebih kecil -10 dB, sehingga BW= 439,07- 4,33,73 = 5,34 MHz
Gambar 7. VSWR antena loop
Gambar 8. Pola radiasi antena loop
dari hasil simulasi nilai medan listrik pada sumbu x sebesar 12520,3 vm-1, sedangkan untuk sumbu y sebesar 18399,4 vm-1. Untuk nilai axial ratio dengan menggunakan persamaan
axial ratio = ,
,
=
1.469dilhat dari nilai axial ratio maka polarisasi antena loop merupakan polarisaasi ellips.
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 416.15 433.8 434.7 435.6 436.5 437.3 438.2 439.1 R et u rn L o ss (d B) Frekuensi (MHz) s11 433.7: -10 436.5: -37.6 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 433.4 434.3 435.1 436 436.9 437.8 438.6 439.5 Frekuensi (MHz) VSWR 436.5: 1.0266 439.07: -10 433.7: 2.03 439.07: 2.01
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Tabel 4.
Parameter antena loop
Parameter Return Loss -37,608 dB VSWR 1,02669 Bandwidth 5,34 MHz Gain 8,91 dB Axial Ratio 1,469
Pola Radiasi Direksional
HPBW 18
III. PENGUJIAN
Parameter antena yang dilakukan pengujian return loss, bandwidth, VSWR, pola r
antena. Dari data yang didapat akan dilakukan perbandingan parameter yang sama antara hasil simulasi dengan hasil pengujian. Realisasi desain dilakukan berdasarkan hasil perancangan serta simulasi antena helix dan antena loop dengan menggunakan software CST, yang sudah memenuhi syarat dari beberapa parameter antena. Dalam pencatuan antena karena bekerja pada frekuensi yang berbeda maka dilakukan dua pencatuan. Pencatuan antena menggunakan konektor tipe N female dengan impedansi
pembuatan antena helix menggunakan tembaga 2 mm yang dililitkan pada paralon dengan diameter 4 cm sebagai penyangga dari antena helix untuk menjaga kondisi helix tetap pada posisi yang sesuai dengan hasil perancangan yang terdapat pada tabel 1. Sedangkan untuk antena loop menggunakan kawat tembaga dengan diameter 3 mm yang diletakkan pada lingkaran kayu sebagai penyangga antena loop agar diameter dan posisi loop tidak berubah. plane dari kedua antena terbuat dari aluminium dengan tebal 1,5 mm. Gambar dari realisasi desain kedua
ditempatkan dalam satu ground plane gambar 9
Gambar 9. Antena helix dan loop
A. Antena Helix
Dari hasil pengujian didapatkan parameter antena helix 2,4 GHz , return loss ditunjukkan pada gambar 10
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
Nilai 37,608 dB 1,02669 5,34 MHz 8,91 dBi 1,469 Direksional 180 pengujian meliputi VSWR, pola radiasi, dan gain Dari data yang didapat akan dilakukan perbandingan parameter yang sama antara hasil simulasi dengan hasil . Realisasi desain dilakukan berdasarkan hasil perancangan serta simulasi antena helix dan antena loop ST, yang sudah memenuhi syarat dari beberapa parameter antena. Dalam pencatuan antena karena bekerja pada frekuensi yang berbeda maka dilakukan dua pencatuan. Pencatuan antena menggunakan dengan impedansi 50Ω. Proses helix menggunakan tembaga 2 mm yang dililitkan pada paralon dengan diameter 4 cm sebagai penyangga dari antena helix untuk menjaga kondisi helix tetap pada posisi yang sesuai dengan hasil perancangan yang terdapat pada tabel 1. Sedangkan untuk antena loop menggunakan kawat tembaga dengan diameter 3 mm yang diletakkan pada lingkaran kayu sebagai penyangga antena loop agar diameter dan posisi loop tidak berubah. Ground dari kedua antena terbuat dari aluminium dengan tebal kedua antena yang ditunjukkan pada
didapatkan parameter antena helix ditunjukkan pada gambar 10
Gambar 10. Return loss antena hasil pengujian dan simulai dari data return loss didapat nilai
2,69-2,36 = 0,33 GHz
Perbedaan hasil simulasi dan pengujian
penyolderan konektor yang kurang sempurna, sehingga berpengaruh pada nilai bandwidth.
pada nilai VSWR dari antena helix gambar 11
Gambar 11. VSWR antena hasil pengujian dan simulai
hasil pola radiasi antena helix di tunjukkan pada gambar 12
(a)
Gambar 12. Pola radiasi antena helix (a) hasil simulasi, (b) hasil
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 R et u r L o ss (d B ) Frekuensi (GHz) s11 -26,36 dB 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 V S W R Frekuensi GHz VSWR 22.2 2,31 2,37 2,38 2,4 2,41 2,53 2,67 2.22 2.32 2.35 2.38 2.4 2.42 2.45 2.46 2.89 Farfield gain ϕ = 900 θ / dB
hasil pengujian dan simulai
didapat nilai bandwidth sebesar BW = pengujian ini dikarenakan penyolderan konektor yang kurang sempurna, sehingga . Hal ini juga berpengaruh pada nilai VSWR dari antena helix yang ditunjukkan pada
hasil pengujian dan simulai
hasil pola radiasi antena helix di tunjukkan pada gambar 12
(b)
ola radiasi antena helix (a) hasil simulasi, (b) hasil pengujian Frekuensi (GHz) simulasi pengujian Frekuensi GHz simulasi pengujian 22.2 2,31 2,37 2,38 2,4 2,41 2,53 2,67 2,89 1,197 2.32 2.35 2.38 2.4 2.42 2.45 2.46 2.89
Setelah dilakukan simulasi didapatkan nilai parameter yang dapat dilihat pada tabel 5
Tabel 5.
Hasil pengujian dan hasil simulasi antena helix Parameter Simulasi Return Loss -64,659 dB VSWR 1,00117 Bandwidth 0,7 GHz Gain 7,4 dBi HPBW 49.10 B. Antena Loop
Dari hasil pengujian didapatkan beberapa parameter antena loop 436,5 MHz. Untuk return loss
ditunjukkan pada gambar 13
Gambar 13. Return loss antena loop hasil pengujian dan simulasi dari data return loss hasil pengujian didapat nilai sebesar BW = 480,23 – 416,15 = 64,08 MH dari ditunjukkan pada gambar 14
Gambar 14. VSWR antena loop hasil pengujian -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 416.15 433.4 433.8 434.3 434.7 435.1 435.6 436.06 436.5 436.9 437.3 R et u rn L o ss (d B ) Frekuensi (GHz) s11 416,5 434,5 435,6 436,5 437,8 438,6 480,1 -23,154 dB 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 400 416.15 425.43 436.5 450.64 460.53 480.24 V S W R Frekuensi (MHz) VSWR 1,197 dB
Setelah dilakukan simulasi didapatkan nilai beberapa
antena helix Pengujian -26,364 dB 1,184 0,33 GHz 5,454 dBi 200
didapatkan beberapa parameter eturn loss dari antena loop
dan simulasi
hasil pengujian didapat nilai bandwidth 416,15 = 64,08 MHz. untuk VSWR
dan simulasi
(a)
Gambar 15. Pola radiasi antena loop (a) hasil simulasi, (b) hasil Gain antena loop dari hasil simulasi sebesar 8,91 sedangkan untuk gain rata-rata hasil
diB dengan gain tertinggi 7,52 dB
disebabkan oleh pengaruh redaman diudara ataupun juga pengaruh interferensi gelombang elektromagnetik disekitar tempat pengujian.
Setelah dilakukan pengujian didapatkan nilai dari beberapa parameter yang ditampilkan pada tabel 6
Tabel 6.
Hasil pengujian dan simulasi antena loop Parameter Simulasi Return Loss -37,608 dB VSWR 1,02669 Bandwidth 5,34 MHz Gain 8,91 dBi HPBW 66,5 0 IV. KESIMPULAN Hasil simulasi maupun hasil 2,4 GHz dan antena loop 436,5 MH kriteria desain awal. Untuk a mempunyai nilai return loss sebesar
koefesien refleksi Γ = 0,05, VSWR = 1,184, dan 5,454 dBi. Adapun untuk bandwidth
sebesar 0,33 GHz, berpolarisasi sirkular dengan nilai ratio = 1.015. Antena loop 436,5 MHz menghasilkan nilai return loss sebesar -23 dB dengan koefesien refleksi 0,05, VSWR = 1,197, dan gain = 4,418 dB
bandwidth dari antena helix sebesar berpolarisasi secara ellips dengan nilai
Perbedaan nilai return loss dan VSWR dari hasil pengujian dan simulasi dikarenakan loss saat fabrikasi, sedangkan untuk perbedaan gain dan pola radiasi hasil pengujian dan
simulasi bisa dikarenakan pengaruh gelombang
elektromagnetik yang terdapat di sekitar tempat pengujian, namun hasil yang didapatkan sesuai dengan kriteria desain awal sehingga antena dapat diaplikasikan
ground station satelit IiNUSAT-02. 437.8 438.2 438.6 439.1 480.2 simulasi pengujian 435,6 436,5 437,8 438,6 480,1 480.24 490 pengukuran simulasi pengujian Farfield gain ϕ = 900 θ/dB (b)
Pola radiasi antena loop (a) hasil simulasi, (b) hasil pengujian loop dari hasil simulasi sebesar 8,91 dBi
rata hasil pengujian sebesar 4,148 dBi, penurunan gain ini h redaman diudara ataupun juga ang elektromagnetik disekitar Setelah dilakukan pengujian didapatkan nilai dari beberapa parameter yang ditampilkan pada tabel 6
.
Hasil pengujian dan simulasi antena loop Pengujian -23,154 dB 1,197 64,08 MHz 4,418 dBi 180 KESIMPULAN
asil simulasi maupun hasil pengujian antena helix 2,4 GHz dan antena loop 436,5 MHz telah memenuhi Untuk antena helix 2,4 GHz sebesar -26 dB dengan = 0,05, VSWR = 1,184, dan gain = bandwidth dari antena helix erpolarisasi sirkular dengan nilai axial Antena loop 436,5 MHz menghasilkan nilai 23 dB dengan koefesien refleksi Γ =
= 4,418 dBi. Adapun untuk dari antena helix sebesar 64,08 MHz, dengan nilai axial ratio = 1.469 . dan VSWR dari hasil pengujian saat fabrikasi, sedangkan radiasi hasil pengujian dan
simulasi bisa dikarenakan pengaruh gelombang
elektromagnetik yang terdapat di sekitar tempat pengujian, namun hasil yang didapatkan sesuai dengan kriteria desain ehingga antena dapat diaplikasikan untuk perangkat
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui program pengembangan stasiun bumi untuk komunikasi data, citra, dan video dengan satelit LEO VHF/UHF/S-Band menuju kemandirian teknologi satelit. Dan juga kepada Departemen Agama Islam yang memberikan dukungan melalui program beasiswa santri berprestasi.
DAFTAR PUSTAKA [1]. “ INSPIRE” : http://inspire.or.id/web/ [2]. IINUSAT, “Preliminary Design Review”, 2010.
[3]. Kraus, J.D and Marhefka, R.J., Antennas : for all Application, 3rd ed., Mc. Graw Hill, New York,2002
[4]. W.L. Stunzman, 1998, Antenna Theory and Design Second
Edition, New Jersey, John Wiley and Son Ch. 9.
[5]. Balanis,Constantine A., Antenna Theory Analysis And Design, Canada: John Wiley & Sons.2005
[6]. G.S. Smith: “ Loop Antennas (chap 5)”, Antenna Engeneering
Handbook, New York, 1993
[7]. Kumaesh. S and Kandarpa K.” Design Optimization Of Loop
![Gambar 1. Konstruksi antena helix[3]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2530344.2228163/1.918.113.810.98.320/gambar-konstruksi-antena-helix.webp)
