RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP ARRAY 2 ELEMEN DENGAN METAMATERIAL UNTUK PENINGKATAN GAIN PADA FREKUENSI 2,35 GHz

RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP ARRAY 2 ELEMEN

DENGAN METAMATERIAL UNTUK PENINGKATAN GAIN PADA

FREKUENSI 2,35 GHz

Muhammad Tauhid Bareno, Eko Tjipto Rahardjo Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik

Abstrak

Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang mengikuti perkembangan teknologi telekomunikasi. Berbagai aplikasi komunikasi radio telah dipenuhi oleh antena mikrostrip. Antena mikrostrip memiliki berbagai kelebihan antara lain, bahannya yang sederhana, bentuk dan ukuran dimensi antenanya lebih kecil dari antena biasa, harga produksinya lebih murah dan mampu memberikan performance yang cukup baik. Walaupun memiliki banyak kelebihan, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan. Beberapa kekurangannya adalah bandwidth yang sempit, efisiensi yang rendah, serta gain yang kecil.

Pada penelitian ini dilakukan perancangan metamaterial untuk menaikkan gain antena mikrostrip dengan elemen peradiasi segitiga yang bekerja di frekuensi 2.35 GHz. Gain awal antena mikrostrip adalah 3.2 dB. Demi, mendapatkan hasil yang maksimal, sebelum diberikan metamaterial antena disusun 2 elemen (array). Dengan antena susun diperoleh kenaikan gain 2.2 dB. Antena dan metamaterial dipisahkan dengan udara. Jarak antara antena dan metamterial dilakukan untuk meperoleh nilai gain yang paling optimum. Penggabungan antara antena susun dan metamaterial menghasilkan nilai gain 9.1 dB.

Kata kunci : gain; metamaterial; mikrostrip

Abstract

Microstrip antenna is a one of antena who follow the development of telecommunication technology . Various application of radio communication have been met by microstrip antena. Microstrip antena has many advanteges, such as simple material, shape and size of the antena dimensions smaller than a regular antena, it’s price cheaper and able to give good performance. Although it has many advantages, microstrip antenna also has disadvanteges, that is a narrow bandwith, low efficiency and small gain.

The design of metamaterial to enhanced gain compact triangular microstrip antenna has been presented in this paper. Microstrip antena operate at 2.35 GHz. First gain microstrip antenna is 3.2 dB. To get maximum result, before antena join with metamaterial, this antena is composed of two elements (array). Antenna array enhanced gain until 2.2 dB. Metamaterial and antenna separated by air. The distance between the antenna and the metamaterial is to get the optimum value of gain. Combination of antenna array and metamaterial have a final gain 9.1 dB.

Keyword : microstrip; gain; metamaterial

Pendahuluan

Telekomunikasi merupakan salah satu bidang yang memiliki peranan penting pada kehidupan manusia. Dengan telekomunikasi, orang saling bertukar informasi satu dengan yang lainnya. Dewasa ini teknologi telekomunikasi terus mengalami perkembangan. Hal ini didukung oleh perkembangan antena supaya dapat memenuhi kebutuhan teknologi tersebut karena antena merupakan salah satu bagian penting dari sistem telekomunikasi. Berbagai antena telah banyak dikembangkan dalam berbagai aplikasi, seperti penginderaan jauh, radar, telemetri, biomedik, radio bergerak, dan komunikasi satelit.

Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang mengikuti perkembangan teknologi telekomunikasi. Antena ini mengalami perkembangan sejak 1970-an dan masih terus dikembangkan hingga saat ini. Berbagai aplikasi komunikasi radio telah dipenuhi oleh antena mikrostrip. Antena mikrostrip memiliki berbagai kelebihan antara lain, bahannya yang sederhana, bentuk dan ukuran dimensi antenanya lebih kecil dari antena biasa, harga produksinya lebih murah dan mampu memberikan performance yang cukup baik. Walaupun memiliki banyak kelebihan, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan. Beberapa kekurangannya adalah bandwidth yang sempit, efisiensi yang rendah, serta gain yang kecil.

Sebuah antena yang memiliki gain tinggi diperlukan untuk memenuhi permintaan yang tinggi terhadap layanan komunikasi nirkabel, sehingga coverage layanan semakin luas. Namun, pada antena mikrostrip, nilai gain justru yang menjadi salah satu kelemahannya.

Gain didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas

radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic [1]

Berbagai cara dilakukan untuk meningkatkan gain antena mikrostrip, salah satunya dengan mengganti substratenya. Penggantian substrate sangat berpengaruh terhadap gain

antena mikrostrip, semakin tinggi rendah konstanta dielektrik, semakin tinggi gainnya, begitu juga sebaliknya. Substrate yang biasa digunakan adalah FR4 dengan nilai konstanta dielektrik bervariasi dari 4.3-4.9. Variasi dari jenis substrate yang memiliki konstanta dielektrik rendah dapat menaikkan nilai gain, seperti roger (2.2), arlon (2.5), taconic (3.5) dll. Hal ini sulit dilakukan karena melihat harga bahan yang sangat mahal jika ingin memperoleh bahan tersebut di Indonesia.

Cara lainnya untuk meningkatkan gain adalah dengan menggunakan metamaterial. Penggunaan metamaterial ini telah diajukan oleh beberapa peneliti [2] [3], sehingga gain yang lebih tinggi diperoleh. Tingginya peningkatan gain salah satunya karena nilai konstanta dielektrik substrate metamaterial yang kecil, namun jika substrate tersebut menggunakan FR4 maka nilai gain mengalami penurunan dari penggunaan substate metamaterial awal.

Peneliti [2] menampilkan sebuah cara untuk menaikkan gain dengan metamaterial bertipe square split ring resonator. Metamaterial ini diletakkan dengan air gap diatas antena sekitar 0.08 λ. Antena tersebut bekerja pada frekuensi 2.45 GHz untuk aplikasi WLAN. Metamaterial menggunakan substrat berkonstanta dielektrik 3. Dari penelitian ini diperoleh kenaikan gain sekitar 6.91 dB.

Peneliti [3] juga menggunakan metamaterial untuk menaikkan gain antena yang bekerja pada frekuensi 10.2 GHz. Metamterial diletakkan diatas antena dengan air gap 0.3 mm. bentuk metamterialnya adalah cross cut-wire pairs. Metamterial ini menggunakan substrat konstanta dielektrik 3.5. dari penelitian ini diperoleh kenaikan gain sekitar 1.5 dB.

Mengacu pada penelitian diatas, dalam penelitian ini ingin dilakukan perancangan metamaterial yang diharapkan nilai kenaikan gainnya dapat lebih baik dari peneliti-peneliti sebelumnya. Metamaterial dirancang dengan menggunakan FR4 sebagai substrat karena material ini mudah diperoleh dan murah harganya. Demi, mendapatkan hasil yang maksimal, sebelum diberikan metamaterial antena disusun 2 elemen (array). Hal ini dapat memberikan kenaikan gain yang sangat signifikan.

Tinjauan Teoritis

Metamaterial merupakan material yang sengaja dibuat manusia dan tidak bisa ditemukan di alam. Suatu bahan dianggap sebagai metamaterial bergantung kepada dua parameter, yaitu permitivitas dan permeabilitas. Permitivitas merupakan ukuran berapa banyak perubahan suatu benda ketika terkena medan listrik. Satuan permitivitas adalah farad per meter (F/m). Permitivitas yang terdapat pada ruang bebas (Ɛe) bernilai 8,85 x 10-12 _{F/m. Perbandingan}

antara permitivitas sebuah material dengan permitivitas ruang hampa akan menghasilkan konstanta dielektrik, atau disebut juga permitivitas relatif (Ɛr) [4]. Permeabilitas adalah ukuran

magnetisasi yang terjadi pada sebuah material sebagai respons terhadap medan magnetyang mengenainya [5].

Gambar 2.8 Klasifikasi material berdasarkan permitivitas dan permeabilitas dan indeks bias [6]

Sedangkan untuk aplikasi metamaterial sebagai elemen penguat gain, maka dalam hal ini metamaterial berperan layaknya RF lens untuk memfokuskan radiation beam. Secara umum, mekanisme beam focusing diilustrasikan seperti gambar berikut:

 

Gambar 2.9 (a) Mekanisme beam focusing pada antena metamaterial; (b) Struktur artifisial dan patch

antena[14]

Dengan menerapkan hukum Snellius mengenai geometri optik, di mana n1sin θ1 = n2 sin θ2, bila plane wave datang dengan sudut datang θ1 terhadap slab metamaterial dengan

permitivitas efektif dan permeabilitas efektif di bawah 1 (udara), maka reflection angle θ2

gelombang yang dipancarkan oleh antena. Hal ini juga akan nampak pada simulasi antena dengan menggunakan permukaan metamaterial, di mana radiasi medan pada permukaan metamaterial akan tampak sangat kuat, dan hal ini memungkinkan terjadinya peningkatan

gain antena.

Metode Penelitian

Metode yang digunakan pada penelitian dan penulisan penelitian ini adalah studi kepustakaan, simulasi perangkat lunak, fabrikasi dan pengukuran antena.

Hasil Penelitian

Hasil simulasi menunjukkan bahwa antena yang ditambahkan dengan metamaterial memiliki nilai gain yang lebih tinggi. Sebelum ditambahkan metamaterial, terlebih dahulu antena dibuat array. Antena array bekerja pada frekuensi 2.131-2.382 MHz dengan gain awal 5,4 dB. Dengan penambahan metamaterial antena, frekuensi kerja antena melebar menjadi 2.294-2.395 MHz dengan gain akhir 9,1 dBi.

Hasil fabrikasi dan pengukuran antena didapatkan antena bekerja,2.568-2.621 Mhz. Hal ini diakibatkan oleh adanya perbedaan berbagai ukuran-seperti elemen peradiasi ketebalan substrat, maupun ketelitian ukuran lain. Mengacu pada pergeseran ini, maka dilakukan rancang ulang antena agar diperoleh frekuensi kerja 2,35 GHz. Hasil fabrikasi antenay yang baru menunjukkan bahwa antena array bekerja pada frekuensi 2.310-2.370 MHz dengan gain 5,02dBi. Dengan penambahan metamaterial frekuensi kerja antena 2.240-2.351 MHz menjadi dengan gain 8,91dBi.

Pembahasan

Elemen peradiasi berbentuk segitiga dipilih karena bentuk ini menghasilkan dimensi antena yang lebih sederhana dibandingkan dengan bentuk elemen peradiasi lainnya. Dengan demikian diharapkan, hasil akhir antena yang dirancang juga memiliki dimensi yang sederhana.

Beberapa parameter penting yang harus diperhatikan dalam menghitung dimensi elemen peradiasi segitiga adalah frekuensi resonan (fr) dan konstanta dielektrik (εr).

Untuk menentukan dimensi antena segitiga dapat digunakan persamaan dibawah ini [1] :

(2.1)

Untuk memperlebar nilai bandwith dan memperbaiki return loss, maka ditimbahkan slot lingkaran. Hasil akhir antena konvensional.

Sisi patch 37.3 mm

Lebar saluran pencatu 2,9 mm

Dimensi substrat 60 x 60 mm

Radius slot ring 3.5 mm

Gain 3,2 dB

Selanjutnya antena dibuat array 2 elemen. Dilakukan iterasi pada berbagai parameter, yaitu panjang sisi segitiga, jarak antar elemen, dan panjang feed. Diperoleh hasil akhir antena array sebagai berikut :

a 6 mm b 65 mm c 20 mm = 17.1 +2.9 mm d 13 mm e 37.8 mm p 150 mm l 70 mm e 37.8 mm

Bandwith (MHz) Gain (dBi)

64 5.4

Lalu, dilakukan perancangan metamaterial terlebih dahulu sebelum ditambahkan ke antena array. Perancangan metamaterial pada penelitian ini mengacu pada desain yang diusulkan oleh [7]

Pengolahan data menggunakan metode Nicholson-Ross-Weir (NRW) [8,9] yang telah diperbaiki oleh R.W. Ziolkowski[19]. Metode NRW ini merupakan metode yang paling umum digunakan dalam melakukan pengolahan data S-parameter. Dalam metode NRW yang diperbaiki oleh Ziolkowski, persamaan untuk mendapatkan nilai Ɛr dan µr adalah[10]:

Hasil Akhir Nilai Antena yang ditambahkan metamaterial

Bandwith (MHz) Gain (dBi)

Antena hasil simulasi difabrikasi. Ketika difabrikasi hasil dari pengukuran tidak sama dengan hasil simulasi. Hal ini disebabkan oleh hasil fabrikasi yang tidak tepat 100% sama dengan simulasi. Hasil fabrikasi bergeser menjadi 2.568-2.621 Mhz.

Parameter yang berkaitan langsung dengan frekuensi kerja adalah dimensi elemen peradiasi. Berdasarkan perumusan, semakin besar elemen peradiasi semakin kecil frekuensi kerja yang dihasilkan antena tersebut, demikian pula sebaliknya. Mengacu pada karakteristik ini, untuk menggeser frekuensi kerja ke frekuensi yang lebih kecil perlu dilakukan perbesaran elemen peradiasi.

Dalam rangka memperoleh ukuran yang sesuai dengan frekuensi kerja yang

diinginkan, dilakukan iterasi lebar elemen peradiasi melalui simulasi. Mekanisme perbesaran elemen peradiasi dilakukan dengan menerapkan teknik skala (scaling).

Ketika dilakukan fabrikasi, pada panjang sisi segitiga 41 mm, diperoleh besar

bandwithnya dari 2.310-2.370 MHz.. Selanjutnya penggabungan antena dengan metamterial menggunakan anteana array yang bersisi 41 mm.

Berikut perbandinganan antara simulasi dan pengukuran antena array

Parameter Hasil Simulasi Hasil Pengukuran

Frekuensi kerja 2,094-2,186 GHz 2,310 – 2,37 GHz

Frekuensi tengah 2,135 GHz 2,34 GHz

Return loss minimum -23 dB -18 dB

Berikut perbandingan antara simulasi dan pengukuran antena array dengan tambahan metamaterial

Parameter Hasil Simulasi Hasil Pengukuran

Frekuensi kerja 2,080 – 2,180 GHz 2,240 – 2,351 GHz

Frekuensi tengah 2,09 GHz 2,27 GHz

Return loss minimum -31.55 dB -11.98dB

Perbandingan hasil simulasi dan pengukuran gain antena

Jenis Antena Hasil Simulasi Hasil Pengukuran

Antena Array 5,4 dBi 5,027 dBi

Antena Array dengan

Analisis

Untuk mengetahui penyebab lebih mendalam terkait pergeseran frekuensi ini, maka dilakukan pembuktian terbalik dengan mengacu kepada antenna hasil fabrikasi. Dalam hal ini, maka parameter yang diubah adalah konstanta dielektrik. Nilai konstanta dielektrik secara umum sangat berpengaruh terhadap hasil S11. Bila nilai konstanta dielektrik semakin tinggi, maka nilai frekuensi antenna akan bergeser ke kiri dan jika nilai konstanta dielektrik semakin rendah, maka nilai frekuensi akan bergeser ke kanan.

Konstanta dielektrik awal memiliki nilai = 4,6. Perubahan nilai frekuensi mengalami pergeseran ke kanan, maka nilai konstanta dielektrik makin rendah. Berikut hasil paramterisasi terhadap nilai konstanta dielektrik

Gambar 4.26 Iterasi Konstanta Dielektrik

Jika melihat pada hasil simulasi diatas, maka nilai kostanta dielektrik yang mendekati hasil pengukuran, yaitu 3,7 dimana didapatkan rentang frekuensi 2.313-2.418 MHz.

Perbandingan Hasil dan Simulasi dengan Iterasi Konstanta Dielektrik

Simulasi Pengukuran

Frekuensi Kerja 2.313-2.418 MHz 2.310-2.370 MHz

Selain itu, perbedaan tersebut juga disebabkan beberapa faktor, sehingga mempengaruhi hasil pengukuran. Beberapa faktor yang mempengaruhi proses dan hasil pengukuran antara lain sebagai berikut.

a. Hasil fabrikasi antena yang tidak 100% tepat dengan rancang bangun antena yang disimulasikan karena terjadi perbedaaan pada konstanta dielektrik.

b. Adanya rugi-rugi pada kabel coaxial yang digunakan pada pengukuran, port SMA pada antena, tembaga sebagai elemen peradiasi dan pentanahan antena, dan berbagai konektor yang digunakan pada network analyzer.

c. Kondisi pengukuran yang masih kurang ideal seperti masih adanya material-material yang terdapat di dalam ruangan pengukuran Anacheoic chamber yang dapat memantulkan gelombang sehingga dapat mengubah hasil pengukuran sebenarnya.

e. Tingkat akurasi pengukuran yang belum akurat, terutama dalam proses pengukuran pola radiasi, pengukuran baru dapat dilakukan pada rentang 100 karena pengukuran baru dapat dilakukan secara manual. Selain itu tingkat akurasi sudut juga masih rendah

Kesimpulan

1. Kekurangan pada antena mikrostrip berupa nilai gain yang rendah dan Bandwidth yang sempit. Nilai gain yang rendah dapat diatasi salah satunya dengan menggunakan antena array. Dengan teknik ini diperoleh peningkatan gain sekitar 2.2 dB.

2. Untuk mendapatkan Gain yang lebih tinggi, maka antena dapat ditambahkan dengan metamaterial sehingga diperoleh gain sebesar 9.1 dB (hasil simulasi) dan pada saat pengukuran diperoleh gain sebesar 8,9 dB.

3. Antena array yang telah difabrikasi mengalami pergeseran frekuensi ke kanan ketika dilakukan pengukuran. Untuk mendapatkan frekuensi kerja yang diinginkan, simulasi antena digeser ke kiri dengan melakukan iterasi dimensi sisi patch, makin besar patch maka makin bergeser ke kiri frekuensi. Frekuensi kerja 2.35 GHz diperoleh saat nilai dimensi patch 41 mm.

4. Antena array yang dihasilkan dalam rancang bangun ini pada VSWR ≤ 2, didapatkan Bandwidth 2,310 – 2,37 GHz dan hasil simulasi dalam perancangan menghasilkan 2,094 – 2,186 GHz dengan demikian antena hasil perencanaan telah memenuhi syarat/ spesifikasi teknis yang dinginkan walaupun terjadi penurunan bandwith.

5. Antena Array dengan tambahan metamaterial yang dihasilkan dalam rancang bangun ini pada VSWR ≤ 2, didapatkan 2,240 – 2,351 GHz dan hasil simulasi dalam perancanga menghasilkan bandwidth 2,290 – 2,390 GHz, dengan demikian antena hasil perencanaan telah memenuhi syarat/ spesifikasi teknis yang dinginkan walaupun terjadi penurunan bandwith.

Saran

1. Untuk mempermudah aplikasi dari antena, dapat dilakukan miniaturisasi dari dimensi antena.

Kepustakaan

[1] R. Garg, A. Ittipiboon, Bahl, I. P. Bhartia, “Microstrip Design Handbook. “Norwood, MA : Artech House Inc, 2001.

[2] S. Chaimool, K. Chung , P. Akkaraekthalin. “A 2.45 GHz WLAN High Gain Antena Using Metamaterial Reflecting Surface.” International Symposiums on Antena and

Propagation (ISAP). 2009

[3] J. Dalin, L. Bing, “Gain Improvement of a Microstrip Patch Antena Using Metamaterial Superstrate with the Zero Refractive Index”. Institute of Physics Electronic, University of Electronic Science and Technology

[4] H. Attia., O. Siddiqui., and O.M. Ramahi. “Analysis of Gain Enhancement in Antena Arrays Covered with Metamaterial Superstrates using Transmission Line Modeling”.

Proceeding of IEEE Antenas and Propagation Society International Symposium, Spokane,

Washington, USA, July 3-8, 2011.

[5] D. Baas, F. Anne. Nanostructured Metamaterials. European Commission, Directorate-General for Research Communication Unit, Brussels, 2010

[6] H. Yang, M. Raj. FDTD Modeling of Metamaterials Theory and Applications. Norwood,MA : Artech House Inc, 2009

[7] S. Chainool, K. Chung, P. Akkaraekthalin. “Simultaneous Gain and Bandwith

Enhancement of a Single-Feed Circularly Polarized Mictrostrip Antena Using a Metamaterial Reflective Surface.” Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 22, 33-37, 2010

[8] A.M. Nicholson and G.F. Ross. “Measurement of The Intrinsic Properties of Materials by Time Domain Techniques.” IEEE Trans. Instrum. Meas, Vol. IM-19, pp. 377-382, Nov 1970. [9] W.B. Weir. “Automatic Measurement of Complex Dielectric Constant and Permeability at Microwave Frequencies”. Proceeding IEEE, Vol. 62, pp. 33-36, January 1974.

[10] R.W. Ziolkowski,. “Design, Testing, and Fabrication of Double Negative Metamaterials”. IEEE Transactions on Antenas and Propagation, Vol. 51, No. 7, July 2003.