PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ANTENA MIKROSTRIP WIDEBAND MIMO 3 × 3 UNTUK WIMAX PADA FREKUENSI 2 GHz – 3 3 GHz Oleh Gega Wira Patria
LAPORAN TUGAS BESAR Diajukan sebagai syarat untuk memenuhi pelaksanaan mata kuliah Teknik Antena Propagasi Propagasi
oleh : FIKRI RAMADHAN(6305132020) FAJAR PRASETYO(6305130005) PRASETYO(6305130005) LATIFAH HIDAYANTI(6305134106) HIDAYANTI(6305134106) RAJENDRA IMAN L(6305134107) ANISA PRAKASTIA(6305130022) PRAKASTIA(6305130022)
D3 TEKNIK TELEKOMUNIKASI FAKULTAS ILMU TERAPAN UNIVERSITAS TELKOM 2015
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pendahuluan
Dalam proses perancangan sebuah antena mikrostrip, hal pertama yang harus dilakukan adalah menentukan frekuensi kerja dari antena mikrostrip tersebut, yaitu pada 2000-2700 MHz. Setelah frekuensi diperoleh, maka langkah berikutnya yang dilakukan adalah menentukan substrat untuk elemen peradiasi. Penentuan karakteristik antena tersebut akan mempengaruhi performansi antena yang akan dirancang, seperti frekuensi kerja antena, impedansi antena, dimensi antena, dan parameter-parameter yang lain.
Spesifikasi antena yang diinginkan adalah:
Rentang Frekuensi
: 2000 – 2700 MHz
Frekuensi kerja
: 2350 MHz
Bandwidth
: 1000 MHz
VSWR
: ≤2
Gain
: > 2.5 dBi
Pola Radiasi
: Bidireksional
Polarisasi
: Linier
Patch
: Rectangular
BAB II DASAR TEORI
2.1 Antena mikrostrip
Suatu antena yang terbuat dari konduktor yang menempel pada suatu dielektrik dan pada bagian bawahnya ada ground plane, atau pada umumnya dicetak pada PCB ( printed ciruit board ). Pencetakan antena pada PCB disebut juga etching.
Gambar 2.1 Struktur antena mikrostrip
Dari gambar diatas, antena mikrostrip terdiri dari 3 bagian, antara lain: a. Conducting patch, merupakan lapisan bagian paling atas pada antena yang terbuat dari bahan konduktor . Fungsi dari lapisan ini yang disebut juga patch, adalah untuk meradiasikan gelombang elektromgnetik ke udara. Bentuk-bentuk dari patch ini bias berupa persegi, segitiga, lingkaran, atau bentuk fractal. Pada tugas akhir ini bentuk patch digunakan adalah bentuk persegi panjang. b. Substrate dielectric, merupakan lapisan bagian tengah dari antena yang terbuat dari bahan dielektrik. Fungsi dari lapisan dielektrik ini adalah untuk menyalurkan gelombang elktromagnetik dari catuan menuju patch. c. Groundplane, merupakan lapisan bagian bawah dari antena mikrostrip yang biasanya terbuat dari bahan konduktor. Fungsi dari lapisan ini adalah sebagai yang tidak dinginkan.
reflector sinyal
2.2 Polarisasi Linier
Polarisasi linier terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. 2.3 MIMO
Multiple Input Multiple Output merupakan sistem yang terdiri dari sejumlah terminal (antena) pengirim dan penerima. MIMO menawarkan cara lain untuk memperbesar kapasitas sistemnya. 2.4 Coefficient Correlation
Coefficient correlation menunjukkan seberapa ortogonal sinyal pada sistem MIMO. Jika ada dua sinyal yang sama, maka kedua sinyal tersebut dapat dikorelasikan dengan sempurna dan memiliki coefficient correlation 1. Sedangkan jika kedua sinyal saling ortogonal sempurna, maka kedua sinyal tersebut memiliki koefisien korelasi 0.
Koefisien korelasi didapatkan dengan menggunakan karakteristik S-parameter dari sistem antena.
Pada susunan antena lebih dari satu, besarnya coefficient correlation tergantung dari jarak antar antena yang digunakan (dalam λ). Semakin kecil jarak antar antena coefficient correlation semakin mendekati nilai 1. 2.5 Diversity Gain
Diversity gain adalah karakteristik terpenting pada sistem diversitas. Secara umum diversity gain merupakan perbedaan antara kombinasi dari CDF ( Cumulative Distribution Function) dan suatu nilai dari CDF pada level tertentu. Biasanya dipilih untuk dapat mencapai nilai 1 % (sehingga reliabilitinya 99%). Ada tiga definisi utama untuk membedakan diversity gain dengan menggunakan perbedaan referensi pada CDF yaitu:
1. Apparent diversity gain : Referensi CDF adalah level sinyal rata-rata terkuat 2. Effective diversity gain : Referensi CDF adalah antena tunggal yang ideal yang memiliki efisiensi radiasi 100 % 3. Actual diversity gain : Referensi CDF adalah antena tunggal yang digantikan oleh antena diversitas. Diversity gain dapat diekspresikan dengan persamaan berikut: Gdiv
Dengan Pdiv adalah level daya setelah penggabungan diversitas dan Pantena adalah level daya dari cabang referensi. Di antara dua level daya tersebut harus dilihat pada level CDF yang sama. Efektif diversity gain dapat diekspresikan sebagai berkut:
Dengan Pideal adalah level daya antena tunggal dengan 100 % efisiensi radiasi dan (eradeff) antena adalah efisiensi radiasi dari referensi cabang. 2.6 Parameter Nilai Antena
1. Bandwidth
: Lebar pita frekuensi antena yang dibatasi oleh VSWR tertentu
2. Gain
: Perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena terhadap instensitas radiasi antena referensi dengan daya input yang sama
3. Polarisasi
: Orientasi penjalaran gelombang elektromagnetik
4. Pola radiasi
: Representasi grafis karakteristik radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang
5. VSWR
: Perbandingan tegangan pantul terhadap tegangan datang pada batas dua medium
6. Return Loss
:Perbandingan direfleksikan
Antara terhadap
amplitudo amplitude
gelombang
yang
gelombang
yang
dikirimkan. 7. Direktifitas
: Perbandingan Antara rapat daya maksimum pada berkas utama terhadap rapat daya rata-rata yang di radiasikan.
BAB III PERANCANGAN ANTENA
3.1 Diagral alir pengerjaan
Mulai
Menentukan spesifikasi perancangan antena
Menentukan dimensi antena dan susunan antena
Simulasi dengan software
Tidak Hasil simulasi sesuai dengan
Ya Analisis
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan
BAB IV HASIL SIMULASI
4.1 Simulasi Antena
Perancangan menggunakan CST sebagai simulator. Langkah awal adalah mendesain bentuk antena sesuai perhitungan ke dalam simulator. Kemudian pilih material penyusun dari setiap elemen sesuai perencanaan. Setelah dilakukan desain kemudian dilakukan running program. Analisis pertama terhadap hasil simulasi diperlukan, apakah sudah sesuai spesifikasi awal atau belum. Jika terjadi penyimpangan maka diperlukan optimasi dimensi yang tepat melalui percobaan dengan mengacu pada karakteristik yang diharapkan. Rancangan hasil dari perhitungan dimensi antena digunakan sebagai data awal di dalam simulasi. Simulasi disini bertujuan untuk mendapatkan ukuran dimensi antena yang tepat sehingga diperoleh hasil yang sesuai dengan spesifikasi.
Gambar 4.1 Simulator CST 2013
4.2 Hasil Simulasi Awal Single Patch Antena
Sebelum mensimulasikan antena dalam bentuk 3 elemen, di lakukan simulasi single patch rectangular antena untuk mempermudah perancangan 3 elemen dan membandingkan perbedaannya.
4.3 VSWR dan Bandwidth
Pada hasil simulasi VSWR untuk antena satu patch, didapatkan VSWR yang memenuhi spesifikasi yaitu dibawah 2. Pada frekuensi 2,35 GHz didapatkan nilai VSWR 1.4.
4.4 Simulasi dan Optimasi
Optimasi dilakukan dengan 2 langkah , yaitu membuat dimensi groundplane menjadi ¼ groundplane dari perhitungan teoritis, karena groundplane sangat sensitif pada return loss, maka cara tersebut dapat mengurangi lower limit pada return loss kemudian langkah kedua yaitu dimensi lebar pencatu yang diubah-ubah. Cara ini dilakukan supaya VSWR yang didapat sesuai dengan spesifikasi awal. Adapun gambar antena satu patch yang telah dioptimasi berbentuk seperti gambar 3.2
Gambar 4.2 Antena Single Patch Tampak Depan (kiri) Tampak Belakang (kanan)
Perbandingan dimensi antena satu patch sebelum di optimasi dan setelah dioptimasi adalah pada tabel 3.1 Tabel 4.1 Dimensi Antena setelah Dioptimasi
No.
Dimensi Antena (mm)
Ukuran Setelah Dioptimasi (mm)
1.
W (Lebar Patch)
27
2.
L (Panjang Patch)
27
3.
Wf (Lebar Feed )
3
4.
Lf (Panjang Feed )
20
5.
Ws (Lebar Substrate)
58
6.
Ls (Panjang Substrate)
58
7.
Wg (Lebar Groundplane)
58
8
Lg (Panjang Groundplane)
17
9.
H (Ketebalan Konduktor)
0.035
10.
Z (Tebal Substrate)
1.6
4.5 Ukuran Antena Single Patch
Gambar 4.3 Dimensi Tampak Depan (kiri) Tampak belakang (kanan)
4.6 Gambar Antena MIMO 3 X 3
Gambar 4.4 Gambar
Antena MIMO 3 X 3
BAB V ANALISA 5.1 VSWR MIMO 3x3
Gambar 5.2 VSWR MIMO 3x3 kelompok (kiri) dan TA (kanan)
5.2 S-Parameter
Gambar 5.3 S-Parameter MIMO 3x3
5.3.1
Penjelasan S-Parameter
Pada S-Parameter kita dapat menempatkan garis ukur pada frekuensi yang kita inginkan yaitu pada frekuensi 2,35 GHz dengan penjelasan parameter sebagai berikut: S1,1
: -14.527383 dB ( Daya pada port 1 dipengaruhi oleh daya port 1 )
S2,1
: -20.369532 dB ( Daya pada port 2 dipengaruhi oleh daya port 1 )
S3,1
: -20.369532 dB ( Daya pada port 3 dipengaruhi oleh daya port 1 )
S1,2
: -20.388861 dB ( Daya pada port 1 dipengaruhi oleh daya port 2 )
S2,2
: -15.10877 dB ( Daya pada port 2 dipengaruhi oleh daya port 2 )
S3,2
: -23.074033 dB ( Daya pada port 3 dipengaruhi oleh daya port 2 )
5.4 Pola Radiasi Bidang Azimuth dan Elevasi
Gambar 5.4(a) Pola Radiasi Bidang Azimuth
Gambar 5.6(a) Pola Radiasi Bidang Azimuth
Gambar 5.8(a) Pola Radiasi Bidang Azimuth
Gambar 5.5(b) Pola Radiasi Bidang Elevasi
Gambar 5.7(b) Pola Radiasi Bidang Elevasi
Gambar 5.9(b) Pola Radiasi Bidang Elevasi
5.5 Gain
Setelah antena disusun menjadi 3 elemen, ada perubahan gain untuk masing-masing antena. Berikut ini adalah hasil simulasi parameter gain untuk masing-masing antena:
Gambar 6.0 Gain Antena 1 kelompok (kiri) dan TA (kanan)
Gambar 6.1 Gain Antena 2 kelompok (kiri) dan TA (kanan)
Gambar 6.2 Gain Antena 3 kelompok (kiri) dan TA (kanan)
BAB VI PENUTUP
6.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari seluruh proses perancangan dan realisasi ini adalah sebagai berikut: 1.
Semua Antena yang dirancang dan direalisasikan dapat bekerja pada rentang frekuensi yang sesuai dengan spesifikasi yaitu 2 GHz – 2.75 GHz dengan VSWR ≤ 2
2.
Pengurangan ground plane hingga seperempat ukuran ground plane awal mengurangi lower limit pada Return Loss sehingga membuat bandwidth menjadi lebar dan membuat VSWR menjadi lebih baik.
3.
Pola radiasi yang dihasilkan antena adalah bidireksional. Sedangkan polarisasi yang dihasilkan antena adalah elips.
4.
Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa Gain antena dan VSWR yang dibuat oleh kami memiliki nilai lebih baik dari tugas sebelumnya. Dengan Gain Antena
1
3.210 dB, Gain Antena 2 3.295 dB, Gain Antena 3 3.295 dB. Dan VSWR 1 1.4623628, VSWR 2 1.4260449, VSWR 3 1.4260447.
6.2 Saran
Untuk mendapatkan performansi antena yang cukup baik, maka ada beberapa hal yang bisa dijadikan saran sebagai perkembangan ke depannya, antara lain: 1.
Untuk mendapatkan hasil antena mikrostrip yang lebih baik, disarankan untuk lebih selektif dalam memilih bahan substrat yang akan digunakan dan penentuan dimensi antena.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Gega Wira Patriai, Perancangan dan implementasi Antena mikrostrip wideband mimo 3 × 3 untuk wimax pada frekuensi 2 Ghz – 3 Ghz. Telkom University, 2014 [2] Rahmat Dwi Cahyo, Yuli Christyono, Imam Santoso . Perancangan dan Analisis Antena Mikrostrip Array Dengan Frekuensi 850 MHz Untuk Aplikasi Praktikum Antena. Semarang. Tugas Akhir.2008 [3] Galih Yogi Fanani. Perancangan Dan Realisasi Antena Mikrostrip MIMO 4 x 4 Untuk LTE pada frekuensi 2,3 GHz. [4] Aditya Sukama Putra, Perancangan Dan Realisasi Antena Mikrostrip MIMO 3 x 3 Untuk WIMAX pada frekuensi 2,3 GHz – 2,4 GHz.
