1
Analisa Performansi Antena Horn untuk WLAN 2.44 GHz Mudrik Alaydrus Grup Telekomunikasi, Teknik Elektro, FTI Universitas Mercu Buana
Abstract Dengan perkembangan teknologi telekomunikasi wireless, dilakukan banyak usaha untuk memperbaiki sistim yang telah ada, ataupun ditawarkan s olusi alternatif yang lebih efisien. Di tulisan ini dianalisa antena horn untuk aplikasi 2.44 GHz. Pengamatan dilakukan dengan melakukan variasi parameter geometrisnya dengan tujuan faktor refleksi dan gain yang optimal. Analisa dilakukan dengan menggunakan metoda moment. Tujuan dari analisa ini adalah memberikan data untuk pen-desain antena pada aplikasi WLAN 2.44 GHz, terutama jika jarak komunikasi sudah cukup jauh sehingga gain dan Faktor refleksi menjadi besaran yang kritis. Key words: antena, horn, metoda moment, numerik, Wipl-D, WLAN
1. Pendahuluan Pendahuluan
Wireless
Teleko Telekomun munika ikasi si tanpa tanpa kabel kabel (wirel (wireless ess))
merupakan sistim aplikasi telekomunikasi
tela telah h menj menjad adii kese keseha hari rian an kita kita semu semua, a,
wireless yang aktual dewasa ini dan terus
mul mulai
berkembang dari hari-ke-hari.
dari dari
tel televisi visi,,
radi adio,
telef elefo on
Broadband
Dala Dalam m
Mandiri Mandiri (ATM) di bank. bank. Tak terbayang terbayangkan kan
tempat tempat (point (point to point point commun communica icatio tion) n)
untu untuk k hidu hidup p di duni dunia a tanp tanpa a tekn teknol olog ogii
serin sering g kali kali dipe diperg rgun unak akan an ante antena na yang yang
telekomunikasi tanpa kabel tersebut.
direktif, yang memiliki gain yang tinggi,
Dewa Dewasa sa
tekn teknol olog ogii
yang hanya memfokuskan pancarannya ke
wireles wireless, s, terus terus berkem berkemban bang, g, teruta terutama ma
arah arah pasang pasangan an komuni komunikas kasiny inya. a. Anten Antena a
dengan
horn adalah salah satu jenis antena yang
peman emanfa faat atan an
dikaitkannya
komputer
(proce (processo ssor) r) ke titiktitik-titi titik k ujung ujung ataupu ataupun n
direktif.
teng tengah ah
Peng Pengam amat atan an
dari dari
jari jaring ngan an
tele teleko komu muni nika kasi si..
meng menghu hubu bung ngka kan n
etc.
genggam genggam sampai sampai aplikasi aplikasi Anjungan Anjungan Tunai
ini ini
apli aplika kasi si
(WiBro) ro),
yang yang
dila dilaku kuka kan n
dua dua
terh terhad adap ap
Transmisi data yang berkecepatan tinggi
antena horn telah berlangsung lama. J. C.
yang yang
Bose Bose
memu memung ngki kink nkan an
peng pengiri irima man n
data data
seo seorang rang
ilmu ilmuwa wan n
Ind India
diaku akui
segala macam bentuk (multimedia) juga
menggunakan antena ini pada salah satu
tela telah h menj menjad adii kese keseha hari rian an,, jika jika belu belum m
eksp eksper erim imen enny nya a di tahu tahun n 1896 1896 [Sar [Sarka karr
pastilah dalam waktu yang tak lama lagi
2006 2006]. ]. Sete Setela lah h itu itu baru barula lah h duni dunia a bara baratt
menjadi bagian kehidupan kita. Sekedar
(Amerika
untuk menyebut beberapa nama, Wireless
penelitia penelitian n dengan dengan antena antena horn. Sebuah
Local Area Network Network (WLAN), (WLAN), Bluetooth, Bluetooth,
mono monogr grap aph h
Radio Radio Freque Frequency ncy Identi Identific ficati ation on (RFID) (RFID),,
bebera beberapa pa tahun tahun setela setelah h perang perang dunia dunia II
Wire Wirele less ss
(PD (PD II) berak berakhi hir. r. Mo Mono nogra graph ph ini ini [Sil [Silve verr
Micr Microw owav ave e
Acce Access ss
(WiM (WiMax ax), ),
dan
yang yang
Eropa)
leng lengka kap p
melakukan
dite diterb rbit itka kan n
2
1949] memuat hasil penelitian tentang
gain
antena
sebesar mungkin. Metoda yang digunakan
horn
selama
PD
II
yang
di
antena
yang
harus
didapatkan
zamannya hasil ini tergolong ‚top secret’.
adalah metoda moment.
Beberapa penelitian awal sesudah PD II
Di tulisan [Kuo2003] digunakan antena
didokumentasikan di jurnal Transaction of
mikrostrip
Antennas
seperti
digunakan antena monopol planar untuk
sederhana
aplikasi WLAN. Antena mikrostrip di atas
and
[Braun1956]
Propagations,
memuat
cara
untuk menghitung gain antena horn. Di
[Mentzer1975,
Huang1983]
Menendez1982,
dibahas
dan
di
hanya mencapai gain dan
sedangkan
antena
[Ammann2003]
sebesar monopol
2
dBi
planar
bermacam-macam
memiliki gain 4 dBi. Di tulisan ini akan
metoda untuk menghitung diagram radiasi
dicapai gain yang lebih besar dari angka-
dan gain antena horn. Ketiga tulisan itu
angka di atas.
menggunakan metoda asymtotik, yang di
Tujuan
era 70-an dan 80-an mendapatkan tempat
memberikan batasan geometri kepada
cukup baik di kalangan ilmuwan.
para
[Maybell1993]
menggunakan
dari
penelitian
perancang
antena
ini
horn
adalah
untuk
cara
mendapatkan faktor refleksi dan gain
integrasi dalam mendapatkan gain yang
yang optimal, sehingga jarak yang lebih
lebih
besar bisa didapatkan.
tepat, demikian juga [Liu1993]
menggunakan metoda yang lebih akurat, yaitu metoda moment dalam menghitung
2. Dasar Teori
gain.
2.1 Persamaan Maxwell
[Milligan2000] memberikan laporan dalam
Titik
penyekalaan antena horn, sehingga bisa
elektromagnetika
diaplikasikannya
untuk
persamaan Maxwell. Di sini pembahasan
[Kordes2002]
dibatasi pada sinyal harmonis, sehingga
mendesain antena horn dengan batasan
dengan bantuan kuantitas phasor, semua
lebar
didesain,
fungsi waktu bisa dieliminasikan, dan
sedangkan [Koerner2000] menggunakan
dengan hubungan material yang isotrop (
frekuensi
yang
beam
metoda lain.
antena
ini
yang
sisipan metal tipis untuk memperbagus gain antena horn. Di
tulisan
ini
akan
dilaporkan
hasil
horn di frekuensi aplikasi WLAN, 2.44 yaitu
dan
menjadi
pengamatan yang dilakukan pada antena
GHz,
ε r
acuan
dengan
memperhatikan
besaran karakteristik faktor refleksi yang harus didapatkan sekecil mungkin dan
µ r )
dari
semua adalah
fenomena persamaan-
sehingga persamaan Maxwell
3
Persamaan-persamaan
di
atas
adalah
persamaan diferensial tiga dimensi yang saling
terkait
satu
dengan
lainnya,
Setelah
solusi
medan listrik
untuk
didapatkan,
bisa dihitung dengan
hubungan berikut ini,
sehingga dalam mensolusikannya harus diamati secara keseluruhan sebagai suatu sistim persamaan. Bisa pula salah satu
sehingga semua besaran lainnya yang
besaran
penting
dieliminasikan
tetapi
ordo
diferensiasinya akan meninggi (menjadi
untuk
sebuah
antena
bisa
didapatkan.
ordo dua). Strategi lain yang diambil oleh sebagian
2.2 Metoda Persamaan Intergral
besar
Medan listrik bisa diberikan dengan
analisa
menggunakan potensial
adalah
besaran
vektor
potensial,
magnetis
vector potential) dan
dengan
(magnetic
potensial listrik
(electric potential), yang didefinisikan Terlepas dari kesulitan untuk menghitung
dengan
integrasi permukaan (dua lipat) di atas, kesulitan yang sebenarnya adalah tidak diketahuinya
distribusi
arus
listrik
permukaaan. Persamaan kedua disebut juga takaran
dengan
Lorentz (Lorentz gauge). Dengan pendefinisian ini dan persamaan Maxwell
akan
dihasilkan
[Rao1982] menggunakan metoda moment
persamaan
menggunakan
kondisi
batas,
bahwa medan listrik E tak memiliki komponen tangensial di atas permukaan metal. Dengan melakukan diskretisasi di
gelombang untuk
,
atas permukaan antena yang dibahas (misalnya dengan diskretisasi segitiga)
dengan
k
. Solusi dari persamaan
ω εµ
=
maka
akan
diferensial parsial itu seperti diberikan di
potongan
[Balanis 1989] adalah
distribusinya
didapatkan
arus
yang
(misalnya
potongan-
dikenal konstan,
fungsi atau
fungsi segi tiga atau bahkan fungsi lain yang lebih komplek) tetapi tak dikenal amplitudonya. Solusi akan mengarah pada Di persamaan di atas digunakan
sistim persamaan linier, yang dengan
sebagai pengganti
prosedur inversi matriks bisa didapatkan
, karena di tulisan ini
hanya dibahas struktur yang terbuat dari metal tipis.
jawabannya.
4
2.3 Model Antena Horn
sekitar 30 mm, tetapi di penelitian ini
Gambar 1 menunjukkan tampak 3D dan
akan
tampak samping antena horn. Sebuah
efeknya
potongan waveguide dengan penampang
Ketinggian kawat dalam koaxial yang
axb dan panjang (D+L 1) adalah bagian
masuk ke waveguide atau H juga akan
terintegrasi pada struktur antena horn.
divariasikan.
kita
variasikan terhadap
untuk faktor
melihat refleksi.
tampak atas
tampak 3D a
b
B D
C A
a
L1
φ
L2
kawat dalam konektor koaxial
L2
L1
D A
tampak depan tampak samping 60
ϑ
40
20
0
B
H
-20
-40
b
B
H
D
L1
a
-60
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
A
L2
Gambar 2 tampak atas dan tampak depan Gambar 1 tampak 3D dan tampak samping antena horn
Jarak
kawat
koaxial
ini
ke
ujung
waveguide L1 dan jarak ujung waveguide Untuk menjamin hanya ada satu mode
ke ujung antena horn keseluruhan L 2 akan
saja yang merambat di dalam waveguide,
divariasikan
dipakai lebar a=λ /2 [Balanis 1989] atau
waveguide A x B akan diubah-ubah dan
untuk frekuensi 2.44 GHz digunakan a=60
dilihat efeknya terhadap gain dan faktor
mm dan b=30 mm. Besaran ini akan kita
refleksi. Gambar 2 menunjukkan tampak
pakai tanpa perubahan di seluruh bagian
lain dari antena horn.
dari tulisan ini. D adalah jarak pin atau
Jika antena horn ini dipakai sebagai
kawat dalam konektor koaxial ke dinding
antena pemancar atau sebagai antena
penutup waveguide ke belakang. Secara
penerima, maka berlaku rumus berikut ini
teroretis jaraknya sebaiknya D=λ /4 atau
untuk mendapatkan daya pancar dan daya terima
pula.
Juga
pelebaran
5
P
=
C 1 ⋅
−
S 11
2
⋅
-5
G
-6
C adalah konstanta, S11 adalah faktor -7
refleksi
dan
G
mendapatkan
gain
daya
antena. yang
Untuk
maksimal,
diupayakan G yang sebesar mungkin dan
) B d (
-8
S
-9
1 1
-10
S11 yang menuju nol.
-11
3.Hasil Simulasi
-12 2.25
data-data
yang
2.35
2.4
2.45
2.5
2.55
2.6
2.65
Frekuensi (GHz)
Sebagai acuan dalam simulasi ini akan digunakan
2.3
Gambar 3 Faktor refleksi horn acuan
diberikan 15
berikut ini mm 60 30 25 24.5 30 25 75 150 120
a b D H C L1 L2 A B
10
5 ) B d ( n i a g
0
-5
-10
-15 -200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
o φ( )
Gambar 3 menunjukkan faktor refleksi
Gambar 4 Diagram radiasi horisontal
antena horn acuan yang dinyatakan dalam desibel. Jika S 11=-6 dB (dalam linier ekuivalen dengan 0.501) artinya 25% daya
Gambar 4 dan 5 menunjukkan diagram
akan ditolak atau direfleksikan sehingga
radiasi
hilang percuma.
horisontal dan vertikal. Arah pancaran
S11 ini mempunyai minimum di sekitar
utama antena adalah arah φ = 0
2.44 GHz yaitu sekitar -11.5 dB (linier
ϑ = 9 0 . Dengan gain sebesar sekitar 10.5
0.266)
direfleksikan
dBi. Angka ini lebih besar dengan faktor
sekitar 7%. Dalam prakteknya di teknologi
7.0 dibandingkan antena dipol biasa yang
antena, didefinisikan suatu batas kerja
memiliki gain 2.0 dBi.
atau
daya
yang
antena
horn
untuk
bidang
ο
dan
ο
antena yang di dalamnya faktor refleksi 15
antena harus lebih baik dari -10 dB (10% daya direfleksikan). Dengan definisi ini,
10
maka wilayah kerja antena horn acuan di sekitar interval 2.38 GHz< f < 2.55 GHz yang
mencakup
keseluruhan
pita
) B d ( n i a g
5
0
frekuensi aplikasi WLAN. -5
-1 0 0 -100
-50 40
090 (o)
5 0140
1180 00
6
2.44 GHz pada saat sekitar D≈25 mm, sedikit lebih kecil dari λ /4 (≈30.74 mm). 3.2 Variasi H H yang terlalu pendek, H<20 mm akan mengakibatkan antena ini menjadi tidak
Gambar 5 Diagram radiasi vertikal
berguna, karena hampir seluruh daya yang ada akan direfleksikan.
Pada bagian berikut ini akan kita amati
0
perubahan besaran-besaran kunci di atas jika dilakukan variasi terhadap parameter
-5
geometri penyusun antena horn. 3.1 Variasi D
-10
Gambar 6 adalah faktor refleksi antena horn
terhadap
frekuensi
dengan
parameter D. 15 20 23 25 27 28 30 35
-4
1 1
-15
-20
-2
] B d [
1 1
-6
-25 2.3
10 15 20 21 22 23 24 24.5 25 2.35
2.4 2.45 2.5 Frekuensi [GHz]
2.55
Gambar 7 Faktor refleksi terhadap frekuensi, dengan parameter H dalam mm
S
-8
H yang pendek, H < 24.5 mm, akan
-10
menghasilkan minimum faktor refleksi yang terletak pada frekuensi yang lebih
-12 2.3
2.35
2.4 2.45 2.5 Frekuensi [GHz]
2.55
Gambar 6 Faktor refleksi terhadap frekuensi, dengan parameter D dalam mm
besar dari 2.44 GHz dan H yang lebih panjang dari 24.5 mm akan menghasilkan minimum di frekuensi yang lebih rendah dari 2.44 GHz. Hal ini sesuai dengan
Jika D terlalu kecil (kawat konektor
kenyataan feeding antena horn kita ini
terlalu
waveguide
seperti sebuah monopol di atas metal,
tertutup/short) minimum faktor refleksi
yang akan menghasilkan matching bagus,
akan terletak di frekuensi yang tinggi dan
jika panjang monopol ini sedikit lebih
jika D diperbesar maka minimum akan
pendek dari λ /4.
bergeser ke frekuensi yang lebih rendah,
3.3 Variasi A dan B
sesuai dengan hubungan D ~ λ . Di sini
A dan B adalah dimensi waveguide yang
kita dapatkan minimum untuk frekuensi
diperbesar.
dekat
ke
Secara
teoretis,
makin
membesarnya luasan apertur AxB akan makin
memperbesar
luasan
efektif
7
antena,
yang
berkonsekuensi
pembesaran
gain
antena.
dijustifikasi
oleh
gambar
pada
Hal
layak untuk dipakai, karena sekitar 2/3
ini
8.
energinya terbuang.
Gain A = 60 mm
membesar secara monoton jika dimensi B
-2
diperbesar, juga jika A diperbesar gain
-4 A = 80 mm
akan meninggi. Tetapi sampai suatu besar
] B d [
B tertentu sekitar B > 160 mm terlihat
1 1
S
wilayah kejenuhan pertambahan gain.
-6 A = 100 mm
-8
A = 150 mm
-10
A = 170 mm
13 -12
12
170 mm
11
120 mm
10 ] B d [ n i a G
A = 200 mm
150 mm
-14 30
40
50
60
70 80 B [mm]
100 mm
90
100
110
Gambar 9 Faktor refleksi sebagai fungsi dari B
9 8
A=60 mm
dengan parameter A
7 6 5
Dari gambar 9 juga terlihat, jika B
4
melewati
3 20
40
60
80
100 B [mm]
120
140
160
18
nilai
sekitar
70mm,
faktor
refleksi hampir tidak berubah jika B terus diperbesar.
Gambar 8 Gain sebagai fungsi dari B
3.4 Variasi L 1 dan L2
dengan parameter A
0
Tetapi yang sering tidak diperhatikan adalah,
luasan
AxB
tidak
berpengaruh terhadap gain antena, tetapi juga
adanya
terhadap
faktor
menunjukkan kita
pengaruh
besaran
refleksi.
Gambar
ini 9
pengaruh tersebut. Jika
tidak
melakukan
-5
hanya ] B d [
-10
1 1
S
1 5 10 13 15 20 25 30
-15
-20
pelebaran
waveguide, atau jika kita menggunakan
-25 2.3
2.35
A=a=60mm dan B=b=30mm, tak hanya gainnya yang turun menjadi 4.5 dBi, juga faktor
refleksi
yang
kita
dapatkan
2.4 2.45 2.5 Frekuensi [GHz]
2.55
Gambar 10 Faktor refleksi fungsi dari frekuensi dengan parameter L1 (mm)
langsung merosot ke nilai yang sangat jelek, yaitu sekitar -1.8 dB atau sekitar 66% energi yang ada akan direfleksikan, sehingga antena ‘homebrew’ yang sering didesain untuk aplikasi WLAN amatir tidak
L1 yang kecil menghasilkan faktor refleksi yang
sangat
bagus,
walaupun
tidak
minimum di frekuensi 2.44 GHz. Dengan bertambah panjangnya L 1, S11 menjadi memburuk.
120
8
Gain secara praktis
tidak
tergantung
terus seperti itu berulang-ulang (gambar
terhadap L1, hanya terlihat perubahan
12).
yang sangat kecil (gambar 11).
11 10.5
10.65 10
10.6 ] B d [
10.55
n i a g
] 10.5 B d [ n i a 10.45 g
9.5 9 8.5 8
10.4 7.5 0
20
40
60
80
100
L2 [mm]
10.35 10.3 0
Gambar 13 Gain sebagai fungsi dari L 1 pada 5
10
15 L [mm]
20
25
30
frekuensi 2.44 GHz
1
Gambar 11 Gain sebagai fungsi dari L 1 pada frekuensi 2.44 GHz -4
0 5 10 20 40 60 75 100
-5 -6 -7 ] B d [
1 1
S
-8
Pengaruh
L2
terhadap
signifikan
(gambar
gain
13)
cukup
dibandingkan
pengaruh L1. Sebagai perbandingan L 2=0 mm dan L 2=75 mm. Pada kasus pertama S11=-12.5
dB,
1-S 112=0.944,
sehingga
dengan gain sebesar 7.6 dB (linier 5.75),
-9
hasil kali keduanya menjadi 5.432. Kasus
-10
kedua S11= -11.5 dB, sehingga 1-S 112=0.929
-11
dengan gain 10.5 dB (linier 11.22) dengan
-12 -13 2.3
hasil 2.35
2.4 2.45 2.5 Frekuensi [GHz]
2.55
kali
menjadi
10.42.
Dari
perbandingan ini L 2=75 mm menghasilkan performansi yang lebih baik.
Gambar 12 Faktor refleksi fungsi dari frekuensi dengan parameter L2 (mm)
5. Kesimpulan L2 yang sangat kecil juga menghasilkan faktor refleksi yang sangat kecil, dengan membesarnya
L2
faktor
refleksi
memburuk, kemudian membaik tapi tak sampai membaik ketika L 2 sangat kecil, kemudian kembali memburuk, mungkin
Di penelitian ini dianalisa antena horn pada
frekuensi
2.44
GHz.
Analisa
dilakukan dengan memvariasikan enam buah geometri penting yang dimiliki oleh antena tersebut. Tujuan variasi adalah mendapatkan faktor refleksi dan gain yang optimal.
9
Dari penelitian ini terungkap, D dan H sangat kritis dalam menentukan faktor refleksi. A dan B yang diyakini hanya memberikan
pengaruh
ternyata
juga
penting
pada
pada
memainkan faktor
[Kuo2003] YL Kuo, KL Wong; Printed double-T monopole antenna for 2.4/5.2 GHz dual-band WLAN operations, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 51, pp. 2187 - 2192, September 2003.
gain, peranan
refleksi.
L1
memainkan peranan penting hanya pada faktor refleksi. Sedangkan L 2 memberikan pengaruh yang signifikan terhadap variasi faktor refleksi dan gain.
Daftar Pustaka [Amman2003] M. J. Ammann, Zhi Ning Chen; Wideband monopole antennas for multi-band wireless systems, IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 45, pp. 146 - 150, April 2003. [Balanis1989] C. Balanis, Advanced Electromagnetics, Wiley, New York, 1989. [Braun1956] E. H. Braun; Some data for the design of electromagnetic horns, IRE Trans. Antennas Propagat., vol. 4, pp. 29 - 31, January 1956. [Huang1983] J Huang, Y Rahmat- Samii, K. Woo; A GTD study of pyramidal horns for offset reflector antenna applications, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 31, pp. 305 309, March 1983. [Koerner2000] MA. Koerner, Robert L. Rogers; Gain enhancement of a pyramidal horn using E - and H -plane metal baffles, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 48, pp. 529 - 538, April 2000. [Liu1993] K Liu, CA. Balanis, CR. Birtcher, GC. Barber; Analysis of pyramidal horn antennas using moment methods, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 41, pp. 1379 - 1389, October 1993. [Kordas2002] G. Kordas, K. B. Baltzis, G. S. Miaris, J. N. Sahalos; Pyramidal-horn design under constraints on half-power beamwidth, IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 44, pp. 102 - 108, February 2002.
[Maybell1993] MJ. Maybell, PS. Simon; Pyramidal horn gain calculation with improved accuracy, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 41, pp. 884 - 889, July 1993. [Menendez1982] RC. Menendez, S-W Lee; Analysis of rectangular horn antennas via uniform asymptotic theory, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 30, pp. 241 - 250, March 1982. [Mentzer1975] CA. Mentzer, L Peters Jr., RC. Rudduck; Slope diffraction and its application to horns, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 23, pp. 153 - 159, March 1975. [Milligan2000] T Milligan; Scales for rectangular horns, IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 42, pp. 79 - 83, October 2000. [Rao1982] Rao, S.M., Wilton, D.R., Glisson, A.W., Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape, IEEE Trans. Antennas and Prop., Vol. 30, No. 3, 409-418, 1982. [Sarkar2006] T. K. Sarkar et al, History of Wireless, Wiley Interscience, New Jersey, 2006 [silver1949] S. Silver, .Microwave Antenna Design, MIT Laboratory Series, McGraw Hull, New York, 1949.
