LAPORAN PROYEK AKHIR ANTENA
PW -F ed Ultra Ultr a-Wid -Wi deband dengan Antena Mikrostrip C PW-F dengan Patch Telur dan Slot Slot G r ound Telur
Nama
: Irfan Septian Suherman
NIM
: 1504845
Tanggal Submit
: 28 Mei 2018
LABORATORIUM TELEKOMUNIKASI TELEKOMUNIKASI DEPARTEMEN DEPARTEMEN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2018
A. Abstrak
Kemajuan teknologi komunikasi salah satunya adalah antena mikrostrip UWB sekarang ini memegang peranan penting dalam penggunaan penggunaan aplikasi untuk untuk sarana komunikasi komunikasi seperti pendeteksi radar dan radio. memiliki
banyak keunggulan
karena
alat
antena
Antena yang
mikrostrip UWB
digunakan berukuran
kecil, biaya murah, dan aman. Pada Proyek Akhir ini yang berjudul “ Antena Mikrostrip CPW-Fed UltraWideband dengan Patch Patch Telur dan Slot Ground Telur ” membahas membahas mengenai bagaimana
merancang
sebuah
antena
yang
berdimensi
kecil
tetapi
dapat
menghasilkan bandwidth bandwidth yang lebar. Antena yang akan dibuat adalah antena mikrostrip ultra wideband (UWB) (UWB) dengan menggunakan teknik pencatuan Coplanar Waveguide (CPW) Waveguide (CPW) dengan bentuk patch telur dengan slot telur. Bahan substrat yang digunakan adalah FR-4 FR- 4 dengan ε r =4,4. Dalam merancang dimensi antena ini digunakan analisis matematis dan disimulasikan dengan software software CST Studio Suite 2018 sampai didapatkan antena sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Pada hasil simulasi antena ini sudah menunjukkan sifat ultra wideband (UWB) dengan rentang frekuensi kerja 3.1-10.6 GHz, memiliki VSWR ≤ 2 untuk semua rentang frekuensi, parameter nilai return loss yang kurang dari -10 dB, dan gain dan gain lebih lebih besar dari 2.
K ata kunci: unci : antena ntena mi kr ostrip stri p, ult ul tr a wi deband ( UWB UW B ) , coplana coplanarr wavegu veguii de ( C P W), W) , Patch Telur B. Pendahuluan
Antena
sebagai
salah
satu
komponen
penting dalam telekomunikasi
yang telah bekembang pesat sesuai dengan
aplikasi - aplikasi
pertelekomunikasian. Antena mikrostrip adalah
jenis antena
keunggulan,
sehingga
Wireless Wireless yang portable. portable.
banyak
digunakan digunakan
Teknologi
dalam
di
dengan banyak
berbagai aplikasi,
ini memebutuhkan
akan
dunia
kecepatan
seperti data
yang tinggi salah satunya yang membuat dalam bandwidth bandwidth yang sangat lebar adalah teknologi berbasis Ultra Wideband (UWB) (UWB) Sistem antena UWB pada komunikasi wireless berkecepatan sangat tinggi yang dimana sistem komunikasi antena
UWB
memiliki
jarak
pendek
yang
mempunyai bandwith yang sangat
lebar sehingga
untuk mencapai syarat lebar
bandwidth fraksionalnya 25% dari frekuensi tengahnya. Untuk mendesain
antena
UWB
tepat dalam kualitas maupun efisien UWB menggunakan
digunkan pemilihan pada bahan yang
ruang.
Pada
antena microstrip karena
umumnya
antenanya
desain
yang low
antena profile,
compact, low weight,dan berdimensi kecil. Pada penelitian ini akan digunakan antena mikrotrip patch yang bebahan FR-4 (lossy).Tujuan dari penelitian ini adalah menghasilkan desain antena UWB berbasis mikrostrip patch yang bekerja pada frekuensi
3.1 – 10.6
parameternya
dengan
GHz
dengan
hasil
yang
sudah dispesifikasikan
menggunakan software CST Studio Suite 2018.
Patch berbentuk telur dihasilkan dari penggabungan setengah lingkaran dan setengah elips, dimana perbandingan jari-jari (x radius) dengan jari-jari elips (y radius) sebesar 1 : 1,3.
C. Ringkasan spesifikasi desain
1. Parameter desain 1. Frekuensi kerja
: 3,1 – 10.6 GHz VSWR < 2 atau Return Loss < -10 dB
2. Gain
: ≥ 2 dBi
2. Parameter substrat (FR-4) 3. Konstanta dielektrik
: 4.4
4. Tebal Substrat
: 1.6 mm
5. Dimensi Substrat
: Maksimum 12 cm x 6 cm
3. Pencatu 6. Coplanar Waveguide (CPW)
:
Zc = 50 Ω
D. Ringkasan metodologi desain 1. Studi literatur
Tahap ini merupakan proses pembelajaran teori-teori dan teknik yang digunakan dari literatur-literatur berupa buku referensi, artikel-artikel, jurnal ilmiah. Ebook, dan internet yang mendukung dalam proses penyusunan teori dasar dan penjelasan.
2. Perhitungan
Tahap ini dilakukan perhitungan yang didapat dari studi literature, disini dilakukan perhitungan pada panjang dan lebar substrat serta ground , radius patch, panjang dan lebar saluran impedansi karakteristik, dan perhitungan pada panjang dan lebar waveguide menggunakan software CST studio suite. 3. Simulasi
Tahap ini merupakan tahap akhir pada pembuatan proyek akhir ini, pada simulasi dilakukan beberapa tahap, yaitu sebagai berikut: a. Perancangan dimensi substrat, patch, saluran impedansi karakteristik (feed), ground plan, dan waveguide. b. Simulasi sesuai perhitungan. c. Melakukan optimasi dari setiap dimensi yang telah dibuat. d. Desain akhir hasil optimasi.
E. Desain awal
Pada proyek akhir ini diharapkan menghasilkan karakteristik yang diinginkan, antara lain : 1. Perencanaan Dimensi Substrat
29,4 mm
W
dimana c adalah kecepatan cahaya, f L adalah frekuensi kerja terendah, dan ɛr adalah permitivitas substrat. Dalam percobaan pertama dimensi substrat yang dipakai yaitu sebesar panjang dan lebar ground plane 2. Perencanaan Dimensi Patch Telur Bagian dari patch telur yaitu setengah lingkaran ditambah dengan setengah elips, dimana hal ini dilakukan perbandingan dengan antena yang berhasil dibuat dari sumber jurnal. Perbandingan antara jari-jari (radius) lingkaran dengan jari-jari panjang elips yaitu 1 : 1,3. Untuk menentukan radius slot lingkaran (A), terlebih dahulu harus ditentukan fungsi logaritmik F, yang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
F= √
F = 0,6118167607
F = fungsi logaritmik (F) dari elemen peradiasi fr = frekuensi kerja pada antena (Hz) ɛr = permitivitas dielektrik relatif substrat (F/m) Maka
radius
elemen
peradiasi
lingkaran
dapat
dihitung
dengan
menggunakan persamaan : A=
{*()+}
A = 6,1 mm
A = dimensi radius slot lingkaran (m) h = ketebalan substrat (m) ɛr = permitivitas dielektrik relatif substrat (F/m) F = fungsi logaritmik (F) dari elemen peradiasi 3. Perencanaan Dimensi Ground Dimensi minimum ground plane yang dibutuhkan oleh antena mikrostrip diberikan melalui persamaan dengan : Lg = 6h + 2R
= 21,8 mm
Wg = 6h + R = 19,2 mm h = ketebalan substrat (mm) R = jari - jari patch (mm) Lg = panjang minimum ground plane (mm) Wg = lebar minimum ground plane (mm) Untuk slot yang digunakan pada percobaan pertama yaitu 1 : 1,5 dari patch, sedangkan gap antara ground dengan feeder mengandalkan filling factor. Dan untuk panjang ground tidak menggunakan 21,8 mm dikarenakan slot telur yang dihasilkan oleh perbandingan melebihi 21,8 mm, disini diambil panjang sebesar 29,3 mm. 4. Perencanaan Dimensi Feed Lebar Saluran Impedansi ( Feed ) W=
, * +-
W = 2,9 mm
Dimana, B = √
= 5,65
Panjang Saluran Impedansi (Feed)
√ L=
dimana,
L = 5,2 mm
Tabel 1 No
Dimensi
1
Radius
2
Substrat dan Ground
3
Saluran impedansi karakteristik (feed)
(a)
Ukuran Panjang (mm)
Lebar (mm)
(x radius)
2,9
(b)
Gambar 1. Desain awal (a) Geometri dan Dimensi Antena (b) Antena Tampak 3 Dimensi
1. Buat parameter terlebih dahulu seperti gambar dibawah.
Gambar 2. Pembuatan parameter 2. Buat dimensi substrat, dengan memilih brick pada menu modeling → klik esc isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 3. Pembuatan dimensi substrat 3. Buat dimensi feeder , pilih brick pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 4. Pembuatan dimensi feeder 4. Buat dimensi patch lingkaran, pilih cylinder pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 5. Pembuatan dimensi patch lingkaran 5. Buat pemotong , untuk membuat setengah lingkaran pilih brick pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 6. Pembuatan pemotong patch lingkaran 6. Klik Patch pada Components yang terletak pada Navigation Tree → Boolean → Subtract → tekan ctrl + klik Pemotong1 pada Components → Enter
Gambar 7. Hasil Pemotongan Patch 7. Pembuatan dimensi patch bagian atas dengan setengah elips, pilih Modeling → Eliptical Cylinder → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 8. Pembuatan dimensi patch elips 8. Pembuatan pemotong elips, untuk membuat setengah lingkaran pilih brick pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 9. Pembuatan pemotong patch elips 9. Lakukan hal yang sama seperti langkah 6, menggunakan Subtract antara Lanjutan Patch dengan Pemotong Lanjutan Patch.
Gambar 10. Hasil Pemotongan 10. Gabungkan antara Patch dengan Lanjutan Patch dengan cara klik Patch → Boolean → Add → Lanjutan Patch → Enter
Gambar 11. Hasil Penggabungan antara setengah lingkaran dan setengah elips
11. Pembuatan Pemotong Ground Plane bagian feeder, pilih brick pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 12. Pemotong Groung Plane bagian feeder 12. Pembuatan Pemotong Ground Plane bagian lingkaran, pilih Cylinder pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 13. Pemotong Groung Plane bagian lingkaran 13. Pembuatan Pemotong Bagian Lingkaran, pilih brick pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah. Subtract Pemotong Ground 2 dengan Pemotong Pemotong Ground 2
Gambar 14. Pemotong bagian lingkaran
14. Pembuatan Pemotong Ground Plane bagian elips, pilih Elliptical Cylinder pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 15. Pemotong Groung Plane bagian elips 15. Pembuatan Pemotong Bagian elips, pilih brick pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah. Kemudian Subtract Pemotong Ground 3 dengan Pemotong Pemotong Ground 3
Gambar 16. Pemotong bagian elips 16. Add antara Pemotong Ground, Pemotong Ground 3, dan Pemotong Ground 3 menggunakan fitur Boolean → Add, maka hasilnya akan seperti gambar dibawah.
Gambar 17. Hasil Add antara Pemotong Ground, Pemotong Ground 3, dan Pemotong Ground 3 17. Pembuatan dimensi Ground, pilih brick pada menu modeling → klik esc → isi koordinat sesuai pada gambar dibawah.
Gambar 18. Pembuatan dimensi ground 18. Subtract Ground dengan Pemotong Ground maka hasilnya seperti gambar dibawah.
Gambar 19. Hasil Subtract Ground dengan Pemotong Ground 19. Pembuatan Waveguide, pick S pada bagian bawah tengah feeder. Pilih macros pada menu home → solver → port → calculate port extension coefficient kemudian masukkan perhitungan nilai K seperti gambar dibawah.
Gambar 20. Pick bagian bawah tengah feeder
Gambar 21. Perhitungan dan pembuatan dimensi waveguide
20. Ubah pengaturan mesh properties menjadi 20.
Gambar 22. Mesh Properties 21. Pengaturan time domain solver parameter
Gambar 22. Time Domain Solver Parameter 22. Lakuan simulasi, pilih start simulation yang terdapat pada menu home.
Gambar 23. S parameter dengan bandwidth
Gambar 24. Reference impedance rill dan imajiner
Gambar 25. VSWR freq. 3.1 GHz dan 10.6 GHz
Gambar 26. Polarisasi pada freq 6.85 GHz (Linier Vertikal)
Gambar 27. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 3.1 GHz
Gambar 28. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 3.1 GHz
Gambar 29. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 6.85 GHz
Gambar 30. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 6.85 GHz
Gambar 31. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 10.6 GHz
Gambar 32. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 10.6 GHz
F. Optimasi desain dan tuning
Dari hasil percobaan pertama bisa dilihat bahwa yang match hanya Gain, sementara spesifikasi lain seperti VSWR masih lebih dari 2, return loss masih diatas 10 dB, dan reference impedance hanya 44,87. Dibawah ini terdapat tabel yang dimana parameternya diubah-ubah, dan yang sangat mendekati spesifikasi yaitu percobaan 3. Tabel 2. Tabel Parameter Percobaan Parameter
t
Percobaan 1 0,035
Percobaan 2 0,035
Percobaan 3 0,035
h A1 B1
1,6 6,1 7,93
1,6 7,5 10
1,6 9 12,06
A2 B2
9,15 11,895
11,825 15,445
14,5 18,995
Wf Lf W L
2,9 5,2 19,2 29,3
3 5,1 24,6 34,65
3 5 30 40
Tabel 3. Hasil Percobaan Percobaan
Return Loss
Reference
Max (dB)
impedance (Ω)
VSWR
Gain Terendah (dB)
Percobaan 1
-8,589
44,871
2,184
1,506
Percobaan 2
-11,013
47,96
1,783
1,193
Percobaan 3
-12,672
50,69
1,605
2,233
G. Desain akhir
Pada desain akhir ini ditemukan nilai parameter yang mendekati spesifikasi, perlu diperhatikan dan harus penuh ketelitian dalam merubah desain, karena setiap parameter mempunyai pengaruh berbeda-beda pada spesifikasi antenna. Disini memakai parameter percobaan 3 dikarenakan paling mendekati spesifikasi yang diharapkan. Tabel 4. Parameter Desain Akhir Parameter
t h A1 B1 A2 B2 Wf Lf W L
Nilai (mm) 0,035
1,6 9 12,06 14,5 18,995 3 5 30 40
Gambar 33. geometri antenna di optimasi 1. Parameter- parameter yang di ubah seperti ditinjukan oleh table di bawah ini:
Gambar 34. Parameter- parameter yang diubah Perubahan- perubahan ini dapat dilakukan dengan memasukkan langkahlangkah yang sama seperti pada tahap pembuatan desain awal antenna, atau dengan mengubah angka- angka yang sebelumnya digunakan, dengan parameter yang sudah disediakan pada table diatas. 2. Hasil Simulasi
Gambar 35. S parameter dengan bandwidth
Gambar 36. Reference impedance rill dan imajiner
Gambar 37. VSWR freq. 3.1 GHz dan 10.6 GHz
Gambar 38. Polarisasi pada freq 6.85 GHz (Linier Vertikal)
Gambar 39. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 3.1 GHz
Gambar 40. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 3.1 GHz
Gambar 41. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 6.85 GHz
Gambar 42. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 6.85 GHz
Gambar 43. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 10.6 GHz
Gambar 44. Pola radiasi elevasi dan azimuth freq. 10.6 GHz H. Analisis
1. Berdasarkan hasil analisis didapatkan bahwa ketika slot telur diaplikasikan pada antena mikrostrip telur, antena memenuhi syarat FCC untuk bekerja pada teknologi ultra wideband. 2. Panjang dan lebar ground berpengaruh terhadap nilai Gain, VSWR, Reference Impedance. 3. Ukuran antenna berpengaruh terhadap Gain, semakin besar panjang dan lebar maka semakin besar nilai Gain
I. Daftar Referensi
1. Chen, H-D., H-M. Chen, and W-S. Chen. "Planar CPW-fed sleeve monopole antenna for ultra-wideband operation." IEE Proceedings-Microwaves, Antennas and Propagation 152.6 (2005): 491-494. 2. Liang, J., et al. "Study of CPW-fed circular disc monopole antenna for ultra wideband
applications."
IEE
Propagation 152.6 (2005): 520-526.
Proceedings-Microwaves,
Antennas
and
3. Gautam, Anil Kr, Swati Yadav, and Binod Kr Kanaujia. "A CPW-fed compact UWB microstrip antenna." IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 12 (2013): 151-154. 4. Purnomo, M. Fauzan Edy, Rr Wahyu Dwi Ardhya Garini, and S. T. Rudy Yuwono. "Perancangan Antena Mikrostrip Circular Patch Dengan Slot Egg Untuk Aplikasi Ultra-Wideband Radio Frequency Identification (UWB RFID) Tag Pada Frekuensi Kerja 2, 4 GHz." Jurnal Mahasiswa TEUB 1.5 (2014). 5. Dahlan, Ir Erfan Achmad. "Perancangan dan Pembuatan Antena Mikrostrip Telur (Egg) Dengan Slot Lingkaran Pada Frekuensi Ultra Wideband (UWB)." Jurnal Mahasiswa TEUB 2.4 (2014). 6. Setiani, Dwi Indah. "RANCANG BANGUN ANTENA BERBENTUK ELIPS ULTRA
WIDEBAND
MONITORING ELLIPTICAL
(UWB)
RADAR ANTENNA
DESIGN BASED
BERBASIS OF ON
MIKROSTRIP
ULTRA
WIDEBAND
MICROSTRIP
FOR
UNTUK (UWB) RADAR
MONITORING." 7. Angelopoulos, Evangelos S., et al. "Circular and elliptical CPW-fed slot and microstrip-fed antennas for ultrawideband applications." IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 5.1 (2006): 294-297. 8. Pourahmadazar, Javad, et al. "Broadband CPW-fed circularly polarized square slot antenna with inverted-L strips for UWB applications." IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 10 (2011): 369-372.
