LAPORAN TUGAS BESAR ANTENA ANTENA MIKROSTRIP REKTANGULAR 2 ARRAY UNTUK APLIKASI WiFi DENGAN CST STUDIO 2012
Dibuat sebagai salah satu tugas besar mata kuliah Antena dan Propagasi pada Sekolah Tinggi Teknologi Telekomunikasi dan Telematika Purwokerto
Oleh: MELA YUNIATI NIM 13101126
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK TELEKOMUNIKASI SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI TELEKOMUNIKASI DAN TELEMATIKA PURWOKERTO 2014
A. LATAR BELAKANG Telekomunikasi merupakan salah satu bidang yang memiliki peranan
penting dan telah menjadi sebuah kebutuhan bagi setiap orang. Teknologi telekomunikasi dengan media kabel (wireline) yang kini telah mulai ditinggalkan dan berganti dengan teknologi tanpa kabel ( wireless) yang memanfaatkan gelombang radio sebagai media transmisinya. Beberapa contoh dari teknologi wireless adalah infra merah (Infrared/IR), bluetooth, Wireless Local Area Network , WiFi dan lainnya. Salah satu eknologi komunikasi tanpa kabel ( wireless) yang kini telah banyak digunakan adalah teknologi WiFi. Teknologi WiFi memiliki frekuensi kerja 2,4 GHz dan WiFi beroperasi pada rentang frekuensi 2,4 GHz sampai dengan 2,484 Ghz (berdasarkan IEEE 802.11b/g)[1]. Wi-Fi merupakan singkatan dari Wireless Fidelity yang berarti sebuah teknologi yang memanfaatkan peralatan elektronik untuk bertukar data secara nirkabel (menggunakan gelombang radio) yang banyak dipergunakan untuk koneksi
internet
menggunakan
berkecepatan
gelombang
radio
tinggi. seperti
Dalam
sistem
komunikasi
WiFi
bagian
terpenting
yang untuk
mengoptimalkan kinerjanya adalah antena. Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik[2]. Antena sebagai alat pemancar (transmitting anttena) adalah sebuah transduser (pengubah) untuk merubah gelombang tertuntun di dalam saluran transmisi kabel, menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas. Antena sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang yang merambat diruang bebas menjadi gelombang tertuntun [2]. Jenis antena untuk beragam aplikasi komunikasi wireless adalah antena dipole dan antena monopole, antena dipole adalah antena yang memiliki sifat omnidirectional yang artinya memeiliki arah pancaran yang sama rata ke segala arah. Antena monopole merupakan antena yang arah pancarannya hanya terpusat pada satu arah. Perkembangan teknologi wireless berbanding lurus dengan perkembangan antena yang menginginkan orientasi pancaran antenanya terpusat pada arah tertentu dengan nilai gain yang antena yang baik serta memiliki dimensi antena yang kecil. Untuk mencapai tujuan tersebut maka dipergunakanlah antena array mikrostrip yang merupakan sebuah antena yang praktis namun memiliki
kinerja yang optimal susunan dari beberapa antena dipole agar arah pancarannya lebih terpusat. Antena array mikrostrip merupakan suatu antena yang praktis dengan dimensi antena yang kecil dan mampu bekerja pada frekuensi tinggi namun memiliki arah pancaran yang baik. Pemilihan penggunaan antena array mikrostrip untuk berbagai aplikasi WiFi karena keunggulan dari sisi bahan yang sederhana, mudah didapat dan termasuk murah dari sisi biaya tetapi mampu memberikan unjuk kerja ( performance) yang cukup baik.
B. KARAKTERISTIK ANTENA 1. Definisi Antena
Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik[2]. Antena merupakan elemen penting yang ada pada setiap sistem telekomunikasi tanpa kabel, karenanya pemilihan antena yang tepat, perancangan antena yang baik dan pemasangan antena dengan benar akan mempengaruhi kinerja (performansi) sistem komunikasi tersebut.
2. Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang mempunyai kelebihan dalam hal bentuk yang sederhana, ringan dan dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan. Penggunaan antena mikrostrip sangat cocok digunakan untuk aplikasi-apikasi yang membutuhkan antena yang compact seperti yang telah diaplikasikan pada pesawat terbang, pesawat ruang angkasa, satelit, dan peluru kendali. Secara umum antena mikrostrip terdiri dari 3 elemen, yaitu : element peradiasi (radiator ), susbstrat, dan element pentanahan ( ground ) seperti pada gambar 1.
Gambar 1. Bentuk Umum Antena Mikrostrip Beserta Elemen Peradiasinya Elemen peradiasi (radiator ) atau biasa disebut patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal ) yang memiliki ketebelan tertentu. Patch merupakan lapisan teratas dari substrat, lapisan ini biasanya terbuat dari konduktor. Pada lapisan ini akan dibentuk menjadi suatu bentuk tertentu untuk mendapatkan suatu pola radiasi seperti yang diinginkan. Patch berfungsi sebagai pemancar. Patch dan saluran pencatu biasanya terletak di atas substrat. Elemen substrat ( substrate) berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena
mikrostrip
yang
membatasi
elemen
peradiasi
dengan
elemen
pentanahan. Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik (εr ) dan ketebalannya (h). Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat. Ketebalan substrat jauh lebih besar daripada ketebalah konduktor metal peradiasi. Semakin tebal substrat maka bandwidth akan semakin meningkat, tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan ( surface wave). Gelombang permukaan pada antena mikrostrip merupakan efek yang merugikan karena akan mengurangi sebagian daya yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke arah yang diinginkan [3]. Elemen pentanahan ( ground ) berfungsi sebagai ground bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga dan berfungsi untuk memantulkan sinyal yang tidak diinginkan [4]. Antena mikrostrip ini memiliki beberapa keuntungan dibandingakan dengan antena lainnya yaitu [6] : a. Low profile , mempunyai ukuran yang kecil dan ringan. b. Mudah difabrikasi. c. Dapat berdiri dengan kuat ketika diletakkan pada benda yang rigid. d. Polarisasi linier dan sirkular mudah didapat dengan feeding yang sederhana.
e. Dapat digunakan untuk aplikasi dual polarisasi , dual band frekuensi, maupun triple band frekuensi. f. Feed line dan matching network dapat difabrikasi langsung dengan struktur antena. Akan tetapi selain kelebihan-kelebiahan yang telah disebutkan diatas, antena
mikrostrip
juga
memiliki
beberapa
kekurangan-kekurangan,
diantaranya[6] : a. Mempunyai efisiensi yang rendah. b. Mempunyai gain yang rendah. c. Mempunyai kemurnian polarisari yang rendah. d. Bandwidth sempit. e. Dapat terjadi radiasi yang tidak diinginkan pada feed line – nya. f. Timbulnya surface wave (gelombang permukaan). 3. Antena Mikrostrip Array Patch Persegi Panjang Antena mikrostip dengan patch elemen tunggal memiliki pola radiasi yang lebar dan menghasilkan directivity dan nilai gain yang kurang baik. Untuk itu dibuat suatu teknik
berupa pengabungan/penyusunan beberapa antena
dipole yang berupa pacth persegi panjang. Teknik dari penyusunan patch inilah yang disebut dengan array. Dengan menggunakan teknik array ini maka arah pancaran yang diterima dapat terpusat dan nilai gain yang didapatkan lebih baik. Array antena dengan menggunakan teknologi mikrostrip memiliki kelebihan dari sisi pencatuan dan efisiensi [2]. Penggabungan beberapa patch pada antena mikrostrip bisa menyebabkan kondisi unmatched yang akan berpengaruh pada pancaran yang dihasilkan, maka yang perlu diperhatikan untuk mengatasinya adalah memperhatikan dimensi antena yang berupa lebar strip, panjang strip, panjang dan lebar saluran transmisi serta jarak antar patch. Antena mikrostrip array terdiri dari beberapa patch, dengan jumlah patch adalah 2n.
4. Karakteristik Bahan yang Digunakan Pada pembuatan tugas besar ini digunakan bahan-bahan untuk patch, substrat dan grounding yang berbeda. a. Patch, saluran pencatu dan Grounding Untuk patch/peradiasi
digunakan
material
bahan
berupa
“copper
(annealed)” dengan spesifikasi bahan seperti gambar 2. Dan untuk ketebalan patch, saluran pencatu dan grounding yang digunakan adalah setebal 0,035 mm.
Gambar 2. Spesifikasi bahan copper untuk bahan patch, saluran pencatu dan grounding
b. Substrat Untuk substrat digunakan material bahan berupa “FR -4 (lossy)” dengan spesifikasi bahan seperti gambar 3. Dan untuk ketebalan substrat yang digunakan adalah setebal 1,6 mm.
Gambar 3. Spesifikasi bahan FR-4 ( Lossy) untuk bahan substrat
C. PARAMETER YANG DIAMATI 1. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri ( standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap baik adalah VSWR ≤ 2.
2. Gain Gain antena berkaitan erat dengan direktivitas, merupakan besaran yang memperhitungkan efisiensi antena dan kemampuan direksionalnya. Gain suatu antena merupakan perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena terhadap intensitas radiasi antena referensi. Dengan menggunakan metode array, diharapkan nilai dari gainnya akan meningkat dibandingkan dengan menggunakan single patch. D. PERHITUNGAN DIMENSI ANTENA Sebelum pembuatan antena, terlebih dahulu ditentukan spesifikasi teknik
yang diinginkan. Antena mikrostrip 2 array patch rektangular yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz yang dirancang dan direalisasikan untuk aplikasi WiFi memiliki spesifikasi sebagai berikut : a. Frekuensi kerja
: 2,4 GHz – 2,484 GHz
b. VSWR
:<2
c. Gain
: > 3 dBi
Dalam
perancangan
antena,
ukuran
dimensi
antena
akan
sangat
mempengaruhi karakteristik antena yang akan direalisasikan. Secara umum nilai frekuensi kerja yang digunakan akan menentukan fisik dari dimensi antena, semakin tinggi frekuensi maka dimensi antena akan semakin kecil. Antena array merupakan sebuah teknik penyusunan patch antena yang berbentuk rektangular untuk mendapatkan respon frekuensi yang diinginkan. Sebelum melakukan perancangan terlebih dahulu melakukan perhitungan panjang dan lebar patch. Frekuensi yang digunakan
: 2,4 GHz-2,484 GHz.
Frekuensi tengah
: 2,442 GHz
ɛr bahan FR 4 (Efoxy)
: 4,4
µr
: mendekati 1 (udara)
tebal patch
: 0,035 mm
tebal substrat
: 1,6 mm
1. Menghitung lebar patch :
2. Menghitung jarak antar element patch :
√
Stub yang biasanya digunakan adalah ¼ λ
3. Menghitung konstanta dielektrik efektif :
4. Menghitung Length (L eff ) :
√ ( ) ( ) √ √
5. Menghitung panjang efektif patch :
6. Menghitung lebar patch :
7. Menghitung Jarak antara substrat ke patch :
8. Menghitung dimensi saluran pencatu dengan impedansi 50Ω:
{ } { } [ ] √ Karena nilai W/h > 1, maka :
Untuk nilai Lst :
Tabel 1. Nilai dimensi antena berdasarkan perhitungan Komponen Lebar Patch
Simbol
Dimensi (mm)
Komponen W
37,382
Panjang Patch
L
28,9258
Tinggi / tebal Patch
T
0,035
Lebar Strip
Wstrip
3,06111
Panjang Strip
Lstrip
16,3293
Tinggi / tebal Strip
Tstrip
0,035
Jarak antar elemen
D
14,642
Lebar Substrat
Ps
46,982
Panjang Substrat
Ls
38,5258
E. DESAIN ANTENA 1. Gambar design awal : Ws Wg W
L Ls
Wg Lst
Wst
Gambar 4. Design awal antena single patch 2. Gambar design antena mikrostrip 2 array dengan CST : Proses pembuatan design menggunakan software CST Studio 2012 yang bertujuan untuk memvisualisasikan antena. Tahap awal yang dilakukan pada proses design antena adalah dengan membuat single patch rektangular dengan dimensi berdasarkan hasil perhitungan. Kemudian dibuat array dengan cara melakukan perulangan patch menjadi 2 patch.
Gambar 2.2 Pengaturan dimensi single pacth
Gambar 3.3 Pengaturan dimensi saluran transmisi untuk single patch
Setelah membuat single patch maka yang harus dilakukan adalah membuat patch menjadi 2 (di-array).
Gambar 3.4 Membuat 2 patch dengan dimensi yang sama
Setelah
dibuat
2
buah
patch
rektangular
yang
sama,
maka
untuk
menghubungkan kedua patch tersebut dibuat suatu saluran stransmisi yang memiliki ukuran berdasarkan hasil dari perhitungan yang telah dilakukan.
Gambar 3.5 Membuat saluran transmisi
Gambar 3.6 Membuat Substrat dengan spesifikasi bahan FR-4
3.7 Pembuatan Grounding
Gambar 3.8 Pembuatan Port
F. PENGATURAN PARAMETER ANTENA
Simulasi dari hasil design bertujuan untuk mengetahui nilai dari masingmasing parameter yang aka diamati. Hasil dari simulasi merupakan hasil dalam kondisi yang optimal. Sebelum simulasi dijalankan, ada beberapa pengaturan yang harus dilakukan.
Gambar 5 Pengaturan paremeter antena
G. HASIL SIMULASI
Setelah proses design dilakukan dan maka akan dilakukan proses running simulasi untuk mendapatkan nilai parameter yang akan dialami. Hasil awal running simulasi tanpa merubah nilai dimensi antena (nilai dimensi antena sesuai dengan hasil
perhitungan)
dan
nilai
akhir
yang
didapatkan
adalah
melakukan
perubahan/penyesuaian dimensi antena untuk mendapatkan nilai parameter antena mendekati/sesuai dengan yang diinginkan.
a. Nilai VSWR awal sesuai dengan simensi antena.
Gambar 6. Nilai awal VSWR b. Nilai VSWR setelah dilakukan proses penyesuaian dimensi antena guna memperbaiki nilai VSWR
Gambar 7. Nilai VSWR setelah dilakukan perubahan nilai dimensi antena
c. Gain Antena
Gambar 8. Nilai Gain Antena d. S-Parameter / Return Loss
Gambar 9. Tampilan Nilai Return Loss
DAFTAR PUSTAKA
[1]. [2]. [3]. [4]. [5].
[6]. [7].
Alaydrus, Mudrik. “ Antena Prinsip dan Aplikasi”. Graha Ilmu. Yogyakarta. Cetakan pertama 2011 P.S Yussi., “ Perancangan Dan Realisasi Antena Wifi Segala Arah Pada Frekuensi 2,4 GHz .”, IT Telkom, Bandung, 2012. Balannis,Constantine,” Antenna Theory Analisys and Desain”, Harper and Row, New York, 1982. Garg, R., Bhartia, P, Bahl, I., dan Ittipiboon, A., "Microstrip Antenna Design Handbook", Artech House Inc., Norwood, MA, 2001. Pramono, Sigit., “ Rancang Bangun Linear Tapered Slot Antena Dengan Pencatuan Microstrip Line Untuk Aplikasi WRAN 802.22”. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. 2011. James J.R., Hall P.S., “ Handbook of Microstrip Antenas”, Vol. I and II,Peter Perginus. IEEE,1989. Yuniati, Mela., “ Proposal Skripsi Design dan Realisasi Antena Mikrostrip Rectangular 2 Array Untuk Aplikasi WiFi”. STT Telematika Telkom Purwokerto. 2014.
