Model, Simulasi dan Analisis Pola Radiasi Susunan Uniform Antena Mikrostrip

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  MODEL, SIMULASI DAN ANALISIS POLA RADIASI daya, intensitas radiasi, kuat medan, fasa SUSUNAN UNIFORM ANTENA MIKROSTRIP pengarahan (directivity phase) dan polarisasi. Rahmad Hidayat [email protected]

Dosen Jurusan Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknologi Mandala Bandung ABSTRAK Dalam banyak aplikasinya, untuk meningkatkan pengarahan (directivity) suatu antena mikrostrip, patch dibuat dalam bentuk susunan (array). Susunan dengan semakin banyak elemen akan menghasilkan penguatan (gain) yang semakin baik. Disamping itu konstruksi yang meliputi unsur panjang, lebar, ketebalan, bahan patch serta dimensi dari groundplane juga mempengaruhi pola radiasi yang terbentuk. Pola radiasi antena merupakan fungsi matematis dalam bentuk grafis yang menggambarkan sifat-sifat radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang. Simulasi terhadap patch rectanguler 5x5 planar array dengan row shading Kaiser (β=500e-3) menghasilkan pola radiasi dengan gain sebesar 13,98 dBi. Kata kunci : Pola radiasi, patch, planar array, pengarahan, gain. I.

PENDAHULUAN Beberapa bidang aplikasi antena mikrostrip diantaranya adalah pada komunikasi satelit, radar telemetri peluru kendali, penginderaan jarak jauh, penerima navigasi satelit, sistem komunikasi wireless termasuk sistem komunikasi seluler yang banyak dipakai saat ini. Antena yang terbuat dari bahan substrat tertentu ini didesain dengan menggunakan teori dasar antena pada umumnya yang memiliki banyak parameter seperti impedansi masukan, VSWR, pola radiasi, pengarahan (directivity), penguatan (gain) dan lainnya. Pada bagian ini penulis melakukan kajian berbagai pola radiasi susunan antena uniform baik linier maupun rectanguler planar dalam hubungannya pada pembentukan besarnya pengarahan yang juga berarti pembentukan besarnya penguatan (gain) suatu antena. Simulasi dilakukan dengan bantuan software Matlab.

Pola radiasi ditentukan oleh daerah kuat medan jauh dan digambarkan sebagai fungsi koordinat pengarahan antena tersebut. Pada diagram arah terdapat dua sumbu utama yaitu sumbu E untuk menggambarkan vektor medan listrik dan sumbu H untuk vektor medan magnetik. Keduanya saling ortogonal. Pola radiasi ini memiliki bagianbagian wilayah dengan arah (beam) tertentu atau disebut lobe, yaitu main lobe, minor lobe, side lobe dan back lobe. Dan beamwidth adalah sudut antara kedua titik setengah daya dari mainlobe, titik ini sebagai titik referensi puncak daya efektif suatu mainlobe. [1,2,6]

II. TEORI PENDUKUNG 2.1 POLA RADIASI Pola radiasi antena merupakan distribusi spasial dari kuantitas medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh suatu antena. Sifat-sifat (properties) dari pola radiasi suatu antena meliputi kerapatan flux

Gambar 1. Konsep lobe dan beam

3

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  Antena mikrostrip merupakan antena yang terdiri dari dua lapisan konduktor yang dipisahkan oleh material substrat, di mana lapisan konduktor atas berfungsi sebagai peradiasi sedangkan konduktor bagian bawah berfungsi sebagai ground plane. Antena ini mempunyai lebih banyak parameter-parameter fisik dibandingkan dengan antena gelombang mikro konvensional. Hal ini disebabkan oleh banyaknya bentuk geometri dan variasi ukuran yang dimiliki. Namun hanya bentuk bujur sangkar dan lingkaran yang umum digunakan dalam prakteknya. Keunggulankeunggulan tersebut antara lain proses pembuatannya sederhana, ringan, kecil, tipis, saluran pencatu dan rangkaian penyesuai (matching network) dapat dibuat bersatu dengan strukturnya dengan baik dan memungkinkan bekerja pada frekuensi ganda. Salah satu metoda yang dipergunakan untuk menganalisa sifat-sifat dari elemen mikrostrip dikenal dengan Analisa Model Saluran Transmisi. Analisa ini menggunakan teori saluran transmisi dan memodelkan elemen mikrostrip sebagai dua celah paralel (paralel slots) peradiasi yang dipisahkan sejauh b oleh saluran transmisi mikrostrip yang mempunyai impedansi karaktersitik rendah. Setiap sisi peradiasi sepanjang a, dimodelkan sebagai sebuah celah sempit dimana admitansinya adalah :

G + jB ≈ mana : = λ0 z0

=

πa [1 + j (1 − 0.636 Ink0v] λ0 z0

Y0 =

a

dimana h =

εr

.......... ...... (2.2)

hz0

ketebalan lapisan dielektrik

Gambar 2. Tampak samping patch

Gambar 3. Medan E pada patch Karena diperlukan perbedaan fasa 180 antara kedua celah, maka panjang b dibuat sedikit kurang dari λd / 2. Dimana 0

λd = λ0 / ε r ,yaitu b = 0.48 λd ∼ 0.49 λd. Sedikit reduksi pada panjang resonansi ini dibutuhkan karena adanya efek medan tepi (fringing) pada sisi paradiasi. Dengan memilih faktor reduksi panjang (q) yang tepat,maka admitansi celah setelah transformasi menjadi:[2] G2 + jB2 = G1 – jB1 ……… (2.3) Jadi total admitansi input pada resonansi menjadi : Yin = (G1 + jB1) + (G2 – jB2) = 2G1 (2.4)

(2.1) di

panjang gelombang diruang bebas

Sedang frekuensi resonansi diperoleh dari

μ0 /ε 0

fr =

= 2π / λ0 = lebar celah, kira-kira sama dengan ketebalan lapisan dielektrik, h. Dengan anggapan tidak ada variasi medan sepanjang arah paralel sampai tepi peradiasi, maka admitansi karakteristiknya dapat ditulis sebagai berikut : [6] k0 v

c

λd ε r

=q

c 2b ε r

…………. (2.5)

Teori Slot adalah salah satu metoda yang dapat digunakan untuk menganalisis pola radiasi antena mikrostrip dengan elemen antena berbentuk persegi. Teori Slot mempertimbangkan radiasi elemen antena mikrostrip berbentuk persegi yang ekivalen

4

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  dengan dua slot paralel. Lebar tiap slot (h) sama dengan ketebalan lapisan dielektrik, panjang slot (1) sama dengan panjang elemen antena dan w adalah lebar elemen antena.

2.2 SUSUNAN ANTENA (ARRAY) Untuk meningkatkan pengarahan antena mikrostrip, patch dapat dibuat dalam bentuk susunan (array). Antena multipatch dibedakan atas susunan yang menghasilkan beam tetap (fixed beam array) dan susunan yang dapat melakukan pengaturan phase (phased array). Pada fixed beam array elemenelemen radiator (multipatch) diatur berjarak agak lebih kecil dari λ0 untuk menghindari lobe yang tidak diinginkan dan lebih besar dari ½ λ0 agar saluran catuan dapat diatur dengan mudah. Jumlah patch sebagai elemen radiasi haruslah sebanyak 2n dengan n suatu bilangan integer, hasilnya berupa suatu beam dengan arah (directional) yang tetap. Dengan susunan catuan yang tepat maka akan diperoleh pembagian daya dan fase yang sama di tiap-tiap patch dan tidak menimbulkan adanya perbedaan fase meski dengan frekuensi dan konstanta dielektrik yang berbeda. Susunan dua antena berikut ini dapat menjadi dasar bagi array antenna seterusnya.

Gambar 4. Dimensi patch Impedansi sebagai fungsi dari letak catuan untuk elemen mikrostrip persegi dihitung dengan : [ J H J 84] (120λ0 ) 2 + ( Rin ≅

377t 2 tan 2 βl + tan 4 βl ) ( ) 1+ tan 2 βl ε rW

240Wλ0 (1+ tan 2 βl )

Ω

Pola radiasi antena mikrostrip adalah hasil superposisi dari tiga buah medan yaitu, medan langsung yang dipancarkan dari slot pancar (E1), medan yang berasal dari sisi-sisi grounsplane antena (Ed1) dan (Ed2) E1 = E1 + Ed1 + Ed2 untuk daerah 00 ≤ θ ≤ 900 dan 2700 ≤ θ ≤ 3600 E1 hanya terdapat pada daerah 00 ≤ θ ≤ 900 dan 2700 ≤ θ ≤ 3600 E1 medan langsung dari slot pancar Ed1 medan difraksi dari sisi pertama bidang ground dan Ed2 adalah medan difraksi dari sisi kedua bidang ground . Medan langsung dari slot hanya terdapat pada daerah mainlobe. Sedangkan medan hasil peristiwa difraksi dari sisi-sisi groundplane kontribusinya ada pada daerah backlobe. [6]

Gambar 5. Elektrik dipole vertikal diatas groundplane [1]

5

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  Salah satu penggambaran yang penting dari sebuah antena adalah konsentrasi energi pada satu arah propagasi yang dibandingkan terhadap konsentrasi energi pada satu arah propagasi lainnya. Karakteristik antena ini disebut pengarahan atau direktivitas. Konsentrasi energi medan hanya terdapat pada daerah propagasi utama (main lobe) dan tidak terdapat konsentrasi energi medan pada daerah side lobe maupun back lobe. Hal tersebut diperoleh jika konstribusi medan total berupa hanya medan langsung yang dipancarkan dari slot yang terdapat pada permukaan antena mikrostrip. Jika konstribusi medanmedan difraksi pada sisi-sisi pelataran juga diikutsertakan dalam perhitungan medan total yang dipancarkan oleh sebuah antena mikrostrip, maka konsentrasi energi terdapat pada semua daerah pancar (pada daerah 00≤θ≤3600). Beamwidth (lebar berkas) adalah sudut yang dibatasi titik-titik setengah daya atau 3 dB atau ⎛⎜ 1 ⎞⎟ medan maksimum

Gambar 6.Observasi medan jauh [1]

Pendekatan zone medan jauh : Untuk variasi fase :

Untuk variasi amplitudo :

⎝

Besarnya kuat medan listrik total :

2⎠

pada main lobe. Sudut ini disebut juga dengan Half Power Beam Width (HPBW). Hubungan HPBW dan Direktivitas dinyatakan dengan rumus berikut :

Etotal = Eelemen tunggal pada titik referensi x Faktor Array

D=

41253

θ3φ 3

………… (2.13)

dengan φ3… dan θ3 berupa HPBW arah horizontal dan vertikal (satuan derajat). Dengan mengalikan harga pengarahan (D) dengan efisiensi (η ) suatu antena, akan diperoleh penguatan (gain) : G = ηD ……………………… (2.10) dan membuat susunan (array) antena mikrostrip, akan diperoleh peningkatan gain dengan bola beam yang tetap. Susunan antena umumnya 2n dan dapat diperluas menjadi 2n x 2m, sedangkan rumus yang berguna untuk memperkirakan gain dari

Dengan Faktor Array (AF) :

Dan untuk susunan N elemen dengan amplitudo dan jarak spasi uniform , maka besarnya faktor susunan tersebut sebagai berikut :

(2.7)

6

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  antena susunan mikrostrip tersebut adalah sebagai berikut : [7]

III. SIMULASI POLA RADIASI Pada bagian ini dilakukan simulasi susunan antena dengan menggunakan Matlab R2013a. Simulasi dilakukan baik untuk susunan linier (linear array) uniform maupun susunan rectangular dan kemudian membandingkan perolehan seperti penguatan (gain) masing-masing. Antena yang diambil untuk pengamatan adalah jenis isotropik yang kemudian diperoleh beberapa tampilan dibawah ini.

⎡ 4π A ⎤ GdB = 10 log ⎢ 2 ⎥ − α ..( D1 + D2 ) / 2 .(2.11) ⎣ λ0 ⎦ di mana : A = D1.D2 D1 = Lebar efektif antena dengan jarak yang sama (didefinisikan sebagai jumlah jarak antara tepi ke tepi elemen ditambah dengan spasi antar elemen ; (n + 1) x spasi horizontal D2 = Tinggi antena susunan dengan definisi yang serupa dengan D1 ; (m + 1) x spasi vertikal α = Redaman, dalam dB per satuan panjang Pola radiasi dari antena patch tunggal atau elemen antena tertentu sangatlah bervariasi. Susunan antena dibuat untuk mendapatkan antena dengan diagram arah tertentu atau meninggikan gain (penguatan) nya. Susunan antena juga digunakan untuk melakukan pencarian beam dimana beam maksimum ditunjukkan dalam berbagai arah berbeda dengan pengaturan beda fasa relatif antar elemen. Susunan yang banyak dipakai adalah susunan linier (linear array) yang memiliki amplitudo sama (uniform) dan beda fasa progresif yang konstan antar elemen. Jumlah susunan linier dapat diletakkan bersebelahan satu sama lainnya untuk membentuk susunan planar (planar array).[1,2]

Gambar 8. Desain simulasi Gambar 8 merupakan simulasi desain antena mikrostrip dengan frekuensi 2 GHz, L=60mm , W=30mm, H=3mm (0,02λ), jarak spasi d=½λ dan ukuran groudplane 100mm x 100 mm.

Gambar 9. Impedansi hasil desain

Gambar 7. Susunan planar (planar array)

7

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  Gambar 11b merupakan visualisasi polar 2D dari respon array dengan kondisi azimut cutline dan BackBaffled Off dengan parameter N=16, f=2GHz , d=½λ dan Gain perolehan=12.04 dBi dari antena isotropok dengan susunan uniform linier.

G ambar 10. Susunan uniform linier N=16 elemen isotropik, f=2GHz , d=½λ.

Gambar 11a. Visualisasi polar 2D

Gambar 12. Pola radiasi ternormalisasi linear array 3 jenis frekuensi

Gambar 11a diatas merupakan visualisasi polar 2D dari respon array dengan kondisi azimut cut-polar dan BackBaffled Off dengan parameter N=16, f=2GHz , d=½λ dan Gain perolehan=12.04 dBi dari antena isotropok dengan susunan uniform linier.

Gambar 12 di atas menunjukkan pola radiasi ternormalisasi antena susunan linier (linear array) untuk 3 frekuensi berbeda dengan N=16 , d=½λ

Gambar

13.Susunan uniform rectanguler antena isotropok, N=4x4

Hasil pada Gambar 14a berikut menunjukkan respon array dengan kondisi azimut cut-polar dan BackBaffled On dengan parameter N=4x4, f=2GHz , d=½λ dan Gain perolehan=12.04 dBi dari antena isotropok dengan susunan uniform rectanguler.

Gambar 11b. Visualisasi polar

8

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  Gambar 15. Susunan uniform rectanguler antena isotropok , N=5x5, f=2GHz , d=½λ.

Gambar 14a. Visualisasi polar 2D

Gambar 16. Visualisasi polar 2D 5x5 Terlihat bahwa Gambar 16 menunjukkan visualisasi 2D sebagai respon array dengan kondisi azimut cut-polar dan BackBaffled Off, sudut steering 30o untuk azimut dan elevasinya serta menggunakan row shading Chebyshev dengan redaman sidelobe sebesar 30dB dan dengan parameter N=5x5, f=2GHz , d=½λ=75mm dan Gain perolehan=13.25 dBi dari antena isotropok dengan susunan uniform rectanguler. Sedangkan Gambar 17 menunjukkan respon array dengan kondisi azimut cut-polar dan BackBaffled Off, sudut steering 30o untuk azimut dan elevasinya serta menggunakan row shading Chebyshev dengan redaman sidelobe sebesar 30dB dan dengan parameter N=5x5, f=2GHz , d=½λ dan Gain perolehan=13.25 dBi dari antena isotropok dengan susunan uniform rectanguler.

Gambar 14b. Visualisasi polar 2D Gambar 14b menunjukkan respon array dengan kondisi azimut cut-line dan BackBaffled Off dengan parameter N=4x4, f=2GHz , d=½λ dan Gain perolehan=12.04 dBi dari antena isotropok dengan susunan uniform rectanguler.

Sedang Gambar 18 menunjukkan respon array dengan kondisi azimut cut-polar dan BackBaffled Off, sudut steering 30o untuk azimut dan elevasinya serta menggunakan row shading Kaiser (β=500e-3) dengan redaman sidelobe sebesar 30dB dan dengan parameter N=5x5, f=2GHz , d=½λ dan Gain perolehan=13.98 dBi dari antena isotropok dengan susunan uniform rectanguler.

9

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  ada. Dalam range pengamatan 1,5-2,5 GHz , impedansi optimum yang dihasilkan sebesar (50 + j 140) Ω terjadi pada frekuensi 2,18 GHz. Pada simulasi uniform isotropik baik linear array maupun planar rectanguler array diambil elemen sebanyak 16 dan 25. Dengan elemen sebanyak 16 baik linier maupun planar masih menunjukkan nilai perolehan gain yang relatif sama yaitu 12 dBi, namun dengan kenaikan jumlah elemen sebanyak 25 elemen untuk susunan 5x5 diperoleh kenaikan penguatan (gain) relatif sebesar 13 dBi. Pola radiasi ternormalisasi linear array pada gambar 12 menunjukkan bahwa beamwidth semakin sempit dengan naiknya frekuensi dan sudut scan mengalami pergeseran.

Gambar 17. Pola respon 3D (Chebyshev)

Dengan mencoba berbagai jenis pola respon 3D dapat dibandingkan beberapa pola tersebut, diantaranya terlihat antara row shading Chebyshev dengan perolehan gain sebesar 13,25 dBi terhadap pola Kaiser yang perolehannya sebesar 13,98 dBi. V. KESIMPULAN 1. Gain simulasi untuk susunan linier (linear array) dan rectangular planar array relatif sama pada jumlah elemen patch dibawah atau sama dengan 16 elemen. 2. Simulasi pola respon 3D dengan row shading Kaiser menghasilkan performa gain yang lebih baik dibanding row shading jenis lainnya termasuk jenis Chebyshev. Gambar 18. Pola respon 3D (Kaiser) DAFTAR PUSTAKA IV. ANALISA

1. Balanis, Constantine A. Antenna Theory : Analysis and Design. Third Edition, John Wiley & Son, Inc, New Jersey, 2005. 2. Bhartia,P, Rao, KVS and Tomar, RS. Millimeter wave Microstrip and Printed Circuit Antennas. Artech House Inc, 1991.

Antena mikrostrip untuk frekuensi 2 GHz, dengan patch berdimensi L=60mm, W=30mm, H=3mm (0,02λ), jarak spasi d=½λ dan ukuran groudplane 100mm x 100 mm dapat disimulasikan dengan tool Matlab yang

10

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015

ISSN. 1979‐4819                                          ISU TEKNOLOGI STT MANDALA  3. Connor,FR. Antennas : Introductory Topics in Electronics and Telecommunication. Second edition, Great Britain, 1989. 4. David M. Pozar.Microstrip Antennas : The Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays. IEEE Press, 1995. 5. Frey, Jeffrey and Bhasin, Kul B. Microwave Integrated Circuits. Artech House, Inc. Norwood Mass. 1985. 6. Huang, Yi and Boyle, Kevin. Antennas : From Theory to Practice. John Wiley & Son, Inc, United Kingdom, 2008. 7. Jasic, Henry and Johnson, Richard C. Antenna Engineering Handbook. Second Edition, Mc Graw Hill, New York, 1984. 8. Johnson, Richard C. Designer Notes for Microwave Antennas. Artech House, Inc. Norwood Mass, 1991 9. Kraus, JD. Antenna, Mc Graw-Hill Company, New York, 1988. 10. Milligan, Thomas A. Modern Antenna Design. Second Edition, John Wiley & Son, Inc, New Jersey, 2005. 11. Sinnema, William. Electronic Transmission Technology : Lines, Waves and Antennas. Prentice Hall, New Jersey, 1988. 12. Stutman, Warren L. and Thiele,Gary A. Antenna Theory and Design. Second Edition, John Wiley & Sons, New York, 1998.

11

Volume 9, Nomor 1 , Juli 2015