RANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH CIRCULAR 1 ELEMEN UNTUK APLIKASI WLAN 2,4GHz MENGGUNAKAN SOFTWARE CST
DISUSUN OLEH Fitri Ayu C. (1315030101) Siti Amaliya (1315030016) TEKNIK TELEKOMUNIKASI 3C
Makalah Ini Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah “ANTENA DAN PROPAGASI” Dosen pembimbing : Yenniwarti Rafsyam, SST., M.T.
PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI JAKARTA 2016
Abstrak
Pada zaman era digital sekarang ini, manusia memerlukan komunikasi untuk saling bertukar informasi di mana saja, kapan saja, dan dengan siapa saja. Salah satu sistem komunikasi yang merupakan andalan bagi terselenggaranya integrasi sistem telekomunikasi secara global adalah sistem komunikasi nirkabel (wireless). Dimana dalam komunikasi diperlukan suatu alat yang dapat menangkap gelombang wireless tersebut, maka digunakan antena sebagai media penghubung. Dalam tugas ini akan dibuat antena mikrostrip sirkular untuk aplikasi WLAN 2,4 GHz. Perancangan antena microstrip patch sirkular ini menggunakan perangkat lunak CST Microwave Studio 2011. Tujuan dirancangnya antena mikrostrip patch sirkular ini agar dapat diimplementasikan pada jaringan komputer sehingga dapat digunakan pada jaringan WLAN 2,4 GHz. Dengan menggunakan metode - metode tertentu dalam proses pembuatannya. Dengan syarat antena yang baik adalah impedansi input yang sesuai (matched) dengan impedansi karakter kabel pencatunya (SWR < 2), dapat memancarkan dan menerima energi gelombang radio dengan arah dan polarisasi yang sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan. Antena ini juga akan dibuat untuk mendapatkan gain yang tinggi di bawah 5 dB. Kata kunci : Antenna Microstrip Patch Sirkular, Jaringan WLAN, CST Microwave Studio 2014
ii
DAFTAR ISI
ABSTRAK ......................................................................................................................
ii
DAFTAR ISI ...................................................................................................................
iii
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN 1. 1. Latar Belakang .......................................................................................
1
1. 2. Rumusan Masalah .................................................................................
1
1. 3. Tujuan ....................................................................................................
1
DASAR TEORI 2. 1. WLAN ...................................................................................................
2
2. 2. Pengertian Antena ..................................................................................
2
2. 3. Antena Mikrostrip .................................................................................
2
2. 4. Parameter Antena ..................................................................................
3
2. 5. Teknik Pencatuan ..................................................................................
4
2. 6. Matching Impedance .............................................................................
5
BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI 3. 1. Perancangan Antena Mikrostrip Path Circular ......................................
6
3. 2. Perancangan dan Simulasi Rancangan Antena Menggunakan Software CST Microwave Studio ..........................................................................
7
3. 3. Optimasi Simulasi Antena .....................................................................
45
BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN ...................................................
48
BAB V
49
KESIMPULAN ..............................................................................................
DAFTAR PUSTAKA
iii
BAB I PENDAHULUAN
1. 1. Latar Belakang Di era informasi saat ini, manusia memerlukan komunikasi untuk saling bertukar informasi di mana saja, kapan saja dan dengan siapa saja. Salah satu sistem komunikasi yang merupakan andalan bagi terselenggaranya integrasi sistem telekomunikasi secara global adalah sistem komunikasi nir-kabel
(wireless), dimana fungsi antena sebagai
perangkat untuk komunikasi wireless. Mengingat semakin banyaknya pelanggan (client) yang ingin sharing/terhubung/terkoneksi pada jaringan komputer setempat, untuk memudahkan koneksitivitas antara client dan server dibuatlah teknologi wireless, dimana peran antena yang beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz pada sisi server sangat berguna untuk komunikasi wireless yang terpadu, frekuensi tersebut sudah banyak digunakan di seluruh dunia karena frekuensi 2,4 GHz merupakan standar dari protokol IEEE 802.11 b/g untuk wireless-LAN. Teknologi wireless banyak digunakan oleh masyarakat harganya yang sekarang sudah terjangkau dan menghemat dana untuk biaya penarikan kabel, selain itu teknologi ini sangat praktis dan efisien. Berbicara tentang sistem komunikasi wireless, peran antena sangatlah penting untuk mendapat perhatian khusus. Antena yang juga disebut sebagai areal, yaitu perangkat yang berfungsi untuk memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya udara ke media kabel. Adapun syarat- syarat antena yang baik: Impedansi Input yang sesuai (matched) dengan impedansi karakteristik kabel pencatunya (SWR < 2), dapat memancarkankan dan menerima energi gelombang radio dengan arah dan polarisasi yang sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan. Dalam hal ini sebagai perangkat penyesuai (matching device) antara sistem pemancar dengan udara, bila antena tersebut berfungsi sebagai media radiasi gelombang radio, dan sebaliknya, sebagai perangkat penyesuai dari udara ke sistem penerima, bila antena tersebut berfungsi sebagai media penerima
gelombang
radio.
Atau
bahkan
kedua-
keduanya, berfungsi sebagai media radiasi dan sekaligus penerima gelombang radio. Dalam suatu sistem komunikasi radio peranan antena sangat penting, yaitu untuk meradiasikan gelombang elektomagnetik. Dengan antena Omnidirectional, maka sinyal dapat dipancarkan 1
ke
segala
arah
dan aplikasi yang dibutuhkan dari antena tersebut, dapat digunakan di sisi Access Point (AP) untuk komunikasi data pada jaringan Wireless- LAN, antena ini diharapkan dapat bergunakan pada sisi server dan dapat melayani setiap client-nya dalam suatu area/kawasan WiFi
sesuai
dengan
standar
protokol
IEEE
802.11
b/g.
1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan sebelumnya, yang menjadi perumusan masalah adalah “Bagaimana cara merancang antena mikrostrip patch circular yang digunakan untuk frekuensi 2.4 GHz”?
1.3. Tujuan Merancang dan mensimulasikan antena mikrostrip patch circular yang bekerja pada frekuensi 2.4 GHz menggunakan software CST Microwave Studio.
2
BAB II DASAR TEORI 2.1. WLAN Antena yang beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz pada sisi server sangat berguna untuk komunikasi wireless yang terpadu, frekuensi tersebut sudah banyak digunakan di seluruh dunia karena frekuensi 2,4 GHz merupakan standar dari protokol IEEE 802.11 b/g untuk wireless-LAN. Teknologi wireless banyak digunakan oleh masyarakat harganya yang sekarang sudah terjangkau dan menghemat dana untuk biaya penarikan kabel, selain itu teknologi ini sangat praktis dan efisien. Berbicara tentang sistem komunikasi wireless, peran antena sangatlah penting untuk mendapat perhatian khusus. Antena yang juga disebut sebagai areal, yaitu perangkat yang berfungsi untuk memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya udara ke media kabel. Adapun syarat- syarat antena yang baik: Impedansi Input yang sesuai (matched) dengan impedansi karakteristik kabel pencatunya (SWR < 2), dapat memancarkankan dan menerima energi gelombang radio dengan arah dan polarisasi yang sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan. Dalam hal ini sebagai perangkat penyesuai (matching device) antara sistem pemancar dengan udara, bila antena tersebut berfungsi sebagai media radiasi gelombang radio, dan sebaliknya, sebagai perangkat penyesuai dari udara ke sistem penerima, bila antena tersebut berfungsi sebagai media penerima
gelombang
radio.
Atau
bahkan
kedua-
keduanya, berfungsi sebagai media radiasi dan sekaligus penerima gelombang radio. Dalam suatu sistem komunikasi radio peranan antena sangat penting, yaitu untuk meradiasikan gelombang elektomagnetik. Dengan antena Omnidirectional, maka sinyal dapat dipancarkan ke
segala
arah
dan aplikasi yang dibutuhkan dari antena tersebut, dapat digunakan di sisi Access Point (AP) untuk komunikasi data pada jaringan Wireless- LAN, antena ini diharapkan dapat bergunakan pada sisi server dan dapat melayani setiap client-nya dalam suatu area/kawasan WiFi
sesuai
dengan
standar
protokol
2
IEEE
802.11
b/g.
3
2.2. Pengertian Antena Antena merupakan bagian yang penting dalam sistem komunikasi sehari-hari. Antena kita jumpai pada pesawat televisi, telepon genggam, radio, dan lain-lain.Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai penerima energi itu dari ruang bebas. Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Saluran transmisi adalah alat yang berfungsi sebagai penghantar atau penyalur energi gelombang elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi yang tak berhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang uniform sepanjang saluran itu. Jika saluran ini dihubung singkat maka akan muncul gelombang berdiri yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan. Jika gelombang datang sama besar dengan gelombang yang dipantulkan akan dihasilkan gelombang berdiri murni. Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi listrik seluruhnya ke energi magnit total dua kali setiap periode gelombang itu. 2.3. Antena Mikrostrip Antena microstrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas ground plane yang biasanya terdapat bahan substrat dielektrik. Antena microstrip ini terdiri dari komponen: 1.
Patch (strip) logam polaradiasi, bagian ini terletak pada antena yang paling atas yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara. Ketebalan strip (t) jauh lebih tipis dari panjang gelombang diruang hampa (t <<0);
2.
Substrat dielektrik yang berfungsi sebagai media penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan. Masing-masing substrat dielektrik memiliki konstanta dielektrik pada rentang 2,2 ≤ r ≤ 12. Permitivitas akan mempengaruhi ukuran antena yang dibuat. Ketebalan substrat juga jauh lebih kecil dibanding dengan panjang gelombang di ruang hampa (h <<0), ketebalan substrat (h) pada umumnya terletak pada rentang 0,003 0 ≤ h ≤ 0,0050 diatas ground plane.; dan
4
3.
Groundplane yaitu lapisan paling bawah yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.
Patch dan ground plane merupakan lapisan tipis terbuat dari konduktor sempurna dan umumnya berbahan tembaga. Strip terletak diatas substrat dielektrik karena berfungsi untuk memisahkan strip dengan ground plane-nya.
Gambar 2.1 Antena Microstrip
Dasar peradiasian antena microstrop dengan meradiasikan gelombang elektromagnetik disebabkan terjadinya fringing field (limpahan medan) di sepanjang tepi antena. Apabila antena dicatu, maka terjadi gelombang berdiri seperti terlihat pada Gambar 2.3 dibawah ini, tetapi sebagian medan “bocor keluar” di sekitar sisi-sisi patch (tambalan), medan yang bocor keluar disebut fringing field.
5
Gambar 2.2. Medan Listrik Dan Medan Magnet Pada Microstrip Line Pada microstrip yang terbuka atau tidak terbungkus akan menimbulkan radiasi energi elektromagnetik. Bagian yang seperti ini dimanfaatkan menjadi antena yang justru memerlukan radiasi pada arah tertentu untuk memandu propagasi gelombang elektromagnetik. Antena microstrip dapat dicatu dengan mengguanakan beberapa metode. Metode-metode ini dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori, yaitu terhubung (contacting) dan tidak terhubung (non-contacing). Pada metode terhubung, daya radio frequency (RF) dicatukan secara langsung ke patch radiator dengan menggunakan elemen penghubung. Pada metoda tidak terhubung, dilakukan pengkopelan medan elektromagnetik untuk menyalurkan daya di antena saluran microstrip patch. Microstrip line feed. Pada tipe pencatuan ini, bagian konduktor dihubungkan secara langsung dengan tepi patch mikrostrip. Dapat dilihat pada Gambar 2.3. dibawah ini bahwa lebar strip konduktor lebih kecil daripada elemen peradiasi entena microstrip. Teknik pencatuan ini mudah dalam proses pembuatan dan untuk mendapatkan kesesuaian impedansi.
6
Gambar 2.3. Microstrip Line Feed Antena microstrip dapat diproduksi dengan memanfaatkan teknologi rangkaian tercetak (circuit printed) sehingga lebih praktis digunakan pada alat komunikasi bergerak, kelebihan lain dari antena microstrip ini adalah bentuknya kecil, ringan dan sederhana, dan merupakan suatu teknologi yang dapat digunakan pada aplikasi jaringan wireless dengan kecepatan yang sangat tinggi. Tetapi secara instrinsik antena ini memiliki kelemahan yaituefisiensi rendah, Gain yang rendah, bandwidth lebar pita frekuensi yang sempit dan daya (power) yang rendah.
2.4. Parameter Antena Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena tersebut. Beberapa dari parameter tersebut saling berhubungan satu sama lain. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, Voltage Wave Standing Ratio (VSWR), return loss, bandwidth, keterarahan, dan penguatan.
2.4.1. Bandwith Antena Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar. Bandwith dapat dicari dengan rumus berikut ini :
𝐵𝑊 =
𝑓2 − 𝑓1 × 100% 𝑓𝑐
7
Keterangan : f2= frekuensi tertinggi f1= frekuensi terendah fc= frekuensi tengah
2.4.2. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (𝛤), yaitu : 𝑉0− 𝑍𝐿 − 𝑍𝑂 𝛤= + = 𝑉0 𝑍𝐿 − 𝑍𝑂 Di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (𝛤) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari 𝛤 adalah nol, maka : a
𝛤 = −1: refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat
b
𝛤 = 0: tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.
c
𝛤 = +1: refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
Rumus untuk mencari nilai VSWR adalah
𝑆=
|Ṽ|𝑚𝑎𝑥 1 + |𝛤| = |Ṽ|𝑚𝑖𝑛 1 − |𝛤|
Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan untuk fabrikasi antena adalah VSWR≤2.
8
2.4.3. Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas di antara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi seperti yang ditunjukkan oleh : 𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟𝑛 𝑙𝑜𝑠𝑠 = 20𝑙𝑜𝑔10 |𝛤 | Nilai dari return loss yang baik adalah di bawah -9,54 dB, nilai ini diperoleh untuk nilai VSWR ≤2 sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.4.4. Pola Radiasi Antena Pola radiasi (radiation pattern) suatu antena adalah pernyataan grafis yang menggambarkan sifat radiasi suatu antenna pada medan jauh sebagai fungsi arah. Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan (field pattern) apabila yang digambarkan adalah kuat medan dan disebut pola daya (power pattern) apabila yang digambarkan pointing vektor. Dengan adanya gambaran pola radiasi kita bisa melihat bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena tersebut. pada sebuah antena didefenisikan sebagai sebuah fungsi matematis atau sebuah gambaran grafis dari komponen-komponen radiasi sebuah antena. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional.
9
Gambar 2.4 Polaradiasi Antenna Main lobe atau main beam padap daerah tegak lurus pada antena. Pada bagian tegak lurus pada antena ini (00) menunjukan arah pancaran atau penerimaan maksimal dari antena atau pancaran utama dari pola radiasi suatu antena. Minor lobes (lobe kecil) adalah lobe lain selain main lobe. Minor lobe adalah pancaran-pancaran kecil selain pancaran utama dari pola radiasi antena. Lobe sisi (side lobe) adalah pancaran-pancaran kecil yang dekat dengan pancaran utama dari pola radiasi antena. Lebar sorotan dari antena disebut dengan beam width atau Half Power Beam Width (HBPW), yaitu lebar sudut dari setengah daya maksimum yang dapat dipancarkan dan diterima antena. Jika daya mengecil sampai 50% dari daya maksimal (70,7%), maka berarti mendapat batas untuk wilayah efektif tersebut, ini disebut dengan HPBW. HPBW ditentukan pada saat intensitas medan menjadi 0,707 pada skala linier dan skala logaritma pada 20log 0,707 = -3dB.
2.4.5. Impedansi Masukan Impedansi masukan adalah perbandingan (rasio) antara tegangan dan arus. Impedansi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu.
Ṽ(𝑧) 𝑉𝑜+ [𝑒 −𝑗𝛽𝑧 + 𝛤𝑒 𝑗𝛽𝑧 ] 1 + 𝛤𝑒 𝑗𝛽𝑧 𝑍𝑖𝑛 (𝑍) = = 𝑧 = 𝑧𝑜 [ ] Ῑ(𝑧) 𝑉𝑜+ [𝑒 −𝑗𝛽𝑧 − 𝛤𝑒 𝑗𝛽𝑧 ] 𝑜 1 − 𝛤𝑒 𝑗𝛽𝑧
10
Di mana Zin merupakan perbandingan antara jumlah tegangan (tegangan masuk dan tegangan refleksi (V)) terhadap jumlah arus (I) pada setiap titik z pada saluran, berbeda dengan karakteristik impedansi saluran (Z0) yang berhubungan dengan tegangan dan arus pada setiap gelombang. Pada saluran transmisi, nilai z diganti dengan nilai –𝜄(z = 𝜄), sehingga persamaan di atas menjadi :
Ṽ(𝑧) 𝑉𝑜+ [𝑒 𝑗𝛽𝑧 + 𝛤𝑒 −𝑗𝛽𝑧 ] 1 + 𝛤𝑒 −𝑗𝛽𝑧 𝑍𝑖𝑛 (𝑍) = = 𝑧 = 𝑧𝑜 [ ] Ῑ(𝑧) 𝑉𝑜+ [𝑒 𝑗𝛽𝑧 − 𝛤𝑒 −𝑗𝛽𝑧 ] 𝑜 1 − 𝛤𝑒 −𝑗𝛽𝑧
= 𝑧𝑜 [
𝑍𝜄 cos 𝛽𝜄+𝑗𝑍𝑜 sin 𝛽𝜄 𝑍𝑜 cos 𝛽𝜄+𝑗𝑍𝜄 sin 𝛽𝜄
]
2.4.6. Gain Antena Ada dua jenis penguatan (gain) pada antena, yaitu penguatan absolut (absolute gain) dan penguatan relatif (relative gain). Penguatan absolut pada sebuah antena didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4π. Penguatan absolut ini dapat dihitung dengan rumus :
𝑔𝑎𝑖𝑛 = 4𝜋
𝑈(𝛽, 𝛷) 𝑃𝑖𝑛
Selain penguatan absolut, ada juga penguatan relatif. Penguatan relatif didefenisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama di antara kedua antena itu. Akan tetapi, antena
11
referensi merupakan sumber isotropic yang lossless. Secara umum dapat dihubungkan sebagai berikut :
𝐺=𝑑
4𝜋𝑈(𝛽, 𝛷) 𝑃𝑖𝑛 𝑙𝑜𝑠𝑠𝑙𝑒𝑠𝑠
2.4.7. Keterarahan (Directivity) Keterarahan
dari
sebuah
antena
dapat
didefenisikan
sebagai
perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud. Keterarahan ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut ini :
𝐷=
𝑈 4𝜋𝑈 = 𝑈𝑜 𝑃𝑟𝑎𝑑
Dan jika arah ini tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang didapat dengan rumus : 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐷𝑜 =
𝑈𝑚𝑎𝑥 4𝜋𝑈𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝑜 𝑃𝑟𝑎𝑑
Keterangan : D = keterarahan D0 = keterarahan maksimum U = intensitas radiasi maksimum Umax = intensitas radiasi maksimum U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropic Prad = daya total radiasi
12
2.5. Teknik Pencatuan Antena mikrostrip dapat dicatu dengan beberapa metode. Metode-metode ini dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori, yaitu terhubung (contacting) dan tidak terhubung (non-contacting). Pada metode terhubung, daya RF dicatukan secara langsung ke patch radiator dengan menggunakan elemen penghubung. Pada metode tidak terhubung, dilakukan pengkopelan medan elektromagnetik untuk menyalurkan daya di antena saluran mikrostrip dengan patch. Beberapa teknik pencatuan yang sering digunakan, yaitu : teknik microstrip line, coaxial probe, aperture coupling dan proximity coupling.
2.6. Matching Impedance Impedansi karakteristik didefinisikan sebagai impedansi yang dimiliki antena untuk melihat apakah matching dengan impedansi masukan. Jika kedua impedansi tidak macthing, energi yang datang ke beban tidak semuanya bisa diambil masuk ke beban. Impedansi karakteristik memiliki keterkaitan dengan lebar patch dan permitivitas relatif. Semakin besar lebar patch yang digunakan, maka impedansi makin kecil. Semakin besar permitivitas relatif yang dipakai, impedansi akan semakin kecil. Menurut Balanis (1997) hubungan antara impedansi karakteristik strip konduktor w itu dinyatakan dengan persamaan: 𝑍𝑜 =
377 . ℎ 𝑤 . √ℰ𝑟
Dimana : Zo
=
Impedansi Karakteristik (Ω)
h
=
Ketebalan Substrat (mm)
w
=
Lebar Saluran Transmisi (mm)
377
=
Impedansi Karakteristik pada Ruang Bebas
ℰ𝑟
=
Konstanta Dielektrik Relatif Substrat
Z 0 dan lebar
13
BAB III PERANCANGAN DAN SIMULASI
3. 1. Perancangan Antena Mikrostrip Path Circular 3.1.1. Spesifikasi Antena Antena mikrostrip patch circular yang dirancang bekerja pada jaringan WLAN dengan frekuensi kerja 2.4 GHz. Spesifikasi antena sebagai berikut :
Frekuensi
: 2.4 GHz
Return Loss
: ≤ - 10 dB
VSWR
:≤1
Pola Radiasi
: unidirectional
Gain
: ≥ 2.5 dB
3.1.2. Penentuan Jenis Substrat Jenis substrat yang digunakan pada perancangan antena ini adalah substrat FR-4 (Epoxy) yang memiliki spesifikasi sebagai berikut :
Jenis Substrat
: FR-4 (Epoxy)
Konstanta Dielektrik Relatif
: 4.4
Ketebalan Substrat
: 1.6 mm
Ketebalan Konduktor
: 0.1 mm
3.1.3. Penentuan Frekuensi Kerja 𝑓𝑐 = 2.4 Ghz
3.1.4. Penentuan Lebar Saluran Transmisi Pada saluran transmisi, lebar dari saluran transmisi pada mikrostrip harus sesuai dengan besar impedansi yang diinginkan (matching impedance). Kesesuaian saluran transmisi dengan beban akan membuat nilai VSWR menjadi lebih kecil, dengan arti bahwa besarnya daya yang dikirim sepenuhnya
14
dipancarkan oleh antena. Impedansi saluran transmisi yang digunakan sebesar 50 Ω. Lebar saluran transmisi dapat dihitung dengan perhitungan berikut. A=
𝑍𝑜 ԑ𝑟 + 1 ԑ𝑟 − 1 0.11 √ + (0.23 + ) 60 2 ԑ𝑟 + 1 ԑ𝑟
A=
50 4,4 + 1 4,4 − 1 0.11 √ + (0.23 + ) 60 2 4,4 + 1 4,4
A = 0,8333 x 2,7+0,629 x 0,255 A = 1,552
𝑊𝑜 𝑑 𝑊𝑜 1,6
=
8𝑒 𝐴 𝑒 2𝐴−2
=
8𝑒 1.552 𝑒 3.1050−2
= 1,85
Wo = 2,98 mm Jadi, untuk saluran transmisi adalah 2,98 mm
3.1.5. Penentuan Ukuran Patch Untuk dimensi elemen peradiasi (Patch) yang berbentuk lingkaran, maka harus didapatkan nilai radiusnya (jari-jari). Nilai radius didapatkan denga perhitungan berikut. F=
8.791 𝑥 109 𝑓𝑟 √ԑ𝑟 8.791 𝑥 109
F = 2,4 𝑥 109
√4,4
F = 1,7462 𝑎=
𝐹 2ℎ 𝜋𝐹 {1+ [ln ( ) + 1.7726]}1/2 𝜋ԑ𝑟 𝐹 2ℎ
𝑎=
1,7462 2(0,0016) 𝜋(1,7462 {1+ [ln ( ) + 1.7726]}1/2 2(0,0016) 𝜋(4,4)(1,7462)
𝑎=
1,7462 (1 + 0,00111519)1/2
𝑎=
1,7462 (1,001222236)1/2
15
𝑎 = 1,74513𝑐𝑚 = 17,4513𝑚𝑚 Jadi ukuran radius elemen peradiasi sebesar 17, 4513 mm 3.1.6.
Penetuan Lebar Saluran Pencatu 60𝜋 2
B=
60𝜋 2
𝑧𝑜√ԑ𝑟
W = =
2ℎ 𝜋
= 50
√4,4
= 5,65
[𝐵 − 1 − ln(2𝐵 − 1) −
21,6 𝜋
ԑ𝑟−1 2ԑ𝑟
(ln(B − 1) − 0,39 −
[5,65 − 1 − ln(25,65 − 1) −
4,4−1 2𝑥4,4
0,61 ԑ𝑟
)]
(ln(5,65 − 1) − 0,39 −
0,61 4,4
)]
= 6,88 (1,45 -0,39 ) = 7,29 mm 3.1.7. Penentuan Panjang Saluran Transmisi L
1
= 4 𝜆𝑑 1
= 4 𝜆𝑑 3.1.8. Penentuan Panjang saluran pencatu Karena W/h >1, maka nilai konstanta dielektrik efektif (ԑ𝑒 f ) menggunakan persamaan berikut : ԑ𝑟+1
ԑ𝑒𝑓𝑓 = =
2
ԑ𝑟−1
+
4,4+1 2
2
+
(1 +
4,4−1 2
12ℎ −0,5 ) 𝑤
(1 +
12.1.6 −0,5 ) 7,29
= 3,59 Λg =
L=
𝜆0 √ԑ𝑟𝑒𝑓𝑓
𝜆𝑔 4
=
=
65,97 4
12,5𝑐𝑚 √3.59
= 6,597 cm 65,97 mm
= 16,49 mm
3.1.9. Penentuan dimensi Groundplane Ag = 6t + A Dalam hal ini kita menggunakan groundplane dengan ukuran 100x100 untuk memudahkan dalam melakukan kalibrasi antena.
16
Secara garis besar perancangan antena meliputi perhitungan parameter, perancangan dan pensimulasian menggunakan software CST Microwave Studio 2014. Urutan proses yang dilakukan ditunjukan pada diagram alir pada Gambar 3.1
Mulai
Menentukan parameter antena (frekuensi kerja, jenis dan ketebalan substrat, ketebalan konduktor)
Menentukan ukuran patch, substrat dan ground plane dengan menggunakan perhitungan
Merancang dan mensimulasikan antena menggunakan CST Studio Suite
Tidak
Sesuai Target?
Ya
Optimasi hasil simulasi dengan mengubah parameter antena kemudian simulasikan kembali
Selesai Gambar 3.1. Diagram Alir Perancangan Antena Mikrostrip Patch Circular
17
3.1.10. Design Perancangan Antena Parameter yang didapat untuk perancangan antena mikrostrip adalah a
: 17,4513 mm
(radius patch)
h
: 1.6 mm
(tinggi substrat)
ws
: 36.4 mm
(lebar substrat)
ls
: 55.32 mm
(panjang substrat)
wp
: 3.18
(lebar saluran pencatu)
lp
: 16.49
(panjang saluran pencatu)
t
: 0.1
(tinggi pach)
Gambar 3.2 desain perancangan antena
18
3.2. Perancangan dan Simulasi Rancangan Antena Menggunakan Software CST Microwave Studi Setelah dilakukan perhitungan selanjutnya antenna patch sirkular dengan frekuensi kerja 2.4 Ghz disimulasikan dengan aplikasi CST Studio Suite 2014 dengan langkah – langkah kerja sebagai berikut.
1.
Menjalankan program CST Studio Suite dengan cara mengklik create project
Gambar 3.3. Tampilan CST Studio Suite
19 2.
Memilih MW & RF & Optical lalu pilih antenna dengan cara mengklik tab antenna lalu klik tab next
Gambar 3.4. Tampilan untuk membuat template baru
3.
Memilih jenis antenna (plannar) yang akan dibuat. Dengan mengklik tab Planar(Patch, Slot, etc.) lalu pilih next untuk melanjutkan
Gambar 3.5. Tampilan memilih Workflow 4.
Pilih solver yang akan dibuat dengan cara mengklik tab Time Domain
20
Gambar 3.6. Tampilan untuk memilih Solver
5.
Atur unit ukuran yang akan dipakai saat membuat antenna yang kita inginkan
Gambar 3.7. Tampilan untuk memilih dan mengatur unit kerja yang diinginkan
6.
Atur frekuensi kerja yang diingikan dengan memasukkan rentang frekuensi maksimal dengan rentang frekuensi minimum, sehingga didapatkan frekuensi kerja yag diinginkan.
21
Gambar 3.8. Tampilan mengatur rentang frekuensi kerja 7.
Atur nama template yang akan dibuat lalu klik finish
Gambar 3.9. Tampilan membuat template nama dan setting yang sudah dipillih
8.
Kemudian akan muncul lembar kerja baru. Lalu ubah pandangan lembar kerja menjadi Front. Dengan mengklik select view lalu klik Front
22
Gambar 3.10. tampilan untuk view front
9.
Menampilkan titik koordinat pada lembar kerja dengan memilih menu WCS kemudian pilih Transform WCS
Gambar 3.11. Tampilan mengubah posisi WCS 10. Atur posisi koordinat yang diinginkan yaitu di tengah dengan mengatur semuanya pada posisi 0. lalu pilih ok
23
Gambar 3.12. Tampilan mengatur koordinat posisi WCS
11. Menginput nilai parameter ke dalam kolom Parameter List sesuai dengan hasil perhitungan
Gambar 3.13. Tampilan dalam kolom Parameter List
12. Bagian mikrostrip yang terlebih dahulu dibuat ialah bagian substrat, yaitu dengan membuat bentuk Brick sesuai dengan ukuran yang telah ditentukan.
24
Gambar 3.14. Tampilan membuat brick 13. Menginput nilai parameter substrat pada setiap kolom pembuatan Brick kemudian klik OK
Gambar 3.15. Tampilan membuat brick
14. mengatur permukaan koordinat ke bagian depan dengan memilih menu WCS kemudian pilih Align WCS, atau bisa dilakukan dengan langsung menekan tombol w
25
Gambar 3.16. Tampilan Mengatur view Back 15. klik pick face dengan menglik tab Picks lalu mucul subtab dan pilih Pick Face
Gambar 3.17. Tampilan memilih pick face 16. lalu klik dua kali pada bagian belakang PCB untuk membuat groundplane
26
Gamabar 3.18. Tampilan Pick Face yang sudah diklik
17. lalu klik tab extrude, yang ada pada menu Modeling
Gambar 3.19. memilih tab Extrude 18. lalu masukkan bahan material yaitu cooper annalead dan inggi sebesar 0.1. lalu mengklik tab ok
27
Gabar 3.20. tampilan mengatur extrude
19. lalu klik ok
Gamba 3.21. tampilan setelah pcb di extrude 20. lalu atur tampilan PCB ke bagian depan dengan memilih Front
28
gambar 3.22. pcb akan di view k depan 21. Lalu ubah titik koordinat dengan Transform WCS
Gambar 3.23. akan mengklik transform wcs 22. Masukkan titik koordinat untuk membuat pencatu
29
Gambar 3.24. ubah koordinat WCS 23. Lalu klik brick untuk membuat pencatu
Gambar 3.25 ikon brick untuk membuat pencatu
30 24. Lalu masukkan parameter pencatu dan masukkan material menjadi Cooper(annalead)
Gambar 3.26 lembar pengisian nilai untuk pencatu
25. Lalu klik Cylinder untuk membuat patch
Gambar 3.27 ikon cylinder untuk membuat patch
31
26. Lalu masukkan parameter patch antenna dan ubah materialnnya ke cooper(annalead)
Gambar 3.28 lembar pengisian nilai untuk patch circular
27. Lalu klik boolean untuk menggabungkan patch dan pencatu dan klik add
Gambar 3.29 ikon boolean untuk menyatukan patch dan saluran pencatu
32 28. Lalu klik pada patch dan saluran pencatu nya untuk menggabungkannya
Gambar 3.30 penggabungan patch dan saluran
29. Ubah tampilan PCB menjadi bagian bottom untuk membuat bagian port
Gambar 3.31 select view bottom untuk membuat port antena
33 30. Lalu klik picks dan klik pick face
Gambar 3.32 klik pick face pada ikon picks
31. Klik dua kali pada bagian bawah PCB
Gambar 3.33 saluran pencatu yang telah di pick face
34 32. Lalu klik Waveguide Port
Gambar 3.34 klik ikon waveguade port untuk membuat port antena
33. Masukkan parameterlist ke Waveduide port lalu klik OK
Gambar 3.35 lembar pengisian untuk mensetting port
35 34. Masukkan rentang frekuensi yang diinginkan dengan meng-klik frequency dan klik OK
Gambar 3.36 klik ikon frequency range setting untuk memberi nilai range dari frekuensi yang diinginkan
35. Lalu klik Field Monitor
Gambar 3.37 ikon field monitor
36
36. Pada kolom type klik E-Field dan klik Apply
Gambar 3.38 pilih E-field
37. Klik H-Field and Surface Curent dan klik Apply
Gambar 3.39 pilih H-field and surface current
37
38. Klik Farfield/RCS dam klik Apply
Gambar 3.40 pilih farfields 39. Klik Time Domain Solver Parameters lslu atur menjadi -30.0 dB dan klik Start
Gambar 3.41 klik start untuk memulai simulasi
38
40. Setelah disimulasikan klik S-Parameters pada Navigation Tree untuk melihat S-parameters
Gambar 3.42 hasil S-parameter dari simulasi yang telah dilakukan 41. Lalu klik VSWR pada Navigation Tree untuk melihat VSWR pada antenna
Gambar 3.43 hasil VSWR yang didapat setelah simulasi dilakukan
39 42. Lalu untuk melihat farfield dam bentuk 3D. klik Farfield pada Navigation Tree lalu klik 3D pada bagian farfield Port
Gambar 3.44 gambar farfield dalam bentuk 3D
43. Klik kanan pada tampilan farfield lalu pilih Fafrfield Port Properties…
Gambar 3.45 tampilan farfield port properties
40
44. Pada tampilan window farfield port, pada tab Plot Mode pilih Gain (EEE)
Gambar 3.46 tampilan window farfield port untuk menampilkan gain 45. Berikut hasil tampilan Gain
Gambar 3.47 hasil gain yang didapat setelah simulasi
41
46. Klik kanan lalu muncul window farfield plot pada tab general di plot type klik polar lalu klik OK
Gambar 3.48 jendela farfield plot
47. Berikut hasil tampilan Polaradiasi dari antenna yang telah kami simulasi.
Gambar 3.49 tampilan bentuk polaradiasi dari antena yang telah disimulasi
42
48. Berikut merupakan hasil tampilan VSWR dari antena mikrostrip yang telah kami simulasikan
Gambar 3.49 tampilan hasil vswr antena yang telah disimulasikan 49. Berikut merupakan hasil dari S-Parameters dari antena mikrostrip yang telah kami simulasikan
Gambar 3.50 tampilan hasil S-parameter antena yang telah disimulasikan
43
3.3. Optimasi Simulasi Antena Dari hasil yang telah didapatkan dari simulasi antenna, didapatkan bahwa nilai return loss,frekuensi kerja dan VSWR belum sesuai dengan hasil yang diinginkan. Maka dari itu, dilakukan optimasi untuk mendapatkan hasil return loss dan VSWR yang diinginkan serta frekuensi kerja yang diinginkan yaitu 2,4 GHz dengan mengubah beberapa parameter dari antenna. Optimasi 1 1.
Menmperbaiki nilai return loss, yaitu dengan menguba nilai parameter pada lebar saluran transmisi (Wo) terlebih dahulu. Memilih menu Solve pilih Transient Solver, kemudian pilih Par. Sweep.
Gambar 3.51 jendela time domain solver untuk melaukan optimasi manual dengan memilih par. sweep
44 2. Berdasarkan hasil parameter sweep diatas, didapat nilai terbaik pada Curve 25 yaitu dengan ukuran Ws = 36.4 mm dan Ls = 55.32 mm. Kemudian mengubah parameter Ws dan Ls pada kolom Parameter List, kemudian tekan f7.
Gambar 3.52 tampilan window hasil optimasi parameter sweep
3. Pengubahan waguide Port dengan cara menglik makros-solver-portscalculate waveguide ports
Gambar 3.53 window dari calculate waguide port
45 Hasil optimasi 1 Setelah dilakukan optimasi manual seperti langkah diatas, kemudian didapat hasil Sparameter,VSWR,dan parameter antena lainnya yang lebih baik dari sebelumnya dan mendekati nilai yang kami inginkan dengan uraian seperti gambar dibawah ini 4. Tampilan hasil dari S-parameter antena setelah optimasi
Gambar 3.54 hasil S-parameter dari antena yang telah dioptimasi
5. Tampilan hasil VSWR antena yang tealah dioptimasi
Gambar 3.55 hasil VSWR dari antena yang telah dioptimasi
46 6. Untuk menampilkan polaradiasi klik farfield kemudian pilih polar sampai tampilan/window pola radiasi muncul
Gambar 3.56 Tampilan pola radiasi hasil optimasi pertama
7. Untuk melihat gain dan bentuk 3D dari polaradiasi antena klik ikon 3D pada farfields
Gambar 3.57 Tampilan bentuk 3D antena hasil optimasi pertama
47 Optimasi kedua Setelah dilakukan optimasi pertama namun hasilnya tidak sesuai yang diharapkan karena frekuensi kerja belum seperti yang kami inginkan yaitu 2.4 Ghz,kami baru mendapatkan frekuensi 24.072 8. langkah selanjutnya kami mengubah nilai parameter a (radius patch) dengan cara klik pada parameter list kemudian isi parameter sesuai nilai yang akan diubah
Gambar 3.58 window parameter list untuk mengubah nilai a
9. Berikut merupakan hasil dari S-Parameters hasil optimasi kedua dengan klik 1D result dan pilih S-parameter
Gambar 3.59 tampilan hasil S-parameter setelah optimasi kedua
48 10. Berikut merupakan hasil dari VSWR hasil optimasi kedua dengan klik 1D
result dan pilih VSWR
Gambar 3.59 hasil VSWR optimasi kedua dengan mengubah nilai a
11. Berikut merupakan hasil dari VSWR hasil optimasi kedua dengan klik 1D result dan pilih VSWR
Gambar 3.60 window polaradiasi hasil optimasi kedua
49 12. Untuk melihat gain dan bentuk 3D dari polaradiasi antena klik ikon 3D pada farfields
Gambar 3.61 window farfields bentuk 3D setelah optimasi kedua
50
BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN
Perancangan antenna mikrostrip patch sirkular untuk aplikasi WLAN ini bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz dibuat menggunakan bahan FR-4(lossy) dengan konstatnta dielektrik yaitu 4,4 dengan menggunakan software simulasi CST Suite Studio 2014. Dari hasil simulasi yang telah dilakukan dan telah melewati optimasi secara manual selama 1 kali didapatkan hasil seperti dibawah ini : VSWR
= 1,003030
S-PARAMETER = -56,378 dB POLARADIASI = Unidirectional GAIN
= 4,165 dB
DIRECTIVITY = 5,514 dB Dari hasil simulasi berdasar perhitungan perancangan ternyata belum bisa mendapatkan hasil yang ideal, pada perancangan awal didapat dari perhitungan radius patch sebesar 17.4513 mm, lebar saluran pencatu sebesar 16.49 dan panjang saluran pencatu sebesar 3.18 mm dan setelah melihat hasil simulasi ternyata antenna tidak tepat bekerja pada frekuensi 2,4 GHz melainkan berada pada frekuensi 2.3498 GHz Serta VSWR Antenna sebesar -3.620 sebelum dilakukan optimasi. Namun setelah dilakukan optimasi secara manual maka dirubah besar lebar saluran pencatu, panjang saluran pencatu, dan radius patch agar frekuensi kerja dan VSWR berubah sesuai yang diinginkan.
51
BAB V KESIMPULAN Dari perancangan antena microstrip triangular yang sudah dilakukan, dapat disimpulkan sebagai berikut : Dari perancangan berdasarkan perhitungan hasil yang diinginkan tidak sesuai sehingga perlu dilakukan optimasi Antena dapat bekerja dengan baik setelah dilakukan optimasi pada frekuensi yang sudah ditentukan yaitu sebesar 2,4 GHz dan dihasilkan VSWR sebesar 1.003030 Didaptkan pula return loss yang sesuai (S-Parameter) yaitu sebesar -56.378 dB Sesuai dengan fungsi dari antenna Mikrostrip ini yaitu sebagai penerima dan pengirim sinyal WLAN maka dihasilkan pola radiasi Unidirectional Software yang digunakan yaitu CST dapat berfungsi dengan baik dalam perancangan antenna microstrip patch circular ini.
52
DAFTAR PUSTAKA
