Download - BAB 1 Mikrostrip Array
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Industri antena terus menerus berkembang. Berbagai macam antena
dikembangkan untuk memenuhi tuntutan teknologi yang semakin maju. Salah satunya
kebutuhan akan teknologi dalam komunikasi wireless baik secara wifi ataupun wimax.
Hal ini diakibatkan adanya kebutuhan akan komunikasi mobile semakin besar. Sekarang
ini, teknologi komunikasi wireless mobile telah berkembang pesat sehinga
membutuhkan antenna yang dapat mendukung perkembangan teknologi tersebut. Salah
satu jenis antenna tersebut adalah antena mikrostrip. Bahannya yang sederhana, bentuk
dan ukuran dimensi antenanya lebih kecil, harga produksinya lebih murah dan mampu
memberikan untuk kerja (performance) yang cukup baik. Hal tersebut merupakan
alasan pemilihan antena mikrostrip pada berbagai macam aplikasi.
Walaupun memiliki banyak kelebihan, antenna mikrostrip juga memiliki
kekurangan. Beberapa kekurangannya adalah bandwidth yang sempit, efisiensi yang
rendah serta gain yang kecil. Ada banyak cara untuk menanggulangi kekurangan dari
antena mikrostrip ini. Mulai dari mengganti konstanta dielektrik dari substratnya,
mengubah desain bidangnya (patch) serta menambahkan bidang (patch) pada
substratnya sehingga berbentuk array. Pada dasarnya semakin banyak jumlah elemen
yang disusun maka gain antenna akan semakin besar. Akan tetapi semakin banyak
jumlah elemen yang disusun linear juga kurang efisien karena ukuran antena yang
makin lebih besar. Sehingga pemilihan jumlah elemen yang akan dirancang yaitu 6
elemen, yang dirasa tepat untuk menghasilan gain yang cukup besar dengan dimensi
antenna yang cukup kecil.
1.2 Tujuan Penulisan
Tujuan pembuatan makalah ini adalah :
Untuk merancang antena mikrostrip array yang dapat bekerja pada frekuensi 2,4
GHz.
Untuk memberikan informasi kepada pembaca tentang perancangan antena
mikrostrip array menggunakan software CST.
1.3 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, permasalahan yang akan dibahas dalam makalah
ini adalah:
1. Apa saja parameter-parameter dasar antena ?
2. Apa yang dimaksud dengan antena mikrostrip array ?
3. Apa yang dimaksud dengan WLAN ?
4. Bagaimana tahap perancangan antena array menggunakan software CST ?
BAB II
PEMBAHASAN
2.1. Landasan Teori
Antena merupakan instrumen yang penting dalam suatu sistem komunikasi
radio. Antena adalah suatu media peralihan antara ruang bebas dengan piranti
pemandu (dapat berupa kabel koaksial atau pemandu gelombang/Waveguide) yang
digunakan untuk menggerakkan energi elektromagnetik dari sumber pemancar ke
antena atau dari antena ke penerima. Berdasarkan hal ini maka antena dibedakan
menjadi antena pemancar dan antena penerima.
Perancangan antena yang baik adalah ketika antena dapat mentransmisikan
energi atau daya maksimum dalam arah yang diharapkan oleh penerima. Meskipun
pada kenyataannya terdapat rugi-rugi yang terjadi ketika penjalaran gelombang
seperti rugi-rugi pada saluran transmisi dan terjadi kondisi tidak matching antara
saluran transmisi dan antena. Sehingga matching impedansi juga merupakan salah
satu faktor penting yang harus dipertimbangkan dalam perancangan sebuah antena.
2.2. Parameter Dasar Antena
Parameter-parameter antena adalah suatu hal yang sangat penting untuk
menjelaskan kinerja antena. Maka diperlukan parameter-parameter antena yang akan
memberikan informasi suatu antena sebagai pemancar maupun sebagai penerima.
Definisi parameter-parameter yang digunakan akan dijelaskan pada bab ini.
a. Pola Radiasi
Pola radiasi suatu antena didefinisikan sebagai pernyataan grafis yang
menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. Sifat-
sifat radiasi yang menentukan pola radiasi mencakup intensitas radiasi, kekuatan
medan (field strenght) dan polarisasi.
Gambar 2.1. Pola Radiasi
Pada gambar 2.1 tampak pola radiasi yang terdiri dari lobe-lobe radiasi yang
meliputi main lobe dan minor lobe (side lobe). Main lobe adalah lobe radiasi yang
mempunyai arah radiasi maksimum. Sedangkan minor lobe adalah radiasi pada arah
lain yang sebenarnya tidak diinginkan .
Gambar 2.2 Pembagian Medan Radiasi
b. Gain
Gain antena merupakan perbandingan daya pancar suatu antena terhadap daya
pancar antena referensi, atau pertambahan daya yang diradiasikan pada arah
tertentu dari suatu antena dibandingkan dengan daya yang diradiasikan pada arah
yang sama oleh suatu antena referensi. Gain antena disebut juga power gain. Gain
dirumuskan sebagai berikut:
G=η× D (2.1)
atau
G (dB )=10 log ( PoutPin
) (2.2)
c. Return Loss
Return loss adalah salah satu parameter yang digunakan untuk mengetahui
berapa banyak daya yang hilang pada beban dan tidak kembali sebagai pantulan.
RL adalah parameter seperti VSWR yang menentukan matching antara antena dan
transmitter.
Koefisien pantulan (reflection coefficient) adalah perbandingan antara
tegangan pantulan dengan tegangan maju (forward voltage). Antena yang baik
akan mempunyai nilai return loss dibawah -10 dB, yaitu 90% sinyal dapat diserap,
dan 10%-nya terpantulkan kembali. Koefisien pantul dan return loss didefinisikan
sebagai:
Γ=V r
V i (2.3)
RL=20⋅log Γ ¿(dB ) ¿ (2.4)
dengan :
Γ = koefisien pantul
Vr = tegangan gelombang pantul (reflected wave)
Vi = tegangan gelombang maju (incident wave)
RL = return loss (dB)
Untuk matching sempurna antara transmitter dan antena, maka
nilai = 0 dan RL = ∞ yang berarti tidak ada daya yang dipantulkan, sebaliknya
jika = 1 dan RL = 0 dB maka semua daya dipantulkan.
d. VSWR
VSWR adalah pengukuran dasar dari impedansi matching antara transmitter
dan antena. Semakin tinggi nilai VSWR maka semakin besar pula mismatch, dan
semakin minimum VSWR maka antena semakin matching. Dalam perancangan
antena biasanya memiliki nilai impedansi antena sebesar 73Ω.
VSWR=1+|Γ|1−|Γ| (2.5)
2.3. Antena Mikrostrip Array
a. Pengertian AntenaAntena (antenna atau areal) adalah perangkat yang berfungsi untuk
memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara
atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Karena merupakan perangkat
perantara antara media kabel dan udara, maka antena harus mempunyai sifat
yang sesuai (match) dengan media kabel pencatunya. Prinsip ini telah
diterangkan dalam saluran transmisi.
Dalam perancangan suatu antena, beberapa hal yang harus
diperhatikan adalah:
bentuk dan arah radiasi yang diinginkan
polarisasi yang dimiliki
frekuensi kerja
lebar band (bandwidth), dan
impedansi input yang dimiliki.
Fungsi antena adalah untuk mengubah sinyal listrik menjadi
sinyal elektromagnetik, lalu meradiasikannya (Pelepasan energi
elektromagnetik ke udara ruang bebas). Dan sebaliknya, antena juga dapat
berfungsi untuk menerima sinyal elektromagnetik (Penerima energi
elektromagnetik dari ruang bebas) dan mengubahnya menjadi sinyal listrik.
Pada radar atau sistem komunikasi satelit, sering dijumpai sebuah antena yang
melakukan kedua fungsi (pemancar dan penerima) sekaligus. Namun, pada
sebuah teleskop radio, antena hanya menjalankan fungsi penerima saja.
b. Pengertian Antena Mikrostrip Array
c. Pengertian WLAN
Wireless LAN (WLAN) adalah teknologi LAN yang menggunakan
frekuensi dan transmisi radio sebagai media penghantarnya, pada area tertentu,
menggantikan fungsi kabel. Pada umumnya WLAN digunakan sebagai titik
distribusi di tingkat pengguna akhir, melalui sebuah atau beberapa perangkat
yang disebut dengan Access Point (AP), berfungsi mirip hub dalam
terminologi jaringan kabel ethernet. Di tingkat backbone, sejumlah AP
tersebut tetap dihubungkan dengan media kabel. WLAN dimaksudkan sebagai
solusi alternatif media untuk menjangkau pengguna yang tidak terlayani oleh
jaringan kabel, serta untuk mendukung pengguna yang sifatnya bergerak atau
berpindah-pindah (mobilitas).
Frekuensi yang kini umum dipergunakan untuk aplikasi WLAN adalah
2.4 Ghz dan 5.8 Ghz yang secara internasional dimasukkan ke dalam wilayah
licensce exempt (bebas lisensi) dan dipergunakan bersama oleh publik
(frequency sharing).
Teknologi yang digunakan untuk WLAN mayoritas menggunakan
standar IEEE 802.11 (a/b/g). Perbedaan antar standar ini adalah pada modulasi
transmisinya yang menentukan kapasitas layanan yang dihasilkan. Pada
standar 802.11b, kapasitas maksimalnya 11 Mbps, 802.11g dapat mencapai 20
Mbps keduanya bekerja di frekuensi 2.4 Ghz. Sementara standar 802.11a
bekerja pada frekuensi 5.8 Ghz. Karena lebar pita frekuensi yang lebih luas
dan modulasi yang lebih baik, maka perangkat yang berbasis standar ini
mampu melewatkan data hingga kapasitas 54 dan 108 Mbps dan menampung
jumlah pengguna lebih banyak.
BAB III
PERANCANGAN ANTENA
3.1. Perancangan Antena Mikrostrip Frekuensi 2,4 GHz
3.1.1.Spesifikasi Substrat
Perancangan antena mikrostrip rectangular dengan frekuensi sebesar 2,4
GHz ini menggunakan substrat berjenis FR-4 (Epoxy) dengan konstanta
permitivitas dielektrik relatif (εr) sebesar 4,5 dan ketebalan substrat (h) 1,6mm.
3.1.2. Panjang Gelombang
Pada perancangan antena mikrostrip rectangular untuk mengetahui panjang
gelombang pada saluran transmisi mikrostrip, harus diketahui terlebih dahulu
panjang gelombang pada ruang bebas dengan persamaan berikut ini:
γ=CF
= 3 X 10 m /s2,4 X 10 Hz
=0,125 m=12,5 cm
3.1.3.Ukuran Panjang (L) dan Lebar (W) Elemen Peradiasi atau Patch
Jika pada substrat kita menggunaka material berjenis FR4-Epoxy, maka
pada elemen peradiasi (patch) kita menggunakan material cooper sehingga
konstanta dielektrik permitivitas relatif (εr) dan ketebalan yang berbeda nilai
dengan substratnya. Konstanta dielektrik permitivitas relatif (εr) pada cooper
sebesar 1 dan ketebalan sebesar 0,035 mm. Sehingga panjang (L) dan lebar (W)
elemen peradiasi pada antena mikrostrip dapat ditentukan dengan menggunakan
persamaan (1), (2), (3), (4), dan (5), sehingga diperoleh hasil berikut:
W = 44,2 mm
ε reff=εr+1
2+
εr−12 ( 1
√1+12hw
)=1+12
+0−1
2 ( 1
√1+120,03544,2
) Εreff =1 S/M
∆ L=0,412 h( εreff +0,3 )(w
h+0,268)
( εreff −0,258 )(wh
−0,8)=0,412.0,035
(1+0,3 )( 44,20,035
+0,268)(1−0,258 )( 44,2
0,035−0,8)
∆ L = 0,268 mm
Leff =C
2 f o √εreff
= 3×108
2× 2,4 ×109× √ 1
Leff = 62,5 mm
L=Leff −2∆ L
L = 61,96 mm
Dari hasil perhitungan di atas dapat kita masukkan nilai parameter ke dalam
software CST untuk perancangan patch. Adapun menggunakan langkah-langkah
yang sama seperti pada item Draw pilih box atau dengan langsung memilih Draw
Box pada toolbar. Kemudian data diisi seperi pada gambar 3.2.3.1 dengan
memilih bahan Cooper kemudian mengganti nama box menjadi patch.
Gambar 3.2.3.1 Perancangan patch
Setelah itu nilai koordinat dimasukkan seperti pada Gambar 3.2.3.2.
Gambar 3.2.3.2 Pengisian koordinat untuk letak dan besar ukuran patch
Sehingga tampil gambar seperti Gambar 3.2.3.3, yaitu hasil elemen substrat
seperti Gambar 3.2.2.3 dan elemen peradiasi (patch) sendiri.
Gambar 3.2.2.3 hasil perancangan elemen peradiasi (patch)
3.1.4.Besar Karakteristik Impedansi Saluran Antena
Sebelum menentukan besar karakteristik impedansi saluran antena maka
terlebih dahulu kita menentukan impedansi masukan. Impedansi masukan dapat
diperoleh dengan menggunakan persamaan (6) sehingga hasil yang diperoleh
sebesar berikut:
Z¿=90εr2
εr−1¿
Dengan menggunakan impedansi standar antena mikrostrip yang bernilai
50Ω dan nilai Zin yang telah diperoleh impedansi karakteristik dapat dihitung.
Seperti yang tertera diatas Zin bernilai Ω. Sehingga karakteristik impedansi dapat
dimasukkan ke dalam persamaan (7) berikut:
= 224 Ω
3.1.5.Ukuran Feed Point
Untuk menentukan ukuran feed point dapat digunakan persamaan (9) dan
(10). Maka ukuran feed point antena dengan menggunakan persamaan tersebut
memperoleh nilai sebagai berikut:
X f=377
√εr
×( hZo
) ¿
377
√4,4×( 1,5
224 ) ¿1,2 mm
Dari hasil perhitungan diatas nilai tersebut dapat kita masukkan ke dalam
software dimana Yf adalah panjang feed point dan Xf adalah lebar feed point. Pada
perancangan ini langkah yang harus dilakukan sama seperti langkah pada perancangan
awal sebuah elemen. Namun hanya mengganti nama box menjadi feed point (feed line).
Seperti terlihat pada Gambar 3.2.4.1
Gambar 3.2.4.1 Perancangan feed line
Setelah itu masukkan koordinat seperti pada Gambar 3.2.4.2
Gambar 3.2.4.2 Pengisian koordinat untuk letak dan besar feed line
Setelah feed line terbentuk maka kita harus menyatukan antara feed line dengan
patch-nya dengan cara klik CTRL kemudian pilih feed line dengan patch lalu pada
salah satu klik kanan pilih Edit kemudian Boelan lalu Unite pilik ok, maka kedua
elemen tersebut sudah menjadi satu bagian.
Sehingga menghasilkan gambar 3.2.4.2 seperti Gambar di bawah ini.
3.1.6.Besar Dimensi Ground
Ukuran dimensi ground dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (12)
namun tetap harus memperhatikan ukuran substratnya. Setelah melakukan
perhitungan ukuran dimensi ground yang diperoleh mengalami perbedaan yang
cukup signifikan maka dimensi ground dapat menggunakan ukurannya yang sama
dengan substratnya. Hanya saja ketebalannya (h) berbeda karena ground
menggunakan bahan tembaga maka memiliki ketebalan 0,035 mm.
Untuk membuat perancangan ground menggunakan software masih sama
seperti tahapan membuat elemen-elemen sebelumnya, hanya mengganti nama box
menjadi ground seperti pada Gambar 3.2.5.1
Gambar 3.2.5.1 perancangan ground
Setelah itu nilai koordinat dimasukkan seperti pada gambar 3.2.5.2
Gambar 3.2.5.2 pengisian koordinat untuk letak dan besar ground
Sehingga tampilan pada simulator menjadi seperti pada gambar 3.2.5.3
Gambar 3.2.5.3 Hasil perancangan ground
3.1.7.Perancangan Boundary
Elemen ini bukan elemen dasar pada perancangan antena mikrostrip
rectangular, namun pada simulator diharuskan membuat elemen ini. Meskipun pada
perancangan dasar elemen ini tidak terlalu diperlukan tetapi untuk menjalankan
simulator diperlukan elemen ini. Elemen ini hanya sebagai pelengkap untuk
memperjelas ruang bagi radiasi gelombang maupun sinyal antena. Material elemen
ini sendiri terdiri dari udara atau ruang hampa karena pada dasarnya saat pembuatan
antena boundary field ini tidak diperlukan. Seperti pada elemen-elemen sebelumnya
langkah kerja untuk membuat elemen ini masih sama hanya tinggal mengganti kotak
nama box menjadi boundary, seperti pada gambar 3.2.6.1
Gambar 3.2.6.1 perancangan boundary
Setelah itu nilai koordinat dimasukkan seperti gambar 3.2.6.2
Gambar 3.2.6.2 pengisian koordinat untuk letak dan besar boundary
Sehingga dihasilkan seperti gambar 3.2.6.3 pada simulator.
Gambar 3.2.6.3 hasil perancangan boundary field
3.1.8.Assign Excitation
Elemen ini merupakan sebuah port yang menghubungkan feed point pada bagian
ground. Untuk membuat sebuah port eksitasi langkah pertama adalah pada item
Draw pilih rectangular kemudian data koordinat diisi seperti pada Gambar 3.2.7.1.
Gambar 3.2.7.1 perancangan wave port
Sehingga dihasilkan gambar seperti Gambar 3.2.7.2 di bawah ini
Gambar 3.2.7.2 hasil perancangan wave port
Langkah selanjutnya untuk menjalankan simulator ini adalah dengan
melakukan analysis setup dan model validation guna untuk mengetahui apakah setiap
elemen dan model sudah terpasang dengan baik dan benar. Jika sudah, program
simulator ini sudah dapat dijalankan untuk mengetahui hasil perancangan antena.
4.1. Pengukuran VSWR
Pengukuran VSWR dapat dilihat pada tabel dan grafik di bawah ini. Terlihat
bahwa pada frekuensi 2,4 GHz VSWR yang diperoleh ialah 1,33. Hal ini sesuai dengan
yang diharapkan yaitu VSWR sekecil mungkin dan bernilai kurang dari 2.
Gambar 4.2.1 Tabel Pengukuran VSWR
Gambar 4.2.2 Grafik Pengukuran VSWR
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ansoft. http://www.ansoft.com diakses pada tanggal 13 Oktober 2012
[2] Balanis, Constantine A. (1997): Antena Theory Analysis and Design. 3rd ed. John Wiley and Sons, New York.
[3] RM.Francis D. Yuri. Petunjuk Praktis Merakit Antene Radio Amatir. Bandung: Penerbit M2S Bandung, Anggota IKAPI. 1996.
[4] Kin-Lu Wong. Compact and Broadband Microstrip Antennas. New York: John&Sons, Inc. 2002
[5] Google “Microstrip Rectangular ” http://elib.unikom.ac.id diakses pada tanggal 7 Oktober
2012