Makalah Seminar Kerja Praktek PERANCANGAN DAN REALISASI ANTENA MIKROSTRIP PATCH PERSEGI PADA FREKUENSI 2.1 GHZ UNTUK 3G DI PT.LEN INDUSTRI. Devin Fortranansi Firdaus – 091344005 Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Telekomunikasi, Politeknik Negeri Bandung JL. Gegerkalong Hilir Ds.Ciwaruga Kotak Pos 1234 40012 Bandung, Indonesia e-mail :
[email protected] ABSTRAK Kebutuhan layanan akses internet untuk mendapatkan informasi yang dibutuhkan dalam waktu singkat membuat munculnya teknologi 3G (Third Generation Technology). Untuk penggunaan teknologi tersebut diperlukan perangkat antena yang dapat melayani frekuensi 3G. Antena Mikrostrip yang low profile menjadikan banyaknya perusahaan melakukan penelitian dan pengembangan untuk mendapatkan antena yang lebih efektif dan efisien. Pada laporan Kerja Praktek kali ini telah dirancangan dan di realisasikan antena mikrostrip pada frekuensi resonansi 2.1 GHz yang menggunakan teknik pencatuan insetfed. Bahan yang digunakan adalah FR4-epoxy dengan impedansi imput 50 Ω. Hasil Pengukuran menunjukan bahwa antena ini memunyai nilai VSWR 1.34 dan return loss sebesar 16.77 dB pada frekuensi 2.1 GHz. Bandwidth yang dihasilkan adalah pada VSWR ≤2. Kata kunci : insetfed, FR4-epoxy, bandwidth. I. PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Perkembangan teknologi dan informasi yang kian pesatnya, mendorong bermunculannya teknologi dan solusi baru. Pada awal tahun 2006, muncul teknologi baru yang disebut 3G. 3G adalah singkatan dari Third Generation Technology. Selain jenis layanan yang bertambah, 3G juga meningkatkan kemampuan layanan akses internet sehingga memudahkan para pengguna untuk mendapatkan informasi yang mereka butuhkan dalam waktu yang singkat. Untuk mendukung penggunaan teknologi tersebut, diperlukan perangkat antena yang dapat melayani frekuensi 3G. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya di dalam sistem telekomunikasi sehingga mendapatkan banyak perhatian karena efisiensi dan kehandalannya. Antena mikrostrip dapat menjadi pilihan utama dalam berbagai macam aplikasi karena kelebihannya yang low profile, compact dan bisa beroperasi pada single, dual maupun multi band. Penggunaan antena mikrostrip yang terus berkembang, menjadikan banyak perusahaan melakukan penelitian dan pengembangan
untuk mendapatkan antena mikrostrip yang lebih efektif dan efisien. Sehingga pada laporan kerja praktek ini penulis akan membahas mengenai Perancangan Dan Realisasi Antena Mikrostrip Patch Persegi Pada Frekuensi 2.1 Ghz Untuk Aplikasi 3G Di PT.Len (Persero) 1.2 TUJUAN Adapun tujuan dan kegunaan dari pembuatan laporan Kerja Praktek ini adalah : A. Tujuan Umum 1. Memperoleh pengalaman dari dunia kerja. 2. Merasakan persaingan di dunia industri yang sebenarnya. 3. Belajar bekerja sama secara berkelompok (team work), bersosialisai dan beradaptasi dengan lingkungan kerja. B. Tujuan Khusus 1. Merancang dan mensimulasi antena mikrostrip dengan menggunakan software simulator CST Studio Suite 2011 pada titik frekuensi 2.1 GHz. 2. Mengetahui perbedaan hasil simulasi dan hasil pabrikasi. 1.3 BATASAN MASALAH Batasan masalah dalam laporan kerja praktek ini :
pengerjaan
1. Perancangan dimensi antena menggunakan bantuan software simulator CST 2011. 2. Substrat yang digunakan adalah FR-4 epoxy. 3. Spesifikasi perancangan dengan batasan sebagai berikut: - Frekuensi Tengah : 2.1 GHz - VSWR :2:1 - Z terminasi : 50 Ω - Bandwidth : ≥ 50 MHz - Pola Radiasi : Directional 4. Pengukuran menggunakan konektor SMA to N pada antena mikrostrip. II. DASAR TEORI 2.1 DEFINISI ANTENA Beberapa definisi antena adalah sebagai berikut : A. Menurut Kamus Webster A Usually metallic device (such as rod or wire) for radiating or receiving radio waves. B. Menurut IEEE A means for radiating or receiving radio waves. 2.2 FUNGSI ANTENA Antena memiliki 2 fungsi utama yaitu [1] : 1. Directional Device Antena berfungsi untuk mengarahkan energi atau daya elektromagnetik ke arah tertentu. 2. Matching Device Antena berfungsi untuk menyesuaikan sifat-sifat atau karakteristik gelombang elektromagnetik di ruang bebas dengan gelombang elektromagnetik di saluran transmisi. 2.3. PARAMETER ANTENA 1. Pola Radiasi Pola radiasi sebuah antena didefinisikan sebagai gambaran grafis dari sifat-sifat pancaran antena sebagai fungsi dari koordinat ruang. Pola radiasi antena dibedakan menjadi 3 yaitu, pola radiasi isotropis, pola radiasi direksional, dan pola radiasi omnidireksional. 2. Return Loss Dan VSWR Return loss merupakan besaran daya pantul (faktor refleksi) yang disebabkan oleh tidak match-nya beban dengan transmission line dalam dB. Faktor refleksi secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:
Vref Vinc
Vref Vinc
dimana:
= faktor refleksi. = tegangan yang dipantulkan = tegangan yang datang dari sumber
Hubungan antara return loss dengan faktor refleksi dapat dituliskan sebagai berikut :
RL 20 log 0 1 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) didefinisikan sebagai perbandingan (ratio) antara tegangan maksimum (Vmaks) dan tegangan minimum (Vmin) yang terjadi pada saluran yang tidak sesuai (match). Secara matematis hubungan antara VSWR dan faktor refleksi dapat dituliskan sebagai berikut:
1 V maks VSWR VSWR= 1 Vmin 3. Directivity Menurut definisi pengarahan (directivity) adalah perbandingan rapat daya radiasi maksimum yang dimiliki antena S , max dan rapat daya radiasi rata- rata yang dimiliki oleh antena tersebut S , av . 4. Gain Gain (penguatan) suatu antena merupakan perbandingan antara intensitas radiasi maksimum suatu antena terhadap intensitas radiasi maksimum suatu antena referensi dengan daya yang masuk pada kedua antena adalah sama. Gain suatu antena memiliki keterkaitan dengan directivity yang dinyatakan pada persamaan berikut: G = e.D dimana :
G = penguatan (Gain) e = Efisiensi D = pengarahan (directivity)
5. Polarisasi Antena Salah satu sifat penting dari gelombang elektromagnetik adalah polarisasi yang menggambarkan orientasi dari medan listrik E pada bidang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Sedangkan polarisasi antena berarti arah gerak medan listrik dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena pada lobe utamanya.
6. Bandwidth Bandwidth merupakan daerah frekuensi pada antena yang menunjukkan lebar atau sempitnya frekuensi kerja suatu antena. VSWR
1.5
3. Teknik Pencatuan Antena 3.1 Teknik Pencatuan Probe Koaxial Pada teknik ini, pencatuan dilakukan dengan cara melubangi patch untuk dihubungkan dengan elemen pencatu (konektor). Penentuan letak titik catu yang tepat menyebabkan antena ini tidak membutuhkan rangkaian penyepadan dalam pengaplikasiannya.
Frequency
Gambar 3. 1 Ilustarsi bandwidth pada VSWR ≤ 2 untuk dual operation [3] Gambar 3.4 Teknik pencatuan probe koaxial
2.4 ANTENA MIKROSTRIP Pada umumnya antena mikrostrip berbentuk rectangular, circular, equirectangular, dan anular, tetapi yang banyak digunakan adalah rectangular dan circular karena lebih mudah dianalisis. 1. Karakteristik Dasar Antenna Mikrostrip Persegi Panjang Antena mikrostrip seperti yang ditunjukan pada gambar 3.3 terdiri dari tebal patch yang sangat tipis, substrate dan groundplane.
Tampak Atas Tampak Samping Gambar 3. 3 Struktur antena mikrostrip [6] 2. Dimensi Antenna Mikrostrip Lebar (W) dan panjang (L) antenna mikrostrip dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 1
W
o r 1 2 2 2
2 1 1 12d 1 2 W 1 r 0,041 r 2 W d 2 e 1 2 r 1 r 1 12d 2 2 1 W
L 0.412 h
L
w 0.3 0.264 h w 0.258 0.813 h
W d 1 W d 1
3.2 Teknik Pencatuan Mikrostrip Line Pada teknik ini, pencatuan dilakukan dengan cara menghubungkan saluran pencatu dengan patch, dimana patch dan saluran pencatu menggunakan bahan yang sama yang dipabrikasi dengan cara di-etching-kan.
Gambar 3.5 Teknik pencatuan mikrostrip line Kelebihan dari teknik pencatuan mikrostrip line adalah pabrikasi yang mudah yaitu dengan cara menghubungkan mikrostrip ke tepi patch secara langsung, tetapi matching impedansi tidak sesuai atau tidak terjadi matching impedansi seperti yang diharapkan dan akan muncul radiasi yang tidak diinginkan dari line pencatuan. Oleh karena itu untuk mematchingnya digunakan insetfed atau transformator λ/4. 4. Saluran Mikrostrip Saluran mikrostrip secara keseluruhan, dapat kita pandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tetapi lebih kecil dari εr .Konstanta dielektrik ini disebut konstanta dielektrik efektif (effective dielectric constant) [4].
eff
eff
o 2L 2 eff
r
d
W
Gambar 3. 6 Pola medan listrik pada saluran mikrostrip
Untuk keperluan perancangan, bila diketahui impedansi karakteristik Z0 dan konstanta dielektrik r , lebar strip dapat dicari dengan persamaan [4] : 8e A 2A W e 2 r 1 d 2 0,61 B 1 ln(2 B 1) ln( B 1) 0.39 2 r r
W d 2 W d 2
dengan A B
Z0 r 1 r 1 0,11 0.23 60 2 r 1 r 377 2Z 0 r
Bila pengaruh ketebalan konduktor diperhitungkan, maka lebar strip seolah-olah akan bertambah lebar, karena adanya medan limpahan (fringing field) yang tidak dapat diabaikan. Dengan demikian besaran W/d diganti dengan lebar efektif, We/d yaitu [5] : W 1.25t 2d d 1 ln t We d d W 1.25t 4 W 1 ln d d t
W d
1 2
W d
1 2
Untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi dibutuhkan juga sebuah transformator λ/4 . Transformator λ/4 merupakan sebuah saluran mikrostrip yang panjangnya dan besarnya [5] :
VSWR Pola Radiasi Impedansi Konektor
:2:1 : Directional : 50 Ω : SMA
3. Karakteristik Bahan Antena Mikrostrip yang dirancang menggunakan material tembaga untuk patch dan ground plane. Sedangkan untuk substrat menggunakan FR-4 epoxy. Karakteristik material yang akan digunakan untuk antena mikrostrip adalah sebagai berikut : Patch (tembaga) Permitivitas relative (εr) : 1 Permeabilitas relative (μr) : 0.99991 Ketebalan : 0.035 mm Dielektrik (FR-4) Permitivitas relative (εr) : 4.3 Permeabilitas (μr) :1 Ketebalan : 1.6 mm 4. Konstruksi dan Teknik Pencatuan Antena Konstruksi antena yang dipilih pada perancangan antena kali ini adalah antena mikrostrip persegi yang dicatu menggunakan teknik Insetfed dengan harapan impedansi input mendekati 50 Ω dan mendapatkan hasil Return Loss dan VWSR yang lebih bagus. 5. Perancangan Awal Dimensi Antena Pada perancangan awal, yang pertama kita lakukan adalah merancang ukuran dari dimensi patch dan pencatuan insetfeed line. 5.1 Dimensi Patch Ukuran patch yang digunakan pada awal perancangan antena mikrostrip adalah :
Gambar 3.7 Transformator λ/4 III.
PERANCANGAN, REALISASI DAN PENGUKURAN
3.1. PERANCANGAN ANTENA 1. Pendahuluan Perancangan antena mikrostrip dilakukan dalam beberapa tahapan, tahapan-tahapan ini dimaksudkan agar perancangan dapat dilaksanakan secara sistematis dan kontinyu. 2. Spesifikasi Antena Spesifikasi dari antena mikrostrip yang akan direncanakan adalah sebagai berikut : Frekuensi Resonansi Bandwidth
: 2.1 GHz : ≥ 50 MHz
Patch untuk frekuensi 2.1 GHz. 1. Lebar Patch (
) (ε (ε
)(
) )(
)
√ε
43.87 mm
34.28 mm
Gambar 4.2. Dimensi Patch Antena Mikrostrip
2. Konstanta Dielektrik effektif (εe) (
)
Gambar 4.4 (A) Tampilan CST Studio Suite 2011 beserta pemodelan Antena Mikrostrip (B) Dimensi Patch dan Ground Plane Antena Mikrosrip tampak depan
⁄
5.2 Dimensi Groundplane Dimensi minimum ground plane yang dibutuhkan menggunakan persamaan berikut : Lg = 6h + L [8]. Groundplane yang dipakai adalah groundplane berbentuk persegi panjang yang mempunyai ukuran 54.08 mm x 53.87 mm. Dimana ukuran ini lebih besar dari panjang minimum groundplane (Lg) yaitu sebesar 43.68 mm. 5.3 Dimensi Substrate Dimensi substrat pada laporan kerja praktek kali ini memiliki dimensi yang sama dengan dimensi groundplane sebesar 54.08 mm x 53.87 mm.
Tabel 1. Dimensi Antena Hasil Simulasi Komponen
Panjang
Patch
43.87 mm x 33.11 mm
Groundplane
53.87 mm x 54.08 mm
Tinggi Substrate
1.6 mm
2. Return Loss Pengukuran Return Loss dilakukan untuk mengetahui dimankah frekuensi dari antena mikrostrip ini bekerja. Hasil pengukuran return loss dari simulasi pada CST Studio Suite 2011 adalah sebagai berikut :
5.4 Dimensi Pencatuan Insetfed Insertfed merupakan salah satu metoda untuk mendapatkan letak pencatuan dimana pada posisi tersebut impedansi input pada antena sebesar 50 Ω untuk satu elemen. Perancangan insetfed menggunakan persamaan : Gambar 4.5 Respon Return Loss pada frekuensi 2,1 GHz
Menentukan harga A : (√
(
)
)
3. Bandwidth Dari gambar diatas. Didapatkan bandwidth sebesar :
Menentukan Lebar Pencatu (W) 50 Ω :
FL = 2.0718 GHz Fc = 2.100 GHz FH = 2.1294 GHz BW = FH - FL = 57.6 MHz (VSWR≤2)
6. Simulasi dengan CST Studio Suite 2011 Pada perancangan antena mikrostrip, penulis menggunakan bantuan software CST Studio Suite 2011 yang berfungsi sebagai simulator.
4. VSWR
6.1 Hasil Simulasi 1. Dimensi Antena Hasil Simulasi 53.87 mm
10.97 mm
Gambar 4.6 Hasil Plot VSWR menggunakan Software CST Studio Suite 2011
5 mm
54.08 mm
33.11 mm 1 mm
19.377 mm
10 mm
3.1145 mm
43.87 mm
(A)
(B)
Tabel 2. Hasil Simulasi Return Loss dan VSWR Frekuensi Return Loss VSRW (MHz) (dB) 2071 10.007 1.93 2100 20.719 1.20 2129 10.008 1.92
5. Pola Radiasi
Tabel 3. Pengukuran Return Loss dan VSWR Frekuensi (MHz) 2078 2100 2158
Gambar 4.7 Plot Pola radiasi 3 Dimensi menggunakan Simulator CST Studio Suite a. PENGUKURAN ANTENA Pengukuran yang dilakukan pada antena mikrostrip ini meliputi pengukuran Return Loss, VSWR, Bandwidth dan Gain. 1. Return Loss, VSWR dan Bandwidth a. Frekuensi terendah (FL)
Gambar 4.8 Hasil Pengukuran Return Loss dan VSWR pada Frekuensi Terendah (FL) b. Frekuensi tertinggi (FH).
Gambar 4.9 Hasil Pengukuran Return Loss dan VSWR pada Frekuensi Tertinggi (FH) c. Frekuensi 2.1 GHz (FC)
Gambar 4.10 Hasil Pengukuran Return Loss &VSWR Frekuensi 2.1 GHz (FC)
Return Loss (dB) 10.04 16.77 10.12
VSRW 1.92 1.34 1.91
Melihat tabel diatas, bisa didapatkan besar bandwidth dari antena. Dengan mengetahui : FH = 2158 MHz FL = 2078 MHz Sehingga BW = FH - FL = (2158 – 2078) MHz = 80 MHz Analisis Hasil Pengukuran Dari hasil pengukuran terlihat bahwa frekuensi kerja antena dimulai dari 2078 MHz sampai 2158 MHz, sedangkan pada spesifikasi antena hasil simulasi bekerja pada frekuensi 2071 MHz sampai 2129 MHz atau frekuensi kerja bergeser sebesar 7 MHz. 2. Pengukuran Gain Pengukuran gain bertujuan untuk mengetahui besarnya penguatan antena mikrostrip yang direalisasikan dibandingkan dengan antena pembanding. Penentuan jarak antara antena pemancar dengan antena pembanding berdasarkan syarat medan jauh Hasil Pengukuran a. Pengukuran Antena Horn 10 dBi
Gambar 4.11 Antena Horn GD = 10 dB dan PD = -69.5 dBm b. Pengukuran antena mikrostrip 2.1 GHz
Gambar 3.8 Antena mikrostrip 2.1 GHz PY = -75.6 dBm
DAFTAR PUSTAKA
Analisa Hasil Pengukuran
Berdasarkan hasil pengukuran kuat medan maksimum antena referensi (PAREF) dan penerima (PAP) maka gain dari antena mikrostrip dapat dihitung sebagai berikut : G Y (dB) = PY (dBm) – PD (dBm) + GD (dB) Gain = 2.9 dB Hasil gain yang diperoleh jauh lebih kecil dari spesifikasi yang dirancang, yaitu 3.57 dB. 3.3 Perbandingan Spesifikasi Perancangan Dan Realisasi Perancangan Frekuensi 2.1 GHz Return Loss 20.719 dB VSWR 1.20 Frekuensi Terendah 2071 MHz Frekuensi Tertinggi 2129 MHz Bandwidth 57.6 MHz Gain 3.57 dB
Hasil
[2]
[3]
[4]
Realisasi 16.77 dB 1.34 2070 Mhz 2158 MHz 80 MHz 1.1 dB
IV. PENUTUP 4.1
[1]
KESIMPULAN
Dari kegiatan kerja praktek serta pembuatan laporan ini penulis telah mendapat beberapa kesimpulan antara lain : 1. Telah direalisasikan antena mikrostrip patch metoda insetfed frekuensi 2.1 GHz untuk aplikasi 3G dengan substrate FR-4 epoxy 4,3 dengan nilai return loss perancangan didapatkan 20.719 dB sedangkan pengukuran didapatkan 16.77 dB. 2. Mengetahui perbedaan hasil simulasi dan pabrikasi yang ditunjukan oleh tabel 4.4. Untuk VSWR ≤ 2, bandwidth spesifikasi yang diinginkan yaitu ≥ 50 MHz sedangkan pada pengukuran adalah 80 MHz dari fekuensi 2070 MHz sampai 2158 MHz. 3. Hasil pengukuran unjuk kerja antena memiliki hasil yang berbeda dengan hasil perancangan simulasi. Hal ini dikarenakan, saat pengukuran dilakukan dalam suatu ruangan yang tidak bebas pantul, sehingga hasil pengukuran berbeda dengan hasil simulasi.
[5]
[6]
[7]
[8]
Muchlisah, Maryam. Realisasi Antena Mikrostrip Persegi Corner-Truncated Untuk Aplikasi Global Positioning System, Bandung. 2009. Balanis, Constatine A. Antenna Theory : Analisis and Design, 2nd ed. Jhon Wiley & Sons, Ltd. 1997 G. Kumar and K.P. Ray. Broadband Microstrip Antennas, London: Artech House. 2003. Pratama, Oki A. Realisasi Antena Mikrostrip Lingkaran dengan metoda Stacked Parasitic Menggunakan Substrat Acrylic Untuk Repeater GSM. POLBAN. Bandung. 2009 Lestari, Mega Suci. Realisasi Antena Patch Polarisasi Sirkular dangan Teknik Pesturbasi Sudut Segi Empat pada Frekuensi 2.4 GHz. Bandung 2009 C. A. Balanis. Antenna Theory-Analysis and Design, 3rd ed. New York: Wiley, 2005. A. B. Simanjuntak, Diktat Kuliah Teknik Antena, Politeknik Negeri Bandung. 2008. M.R.Jagdish and P.K.Yogesh, “Design and Development of Microstrip Patch Array Antena”. Bandung 2012 I.J.Bahl, P.Bhartia. “Mikrostrip Antenna”, Artech House, pp(44-55) 1980
RIWAYAT PENULIS Penulis dilahirkan di Surabaya 1 April 1991, merupakan anak kedua dari 3 bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu di SD ASYSYIFA 2 Bandung, SMPN 22 Bandung, SMA (+) Muthahhari Bandung, kemudian melanjutkan studi di Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Telekomunikasi DIV. Penulis pernah mengikuti Kerja Praktek di PT. Len (PERSERO) pada Divisi Pusat Teknologi dan Inovasi (PUSTEKIN).
