TRIMMED EQUILATERAL MICROSTRIP ANTENA DENGAN …

471

uletinPos danTelekomunikasiB

VOL. 9 NO. 4 DESEMBER 2011

TRIMMED EQUILATERAL MICROSTRIP ANTENA DENGAN ELECTRO-MAGNETICALLY COUPLED UNTUK WLAN 2,4 GHZ

Rahmat Saleh

Calon PenelitiPuslitbang Sumber Daya dan Perangkat Pos dan Informatika

Jl. Medan Merdeka Barat No. 9 Jakarta 10110 Telp/Fax. 021-34833640Email : [email protected]

Diterima: 06 Oktober 2011; Disetujui: 3 Nopember 2011

ABSTRAK

The trimmed equilateral microstip antenna is designed to work at frequency 2.4 GHz.This WLAN frequency was chosen because it still the favorite option compared to 5.2GHz. The antenna is designed to have VSWR and return loss less than 2 and the electromagnetically coupled was chosen to widen the bandwidth.Finding the desired frequencycan be done by re-calculating the dimension of pacth or by trimming method. The methodwas chosen because it was proved to be more efficient both during simulation and fabrica-tion. Furthermore, the patch dimension can be reduced as well.The results show that thefabricated antenna has frequency 2.3993 GHz-2.48368 GHz. The lowest VSWR is 1.0845and the lowest return loss is 27.046 dB both at the resonant frequency of 2.44 GHz. Themainbeam radiation pattern of antenna is at angle 0o. While the obtained gain is 4.644 dBat frequency of 2.44 GHz.

Keywords: Trimmed Equilateral Microstrip, Electro-Magnetically Coupled, WLAN, 2.4GHz

ABSTRAK

Antena mikrostrip segitiga sama sisi dengan metode trim dirancang untukbekerja pada frekuensi wireless LAN 2,4 GHz karena frekuensi ini masihmenjadi pilihan utama dibandingkan dengan frekuensi wireless LAN 5,2 GHz.Antena dirancang agar memiliki VSWR d” 2 dan return loss d” 2. Sedangkanpencatuan electro magnetically coupled dipilih untuk memperlebar band-width. Pengubahan frekuensi dapat dilakukan dengan metode menghitungulang panjang sisi patch atau dengan metode trim. Metode trim dipilih karenacara ini terbukti lebih efisien baik pada saat simulasi ataupun pada saat fabrikasi.Dengan metode ini dimensi patch yang diperoleh bisa diperkecil. Dari hasilpengukuran antena fabrikasi didapat bandwidth antena dari 2,3993 GHz —2,48368 GHz. VSWR terendah adalah 1,0845 dan return loss terendah adalah -

472



27,046 dB keduanya terjadi pada frekuensi resonansi 2,444 GHz. Berkas utamapola radiasi antena ini adalah pada sudut 0o. Sedangkan gain yang diperolehsebesar 4,644 dB pada frekuensi 2,44 GHz.

Kata-Kata Kunci: Trimmed Equilateral Microstrip, Electro-MagneticallyCoupled, WLAN, 2.4 GHz

mikrostip menggunakan patchSegitiga Sama Sisi karena untukfrekuensi resonansi yang sama patchini mempunyai dimensi yang relatiflebih kecil dibandingkan dengan patchlain [3].

Dalam merancang antena adabeberapa cara yang digunakan untukmengubah frekuensi kerja. Salahsatunya adalah dengan metodemenghitung ulang panjang sisi patch.Kelemahan dari cara ini adalah prosespenghitung yang dapat memakanwaktu. Cara berikutnya adalahdengan metode Trim (potong). Jikasalah satu sudut segitiga dipotongdari keadaan segitiga yang utuh makafrekuensi kerja akan membesar.Pemotongan salah satu sudut patchsegitiga akan dibaca sebagai sebuahsegitiga yang utuh (tanpa trim) dengandimensi yang lebih kecil. Hal inirelevan dengan teori “Semakin kecildimensi patch, maka makin besarfrekuensinya” [3]. Metode ini terbuktilebih cepat dari metode menghitungulang panjang sisi patch.

Device wireless LAN yang beredar dipasaran saat ini bekerja padafrekuensi 2,4 GHz dan 5,2 GHz,dengan 2,4 GHz sebagai frekuensiyang paling banyak digunakan. Salah

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kebutuhan akan sistem wireless LANsekarang ini sangat berkembangpesat. Sistem wireless LAN secaraperlahan menggantikan sistem wiredLAN, dimana pada sistem inipengguna tidak perlu lagi direpotkanoleh kabel.

Sistem yang wireless diharapkan low-profile karena karakteristiknya yangcenderung mobile. Karena sistem yangmobile membutuhkan dimensi yangcukup kecil, maka Antena Mikrostripsangat cocok digunakan untuk sistemwireless ini. Antena mikrostripmempunyai beberapa kelebihanselain low-profile diantaranya,serbaguna (versatility), dapatberadaptasi dengan aplikasi yangmenggunakannya, dan sensitifitasyang rendah pada saat fabrikasi.

Penggunaan mikrostrip untukaplikasi wireless LAN sebenarnyasudah cukup banyak dibahas, tetapimayoritas dari mikrostrip tersebutmenggunakan patch segiempat ataulingkaran, masih sedikit yangmenggunakan patch segitiga. PadaTugas Akhir ini akan dirancang dandibangun sebuah sistem antena

473



satu alasannya adalah pada frekuensi5,2 GHz AP (Access Point) yangdibutuhkan lebih banyak dibanding-kan dengan sistem yang bekerja padafrekuensi 2,4 GHz, dan standar IEEE(Institute of Electrical and Electronic En-gineers) 802.11g yang menjadi standarmutakhir wireless LAN juga bekerjapada frekuensi 2,4 GHz. Maka dari itufrekuensi yang dipilih untuk antenaini adalah frekuensi wireless LAN 2,4GHz.

Ada beberapa design untuk antenapatch segitiga dengan dimensi yanglebih besar diantaranya: “Design of aDual Patch Triangular Microstrip An-tenna” yang mempunyai panjang sisipatch segitiga 52,1 mm [1], “TriangularPatch Antennas for Dual Mode 802.11a,bWLAN Application” yang mempunyaipanjang sisi patch segitiga 63,9 mm [4],dan “A Broadband Design for a PrintedIsosceles Triangular Slot Antenna for Wire-less Communications” yang mempunyaipanjang sisi patch segitiga 51,5 mm [6].Pada tugas akhir ini dirancang suatuantena mikrostrip segitiga sama sisidengan frekuensi wireless LAN 2,4 GHz-2,4835 GHz yang diharapkanmempunyai dimensi yang lebih kecildari design pada [1], [4], dan [6].Dengan dimensi keseluruhan yanglebih kecil dibandingkan dengan de-sign pada [1], [4], dan [6], maka antenasegitiga sama sisi metode trim inidiharapkan dapat diaplikasikanuntuk kebutuhan wireless LAN sepertipada Wireless LANPCMCIA (Personal

Computer Memory Card Industry Asso-ciation) card.

Batasan Masalah

Antena mikrostrip yang dibahas disini adalah antena mikrostrip segitigasama sisi dengan menggunakanmetode trim yang bekerja padafrekuensi 2,4 GHz (2,4 GHz — 2,4835GHz) dengan VSWR (Voltage StandingWave Ratio) d” 2, return loss d” -9,54dB dan pencatuan tergandeng secaraelektromagnetik. Karakteristik yangdiamati adalah VSWR, return loss, in-put impedansi, pola radiasi, dan gain.

Tujuan Penelitian

Merancangbangun antena mikrostrippatch segitiga sama sisi denganmetode trim yang bekerja padafrekuensi wireless LAN 2,4 GHz,dengan pencatuan tergandeng secaraelektromagnetik.

KERANGKA TEORI

Antena Mikrostrip

Antena berdasarkan definisi umumadalah peralatan yang digunakanuntuk meradiasikan atau menerimagelombang radio. Berdasarkanstandar IEEE nomor 145-1983 :“Antena adalah sebuah kata yangdimaksudkan untuk meradiasi ataumenerima gelombang radio”, dengankata lain antena adalah strukturtransisi antara udara bebas denganperalatan guide atau saluran transmisi

474



[2]. Gambar 1 menjelaskan tentang haltersebut.

Konfigurasi dari model antenamikrostrip yang paling sederhanaterdapat pada gambar 1 Antena inihanya terdiri dari Patch yang teradiasiyang berada pada bahan SubstratDielektrik dimana substrat inimempunyai Ground. Ground yangterdapat pada bagian paling bawah inimempunyai bahan yang sama denganpatch peradiasi yaitu tembaga.

Patch

peradiasi

Ground

Substrat

Gambar 1 Konfigurasi antena mikrostipyang paling sederhana

Antena mikrostrip segitiga sama sisidigunakan untuk mendapatkankarakteristik radiasi yang samadengan antena mikrostrip segiempatuntuk frekuensi resonanasi yangsama, tetapi dengan dimensi yanglebih kecil [3].

Frekuensi Resonansi

Untuk resonator patch segitiga yangdikelilingi oleh dinding magnet yangsempurna berlaku rumus Persamaan 1.

22

3

2

2nmnm

a

cckf

rr

mn

r ++==εεπ

Persamaan 1. Frekuensi Resonansi

dimana:

c = kecepatan cahaya (3x108 m/s)

år = permitivitas dielektrik substrat

a = panjang sisi segitiga sama sisi

m,n= notasi mode m, n

VSWR dan return loss

VSWR merupakan besaran relatif darigelombang yang direfleksikan dalamsebuah jalur yang low-loss [5].Dinyatakan dalam Persamaan 2:

min

max

E

EVSWR =

Persamaan 2. VSWR

|Emax|

|Emin

|

RMSVoltage

Gambar 2 Standing-wave pada jalur transmisi [5]

Dimana Emax adalah tegangan puncakdari titik tertinggi dalam pola stand-ing-wave dan Emin merupakan titikterendahnya. Seperti pada gambar 2.

VSWR berhubungan dengan besarankoefisien refleksi (Ã). Koefisienrefleksi merupakan nilai koefisiengelombang elektromagnetik yangdipantulkan oleh receiver. VSWRdalam hubungannya denganbeberapa beban dapat dijelaskansebagai berikut:

Matched ( OR ZZ = )

Γ

, maka

VSWR

475



VSWR = 1, sangat sulit untuk didapat,karena nilai ini merupakan nilai idealdimana semua gelombang tidak adayang dipantulkan. Para produsenantena pada umumnya memakai nilaiVSWR 1,5. Sedangkan pembuatanantena untuk percobaan biasanyamenggunakan nilai 2.

Return loss didefinisikan sebagaiperbandingan dalam decibel (dB)antara daya yang datang (incident = P+)dan daya yang direfleksikan (reflected= P- ). Return loss sangat berhubungandengan VSWR. Return lossdirumuskan pada Persamaan 3 danditurunkan pada Persamaan 4.

2

2

2

Γ==+

−

+

−

E

E

P

P

Persamaan 3. Definisi Return Loss

Γ==

−

+1

log20log10P

Plossreturn

Persamaan 4. Return Loss

Kaitan return loss dalam hubungannyadengan VSWR dapat dinyatakansebagai berikut:

1

1log20

−

+=

VSWR

VSWRlossreturn

Persamaan 5. Return Loss dan VSWR

Bandwidth

Bandwidth pada antena didefinisikansebagai jangkauan frekuensi yangmerepresentasikan performa antenadalam hubungannya dengan

karakteritik berdasarkan standarspesifikasi [2].

Ada beberapa definisi tentang band-width dalam antena mikrostrip,diantaranya:

1. Pattern bandwidth, adalah jang-kauan frekuensi dimana beamwidth,side lobe, atau gain memenuhi nilaitertentu.

2. Impedance bandwidth, adalah jang-kauan frekuensi dimana saluranpencatu match dengan patch.

3. Axial ratio bandwidth adalahjangkauan frekuensi dimanapolarisasi melingkar terjadi.

Bandwidth antena secara umumdiukur dengan menggunakanfrekuensi atas, frekuensi bawah danfrekuensi tengahnya seperti padarumus di bawah:

%100xf

ffBandwidth

c

lh −=

Persamaan 6. Bandwidth

dimana:fh= frekuensi tertinggi dalam band-

widthfl= frekuensi terendah dalam band-

widthfc= frekuensi tengah dalam bandwidth

Saluran Mikrostrip

Saluran mikrostrip adalah suatusaluran yang menghantarkan aruslistrik dari sumber listrik menujupatch agar patch dapat teradiasi. Tanpa

476



saluran ini maka mustahil gelombangelektromagnetik akan timbul.

Seperti terlihat pada gambar 3, saluranyang dalam hal ini mempunyai lebarW dipisahkan oleh substrat yangmemiliki ketebalan h sebelum ground.Hal terpenting dalam saluranmikrostrip ini adalah ImpedansiKarakteristik (Zo). Impedansi iniditentukan dari lebar saluran W dantinggi substrat h.

Substrat Ground

Saluran

mikrostripW

h

Gambar 3 Saluran mikrostrip (tampak

samping) [2]

Karakteristik saluran ini dibedakanuntuk W/h < 1 dan W/h > 1, dimanapada W/h < 1 dan dengan:

−+

+

−+

+=

2

104.0/121

1

2

1

2

1

h

w

wh

rr

eff

εεε

Impedansi karakteristiknya menjadi :

+=

h

w

w

hZ

eff4

8ln

600

ε

sedangkan untuk W/h > 1 dandengan :

+

−+

+=

wh

rreff

/121

1

2

1

2

1 εεε

Impedansi karakteristiknya menjadi :

( )44.1/ln3/2393.1/

/1200

+++=

hWhWZ

effεπ

Pencatuan Electro MagneticallyCoupled

Pencatuan EMC (Electro Magneti-cally Coupled)menggunakan duasubs t ra t dengan pa t ch padasubstrat bagian atas dan saluranmikrostrip pada substrat bagianbawah yang diakhiri denganground. Saluran ini berakhir tepatdi bawah patch . Karena t idakmenyentuh patch secara fisik danhanya bersifat menggandeng secaraelektromagnetik patch yang beradadi atasnya maka pencatuan inidisebut electro magnetically coupled.

Bila ada dua konduktor yang salingberdekatan satu sama lain makaruang antara keduanya akanmempunyai sifat kapasitif, haltersebut terjadi pula pada pencatuanini dimana dua konduktor tersebutadalah saluran mikrostrip dan patch,maka ruang diantara keduanya yaitusubstrat akan mengalami sifatkapasitif.

Rangkaian ekivalen dari pencatuan inidigambarkan seperti pada gambar 4.Pada gambar tersebut Cc adalahkapasitor coupling yang terjadi antarasaluran mikrostrip dengan patch,dimana RLC merepresentasikan patch.Kapasitor ini dapat dirancangsedemikian rupa untuk mendapatkanmatching impedansi dari antena.Saluran mikrostrip ini juga dapatditambahkan dengan stub untukmemperlebar bandwidth [3].

477



L CR

Cc

Feed Line

Gambar 4. Rangkaian ekivalen dari sistempencatuan electro magnetically coupled [3]

METHODOLOGI

Karakteristik dan Konfigurasi

Anterna

Antena yang akan dibuat memilikikarakteristik frekuensi kerja wirelessLAN pada 2,4 GHz dengan bandwidth2,4 GHz-2,4835 GHz. Frekuensi 2,4GHz dipilih karena kecenderunganproduk wireless LAN sekarang inimasih bekerja pada frekuensi tersebut,contoh dengan adanya standar baruIEEE 802.11g yang justru bekerja pada2,4 GHz. Ditambah lagi denganjumlah AP yang lebih sedikitdibandingkan dengan frekuensi kerja5,2 GHz membuat frekuensi 2,4 GHzmasih menjadi pilihan utama paraprodusen antena wireless LAN.Padafrekuensi ini VSWR yang terjadidiharapkan d” 2 dengan return lossd” -9,54 dB.

Antena ini terdiri dari tiga layer.Dimana setiap layer terdapatkonduktor yang berfungsi sebagaitempat terjadinya arus listrik danmedan magnet. Layer pertama (layeratas) merupakan patch segitiga samasisi yang dipotong (trim) dan layerkedua (layer bawah) merupakan

saluran pencatu yang berbentukseperti saluran seperti pada gambar5. Layer yang terakhir adalah ground.Di setiap layer yang disebutkan di atasdiisi oleh substrat sebagai penyanggamekanik dari metalisasi antena [3].

PatchSegitiga Substrat

atasSubstratbawah

SaluranPencatu

Ground

Saluran

Pencatu

Patch

SegitigaSubstrat

bawahSubstrat

atas

Gambar 5. Patch segitiga sama sisi yangdipotong (trim) dan saluran pencatu

Patch segitiga sama sisi tidakmempunyai hubungan langsungdengan saluran pencatu yang ada dibawahnya. Oleh karena itu patch inidikatakan tergandeng dengan saluranpencatu secara elektromagnetikkarena medan elektromagnetik-lahyang membuat patch ini seolahterhubung dengan saluran pencatu-nya. Pencatu yang digunakan di sinimerupakan pencatu sederhana yangmembangkitkan polarisasi linear.

Karakteristik Substrat

Sebagaimana yang telah disebutkan diatas, substrat dalam mikrostrip antenasecara prinsip dibutuhkan sebagaipenyangga mekanik untuk metalisasiantena. Untuk memenuhi kebutuhanini sebuah substrat harus merupakanmaterial dielektrik yang akanmempengaruhi performa elektrikdari antena, sirkuit, dan jalurtransmisi. Parameter substrat yangdigunakan dalam antena ini terdapatpada tabel 1.

478



Penentuan Lebar Saluran Pencatu

Dimensi saluran pencatu dihitungdengan menggunakan programPCAAD (Personal Computer Aided An-tenna Design) versi 3.0. Program inijuga dapat menghitung karakteristikimpedansi dari input lebar saluranpencatu yang sudah ditentukanterlebih dahulu. Seperti pada gambar6, dengan input karakterisitkimpedansi yang diberikan 50 Ω,didapat:

lama waktu simulasi) dan jugaberhubungan dengan spesifikasikomputer yang harus digunakan,maka lebar 3,6559 mm dibulatkanmenjadi 3,6 mm.

Penentuan Dimensi Patch Segitiga

Berdasarkan rumus penentuanpanjang sisi patch segitiga, makapanjang sisi patch segitiga antenaadalah:

mmxx

xx

f

ca

r

2.462.34175.23

1032

3

28

===ε

Seperti yang sudah dijelaskan padabab sebelumnya bahwa kerapatan gridmempengaruhi waktu simulasi, makauntuk memudahkan proses simulasipada program MWO nilai 46,2 mmdibulatkan menjadi 46 mm.

Simulasi Patch dengan Saluran

Pencatu

Setelah lebar saluran pencatu danpanjang sisi segitiga ditentukan makalangkah selanjutnya adalah mensimu-lasi gabungan saluran pencatu denganpatch menggunakan program MWOsampai karakteristik yang diinginkantercapai.

a. Penentuan panjang ujung patch

segitiga yang dipotong

Langkah kedua adalah mengatur patchsegitiga (t) agar frekuensi kerja yangdiinginkan terpenuhi dengan caramemotong (trim) sudut bagian bawahyang berhadapan dengan konektor

Tabel 1 Parameter substrat yang digunakan

Parameter Nilai

Jenis GML 2032 060 1/1

Konstanta Dielektrik Relatif 3.2 ± 0.05

Rugi Tangensial 0.0025

Tebal [cm] 0.152 ± 0.0076

Konduktivitas Termal (pada

99oC) [W/moK] 0.232

Gambar 6 Penghitungan lebar saluran pencatu

dengan menggunakan PCAAD 3.0

Berdasarkan gambar 6, maka lebarsaluran pencatu yang didapat sebesar3,6559 mm. Karena program simulasiMWO (Micro Wave Office) menggu-nakan grid sebagai basis dasar untuksimulasinya, dan karena kerapatangrid berhubungan dengan waktusimulasi (makin rapat grid, makin

479



50 Ω setahap demi setahap, dalam halini tahapan yang diambil adalah per0,25 mm.

Pada tahap ini selain mengaturpanjang patch yang akan dipotong(trim),saluran pencatu juga diaturulang karena panjang t yangmembuat ujung saluran pencatu tidakberada tepat di bawah patch samasekali-pun belum membuat frekuensi2,4GHz tercapai. Tetapi karena padatahap ini difokuskan pada penentuanpanjang ujung patch segitiga yangdipotong (trim) maka pengaturansaluran pencatu dilakukan dengantahapan per 1 cm.

yang utuh.Sedangkan untuk panjangsaluran pencatu, hasil terbaik adalahdengan panjang 18 mm. Hasilsimulasi untuk konfigurasi ini adapada gambar 7. Seperti terlihat bahwapengubahan frekuensi kerja denganmetode trim ini mempengaruhi kondi-si matching dari antena walaupuntidak terlalu signifikan. Bandwidthyang didapat dari simulasi ini yaitu909 MHz (2,4003-2,4912 GHz) belummemenuhi standar wireless LAN (2, 4GHz-2,4835 GHz). Untuk itu diperlu-kan langkah selanjutnya untukmengatur supaya frekuensi yangdiinginkan tercapai.

Gambar 7. Simulasi VSWR dan return loss

Untuk rancangan ini hasil terbaikadalah patch dengan panjang trim (t)sebesar 8,25 mm dari kondisi segitiga

Gambar 8. Simulasi VSWR dan return loss untuk

konfigurasi tersebut

b. Penentuan panjang saluran pencatu

Langkah selanjutnya menentukanulang saluran pencatu (l2) untuk yang

480



terakhir (fine tuning), agar hasil yangdidapat lebih baik dari langkahsebelumnya. Pada langkah sebelum-nya, range frekuensi yang diinginkanbelum tercapai (2,4003-2,4912 GHz).Proses pengaturan ulang panjangsaluran pencatu ini dapat membuatsaluran pencatu lebih matching lagisehingga range frekuensi yangdiinginkan terpenuhi.

Hasil terbaik dari konfigurasi iniadalah l

2 = 18,25 mm. Dari gambar 8

bandwidth secara umum dapatdiketahui sebagai berikut:

Diagram Alir Perancangan Antena

Diagram al i r akan membuatproses perancangan menjadi lebihsistematis, terarah dan mudahdikontrol atau pun dievaluasisampai mana proses perancanganberjalan. Diagram alir untukperancangan ini seperti padagambar 10.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengukuran port tunggal

Pengukuran port tunggal dilakukanuntuk mengetahui karakteristikdari antena yang telah difabrikasitanpa melibatkan antena lain atautanpa menentukan apakah antenafabrikasi sebagai antena pengirim(transmitter) atau penerima (re-ceiver). Karakteristik yang didapatberupa VSWR, return loss, danimpedansi masukan, sedangkanpola radiasi dan gain tidak bisadiketahui karena pengukurankarakteristik ini menggunakan antenalebih dari satu pada saat yangbersamaan pada dua port, sepertiyang akan dijelaskan pada sub-babberikutnya.

Network

analyzer Antenna

port 2

Tabel 2 VSWR dan return loss yang didapat

Parameter Nilai

Frekuensi bawah 2,3945 GHz

Frekuensi atas 2,4904 GHz

Frekuensi tengah 2.44245 GHz

Bandwidth 2:1 95,9 MHz (3,926 %)

VSWR minimum 1,104

Return loss minimum -25,626 dB

50

mm

50 mm

23,2 mm

4 m

m

2 m

m

3,6 mm

8,25 mm

18

,25

mm

46 mm

Gambar 9. Hasil akhir konfigurasi antenadisertai dimensinya. Garis titik-titik bukanmerupakan bagian dari konfigurasi tetapi

merupakan panduan untuk gambar.

481



Tidak

Y a

Tidak

Y a

Tidak

Y a

Tidak

Ya

Mulai

Menentuk an K arakteristik An tena :

- Frekuens i Kerja 2,4- 2,4835 GHz- Patc h Segi tiga

-Penc atuan E lectro Magnetic al ly Coupled

- P olarisasi Linear

Menentuk an Lebar Saluran Pencatu dengan

Menggunakan Pr ogr am PCAA D Untuk

Menghas ilk an Impedansi Karak te ristik 50 Ohm

Menentukan Dimensi Patc h Segi tiga

Men-simulas i P atch dan S alur an P enc atu

dengan Pr ogr am MWO Mem-fabr ik as i An tena

Mengukur Antena d i Ruang Anti Gema

Karakteristik AntenaSudah Ses uai?

S elesai

Men-simulas i P atch dan S alur an P enc atudengan Pr ogr am MWO

(Menentukan pan jang s aluran yang pertama)

Men-simu lasi P atch dan Saluran Pencatudengan P rogram MWO

( Menentuk an panjang ujung patch seg i tiga

yang di -trim)

Frek uensi ker ja

sudah te rpenuhi?

Men-simu lasi P atch dan Saluran Pencatu

dengan P rogram MWO

(Menentukan pan jang s aluran yang k edua)

Subs tra t ( GML 2032) :

= 32

Tebal = 1,52 mm

Loss Tangensial = 0,0025

rε

V SW R 2 (pada frekuens i

kerja yang sudah terpenuhi )?≤

V SW R 2? (frekuens i

kerja belum ter penuh i)

≤

Gambar 10. Diagram alir perancangan antena

Pengukuran ini menggunakan networkanalyzer dan antena fabrikasi sepertipada gambar 11. Antena fabrikasidipasang pada salah satu port dari

network analyzer. Lalu tampilan padalayar diatur untuk menampilkan nilaiVSWR dari antena. Kemudian nilaiVSWR dicatat untuk dibandingkan

482



dengan nilai VSWR hasil darisimulasi.

Pengukuran pola radiasi

Pola radiasi dari suatu antena akanlebih baik ditentukan dengan caramemposisikan antena tersebutsebagai antena penerima. Selainantena fabrikasi yang dibuat padarancangan ini, selanjutnya disebutAntena Segitiga (Triangular Antenna),dibutuhkan juga suatu antena denganfrekuensi kerja yang identik denganantena segitiga, selanjutnya disebutAntena Identik. Antena ini berfungsisebagai antena pengirim dan antenasegitiga adalah antena penerimanya.

Network

analyzer

Coaxial

cable

Reveiver

antenna

Transmitter

antenna

port 2

port 1

Coaxial

cable

Gambar 12. Konfigurasi pengukuran pola radiasi

Seperti terlihat pada gambar 12, antenapengirim adalah antena identik danantena penerima adalah antenasegitiga. Masing-masing dihubung-kan dengan kabel coaxial menuju portnetwork analyzer berturut-turut port 1dan port 2. Antena pengirim dan peneri-ma harus berada dalam ketinggianyang sama dan posisi yang sejajar agararah berkas yang dipancarkan dapatditerima semaksimal mungkin.

Pengukuran pola radiasi dilakukanpada daerah medan jauh (far-field re-

gion) -nya. Pada daerah ini distribusimedan angular sudah tidak bergan-tung pada jarak dari kedua antena.Sedangkan jarak minimum darimedan jauh tersebut ditentukan olehperbandingan dua kali kuadratdimensi terbesar dari antena denganlambda dari antena, Lambda yangdipakai adalah lambda yang tertinggi(frekuensi yang terendah) padafrekuensi kerja yang diinginkan agarnilai r yang didapat adalah r palingkecil dalam range frekuensi kerja.

Untuk rancangan ini jarak minimumdari medan jauh berdasarkan perhi-tungan adalah 4 cm pada frekuensi 2,4GHz. Tetapi pada saat pengukuranjarak yang diambil adalah 20 cm, halini dapat dibenarkan karena jarakminimum medan jauh-nya sudahterpenuhi.

Setelah konfigurasi selesai dirancang,maka langkah selanjutnya adalahmengambil data pada tampilan net-work analyzer. Format pengukuranyang diambil adalah S21 yang telahdikalibrasi. Hal ini berarti formatpengukuran menganalisa port 2sebagai efek dari port 1.

to port 1network

analyzer

to port 2network

analyzer

20 cm

Transmitter

antenna

Receiverantenna

to port 1network

analyzer

to port 2network

analyzer

20 cm

Transmitter

antenna

Receiverantenna

(a) (b)

Gambar 13. Konfigurasi pengukuran polaradiasi, (a) Pada bidang E, (b)

Pada bidang H

Tabel 3 Kombinasi pengukuran tiga

Kombinasi Antena

pengirim

483



Antena pengirim dalam posisi tetapsedangkan antena penerima diputarsampai 360o dari 0o dengan 0o adalahposisi dimana antena pengirim danpenerima saling berhadapan. Karenapengukuran ini mempunyai variabelsudut maka frekuensi diatur konstanterhadap sudut. Frekuensi yangdigunakan adalah pada 2,44 GHz.Data lalu dicatat dengan step per 10o

untuk masing-masing bidang E danbidang H.

Pengukuran gain

Konfigurasi pengukuran gain hampirsama dengan konfigurasi padapengukuran pola radiasi, hanya sajapada pengukuran gain , networkanalyzer difungsikan sebagaiosilator yang membangkitkan sinyalpada antena pengirim sedangkanpengu-kuran daya yang diterima olehantena penerima diukur oleh powermeter.

Langkah pertama adalah mengukurdaya yang dikirim. Karena konfigu-r a s i i n i m e n g g u n a k a n k a b e lcoaxial yang cenderung meredamdaya yang melaluinya, maka padapengukuran daya yang dikirim,posis i pengukuran di lakukanpada titik dimana antena pengirimakan ditempatkan, seperti terlihatpada gambar 14. Pengukurandilakukan dengan step 10 MHzdimulai dari 2,4 GHz — 2,48 GHz dandengan step 3,5 MHz dari 2,48 GHz— 2,4835 GHz.

Network

analyzer

Coaxial

cable

Power

meter

Gambar 14 Konfigurasi pengukuran gain

(pengukuran daya yang dikirim)

Langkah berikutnya adalah mengu-kur daya yang diterima pada antenapenerima. Karena pengukuran gain inimenggunakan metode tiga-antena,maka kombinasi yang memungkin-kan adalah:

Network

analyzer

Coaxial

cable

Reveiver

antenna

Transmitter

antenna

Power

meter

Gambar 15. Konfigurasi pengukuran gain

(pengukuran daya yang diterima)

Format pengukuran yang diambilsama dengan pengukuran pada polaradiasi, yaitu S21 yang telahdikalibrasi. Untuk ketiga kombinasiantena seperti tersebut pada tabel 3,pengukuran dilakukan dengan step10 MHz dimulai dari 2,4 GHz — 2,48GHz dan dengan step 3,5 MHz dari2,48 GHz — 2,4835 GHz.

Hasil Pengukuran

Data pengukuran diambil melalui tigacara. Cara pertama yaitu denganmencetak tampilan pada layar network

Kombinasi pengukuran tiga-antena

Antena

pengirim

Antena

penerima

484



analyzer, cara kedua dengan mencatatdata yang tampil pada layar networkanalyzer dan cara ketiga dengan mencatatdata yang tampil pada layar power meter.

Pengukuran port tunggal

Pada gambar 16 tampak bahwa hasilpengukuran dengan hasil simulasimempunyai perbedaan walau tidakterlalu signifikan. Hal ini dikarenakankondisi yang berbeda antara simulasidengan fabrikasi. Pada saat simulasisemuanya bersifat ideal dan akurat,tetapi pada saat fabrikasi hal ini sangatsulit untuk dilakukan, seperti termi-nasi konektor pada saluran pencatuyang sulit untuk dibuat sepertiterminasi hasil pabrik, proses sablondan etching dimensi patch dan saluranpencatu yang tidak akurat.

Hasil VSWR dan return loss padaTabel 4. Hasil pengukuran port tunggal

Parameter Nilai

Frekuensi bawah 2,3993 GHz

Frekuensi atas 2,48368 GHz

Frekuensi tengah 2,44149 GHz

Bandwidth 2:1 84,38 MHz (3,456 %)

VSWR minimum 1,0845

Return loss minimum -27,046 dB

Gambar 16. Perbandingan data VSWRdan

return loss antara simulasi dan pengukuran

simulasi cenderung lebih matchingdibandingkan dengan hasil pengu-kuran. Tetapi pada pengukuran returnloss kondisi paling rendah justrudicapai oleh hasil pengukurandengan -27,046 dB (return loss simulasi= -25,626dB ). Garis merah berfungsisebagai indikator bahwa nilaimaksimal untuk kedua parameter(VSWR dan return loss) sudah terpenuhi. Gambar 17. Impedansi masukan pada pengukuran

485



Idealnya impedansi masukan adalah50 Ω sesuai dengan konektor yangdipakai yang juga 50 Ω. Tetapi padapengukuran didapat nilai yang berbedapada frekuensi atas dan bawahnyaseperti pada tabel 4, sedangkan padafrekuensi resonansinya cenderungmendekati 50 Ω. Hal ini dapat berartipada frekuensi resonansi kondisimatching terjadi walau tidak terlalusempurna.

Pengukuran pola radiasi

Berkas utama (main beam/major lobe)untuk rancangan antena ini terdapatpada sudut 0o. Seperti terlihat padagambar 18 baik untuk bidang Emaupun H mempunyai berkas utamayang sama (0o), ini merupakankarakteristik yang baik untuk antena.

Minor lobe dalam hal ini back lobemuncul dalam pola walau tidak besar.Minor lobe cukup sulit untukdihilangkan, yang memungkinkanadalah meminimalisir terjadinya mi-nor lobe tersebut.

Pengukuran gain

Hasil pengukuran gain untuk ketigaantena mempunyai pola yang hampirsama dan cenderung naik seiringdengan membesarnya frekuensi. Hal

Tabel 5. Hasil pengukuran impedansi masukan

Parameter Nilai [? ]

Frekuensi bawah (2,3993 GHz) 43,479 - j32,314

Frekuensi resonansi (2,444 GHz) 46,543 + j1,8301

Frekuensi atas (2,48368 GHz) 77,176 + j34.492

Radiation Pattern (E-plane)

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

010 20

3040

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140150

160170180

190200210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320330

340 350

E-plane

Radiation Pattern (H-plane)

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

010 20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150160170

180190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330340 350

H-plane

Gambar 18. Pola radiasi, (kiri) Bidang E,(kanan) Bidang H

ini dapat dibenarkan karena frekuensiberbanding lurus dengan nilai pokokgain:

mGc

Rf=

π4log20 10

Karena daya yang dikirim (P t)berbanding terbalik dengan gain,maka makin kecil daya yang diterima,gain akan semakin besar. Pada gambar19 daya yang dikirim cenderung

486



turun walau tidak terlalu signifikanseiring bertambahnya frekuensi, makadari itu kondisi ini juga dapatmembuat gain cenderung naik.

Daya dikirim = 0,823 mWDaya diterima = 42,7 ìW

( ) ( )

dB

GGdBiddBt

8497.12

823

7,42log10

295.12

204log20 10102

−=

+

=+

π

c. Kombinasi III, antena identik1(G

id1) dan antena identik2 (G

id2):

Antena pengirim = antena identik1Antena penerima = antena identik2Daya dikirim = 0,823 mWDaya diterima = 40,15 ìW

( ) ( )

dB

GGdBiddBid

117.13

823

15,40log10

295.12

204log20 101021

−=

+

=+

π

Lalu dari hasil di atas didapat gainuntuk masing-masing antena:

( )( )

dBdBGt

644.42

117.138497.12749.12=

+−−=

( )( )

dBdBGid 376.42

117.138497.12749.121 =

−+−=

( )( )

dBdBGid 276.42

117.138497.12749.122 =

−−=

Gambar 19 Daya yang dikirim cenderung turun

Salah satu perhitungan data yaituuntuk frekuensi 2,44 GHz adalahsebagai berikut:Frekuensi (f) = 2,44 GHzLambda (λ) = 12,295 cmJarak minimum kedua antena (r) = 20 cm

Kemudian dengan menggunakanpersamaan-persamaan yang tepat,didapat:

a. Kombinasi I, antena segitiga (Gt)dan antena identik1 (Gid1):Antena pengirim = antena identik1Antena penerima = antena segitigaDaya dikirim = 0,823 mWDaya diterima = 43,7 ìW

( ) ( )

dB

GGdBiddBt

749.12

823

7,43log10

295.12

204log20 10101

−=

+

=+

π

b. Kombinasi II, antena segitiga (Gt)

dan antena identik2 (Gid2

):Antena pengirim = antena identik2Antena penerima = antena segitiga

Tabel 6. Gain untuk ketiga antenna

Frequency

[GHz] Gt Gid1 Gid2

2.4 4.423813482 4.23241652 4.180714185

2.41 4.451900788 4.240007798 4.168221951

2.42 4.497865437 4.250232075 4.19425896

2.43 4.556411508 4.303965934 4.222976271

2.44 4.643514207 4.376090952 4.275555333

Antenna Gain

3

4

5

6

2.4 2.42 2.44 2.46 2.48

Frequency [GHz]

Ga

in [

dB

]

Gt Gid1 Gid2

Gambar 20. Gain untuk ketiga antena

487



Analisa Pengukuran dan Kesalahan

Data antara hasil simulasi danpengukuran menunjukkan perbedaanwalau tidak terlalu signifikan, hal inidapat dimaklumi karena prosesfabrikasi yang tidak ideal atau tidakakurat. Bandwitdh yang didapat padahasil pengukuran lebih kecil diban-dingkan hasil simulasi, ini dapat dika-renakan proses terminasi konektorpada saluran pencatu yang tidak baik.Tetapi bandwidth tersebut masih dapatmelingkupi bandwidth frekuensi wire-less LAN 2,4 GHz.

Bandwidth wireless LAN : 2,4 GHz-2,4835 GHz (83,5 MHz)

Bandwidth simulasi: 2, 3945 GHz-2,4904 GHz (95,9 MHz)

Bandwidth fabrikasi: 2, 3993 GHz-2,28368 GHz (84,38 MHz)

Frekuensi resonansi bergeser dari2,4394 GHz pada simulasi ke 2,444GHz pada saat pengukuran, sehinggakesalahan relatifnya dapat dihitungsebagai berikut:

%188.0%1004394,2

4394,2444.2=

−x

Kesalahan 0,188 % merupakankesalahan yang sangat kecil, artinyakesalahan ini sangat ditolerir.Perbedaan frekuensi resonansi inimenyebabkan nilai VSWR dan returnloss-pun ikut berubah. VSWR terendahpada simulasi adalah 1,104 dan padapengukuran adalah 1,0845, sedangkanreturn loss terendah pada simulasi

adalah -25,626 dB dan pada pengu-kuran adalah -27,046 dB. Untukimpedansi masukan kondisi matchingdiperoleh pada frekuensi resonan-sinya yaitu pada 46,543 + j1,8301 Ω,sedangkan pada frekuensi bawah (2,3993 GHz) dan atas (2, 28368 GHz) nilai50 &! tidak bisa dicapai. Kondisi inibisa disebabkan karena lebar saluranpencatu yang tidak presisi dan prosesterminasi konektor yang tidak baik.

Pada pengukuran pola radiasi, berkasutama antara bidang E dan bidang Hmempunyai nilai sudut yang samayaitu pada 0o, karakteristik ini sudahmencukupi untuk sistem wireless LAN.Pada grafik timbul side lobe yang tidakbesar, hal ini tidak terlalu mempe-ngaruhi karakteristik antena secarakeseluruhan selama main lobe-nyalebih besar dari side lobe.

Pada pengukuran gain, terjadi penuru-nan daya pada jalur transmisi karenapenggunaan kabel coaxial. Padapengukuran langsung di port 1 dayayang terukur adalah 1 mW sedangkandengan menggunakan kabel coaxialdaya yang terukur adalah ± 0,8 mW,hal ini tidak akan berpengaruh langsungpada proses pengukuran gain karenaselama pengukuran ini melibatkanperban-dingan antara daya yangditerima dengan daya yang dikirim,maka nilainya akan cende-rung sama.

Secara umum perbedaan data padaperancangan antena ini dapatdisebabkan oleh:

488



a. Peralatan yang digunakan untukfabrikasi tidak ideal. Seperti bahansubstrat yang tidak homogen,sehingga dapat menimbulkan loss,bahan timah untuk solder yangtidak baik, sehingga dapatmengurangi kondisi matching.

b. Kesalahan dalam proses fabrikasiantena. Seperti tidak akuratnyasubstrat yang dipotong denganmenggunakan gergaji besi biasa,tidak sempurnanya proses etchingsehingga masih ada lapisan tembagayang tertinggal atau justrumenghilangkan lapisan tembagapada titik yang tidak dinginkan,sistem terminasi konektor yanghand-made sehingga tingkat kerapiankurang seperti pada factory-made.

c. Kesalahan dalam pengukuran. Halini dapat disebabkan oleh kesala-han pembacaan data, masih adanyagelombang elektromagnetik yangterpantul dalam ruang anti-gemakarena masih adanya celah ataupantulan dari manusia, dan jugadapat disebabkan kalibrasi alatukur yang tidak akurat.

KESIMPULAN

Antena segitiga sama-sisi metode trimini dirancang untuk aplikasi wirelessLAN. Dari hasil fabrikasi yang dilaku-kan, dapat diambil kesimpulan bahwa:

1. Antena bekerja pada frekuensi 2,4GHz dengan bandwidth 2,3993 GHz-2,48368 GHz atau 84,38 MHz

(3,456 %). VSWR d” 2 dan return lossd” -9,54dB. VSWR terendah yaitupada 1,0845, sedangkan return lossterendah yaitu pada -27,046 dB,keduanya terjadi pada frekuensiresonansi 2,444 GHz. Input impe-dansi pada frekuensi resonansiterjadi pada 46,543 + j1,8301 Ω.Polarisasi yang terjadi adalah linear.

2. Berkas utama antena segitiga samasisi metode trim terjadi pada sudut0o baik untuk bidang E maupunbidang H.

3. Gain antena segitiga sama sisimetode trim mempunyai gainsebesar 4,644 dB pada frekuensi2,44 GHz. Penggunaan kabel co-axial menyebabkan redamansebesar ± 0,2 mW terjadi padapengukuran daya yang dikirim.

4. Kesalahan relatif frekuensi resonansiyang terjadi cukup kecil yaitusebesar 0,188% (dari 2,4394 GHzpada simulasi menjadi 2,444 GHzpada pengukuran).

5. Panjang sisi patch segitiga adalah46 mm dan tidak termasuk bagiansudut yang terkena proses trim.Dengan dimensi keseluruhanantena yang diperoleh yaitu 50 x50 x 3,04 mm, maka antena inidapat digunakan dalam bentukPCMCIA card.

Dengan karakteristik seperti tersebutdi atas maka antena ini dapat diguna-kan untuk aplikasi wireless LAN.

489



DAFTAR PUSTAKA

Al-Charchafchi, S. H., Wan Ali, W .K.,Ibrahim, M. R., Barnes, S. R., “De-sign of a Dual Patch TriangularMicrostrip Antenna”, Cranfield Col-lege of Aeronautics, Cranfield Uni-versity, March 1998.

Balanis, C.A., “Antenna Theory Analy-sis and Design” , 2nd edition, JhonWiley & Sons, Inc., Canada, 1982.

Garg, Ramesh, Bhartia, Prakash, Bahl,Inder, Ittipiboon, Apisak, “MicrostripAntenna Design Handbook”, ArtechHouse, Inc., Norwood, 2001.

Raul R. Ramirez, Franco De Flaviis,“Triangular Patch Antennas for Dual

Mode 802.11a,b WLAN Application”,Department of Electrical and Com-puter Engineering, University ofCalifornia, Irvine, USA, www.ece.uci.edu/rfmems/publications/b r > p a p e r s / a n t e n n a / C 0 5 7 -AP02.pdf, 27-04-2005.

Sinnema, William, “Electronic Trans-mission Technology”, 2nd edition,Prentice-Hall Inc., New Jersey, 1988.

Wen-Shan Chen, Fu-Mao Hsieh, “ABroadband Design for a Printed Isos-celes Triangular Slot Antenna for Wire-less Commnunications”, SouthernTaiwan University of TechnologyTainan, Taiwan, ROC, Microwavejournal, July 2005.

490



Date post:	25-Oct-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	7 times
Download:	0 times

TRIMMED EQUILATERAL MICROSTRIP ANTENA DENGAN …

Documents