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