Upload
haminh
View
227
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
27
BAB III
PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI
Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip persegi panjang elemen
tunggal dan array dua elemen untuk mendapatkan karakteristik antena yang ditentukan.
Jenis antena mikrostrip yang dirancang adalah antena patch persegi panjang dengan
teknik pencatuan microstrip line feed. Perancangan antena ini dilakukan dengan
menggunakan simulator Ansoft HFSS v11.1.
Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat, penentuan dimensi
patch antena, penentuan teknik array, serta penentuan lebar saluran pencatu. Hasil dari
perhitungan tersebut kemudian disimulasikan dengan simulator Ansoft HFSS v11.1.
Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan beberapa karakterisasi
berupa perubahann panjang saluran pencatu dan perubahann dimensi patch. Dengan
melakukan beberapa simulasi selanjutnya diperoleh hasil rancangan yang lebih optimal
tersebut. Dengan simulator Ansoft HFSS v11.1, yaitu dengan cara memasukkan ukuran
patch dapat diperoleh parameter-parameter antena yang dihasilkan berupa nilai VSWR,
gain antena dan pola radiasinya.
3.1. Peralatan yang Digunakan
3.1.1. Perangkat Keras
Perangkat keras yang digunakan dalam perancangan ini antara lain :
a. Personal Computer (PC).
b. Network Analyzer digunakan untuk mengukur nilai VSWR, return loss dan impedansi.
c. Spectrum Analyzer digunakan untuk mengukur daya yang diterima oleh antena
penerima.
d. Function Generator digunakan untuk menghasilkan gelombang.
d. Konektor SMA 50 Ω dan Kabel Coaxial 50 Ω.
e. Substrat FR4, timah dan solder.
3.1.2. Perangkat Lunak
Perangkat lunak yang digunakan dalam perancangan ini antara lain :
a. Anshoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1 untuk proses
simulasi antena yang sudah dirancang.
28
b. InkScape untuk menggambar bentuk antena yang akan difabrikasi.
3.2. Jenis Substrat Yang Digunakan
Dalam perancangan antena mikrostrip, langkah pertama adalah menentukan
substrat yang digunakan. Pada skripsi ini digunakan substrat FR4 (epoxy) dengan
ketebalan substrat 1,6 mm, dengan spesifikasi pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Spesifikasi substrat yang digunakan
Jenis Substrat FR4 (epoxy)
Permitivitas Relatif 𝜀𝑟 4,65
Ketebalan Substrat 1,6 mm
3.3. Perancangan Patch Persegi Panjang Elemen Tunggal
3.3.1. Diagram Alir Perancangan Elemen Tunggal
Dalam merancang antena diperlukan tahapan-tahapan untuk membantu proses
perancangan. Diagram alir perancangan antena pada skripsi ini ditunjukkan pada
Gambar 3.1.
MULAI
Menentukan karakteristik
antena yang diinginkan
(frekuensi kerja, return
loss, VSWR)
Menentukan jenis
substrat yang
digunakan (εr = 4,65
dan h = 1,6 mm)
Menentukan dimensi patch antena
elemen tunggal
Menentukan lebar saluran
pencatu
A
Simulasi dengan HFSS v.11
VSWR ≤ 2
Frekuensi 2,4 GHz
Insert Feed, mengatur
dimensi patch
SELESAI
Tidak
Ya
A
Gambar 3.1. Diagram alir perancangan patch elemen tunggal
29
3.3.2. Menentukan Karakteristik Antena
Pada skripsi ini diinginkan antena mampu bekerja pada frekuensi operasi wifi
yaitu 2,4 GHz. Kanal radio pada wifi bekerja pada frekuensi kerja 2,401 GHz – 2,495
GHz, dengan frekuensi tengah 2,448 GHz. Frekuensi kerja ini selanjutnya akan menjadi
nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti dimensi
patch dan lebar saluran pencatu. Antena bekerja pada frekuensi 2,401 GHz – 2,495
GHz, dan diharapkan memiliki parameter VSWR ≤ 2 serta mempunyai gain 3 dB.
3.3.3. Perancangan Dimensi Patch Persegi Panjang
Perhitungan dalam perancangan antena mikrostrip patch persegi panjang
berdasarkan pada frekuensi antena serta substrat yang digunakan. Dimensi antena dapat
ditentukan dengan memakai Persamaan (2.12) sampai Persamaan (2.16) pada Bab II.
a. Menentukan lebar patch (W)
Menentukan lebar patch dengan menggunakan Persamaan (2.12), dengan 𝑐 = 3 ×
108 m s , 𝑓0 = 2,448 𝐺𝐻𝑧 dan 𝜀𝑟 = 4,4 maka akan didapatkan 𝑊 = 36,46 𝑚𝑚
b. Menentukan panjang patch (L)
Menghitung konstanta dielektrik relatif efektif 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 dengan Persamaan (2.14),
dengan = 1,6 𝑚𝑚 dan 𝜀𝑟 = 4,65, maka akan didapatkan 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = 4,30206
Menghitung pertambahan panjang ∆𝐿 dengan Persamaan (2.13), dengan
= 1,6 𝑚𝑚 dan 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = 4,30206, maka akan didapatkan ∆𝐿 = 0,73311 𝑚𝑚
Menghitung panjang patch efektif 𝐿𝑒𝑓𝑓 dengan Persamaan (2.15), maka akan
didapatkan 𝐿𝑒𝑓𝑓 = 29,542 𝑚𝑚
Menghitung panjang patch 𝐿 dengan Persamaan (2.16), maka akan didapatkan
𝐿 = 28,07 𝑚𝑚
Dari perhitungan akan diperoleh panjang dan lebar patch masing-masing sebesar 28,07
mm dan 36,46 mm.
3.3.4. Perancangan Panjang dan Lebar Saluran Pencatu
Pada skripsi ini, antena mempunyai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Untuk
mendapatkan impedansi saluran pencatu sebesar 50 Ω dapat dilakukan dengan mengatur
panjang dan lebar dari saluran pencatu. Untuk menentukan panjang saluran pencatu
digunakan Persamaan (2.21) sampai Persamaan (2.23) pada Bab II sebagai berikut :
30
𝜆𝑜 =𝐶
𝑓𝑜=
3 × 108
2,448 × 109= 122,549 𝑚𝑚
𝜆𝑔 =𝜆𝑜
𝜀𝑒𝑓𝑓=
122,549
3,49= 65,598 𝑚𝑚
𝐿𝑓 =𝜆𝑔
4=
65,589
4= 16,399 = 16,4 𝑚𝑚
Untuk menentukan lebar saluran pencatu yang memiliki impedansi 50 Ω
digunakan Persamaan (2.18) dan Persamaan (2.20) pada Bab II sebagai berikut :
Karena nilai 𝑊 > 2, maka :
𝐵 = 60𝜋2
𝑍𝑜 𝜀𝑟=
60𝜋2
50 4,65= 5,4923
Perhitungan untuk menentukan lebar saluran pencatu 𝑊𝑓 akan menghasilkan 𝑊𝑓 =
2,936 mm = 2,94 mm.
3.3.5. Menyimulasikan Rancangan
Pada tahap ini antena disimulasikan dengan menggunakan Ansoft HFSS v11.1.
Ansoft HFSS adalah suatu simulator medan elektromagnetik untuk pemodelan tiga
dimensi perangkat pasif yang memiliki frekuensi tinggi. Dalam simulatornya
terintegrasi visualisasi dan pemodelan volumetrik. Ansoft HFSS dapat digunakan untuk
menghitung beberapa parameter diantaranya parameter 𝑆, frekuensi resonan dan medan
elektromagnetik. Cara menyimulasikan rancangan antena yaitu dengan memasukkan
nilai ukuran hasil perhitungan yang telah dihitung secara teoritis pada menu Ansoft
HFSS v11.1.
Setelah memasukkan hasil perhitungan pada Sub Bab 3.3.3 dan Sub Bab 3.3.4
ke dalam software diperoleh hasil simulasi berupa VSWR, return loss dan impedansi.
Hasil simulasi nilai VSWR ditunjukkan pada Gambar 3.3, nilai return loss ditunjukkan
pada Gambar 3.4 dan impedansi antena ditunjukkan pada Gambar 3.5 yang merupakan
hasil rancang berdasarkan ukuran 𝐿 = 28,07 mm dan 𝑊 = 36,46 mm. Gambar 3.2
menunjukkan bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal.
31
(a). Tampilan atas (b). Tampilan samping
Gambar 3.2. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal
Gambar 3.3. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal
Gambar 3.4. Return Loss simulasi elemen tunggal
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
VS
WR
Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1
m1 m2
Curve InfoName X Y
m1 2.3500 2.0571
m2 2.4000 2.3051
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
-10.00
-9.00
-8.00
-7.00
-6.00
-5.00
-4.00
-3.00
-2.00
-1.00
0.00
Re
turn
Lo
ss (
dB
)
Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2
m1
m2
Curve Info
Name X Y
m1 2.3500 -9.2237
m2 2.4000 -8.0707
32
Gambar 3.5. Smith Chart elemen tunggal
Dapat dilihat dari grafik nilai VSWR dan return loss belum sesuai dengan nilai
yang diinginkan. Frekuensi kerja yang diinginkan adalah 2,4 GHz dengan nilai VSWR ≤
2 dan nilai return loss sebesar -9,54 dB. Tetapi dari hasil simulasi pada Gambar 3.3 dan
Gambar 3.4, frekuensi kerja bergeser ke frekuensi 2,35 GHz pada marker 1 (m1)
dengan nilai VSWR = 2,05 dan nilai return loss sebesar -9,22 dB, sedangkan pada
marker 2 (m2) untuk frekuensi 2,4 GHz mempunyai nilai VSWR = 2,3 dan nilai return
loss sebesar -8,07 dB. Hal tersebut disebabkan ketidaksesuaian antara perhitungan
dimensi patch persegi panjang dengan teknik pencatuan microstrip line feed. Oleh
karena itu, untuk mendapatkan hasil rancangan yang optimal perlu dilakukan
pengkarakterisasian antena.
3.3.6. Karakterisasi Antena Elemen Tuggal
VSWR dan return loss yang diperoleh dari rancangan awal elemen tunggal
belum sesuai dengan nilai yang diinginkan. Nilai impedansi antena tidak sesuai yang
diinginkan, dan frekuensi kerja bergeser dari frekuensi yang diinginkan. Oleh karena itu
nilai VSWR harus diperbaiki dan digeser ke frekuensi 2,4 GHz. Pada hasil simulasi
elemen tunggal nilai impedansi antena mempunyai hasil yang berbeda dari impedansi
masukan yang diinginkan yaitu 50 Ω. Sehingga antara impedansi masukan dan
impedansi antena tidak matching, yang mengakibatkan transfer daya yang kurang baik.
Hal ini akan mempengaruhi nilai VSWR. Untuk mendapatkan nilai impedansi antena
yang mendekati nilai impedansi masukan digunakan metode insert feed pada saluran
pencatu. Untuk mendapatkan nilai insert feed digunakan Persamaan 2.24 pada Bab II.
5.002.001.000.500.200.00
5.00
-5.00
2.00
-2.00
1.00
-1.00
0.50
-0.50
0.20
-0.20
0.000
10
20
30
40
50
6070
8090100110
120
130
140
150
160
170
180
-170
-160
-150
-140
-130
-120-110
-100 -90 -80-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1
m1
Curve Info
Name Freq Ang Mag RX
m1 2.3500 157.3637 0.3458 0.5008 + 0.1514i
33
Sehingga diharapkan adanya matching impedance karena pengaruh insert feed yang
akan memperbaiki nilai VSWR dan return loss dari antena yang dirancang. Dengan nilai
permitivitas relatif substrat sebesar 4,65 maka didapatkan panjang insert feed 𝑌𝑜 = 8,78
mm. Gambar 3.6 menunjukkan bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal
dengan insert feed.
Gambar 3.6. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal dengan insert feed
(a)
(b)
5.002.001.000.500.200.00
5.00
-5.00
2.00
-2.00
1.00
-1.00
0.50
-0.50
0.20
-0.20
0.000
10
20
30
40
50
6070
8090100110
120
130
140
150
160
170
180
-170
-160
-150
-140
-130
-120-110
-100 -90 -80-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1
m1
Curve Info
Name Freq Ang Mag RX
m1 2.3600 -158.7184 0.0339 0.9385 - 0.0231i
5.002.001.000.500.200.00
5.00
-5.00
2.00
-2.00
1.00
-1.00
0.50
-0.50
0.20
-0.20
0.000
10
20
30
40
50
6070
8090100110
120
130
140
150
160
170
180
-170
-160
-150
-140
-130
-120-110
-100 -90 -80-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1
m2
Name Freq Ang Mag RX
m2 2.3800 -73.1058 0.1752 1.0435 - 0.3610i
Curve Info
34
(c)
Gambar 3.7. Smith Chart elemen tunggal (a). panjang insert feed = 5 mm, (b). panjang
insert feed = 8.78 mm, (c). panjang insert feed = 10 mm
Gambar 3.7 memperlihatkan karakteristik perancangan antena dengan
mengubah panjang insert feed saluran pencatu. Panjang insert feet saluran pencatu
divariasikan mulai 5 mm sampai 10 mm dengan perubahan tiap 0,5 mm dan lebar
saluran pencatu dibuat 1,8 mm. Data karakterisasi insert feed saluran pencatu elemen
tunggal dapat dilihat pada Lampiran B.
Dari Gambar 3.7 dapat dilihat bahwa dengan melakukan karakterisasi pada
insert feed saluran pencatu akan mempengaruhi impedansi antena. Pada marker 1 (m1)
diatur insert feed sepanjang 5 mm, maka diperoleh impedansi antena sebesar 46,92-
j1,155 pada frekuensi 2,36 GHz yang mendekati nilai impedansi masukan yaitu 50 Ω.
Sedangkan pada marker 2 (m2) diatur insert feed sepanjang 8,78 mm, maka diperoleh
impedansi antena sebesar 52,17-j18,05 pada frekuensi 2,38 GHz. Pada marker 3 (m3)
diatur insert feed sepanjang 10 mm, maka diperoleh impedansi antena sebesar 48,78-
j22,15 pada frekuensi 2,37 GHz.
Secara umum frekuensi kerja dipengaruhi oleh dimensi patch antena. Semakin
kecil dimensi antena akan berbanding terbalik dengan frekuensi kerjanya. Dengan insert
feed sepanjang 5 mm didapatkan frekuensi kerja 2,36 GHz. Maka untuk menggeser
frekuensi kerja menjadi frekuensi yang diinginkan yaitu 2,4 GHz harus mengatur
dimensi patch. Dengan demikian parameter yang digunakan untuk pengkarakterisasian
antena adalah dimensi patch, dan dalam hal ini dilakukan dengan cara mengubah
panjang patch.
5.002.001.000.500.200.00
5.00
-5.00
2.00
-2.00
1.00
-1.00
0.50
-0.50
0.20
-0.20
0.000
10
20
30
40
50
6070
8090100110
120
130
140
150
160
170
180
-170
-160
-150
-140
-130
-120-110
-100 -90 -80-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1
m3
Curve Info
Name Freq Ang Mag RX
m3 2.3700 -80.5131 0.2191 0.9756 - 0.4430i
35
Karakterisasi pada simulasi dilakukan dengan cara mengubah-ubah ukuran
panjang patch (𝐿) mulai dari 26 mm sampai 29 mm dengan perubahan tiap 0,05 mm.
Dari Gambar 3.8 dan Gambar 3.9 dapat dilihat bahwa dengan memperkecil panjang
patch maka frekuensi kerja antena semakin tinggi, dan demikian sebaliknya. Data
karakterisasi panjang patch elemen tunggal dapat dilihat pada Lampiran B.
Gambar 3.8. Grafik nilai VSWR elemen tunggal
Gambar 3.9. Grafik nilai return loss elemen tunggal
Gambar 3.8 dan Gambar 3.9 memperlihatkan grafik nilai VSWR dan return loss.
Pada marker 1 (m1) dengan panjang patch sebesar 26 mm, maka didapatkan nilai
VSWR = 1,115 dan return loss sebesar -25,225 dB pada frekuensi 2,55 GHz. Pada
marker 2 (m2) dengan panjang patch sebesar 28 mm, maka didapatkan nilai VSWR =
1,072 dan return loss sebesar -29,149 dB pada frekuensi 2,38 GHz. Pada marker 3 (m3)
dengan panjang patch sebesar 29 mm, maka didapatkan nilai VSWR = 1,035 dan return
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
VS
WR
Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1
m1m2m3 m4
Curve Info
patch_length='26mm'
patch_length='27.1mm'
patch_length='28mm'
patch_length='29mm'
Name X Y
m1 2.5500 1.1159
m2 2.3700 1.0517
m3 2.2900 1.0363
m4 2.4500 1.0348
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
-40.00
-35.00
-30.00
-25.00
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
Re
turn
Lo
ss (
dB
)
Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2
m1
m2
m3 m4
Curve Info
patch_length='26mm'
patch_length='27.1mm'
patch_length='28mm'
patch_length='29mm'
Name X Y
m1 2.5500 -25.2252
m2 2.3700 -31.9740
m3 2.2900 -34.9755
m4 2.4500 -35.3319
36
loss sebesar -34,975 dB pada frekuensi 2,29 GHz, sedangkan pada marker 4 (m4)
dengan panjang patch sebesar 27,1 mm, maka didapatkan nilai VSWR = 1,034 dan
return loss sebesar -35,331 dB pada frekuensi 2,45 GHz yang merupakan frekuensi
resonansi yang diinginkan pada skripsi ini.
3.3.7. Hasil Simulasi Elemen Tunggal
Simulasi elemen tunggal menghasilkan dimensi patch dengan ukuran panjang
patch sebesar 27,1 mm dan lebar patch 36,46 mm. Panjang saluran pencatu sebesar 21,4
mm dan lebar saluran pencatu sebesar 1,8 mm. Dimensi substrat dan groundplane
sebesar 40 mm × 50 mm. Gambar 3.10 menunjukkan bentuk hasil perancangan antena
elemen tunggal.
Gambar 3.10. Bentuk hasil perancangan antena elemen tunggal
Hasil rancangan yang optimal didapatkan dengan cara mengubah-ubah dimensi
antena, yaitu panjang patch antena dan panjang insert feed saluran pencatu. Dengan
melakukan karakterisasi maka didapatkan parameter VSWR, return loss dan pola radiasi
dari hasil simulasi yang optimal.
37
Gambar 3.11. Hasil simulasi VSWR elemen tunggal
Gambar 3.12. Hasil simulasi return loss elemen tunggal
Gambar 3.11 dan Gambar 3.12 memperlihatkan impedance bandwidth.
Impedance bandwidth antena berada pada rentang 2,4 GHz (m1) sampai dengan 2,49
GHz (m3), dengan frekuensi puncak pada 2,45 GHz (m2). Nilai VSWR = 1.974 pada
frekuensi 2,4 GHz, nilai VSWR = 1,79 pada frekuensi 2,49 GHz dan nilai VSWR =
1,034 pada frekuensi tengah 2,45 GHz. Hasil rancangan antena elemen tunggal dapat
bekerja pada nilai VSWR ≤ 2. Nilai tersebut telah memenuhi nilai yang diinginkan yaitu
VSWR ≤ 2 dan nilai return loss ≤ -9,54 dB. Bandwidth yang dicapai pada nilai VSWR ≤
2 dihitung dengan Persamaan (2.7) pada Bab II sebagai berikut :
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡 =𝑓2 − 𝑓1
𝑓𝑐× 100 %
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡 =2,49−2,4
2,45× 100 %
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡 = 3,67 % 90 𝑀𝐻𝑧
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
VS
WR
Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1
m1 m2 m3
Curve Info
VSWR(LumpPort1)
Setup1 : Sw eep1
patch_length='27.1mm'
Name X Y
m1 2.4000 1.9742
m2 2.4500 1.0348
m3 2.4900 1.7908
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
-40.00
-35.00
-30.00
-25.00
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
Re
turn
Lo
ss (
dB
)
Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2
m1
m2
m3
Curve Info
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
patch_length='27.1mm'
Name X Y
m1 2.4000 -9.6942
m2 2.4500 -35.3319
m3 2.4900 -10.9535
38
Gambar 3.13. Hasil simulasi gain elemen tunggal
Gambar 3.14. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi elemen tunggal
Pada Gambar 3.13 dapat dilihat hasil simulasi gain pada elemen tunggal
menghasilkan gain sebesar 3,82 dB pada sudut 0º pada marker 1 (m1). Gambar 3.14
menunjukkan hasil simulasi normalisasi pola radiasi elemen tunggal.
3.4. Perancangan Array Patch Persegi panjang Dua Elemen
3.4.1. Pengaturan Jarak Antar Elemen
Antena mikrostrip array merupakan antena yang tersusun dari beberapa patch
yang identik. Pada skripsi ini tersusun dua patch yang identik. Kedua patch tersebut
dipisahkan oleh jarak antar elemen. Jarak antar elemen pada antena yang dirancang
pada skripsi ini sebesar seperempat panjang gelombang (𝑑 = 𝜆 4 ). Jarak antar elemen
untuk frekuensi 2,4 GHz didapat jarak 30,64 mm.
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
90
60
30
0
-30
-60
-90
-120
-150
-180
150
120
Gain HFSSDesign1Radiation Pattern 3
m1
Curve Info
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' patch_length='27.1mm' Phi='90.0000000000002deg'
Name Theta Ang Mag
m1 0.0000 0.0000 3.8262
0.20
0.40
0.60
0.80
90
60
30
0
-30
-60
-90
-120
-150
-180
150
120
Pola Radiasi HFSSDesign1Radiation Pattern 4
m2m3
m1 Curve Info
normalize(rETotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' patch_length='27.1mm' Phi='90.0000000000002deg'
Name Theta Ang Mag
m1 0.0000 0.0000 1.0000
m2 40.0000 40.0000 0.7723
m3 320.0000 -40.0000 0.7421
39
Penyusunan antena secara array dimaksudkan untuk mendapatkan peningkatan
gain dari antena. Pengaturan jarak antar elemen yang lebih optimal digunakan untuk
peningkatan magnitudo hasil simulasi pola radiasi agar lebih besar daripada elemen
tunggal.
3.4.2. Perancangan T-Junction
Perancangan elemen tunggal menggunakan saluran pencatu 50 Ω, sehingga
untuk merancang antena dua elemen dibutuhkan T-Junction 50 Ω yang berfungsi
sebagai power divider. Pada skripsi ini digunakan T-Junction yang memiliki impedansi
70,711 Ω. Impedansi 70,711 Ω tersebut berfungsi sebagai transformator 𝜆 4 . Gambar
3.15 menunjukkan bentuk T-Junction impedansi 70,711 Ω.
Gambar 3.15. Perancangan T-Junction impedansi 70,711 Ω
Teknik pencatuan yang digunakan adalah microstrip line feed. Ada dua buah
impedansi saluran pencatu yang digunakan untuk merancang array dua elemen, yaitu
saluran 50 Ω dan 70,711 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi 50 Ω dan 70,711 Ω
dilakukan dengan pengaturan lebar saluran pencatu. Impedansi 50 Ω telah didapatkan
pada Sub Bab 3.3.4 dan dari hasil karakterisasi pada Sub Bab 3.3.7. Cara menentukan
lebar saluran pencatu yang memiliki impedansi 70,711 Ω dijelaskan sebagai berikut :
Karena nilai 𝑊 > 2, maka dengan Persamaan (2.18) dan Persamaan (2.20) pada Bab
II :
𝐵 = 60𝜋2
𝑍𝑜 𝜀𝑟=
60𝜋2
70,711 4,65= 5,4923
Perhitungan untuk menentukan lebar saluran pencatu 𝑊𝑓 akan didapatkan 𝑊𝑓= 1,2
mm.
40
3.4.3. Desain Antena Array Dua Elemen
Antena yang dirancang menjadi bentuk array adalah berdasar elemen patch
tunggal yang telah dirancang, yaitu dengan dimensi patch 34,6 mm × 27,1 mm, panjang
saluran pencatu 16,4 mm, panjang insert feed 5 mm dengan jarak antar elemen sebesar
𝜆 4 = 30,64 mm , dan menggunakan T-Junction dengan impedansi 70,711 Ω.
Gambar 3.16 merupakan desain antena array dua elemen. Gambar (a)
merupakan bentuk rancangan antena array dua elemen dan Gambar (b) merupakan
bentuk rancangan line feed array dua elemen.
(a) (b)
Gambar 3.16. (a). Bentuk rancangan array dua elemen, (b). Bentuk rancangan line feed
array dua elemen
3.4.4. Karakterisasi Antena Array Dua Elemen
Untuk mendapatkan parameter antena yang diinginkan pada simulasi antena
array dua elemen, dilakukan dengan cara mengubah ukuran panjang patch. Panjang
patch (𝐿) divariasikan dari 26 mm hingga 29 mm dengan perubahan tiap 0,1 mm.
Parameter yang tetap adalah lebar patch 𝑊 = 36,46 mm . Dari Gambar 3.17 dapat
diketahui bahwa dengan memperbesar panjang patch maka frekuensi kerja antena
menjadi lebih kecil, dan demikian sebaliknya. Data karakterisasi panjang patch antena
array dua elemen dapat dilihat pada Lampiran B.
41
Gambar 3.17. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen
Gambar 3.18. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen
Gambar 3.17 dan Gambar 3.18 masing-masing menunjukkan hasil simulasi nilai
VSWR array dua elemen dan hasil simulasi nilai return loss array dua elemen. Pada
marker 1 (m1) dengan panjang patch sebesar 26 mm, maka diperoleh nilai VSWR dan
return loss masing-masing sebesar 1,072 dan -29,143 dB pada frekuensi 2,58 GHz.
Pada marker 2 (m2) dengan panjang patch sebesar 29 mm, maka diperoleh nilai VSWR
dan return loss masing-masing sebesar 1,302 dan -17,64 dB pada frekuensi 2,34 GHz.
Sedangkan pada marker 3 (m3) dengan panjang patch sebesar 27,7 mm, maka diperoleh
nilai VSWR dan return loss masing-masing sebesar 1,157 dan -22,72 dB pada frekuensi
2,45 GHz yang merupakan frekuensi resonansi yang diinginkan pada skripsi ini.
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
VS
WR
Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1
m1m2 m3
Curve Info
length='26mm'
length='27.7mm'
length='28mm'
length='28.5mm'
length='29mm'
Name X Y
m1 2.5800 1.0723
m2 2.3400 1.3021
m3 2.4500 1.1578
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
-30.00
-25.00
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
Re
turn
Lo
ss (
dB
)
Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2
m1
m2
m3
Name X Y
m1 2.5800 -29.1438
m2 2.3400 -17.6406
m3 2.4500 -22.7201 Curve Info
length='26mm'
length='27.7mm'
length='28mm'
length='28.5mm'
length='29mm'
42
3.4.5. Hasil Simulasi Antena Array Dua Elemen
Hasil simulasi antena array dua elemen ditunjukkan pada Gambar 3.20 sampai
Gambar 3.22. Hasil simulasi yang optimal ini dilakukan dengan cara mengubah-ubah
panjang patch (𝐿). Gambar 3.19 menunjukkan bentuk hasil rancangan array dua
elemen.
Gambar 3.19. Bentuk hasil rancangan array dua elemen
Gambar 3.20. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen
Gambar 3.21. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
VS
WR
Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1
m1m2
m3
Curve Info
VSWR(LumpPort1)
Setup1 : Sw eep1
length='27.7mm'
Name X Y
m1 2.4000 1.9349
m2 2.4500 1.1578
m3 2.4900 1.9733
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]
-25.00
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
Re
turn
Lo
ss (
dB
)
Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2
m3
m2
m1
Curve Info
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
Setup1 : Sw eep1
length='27.7mm'
Name X Y
m1 2.4000 -9.9366
m2 2.4500 -22.7201
m3 2.4900 -9.6998
43
Gambar 3.20 dan Gambar 3.21 memperlihatkan impedance bandwidth dari
antena array dua elemen. Dari gambar tersebut impedance bandwidth antena berada
pada rentang 2,4 GHz (m1) sampai dengan 2,49 GHz (m3), dengan frekuensi puncak
pada 2,45 GHz (m2). Dari Gambar 3.20 dapat dilihat nilai VSWR = 1,93 pada frekuensi
2,4 GHz, nilai VSWR = 1,97 pada frekuensi 2,49 GHz dan nilai VSWR = 1,15 pada
frekuensi tengah 2,45 GHz. Dari Gambar 3.21 dapat dilihat nilai return loss sebesar -
9,93 dB pada frekuensi 2,4 GHz, nilai return loss sebesar -9,69 dB pada frekuensi 2,9
GHz dan nilai return loss sebesar -22,72 dB pada frekuensi tengah 2,45 GHz.
Dari hasil rancangan antena array dua elemen dapat bekerja pada nilai VSWR ≤
2. Nilai tersebut telah memenuhi nilai yang diinginkan yaitu VSWR ≤ 2 dan nilai return
loss ≤ -9,54 dB. Bandwidth yang dicapai pada nilai VSWR ≤ 2 dihitung dengan
Persamaan (2.7) pada Bab II sebagai berikut :
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡 =𝑓2 − 𝑓1
𝑓𝑐× 100 %
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡 =2,49−2,4
2,45× 100 %
𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡 = 3,67 % 90 𝑀𝐻𝑧
Gambar 3.22. Hasil simulasi gain array dua elemen
-14.00
-8.00
-2.00
4.00
90
60
30
0
-30
-60
-90
-120
-150
-180
150
120
Gain HFSSDesign1Radiation Pattern 3
m1
Curve Info
dB(GainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' length='27.7mm' Phi='90.0000000000002deg'Name Theta Ang Mag
m1 0.0000 0.0000 5.7255
44
Gambar 3.23. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi array dua elemen
Pada Gambar 3.22 dapat dilihat hasil simulasi gain pada array dua elemen
menghasilkan gain sebesar 5,72 dB pada sudut 0º pada marker 1 (m1). Gambar 3.23
menunjukkan hasil simulasi normalisasi pola radiasi array dua elemen.
0.20
0.40
0.60
0.80
90
60
30
0
-30
-60
-90
-120
-150
-180
150
120
Pola Radasi HFSSDesign1Radiation Pattern 2
m2
m3
m1Curve Info
normalize(rETotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' length='27.7mm' Phi='90.0000000000002deg'Name Theta Ang Mag
m1 0.0000 0.0000 0.9898
m2 40.0000 40.0000 0.8032
m3 320.0000 -40.0000 0.6538