digital_20294667-s1692-rancang bangun.pdf
TRANSCRIPT
-
UNIVERSITAS INDONESIA
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN
METAMATERIAL CRLH PADA FREKUENSI 3.3 -3.4 GHz
SKRIPSI
WILLY YUSWARDI
09 06 60 31 71
FAKULTAS TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
DEPOK
DESEMBER 2011
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
ii
UNIVERSITAS INDONESIA
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN
METAMATERIAL CRLH PADA FREKUENSI 3.3 -3.4 GHz
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
WILLY YUSWARDI
09 06 60 31 71
FAKULTAS TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
DEPOK
DESEMBER 2011
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
iii
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul :
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN
METAMATERIAL CRLH PADA FREKUENSI 3.3 -3.4 GHz
yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada
Program Ekstensi Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Indonesia, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari
skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan
gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Indonesia maupun di Perguruan
Tinggi atau Instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya
dicantumkan sebagaimana mestinya.
Depok, 11 Januari 2012
Willy Yuswardi
NPM 0906603171
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
iv
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
v
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada :
Prof. Dr. Ir. Eko Tjipto Rahardjo, M.Sc.
selaku dosen pembimbing I, dan kepada :
Fitri Yuli Zulkifli, ST, MSc.
selaku dosen pembimbing II, dan kepada :
Basari, ST, M.Eng, Ph.D
selaku dosen pembimbing III.
yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan pengarahan,
diskusi, bimbingan, dan tempat untuk eksperimen serta menyetujui sebagai bagian
dari penelitian pada Antenna and Microwave Research Group (AMRG) sehingga
skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.
Depok, 11 Januari 2012
Penulis,
Willy Yuswardi
NPM. 0906603171
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
vi
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
SKRIPSI UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama : Willy Yuswardi
NPM : 0906603171
Program Studi : Teknik Elektro
Departemen : Teknik Elektro
Fakultas : Teknik
Jenis Karya : Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty
Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL
CRLH PADA FREKUENSI 3.3 3.4 GHz
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti
Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan,
mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),
merawat, dan mempublikasikan skripsi saya tanpa meminta izin dari saya selama
tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak
Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Depok
Pada tanggal : 19 Januari 2012
Yang menyatakan
(Willy Yuswardi)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
vii
ABSTRAK
Nama : Willy Yuswardi
Program Studi : Ekstensi Teknik Elektro
Judul : Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dengan Metamaterial
CRLH Pada Frekuensi 3.3 GHz 3.4 GHz
Antena mikrostrip merupakan salah satu alternatif antena dalam komunikasi
wireless. Hal ini dikarenakan antena mikrostrip memiliki massa yang ringan dan
bisa menyesuaikan dengan bentuk perangkat komunikasi. Pada skripsi ini, dibahas
teknik untuk meminiaturisasi yaitu dengan metamaterial CRLH. Antena yang
dirancang bekerja pada frekuensi 3.3 3.4 GHz. Antena dirancang dan
disimulasikan dengan menggunakan software CST Microwave Studio 2011. Dari
hasil simulasi, didapat bandwidth 470 MHz dengan VSWR 2 pada frekuensi 3.3
GHz. Sedangkan hasil pengukuran, frekuensi kerja bergeser menjadi 3.26 namun
masih dalam range frekuensi 3.3 3.4 GHz. Bandwidth yang diperoleh 250 MHz
dengan VSWR 2. Dengan teknik CRLH ini bisa mereduksi dimensi antena
sebesar 61.11%
Kata kunci: miniaturisasi, metamaterial, CRLH, bandwidth
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
viii
ABSTRACT
Name : Wiilly Yuswardi
Major : Electrical Engineering
Final Project Title : Design of Microstrip Antenna with CRLH Metamaterial
At Frequency 3.3 GHz 3.4 GHz
Microstrip antenna has become one of the alternative antenna design in wireless
technology. This is mainly because its characteristics which are light weight and
easily adjusted in most of communication devides. This final project propose a
miniaturization technique by using CRLH metamaterial element. The antenna
design work at frequency 3.3 3.4 GHz and simulated using CST Microwave
Studio. The simulation results show a relatively wide bandwidth of 470 MHz with
VSWR 2 at 3.3 GHz, while the measurement has a frequency shift to 3.26 GHz,
but still in the 3.3 3.4 GHz frequency range. And the antenna bandwidth is also
become narrower to 250 MHz with VSWR 2. So, with this proposed design, the
antenna dimension can be effectively reduced to 61.11%.
Keywords: miniaturization, metamaterial, CRLH, return loss, bandwidth
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iv
UCAPAN TERIMA KASIH .................................................................................... v
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .................................................. vi
ABSTRAK ............................................................................................................ vii
ABSTRACT ......................................................................................................... viii
DAFTAR ISI .......................................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xi
DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiii
DAFTAR SINGKATAN ..................................................................................... xiv
BAB 1 PENDAHULUAN ...................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ....................................................................................... 1
1.2 Tujuan ..................................................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah ..................................................................................... 3
1.4 Metode Penelitian ................................................................................... 4
1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................. 4
BAB 2 ANTENA MIKROSTRIP METAMATERIAL CRLH .......................... 5
2.1 Antena .................................................................................................... 5
2.2 Antena Mikrostrip .................................................................................. 5
2.2.1 Parameter Antena Mikrostrip .................................................... 14
2.2.1.1 Pola Radiasi ...................................................................... 8
2.2.1.2 VSWR ............................................................................... 8
2.2.1.3 Return Loss ....................................................................... 9
2.2.1.4 Gain ................................................................................ 10
2.2.1.5 Directivity ....................................................................... 10
2.2.1.6 Bandwidth ....................................................................... 11
2.2.1.7 Impedansi Masukan ........................................................ 12
2.2.1.8 Impedansi Karakteristik Saluran Mikrostrip .................. 12
2.2.2 Dimensi Antena ......................................................................... 13
2.2.3 Teknik Pencatuan Saluran Transmisi Mikrostrip ...................... 15
2.2.4 Daerah Antena ........................................................................... 15
2.3 Metamaterial ........................................................................................ 17
2.3.1 Metamaterial Jenis Planar ........................................................... 19
2.3.2 CRLH Metamaterial .................................................................... 22
2.3.3 Fundamental Infinite Wavelength Unit-Cell ............................... 24
2.4 WiMAX ............................................................................................... 26
BAB 3 PERANCANGAN ANTENA METAMATERIAL CRLH ................... 30
3.1 Pendahuluan ......................................................................................... 30
3.2 Perangkat Yang Digunakan .................................................................. 30
3.3 Diagram Alir Perancangan Antena ...................................................... 32
3.4 Perancangan Antena ............................................................................. 33
3.4.1 Perancangan Antena Konvensional ............................................. 34
3.4.1.1 Perancangan Saluran Pencatu Mikrostrip ........................ 34
3.4.1.2 Perancangan Lebar, Panjang dan Inset Feed .................... 35
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
x
3.4.2 Perancangan Antena Mikrostrip CRLH MTM ............................ 36
3.5 Hasil Simulasi ...................................................................................... 37
3.5.1 Hasil Simulasi Awal .................................................................... 37
3.5.2 Hasil Simulasi Akhir ................................................................... 42
3.5.2.1 Hasil Simulasi Akhir Antena CRLH MTM ..................... 42
3.5.2.2 Hasil Simulasi Akhir Antena Konvensional .................... 46
3.6 Miniaturisasi Antena ............................................................................ 49
BAB 4 FABRIKASI DAN PENGUKURAN ANTENA .................................... 51
4.1 Pengukuran Antena .............................................................................. 51
4.1.1 Pengukuran Port Tunggal .......................................................... 53
4.1.1.1 Pengukuran Return loss Antena CRLH Metamaterial .... 54
4.1.2 Pengukuran Port Ganda............................................................. 55
4.1.2.1 Pengukuran Pola Radiasi Antena .................................... 56
4.1.2.2 Pengukuran Gain Antena ................................................ 59
4.2 Analisis Pengukuran ............................................................................ 61
4.2.1 Pengukuran Port Tunggal .......................................................... 61
4.2.2 Pengukuran Port Ganda............................................................. 61
BAB 5 KESIMPULAN ........................................................................................ 63
DAFTAR ACUAN ................................................................................................ 64
LAMPIRAN ........................................................................................................... 67
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Struktur antena mikrostrip ............................................................. 6
Gambar 2.2 Jenis jenis antena mikrostrip........................................................ 7
Gambar 2.3 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth.................................. 11
Gambar 2.4 Daerah medan antena...................................................................... 15
Gambar 2.5 Gelombang elektromagnetik............................................................ 18
Gambar 2.6 Diagram permitivitas, permeabilitas dan indeks bias...................... 19
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen saluran transmisi.............................................. 20
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen modifikasi dari LHTL..................................... 21
Gambar 2.9 Fundamental dari CRLH................................................................. 23
Gambar 2.10 Resonator open-ended 4 sel............................................................ 25
Gambar 2.11 Puncak resonan dari resonator open-ended.................................... 25
Gambar 2.12 Inductor-loaded TL........................................................................ 26
Gambar 2.13 Standard spesifikasi komunikasi ................................................... 27
Gambar 3.1 Diagram alir metodologi pengerjaan skripsi................................... 32
Gambar 3.2 Antena konvensional...................................................................... 34
Gambar 3.3 (a) Patch Rectangular, (b) Patch E, (c) Patch S, (d) Patch (U)..... 38
Gambar 3.4 Grafik S11 antena patch rectangular dengan diameter via 0.24 mm 39
Gambar 3.5 Grafik S11 patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm... 40
Gambar 3.6 Farfield 3D patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm 41
Gambar 3.7 Desain antena tampak belakang..................................................... 41
Gambar 3.8 Antena CRLH tampak depan ......................................................... 43
Gambar 3.9 Antena CRLH tampak belakang .................................................... 43
Gambar 3.10 Grafik S11 ..................................................................................... 44
Gambar 3.11 Pola radiasi antena metamaterial ................................................... 44
Gambar 3.12 Pola radiasi E-Co vs E-Cross ........................................................ 45
Gambar 3.13 VSWR antena metamaterial CRLH............................................... 45
Gambar 3.14 Farfield 3D Antena CRLH Metamaterial...................................... 46
Gambar 3.15 Antena konvensional tampak depan............................................. . 47
Gambar 3.16 Antena konvensional tampak belakang......................................... 47
Gambar 3.17 Grafik S11 antena konvensional................................................... . 48
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
xii
Gambar 3.18 Grafik VSWR antena konvensional.............................................. 48
Gambar 3.19 Farfield 3D antena konvensional................................................... 49
Gambar 4.1 Hasil fabrikasi antena CRLH metamaterial................................... 52
Gambar 4.2 Perbandingan hasil fabrikasi antena konvensional dan CRLH..... 52
Gambar 4.3 Menghubungkan Network Analyzer ke antena............................. . 53
Gambar 4.4 Grafik return loss antena CRLH hasil pengukuran....................... 54
Gambar 4.5 Grafik perbandingan return loss hasil simulasi dan pengukuran .. 55
Gambar 4.6 Konfigurasi pengukuran port ganda............................. ................. 56
Gambar 4.7 Pola radiasi E-co simulasi vs pengukuran............................. ........ 57
Gambar 4.8 Pola radiasi E-cross simulasi vs pengukuran............................. ... 58
Gambar 4.9 Pola radiasi E-Co vs E-Cross pengukuran..................................... 59
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Evolusi WiMAX ............................................................................ 27
Tabel 2.2 Kelebihan WiMAX ....................................................................... 29
Tabel 2.3 Kekurangan WiMAX .................................................................... 29
Tabel 3.1 Hasil Simulasi untuk via 0.24 mm................................................. 38
Tabel 3.2 Hasil Simulasi untuk via 0.3 mm................................................... 39
Tabel 3.3 Hasil Simulasi untuk via 0.5 mm................................................... 39
Tabel 3.4 Hasil Simulasi untuk via 0.7 mm................................................... 40
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
xiv
DAFTAR SINGKATAN
AUT Antenna Under Test
BW Bandwidth
CRLH Composite Right/Left Handed
CSRR Complemantary Split Ring Resonator
dB Desibel
DGS Defected Ground Structure
EBG Electromagnetic Band Gap
SMA Subminiature version A
VSWR Voltage Standing Wave Ratio
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
1 Universitas Indonesia
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan teknologi yang semakin pesat memungkinkan kita
berkomunikasi dengan siapa saja dan kapan saja, baik suara, video maupun data.
Ini semua tidak lepas dari berkembangnya komunikasi nirkabel, yang
menggantikan komunikasi dengan kabel. Komunikasi nirkabel sekarang, menjadi
tulang punggung penyebaran informasi sehingga hubungan komunikasi ini
menjadi lebih fleksibel.
Internet sudah menjadi kebutuhan bagi sebagian besar orang karena
dengan internet informasi beredar dengan sangat cepat dan mudah. Oleh sebab itu,
pengguna internet selalu bertambah setiap tahun. Ini juga disebabkan semakin
banyak nya perangkat-perangkat elektronika yang menanamkan fitur internet
didalamnya, yang memungkinkan kita untuk menggunakan internet kapan saja
dan dimana saja.
Perkembangan selanjutnya untuk teknologi Broadband Wireless adalah
WiMAX (Wireless Interoperability for Microwave Access). Teknologi ini hampir
mirip dengan WiFi ditambah dengan kemampuannya di sisi jarak jangkau, QoS,
NLOS (Non Line of Sight),security dan berbagai fitur lainnya.
Spesifikasi WiMax membawa perbaikan atas keterbatasan-keterbatasan
standar WiFi dengan memberikan lebar pita yang lebih besar dan enkripsi yang
lebih bagus. Area coverage-nya sejauh 50 km maksimal dan kemampuannya
menghantarkan data dengan transfer rate yang tinggi dalam jarak jauh, sehingga
memberikan kontribusi sangat besar bagi keberadaan wireless MAN dan dapat
menutup semua celah broadband yang ada saat ini. WiMAX Forum menetapkan 2
band frekuensi utama pada certication profile untuk Fixed WiMAX (band 3.5 GHz
dan 5.8 GHz), sementara untuk Mobile WiMAX ditetapkan 4 band frekuensi pada
system profile release-1, yaitu band 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.3 GHz dan 3.5 GHz.
Dari ketentuan spektrum ini maka dibutuhkan jenis antena yang memiliki
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
2
Universitas Indonesia
bandwidth yang cukup lebar agar dapat diaplikasikan pada sebagian atau seluruh
spektrum frekuensi yang ditetapkan bagi Mobile WiMax.
Pada sistem komunikasi nirkabel dibutuhkan satu komponen yang sangat
penting yang berfungsi sebagai pemancar dan penerima, komponen tersebut
adalah antena. Secara definisi, antena berfungsi mentransformasikan suatu sinyal
RF (Radio Frequency) yang merambat pada konduktor menjadi gelombang
elektromagnetik ke ruang bebas. Atau dengan kata lain, antena adalah komponen
yang mampu mengubah energi atau sinyal dalam ruang bebas untuk meradiasikan
dan menerima gelombang.
Teknologi WiMax untuk perangkat mobile seperti ponsel dan laptop
mengharuskan perangkat-perangkat ini memiliki antena pemancar/penerima yang
berukuran kecil dan tipis sehingga dapat dipasang dengan pas pada posisi tertentu
pada perangkat tersebut. Jenis antena yang paling sesuai untuk kondisi tersebut
adalah antena mikrostrip dikarenakan ukurannya yang kecil, berbentuk pipih dan
biaya perakitannya yang cukup murah. Terlebih lagi, dikarenakan perakitannya
yang berdasarkan teknik rangkaian tercetak, antena mikrostrip dapat
diintegrasikan dengan rangkaian IC lainnya di dalam sebuah ponsel atau laptop.
Ada bebererapa teknik untuk meminiaturisasi antena, diantaranya dengan
slot loading, yaitu dengan menggunakan beban Complementary Split Ring
Resonator (CSRR)[22], dengan menggunakan Composite Right/Left Handed
(CRLH) metamaterial yaitu tipe mushroom structure[20], Electromagnetic
Bandgap (EBG), fractals, bending and folding, meander line yaitu dengan desain
Zeroth Order Resonator (ZOR), dll.
Teknik miniaturisasi antena yang dipilih pada skripsi ini adalah Composite
Right/Left Handed (CRLH) Metamaterial tipe mushroom structure. Yang menjadi
dasar pemilihan teknik CRLH untuk miniaturisasi ini adalah karena teknik CRLH
ini mudah dalam perancangannya karena tidak membutuhkan banyak parameter
pada proses iterasi untuk mendapatkan karakteristik antena yang diinginkan,
proses fabrikasi mudah dilakukan di Indonesia, selain itu biaya fabrikasinya juga
murah.
Terdapat beberapa buku dan jurnal-jurnal yang membahas mengenai
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
3
Universitas Indonesia
elemen metamaterial CRLH. Penggunaan elemen metamaterial CRLH pada
antena memiliki beberapa keuntungan, yaitu dapat meminiaturisasi antena[20],
melebarkan bandwidth[23], dan meningkatkan gain[24]
Tugas bagi perancang antena adalah membuat karakteristik antena
seefisien mungkin, yaitu gelombang dari pemancar yang dihasilkan oleh
komponen-komponen elektronika ini harus diubah semaksimal mungkin menjadi
gelombang bebas. Gelombang yang dipancarkan melalui antena ini akan
didistribusikan ke udara dengan suatu pola tertentu, misalnya ke semua arah, atau
hanya ke suatu arah tertentu saja. Pemilihan pola pancar ini tergantung dari
aplikasi antena masing-masing. Antena sangat menarik untuk dikaji lebih lanjut
karena dibutuhkan hasil yang optimal yang sesuai dengan kebutuhan
telekomunikasi gelombang radio.
1.2 Tujuan Penulisan
Tujuan dari skripsi ini adalah merancang sebuah antena mikrostrip dengan
menambahkan elemen metamaterial CRLH (Composite Right/Left Handed), yang
bertujuan meminiaturisasi untuk diletakkan (built-in) pada laptop atau ponsel bisa
berupa modem ataupun dongle yang mengirim dan menerima gelombang
elektromagnetik. Antena akan bekerja pada frekuensi 3.3 GHz 3.4 GHz dengan
VSWR 2 dan diharapkan dapat digunakan pada aplikasi mobile WiMAX.
1.3 Batasan Masalah
Permasalahan yang akan dibahas pada skripsi ini dibatasi pada
perancangan sebuah antena mikrostrip dengan mengutamakan meminiaturisasi
antena dengan karakteristik VSWR 2 pada frekuensi 3.3 GHz 3.4 GHz. Teknik
yang digunakan untuk miniaturisasi antena yaitu dengan menggunakan teknik
CRLH mushroom structure. Miniaturisasi didapat dengan membandingkan antena
CRLH dengan antena konvensional. Simulasi dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak CST Microwave Studio 2011 untuk mengetahui performa dari
antena tersebut.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
4
Universitas Indonesia
1.4 Metode Penulisan
Metode yang digunakan pada penelitian dan penulisan skripsi ini adalah:
a. Studi Kepustakaan
Metode ini dilakukan untuk mendasarkan penelitian pada bahan-bahan literatur
dan jurnal-jurnal penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya.
b. Simulasi Perangkat Lunak
Menggunakan perangkat lunak khusus untuk mensimulasikan rancangan
antena, dan melihat parameter antena berdasarkan hasil simulasi.
c. Pengukuran Antena
Pengukuran prototip antena dilakukan untuk melihat parameter antena
sesungguhnya, dan kemudian dapat dibandingkan dengan hasil simulasi.
1.5 Sistematika Penulisan
Penulisan skripsi ini akan dibagi dalam lima bagian besar, yaitu :
Bab 1 Pendahuluan
Bagian ini terdiri dari latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah,
metode penulisan dan sistematika penulisan.
Bab 2 Antena Mikrostrip Metamaterial CRLH
Bagian ini akan berisi tentang bahasan teori dasar mengenai antena
mikrostrip, elemen metamaterial, dan metode CRLH
Bab 3 Perancangan Antena dan Simulasi
Bagian ini memberikan penjelasan mengenai perancangan antena dengan
metode CRLH, prosedur perancangan serta hasil simulasinya.
Bab 4 Fabrikasi dan Pengukuran Antena
Bagian ini menjelaskan hasil fabrikasi antena metamaterial CRLH
berdasarkan hasil simulasi, peralatan yang digunakan untuk pengukuran antena,
hasil pengukuran parameter-parameter antena, serta analisis terhadap hasil
pengukuran tersebut.
Bab 5 Kesimpulan
Bab ini berisi poin-poin kesimpulan dari keseluruhan perancangan.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
5 Universitas Indonesia
BAB 2
ANTENA MIKROSTRIP METAMATERIAL CRLH
2.1 Antena
Antena 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, baberapa hal yang harus diperhatikan
adalah[3]:
1. bentuk dan arah radiasi yang diinginkan
2. polarisasi yang dimiliki
3. frekuensi kerja,
4. lebar band (bandwidth), dan
5. impedansi input yang dimiliki.
Jenis jenis antena:
1. Antena kabel (wire antenna); seperti monopole, dipole, loop dan lain lainnya.
2. Antena celah (aperture antenna); seperti sectoral horn, piramidal horn, slot
dan lain lainnya.
3. Antena pantul (reflector antenna); seperti parabolic dish, corner reflector, dan
lain lainnnya.
4. Antena lensa
5. Antena microstrip
6. Antena susun (array antenna).
2.2. Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas
ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik seperti yang terlihat pada
Gambar.2.1. Antena microstrip merupakan antena yang memiliki massa ringan,
mudah difabrikasi, dengan sifatnya yang konformal sehingga dapat ditempatkan
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
6
Universitas Indonesia
pada hampir semua jenis permukaan dan ukurannya kecil jika dibandingkan
dengan antena jenis lain. Karena sifat yang dimilikinya, antena microstrip sangat
sesuai dengan kebutuhan saat ini sehingga dapat diintegrasikan dengan peralatan
telekomunikasi lain yang berukuran kecil, akan tetapi antena microstrip juga
memiliki beberapa kekurangan yaitu: bandwidth yang sempit, gain dan directivity
yang kecil, serta efisiensi yang rendah.
Gambar 2.1. Struktur Antena Microstrip[1]
Antena mikrostrip terdiri dari tiga lapisan. Lapisan tersebut adalah
Conducting patch, substrat dielektrik, dan ground plan. Masing-masing dari
bagian ini memiliki fungsi yang berbeda.
a. Conducting patch,
Patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara,
terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena. Patch terbuat dari bahan
konduktor, misal tembaga. Bentuk patch bisa bermacam-macam, lingkaran,
rectangular, segitiga, ataupun bentuk circular ring. Bentuk patch tersebut
dapat dilihat pada Gambar 2.2.
b. Substrat dielektrik.
Substrat dielektrik berfungsi sebagi media penyalur GEM dari catuan.
Karakteristik substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter
antena. Pada antena mikrostrip, semakin tinggi besar permitivitas relatif,
ukuran conducting patch akan semakin kecil dan sebagai akibatnya
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
7
Universitas Indonesia
memperkecil daerah radiasi. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap
parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan ketebalan substrat akan
memperbesar bandwidth. tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang
permukaan (surface wave)
c. Ground plane.
Ground plane antena mikrostrip bisa terbuat dari bahan konduktor, yang
berfungsi sebagai reflector dari gelombang elektromagnetik.
Bentuk konduktor bisa bermacam-macam tetapi yang pada umumnya
digunakan adalah berbentuk persegi empat dan lingkaran karena bisa lebih mudah
dianalisis. Adapun jenis-jenis antena mikrostrip terlihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Jenis - jenis Antena Microstrip[1]
Antena mikrostrip adalah salah satu jenis antena wireless yang paling
populer digunakan saat ini. Ada beberapa alasan kenapa antena mikrostrip sangat
terkenal[3]:
1) Sangat mudah difabrikasi,
2) Selaras dengan permukaan nonplanar,
3) Sangat murah karena hanya dengan menggunakan papan cetak sirkuit,
4) Fleksibel sehingga menghasilkan berbagai macam pola dan polarisasi yang
berbeda,
5) Strukturnya sangat kuat.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
8
Universitas Indonesia
2.2.1. Parameter Antena Mikrostrip
Untuk dapat melihat kerja dari antena mikrostrip, maka perlu diamati
parameter parameter pada mikrostrip. Beberapa parameter umum dijelaskan
sebagai berikut.
2.2.1.1. Pola Radiasi
Pola radiasi adalah representasi grafis sifat-sifat pemancaran antena sebagai
fungsi dari koordinat ruang. Dengan menggunakan model slot peradiasi diatas,
maka berlaku persamaan medan elektrik[2]:
untuk
Ada dua jenis pola radiasi, yaitu:
a) Mutlak
Pola radiasi mutlak ditampilkan dalam satuan-satuan mutlak kekuatan atau
daya medan.
b) Relatif
Pola radiasi relatif merujuk pada satuan satuan relatif kekuatan atau daya
medan. kebanyakan ukuran pola radiasi relatif kepada antena isotropic dan
metode transfer gain dipergunakan untuk menentukan gain mutlak antena.
Pola radiasi didaerah dekat antena tidaklah sama seperti pola radiasi pada
jarak jauh. Istilah medan dekat merujuk pada pola medan yang berada dekat
antena, sedangkan istilah medan jauh merujuk pada pola medan yang berada di
jarak jauh. Medan jauh juga disebut sebagai medan radiasi, dan merupakan hal
yang diinginkan. Biasanya, daya yang dipancarkan adalah yang kita inginkan, dan
oleh karena itu pola antena biasanya diukur di daerah medan jauh. Untuk
pengukuran pola sangatlah penting untuk memiliki jarak yang cukup besar untuk
berada di medan jauh diluar medan dekat. jarak dekat minimum yang
diperbolehkan bergantung pada dimensi antena berkaitan dengan panjang
gelombang.
2.2.1.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
Bila impedansi saluran transmisi tidak sesuai dengan transceiver maka akan
timbul daya refleksi (reflected power) pada saluran yang berinterferensi dengan
(2.1)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
9
Universitas Indonesia
daya maju (forward power). Interferensi ini menghasilkan gelombang berdiri
(standing wave) yang besarnya bergantung pada daya refleksi. VSWR adalah
perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum
dengan minimum . Pada saluran transmisi ada dua komponen
gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan dan tegangan yang
direfleksikan . Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan
tegangan yang dikirimkan tersebut sebagai koefisien refleksi tegangan ()[2]:
Dimana Z1 adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran
(lossless). Koefisien refleksi tegangan () memiliki nilai kompleks, yang
mempresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa
kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari adalah nol, maka:
= -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat.
= 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.
= +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah[2]:
2.2.1.3 Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss
digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan
dibandingkan dengan gelombang yang dikirim
. Return loss dapat
terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi
masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki
diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada
frekuensi[2].
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
10
Universitas Indonesia
2.2.1.4 Gain
Gain adalah perbandingan antara rapat daya persatuan unit antena terhadap
rapat daya antena referensi dalam arah dan daya masukan yang sama. Gain suatu
antena berlainan dengan gain kutub empat, gain diperhatikan daya masukan ke
terminal antena. Gain didapat dengan menggunakan persamaan[2]:
Ada dua jenis parameter penguatan (Gain) yaitu absolute gain dan relative
gain. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara
intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya
yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Intensitas radiasi yang
berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara tropik sama dengan daya yang
diterima oleh antena (Pin) dibagi 4. Absolute gain ini dapat dihitung dengan
rumus[2]:
Selain absolute gain juga ada relative gain. Relative gain didefinisikan
sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan
daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan
harus sama diantara kedua antena itu. Akan tetapi, antena referensi merupakan
sumber isotropik yang lossless (Pin(lossless)). Secara rumus dapat dihubungkan
sebagai berikut[2]:
2.2.1.5 Directivity
Pengarahan (directivity) adalah sebagai perbandingan antara rapat daya
maksimum pada berkas utama terhadap rapat daya rata rata yang diradiasikan[2]
Intensitas radiasi rata rata sama dengan jumlah daya yangdiradiasikan oleh
antena dibagi dengan 4. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi
maksimum merupakan arah yang dimaksud. Directivity ini dapat dirumuskan
sebagai berikut[2]:
(2.5)
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
11
Universitas Indonesia
Dimana:
D = Keterarahan (Directivity)
D0 = Keterarahan maksimum
U = Intensitas radiasi
Umax = Intensitas radiasi maksimum
U0 = Intensitas radiasi pada sumber isotropik
Prad = Daya total radiasi
2.2.1.6 Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi dimana
kerja yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi
masukan, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss,
axial ratio) memenuhi spesifikasi standard.
Gambar 2.3 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth [12]
Dengan melihat Gambar 2.3 bandwidth dapat dicari dengan menggunakan rumus
berikut ini[12]:
Dimana: f2 = frekuensi tertinggi
f1 = frekuensi terendah
fc = frekuensi tengah
Ada beberapa jenis bandwidth diantaranya:
a. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana patch antena berada
pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena
impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai
frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Nilai
return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9.54 dB
dan 2, secara berurutan.
(2.10)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
12
Universitas Indonesia
b. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana beamwidth, sidelobe atau
gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut
harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat
dicari.
c. Polarization atau axial ratio adalah rentang frekuensi dimana polarisasi (linier
atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar
adalah kurang dari 3 dB.
2.2.1.7 Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah impedansi pada antena yang terukur pada titik-
titik terminal masukan antena atau perbandingan antara tegangan dan arus pada
sepasang terminal masukan antena. Dengan kata lain, impedansi masukan
merupakan total impedansi dari impedansi karakteristik (saluran transmisi) Zo, dan
impedansi beban (antena) ZL, yang dapat dirumuskan dengan persamaan[4]:
dengan adalah konstanta propagasi.
2.2.1.8 Impedansi Karakteristik Saluran Mikrostrip
Pada prinsipnya antena mikrostrip mempunyai kesamaan dengan saluran
mikrostrip. Dengan memperhatikan adanya kesamaan sifat yang dimiliki sebagai
komponen pasif, maka dalam menentukan impedansi karakteristik antena dapat
dilakukan dengan menggunakan analisis saluran transmisi dalam bentuk
mikrostrip. Tujuan penentuan impedansi karakteristik antena adalah untuk
menentukan lebar saluran atau elemen radiasinya.
Secara matematik besarnya nilai impedansi karakteristik unutk saluran
antena mikrostrip dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut[3]:
(2.11)
(2.12)
(2.13)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
13
Universitas Indonesia
Dimana: Z0 = impedansi karakteristik ()
r = permitivitas dielektrik relatif substrat (F/m)
W = lebar elemen radiasi (mm)
h = tinggi bahan substrat (mm)
Impedansi karakteristik merupakan salah satu parameter yang penting dalam
merancang antena mikrostrip, karena apabila impedansi saluran yang tidak
matching dengan impedansi masukan antena akan menyebabkan beberapa
masalah, antara lain timbulnya sinyal pantul, distorsi dan interferensi antar alur
rangkaian.
2.2.2 Dimensi Antena
Untuk mencari dimensi antena mikrostrip, harus diketahui terlebih dahulu
parameter bahan yang digunakan yaitu tebal substrat (h), konstanta dielektrik (r),
tebal konduktor (t) dan rugi-rugi bahan. Panjang antena mikrostrip harus
disesuaikan, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth akan sempit
sedangkan apabila terlalu panjang, bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi
efisiensi radiasi akan menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari antena mikrostrip
(W) impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk
mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan[1]:
Dimana: W : lebar konduktor
r : konstanta dielektrik
c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x108)
fo : frekuensi kerja antena
Sedangkan untuk menentukan panjang patch antena (L) diperlukan
paramater yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing
effect. Pertambahan panjang dari L ( ) tersebut dirumuskan dengan[1]:
(2.14)
(2.15)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
14
Universitas Indonesia
Dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat, dan adalah
konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai[1]:
Dengan panjang patch (L) dirumuskan dengan[1]:
Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan
dengan[1]:
Sedangkan perhitungan saluran pencatu dilakukan dengan menghitung lebar
dan panjang inset feed. Lebar saluran pencatu (W0)[10]:
Sementara untuk
, persamaannya adalah sebagai berikut[10]:
dengan A dan B adalah[10]:
Untuk perhitungan panjang saluran pencatu (y0)[1]:
Impedansi input :
dengan G1 dan G2[1]:
dimana
Dengan mengetahui nilai impedansi input, selanjutnya dapat dihitung
dimensi panjang inset feed untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi
yaitu[1]:
(2.16)
(2.17)
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
(2.26)
(2.27)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
15
Universitas Indonesia
Persamaan diatas membutuhkan usaha yang cukup besar untuk
menghitungnya. Perhitungan untuk mendapatkan panjang inset feed dapat
disederhanakan menjadi seperti ditunjukan pada persamaan berikut. Yang mana
persamaan ini valid untuk r dari 2 sampai 10[8].
2.2.3 Teknik Pencatuan Saluran Transmisi Mikrostrip
Teknik pencatuan digunakan untuk menghasilkan radiasi baik dengan
kontak langsung maupun tidak langsung. Pada skripsi ini penulis menggunakan
teknik pencatuan oleh saluran transmisi mikrostrip (Microstrip Line Feed), adalah
salah satu metode yang paling mudah untuk dibuat karena hanya menghubungkan
strip konduktor kepada patch dan oleh karena itu dapat dianggap sebagai patch
tambahan[12]. Hal ini mudah dimodelkan dan mudah di-matching dengan
mengontrol posisi inset. Bagaimana kerugian metode ini adalah dengan
bertambahnya ketebalan substrat, gelombang permukaan dan radiasi catuan
spurious juga bertambah yang mengakibatkan bandwidth nya juga menyempit.
2.2.4 Daerah Antena
Daerah antena merupakan pembatas dari karakteristik gelombang
elektromagnetika yang dipancarkan oleh antena. Ruang di sekeliling antena
biasanya dibagi dalam 3 daerah, diperlihatkan pada Gambar 2.4 di bawah ini:
Gambar 2.4 Daerah medan antena
(2.28)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
16
Universitas Indonesia
Jika didefinisikan :
D = Dimensi terluar antena, = panjang gelombang, dan R = Radius
masing-masing daerah antena, maka :
a. Daerah medan dekat reaktif .
Daerah ini didefinisikan sebagai bagian dari daerah medan dekat di
sekitar antena, dimana daerah reaktif lebih dominan. Untuk kebanyakan
antena batas terluar daerah ini adalah[21]:
/62,0 3DR
dari permukaan antena, dimana adalah panjang gelombang dan D
adalah dimensi terluar antena.
b. Daerah medan dekat radiasi.
Didefinisikan sebagai daerah medan antena antara medan-dekat
reaktif dan daerah medan jauh dimana medan radiasi dominan dan
distribusi medan bergantung pada jarak dari antena. Daerah ini disebut
daerah Freshnel. Radiusnya[21]:
23
262,0D
RD
c. Daerah medan jauh.
Merupakan daerah medan antena dimana distribusi medan tidak
lagi bergantung pada jarak dari antena. Di daerah ini, komponen medan
transversal dan distribusi angular tidak bergantung pada jarak radial
dimana pengukuran dibuat. Semua spesifikasi diperoleh dari pengukuran
yang dilakukan di daerah ini[21].
2
2D
R
(2.29)
(2.30)
(2.31)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
17
Universitas Indonesia
2.3 Metamaterial
Metamaterial merupakan material buatan yang tidak dapat ditemukan
dialam. Metamaterial memiliki permitivitas dan permeabilitas negatif, dimana dua
hal ini menunjukan bagaimana sebuah material berinteraksi dengan radiasi
elektromagnetik termasuk, microwave, radiowave, x-rays dan gelombang
elektromagnetik lainnya. Ketika suatu bahan memiliki permitivitas dan
permeabilitas bernilai negatif, maka bahan tersebut memiliki indeks bias negatif
atau juga disebut material left-handed[15].
Indeks bias didefinisikan oleh[13]:
dengan v adalah kecepatan penjalaran gelombang elektromagnetik pada medium.
Sedangkan indeks bias menurut persamaan Maxwell adalah[13]:
dengan adalah dielectric relative (permitivitas), dan adalah permeabilitas
magnetic relative dari medium. Pada material biasa, dan bernilai positif, maka
indeks bias pada material tersebut adalah[13]:
walaupun indeks bias dapat memiliki bagian kompleks, namun tiada seorang pun
yang mempertanyakan kemungkinan adanya indeks bias yang bernilai negatif
hingga pada tahun 1967. Pada tahun itu, Vaselago melihat bahwa adanya
kemungkinan indeks bias suatu material bernilai negatif, seperti ditunjukan
oleh[13]:
Vaselago juga mengungkapkan bahwa penjalaran gelombang elektromagnetik
pada medium indeks bias negatif akan memilki properti yang berbeda
dibandingkan dengan penjalaran gelombang elektromagnetik pada medium
berindeks bias positif.
(2.32)
(2.33)
(2.34)
(2.35)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
18
Universitas Indonesia
Gambar 2.5 Gelombang elektromagnetik
Gelombang elektromagnet dirumuskan oleh persamaan Maxwell, yang mana
gelombang ini mengandung medan listrik dan medan magnet, persamaan (2.34).
Gelombang planar, seperti yang ditunjukan disini, memiliki medan listrik dan
magnetik yang terpolarisasi pada sudut yang tepat satu sama lain. Arah medan
pada gelombang planar juga membentuk sudut kanan sehubungan arah propagasi.
Ketika suatu gelombang elektromagnetik masuk dalam suatu material, medan
medan gelombang berinteraksi dengan elektron dan muatan muatan dari atom
dan molekul yang mengubah struktur material dan menyebabkannya
bergerak[14].
Mengetahui bahwa permitivitas dan permeabilitas adalah satu satunya
parameter material yang relevan untuk gelombang elektromagnet[14], kita dapat
membayangkan sebuah bahan ruang parameter dimana semua bahan dapat
ditempatkan. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.6:
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
19
Universitas Indonesia
Gambar 2.6 Diagram permitivitas, permeabilitas dan indeks bias[7]
Kuadran I, dimana permitivitas dan permeabilitas keduanya positif. Karena
yang paling banyak diketahui berada pada kuadran I ini, yaitu yang memiliki
permitivitas dan permeabilitas positif, maka material di kuadran I inilah yang
paling banyak diteliti. Namun, sebagian besar dari kuadran, belum terlalu banyak
diteliti. Ini dikarenakan material ini tidak mudah untuk didapatkan. Faktanya,
material pada kuadran III, yang memiliki permitivitas dan permeabilitas negatif
lebih kecil dari 0, tidak ditemukan di alam.
2.3.1 Metamaterial Jenis Planar
Metamaterial jenis planar dapat dianggap sebagai sebuah saluran transmisi.
Disini akan dijelaskan secara efektif rangkaian pendekatan berbasis pada
rangkaian ekivalen saluran transmisi yang terdiri dari lumped elemen. Pada
rangkaian ini (Gambar 2.7.a), terdiri dari impedansi Z seri, dan admitansi Y paralel
dan mempunyai panjang saluran elektrik d , yang mana harus lebih pendek dari
pada panjang gelombang untuk membentuk sebuah unit cell.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
20
Universitas Indonesia
Gambar 2.7 (a).Rangkaian Ekivalen dari saluran transmisi, (b). saluran L-C standard , (c). saluran
left-handed C-L[15]
Karakteristik impedansi dari saluran transmisi adalah[15]:
Konstanta propagasi adalah[15]
untuk gelombang yang berpropagasi pada arah z positif ditandai oleh exp (-z)
akan bernilai + (persamaan 2.32), sedangkan nilai - menandakan gelombang
propagasi pada arah z negatif. Untuk seterusnya akan digunakan nilai positif.
dan adalah atenuasi dan konstanta fasa. kecepatan fasa vp adalah[15]:
dan kecepatan grup vg adalah[15]:
Saluran tanpa loss standard memiliki sebagaimana ditunjukan
gambar 2.7 (b), sehingga persamaan (2.36 2.39) menjadi[15]:
(2.36)
(2.37)
(2.38)
(2.39)
(2.40)
(2.41)
(2.42)
(2.43)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
21
Universitas Indonesia
Hasil sesuai dengan propagasi dari gelombang maju TEM standar di sepanjang
saluran. Kecepatan vp maupun vg bernilai positif.
Sekarang mari kita memperhatikan kasus ganda pada rangkaian ekivalen
yang terkait yang ditunjukan pada gambar 2.7.(c), dimana posisi kapasitansi dan
induktansi saling ditukar. Dengan cara ini kita telah mengganti struktur lowpass
L-C yang asli menjadi struktur high pass L-C. Struktur high pass L-C inilah yang
menunjukan sifat left-handed dan mewakili versi planar dari metamaterial.
Sehingga untuk saluran tanpa loss, nilai = 0, Z = 1/jCL dan Y = 1/jLL,
sehingga persamaan menjadi[15]:
Dimana pada persamaan (2.46) dan (2.47) terdapat tanda yang berlawanan.
Kecepatan grup memiliki arah yang berlawanan dengan kecepatan fasa. Hasil ini
menandakan gelombang mundur.
Perancangan dapat dilakukan dengan menambahkan induktor dan kapasitor
ke saluran transmisi yang sesungguhnya dengan rangkaian ekivalennya pada
gambar 2.7 (b). Karena rangkaian awal terdiri dari induktansi seri LR dan
kapasitansi CR, maka rangkaian ekivalen dari LHTL (left-handed transmission
line) pada gambar 2.7 (c). harus diubah sebagaimana pada gambar 2.8.
Gambar 2.8. Rangkaian ekivalen modifikasi dari LHTL (left-handed transmission line)[15]
(2.44)
(2.45)
(2.46)
(2.47)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
22
Universitas Indonesia
Dengan membandingkan persamaan (2.42 dan 2.43) dengan persamaan
umum tentang propagsi gelombang bidang datar di ruang hampa, maka akan
diperoleh:
Dimana L dan C merupakan induktansi dan kapasitansi sebagian (lumped) dari
saluran dengan panjang d yang mana jauh lebih pendek dari lebih tepatnya
d
-
23
Universitas Indonesia
zeroth order resonator dan pembagi (divider) seri panjang gelombang tak hingga
(infinite wavelength).[6]
Gambar 2.9 Fundamental dari CRLH (a) prototype unit sel TL (b) Diagram dispersi[15]
Pada skripsi ini analisa dan desain resonan, antena planar berdasarkan pada
properti panjang gelombang tak hingga (infinite wavelength) dari CRLH TL.
Karena sebuah panjang gelombang tak hingga terjadi ketika konstanta propagasi
adalah nol, frekuensi dari antena yang diajukan tidak tergantung panjang fisik,
tetapi hanya pada reaktansi yang diberikan oleh unit sel nya. Oleh karena itu,
ukuran fisik antena yang diajukan bisa berapa saja. Ini berguna untuk
mendapatkan antena yang ukuran elektrisnya kecil ataupun yang elektrisnya
besar. Dengan merancang unit sel dengan benar, pola radiasi dari antena pada
frekuensi panjang gelombang tak hingga dapat disesuaikan. Secara khusus,
terlihat bahwa unit sel CRLH TL adalah model umum bagi unit sel yang
dibutuhkan, yang mana terdiri dari sebuah kapasitansi seri, sebuah induktansi seri,
sebuah kapasitansi paralel dan sebuah induktansi paralel.
Resonansi paralel unit sel CRLH TL menentukan frekuensi panjang
gelombang tak hingga dan juga frekuensi kerja antena. Sebuah unit sel CRLH TL
tanpa kapasitansi seri disebut juga sebagai unit sel inductor-loaded TL yang dapat
juga digunakan untuk memperoleh antena. Dengan memodifikasi kapasitansi
paralel ekivalen dan/atau parameter rangkaian induktansi paralel pada unit sel,
frekuensi kerja dan ukuran fisik antena dapat dikontrol. Selanjutnya, distribusi
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
24
Universitas Indonesia
medan listrik dengan amplitudo/fasa yang sama pada panjang gelombang tak
hingga memperbaiki pola radiasi monopolar antena.
Berdasarkan pada metodologi struktur periodik, antena CRLH dengan pola
radiasi monopolar biasanya terdiri dari dua, empat dan enam unit sel. Yang mana
pada unit sel ini juga akan diteliti tentang antena pembebanan induktor (inductor-
loaded), impedansi masukan, gain, dan pola radiasi pada pola radiasi
monopolarnya.
2.3.3 Fundamental Infinite Wavelength Unit-Cell (Prinsip Dasar Dari Unit Sel
Panjang Gelombang Tak Hingga)
Untuk membuat antena resonan tipe planar, yang tidak tergantung pada
ukuran fisik, digunakan struktur TL yang didasarkan pada prinsip panjang
gelombang tak hingga. Realisasi dari LH TL, yang mencakup efek RH, dikenal
sebagai CRLH TL yang memiliki panjang gelombang tak hingga (=0 ketika 0)
dan juga dapat digunakan untuk membuat antena yang diinginkan.
Rangkaian ekivalen dari unit sel CRLH TL ditunjukkan pada gambar 2.9.(a).
Diagram dispersi unit sel CRLH TL ditunjukkan pada gambar 2.9.(b). CRLH TL
mendukung prinsip dasar gelombang LH pada frekuensi rendah dan gelombang
RH pada frekuensi tinggi.
Umumnya, resonansi seri dan resonansi paralel tidak sama dan dua hal ini
memiliki frekuensi tidak nol dengan =0. Dua hal ini disebut sebagai titik panjang
gelombang tak hingga dan ditentukan oleh resonansi seri dan resonansi paralel
dari unit sel. Dengan cascading sebuah unit sel CRLH TL dengan panjang p,
waktu N, sebuah CRLH TL dengan panjang L = N * p dapat dibuat. CRLH TL
dapat digunakan sebagai sebuah resonator pada kondisi resonan[15]:
Dimana n adalah jumlah mode resonan dan dapat bernilai positif, negatif, bahkan
nol. Ketika n = 0, diperoleh panjang gelombang tak hingga dan kondisi resonansi
yang independen dari panjang CRLH TL. Ketika kondisi open boundary, frekuensi
(2.54)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
25
Universitas Indonesia
panjang gelombang tak hingga ditentukan oleh frekuensi resonansi paralel, sh
yang diberikan pada persamaan berikut[15]:
Karena yang menentukan frekuensi panjang gelombang tak hingga hanya
resonansi paralel unit sel CRLH TL, sehingga komponen serinya tidak
berpengaruh. Sebagai contoh, resonator open-ended berbasis 4 unit sel CRLH
ditunjukan pada gambar 2.10 (a), dengan CL = 1.50 pF, LR = 1.00 nH, CR = 1.45
pF, dan Ll = 1.95 nH,yang sesuai dengan fsh = 3.0 GHz. Resonator open-ended
dihubungkan ke port input/output dengan kapasitor Cc = 0.01 pF. Sementara itu
gambar 2.10 (b) menunjukkan resonator open-ended dengan komponen seri yang
dibuang.
Gambar 2.10 Resonator open-ended 4 sel (a) unit sel CRLH TL, (b) Tidak ada komponen seri[15]
Gambar 2.11 Puncak resonan dari resonator open-ended pada gambar 2.13[15]
(2.55)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
26
Universitas Indonesia
Puncak resonan dari dua resonator open-ended ditunjukkan pada gambar
2.11 dan menunjukan bahwa hanya komponen paralel yang menentukan resonansi
panjang gelombang tak hingga pada kondisi open boundary. Oleh karena itu, unit
sel dengan inductor-loaded TL (pembebanan induktor) dengan komponen paralel
yang sama dengan unit sel CRLH TL mempunyai frekuensi gelombang tak hingga
sebagai unit sel CRLH TL.Unit sel pada inductor-loaded TL ditunjukan pada
gambar 2.12 dan konstanta propagasinya[15]:
Induktor-loaded TL hampir sama dengan CRLH TL tetapi hanya berbeda
sedikit pada karakteristik dispersinya.
Gambar 2.12 Inductor-loaded TL (a) panjang unit sel LC, (b) Diagram dispersi[15]
2.4 WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access yang biasa disingkat
WiMAX merupakan teknologi komunikasi data nirkabel tingkat lanjut yang
dikembangkan untuk meningkatkan kinerja dan kapasitas serta jangkauan
layanan.
WiMAX dikembangkan secara khusus dari teknologi OFDM (orthogonal
frequency division multiplexing) untuk mencapai coverage area yang luas yaitu
beberapa mil atau sekitar 50 km, dengan bandwidth tinggi sekitar 72 Mbps dan
(2.56)
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
27
Universitas Indonesia
tambahan multiple access yang mungkin bisa diaplikasikan untuk sistem
komunikasi wireless masa depan. Teknologi sebelumnya, yaitu WiFi hanya
mampu menjangkau 20-100 meter dengan kecepatan beberapa puluh Mbps saja.
Karena itulah teknologi WiMAX lebih menjanjikan untuk masa yang akan datang.
Dari awal pengembangan sampai saat ini, WiMAX telah melakukan
beberapa penyempurnaan. Evolusi WiMAX dapat dilihat pada tabel 1 berikut.
Tabel 2.1. Evolusi WiMAX
Standar Fungsi
802.16a Standar pertama, beroperasi pada 10-66 GHZ, LOS
802.16d NLOS yang beroperasi di 2-11 GHz
802.16-2004 Standar pemersatu untuk 802.16a dan 802.16d
802.16e Penambahan fungsi perpindahanterminal (roaming)
802.16f Kemampuan jaringan mesh
WiMAX memiliki kelebihan dibandingkan dengan teknologi Wireless LAN
(WLAN) dalam banyak hal. Kapasitas yang mampu diselenggarakan WiMAX
mencapai 70 Mbps per kanal untuk aplikasi fixed (tetap) dan portable (berpindah).
WiMAX juga memiliki kemampuan mengatasi hambatan transmisi secara fisik.
Teknologi ini disebut Near Line Of Sight (NLOS).
Gambar 2.13. Standar spesifikasi komunikasi
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
28
Universitas Indonesia
Dari perspektif global, band 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz dan 5.7 GHz
paling mungkin untuk digunakan dalam penyebaran WiMAX. Berdasarkan
pertimbangan topografi yang sangat luas, wilayah yang harus dicover dengan
topografi yang tidak seluruhnya datar dan biaya investasi pengembangan
infrastruktur WiMAX, maka frekuensi yang optimum untuk diterapkan WiMAX di
Indonesia adalah di frekuensi 2.3 GHz dan 3,3 GHz, sesuai dengan Peraturan
Mentri Komunikasi dan Informatika Republik Indonesia di band 2.3 GHz (2.3-2.4
GHz) dan 3.3 GHz (3.3-3.4 GHz)[17].
Sementara teknologi wireless yang sudah tersedia saat ini adalah WiFi,
namun luas layanan dan kapasitasnya terbatas. WiFi Hotspot misalnya hanya
melayani area seluas maksimal 100 meter. Densitasnya pun kecil, kemngkinan
adanya interferensi, mengingat fitur teknologinya juga terbatas.
WiMAX ditujukan untuk menggabungkan teknologi existing (DSL, cable)
dan WiFi baik indoor maupun outdoor. WiMAX bisa digunakan sebagai backhaul
atau backbone utama yang menggabungkan antar BTS, Hotspot. WiMAX juga
dapat dikembangkan sebagai repeater baik untuk WiFi maupun DSL/Cable.
Sedangkan ketika perangkat CPE, mobile gadget WiMAX tersedia di pasar, maka
perangkat WiMAX bisa menjadi Access Point.
Kapasitas WiMAX sebagai media transport cukup besar dan memungkinkan
penggunaan aplikasi yang lebih luas dan mungkin jenis layanan baru. Misalnya
untuk layanan video on demand, live streaming maupun VOIP (Voice Over
Internet Protocol). Diharapkan nantinya WiMAX akan mampu menyelenggarakan
layanan broadband setara DSL/Cable sampai ketingkat pengguna akhir serta
melayani keterbatasan ketersediaan infrastruktur di daerah dalam waktu singkat,
mudah dan murah.
Kelebihan dan kekurangan WiMAX akan dijelaskan pada tabel berikut:
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
29
Universitas Indonesia
Tabel 2.2. Kelebihan WiMAX
Faktor Kelebihan
Kecepatan Data WiMAX mampu untuk menyalurkan data hingga kecepatan
70 Mbps per kanal
Jarak Jangkauan Jangkauannya sampai 50 km
Keamanan Teknologi WiMAX didesain dengan tingkat keamanan yang
tinggi dengan kemampuan QoS (Quality of Service)
Fleksibilitas Tidak tergantung kabel, lain dengan DSL yang
membutuhkan jaringan kabel, maka WiMAX tidak
tergantung infrastruktur kabel tersedia
Biaya Pembangunan infrastrukturnya jauh lebih cepat dan lebih
murah ketimbang akses broadband
Non Line of Sight WiMAX tidak memerlukan jarak pandang (line of sight)
antara pemancar dan penerima
Tabel 2.3. Kekurangan WiMAX
Faktor Kekurangan
Perangkat Belum banyak perangkat yang tersedia karena belum
selesainya proses sertifikasi. Hal ini disebabkan baru
diratifikasinya standar 802.16e, sehingga para vendor
memerlukan waktu untuk mendesain peralatan yang sesuai
dengan standar tersebut
Pengalokasian
Frekuensi
Beragamnya frekuensi operasi, masalah ini disebabkan
oleh pengalokasian frekuensi WiMAX yang berbeda-beda
disetiap negara, sehingga perangkat WiMAX disetiap
negara akan mengikuti frekuensi operasi dimana WiMAX
dioperasikan.
Tingkat
Kehandalan
Teknologi WiMAX merupakan teknologi jaringan yang
masih dalam tahap pengembangan sehingga teknologi
belum teruji kehandalannya pada kondisi sebenarnya.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
30 Universitas Indonesia
BAB 3
PERANCANGAN ANTENA METAMATERIAL CRLH
3.1 Pendahuluan
Pada skripsi ini, penulis merancang dan memfabrikasi antena mikrostrip
CRLH metamaterial yang beroperasi pada frekuensi 3.3 GHz (3.3 - 3.4 GHz)
dengan tujuan meminiaturisasi antena. Ada beberapa tahapan dalam perancangan
antena ini, diantaranya adalah menentukan spesifikasi substrat yang akan
digunakan, menentukan dimensi substrat, membuat antena konventional,
menghitung dimensi antena konventional, membuat antena CRLH, menentukan
menentukan jarak antar elemen, menentukan ukuran via, menentukan panjang dan
lebar pencatu, membandingkan antena konventional dengan antena CRLH,
menghitung reduksi dimensi antena. Setelah menentukan perancangan tersebut,
kemudian antena disimulasikan dengan mengganti perangkat lunak (software)
CST Microwave Studio 2011. Tujuan disimulasikan ini adalah untuk melihat
bagaimana karakteristik atau kinerja antena, dimana nantinya pada saat
direalisasikan atau difabrikasi bisa sesuai dengan yang diinginkan.
Sebelum merancang antena mikrostrip CRLH metamaterial, yang
dilakukan pertama kali adalah study literatur mengenai antena, termasuku
parameter parameternya, seperti, bandwidth, pola radiasi, return loss, gain,
VSWR
. Setelah itu merancang antena konventional terlebih dahulu. Proses ini ditujukan
agar kedua antena bisa dibandingkan, sehingga diketahui berapa persen antena
direduksi. Karena tujuan dari skripsi ini adalah meminiaturisasi antena, dengan
kata lain berapa persen metode CRLH ini akan mereduksi ukuran antena jika
dibandingkan dengan antena konventional yang didesain dengan substrat dan
frekuensi yang sama. Pada sub bab 3 ini, akan diperlihatkan bagaimana
menentukan letak parameter pencatu antena secara matematis.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
31
Universitas Indonesia
3.2 Perangkat Yang Digunakan
Perancangan antena ini menggunakan perangkat keras (hardware) dan
perangkat lunak (software). Perangkat keras digunakan untuk fabrikasi dan
pengukuran antena, sedangkan perangkat lunak digunakan untuk melakukan
simulasi dan untuk mengetahui karakteristik atau kinerja antena yang dirancang.
Perangkat keras yang digunakan dalam perancangan antena mikrostrip
antara lain:
1. Substrat dielektrik Taconic TLY-5, sebagai bahan antena.
2. Network Analyzer Agilent 5230 C
Alat ini dapat digunakan untuk pengukuran port tunggal (mengukur
VSWR, frekuensi resonansi, impedansi masukan, return loss, dan
bandwidth) dan port ganda (mengukur pola radiasi dan gain).
3. Connector SMA 50 ohm.
4. Kabel Coaxial 50 ohm.
5. Solder
6. Anechoic Chamber
Ruang yang dipakai untuk mengukur gain dan pola radiasi
Adapun perangkat lunak (software) yang digunakan yaitu:
1. CST Microwave Studio 2011
Perangkat lunak ini digunakan untuk merancang dan mensimulasikan
antena yang akan dibuat. Setelah disimulasi akan diperoleh beberapa
karakteristik antena seperti frekuensi kerja, bandwidth, impedansi
masukan, return loss, VSWR, dan pola radiasi.
2. Microsoft Visio 2010
Perangkat lunak ini digunakan untuk melakukan visualisasi dengan
perancangan.
3. Microsoft Excel 2007
Perangkat lunak ini digunakan untuk mengolah data dengan persamaan
matematis.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
32
Universitas Indonesia
3.3 Diagram Alir Perancangan Antena
Gambar 3.1 menunjukan metodologi perancangan skripsi.
Gambar 3.1 Diagram alir metodologi pengerjaan skripsi
Start Study Literatur
- Antena
- Metamaterial
Menentukan
Dimensi
Antena
Merancang dan
Simulasi Antena
dengan Software
CST
Frekuensi
3.3-3.4 GHz?
Fabrikasi Pengukuran
- Menggunakan Anechoic
Chamber Room
dan Network
Analyzer
Frekuensi
3.3-3.4 GHz?
Mengambil dan
Mengolah data
Perbandingan dan
Kesimpulan End
Ya
Tidak
Ya
Tidak
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
33
Universitas Indonesia
3.4 Perancangan Antena
Tahapan perancangan antena pertama kali adalah menentukan karakteristik
antena yang diingkan, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Karakteristik
antena yang dimaksud yaitu, frekuensi kerja, return loss, VSWR, dan gain. Pada
penelitian ini diharapkan dapat memberikan karakteristik hasil yang diinginkan
yaitu:
1. Frekuensi Kerja : 3.3 GHz (3.3 - 3.4 GHz)
2. Impedansi terminal : 50 koaksial konektor SMA
3. VSWR : 2
4. Bandwidth : 100 MHz
Setiap substrat memiliki parameter yang berbeda beda. Oleh karena itu,
perlu ditentukan terlebih dahulu jenis substrat yang akan digunakan sebagai
antena mikrostrip. Jenis substrat yang digunakan adalah Taconic TLY 5 dengan
konstanta dielektrik 2.2 dan tebal substrat 1.6 mm.
Ketebalan substrat akan mempengaruhi bandwidth dan gelombang
permukaaan (surface wave). Semakin kecil tebal substrat maka efek gelombang
permukaan semakin kecil. Dengan mengecilnya gelombang permukaan
diharapkan dapat meningkatkan kinerja antena seperti: gain, efisiensi dan
bandwidth. Konstanta dielektrik relatif (r) akan mempengaruhi terjadinya
gelombang permukaan. Namun dengan semakin kecilnya konstanta dielektrik,
maka ukuran patch dan saluran pencatu mikrostrip yang dibutuhkan akan semakin
luas, karena ukuran patch dan saluran mikrostrip berbanding terbalik dengan
konstanta dielektrik.
Skripsi ini merancang dua jenis antena dengan substrat dan tebal substrat
yang sama, yang pertama adalah antena konventional dan yang kedua adalah
antena CRLH metamaterial. Dimana nantinya kedua antena ini akan
dibandingkan, dan diharapkan dengan metode CRLH metamaterial dapat
meminiaturisasi antena.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
34
Universitas Indonesia
3.4.1 Perancangan Antena Konventional
Sebelum merancang antena mikrostrip CRLH metamaterial, langkah
pertama yang harus dilakukan adalah merancang antena konvensional, seperti
gambar 3.2 berikut:
Gambar 3.2 Antena Konvensional
3.4.1.1 Perancangan Saluran Pencatu Mikrostrip
Pada saat pengukuran, pencatu antena mikrostrip akan dihubungkan
dengan konektor SMA 50 . Dengan demikian dalam perancangan pencatu
antena mikrostrip perlu impedansi masukan (Zin) 50 . Untuk mendapatkan nilai
impedansi saluran pencatu 50 , dapat dilakukan dengan mencari lebar saluran
pencatu. Lebar saluran pencatu bisa dihitung dengan persamaan (2.19 2.22).
Dengan memasukkan nilai r = 2.2, h = 1.6 mm dan Z0 = 50 , maka:
W
L
Yo
Wo
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
35
Universitas Indonesia
Dimana nilai B adalah:
Sehingga
3.4.1.2 Perancangan Lebar, Panjang dan Inset Feed Antena
Langkah selanjutnya adalah menghitung panjang (L), lebar (W), dan inset
feed (Y0) antena konvensional. Dengan spesifikasi f0 = 3.35 GHz, r = 2.2, h = 1.6
mm, c = 3 x 108. Untuk menghitung lebar antena digunakan persamaan 2.14
sebagai berikut:
Sedangkan untuk menentukan panjang patch antena (L) diperlukan
paramater yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing
effect. Pertambahan panjang dari L ( ) tersebut dirumuskan pada persamaan
2.15. Sebelum menghitung maka harus diketahui dulu konstanta dielektrik
relatif yang dirumuskan pada persamaan 2.16, sebagai berikut:
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
36
Universitas Indonesia
Sehingga dapat dicari:
Sebelum mencari L, maka dihitung terlebih dahulu Leff yaitu panjang patch efektif
seperti yang dirumuskan pada persamaan 2.18, sebagai berikut:
Leff =
Sehingga L dapat dihitung, seperti pada persamaan 2.17, yaitu:
L = Leff 2
Perhitungan untuk mendapatkan panjang inset feed ditunjukkan pada persamaan
2.28 berikut. Yang mana persamaan ini valid untuk r dari 2 sampai 10.
3.4.2 Perancangan Antena Mikrostrip CRLH Metamaterial
Karena tidak diperoleh rumusan spesifik untuk menghitung dimensi antena
mikrostrip CRLH metamaterial untuk mendapatkan karakteristik-karakteristik
antena pada frekuensi kerja tertentu, maka dimensi antena mikrostrip CRLH
metamaterial diperoleh dari jurnal-jurnal terkait dan referensi dari buku-buku,
dimana dapat disimpulkan semakin kecil dimensi via dan gap pada antena
mikrostrip CRLH metamaterial maka karakteristiknya akan semakin bagus[20].
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
37
Universitas Indonesia
Maka dari itu penulis, merancang dan memilih ukuran parameter antena sekecil,
sebatas ukuran yang bisa di fabrikasi.
3.5 Hasil Simulasi
Setelah melakukan perhitungan untuk antena konvensional dan merancang
antena CRLH, maka langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi antena untuk
mendapatkan karakteristiknya dengan software CST Studio 2011. Ada beberapa
iterasi yang dilakukan dengan tujuan mendapatkan karakteristik antena yang
diinginkan. Adapun iterasi yang telah dilakukan penulis yaitu:
1. Mengubah bentuk patch yang awalnya berbentuk rectangular, menjadi antenna
dengan patch berbentuk huruf S, E, dan U.
2. Memperbesar diameter via.
3. Menggeser via, saling mendekat dan saling menjauh diantara dua via ditiap
patch nya.
4. Mengurangi luas ground.
5. Memindahkan posisi feeding line, keatas dan kebawah.
6. Memperkecil jarak feeding line ke patch antena.
7. Memperlebar gap dari 0.2 mm menjadi 0.3 mm dengan tujuan bisa difabrikasi.
Pada akhirnya proses iterasi dilakukan dengan beberapa penyesuaian atau
ketentuan ketika mau difabrikasi. Seperti, minimal via memiliki diameter 0.7 mm,
lebar jalur minimal 0.2 mm (namun tempat penyedia jasa pembuatan antena
menyarankan minimal jalur 0.3 mm, agar mengurangi resiko kegagalan).
3.5.1 Hasil Simulasi Awal
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya ada beberapa proses iterasi, yang
pertama membuat desain antena yang lain, yaitu mengubah patch yang
rectangular menjadi patch berbentuk huruf S, E, dan U. Kemudian
membandingkan hasilnya, dari keempat desain antena tersebut. Kemudian
mengiterasi via dengan diameter 0.24 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 0,7 mm dan 1 mm.
Dengan tujuan memperbaiki kualitas antena, namun semakin besar diameter via
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
38
Universitas Indonesia
antena maka frekuensi juga akan semakin besar (bergeser ke kanan). Disisi lain,
via berdiameter paling kecil yang bisa diproduksi di Indonesia untuk saat ini
mempunyai ukuan yaitu 0.5 mm.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 3.3 (a) Patch Rectangular, (b) Patch E, (c) Patch S, (d) Patch (U)
Berikut hasil yang didapat untuk keempat desain dengan diameter via 0.24
mm, 0.3 mm, 0.5 mm dan 0.7 mm.
Tabel 3.1. Hasil Simulasi untuk via 0.24 mm
Parameter Rectangular Patch E Patch S Patch U
Bandwidth 40 MHz 40 MHz 40 MHz 50 MHz
Frekuensi (3.32-3.36) GHz (3.29-3.33) GHz (3.31-3.35) GHz (3.40-3.45) GHz
F. Resonant 3.345 GHz 3.315 GHz 3.34 GHz 3.43 GHz
Z 51.29 51.35 50.65 50.66 Gain 1.496 dB 1.432 dB 1.236 dB 1.485 dB
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
39
Universitas Indonesia
Gambar 3.4 Grafik S11 antena patch rectangular dengan diameter via 0.24 mm
Gambar 3.4 menunujukan Grafik S11 pada antena patch rectangular dengan
diameter via 0.24 mm. Pada frekuensi 3.345 GHz dengan return loss 27.5 dB
menghasilkan bandwidth yang masih sempit yaitu 40 MHz dengan rentang
frekuensi dari 3.32 GHz 3.36 GHz.
Tabel 3.2. Hasil Simulasi untuk via 0.3 mm
Parameter Rectangular Patch E Patch S Patch U
Bandwidth 40 MHz 40 MHz 40 MHz 50 MHz
Frekuensi (3.43-3.47) GHz (3.38-3.42) GHz (3.40-3.44) GHz (3.51-3.56) GHz
F. Resonant 3.455 GHz 3.405 GHz 3.43 GHz 3.545 GHz
Z 51.29 51.35 50.65 50.66
Gain 1.88 dB 1.886 dB 1.619 dB 2.032 dB
Tabel 3.3. Hasil Simulasi untuk via 0.5 mm
Parameter Rectangular Patch E Patch S Patch U
Bandwidth 50 MHz 50 MHz 40 MHz 60 MHz
Frekuensi (3.69-3.74) GHz (3.62-3.67) GHz (3.65-3.69) GHz (3.74-3.80) GHz
F. Resonant 3.725 GHz 3.65 GHz 3.68 GHz 3.77 GHz
Z 51.29 51.35 50.65 50.66
Gain 2.109 dB 2.066 dB 1.713 dB 2.232 dB Tabel 3.4. Hasil Simulasi untuk via 0.7 mm
Parameter Rectangular Patch E Patch S Patch U
Bandwidth 60 MHz 50 MHz 40 MHz 50 MHz
Frekuensi (3.69-3.74) GHz (3.62-3.67) GHz (3.65-3.69) GHz (3.74-3.80) GHz
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
40
Universitas Indonesia
F. Resonant 3.725 GHz 3.65 GHz 3.68 GHz 3.77 GHz
Z 51.29 51.35 50.65 50.66
Gain 2.404 dB 2.338 dB 2.23 dB 2.509 dB
Dari keempat tabel bisa dilihat bahwa keempat patch tidak menunjukan
hasil yang signifikan, namun bisa diketahui bahwa semakin lebar diameter via
maka akan semakin besar juga frekuensinya, begitu juga untuk gainnya, yaitu
gain semakin meningkat seiring semakin lebarnya diameter via. Untuk bandwidth,
keempat patch menghasilkan bandwidth diantara 40 MHz 60 MHz.
Iterasi selanjutnya yaitu, melakukan pergeseran via yaitu saling mendekat
dan menjauh. Via digeser saling menjauh 0.5 mm dari via yang satu, dan via
digeser saling mendekat sejauh 0.5 mm. Namun untuk iterasi ini, hanya dilakukan
pada via dengan diameter 0.5 mm, dikarenakan hasil tidak signifikan, hasil hampir
sama dengan sebelum digeser menjauh dan mendekat.
Dikarenakan bandwidth belum mencapai target maka, dilakukan iterasi
kembali, yaitu mengurangi luas ground (dari feeding line) sebanyak 2 mm, 4 mm,
dan 8 mm. Untuk yang 2 mm dan 4mm belum menunjukkan hasil yang bagus.
Sedangkan untuk yang 8 mm di dapat bandwidth 620 MHz, namun return lossnya
masih besar yaitu sekitar 12 dB, sementara yang diharapkan return loss 14 dB.
Gambar 3.5 Grafik S11 patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm
Gambar 3.5 menunjukan grafik S11 untuk desain antena patch rectangular,
dimana groundnya dikurangi sebanyak 8 mm dari feeding line. Bandwidth yang
dihasilkan lebar yaitu sekitar 620 MHz namun return loss nya hanya 13 dB.
Range frekuensi nya dari 2.74 GHz 3.36 GHz.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
41
Universitas Indonesia
Gambar 3.6 Farfield 3D patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm
Gambar 3.6 menunjukan Farfield 3D antena patch rectangular yang
groundnya dikurangi 8 mm. Terlihat pada frekuensi kerjanya yaitu 3.345 GHz,
diperoleh gain antena sebesar 1.496 dB. Gambar diatas juga menunjukan pola
radiasi secara 3D dari antena.
Gambar 3.7 Desain antena tampak belakang
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa dengan mengurangi luas
ground maka bandwidth yang dihasilkan juga semakin lebar. Iterasi dilakukan
untuk lebar ground yang dikurangi sebanyak 2 mm, 4 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm
dan 15 mm. Hasil paling bagus ketika ground dibuang sebanyak 15 mm. Diameter
via juga diubah menjadi 1 mm. Karena semakin lebar via frekuensi juga semakin
bergeser namun karena luas groundnya juga disesuaikan maka didapat frekuensi
yang diinginkan yaitu 3.3 GHz.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
42
Universitas Indonesia
3.5.2 Hasil Simulasi Akhir
Setelah melakukan beberapa kali iterasi, dapat disimpulkan dengan
mengurangi luas ground dari feeding line nya dapat meningkatkan bandwidth.
Sementara itu dengan mengiterasi luas patch antena dapat mengatur frekuensi,
karena semakin luas patch antena maka frekuensi nya semakin kecil, begitu
sebaliknya. Via juga berpengaruh dalam hal menggeser frekuensi, semakin lebar
diameter via maka frekuensi juga semakin besar. Sementara itu, untuk gain
sendiri, selalu berbanding lurus dengan dimensi antena, semakin kecil dimensi
antena maka gain juga akan semakin kecil. Lebar pencatu juga disesuaikan,
karena impedansi antena yang diinginkan adalah 50 . tempat pencatu juga
disesuaikan karena letak pencatunya berpengaruh pada besar kecilnya return loss.
3.5.2.1 Hasil Simulasi Akhir Antena CRLH Metamaterial
Pengurangan luas ground pada antena, mempunyai kekurangan yang
berdampak besar pada antena, yaitu pada saat menghubungkan konektor ke
antena, ground tidak terhubung langsung ke ground, sehingga dibutuhkan kabel
semi rigid untuk menghubungkan nya. Kabel semi rigid yang digunakan berupa
kabel tembaga dengan lebar diameter penampang 2 mm dan panjang kabel semi
rigid 22 mm. Dimana disekeliling kabel semi rigid ini diselubungi dengan
induktor, dengan tujuan arus tetap mengalir ke ground tanpa harus mengenai
substrat Taconic TLY-5 nya. Hal ini juga bertujuan agar bisa mendapatkan hasil
pengukuran yang sesuai dengan hasil ketika simulasi. Kabel semi rigid
dihubungkan pada konektor 50 kemudian disolder ke antena dan konektornya,
agar antena dan konektor menjadi lebih kuat.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
43
Universitas Indonesia
Gambar 3.8. Antena CRLH tampak depan
Gambar 3.9. Antena CRLH tampak belakang
Gambar 3.8 dan gambar 3.9 memperlihatkan antena tampak atas dan tampak
belakang. Dimana dimensi antena keseluruhan yaitu 20 mm x 35 mm. Dibagian
belakang ground yang dikurangi ditambah kabel semi rigid untuk menghubungi
bagian atas ground dengan konektor.
L
W
Wo
Via Gap
15 mm Ground
L
Kabel Semi Rigid
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
44
Universitas Indonesia
Gambar 3.10 Grafik S11.
Dari gambar 3.10 memperlihatkan hasil simulasi S11, frekuensi masih
dalam range 3.3 3.4 GHz, namun bandwidthnya menjadi lebih kecil. Sementara
itu return lossnya menjadi lebih bagus yaitu 18.544 dB.
(a) (b)
Gambar 3.11 Pola radiasi medan E antena metamaterial CRLH (a) E-Co (b) E-Cross
Gambar 3.11 menampilkan pola radiasi medan E antena metamaterial
CRLH. Gambar (a) menunjukan pola radiasi E-Co sedangkan gambar (b)
menunjukan pola radiasi E-Cross.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
45
Universitas Indonesia
Gambar 3.12 Pola radiasi E-Co vs E-Cross
Gambar 3.12 menunjukan pola radiasi E-Co vs E-Cross. Dimana E-co lebih
besar dari pada E-cross.
Gambar 3.13 VSWR antena metamaterial CRLH
Gambar 3.13 memperlihatkan grafik VSWR dimana pada frekuensi
kerjanya VSWR maksimum yang didapat adalah 1.268.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
46
Universitas Indonesia
Gambar 3.14 Farfield 3D Antena CRLH Metamaterial
Gambar 3.14 memperlihatkan farfield 3D dari antena CRLH metamaterial,
dimana dari gambar dapat dilihat pola radiasi secara 3 dimensi. Terlihat bahwa
gain yang dihasilkan sebesar 1.334 dB pada frekuensi kerja 3.37 GHz.
Jadi bisa disimpulkan untuk hasil simulasi antena CRLH metamaterial:
3.5.2.2 Hasil Simulasi Akhir Antena Konvensional
Antena konvensional dirancang bertujuan untuk membandingkan
dimensinya dengan antena CRLH metamaterial. Dimana antena metamaterial
didesain hanya berupa patch biasa dengan inset feed. Tidak ada via dan gap antar
patch. Karena via dan gap inilah yang membuat antena jadi metamaterial.
Rangkaian ekivalen antena konvensional berupa induktansi seri dan
kapasitansi paralel. Sebaliknya, antena metamaterial berupa kapasitansi seri dan
induktansi paralel.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
47
Universitas Indonesia
Gambar 3.15 Antena konvensional tampak depan.
Gambar 3.15 menunjukkan rancangan antena konvensional tampak depan.
Ukuran antena disesuaikan dengan iterasi panjang L, W, dan inset feednya. Pada
saat perhitungan ukuran W = 35.4 mm sama seperti perancangan. L saat
perhitungan 30.85 mm, sementara pada perancangan beda sedikit yaitu 29.175
mm. Untuk W0 saat perhitungan 4.8 mm, saat perancangan menjadi 4.6 mm, ini
disesuaikan agar impedansi karakteristik 50 . Ukuran inset feed sama dengan
perhitungan yaitu 7.425 mm. Untuk ukuran lebar celah inset feed, dibuat
berdasarkan iterasi. Lebar inset feed ini berpengaruh pada return loss antena. Agar
return loss nya kecil didapatkan ukuran lebar inset feed 2 mm.
Gambar 3.16 Antena konvensional tampak belakang
Gambar 3.16 memperlihatkan tampak belakang dari antena konvensional.
Terlihat bahwa ukuran patch antena yaitu 40 mm x 45 mm dan ground antena
tidak dimodifikasi, yaitu masih tertutup tembaga semua.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
48
Universitas Indonesia
Gambar 3.17 Grafik S11 antena konvensional
Grafik S11 antena konvensional diperlihatkan pada gambar 3.17. Dari
hasil simulasi didapat frekuensi kerja 3.33 GHz, sesuai dengan perhitungan
dimensi antena pada Bab 3. Bandwidth yang dihasilkan 120 MHz pada VSWR 2
(10 dB).
Gambar 3.18 Grafik VSWR antena konvensional
Gambar 3.18 memperlihatkan grafik VSWR vs frekuensi. Dari gambar
dapat diperoleh bahwa pada frekuensi kerja di 3.35 GHz, VSWR maksimumnya
sebesar 1.263.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
49
Universitas Indonesia
Gambar 3.18 Farfield 3D antena konvensional
Gambar 3.18 memperlihatkan farfield 3D dari antena konvensional, dimana
dari gambar dapat dilihat pola radiasi secara 3 dimensi. Terlihat bahwa gain yang
dihasilkan sebesar 5.643 dB pada frekuensi kerja 3.35 GHz. Gain antena
konvensional lebih tinggi dibandingkan dengan antena CRLH metamaterial
dikarenakan gain berbanding lurus dengan dimensi antena, semakin besar dimensi
antena maka semakin besar juga gain antenanya, begitu sebaliknya.
Jadi, Jadi bisa disimpulkan untuk hasil simulasi antena konvensional:
3.6 Miniaturisasi antena
Dengan membandingkan kedua jenis antena, yaitu antena konvensional
dan antena CRLH metamaterial, bisa diketahui berapa persen dimensi yang
direduksi pada antena konvensional pada dimensi antena CRLH metamaterial.
Sehingga tujuan untuk meminiaturisasi dapat tercapai.
Dimensi antena CRLH matamaterial yaitu 20 mm x 35. Untuk dimensi
antena konvensional yaitu 40 mm x 45 mm. Kedua jenis antena ini lah yang akan
di bandingkan untuk mendapatkan persentasi miniaturisasinya.
Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011
-
50
Universitas Indonesia
Luas Antena Konvensional: 40 x 45 = 1800 mm2
Luas Antena Metamaterial : 20 x 35 = 700 mm2
Reduksi Antena Metamaterial (1):
Dapat dilihat bahwa dengan menggunakan metode CRLH metamat