Analisa Performansi Antena Horn

5/12/2018 Analisa Performansi Antena Horn - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/analisa-performansi-antena-horn 1/9

Analisa Performansi Antena Horn untuk WLAN 2.44 GHz

Mudrik AlaydrusGrup Telekomunikasi, Teknik Elektro, FTI

Universitas Mercu Buana

AbstractDengan perkembangan teknologi telekomunikasi wireless, dilakukan banyak usaha

untuk memperbaiki sistim yang telah ada, ataupun ditawarkan solusi alternatif yanglebih efisien. Di tulisan ini dianalisa antena horn untuk aplikasi 2.44 GHz. Pengamatan

dilakukan dengan melakukan variasi parameter geometrisnya dengan tujuan faktorrefleksi dan gain yang optimal. Analisa dilakukan dengan menggunakan metoda moment.Tujuan dari analisa ini adalah memberikan data untuk pen-desain antena pada aplikasiWLAN 2.44 GHz, terutama jika jarak komunikasi sudah cukup jauh sehingga gain dan

Faktor refleksi menjadi besaran yang kritis.

Key words: antena, horn, metoda moment, numerik, Wipl-D, WLAN

1. Pendahuluan

Telekomunikasi tanpa kabel (wireless)

telah menjadi keseharian kita semua,

mulai dari televisi, radio, telefon

genggam sampai aplikasi Anjungan Tunai

Mandiri (ATM) di bank. Tak terbayangkan

untuk hidup di dunia tanpa teknologi

telekomunikasi tanpa kabel tersebut.

Dewasa ini pemanfaatan teknologi

wireless, terus berkembang, terutama

dengan dikaitkannya komputer

(processor) ke titik-titik ujung ataupun

tengah dari jaringan telekomunikasi.

Transmisi data yang berkecepatan tinggiyang memungkinkan pengiriman data

segala macam bentuk (multimedia) juga

telah menjadi keseharian, jika belum

pastilah dalam waktu yang tak lama lagi

menjadi bagian kehidupan kita. Sekedar

untuk menyebut beberapa nama, Wireless

Local Area Network (WLAN), Bluetooth,

Radio Frequency Identification (RFID),

Wireless Microwave Access (WiMax),

Wireless Broadband (WiBro), etc.

merupakan sistim aplikasi telekomunikasi

wireless yang aktual dewasa ini dan terus

berkembang dari hari-ke-hari.

Dalam aplikasi menghubungkan dua

tempat (point to point communication)

sering kali dipergunakan antena yang

direktif, yang memiliki gain yang tinggi,

yang hanya memfokuskan pancarannya ke

arah pasangan komunikasinya. Antena

horn adalah salah satu jenis antena yang

direktif.

Pengamatan yang dilakukan terhadap

antena horn telah berlangsung lama. J. C.Bose seorang ilmuwan India diakui

menggunakan antena ini pada salah satu

eksperimennya di tahun 1896 [Sarkar

2006]. Setelah itu barulah dunia barat

(Amerika dan Eropa) melakukan

penelitian dengan antena horn. Sebuah

monograph yang lengkap diterbitkan

beberapa tahun setelah perang dunia II

(PD II) berakhir. Monograph ini [Silver

1



1949] memuat hasil penelitian tentang

antena horn selama PD II yang di

zamannya hasil ini tergolong ‚top secret’.

Beberapa penelitian awal sesudah PD II

didokumentasikan di jurnal Transaction of

Antennas and Propagations, seperti

[Braun1956] memuat cara sederhana

untuk menghitung gain antena horn.

Di [Mentzer1975, Menendez1982, dan

Huang1983] dibahas bermacam-macam

metoda untuk menghitung diagram radiasi

dan gain antena horn. Ketiga tulisan itu

menggunakan metoda asymtotik, yang di

era 70-an dan 80-an mendapatkan tempat

cukup baik di kalangan ilmuwan.

[Maybell1993] menggunakan cara

integrasi dalam mendapatkan gain yang

lebih tepat, demikian juga [Liu1993]

menggunakan metoda yang lebih akurat,

yaitu metoda moment dalam menghitung

gain.

[Milligan2000] memberikan laporan dalam

penyekalaan antena horn, sehingga bisa

diaplikasikannya metoda ini untuk

frekuensi yang lain. [Kordes2002]

mendesain antena horn dengan batasan

lebar beam antena yang didesain,sedangkan [Koerner2000] menggunakan

sisipan metal tipis untuk memperbagus

gain antena horn.

Di tulisan ini akan dilaporkan hasil

pengamatan yang dilakukan pada antena

horn di frekuensi aplikasi WLAN, 2.44

GHz, yaitu dengan memperhatikan

besaran karakteristik faktor refleksi yang

harus didapatkan sekecil mungkin dan

gain antena yang harus didapatkan

sebesar mungkin. Metoda yang digunakan

adalah metoda moment.

Di tulisan [Kuo2003] digunakan antena

mikrostrip dan di [Ammann2003]

digunakan antena monopol planar untuk

aplikasi WLAN. Antena mikrostrip di atas

hanya mencapai gain sebesar 2 dBi

sedangkan antena monopol planar

memiliki gain 4 dBi. Di tulisan ini akan

dicapai gain yang lebih besar dari angka-

angka di atas.

Tujuan dari penelitian ini adalah

memberikan batasan geometri kepada

para perancang antena horn untuk

mendapatkan faktor refleksi dan gain

yang optimal, sehingga jarak yang lebih

besar bisa didapatkan.

2. Dasar Teori

2.1 Persamaan Maxwell

Titik acuan dari semua fenomena

elektromagnetika adalah persamaan-

persamaan Maxwell. Di sini pembahasan

dibatasi pada sinyal harmonis, sehingga

dengan bantuan kuantitas phasor, semua

fungsi waktu bisa dieliminasikan, dandengan hubungan material yang isotrop (

r ε dan r

µ ) sehingga persamaan Maxwell

menjadi

2



Persamaan-persamaan di atas adalah

persamaan diferensial tiga dimensi yang

saling terkait satu dengan lainnya,

sehingga dalam mensolusikannya harus

diamati secara keseluruhan sebagai suatu

sistim persamaan. Bisa pula salah satu

besaran dieliminasikan tetapi ordo

diferensiasinya akan meninggi (menjadi

ordo dua).

Strategi lain yang diambil oleh sebagian

besar analisa adalah dengan

menggunakan besaran potensial,

potensial vektor magnetis (magnetic

vector potential) dan potensial listrik

(electric potential), yang didefinisikan

dengan

Persamaan kedua disebut juga takaran

Lorentz (Lorentz gauge).

Dengan pendefinisian ini dan persamaan

Maxwell akan dihasilkan persamaan

gelombang untuk ,

dengan εµ ω =k . Solusi dari persamaan

diferensial parsial itu seperti diberikan di

[Balanis 1989] adalah

Di persamaan di atas digunakan

sebagai pengganti , karena di tulisan ini

hanya dibahas struktur yang terbuat dari

metal tipis.

Setelah solusi untuk didapatkan,

medan listrik bisa dihitung dengan

hubungan berikut ini,

sehingga semua besaran lainnya yang

penting untuk sebuah antena bisa

didapatkan.

2.2 Metoda Persamaan Intergral

Medan listrik bisa diberikan dengan

Terlepas dari kesulitan untuk menghitung

integrasi permukaan (dua lipat) di atas,

kesulitan yang sebenarnya adalah tidak

diketahuinya distribusi arus listrik

permukaaan.

[Rao1982] menggunakan metoda moment

dengan menggunakan kondisi batas,

bahwa medan listrik E tak memiliki

komponen tangensial di atas permukaan

metal. Dengan melakukan diskretisasi di

atas permukaan antena yang dibahas

(misalnya dengan diskretisasi segitiga)maka akan didapatkan potongan-

potongan arus yang dikenal fungsi

distribusinya (misalnya konstan, atau

fungsi segi tiga atau bahkan fungsi lain

yang lebih komplek) tetapi tak dikenal

amplitudonya. Solusi akan mengarah pada

sistim persamaan linier, yang dengan

prosedur inversi matriks bisa didapatkan

jawabannya.

3



2.3 Model Antena Horn

Gambar 1 menunjukkan tampak 3D dan

tampak samping antena horn. Sebuah

potongan waveguide dengan penampang

axb dan panjang (D+L1) adalah bagian

terintegrasi pada struktur antena horn.

tampak 3D

tampak samping

Gambar 1 tampak 3D dan tampak samping

antena horn

Untuk menjamin hanya ada satu mode

saja yang merambat di dalam waveguide,

dipakai lebar a=λ /2 [Balanis 1989] atau

untuk frekuensi 2.44 GHz digunakan a=60

mm dan b=30 mm. Besaran ini akan kita

pakai tanpa perubahan di seluruh bagian

dari tulisan ini. D adalah jarak pin atau

kawat dalam konektor koaxial ke dinding

penutup waveguide ke belakang. Secara

teroretis jaraknya sebaiknya D=λ /4 atau

sekitar 30 mm, tetapi di penelitian ini

akan kita variasikan untuk melihat

efeknya terhadap faktor refleksi.

Ketinggian kawat dalam koaxial yang

masuk ke waveguide atau H juga akan

divariasikan.

tampak atas

tampak depan

Gambar 2 tampak atas dan tampak depan

Jarak kawat koaxial ini ke ujung

waveguide L1 dan jarak ujung waveguide

ke ujung antena horn keseluruhan L2 akan

divariasikan pula. Juga pelebaran

waveguide A x B akan diubah-ubah dan

dilihat efeknya terhadap gain dan faktor

refleksi. Gambar 2 menunjukkan tampak

lain dari antena horn.

Jika antena horn ini dipakai sebagai

antena pemancar atau sebagai antena

penerima, maka berlaku rumus berikut iniuntuk mendapatkan daya pancar dan

daya terima

4

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-60

-40

-20

0

20

40

60

A

BH

a

b

a

DL

1

L2

B

A

kawat dalamkonektor koaxia

l

D L1

L2

b H B

ϑ

A

D L1

L2

a

C

φ



GS C P ⋅−⋅=

2

111

C adalah konstanta, S11 adalah faktor

refleksi dan G gain antena. Untuk

mendapatkan daya yang maksimal,

diupayakan G yang sebesar mungkin dan

S11 yang menuju nol.

3.Hasil Simulasi

Sebagai acuan dalam simulasi ini akan

digunakan data-data yang diberikan

berikut inimm

a 60

b 30

D 25

H 24.5

C 30

L1 25

L2 75

A 150

B 120

Gambar 3 menunjukkan faktor refleksi

antena horn acuan yang dinyatakan dalam

desibel. Jika S11=-6 dB (dalam linier

ekuivalen dengan 0.501) artinya 25% daya

akan ditolak atau direfleksikan sehingga

hilang percuma.

S11 ini mempunyai minimum di sekitar

2.44 GHz yaitu sekitar -11.5 dB (linier0.266) atau daya yang direfleksikan

sekitar 7%. Dalam prakteknya di teknologi

antena, didefinisikan suatu batas kerja

antena yang di dalamnya faktor refleksi

antena harus lebih baik dari -10 dB (10%

daya direfleksikan). Dengan definisi ini,

maka wilayah kerja antena horn acuan di

sekitar interval 2.38 GHz< f < 2.55 GHz

yang mencakup keseluruhan pita

frekuensi aplikasi WLAN.

Gambar 3 Faktor refleksi horn acuan

Gambar 4 Diagram radiasi horisontal

Gambar 4 dan 5 menunjukkan diagram

radiasi antena horn untuk bidang

horisontal dan vertikal. Arah pancaran

utama antena adalah arah φ =0ο

dan

ϑ=90

ο

. Dengan gain sebesar sekitar 10.5dBi. Angka ini lebih besar dengan faktor

7.0 dibandingkan antena dipol biasa yang

memiliki gain 2.0 dBi.

5

2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

S 1 1

( d B )

Frekuensi (GHz)

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

-15

-10

-5

0

5

10

15

g a i n

( d B )

φ (o)

-100 -50 0 50 100-1 0

-5

0

5

10

15

ϑ (o)

g a i n

( d B )

90

400 140 180



Gambar 5 Diagram radiasi vertikal

Pada bagian berikut ini akan kita amati

perubahan besaran-besaran kunci di atas

jika dilakukan variasi terhadap parameter

geometri penyusun antena horn.

3.1 Variasi DGambar 6 adalah faktor refleksi antena

horn terhadap frekuensi dengan

parameter D.

Gambar 6 Faktor refleksi terhadap frekuensi,

dengan parameter D dalam mm

Jika D terlalu kecil (kawat konektor

terlalu dekat ke waveguide

tertutup/short) minimum faktor refleksi

akan terletak di frekuensi yang tinggi dan

jika D diperbesar maka minimum akan

bergeser ke frekuensi yang lebih rendah,

sesuai dengan hubungan D ~ λ . Di sini

kita dapatkan minimum untuk frekuensi

2.44 GHz pada saat sekitar D≈25 mm,

sedikit lebih kecil dari λ /4 (≈30.74 mm).

3.2 Variasi H

H yang terlalu pendek, H<20 mm akan

mengakibatkan antena ini menjadi tidak

berguna, karena hampir seluruh daya

yang ada akan direfleksikan.

Gambar 7 Faktor refleksi terhadap frekuensi,

dengan parameter H dalam mm

H yang pendek, H < 24.5 mm, akan

menghasilkan minimum faktor refleksi

yang terletak pada frekuensi yang lebih

besar dari 2.44 GHz dan H yang lebih

panjang dari 24.5 mm akan menghasilkan

minimum di frekuensi yang lebih rendah

dari 2.44 GHz. Hal ini sesuai dengan

kenyataan feeding antena horn kita ini

seperti sebuah monopol di atas metal,

yang akan menghasilkan matching bagus,

jika panjang monopol ini sedikit lebih

pendek dari λ /4.

3.3 Variasi A dan B

A dan B adalah dimensi waveguide yang

diperbesar. Secara teoretis, makin

membesarnya luasan apertur AxB akan

makin memperbesar luasan efektif

6

2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55-12

-10

-8

-6

-4

-2

S 1 1

[ d B ]

Frekuensi [GHz]

1520232527283035

2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55-25

-20

-15

-10

-5

0

Frekuensi [GHz]

1 1

1015202122232424.525



antena, yang berkonsekuensi pada

pembesaran gain antena. Hal ini

dijustifikasi oleh gambar 8. Gain

membesar secara monoton jika dimensi B

diperbesar, juga jika A diperbesar gain

akan meninggi. Tetapi sampai suatu besar

B tertentu sekitar B > 160 mm terlihat

wilayah kejenuhan pertambahan gain.

Gambar 8 Gain sebagai fungsi dari B

dengan parameter A

Tetapi yang sering tidak diperhatikan

adalah, luasan AxB tidak hanya

berpengaruh terhadap gain antena, tetapi

juga adanya pengaruh besaran ini

terhadap faktor refleksi. Gambar 9

menunjukkan pengaruh tersebut. Jika

kita tidak melakukan pelebaran

waveguide, atau jika kita menggunakan

A=a=60mm dan B=b=30mm, tak hanya

gainnya yang turun menjadi 4.5 dBi, juga

faktor refleksi yang kita dapatkan

langsung merosot ke nilai yang sangat

jelek, yaitu sekitar -1.8 dB atau sekitar

66% energi yang ada akan direfleksikan,

sehingga antena ‘homebrew’ yang seringdidesain untuk aplikasi WLAN amatir tidak

layak untuk dipakai, karena sekitar 2/3

energinya terbuang.

Gambar 9 Faktor refleksi sebagai fungsi dari B

dengan parameter A

Dari gambar 9 juga terlihat, jika B

melewati nilai sekitar 70mm, faktor

refleksi hampir tidak berubah jika B terus

diperbesar.

3.4 Variasi L1 dan L2

Gambar 10 Faktor refleksi fungsi dari

frekuensi dengan parameter L1 (mm)

L1 yang kecil menghasilkan faktor refleksi

yang sangat bagus, walaupun tidak

minimum di frekuensi 2.44 GHz. Dengan

bertambah panjangnya L1, S11 menjadi

memburuk.

7

20 40 60 80 100 120 140 160 183

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

G a i n [ d B ]

B [mm]

A=60 mm

100 mm

120 mm

150 mm170 mm

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

S 1 1

[ d B ]

B [mm]

A = 60 mm

A = 80 mm

A = 100 mm

A = 150 mm

A = 170 mm

A = 200 mm

2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55-25

-20

-15

-10

-5

0

S 1 1

[ d B ]

Frekuensi [GHz]

1510131520

2530



Gain secara praktis tidak tergantung

terhadap L1, hanya terlihat perubahan

yang sangat kecil (gambar 11).

Gambar 11 Gain sebagai fungsi dari L1 pada

frekuensi 2.44 GHz

Gambar 12 Faktor refleksi fungsi dari

frekuensi dengan parameter L2 (mm)

L2 yang sangat kecil juga menghasilkan

faktor refleksi yang sangat kecil, dengan

membesarnya L2 faktor refleksi

memburuk, kemudian membaik tapi tak

sampai membaik ketika L2 sangat kecil,

kemudian kembali memburuk, mungkin

terus seperti itu berulang-ulang (gambar

12).

Gambar 13 Gain sebagai fungsi dari L1 pada

frekuensi 2.44 GHz

Pengaruh L2 terhadap gain cukup

signifikan (gambar 13) dibandingkan

pengaruh L1. Sebagai perbandingan L2=0

mm dan L2=75 mm. Pada kasus pertama

S11=-12.5 dB, sehingga 1-S112=0.944,

dengan gain sebesar 7.6 dB (linier 5.75),

hasil kali keduanya menjadi 5.432. Kasus

kedua S11= -11.5 dB, sehingga 1-S112=0.929

dengan gain 10.5 dB (linier 11.22) dengan

hasil kali menjadi 10.42. Dari

perbandingan ini L2=75 mm menghasilkan

performansi yang lebih baik.

5. Kesimpulan

Di penelitian ini dianalisa antena horn

pada frekuensi 2.44 GHz. Analisa

dilakukan dengan memvariasikan enam

buah geometri penting yang dimiliki oleh

antena tersebut. Tujuan variasi adalah

mendapatkan faktor refleksi dan gainyang optimal.

8

0 20 40 60 80 1007.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5

11

g a i n

[ d B ]

L2 [mm]

2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

S 1 1

[ d B ]

Frekuensi [GHz]

05102040

6075100

0 5 10 15 20 25 3010.3

10.35

10.4

10.45

10.5

10.55

10.6

10.65

g a i n [ d B ]

L1

[mm]



Dari penelitian ini terungkap, D dan H

sangat kritis dalam menentukan faktor

refleksi. A dan B yang diyakini hanya

memberikan pengaruh pada gain,

ternyata juga memainkan peranan

penting pada faktor refleksi. L1

memainkan peranan penting hanya pada

faktor refleksi. Sedangkan L2 memberikan

pengaruh yang signifikan terhadap variasi

faktor refleksi dan gain.

Daftar Pustaka

[Amman2003] M. J. Ammann, Zhi Ning Chen;Wideband monopole antennas for multi-bandwireless systems, IEEE Antennas Propagat.Mag., vol. 45, pp. 146 - 150, April 2003.

[Balanis1989] C. Balanis, Advanced Electromagnetics, Wiley, New York, 1989.

[Braun1956] E. H. Braun; Some data for the

design of electromagnetic horns, IRE Trans.Antennas Propagat., vol. 4, pp. 29 - 31,January 1956.

[Huang1983] J Huang, Y Rahmat- Samii, K.Woo; A GTD study of pyramidal horns foroffset reflector antenna applications, IEEETrans. Antennas Propagat., vol. 31, pp. 305 -309, March 1983.

[Koerner2000] MA. Koerner, Robert L. Rogers;Gain enhancement of a pyramidal horn using

E - and H -plane metal baffles, IEEE Trans.Antennas Propagat., vol. 48, pp. 529 - 538,April 2000.

[Liu1993] K Liu, CA. Balanis, CR. Birtcher, GC.Barber; Analysis of pyramidal horn antennasusing moment methods, IEEE Trans. AntennasPropagat., vol. 41, pp. 1379 - 1389, October1993.

[Kordas2002] G. Kordas, K. B. Baltzis, G. S.Miaris, J. N. Sahalos; Pyramidal-horn designunder constraints on half-power beamwidth,

IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 44, pp.102 - 108, February 2002.

[Kuo2003] YL Kuo, KL Wong; Printed double-Tmonopole antenna for 2.4/5.2 GHz dual-bandWLAN operations, IEEE Trans. AntennasPropagat., vol. 51, pp. 2187 - 2192,September 2003.

[Maybell1993] MJ. Maybell, PS. Simon;Pyramidal horn gain calculation withimproved accuracy, IEEE Trans. AntennasPropagat., vol. 41, pp. 884 - 889, July 1993.

[Menendez1982] RC. Menendez, S-W Lee;Analysis of rectangular horn antennas viauniform asymptotic theory, IEEE Trans.Antennas Propagat., vol. 30, pp. 241 - 250,March 1982.

[Mentzer1975] CA. Mentzer, L Peters Jr., RC.Rudduck; Slope diffraction and its applicationto horns, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.23, pp. 153 - 159, March 1975.

[Milligan2000] T Milligan; Scales forrectangular horns, IEEE Antennas Propagat.Mag., vol. 42, pp. 79 - 83, October 2000.

[Rao1982] Rao, S.M., Wilton, D.R., Glisson,A.W., Electromagnetic scattering by surfacesof arbitrary shape, IEEE Trans. Antennas and

Prop., Vol. 30, No. 3, 409-418, 1982.

[Sarkar2006] T. K. Sarkar et al, History of Wireless, Wiley Interscience, New Jersey,2006

[silver1949] S. Silver, .Microwave AntennaDesign, MIT Laboratory Series, McGraw Hull,New York, 1949.

9

Analisa Performansi Antena Horn

Documents

Transcript of Analisa Performansi Antena Horn