ANTENA SLOT MIKROSTIP SEGITIGA ARRAY UNTUK APLIKASI

ULTRA – WIDEBAND

ABSTRAK

Makalah ini menjelaskan perancangan antenna slot mikrostrip array menggunakan

saluran pencatu berbentuk garpu untuk aplikasi Ultrawideband yang menggunakan satu

substrate dua lapis konduktor. Lapisan konduktor atas berfungsi sebagai elemen peradiasi

dan l;apisan bawah berfungsi sebagai saluran pencatu dengan menggunakan teknik

pencatuan multi tunning stub sehingga dapat memberikan efek kopling yang kuat.

Antenna tersebut merupakan antenna pengirim dan penerima dalam aplikasi

Ultrawideband yang bekerja pada range frekuensi 5.479 GHz – 29.82 GHz. Dengan

membuat saluran pencatu menggunakan teknik multi tunning stub dapat memberikan efek

kopling yang lebih besar dan pengendalian penyesuaian impedansi pada jarak frekuensi

yang sangat lebar.

1. PENDAHULUAN

Pesatnya perkembangan teknologi di bidang telekomunikasi khususnya teknologi tanpa

kabel (wireless) mendorong para perancang antenna baik dari kalangan akademis maupun

dari kalangan industry untuk merancang suatu antenna yang dapat mendukung teknologi

tersebut. Perkembangan telekomunikasi dari teknologi narrowband,broadband,sampai

wideband. Bahkan baru-baru ini telah ditetapkan oleh ITU (International

Telecommunication Union) dan Federal Communications Commission (FCC) sebuah

teknologi disebut dengan Ultrawideband (UWB). Teknologi UWB oleh FCC dan ITU

didefenisikan sebagai suatu teknologi nirkabel (wireless) yang dikembangkan untuk

memancarkan sejumlah data yang sangat besar melalui jarak yang sangat pendek sekitar

15 meter dengan bandwidth minimal 500 MHz. teknologi UWB ini termasuk pada

teknologi digital sehingga transmisi sinyalnya bias mengirim aliran berbagai data digital.

Sehingga dibutuhkan suatu antenna yang dapat diaplikasikan pada teknologi tersebut.

Di sebagian Negara terdapat beberapa alternatif alokasi frekuensi untuk aplikasi UWB

seperti Amerika dan Eropa mengalokasikan untuk sistem radar pencitraan dengan band

frekuensi di bawah 900 MHz, 1.9 – 10.6 GHz dan 3.1 – 10.6 GHz. Kedua untuk vehicular

radar system pada 22 – 29 GHz, 24 – 24,25 GHz dan23,6 – 24 GHz. Ketiga untuk

aplikasi pada sistem komunikasi tanpa kabel yang beroperasi pada 3.1 – 10.6 GHz. Dilain

pihak, infocomm Development Authority (IDA), sebuah badan regulasi spektrum

singapura menetapkan alokasi frekuensi UWB pada 2.2 – 10.6 GHz. Sehingga masih

besar kemungkinan gangguan spektrum frekuensi untuk aplikasi UWB dari 0.3 GHz

sampai 100 GHz dibeberapa Negara lainnya.

Untuk mendukung perangkat teknologi UWB, diperlukan suatu antenna yang memiliki

karakteristik bandwidth yang sangat lebar. Selain itu antenna sebagai salah satu perangkat

komunikasi dituntut memiliki kualifikasi tersebut yang saat ini merupakan salah satu

antenna yang sangat pesat perkembangannya didalam sistem telekomunikasi. Sehingga

mendapatkan banyak perhatian, baik dalam kalangan akademis amupun industry.

Perkembangan ini juga didorong dengan semakin meningkatnya disain antenna yang

singkat dan praktis. Hal ini dikarenakan bahwa antenna mikrostrip merupakan jenis

antenna yang memiliki beberapa keunggulan terutama pada rancangan antenanya yang

tipis, kecil, ringan dan dapat diterapkan kedalam Microwave Integrated Circuits (MICs).

Secara intrinsik antenna mikrostrip memiliki kelemahan dalam hal lebar–pita frekuensi

(bandwidth) yang sempit. Namun banyak penelitian dilakukan untuk mengatasi hal

tersebut.

Dari hasil penelitian yang telah dipublikasikan untuk perancangan antenna wideband dan

ultrawideband dengan banyak macam perancangan dan lebar bandwidth yang bervariasi.

Dimulai dari model perancangan dengan fractal bertingkat diperoleh cakupan frekuensi

dari 1 – 20 GHzatau dengan bandwidth 19 GHz. Antena mikrostrip aperturestacked dua

patch dengan elemen patch yang diletakkan dibagian bawah sebagai pemantul untuk

aplikasi gelombang millimeter mencakup frekuensi 26 – 40 GHz atau bandwidth sebesar

14 GHz. Antenna microksrip dengan uniplanar loop diperoleh 2 – 20 GHz atau

bandwidth sebesar 18 GHz. Untuk aplikasi Ultrawidebanb menggunakan antenna horn

piramida menghasilkan 1 – 11 GHz atau bandwidth 10 GHz. Kalsson dan Gong telah

merancang dan mensimulasikan patch antenna mikrostrip dengan konfigurasi dua array,

dimana pembagian array tersebut menggunakan power devider untuk pencatuan terhadap

lima patch. Simulasi perancangan tersebut membuktikan semakin banyak patch yang

digunakan semakin besar lebar bandwidth yang dihasilkan, sehingga cakupan frekuensi

yang diperoleh dari 0.1 GHz sampai lebih dari 12 GHz. Sepanjang tahun 2005 cukup

banyak perancangan antenna wideband dan ultrawideband. Antenna loop sektoral yang

dikopel untuk aplikasi UWB diperoleh dari 2.05 – 15.3 GHz (VSWR=2.2) sehingga

bandwidthnya sebesar 13.25 GHz. Perancangan antenna dipole dengan pembebanan

resistif untuk aplikasi GPR UWB diperoleh lebar bandwidth pada VSWR = 2 meliputi

dari 1.2 GHz sampai lebih dari 14 GHz. Dengan model antenna Bow-tie dengan dua

model array, untuk array model pertama dengan patch Bow-tie searah menghasilkan

bandwidth dari 6 GHz sampai 14 GHz atau 8 GHz. Untuk model kedua patch Bow-tie

berlawanan arah dihasilkan dari 5.2 GHz sampai lebih 15 GHz. Dimana kedua hasil

tersebut berdasarkan simulasi piranti lunak HFSS yang divaliditas sebelumnya dengan

hasil pengukuran pada elemen Bow-tie tunggal. Jenis antenna horn lainnya juga

menghasilkan bandwidth yang cukup signifikan yaitu dari 78 GHz sampai lebih dari 110

GHz atau lebih dari 32 GHz.

Dari studi literatur terlihat bahwa tren penggalangan antenna kedepan diarah pada

antenna multiband dan wideband dalam konteks peningkatan bandwidth antenna. Dari

semua perancangan tersebut diperoleh pewrancangan antenna mikrostrip yang

menghasilkan bandwidth paling lebar yaitu sebesar 20 GHz pada jarak 78-110 meter.

Dalam makalah ini kami mengusulkan suatu teknik baru untuk meningkatkan bandwidth

pada antenna mikrostrip. Teknik ini menggunakan antenna mikrostrip bentuk slot dengan

konfigurasi array empat elemen radiator bentuk segitiga. Teknik jaringan impedansi yang

kami usulkan adalah multi tuning stub pada saluran pencatunya. Sehingga dari teknik

tersebut dapat menghasilkan bandwidth yang lebih lebar dari penelitian sebelumnya

untuk aplikasi multi-ultrawideband.

2. LANDASAN TEORI

Pada bagian ini menerangkan mengenai tinjauan pustaka atau teori dasar mengenai

antenna slot Mikrostrip Slot Antena (MSA) dan konsep antenna array.

2.1. Konsep dasar mikrostrip slot antenna (MSA)

Antenna slot mikrostrip merupakan salah satu variasi konfigurasi antenna mikrostrip,

dengan menggunakan slot (celah) pada lapisan ground plane menjadikan Konfigurasi slot

antenna mikrostrip mempunyai kelebihan dalam hal effesiensi bahan, karena hanya

menggunakan sebuah bahan yang terdiri dari dua lapis, dimana lapis atas terdiri berfungsi

sebagai saluran catu dan lapis bawah berfungsi sebagai radiator sekaligus ground plane.

Sebagaimana ditunjukkkan pada gambar.

Dasar peradiasian antenna slot mikrostrip mengguakan prinsip ekivalen medan, dimana

suatu sumber aktual dapat dibuat menjadi ekivalen dengan suatu daerah lain karena

mereka menghasilkan medan yang sama dengan daerah tersebut. Dengan prinsip

ekivalen, medan sisi luar sebuah permukaan tertutup diperoleh dengan menempatkan

diatas permukaan tertutup yang mana kerapatan arus magnet dan listrik sesuai dengan

boundary condition (daerah perbatasan antara gelombang dan permukaan). Kerapatan

arus bidang pada sisi luar sama untuk radiasi yang dihasilkan oleh sumber aktual.

Sehingga teknik ini dapat digunakan untuk memperoleh medan yang diradiasikan oleh

sisi luar permukaaan tertutup dengan sumber yang tidak tertutup.

2.2. Konsep dasar antenna mikrostrip array

Dasar konfigurasi antenna mikrostrip array merupakan penggabungan dari beberapa

elemen pencatu yang disusun secara paralel atau sehingga membentuk suatu jaringan.

Dengan konfigurasi array, karakteristik antenna seperti level daya (gain) yang tinggi,

beam scanning, sterring capability dapat dihasilkan. Setiap elemen array dapat

menghasilkan jenis pola radiasi linear, planar dan circular. Kelemahan dari jenis ini

adalah antenna ini membutuhkan satu jalur transmisi (saluran catu) yang panjang antara

elemen perediasi dengan input port agar dapat mengurangi rugi-rugi yang akirnya akan

mengurangi effesiensi antenna. Pada jenis konfigurasi ini pembagian daya dari sumber ke

beberapa cabang elemen harus sesuai (matching) antara elemen yang satu dengan lainnya.

Ada dua jenis konfigurasi sistem jaringan pencatu yaitu seri dan paralel. Kelemahan dari

jenis ini bahwa antenna ini bandwidth yang semu dan daya pancar yang rendah. Terlihat

jelas perbedaan antara perbedan konfigurasi seri dan paralel, jumlah saluran pada

konfigurasi seri lebih sedikit dibanding konfigurasi paralel yang mempunyai banyak

kemungkinan memaksimalkan effisiensi antenna.

Seperti yang telah di jelaskan diatas bahwa daya (power) pada setiap antenna harus sesuai

(watching). Hal ini bisa didapat dengan cara menggunakan teknik penyesuaian dengan

stub (stub-maching), quarter-wavelenght transformer, t-match dan gamma match. Dalam

makalah ini penulis hanya membahas teknik penyesuaian dengan stub (stub maching)

yang digunakan dalam perancangan ini.

2.3. Teknik penyesuaian impedansi dengan stub

System operasi antenna melalui jarak suatu frekuensi tidak secara lengkap bergantung

pada respon frekuensi dari elemen antenna tersebuttetapi lebih pada karakteristik

frekuensi dari kombinasi elemen saluran trasmisi antenna. Dalam praktek, impedansi

karakteristik dari saluran transmisi adalah nyata dimana elemen antenna komplek. Begitu

pula variasi tiap fungsi frekuensi tidak sama. Sehingga effisiensi jaringan penyesuaian

kopling harus dirancag sedemikian rupa untuk mendapatkan jarak frekuensi yang

diinginkan.

Banyak jaringan penyesuaian kopling yanag dapat digunakan untuk menghubungkan

saluran transmisi terhadap elemen antenna dan dapat dirancang untuk memberikan

karakteristik frekuensi yang dapat diterima. Salah satunya adalah teknik penyesuaian

dengan menggunakan stub. Dimana stub pendek is dihubungkan dengan shunt berjarak ds

dari pinggir patch spserti terlihat pada gambar. Saaluran mikrostrip berbentuk segiempat

dihubungkan secara shunt dengan stub pendek. Dengan mengasumsikan karakteristik

impedansi riil antenna, panjang ds dikontrol untuk membuat bagian impedansi riil

antenna sama terhadap impedansi karakteristik. Panjang Is saluran shunt berubah-ubah

sampai suspectance pada titik hubungan elemen saluran transmisi. Penggunaan stub ini

dapat meningkatkan bandwidth.

Dari teori diatas penulis memodifikasikan model konfigurasi jaringan saluran catu paralel

satu dimensional dengan mengubah disain pada cabang saluran dan member stub pada

saluran catu paralel antena lebih sederhana dan dapat menghasilkan parameter-parameter

antenna lebih sederhana dan dapat diaplikasikan pada teknologi UWB.

3. METODOLOGI PERANCANGAN

Ide dasar dari perancangan antenna berangkat dari paper acuan. Dimana dalam paper

tersebut telah terbukti dengan menggunakan saluran mikrostrip yang ditambah dengan

stub dapat menghasilkan bandwidth sebesar 3.7 GHz dan menggunakan jenis substrat

£r=3.2 dan h =1.52 mm. jarak frekuensi yang dianalisa muali pada 1 GHz dan akhir 6

GHz dengan tahapan frekuensi 0.5 GHz. Untuk mendapatkan lebar - pita yang optimal

dilakukan dengan merubah-ubah ukuran panjang saluran catu berbentuk garpu. Untuk

mendapatkan frekuensi yang diinginkan dilakukan perubahan jarak antara stub dan slot

antenna. Perubahan ukuran pada saluran catu sangat berpengaruh terhadap frekuensi kerja

dan lebar bandwidth. Perubahan lebar pita frekuensi sangat dipengaruhi oleh panjang

bentuk garpu saluran catu dan jarak antara stub dan pinggir slot. Peningkatan bandwidth

diberikan oleh efek kopling dari sisipan (inset) saluran catu mikrostrip dibawah radiator.

Dari perancangan sebelumnya penulis membuat modifikasi perancangan pada geometri

saluran catu dan radiator dengan menambah empat radiator dan jaringan multi batang

penyetelan berbentuk garpu untuk menghasilkan lebar pita yang lebih lebar dengan

membuat jaringan impedansi multi batang penyetelan garpu ganda akan menghasilkan

efek kopling lebih besar yang pada akhirnya akan meningkatkan bandwidth lebih lebar

dari teknik sebelumnya. Kedua, penulis menggunakan tebal substate 0.152 mm, dengan

nilai konstanta dielektrik yang sama.

Perancangan dimulai dengan menentukan frekuensi kerja dari antenna. Kemudian

melakukan pemilihan jenis substrate yang akan digunakan beserta parameter-parameter

yang ada. Selanjutnyan melakukan perhitungan tinggi dan alas slot antenna yang

disesuaikan dengan frekuensi kerja mulai pada 0.3 GHz hingga 30 GHz, dilanjutkan

dengan lebar saluran catu untuk menentukan besar impedansi saluran sebesar 50 ohm.

Perhitungan lebar saluran catu dan besar impedansi antenna dilakukan dengan bantuan

piranti lunak TX-LINE. Dari hasil perhitungan slot dan saluran dimasukkan kedalam

perangakat lunak microwave office 2002, untuk didapat parameter-parameter antenna

yang diharapkan.

Dalam melakukan perancangan antenna mikrostrip dengan bantuan piranti lunak

microwave office 2002, penulis memandang dibutuhkan suatu validitas untuk

membuktikan bahwa apa yang penulis lakukan dalam simulasi dengan piranti lunak

tersebut telah memenuhi standart prosedur untuk sebuah perancangan, khususnya dalam

menentukan pengaturan dalam piranti lunak. Berdasarkan paper acuan penulis melakukan

perancangan dengan dasar spesifikasi yang terdapat dalam paper acuan. Pertama penulis

mendesain ulang antenna mikrostrip dalam piranti lunak kemudian memasukkan seluruh

ukuran geometri dan substrat. Setelah proses simulasi selesai didapat lebar pipa yang

diinginkan. Lalu hasil simulasi tersebut dibandingkan dengan hasil yang terdapat dalam

paper acuan. Setelah dilakukan perbandingan dapat disimpulkan bahwa hasil dari

rancangan antenna mikrostrip versi penulis tidak mengalami perubahan yang

signifikandengan hasil rancangan antenna microstrip versi paper acuan. Hal ini

membuktikan bahwa pengaturan yang penulis lakukan dalam piranti lunak microwave

office 2002 sudah benar. Geometri antenna yang menghasilkan lebar bandwidth optimal

seperti diperlihatkan pada gambar 3 dengan dimensi substrat sebesar 3 × 3 cm.

konfigurasi antenna terdiri dari jaringan impedansi multi batang penyetelan (multi

tunning stub) dan empat slot berbentuk segitiga. Setiap ukuran dari elemen tersebut

meliputi : pencatu saluran mikrostrip berbentuk seperti garpu yang terdiri dari lebar,

tinggi dan jarak dengan pinggir radiator segitiga. Kemudian jarak stub antara saluran dan

radiator. Ukuran tinggi radiator segitiga terdiri dari tinggi dan lebar alas. Untuk nilai

impedansi 50 ohm pada saluran sumber ditentukan oleh nilai Wf

4. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN

Bagian ini menjelaskan proses perancangan antenna slot mikrostrip array dalam multi

tuning untuk aplikasi UWB dalam simulasi piranti lunak sebagai pendekatan untuk

mengetahui hasil yang akan dicapai. Dalam perancangan ini piranti lunak tersebut

menggunakan teknik analisa numerik metode momen (method of moment) metode ini

digunakan untuk pemecahan masalah medan elektromagnetik dengan tingkat ketelitian

dan akurasi yang tinggi dalam melakukan analisa terhadap parameter-parameter antenna.

Adapun parameter-parameter yang di ukur adalah bandwidth (lebar-pita frekuensi) dan

pola radiasi. Bandwidth optimal didapat dengan cara melakukan simulasi berulang-ulang

dan berturut serta melakukan banyak variasi perubahan pada bagian-bagian geometri

antenna sehingga didapat bandwidth yang optimal.

Dari beberapa cara perubahan bandwidth yang telah disimulasikan secara urut dan acak

dari mulai perubahan dengan bentuk secara seragam, telah diambil satu hasil bandwidth

yang optimal yaitu sebesar 24.341 GHz, frekuensi kerja antara 5.478 GHz – 29.82 GHz

pada jarak cakupan frekuensi dari 0.3 GHz sampai 32 GHz. Hasil optimal tersebut

diambil dengan menghitung selisih antara penurunan dan kenaikan frekuensi terhadap

nilai return loss -10 dB seperti terlihat pada gambar 4

Setelah bandwidth yang optimal diperoleh kemudian dilakukan simulasi untuk

mengetahui pola radiasi. Simulasi pola radiasi dilakukan dengan menentukan beberapa

contoh frekuensi operasi pada jarak frekuensi dari 5 sampai 29 GHz. Sebagai contoh

berkas utama (beamwidth) pola radiasi medan E pada frekuensi 253°.sebesar 26.09°,

sedangkan berkas utama pola radiasi pada medan H sebesar 21.61°. Hasil selengkapnya

nilai yang didapat pola radiasi pada medan H dapat dilihat pada gambar 5.

Pada pola radiasi ini g(ф) digambarkan sebagai medan H (meridian) dan g(θ)

digambarkan sebagai (ekuatorial). Dimana pada pola radiasi medan H didapat penurunan

level -3 dB berada pada sudut 14,05° dan sudut -12.04° sehingga lebar berkas

(beamwidth) antenna perancang adalah sebesar 26.09°. untuk pola radiasi medan E

(gambar 5.i) didapat penurunan level -3 dB berada pada sudut 10.8° dan sudut -10.8°

sehingga lebar berkas (beamwidth) antenna perancang adalah sebesar 21.61°. dari gambar

5 memperlihatkan pola radiasi antenna ini yang masing-masing memiliki bentuk berbeda

pada setiap step frekuensi. Perbedaan tersebut sangat signifikan pada jarak frekuensi yang

berbeda jauh. Untuk jarak frekuensi yang tidak terlalu jauh, bentuk pola radiasi hampir

sama.

Gambar 5. Pola radiasi pada (a) 5.4 GHz (b) 29.8 GHz (c) 5.3 GHz (d) 6.3 GHz (e)11.3

GHz (f) 12.3 GHz (g) 19.3 GHz (h) 20.3 GHz (i) 25.3 GHz (j) 26.3 GHz.

5. KESIMPULAN