PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGITIGA SAMASISI DENGAN PENCATU OFFSET LINE UNTUK APLIKASI

SATELIT MIKRO LAPAN- TUBSAT

M.Darsono*) *) Dosen Teknik Elektro , Fakultas Teknik Universitas Darma Persada Jl. Radin Intan II Terusan Casablanca-Pondok Kelapa- Jakarta Timur

E-mail:em_darsono@yahoo.co.id

Abstrak

Perancangan antena microstrip dengan sebuah patch segitiga samasisi dirancang sebagai antena minimalis dan kompak. Dimensi ukuran patch segitiga samasisi menggunakan analisis cavity model dengan frekuensi resonansi pada frekuensi S–band satelit mikro LAPAN –TUBSAT. Untuk impedansi 50 Ohm lebar saluran transmisi mikrostrip dirancang dengan model transformer impedansi T- Junction pada lapisan permukaan substrat dengan ketebalan 0,8 mm dan konstanta dielektrik 2,2. Pada aplikasi satelit mikro LAPAN TUBSAT, hasil perancangan antena mikrostrip dengan karakteristik polarisasi lingkaran. Untuk memperlihatkan hasil perancangan antena digunakan simulasi metode momen. Hasil dari simulasi diperoleh parameter, seperti : Bandwidth return loss < -10 dB adalah 5 % , bandwidth axial ratio < 3 dB adalah 1,24% dan gain maksimum adalah 7,5 dB. Kata Kunci: Perancangan, Antena mikrostrip, Segitiga Samasisi , Satelit mikro.

Abstract

Design of microstrip antenna with a equilateral triangular patch by designed as small and

compact antenna. Measure dimension of equilateral triangular patch use analysis of cavity model with resonance frequency at S-Band frequency of LAPAN – TUBSAT micro satellite . For impedance 50 Ohm wide of microstrip transmission line designed with model of T- Junction impedance transformer on screen substrate layer thickly 0.8 mm and dielectric constant 2.2.

At LAPAN TUBSAT micro satellite application , result of design microstrip antenna with circular polarization characteristic. To show result of antenna design by used moment of method simulation. Result of simulation by obtained of parameter, such as : Return loss Bandwidth < - 10 dB is 5% , ratio axial bandwidth < 3 dB is 1,24% and maximum gain is 5 dB.

Key Words : Design, Microstrip Antenna, Equilateral Triangular, Micro Satellite . 1. PENDAHULUAN

Kondisi geografis Indonesia yang terdiri lebih dari 17,000 pulau besar dan kecil yang terbentang dari Sabang sampai Merauke mengharuskan Indonesia untuk menggunakan satelit bagi keperluan komunikasi dan pemanfaatan antariksa bagi kesinambungan pembangunan nasional dan kemajuan bangsa. Untuk menghadapi tantangan strategis tersebut perlu ditetapkan program pengembangan teknologi satelit yang dimulai dari program pengembangan teknologi Satelit Mikro. Untuk melaksanakan program tersebut, Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) ditunjuk sebagai koordinator untuk menghimpun semua potensi yang ada di seluruh Indonesia.

1

Pada tahun 2007 LAPAN Indonesia telah meluncurkan satelit mikro setelah tertnda dari tahun 2005 yang diberi nama LAPAN- TUBSAT yang merupakan satelit mikro pertama yang dibuat kerja sama LAPAN dengan Technische University Berlin Engineers . Posisi orbit satelit mikro terletak pada LEO (Low Earth Orbit) diketinggian sekitar 630 Km diatas permukaan bumi dengan sudut inklinasi 97,9 derajat dan waktu periodik 99,039 menit. Untuk sistem transmisi data pada pengiriman gambar video satelit mikro menggunakan alokasi frekuensi S band dengan kecepatan 1200 bps. Untuk transmisi menggunakan gain antena helix 8 dBi dengan polarisasi lingkaran ke kanan atau RHCP ( Right Handed Circular Polarisation ). Perancangan antena mikrostrip yang terdiri dari sebuah patch merupakan dasar dari suatu antenna array pada peningkatan gain yang dikehendaki. Untuk merancang sebuah antena mikrostrip menggunakan media substrat Taconic TLY-5-0310-CH/CH. Rancangan patch segitiga merupakan pilihan minimalis dari bentuk lainnya. Pola rancangan dibuat pada sisi lapisan atas substrat dengan menggunakan satu layer, sedangkan lapisan bawah sebagai bidang ground. Untuk pencatuan saluran transmisi dirancang terhubung dengan konektor SMA 50 Ohm. Untuk implementasi pada satelit mikro LAPAN TUBSAT, hasil dari perancangan dengan memperoleh nilai parameter yang berresonansi didaerah frekuensi S-band. 2. DASAR TEORI

Pada gambar 1 memperlihatkan sebuah antena mikrostrip menggunakan satu lapisan yang terdiri dari sebuah patch radiator dengan sebuah saluran transmisi mikrostrip sebagai pencatu. Dimensi antena mikrostrip ditentukan oleh spesifikasi jenis subsrat yang merupakan media dasar perancangan, seperti : ketebalan (h), konstanta dielektrik ( r ) dan jenis lapisan konduktor substrat. Secara dimensi patch ditentukan oleh ukuran panjang sisi model yang digunakan sesuai dengan frekuensi resonansinya. Untuk lebar pencatu saluran transmisi mikrostrip (w ) sangat ditentukan oleh nilai impedansi terhadap konstanta dielektrik dan ketebalan substrat. Patch yang dirancang berfungsi sebagai radiator antena , dimana energi radiasi dipancarkan pada ruang bebas. Bidang lapissan sisi bawah material dijadikan ground, dimana lapisan konduktor tidak dihilangkan.

Gambar 1. Antena Microstrip

2.1 Saluran Transmisi Mikrostrip Saluran transmisi merupakan suatu media rambatan bagi gelombang yang dikirimkan dari sumber ke beban yang berada ujung saluran. Karakterisrtik saluran transmisi terukur pada nilai impedansi karakteritik sepanjang saluran yang dimilikinya. Nilai impedansi karakteristik saluran transmisi microstrip ditentukan oleh spesifikasi yang terdapat pada substrat. Nilai Impedansi karakteristik saluran microstrip, dimana untuk rasio lebar saluran terhadap ketebalan substrat lebih dari satu ( w/h > 1) dapat diperoleh dengan persamaan :

2

)444,1ln(667,0393,1

120)(

2/1

0

h

w

h

wOhmZ eff

...........................................(1)

Dimana : w- lebar saluran ( mm) h- Ketebalan substrat ( mm) eff – konstanta dilektrik effektif Zo – Impedansi karakterisrik ( Ohm) Untuk nilai konstanta dielektrik effektif ( w/h > 1) diperoleh melalui persamaan :

2/112

12

1

2

1

w

hrreff

.............................................(2)

Dimana : h – Ketebalan substrat (mm) w – Lebar saluran (mm) r - konstanta dielektrik. Pada pemodelan transformer impedansi untuk saluran transmisi terlihat seperti gambar 2 dibawah ini. Desain transformer impedansi offset line ( T- Junction) terdiri dari tiga saluran, dimana satu saluran masukan dan dua saluran keluaran. Untuk saluran masukan dengan nilai Zo adalah impedansi karakteritik yang terdistribusi paralel terhadap dua saluran keluaran yang masing-masing nilainya 2Zo. Sehingga pada rangkaian offset line besarnya impedansi masukan ekuivalen dengan rangkaian paralel saluran keluaran.

Gambar 2. Rangkaian devider transformer offset line.

2.3 Pacth Segitiga

Suatu cavity didefinisikan sebagai bagian ruang tertutup dari waveguide dan bekerja sebagai suatu resonator, dimana energi listrik serta magnetis disimpan dalam cavity tersebut. Cavity model merupakan dasar perhitungan yang banyak digunakan untuk analisis suatu patch antena mikrostrip. Radiator antena merupakan impedansi beban yang seimbang ( matching) terhadap nilai frekuensi kerja sebagai frekuensi resonansi ( fr ).

Gambar 3 . Patch segitiga antena microstrip.

3

Gambar 3 memperlihatkan suatu bentuk dari patch segitiga, dimana nilai a adalah panjang sisi alas segitiga dan b adalah panjang sisi miringnya. Penentuan letak sebuah feed loci yang efektif pada dua frekuensi untuk memperoleh polarisasi LHCP diletakkan pada 2 dan 3 sedangkan untuk RHCP ( Right Handed Circular Polarized ) pada 1 dan 4 .

Analisis patch segitiga dapat diperhitungkan terhadap nilai mode dominan propagasinya. Untuk mode dominan yang di kopel pada TMnm , maka panjang sisi patch segitiga dapat diperoleh melalui peramaan :

2/12,

,3

2mnmn

a

cf

effr

nmr ........................................ .( 3 )

Dimana :

fr - Frekuensi resonani ( GHz ) c - Kecepatan cahaya ( 3 x 108 m/det) µ0 - Permeability pada ruang vakum r - Konstanta dielektrik µeff – Effektif permitivity bahan dielektrikum a - Panjang sisi segitiga ( mm )

Pada aplikasi mode dominan TM10, substitusi terhadap persamaan (3 ) , maka diperoleh persamaan :

r

ra

cf

3

2 .......................................... ( 4 )

Sehingga panjang sisi patch segitiga samasisi diperoleh dengan persamaan :

rrf

ca

3

2 ......................................... ( 5 )

Pada implementasi perancangan panjang sisi patch segitiga yang digunakan adalah panjang sisi effektifnya. Nilai panjang sisi effektif dengan memperhitungkan adanya efek medan fringing ( sisi tepi ) antara peradiasi dengan bidang ground. Sehingga panjang sisi effektif dapat diperoleh dengan pesamaan :

..........................................( 6 ) 2/1 rff haa Dimana :

effa - panjang sisi effektif ( mm ) a - Panjang sisi ( mm ) h - ketebalan substrate ( mm ) r - Konstanta dielektrik

3. METODOLOGI PERANCANGAN

Dalam mendisain antena mikrostrip patch segitiga samasisi dengan pencatuan offset line untuk aplikasi satelit mikro LAPAN TUBSAT tahapan perancangan dapat dilihat pada gambar 4. Langkah pertama adalah menentukan frekuensi resonansi pada daerah frekuensi S band ( 2,2 GHz -2,3 GHz) yaitu frekuensi pusat di 2,25 Ghz. Untuk media substrat TLY -5-0310-CH/CH dengan spesifikasi ketebalan 0,8 mm , konstanta dielektik 2,2 dan loss tangent 0,0001. Langkah perancangan selanjutnya yaitu menentukan nilai impedansi 50 Ohm saluran

4

transmisi dan dimensi ukuran panjang sisi patch segitiga samasisi. Untuk menentukan nilai lebar saluran transmisi dengan nilai 50 Ohm dapat digunakan analisis perhitungan melalui persamaan 1 dan 2 , atau dapat digunakan alat bantu software PCAAD ( Personal Computer Aided Antenna Design) dengan memasukan nilai impedansi 50 Ohm untuk konstanta dielektrik 2,2 dan ketebalan 0,8 mm, sehingga diperoleh lebar saluran adalah 2,46 mm. Sedangkan menentukan nilai panjang sisi patch segitiga dapat digunakan analisa perhitungan melalui persamaan 3 sampai dengan 6. Hasil dari analisa perhitungan panjang sisi effektif segitiga adalah 59 mm.

Untuk mendisain keseluruhan bentuk antena dilakukan dengan menggunakan media software MWO ( Microwave Office versi 6.51 ). Selanjutnya dilakukan proses simulasi untuk menentukan nilai hasil parameter yang diharapkan , seperti : Bandwidth return loss < -10 dB, Bandwidth axial ratio < 3 dB. Jika hasil rancangan awal tidak diperoleh , maka selanjutnya dapat dilakukan perubahan letak posisi fed loci antara sisi patch dengan saluran transmisi. Bilamana hasil yang diperoleh sudah mencapai yang dikehendaki, maka proses simulasi telah selesai.

frekuensi resonansi = 2,25 GHz

Spesifikasi Substrate : r = 2.2, Loss Tangent = 0,0001

Analissis Impedansi 50 aplikasi software PCCAD

Analisis teori cavity model , panjang sisi patch segitiga = 50,84 mm

Aplikasi software MWO : Bentuk perancangan antena microstrip

Menjalankan simulasi pada software MWO

Returnloss<-10 dB, VSWR < 2 dB,

Axial ratio < 3 dB

Ya

Tidak

Ubah posisi fed loci & atur panjang saluran loci

Selesai

Mulai

Gambar 4. Diagram Alir Perancangan Antena.

5

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah proses simulasi selesai dengan nilai target yang diharapkan, maka model perancangan antena terakhir dibuat sebagai bentuk akhir yang dipergunakan pada proses pabrikasi. Gambar 5 memperlihatkan hasil akhir dari dimensi bentuk rancangan antena mikrostrip, dimana patch radiator bentuk segitiga samasisi dan teknik pencatu adalah T-junction (offset line). Saluran pencatu masukan dengan nilai impedansi 50 ( W1 = 2,46 mm) dengan terdistribusi dua saluran keluaran masing – masing 100 ( W2 = 0,8 mm ). Untuk dimensi patch segitiga samasisi pada implementasi perangkat lunak MWO panjang sisi a (sisi tegak ) adalah 58 mm sama dengan sisi tegak sebelahnya , sedangkan untuk panjang sisi b adalah 59 mm. Dalam hal ini sebagai segitiga samasisi yang sebenarnya , dimana panjang tiap sisi sama semua agak mengalami kesulitan dalam desain pada perangkat lunak, tetapi selisih 1mm merupakan pendekatan terbaik yang diperoleh pada rancangan.

Gambar 5. Bentuk dimensi hasil Perancangan antena mikrostrip.

TABEL.1 Dimensi Ukuran Antena Hasil Perancangan

Simbol Ukuran ( mm) a 58 b 59

W1 2,46 W2 0,82 L1 17,22 L2 25,83 L3 9,84 L4 7,84 L5 19,68 L6 9,84 P 82 L 82

6

Dimensi ukuran hasil dari rancangan antena menggunakan perangkat lunak Microwave Office versi 6.51 diperoleh ukuran dan simbol seperti pada tabel 1. Untuk dimensi antena, luas media substrat yang digunakan adalah 82 mm x 82 mm ( P x L ). Panjang saluran transmisi pencatu input impedansi 50 Ohm adalah 17,22 mm (L1), sedangkan posisi fed loci saluran keluar terhadap patch segitiga masing – masing adalah 25,83 mm ( L2) dan 9, 84 mm (L2 ).

Pada gambar 6 merupakan bentuk konfiguari dari rancangan antena mikrostrip, dimana model saluran pencatu dan patch segitiga dibuat pada lapisan atas sebuah material subtrate Taconic TLY-5-0310-CH/CH dengan ketebalan 0,8 mm. Untuk lapisan bawah dibuat sebagai bidang ground, dimana lapisan konduktor tidak dihilangkan. Untuk saluran catu ( fed line ) dihubungkan dengan implementasi sebuah SMA Connector 50 yang terintegrasi pada kabel koaksial sumber 50 . Keluaran saluran dihubungkan pada sisi patch peradiasi bentuk segitiga.

Gambar 6. Konfigurasi Rancangan Antena Mikrostrip

Hasil lain dari proses simulasi adalah nilai-nilai parameter antena, seperti : Return

Loss, VSWR, Axial ratio dan Gain. Gambar 7 memperlihatkan nilai return loss terhadap frekuensi, dimana frekuensi resonansi minimum return loss adalah -26,68 dB. Nilai koefisien refleksi saat resonansi diperoleh melalui persamaan :

log20Re dBturnloss ..........................(7)

Dimana dimana adalah koefisien refleksi, maka hasil koefisien refleksi minimum yang diperoleh adalah 0,05. Untuk bandwidth narrowband dari gambar 7 dibawah -10 dB dapat diperoleh melalui persamaan :

r

lh

f

ffBW

.........................(8)

Dimana fh batas frekuensi tinggi 2, 3072 GHz dan fl batas frekeunsi rendah 2,1902 GHz . Sehingga bandwidth return loss < -10 dB dengan frekuensi resonansi 2,253 Ghz adalah 5 %.

7

Pada frekuensi resonansi diperoleh koefisien refleksi terendah adalah 0,05, maka nilai Voltage Standing Wave Ratio ( VSWR ) dapat diperoleh melalui persamaan :

1

1VSWR ……………………..( 9 )

Dengan koefisien refleksi minimum 0,05, maka diperoleh batas VSWR minimum adalah 1.

Frekuensi ( GHz )

Gambar 7. Return Loss terhadap frekuensi.

Sabagai antena dengan karakteristik polarisasi lingkaran terlihat dari target nilai axial ratio pada dearah frekuensi operasi atau bandwith axial ratio < 3 dB, seperti terlihat pada gambar 8.

Frekuensi ( GHz )

Gambar 8. Axial ratio terhadap frekuensi

Nilai Axial Ratio dapat diperoleh melalui persamaan :

y

x

E

EAR log20 ....................................(10)

Hasil dari simulasi nilai axial ratio dengan polarisasi lingkaran diperoleh saat minimum pada 0,08 dB resonansi difrekuensi 2,253 GHz dengan nilai axial ratio adalah 1.

2.2 2.22 2.24 2.26 2.28 2.30

5

10

15

20.07

.253 GHz893 dB

2.23909 GHz3 dB

2.26698 GHz3 dB

2.15 2.2 2.25 2.3 2.35-30

-25

-20

-15

-10

-5

0DB(|S(1,1)|)EM Structure 1

2.1902 GHz-10 dB

2.3072 GHz-10 dB

2.253 GH-26.68 dB

z

Ret

urn

Los

s (d

B)

Axi

al R

atio

(d

B)

8

Gambar 9a memperlihatkan polaradiasi pada tingkatan skala 2dB/div dengan lebar beamwidth 550 . Maksimum total power radiasi yang dihasilkan adalah 7 dB dengan arah phase ke kiri 2 derajat, seperti yang terlihat pada gambar 9b. Sehingga gain antena yang dihasilkan senilai dengan total power radiasi yang terukur maksimum dari directivity pada radiation pattern yaitu 7,5 dB.

-90 -45 0 45 90Angle (Deg)

Radiation Pattern

-2

0

2

4

6

8-2 Deg7.52 dB

DB(|PPC_TPwr(0,1)|)EM Structure 1

0-1

0-20-30

-40

-50

-60

-70

-80

-90

-100

-110

-120

-130

-140

-150

-160

-1

70 1

80

17

0

160

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

Pola RadiasiMag Max

8 dB

Mag Min

-2 dB

2 dB

Per Div

DB(|PPC_TPwr(0,1)|)[*]EM Structure 1.$FPRJ

Gambar 9a. Polaradiasi hasil simulasi . Gambar 9b. Radiation pattern hasil simulasi.

5. KESIMPULAN

Hasil dari perancangan antena diperoleh dimensi konfiguarsi antena kecil dan kompak dengan tujuan agar memudahkan dalam penempatan ke arah posisi satelit. Sebagai rancangan antena yang mendukung untuk diaplikasikan pada sistem komunikasi satelit LAPAN TUBSAT yang effektif bekerja pada frekuensi resonansi 2,253 GHz di daerah frekuensi S Band.

Target hasil simulasi untuk parameter bandwidth return loss < -10 dB diperoleh 5% dengan resonansi difrekuensi 2,253 GHz dengan koefisien releksi minimum 0,05. Untuk VSWR target batas yang dicapai 1 sampai dengan 2 diperoleh minimum VSWR dari koefisien refleksi adalah 1.

Untuk target karakteritik antena dengan polarisasi lingkaran batas bandwidth axial ratio < 3 dB diperoleh saat resonansi dengan minimum axial ratio 0,08 dB adalah 1. Hasil target perolehan Gain maksimum dengan sebuah patch di peroleh adalah 7,5 dB.

Secara dimensi dan karakteristik parameter hasil perancangan antena mikrostrip telah mencapai hasil terbaik. Pengembangan selanjutnya dapat dilakukan desain array sesuai dengan gain yang dibutuhkan dan proses pabrikasi untuk hasil yang maksimal.

DAFTAR PUSTAKA

1. Rakhim Yuba, Pengembangan Satelit Mikro Indonesia, www.lapans.org 2. W.Hasbi, E.Nasser, A.Rahman, “Spacecraft Control Center Of Lapan-Tubsat Micro

Satellite”, National Institute for Aeronautics and Space (LAPAN)-Indonesia, http://www.aprsaf.org/feature/PAPER_ASC2007-WHASBI-LAPAN-2

9

10

3. James, J.R and P.S Hall (1989), Handbook Microstrip Antennas , IEEE Electromagnetic Wave Series 28.

4. Kai Chang,Inder Bahl,Vijay Nair(2002) , RF and Microwave Circuit and Component Design for Wireless System, John Wiley & Son.

5. Kazuhiro Hirasawa,Misao Haneishi (1992), Analysis,Design, and Measurment of Small and low-Profile Antennas , Artech House.

6. M.Darsono,Eko Tjipto Rahardjo, Circularly Polarised Equilateral Tringular Patch Microstrip Antenna for Quasi-Zenith Satelitte, Proceeding 10th Int’l QIR 4-6 Dec 2007.

7. John D. Kraus ( 1988), Antennas , McGraw –Hill, 2nd ed.