PERANCANGAN ANTENA MIKROSTRIP MEANDER LINE UNTUKSISTEM TELEMETRI ROKET UJI MUATAN

Muhammad Harry Bintang Pratama* danWahyul Amien Syafei**

Departemen Teknik ElektroFakultas Teknik Universitas Diponegoro

Jl. Prof. Sudharto, S.H., Kampus UNDIP Tembalang, Semarang,50275, Indonesia

Email: *muhammadharry.b.id@ieee.org, ** wasyafei@undip.ac.id

Abstrak

Roket Uji Muatan (RUM) adalah roket yang berfungsi untuk mengetahui kinerja sistem telemetri antara roket denganstasiun bumi. Telemetri pada RUM merupakan pemantauan jarak jauh kondisi roket. Sistem ini bekerja pada frekuensiISM (Industrial, Scientific, and Medical) 433 MHz dan kinerjanya sangat ditentukan oleh antena. Mikrostrip meanderline adalah salah satu jenis antena praktis yang mempunyai ukuran dan dimensi yang kecil dan mudah dibuat. Paper inimemuat perancangan antena microstripmeander line untuk sistem telemetri RUM. Perancangan dan simulasi antenamikrostrip dilakukan dengan bantuan software CST Studio Suite 2014 kemudian direalisasikan menggunakan papanPCB (Printed Circuit Board) substrat FR-4 dengan teknik pencatuan koaksial. Hasil pengukuran impedansi, VSWR,dan return loss antena setelah direalisasikan adalah sebesar 27,9 ohm, -7,1 dB, dan -2,4 dB. Hasil ini bergeser dari nilaiantena yang dirancang pada tahap simulasi yaitu sebesar 49,1 ohm, 1,5 dB, dan -13,6 dB. Perbedaan nilai inidipengaruhi oleh sistem pencatuan, ukuran, dan ketebalan antena.

Kata kunci — Antena, microstrip, meander line, roket uji muatan.

1. PendahuluanTeknologi penerbangan dan antariksa di Indonesia saat initerus dikembangkan oleh LAPAN (Lembaga Penerbangandan Antariksa Nasional). Satu diantara berbagai roket ygdikembangkan adalah roket uji muatan (RUM) yaitu roketkecil yang digunakan untuk menguji muatan roket yangberisi data-data pelucuran roket secara telemetri. Setiaptahun, LAPAN mengadakan kompetisi pemantauankondisi RUM untuk mengetahui kinerja sistem telemetri[1].

Telemetri merupakan rangkaian kegiatan yang terdiri ataspengukuran, pengkodean hasil pengukuran, pengirimansinyal hasil pengkodean, penerimaan sinyal, pengubahansinyal dalam bentuk yang dapat dibaca, perekaman, danintrepetasi data yang didapatkan. Telemetri pada roketmerupakan pemantauan jarak jauh terhadap kondisi roket.Telemetri pada RUM bekerja pada frekuensi ISM(Industrial, Scientific, and Medical). Frekuensi ISM yangdigunakan pada RUM produk LAPAN adalah padarentang frekuensi 430-436 MHz. Sistem telemetri roketsangat dipengaruhi oleh antena yang dipakai [2].

Salah satu jenis antena yang digunakan pada RUM adalahantena mikrostrip meander line. Antena ini dipilih karenamudah dibuat. Metode meander digunakan untukmembuat ukuran antena lebih ringkas. Paper ini memuatperancangan antena mikrostrip meander line padafrekuensi kerja 433 MHz yang digunakan untuk sistemtelemetri pada RUM.

2. Roket Uji MuatanLAPAN mulai merintis pembuatan RUM sejak tahun2006 secara berkala digunakan untuk kegiatan diseminasiteknologi roket maupun lomba muatan roket sejak tahun2008 sampai sekarang [2]. Beberapa bagian dari RUMdiperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Bagian Roket Uji Muatan

RUM berfungsi untuk mengirimkan data penerbanganroket berupa ketinggian, kemiringan, orientasi arah, dankecepatan ke stasiun bumi(ground station/ GS). Semuasensor, mikrokontroler, dan perangkat komunikasi padaRUM terletak di bagian payload(muatan) yang memilikidiameter 10 cm dan tinggi 20 cm. RUM dilengkapidengan sistem komunikasi radiofrequency (RF) yangbekerja pada rentang frekuensi ISM 433 MHz. Sistemtransmisi data antara RUM dan GS bersifat dua arah.Pada bagian GS terdapat sistem antennatracker(pelacakantena) yang bergerak mengikutipergerakan roket. Sedangkan pada RUM, antena yangdigunakan harus berukuran sekecil mungkin agar tidakmemenuhi payload.

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.144Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

ISBN 978-979-097-420-3

A. Antena MikrostripAntena mikrostrip adalah antena yang terdiri dari tigaelemen utama, yaitu patch (petak), substrat, dan groundplane(bidang alas). Elemen patch berfungsi sebagaiperadiasi gelombang elektromagnetik yang terbuat darilapisan logam dengan bentuk tertentu, seperti persegi,dipol, lingkaran, elips, segitiga, dan lain-lain. Sedangkanelemen groundplane berfungsi sebagai perangkatgrounding dari sistem antena. Elemen groundplane jugaterbuat dari lapisan logam [3].

Elemen substrat berfungsi sebagai bahan dielektrik dariantena yang membatasi antara patch dan ground. Substratmemiliki karakteristik yang berbeda tergantung dariketebalan (h) dan konstanta dielektrik ( ) yangmempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan efisiensiantena.

Antena mikrostrip memiliki beberapa keunggulandibandingkan dengan antena lain. Antena mikostripmemiliki ukuran yang kecil, ringan, biaya pembuatanyang murah, dan mendukung polarisasi linier maupunmelingkar. Antena mikrostrip banyak dimanfaatkan padaperangkat bergerak dan bisa diintegrasikan denganperangkat elektronika lain. Antena ini memilikikekurangan, diantaranya adalah bandwidth yang sempit,serta gain dan efisiensi yang rendah. Struktur antenamikrostrip dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Struktur antenna mikrostrip

Dimensi antena mikrostrip ditentukan menggunakanpersamaan-persamaan berikut ini:Lebar patch antena:= ɛ (1)

dengan adalah konstanta dielektrik efektif yang

memiliki nilai sebesar:

ɛ = (ɛ ) + (ɛ ) 1 + 12(2)

dengan:= cepat rambat cahaya di udara (3 × 10 / )ɛ = konstanta dielektrik bahanɛ = konstanta dielektrik efektif bahan

h = tebal substrat antena (m)= frekuensi kerja antena (Hz)

B.Parameter Antena Mikrostrip1.Bandwidth (lebar pita)

Bandwidth merupakan rentang frekuensi kerja antenayang memenuhi standar yang berhubungan denganbeberapa karakteristik, seperti polarisasi, pola radiasi,beamwidth, gain, dan Voltage Standing Wave Ratio(VSWR) [3]. Terdapat beberapa jenis bandwidth,diantaranya adalah:1. Impedancebandwidth, merupakan rentang frekuensi

dimana patch antena berada pada keadaan matchingdengan saluran catuan. Hal ini disebabkan oleh adanyaperbedaan elemen antena karena perbedaan nilaifrekuensi yang digunakan. Nilai matching dapatdilihat dari adanya indikator berupa nilai return lossdan VSWR.

2. Pattern impedance adalah rentang frekuensi yangmana beamwidth, sidelobe, atau gain yang bervariasitergantung frekuensi memenuhi nilai impedansi yangmenjadi karakteristik antena.

3. Polarization atau axialratiobandwidth adalah rentangfrekuensi saat terjadi polarisasi (linier ataumelingkar). Polarisasi melingkar membutuhkan gain 3dB.

2. VSWR (Voltage Wave Standing Ratio)VSWR merupakan perbandingan antara amplitudotegangan maksimal (Vmax) dan tegangan minimal (Vmin)[4]. Pada saluran transmisi terdapat dua komponengelombang, yaitu tegangan yang dikirim ( 0 ) dantegangan yang direfleksikan ( 0 ). Perbandingan antarategangan refleksi dengan tegangan yang dikirim disebutdengan koefisien refleksi tegangan (Γ), yang dinyatakansebagai berikut:Γ = = =

(3)

dengan ZL adalah impedansi beban dan Z0 adalahimpedansi saluran lossless. Nilai VSWR diperoleh dari:

VSWR =

(4)

3.ReturnLossReturnlossadalah perbandingan antara amplitudogelombang pantulan dengan gelombang yang dikirim.Return loss dapat terjadi karena adanya perbedaanimpedansi saluran dengan beban (mismatch). Return lossdinyatakan sebagai berikut:= 20 |Γ|

(5)

Pada saat nilai VSWR ≤ 2, didapat nilai return lossdibawah -9.5424 dB. Nilai tersebut dapat dikatakan tidakterlalu besar dan saluran bisa dianggap dalam kondisimatching. Besarnya return loss yang dihasilkan bisamenjadi acuan frekuensi kerja sebuah antena sudahbekerja sesuai yang diharapkan.

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.145Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

ISBN 978-979-097-420-3

4. PolarisasiPolarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yangditransmisikan oleh sebuah antena. Polarisasi dari energiyang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena,sehingga bagian lain dari pola radiasi antena memilikipolarisasi yang berbeda pula. Polarisasi dari gelombangyang teradiasi didefinisikan sebagai keadaan gelombangelektromagnetik yang menggambarkan arah dan energivektor medan elektrik yang bervariasi terhadap waktu.Polarisasi juga dapat dinyatakan sebagai gelombang yangdiradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arahtertentu.

5. GainGain adalah penguatan yang terjadi di antena. Terdapatdua jenis parameter gain, yaitu absolute gain dan relativegain. Absolute gain adalah perbandingan antara intensitaspada arah tertentu dengan intensitas radiasi saat daya yangditerima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitasradiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasisecara isotropic sebanding dengan daya yang diterimaoleh antena dibagi dengan 4π [5]. Absolute gain dapatdihitung dengan persamaan:

Gain =. ( ,∅)

(6)

dengan:U(θ,∅) = Intensitas radiasi (Watt/steradian) danPin = Daya masukan (Watt)

Relative gain merupakan perbandingan antara daya yangdiperoleh dari sebuah arah, dengan perolehan daya padaantena referensi pada arah yang direferensikan juga. Dayainput harus sama antara dua antena tersebut, namunantena referensi merupakan sumber isotropic yanglossless. Relative gaindapat dihitung dengan persamaan:

Gain =( ,∅)

(7)

dengan: U(θ,∅) = Intensitas radiasi (Watt/steradian) danPin lossless = Daya masukan lossless (Watt)

C. Antena Meander LineAntena meander line adalah salah satu jenis antenamikrostrip. Teknik meander line memungkinkanmerancang antena dengan dimensi yang kecil. Padametode meander line, patch antena dilipat secara terus-menerus dengan tujuan mengurangi dimensi antena.Karakteristik dari antena meander adalah dimensi yangkecil, mampu bekerja di frekuensi yang rendah, danmempunyai efek bandwidth yang sempit[3]. Dimensiantena mikrostrip meanderline ditunjukan Gambar 3.

Gambar 3. Antena meanderlineDimensi meander dihitung menggunakan persamaanberikut:

S = 0.13 x λ bahanW= 0.0417 x λ bahanD = 0.0937 x λ bahand = (D - (2 x W))dengan:λ = panjang gelombang (m), S = lebar meanderline (m)W = panjang segmen meander line (m), dan d = panjangcelah meander line (m)Nilai λbahan diperoleh dari persamaan:λ = √( )

(8)dengan ε = konstanta dielektrik efektif bahan.

D. Titik Pencatuan1. Titik Pencatuan Microstrip LinePencatuan antena merupakan hal yang sangat pentingdalam pembuatan antena. Pencatuan sangat berpengaruhterhadap karakteristik antena yang dihasilkan. Teknikpencatuan antena harus mempertimbangkan kondisitransfer daya maksimum. Salah satu teknik pencatuanpada antena mikrostrip adalah microstripline. Keuntungandari teknik ini adalah mudah dalam pembuatan karenafeedline dicetak pada substrat yang sama dengan patchantena. Sehingga perancangan dimensi feedline agarmatch dengan impedansi antenna [3].2. Titik Pencatuan KoaksialTeknik pencatuan ini dilakukan dengan cara menyatukankonduktor dari kabel koaksial ke patch antena secaralangsung. Keuntungan yang utama dari teknik inikonduktor dapat ditempelkan pada titik manapun. Selainitu, teknik ini juga bisa mudah dalam proses pembuatan.Kelemahan teknik ini adalah diperlukan pengeboran padasubstrat untuk mencatu bagian patch dari bawah dantingkat ketelitian yang tinggi karena besar lubangmempengaruhi kinerja antena [3].

3. Antena Mikrostrip MeanderlinePerancangan antena mikrostrip meander line untukfrekuensi kerja 433 MHz ini menggunakan teknik thickfilm pada Printed Circuit Board (PCB).Antenadirancanguntuk bisa bekerja pada frekuensi 433 MHz. Spesifikasiantena yang dikehenddaki adalah sebagai berikut:

Rentang frekuensi kerja : 430-436 MHz Bandwidth : ≤ 6 MHz Return Loss : ≤-13dB VSWR : ≤ 2 Pola radiasi : Unidireksional Gain : ≥2 dBi Impedansi : 50 ohm Konektor: SMA (SubMiniature version

A)Bahan substrat yang digunakan adalah FR4 (EpoxyFiberglass) dengan karakteristik sebagai berikut :

Permitivitas (ɛr) : 4,6 Ketebalan (h) : 3,2 mm Loss tangent : 0,018

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.146Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

ISBN 978-979-097-420-3

Tebal lapisan konduktor : 0,1 mm Konduktifitas (σ) : 5,8 x 107 mho/m

Konektor yang digunakan adalah konektor SMA 50 ohmdengan teknik pencatuan koaksial untuk menghubungkanantara patch dengan ground plane.

A. Dimensi Patch AntenaDimensi antena didapat dengan menggunakan nilaikarakteristik substrat FR4, melalui perhitungan berikut:

1. Lebar Patch= 2 2ɛ + 1 = 3 102 × (4,33 10 ) 2(4.6 + 1)= 0.207 = 2072. Konstanta dielektrik efektifɛ = (ɛ + 1)2 + (ɛ − 1)2 1 + 12 ℎ

ɛ = (4.6 + 1)2 + (4.6 − 1)2 1 + 12 1,6207 = 4.523. Panjang gelombang= = 3 104,33 10 = 0.693= ɛ = 0.6934,52 = 0,325 = 3254. Dimensi meander line

S = 0,13× = 0,13 × 325 mm = 42,356 mmW = 0,0417× = 0,0417 × 325 mm = 13,586 mmD = 0,0937× = 0,0937 × 325 mm = 30,528 mmd = D - (2 ×W) = 30,528 – (2×13,586) = 3,355 mm

B. Dimensi SubstratUntuk mendapatkan pola radiasi unidireksional, idealnyalebar substrat yang selanjutnya akan diberi groundplanesebagai pemantul mempunyai lebar tak hingga. Dimensisubstrat pada rancangan awal ini akan sama dengandimensi ground plane. Dimensi substrat diperoleh denganpersamaan sebagai berikut:

1. P = W + 6h= 13,586 mm + (6 x 1,6 mm)= 23,186 mm

2. L = S + 6h= 42,356 mm + (6 x 1,6 mm)= 51,956 mm

4. Simulasi, Realisasi, dan PengujianSetelah dimensi antena diketahui dari hasil perhitungan,dimensi tersebut digunakan untuk desain awal antena.Desain awal antena ditunjukan pada Gambar 4.

Gambar 4. Desain awal antena

Antena model tersebut kemudian diperiksa kinerjanya.Parameter yang digunakan adalah return loss. Hasilsimulasi ditunjukan pada Gambar 5.

Gambar 5. Hasil simulasi return loss desain awal antena

Pada Gambar 5, daerah yang ditunjukan oleh lingkaranhijau memperlihatkan bahwa pada frekuensi kerja 433MHz antena menghasilkan nilai return loss = -11,5684dB. Hasil ini belum sesuai dengan nilai parameter returnloss ≤ -13dB pada frekuensi kerja 433 MHz sehinggabelum memenuhi syarat perencanaan antena yangdiinginkan. Optimasi dilakukan dengan mengubahdimensi patch, substrat, dan groundplane. Hasil desainakhir antena diperlihatkan pada Gambar 6 denganparameter desain akhir antena ditunjukan pada Tabel 1.Tabel 1. Ukuran desain akhir antena

(a) (b)

Gambar 7. Optimasi desain antena. (a) Penampang depan,(b) Penampang belakang.Realisasi antena pada PCB FR4, tampak pada Gambar 8.

(a) (b)Gambar 8. Antena yang telah difabrikasi. (a) Penampangdepan, (b) Penampang belakang.

Tabel 2 menampikan perbandingan kinerja antara hasilsimulasi dan fabrikasi untuk parameter return loss,VSWR, dan impedansi antena yang dirancang.

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.147Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

ISBN 978-979-097-420-3

Parameter Simulasi Fabrikasi

Return Loss(dB)

-13,613 -2,411

VSWR

1,527 7,091

Impedansi(ohm)

49,126 27,915

Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.148Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016

ISBN 978-979-097-420-3

1. Return LossPada kolom simulasi, lingkaranhijau memperlihatkanreturn loss sebesar -13,613 dB. Nilai yang ditunjukkanoleh grafik koefisien refleksi adalah daya pantulantena. Semakin kecil nilai koefisien refleksi, makaakan semakin sedikit pula daya pantul yang terjadi.Nilai return loss sudah sesuai dengan spesifikasiantena, yakni ≤ 13 dB.Pada kolom fabrikasi yang merupakan hasilpengukuran, lingkaran berwarna merah menunjukannilai returnloss = -2,411 dB pada frekuensi 433 MHz.Hasil pengukuran tersebut tidak sesuai denganspesifikasi perancangan untuk return loss, yakni ≤ -13dB. Hasil returnloss yang paling baik bernilai -15,726dB yang berada pada frekuensi 345,812 MHz. Terjadipergeseran frekuensi kerja antena yang dirancang.Halini dapat disebabkan oleh kurang presisinya ukuranantena yang dibuat.

2. VSWRHasil simulasi antena untuk parameter VSWR sebesar1,527 sudah sesuai dengan spesifikasi, yakni ≤ 2.Sedangkan hasil pengukuran antena untuk parameterVSWR, lingkaran berwarna merah menunjukan nilaiVSWR = 7,091 pada frekuensi 433 MHz. Hasil tersebuttidak sesuai dengan spesifikasi perancangan untukVSWR, yaitu ≤ 1,5. Ukuran patch dan groundplaneyang kurang presisi dapat mempengaruhi hasilpengukuran VSWR antena.

3. ImpedansiPada kolom simulasi didapat nilai sebesar 49,126 ohmhampir mendekati spesifikasi, yakni 50 ohm. Terdapatpersentase kesalahan sebesar 1,75% antara hasilsimulasi dengan spesifikasi. Sedangkan hasilpengukuran sebesar 27,915 ohm tidak sesuai denganspesifikasi impendasi 50 ohm. Terdapat presentasikesalahan sebesar 44,17%. Perbedaan hasil simulasidengan hasil pengukuran ini dapat diakibatkan olehnilai impedansi konektor SMA yang digunakan tidakmencapai nilai 50 ohm.

5. KesimpulanKami telah merancang sebuah antena mikrostripmeander line untuk sistem telemetri roket uji muatanyang bekerja pada frekuensi 433 MHz, dengan hasilsebagai berikut.1. Pada parameter return loss, dari hasil simulasi

diperoleh nilai return loss sebesar -13.613 dB,sedangkan dari hasil pengukuran diperoleh nilaireturn loss -2,411 dB. Perbedaan tersebut dapatdisebabkan oleh ukuran antena yang dibuat tidakpresisi.

2. Pada parameter VSWR, dari hasil simulasidiperoleh nilai VSWR = 1,527, sedangkan padahasil pengukuran diperoleh nilai VSWR = 7,091.Ukuran antena yang tidak presisi dapatmempengaruhi perbedaan hasil simulasi denganpengukuran.

3. Nilai impedansi berdasarkan hasil simulasi adalah,49,12 ohm, sedangkan nilai impendansi hasilpengukuran adalah 27,915 ohm. Terdapatpersentase kesalahan sebesar 1,75% untuk hasilsimulasi, sedangkan persentase kesalahan hasilpengukuran sebesar 44,17%. Perbedaan hasil dapatdisebabkan oleh nilai impendasi dari konektor yangdigunakan tidak mencapai standar 50 ohm.

Referensi[1] LAPAN. 2016. Buku Panduang Komurindo Kombat

2016. (Online). Tersedia pada: http://komurindo-kombat.lapan.go.id/index.php/peserta/download/Buku-Panduan-KOMURINDO-KOMBAT-2016.pdf.

[2] LAPAN. 2014. Motor Roket RUM. (Online). Tersediapada:http://pustekroket.lapan.go.id/index.php/subblog/read/2014/40/Motor-Roket-RUM.

[3] Wibawa, Alfan Ardi. 2012. Perancangan dan RealisasiAntena Mikrostrip Rectangular Array untuk AplikasiGPS pada Frekuensi 1,2276 GHz. Bandung. TeknikTelekomunikasi Institut Teknologi Telkom.

[4] Alaydrus, Mudrik. 2009. Saluran TransmisiTelekomunikasi. Yogyakarta: Graha Ilmu.

Kraus, John D. 1998. Antennas. New Delhi: Tata McGraw-Hill.