PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA...

SEMINAR TUGAS AKHIR / 18 Juni 2014

PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA PLANAR ULTRA

WIDEBAND BERBASIS METAMATERIAL MENGGUNAKAN SUBSTRAT

FR-4

ADITYA HERDIYAN PRATAMA

NRP 2210 100 016NRP 2210 100 016

Dosen Pembimbing

Eko Setijadi, S.T., M.T., Ph.D.

Prasetiyono Hari Mukti, S.T., M.T., M.Sc.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya 2014

Outline

• Pendahuluan

• Dasar Teori

• Implementasi Antena

Metamaterial Pada

• Analisis Perbandingan

Hasil Simulasi dan

Pengukuran

• PenutupMetamaterial Pada

Substrat FR-4

• Optimasi Antena

Metamaterial Pada

Substrat FR-4

Penutup

18/6/2014

Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena

Planar Ultra Wideband Berbasis

Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4

2

PENDAHULUAN

18/6/2014




3

Latar Belakang

Kebutuhan akan perangkat nirkabel yang

meningkat

Permintaan akan performa perangkat nirkabelPermintaan akan performa perangkat nirkabel

yang tinggi

Antena dengan performa tinggi

18/6/2014




4

Antena dengan performa tinggi

• Ukuran kecil

• Bandwidth yang lebar

• Penggunaan daya yang rendah• Penggunaan daya yang rendah

• Kemudahan fabrikasi

18/6/2014




5

Antena Kecil?

Bandwidth Sempit, Efisiensi Daya Buruk,Bandwidth Sempit, Efisiensi Daya Buruk,

Gain dan Directivity Kecil

18/6/2014




6

Solusi ?

• Penggunaan sel Metamaterial untuk

peningkatan bandwidth, efisiensi daya dan

miniaturisasi ukuranminiaturisasi ukuran

• Penggunaan substrat FR-4 untuk menekan

biaya

18/6/2014




7

Permasalahan

• Melakukan Implementasi desain antena

metamaterial pada substrat FR-4 untuk

meningkatkan kinerja

• Apakah Antena pada Substrat FR-4 • Apakah Antena pada Substrat FR-4

Memberikan Kinerja yang Lebih Baik?

18/6/2014




8

Batasan Masalah

• Analisis dilakukan pada pita frekuensi Ultra

Wideband (3.1 – 10 .6 GHz)

• Substrat yang digunakan adalah jenis FR-4

dengan properti fisik (ɛr = 4.3, μr = 1)dengan properti fisik (ɛr = 4.3, μr = 1)

• Analisis perhitungan kualitas menggunakan

tingkat return loss bandwidth (s11 < -10 dB)

• Desain antena menggunakan software CST

Studio Suite 2011

18/6/2014




9

Tujuan

• Melakukan Analisa Implementasi desain

antena metamaterial pada substrat FR-4

• Melakukan Optimasi Antena pada

Substrat FR-4Substrat FR-4

18/6/2014




10

DASAR TEORI

18/6/2014




11

Antena Mikrostrip

• Definisi : antena yang berupa konduktor (biasanya berupa plat tembaga) yang dicetak pada sebuah media dielektrik yang disebut substrat

• Bagian : Patch, Substrat, dan Ground

18/6/2014




12

Kelebihan:

• Dapat berupa planar maupun non planar.

• Mudah difabrikasi dengan teknik pencetakanrangkaian

• Dengan bentuk patch yang berbeda dapatmemberikan respon s11, pola radiasi dandirectivity yang berbeda-beda sesuai kebutuhandirectivity yang berbeda-beda sesuai kebutuhan

Kekurangan:

• Bandwidth sempit

• Efisiensi daya buruk

• Gain dan Directivity yang Kecil

18/6/2014




13

Parameter Antena Mikrostrip:

• Pola radiasi dan Gain

• Return Loss

• Bandwidth

• Distribusi Arus• Distribusi Arus

18/6/2014




14

Ultra WidebandSinyal Ultra Wideband didefinisikan FCC dan ITU-Rsebagai sinyal yang memiliki bandwidth melebihi500 MHz atau 20% dari frekuensi kerjanya sertamencakup frekuensi diantara 3.1 – 10.6 GHz

18/6/2014




15

Metamaterial Elektromagnetik

Metamaterial Elektromagnetik : struktur

elektromagnetik homogen buatan dengan

sifat elektromagnet yang tidak dapat ditemui

di alamdi alam

18/6/2014




16

Contoh Antena Metamaterial :

18/6/2014




17

Left Handed Metamaterial :

Sebuah material atau bahan elektromagnetik

yang memiliki indeks bias negatif yang

disebabkan permitivitas dan permeabilitas yang disebabkan permitivitas dan permeabilitas yang

bernilai negatif sehingga menimbulkan

gelombang elektromagnetik propagasi terbalik.

18/6/2014




18

Composite Right/Left Handed Metamaterial :

• Saluran transmisi CRLH atau composite right left

handed transmission line adalah sebuah

implementasi left-handed metamaterial pada sebuah implementasi left-handed metamaterial pada sebuah

saluran transmisi

• Terdiri dari implementasi kapasitor interdigital dan

induktor shunt (stub) pada sebuah saluran transmisi

18/6/2014




19

Interdigital Capacitor Shunt Inductor

18/6/2014




20

IMPLEMENTASI DAN SIMULASI

ANTENA PADA SUBSTRAT FR-4

18/6/2014




21

Implementasi pada Substrat FR-4

• Substrat yang digunakan adalah FR-4 (ɛr = 4.3, μr = 1) dengan ukuran 60 x 30 mm danketebalan 1.6 mm.

• Penyesuaian yang harus dilakukan :• Penyesuaian yang harus dilakukan :

– Perubahan jenis port panel mount menjadi pcbmount.

– Panjang saluran transmisi.

– Lebar saluran transmisi untuk mengakomodasiport baru.

18/6/2014




22

Bentuk Antena pada Substrat FR-4

18/6/2014




23

*Semua satuan dalam mm.

S-Parameter (S11)

18/6/2014




24

Analisis Pengaruh Sel Metamaterial

Desain Antena tanpa Sel Metamaterial

18/6/2014




25

S11

18/6/2014




26

OPTIMASI ANTENA

18/6/2014




27

Metode Optimasi

Parameter sweep :

Optimasi dilakukan dengan melakukan tuning

dimensi antena dimana setiap dimensi antena

dirubah – rubah untuk menemukan pengaruhdirubah – rubah untuk menemukan pengaruh

setiap bagian antena tersebut pada respon s

parameternya (s11).

18/6/2014




28

Dimensi Antena Pengaruh

L1 Return loss seluruh band dan bandwidth band ketiga

L2 Return loss seluruh band

L3 Return loss dan bandwidth band ketiga dan frekuensi 7 – 8 GHz

W Return loss band kedua, ketiga, dan frekuensi 7 – 8 GHz

Ltl + Ground Return loss seluruh band

Ltl + Induktor 3 Return loss seluruh band

Wtl Return loss band kedua, ketiga, frekuensi 4 – 5 GHz, dan frekuensi 7 – 8 GHzWtl Return loss band kedua, ketiga, frekuensi 4 – 5 GHz, dan frekuensi 7 – 8 GHz

Lc Return loss band pertama, pergeseran frekuensi band kedua, bandwidth dan return loss

band ketiga

Wgc Return loss seluruh band, frekuensi 4 – 5 GHz, 7 – 8 GHz dan bandwidth band kedua

dan ketiga

Li Return loss band pertama, ketiga dan frekuensi 7 – 8 GHz, bandwidth band ketiga

Wi Return loss band pertama dan kedua

Lg Return loss band pertama, kedua dan frekuensi 4 – 5 GHz, 7 – 8 GHz serta bandwidth

band pertama

18/6/2014




29

Dimensi yang Meningkatkan Kinerja :

• Panjang lengan 1 antena dari 4.5 mm menjadi 4.25 mm

• Panjang lengan 3 antena dari 4.5 mm menjadi 5 mm

• Panjang saluran transmisi dari 15 mm menjadi 22.5 mm serta lebar ground dari 10 mm menjadi 17.5 mm

• Panjang interdigital capacitor dari 2 mm menjadi 1.75 mmmm

• Jarak antara konduktor kapasitor dari 0.26 mm menjadi0.52 mm, lebar lengan antena dari 1.5 mm menjadi 2 mm, dan panjang lengan 2 dari 3.5 mm menjadi 4.5 mm

• Panjang induktor 2 dari 6.15 mm menjadi 7.15 mm

18/6/2014




30

Implementasi Hasil Optimasi pada

Antena

18/6/2014




31

Kode Deskripsi Dimensi

Lama

Dimensi

Baru

L1 Panjang Lengan 1 4.5 mm 4.25 mm

L2 Panjang Lengan 2 3.5 mm 4.5 mm

L3 Panjang Lengan 3 4.5 mm 5 mm

Lc Panjang Interdigital capacitor 2 mm 1.75 mm

Ltl Panjang Saluran Transmisi 15 mm 22.5 mm

W Lebar Lengan Antena 1.5 mm 2 mm

Wgc Jarak Antar Konduktor Kapasitor 0.26 mm 0.52 mm

Wtl Lebar Saluran Transmisi 0.8 mm 0.8 mm

Via Diameter Via 0.7 mm 0.7 mm

Li1 Panjang Shunt Induktor 1 1.5 mm 1.5 mm



Lg Panjang Ground 60 mm 60 mm

Wi Lebar Induktor 0.75 mm 0.75 mm

Wg Lebar Ground 10 mm 17.5 mm

18/6/2014




32

Hasil Simulasi

S parameter (s11)

18/6/2014




33

Pola Radiasi (θ)

18/6/2014




34

Distribusi Arus

18/6/2014




35

ANALISIS PERBANDINGAN HASIL

SIMULASI DAN PENGUKURAN

18/6/2014




36

Antena Hasil Fabrikasi

18/6/2014




37

Metode Pengukuran

18/6/2014




38

Hasil Pengukuran

S Parameter (s11)

-20

-10

0

Return Loss [dB]

S11

Simulasi

Pengukuran

18/6/2014




39

3 4 5 6 7 8 9 10

x 109

-60

-50

-40

-30

Frekuensi [Hz]

Return Loss [dB]

Pola Radiasi (θ)

0.2

0.4

0.6

0.8

1

30

60

90

120

150

180 0

Pola Radiasi

pengukuran

simulasi

18/6/2014




40

210

240

270

300

330

180 0

PENUTUP

18/6/2014




41

Kesimpulan

• Antena metamaterial ultra wideband yang dioptimasi menggunakan

substrat FR-4 memiliki bandwidth sebesar 5.94 GHz pada frekuensi

3.65 – 9.59 GHz.

• Hasil fabrikasi dan pengukuran yang dilakukan memberikan hasil• Hasil fabrikasi dan pengukuran yang dilakukan memberikan hasil

yang kurang sesuai dengan simulasi dari segi return loss namun

tidak terjadi pergeseran frekuensi resonansi yang terlalu jauh. Hal

ini mungkin disebabkan kesalahan saat proses menyolder.

18/6/2014




42

TERIMA KASIH

18/6/2014




43

PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA...

Documents

Transcript of PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA...