Perbandingan Feed Line Dan Proximity Coupled

SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.3 /Maret 2014

copyright DTE FT USU 135 2014

ANALISIS PERBANDINGAN ANTARA SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED

UNTUK ANTENA MIKROSTRIP PACTH SEGIEMPAT

Ramando Sinaga, Ali Hanafiah Rambe Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA

e-mail: [email protected]

ABSTRAK

Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya dalam sistem telekomunikasi. Sehingga banyak diaplikasikan pada peralatan-peralatan telekomunikasi modern saat ini. Antena mikrostrip mempunyai beberapa kelebihan yaitu memiliki bentuk yang kompak, dimensi kecil, mudah untuk dipabrikasi, dan mudah untuk dihubungkan dengan perangkat komunikasi nirkabel yang ada.Pencatuan pada antena mikrostrip dapat dibedakan 2 jenis yaitu pencatuan langsung dan pencatuan tidak langsung. Pencatuan langsung merupakan teknik pertama sekali ditemukan dan memiliki susunan yang sederhana. Sedangkan pencatuan tidak langsung merupakan teknik yang dikembangkan untuk mendukung berbagai kelebihan antena miktrostrip. Pada tulisan ini dianalisis perbandingan antara saluran pencatu feed line dan proximity coupled. Untuk membandingkan kedua saluran pencatu ini dengan menggunakan simulator Ansoft HFSSv10. Adapun parameter pencapaian yang akan dianalisis adalah bandwith, VSWR, gain, dan ukuran patch. Hasil yang didapat setelah dilakukan simulasi dan iterasi yaitu VSWR feed line = 1,22 sedangkan proximity coupled = 1,58, gain feed line = 1,48 dBi sedangkan proximity coupled = 2,57 dBi. Teknik pencatu proximity coupled dapat memperlebar bandwidth 100% dari pencatu feed line, serta besarnya nilai L(panjang) dan W (lebar) sangat memepengaruhi frekuensi kerja kedua saluran pencatu. Kata Kunci: Bandwith, Teknik Pencatuan, VSWR

1. Pendahuluan

Teknologi antena mikrostrip sampai sekarang masih merupakan salah satu topik yang menarik di dalam berbagai aplikasi gelombang mikro, baik dibidang akademis, industri maupun penelitian. Halini disebabkan karena antena mikrostrip tersebut mempunyai bentuk yang sederhana, efisien, ekonomis, dan mudah pembuatannya. Namun antena mikrostrip ini juga mempunyai kelemahan yang sangat mendasar yaitu:bandwith yang sempit, keterbatasan gain, dan daya yang rendah.

Saluran pencatu untuk antena mikrostrip dibagi menjadi 2 yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling). Pencatuan secara langsung mempunyai kelebihansangat sederhana dalam proses pencatuannya tetapi sulit jika antena mikrostrip disusun secara array danbandwidth yang sempit.

Dengan teknik pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling) dapat memperlebar bandwidth.Ada 2 teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada pencatuan ini, yaitu proximity coupling yang diperkenalkan oleh Oltman dan Huebner pada tahun 1981 dan aperture coupling yang diperkenalkan oleh Pozar, Grunoa dan Wolf pada tahun 1986.

Pada tulisan ini akan dibandingkan antara saluran pencatu feed line dan proximity coupled. Adapun parameter karakteristik yang dibandingkan adalah bandwith, VSWR, gain, dan ukuran patch. Untuk membandingkan saluran pencatu feed line dan proximity coupled maka dilakukan dengan perangkat simulator Ansoft HFSS v10. 2. Tinjauan Pustaka

2.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat.



Patch segiempat sejauh ini merupakan konfigurasi mikrostrip yang paling banyak digunakan. Patch segiempat lebih mudah dibuat karena bentuknya yang lebih sederhana[1]. Hanya dengan menyisakan metal yang berbentuk segiempat pada proses etchingantena ini dapat dibuat. Bentuk dari antena mikrostrip patch segiempat dapat dilihat pada Gambar 1[2][3].

Gambar 1. Struktur antena mikrostrip

Untuk merancang sebuah antena mikrostrip patch segiempat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang digunakan yaitu ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (r), dan dielektrik loss tangent (tan ). Dari nilai tersebut diperoleh dimensi antena mikrostrip (L dan W). Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan 1 [4][5]:

W=c

2fo(r+1)

2

(1)

Dimana : W : lebar konduktor r : konstanta dielektrik c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x10) fo : frekuensi kerja antena

Sedangkan untuk menentukan panjang patch

(L) diperlukan parameter L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (L) tersebut dapat dicari menggunakan persamaan 2 [4][5].

L=0,412h (reff+0,3)Wh +0,264(reff-0,258) Wh +0,8 (2)

Dimana h merupakan tinggi atau tebal

substrate, dan adalah konstanta dielektrik relatif yang dapat dihitung menggunakan persamaan 3.

reff=r+1

2+

r-12

1

1+12 hW

(3) Panjang patch (L) dapat dicari menggunakan persamaan 4.

L=Leff-2L (4) Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

Leff=c

2foreff (5)

2.2 Teknik Pencatuan

Ada dua teknik pencatuan yang biasanya digunakan yaitu pencatuan secara langsung feed line dan Pencatuan tidak langsung proximity coupled. Untuk rancang bangun antena mikrostrip ini digunakan teknik pencatuan feed line dan proximity coupled[6][7].

Pada teknik pencatuan feed linepotongan konduktor dihubungkan langsung ke tepi patch seperti pada Gambar 2. Teknik pencatuan ini mudah untuk dibuat dan untuk penyesuaian impedansi[5].

Gambar 2 Teknik pencatuan dengan saluran

mikrostrip (feed line)

Pada teknik pencatuan proximity coupledsaluran transmisi (feed line) diletakan di bawah patch, seperti pada Gambar 3

Gambar 3. Teknik pencatuan metoda proximity coupled

Parameter dari kedua lapisan substrat dapat

dipilih untuk meningkatkan bandwith antena, dan mengurangi radiasi elemen pencatu. Untuk



keperluan ini tebal substrat bagian bawah harus tipis. Dengan meletakkan patch peradiasi diatas dua lapisan substrat maka akan dihasilkannya bandwith yang lebar. Hal ini dikarenakan dengan menggunakan dua lapisan maka ketebalan substrat yang digunakan menjadi lebih tebal [8][9]. 2.3 Ukuran Saluran Pencatu

Besarnya panjang (L) pencatu sangat mempengaruhi nilai VSWR dan besarnya lebar(W) saluran pencatu sangat mempengaruhi nilai panjang pencatu, ditulis dengan persamaan [7]:

= (6)

Untuk lebar pencatu sangat dipengaruhi dengan tinggi bahan dan jenis bahan substrat yang digunakan, ditulis dengan persamaan [7]:

= ()() (7)

Dimana

=

+ 0,23 + , (8)

2.4 Bandwith

Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena.Rumus mencari bandwith:

BW= f2 - f1

fcx100% (9)

Dimana: f1 = frekuensi terendah, f2 = frekuensi tertinggi, fc = frekuensi tengah 3. Perancangan Patch Elemen Tunggal

Adapun tahapan awal dari perancangan

antena dimulai dengan pemilihan jenis substrate yang digunakan untuk jenis antena yang akan dibuat, selanjutnya dilakukan perhitungan dimensi patch antena serta lebar saluran pencatu. Hasil perhitungan disimulasikan dengan menggunakan simulator ansoft HFSS v10.

Tabel1.Spesifikasi substrate yang digunakan

Jenis Substrate FR-4 epoxy

Konstanta Dielektrik Relatif (r) 4,4

Dielektrik Loss Tangent (tan ) 0,02 Ketebalan Substrate (h) 1,6mm

Antena yang akan dirancang pada tulisan ini

adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan frekuensi kerja 2,4-2,5 GHz. Untuk perancangan dimensi antena digunakan persamaan (1) sampai (5), sehingga diperoleh hasil-hasil sebagai berikut. a. Menentukan lebar patch

Adapun hasil perhitungan lebar patch didapat

menggunakan persamaan (1) sehingga didapatlah lebar patch adalah 37,26 mm. b. Menentukan panjang patch

Adapun hasil perhitungan panjang patch

didapat menggunakan persamaan (2) sampai (5). Sehingga didapatlah panjang patch adalah 31,5 mm.

Dari nilai diatas didapatkanlah nilai lebar dan panjang patch adalah 37,26 mm dan 31,5 mm. Untuk memudahkan proses simulasi maka nilai lebar dan panjang dibulatkan menjadi 37 mm dan 32 mm.

c. Menentukan lebar saluran pencatufeed line

dan proximity coupled

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan ini diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati masukan sebesar 50 . Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut. dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan persamaan (8) dan persamaan (7). Untuk nilai z0 = 50 , r = 4,4 dan h = 1.6 mm, maka didapatlah lebar pencatu 3,06 mm.

Untuk panjang saluran pencatu feed line digunakan persamaan (6). Sehingga didapatlah panjang pencatu feed line18,63 mm.

4. Hasil dan Analisis 4.1 Hasil Rancangan Antena Patch

Segiempat dengan Pencatu Feed Line



Setelah antena mikrostrip patch segi empat elemen tunggal dengan pencatu feed line ini disimulasikan maka didapatlah nilai VSWR dengan teknik pencatu feed lineseperti terlihat pada Gambar 4.

Gambar 4. VSWR yang dihasilkan dari perhitungan dengan pencatu feed line

Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain

yang dihasilkan belum sesuai dengan yang diharapkan. Sehingga diperlukan iterasi antena tersebut sehingga didapat nilai VSWR dan gain yang optimum.

Adapun parameter yang diiterasi adalah panjang patch, lebar patch, lebar dan posisi pencatu. Dari hasil iterasi beberapa parameter diatas didapatlah VSWR dan gain untuk rancangan antena elemen tunggal, seperti yang terlihat pada Tabel 2. Tabel 2. Hasil Iterasi Patch elemen tunggal

No Posisi

Pencatu (mm)

VSWR Gain saat F= 2,45

Ghz (dBi) 2,40 Ghz

2,45 Ghz

2,50 Ghz

1 30 2.40 1.64 2,38 1,40 2 25 2,32 1,36 2,32 1,38 3 20 2,39 1.49 2,30 1,43 4 15 2,37 1.32 2,22 1,45 5 12 2,02 1.22 2,27 1,47 6 10 2,42 1.53 2,13 1,43

4.2 Hasil Rancangan Antena Patch

Segiempat dengan Pencatu Proximity Coupled

Setelah antena mikrostrip patch segi empat

elemen tunggal dengan pencatu proximity coupled ini disimulasikan maka didapatlahdidapatkan nilai VSWR dengan teknik pencatu proximity coupled seperti terlihat pada Gambar 5.

Gambar 5. VSWR yang dihasilkan dari perhitungan dengan pencatu proximity coupled

Dari hasil perhitungan, nilai VSWR dan gain

yang dihasilkan belum sesuai dengan yang diharapkan. Sehingga diperlukan iterasi antena tersebut sehingga didapat nilai VSWR dan gain yang optimum.

Adapun parameter yang diiterasi adalah panjang patch, lebar patch, dan lebar pencatu. Dari hasil iterasi beberapa parameter diatas didapatlah VSWR dan gain untuk rancangan antena elementunggal, seperti yang terlihat pada Tabel 3.

Tabel 3 Hasil iterasi panjang pencatu proximity

coupled

No

Dimensi pencatu VSWR Gain saat F= 2,45

Ghz (dBi) W L 2,40 Ghz 2,45 Ghz

2,50 Ghz

1 3 25,75 1,66 1,52 1,75 2,53 2 3 25,50 1,78 1,58 1,71 2,57 3 3 25,25 1.67 1,64 1.89 2.57 4 3 25 1.55 1.45 1.81 2.59 5 3 24,75 1,52 1,52 1,94 2,56 6 3 24,50 1.33 1.55 2,14 2,54

4.3 Perbandingan VSWR Antena

Mikrostrip Pencatu Feed Line dan Proximity Coupled

Setelah melakukan proses iterasi untuk

dimensi patch dan panjang pencatu dari kedua antena tersebut, maka dapat diketahui nilai VSWR antena mikrostrip pencatu feed line dan proximity coupled.



Tabel 4. Nilai VSWR antena mikrostrip pencatu feed line dan proximity coupled setelah proses

iterasi

Frekuensi (GHz)

VSWR

Feed line Proximity coupled 2,40 GHz 2,02 1.78 2,45 GHz 1,22 1.58 2,50 GHz 2,27 1.71

4.4 Perbandingan Bandwith Antena

Mikrostrip Pencatu Feed Line dan Proximity Coupled

Dari hasil simulasi yang telah diiterasi dapat

dilihat nilai frekuensi terendah, nilai frekuensi tertinggi dan nilai frekuensi tengah dari antena pencatu feed line. Maka dapat dihitung nilai bandwith antena pencatu feed line dengan menggunakan Persamaan (9). Maka didapatlah nilai bandwith3,67% (0,09 GHz = 90 Mhz)

Dari hasil simulasi yang telah diiterasi dapat dilihat kembali nilai frekuensi terendah, nilai frekuensi tertinggi dan nilai frekuensi tengah dari antena pencatu proximity coupled. Maka dapat dihitung nilai bandwith antena pencatu proximity coupled dengan menggunakan persamaan (9). Maka didapatlah nilai bandwith7,34% (0,18 GHz = 180 MHz)

Dengan menggunakan antena mikrostrip patch segiempat pencatu proximity coupled maka peningkatan bandwidth yang diperoleh :

(180-90)/90x100%=100%

4.5 Perbandingan Gaindan Ukuran Patch Antena Mikrostrip Pencatu Feed Line dan Proximity Coupled

Dari hasil simulasipencatu feed linediketahui

gain yang dihasilkan antena dengan pencatu feed line pada frekuensi 2,45 Ghz adalah 1,48 dBi. Serta lebarnya 44,5mm dan panjangnya 28,2 mm. Sedangkan untuk antena mikrostrip dengan pencatu proximity coupled nilai gainnya lebih baik. Dari hasil simulasi pencatu proximity coupled diketahui nilai gain pada frekuensi 2,45 Ghz adalah 2,57 dBi. lebarnya 38 mm dan panjangnya 26,2 mm.

4.6 Analisis Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip Saluran Pencatu FeedLine dan Proximity Coupledserta Penggunaannya

Tabel 5 Kelebihan dan kekurangan antena

mikrostrip saluran pencatu Feedline dan Proximity coupled

Jenis antena Kelebihan Kekurangan

Feedline Sederhana dalam pencatuan

Bandwith yang dihasilkan sempit3,67% (0,09 GHz = 90 Mhz). Gain yang dihasilkan masih kecil Nilai VSWR belum cukup baik

Proximity coupled

Bandwith yang dihasilkan cukup luas7,34% (0,18 GHz = 180 MHz). Gain yang dihasilkan lebih besar VSWR yang dihasilkan cukup baik

Penguatan masih rendah

Dari Tabel 5 hasil perbandingan antena

mikrostrip pencatu proximity coupled memiliki frekuensi kerja yang lebih bagus.Antena mikrostrip pencatu proximity coupled baik digunakan untuk Wireless Local Area Network (WLAN). WLAN adalah jaringan lokal yang meliputi daerah satu gedung, satu kantor, satu wilayah dan sebagainya, yang tidak menggunakan kabel. 5. Kesimpulan

Dari hasil perbandingan antara saluran pencatu feed line dengan proximity coupled untuk antena mikrostrip patch segiempat, maka dapat diambil kesimpulan:

1. Antena mikrostrip pacth segiempat dengan

pencatu feed line yang dirancang memiliki



gain 1,48 dB dan VSWR 1,22 bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz- 2,49 Ghz.

2. Antena mikrostrip pacthsegiempat dengan pencatu proximity coupled yang dirancang memiliki gain 2,57 dBi dan VSWR 1,58 bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz 2,5 Ghz.

3. Dengan menggunakan teknik pencatu proximity coupled dapat memperlebar bandwith 100 % dari nilai bandwith pencatu feed line.

4. Besarnya nilai L (panjang) dan W (lebar) sangat mempengaruhi frekuensi kerja pada antena mikrostrip pacth segiempat dengan pencatu feed line dan pencatu proximity coupled.

6. Ucapan Terima Kasih

Penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua penulis serta keluarga besar penulis yang selalu memberi dukungan serta pengorbanan yang luar biasa bagi penulis, selanjutnya ucapan terima kasih penulis sampaikan juga kepada Bapak Ali Hanafiah Rambe, ST. MT selaku dosen pembimbing, juga kepada Bapak Maksum Pinem, ST. MT, dan Ibu Naemah Mubarakah, ST.MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan tulisan ini, semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu persatu.

7. Daftar Pustaka [1] Hermansyah, M Rudy. 2010. Rancang

Bangun Antena Microstrip Patch Segiempat Untuk Aplikasi Wireless. Medan: Universitas Sumatera Utara.

[2] Ardiyanto, Rian. 2011. Perancangan dan Pembuatan Antena Mikrostrip Frekuensi 2,4 Ghz. Jakarta: Universitas Mercu Buana.

[3] Constantine A. Balanis, Antena Theory : Analysis and Design, (USA: John Willey and Sons,1997).

[4] Rambe, Ali hanafiah. 2008. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Plannar Array 4 Elemen Dengan Pencatuan Aperture-Coupled Untuk Aplikasi CPE Pada WIMAX. Jakarta: Universitas Indonesia.

[5] Garg, Ramesh, Microstrip Design Handbook, Norwood: Artech House. Inc,2001.

[6] Surjati, Indra. Antena Mikrostrip: Konsep dan Aplikasinya, Jakarta. Universitas Trisakti, 2010.

[7] Sibarani, Parulian. 2012. Analisis VSWR Antena Mikrostrip Patch Segiempat Dengan Model Saluran Transmisi Sederhana. Medan: Universitas Sumatera Utara.

[8] Bhartia P, Bahl, Microstrip Antennas, Canada: Artech House, 1980.

[9] Supendi, Okki Wibowo. 2009. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dual-Band Untuk Aplikasi Pembaca RFID. Jakarta : Universitas Indonesia.

Perbandingan Feed Line Dan Proximity Coupled

Documents

Transcript of Perbandingan Feed Line Dan Proximity Coupled