RANCANG BANGUN ANTENA HORN PYRAMIDAL PADA

FREKUENSI S-BAND

Oleh

Triloka Mahesti

NIM: 612011042

Skripsi

Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh

Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer

Universitas Kristen Satya Wacana

Salatiga

April 2016

i

INTISARI

Perangkat komunikasi nirkabel bekerja pada frekuensi microwave yang memiliki

alokasi band frekuensi sesuai standar IEEE. S-Band merupakan salah satu band

frekuensi microwave dengan rentang 2 GHz – 4 GHz yang banyak digunakan perangkat

komunikasi nirkabel sebagai frekuensi kerja seperti bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, GPS, dan

radar cuaca. Salah satu komponen penting pada sistem komunikasi nirkabel adalah

antena dengan kinerja yang baik agar proses transmisi data berlangsung dengan lancar.

Untuk mengetahui kinerja antena, perlu dilakukan pengukuran parameter antena yang

membutuhkan sebuah antena referensi. Antena referensi dengan bandwidth yang lebar

sangat dibutuhkan agar dapat mencakup banyak frekuensi kerja. Untuk itu antena horn

merupakan antena yang tepat sebagai antena referensi.

Pada skripsi ini dirancang antena horn pyramidal yang memiliki bandwidth

sebesar 2 GHz sepanjang frekuensi S-Band dengan VSWR ≤ 2, dan mempunyai gain

minimal 15 dB. Untuk memenuhi bandwidth antena, dilakukan perubahan pada dimensi

antena horn pyramidal yaitu perubahan dimensi monopole, tinggi monopole, jarak

monopole dan luas waveguide. Simulasi antena dilakukan menggunakan software CST

Microwave Studio.

Dari hasil pengukuran antena yang telah dirancang dan difabrikasi, antena horn

pyramidal mampu bekerja pada rentang frekuensi S-Band (2 GHz - 4 GHz) dengan

bandwidth sebesar 2 GHz . Antena horn pyramidal memiliki VSWR ≤ 2 dan mempunyai

gain 19,75 dB. Pola radiasi hasil pengukuran antena horn pyramidal adalah direksional

dengan beamwidth yang berarti dapat menerima gelombang elektromagnetik

lebih efektif pada arah tertentu.

ii

ABSTRACT

Wireless communication devices work on microwave frequencies that have an

allocation bands frequency according to the IEEE standard. S-Band is one of the

microwave band frequencies with a range of 2 GHz - 4 GHz which are widely used by

wireless communication devices as the working frequency such as bluetooth, Wi-Fi,

WiMAX, GPS, and weather radar. One of the important components in a wireless

communication system is the antenna with a good performance in order to make the

data transmission process run smoothly. To determine the antenna performance, antenna

parameter measurement is need to be done, which also requires a reference antenna.

Reference antenna with a wide bandwidth is needed in order to cover a lot of the

working frequency. Thus, Horn antenna is the suitable one as the reference antenna.

In this thesis, a pyramidal horn antenna which has a bandwidth of 2 GHz along

the S-Band frequency with VSWR ≤ 2, and which has a minimum gain of 15 dB is

designed. In order to meet the bandwidth antenna, a change on the pyramidal horn

antenna dimension is done which are the change of the monopole‟s dimension, the

monopole‟s height, the monopole‟s distance and the waveguide‟s width. The antenna

simulation was done using the CST Microwave Studio software.

From the designed and fabricated antenna measurement, the pyramidal horn

antenna can work on the S-Band frequency range (2 GHz - 4 GHz) with a bandwidth of

2 GHz. The pyramidal horn antenna has a VSWR ≤ 2 and has a gain of 19.75 dB. The

radiation pattern from the pyramidal horn antenna measurement‟s result is directional

with the beamwidth ± 25 ° which means that it can receive the electromagnetic waves

more effective in a particular direction.

iii

KATA PENGANTAR

Segala pujian, hormat dan sembah syukur penulis ucapkan kepada Allah Bapa

yang Maha Mulia dan Anak Tunggal-Nya Yesus Kristus untuk berkat, kekuatan,

pengharapan dan kasih setia-Nya yang selalu mengalir di kehidupan penulis sehingga

saat ini penulis dapat menyelesaikan perancangan serta penulisan tugas akhir sebagai

syarat kelulusan di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen

Satya Wacana.

Pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada

berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam

menyelesaikan skripsi ini :

1. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang telah

memberikan waktunya dan dengan sabar membimbing, memberi masukan dan

dukungan kepada penulis selama mengerjakan skripsi.

2. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M. T. selaku pembimbing II atas motivasi,

bimbingan dan saran yang telah diberikan kepada penulis.

3. Bapak Yuyu, Bapak Hendra, Bapak Yusi, Ibu Sri, Pak Yudi dan semua

pegawai PPET-LIPI Bandung yang telah membantu penulis selama

melaksanakan kerja praktek dan selama proses pengukuran antena.

4. Sahabat dalam berbagi kasih Kakak Face Roza Marchiano yang selalu

mendukung dalam doa dan kasih sayang selama perkuliahan sampai penulis

menyelesaikan skripsi.

5. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Ariesta chicken

nuget, Mbak Jolanda Vera, Mbak Ragil, Mas Tiyon dan Pak Bambang yang

telah membantu selama proses perkuliahan.

6. Sendja Koffie and the genk Mas Echi, Mas Oecilz, Mas Chong, Mas Erfix,

Mas Capcay warung ijo, partner siaran merangkap penasehat tersayang Mba

Gita, Chika, Mas Hudhud „FrameCoffee‟ yang setia menjadi kakak, sahabat

dan tempat peraduan ketika gundah gulana menghampiri.

7. Teman „ciwi-ciwi‟ seperjuangan selama hidup dan berkuliah di elektro,

Hanna, Bela, Enggar “Bombay”, dan Fitri.

iv

8. Keluarga besar FTEK 2011 yang telah banyak membantu dan mendukung

penulis selama perkuliahan di FTEK. Terimakasih untuk piknik-piknik

bersama yang telah kita lalui dan semoga sukacita selalu bersama kalian.

9. Keluarga besar XT Radio, kontrakan Jambewangi 2011, Cafe Rindang,

Brandals yang menemani penulis bersenang-senang selama masa perkuliahan.

10. Sahabat-sahabatku terkasih Wira, Bakti, Inggrid, Getsu, Ika, Sutra, Bang Said,

Dewi “Epick”, Januar “Tung”, Ning.

11. And now, last but not least, keluarga terkasih di rumah. Mbak Santi yang

memberi kasih sayang melalui nasihat, parfum, baju dan traktiran jajan. Mas

Aji yang jaim tapi sangat peduli dengan adik satu-satunya. Dedek “Vicky”

yang selalu merindukan penulis menginap di rumahnya. Mas Indra, Mbak

Yenny, Dinda, Dimas, Pak Pri, Bulek Titik, De Mah dan semua keluarga besar

penulis.

12. Untuk Ibuku terkasih, sebagai saluran kasih Allah, yang saat ini menjadi

panutan satu-satunya dalam keluarga, sumber kekuatan dari setiap

perjuanganku, yang tak pernah pudar kasih dan doanya untuk penulis.

Terimakasih untuk 22 tahun yang luar biasa untuk kehidupan penulis.

13. Untuk Bapak yang saat ini telah berada dalam lingkup kasih Allah di Surga,

terimakasih untuk pengajaran selama penulis melangkah dan skripsi ini

merupakan salah satu hasil jerih payah dari bapak. Semoga Bapak damai di

Surga.

Terimakasih sekali lagi penulis ucapkan atas bantuan yang telah diberikan semua

pihak kepada penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu, semoga Tuhan selalu

melimpahkan sukacita kepada anda semua.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena

itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga

skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik telekomunikasi. Semoga skripsi ini

menjadi berkat bagi setiap pembaca. Tuhan Memberkati.

Salatiga, April 2016

Penulis

v

DAFTAR ISI

INTISARI ..................................................................................................................... i

ABSTRACT ................................................................................................................. ii

KATA PENGANTAR ................................................................................................ iii

DAFTAR ISI ................................................................................................................. v

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ viii

DAFTAR TABEL ....................................................................................................... xi

DAFTAR SIMBOL ................................................................................................... xii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................. 1

1.1. Tujuan ............................................................................................................. 1

1.2. Latar Belakang ................................................................................................ 1

1.3. Spesifikasi Alat ............................................................................................... 2

1.4. Sistematika Penulisan ..................................................................................... 3

BAB II DASAR TEORI ............................................................................................... 4

2.1. S-Band ............................................................................................................ 4

2.2. Antena ............................................................................................................ 5

2.3. Antena Horn Pyramidal ................................................................................ 6

2.4. Waveguide Rectangular ................................................................................. 9

2.5. Parameter Umum Antena Horn Pyramidal ................................................. 13

2.5.1. Impedansi Masukan ............................................................................... 13

2.5.2. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) .................................................. 14

2.5.3. Return Loss ............................................................................................ 15

2.5.4. Bandwidth .............................................................................................. 16

2.5.5. Keterarahan (Directivity) ....................................................................... 17

2.5.6. Penguatan (Gain) ................................................................................... 17

2.5.7. Pola Radiasi ........................................................................................... 18

2.5.8. Frekuensi Resonansi .............................................................................. 20

2.5.8. Beamwidth ............................................................................................. 20

2.6. Antena Monopole ......................................................................................... 20

2.7. Prosedur Pengukuran Antena ....................................................................... 21

2.7.1. Pengukuran Port Tunggal ...................................................................... 21

2.7.2. Pengukuran Pola Radiasi ....................................................................... 22

vi

2.7.3. Pengukuran Gain ................................................................................... 23

BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI ............................................... 25

3.1. Peralatan yang Digunakan ........................................................................... 25

3.1.1. Perangkat Keras ..................................................................................... 25

3.1.2. Perangkat Lunak .................................................................................... 25

3.2. Perancangan Dimensi Antena Horn Pyramidal ........................................... 26

3.2.1. Diagram Alir Perancangan Antena Horn Pyramidal ............................. 26

3.2.2. Menentukan Karakteristik Antena ......................................................... 26

3.2.3. Material Antena ..................................................................................... 26

3.2.4. Perancangan Dimensi Antena Horn Pyramidal ...................................... 27

3.2.5. Perancangan Dimensi Monopole ........................................................... 28

3.2.6. Simulasi Rancangan ............................................................................... 28

3.2.7. Karakterisasi Antena Horn Pyramidal ................................................... 33

3.2.7.1. Perubahan Diameter Monopole .......................................................... 33

3.2.7.2. Perubahan Jarak Monopole ................................................................ 34

3.2.7.3. Perubahan Tinggi Monopole .............................................................. 36

3.2.7.4. Perubahan Luas Waveguide ............................................................... 38

3.2.8. Hasil Simulasi Antena Horn Pyramidal ................................................ 40

BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS .............................................................. 44

4.1. Hasil Pengukuran Parameter Antena ........................................................... 44

4.1.1. Syarat Melakukan Pengukuran .............................................................. 44

4.1.2. Alat Ukur ............................................................................................... 45

4.1.3. Pengukuran Port Tunggal ...................................................................... 45

4.1.3.1. Hasil Pengukuran VSWR, Return Loss dan Impedansi Antena Horn

Pyramidal ............................................................................................... 47

4.1.4. Pengukuran Gain ................................................................................... 50

4.1.4.1. Hasil Pengukuran Gain Antena Horn Pyramidal ................................. 51

4.1.5. Pengukuran Pola Radiasi ....................................................................... 52

4.1.5.1. Hasil Pengukuran Pola Radiasi Antena Horn Pyramidal .................... 53

4.2. Analisis Hasil Pengukuran ........................................................................... 54

4.3. Analisis Kesalahan Umum ........................................................................... 57

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................................... 59

5.1. Kesimpulan .................................................................................................. 59

vii

5.2. Saran ............................................................................................................ 60

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 61

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Konfigurasi antena horn .......................................................................... 6

Gambar 2.2. Horn pyramidal ........................................................................................ 7

Gambar 2.3. E-plane horn pyramidal ............................................................................ 7

Gambar 2.4. H-plane horn pyramidal ........................................................................... 8

Gambar 2.5.(a) Waveguide rectangular [7] ................................................................ 11

Gambar 2.5.(b) Keadaan perbatasan medan listrik [7] ............................................... 11

Gambar 2.5.(c) Keadaaan perbatasan medan magnet [7] ........................................... 11

Gambar 2.6. Konfigurasi medan yang mungkin pada waveguide [7] ......................... 11

Gambar 2.7.(a) Pembangkitan mode waveguide dari dua gelombang TEM [7] ......... 12

Gambar 2.7.(b) Geometri yang digunakan dalam menentukan sifat-sifat [7]......12

Gambar 2.8. Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth ........................................... 17

Gambar 2.9. Bidang pola radiasi antena ..................................................................... 19

Gambar 2.10. Diagram radiasi antena antena direksional [2] ...................................... 20

Gambar 2.11. Waveguide rectangular dan antena monopole ...................................... 21

Gambar 2.12. Konfigurasi pengukuran port tunggal ................................................... 22

Gambar 2.13. Konfigurasi pengukuran pola radiasi ................................................... 23

Gambar 2.14. Konfigurasi pengukuran gain antena ................................................... 23

Gambar 3.1. Diagram alir perancangan antena horn pyramidal .................................. 26

Gambar 3.2. Bentuk perancangan awal antena horn pyramidal pada CST Microwave

Studio ........................................................................................................................... 29

Gambar 3.3. Bentuk hasil perancangan awal antena horn pyramidal ......................... 30

Gambar 3.4. Nilai VSWR simulasi antena horn pyramidal.......................................... 30

Gambar 3.5. Return loss simulasi antena horn pyramidal ........................................... 30

Gambar 3.6. Smith chart antena horn pyramidal ......................................................... 31

Gambar 3.7. Gain antena horn pyramidal ................................................................... 31

Gambar 3.8. (a) Pola Radiasi azimuth antena horn pyramidal .................................... 31

Gambar 3.8. (b) Pola Radiasi elevasi antena horn pyramidal ..................................... 32

Gambar 3.9. Grafik VSWR pada perubahan diameter monopole ................................ 33

Gambar 3.10. Grafik return loss pada perubahan diameter monopole ........................ 34

ix

Gambar 3.11. (a) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi

2,5 GHz ...................................................................................................................... 35

Gambar 3.11. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi

3,5 GHz ........................................................................................................................ 35

Gambar 3.12. (a) Grafik return loss terhadap perubahan jarak monopole marker

frekuensi 2,5 GHz ...................................................................................................... 35

Gambar 3.12. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan jarak monopole marker frekuensi

3,5 GHz ........................................................................................................................ 36

Gambar 3.13. (a) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi

2,5 GHz ...................................................................................................................... 37

Gambar 3.13. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi

3,5 GHz ........................................................................................................................ 37

Gambar 3.12. (a) Grafik return loss terhadap perubahan tinggi monopole marker

frekuensi 2,5 GHz ...................................................................................................... 37

Gambar 3.12. (b) Grafik VSWR terhadap perubahan tinggi monopole marker frekuensi

3,5 GHz ........................................................................................................................ 38

Gambar 3.15. Grafik VSWR dan perubahan luas waveguide ...................................... 39

Gambar 3.16. Grafik return loss dan perubahan luas waveguide ................................ 39

Gambar 3.17. Bentuk hasil perancangan antena horn pyramidal ................................ 40

Gambar 3.18. Hasil simulasi VSWR antena horn pyramidal ....................................... 41

Gambar 3.19. Hasil simulasi return loss antena horn pyramidal ............................... 41

Gambar 3.20. Hasil simulasi smith chart antena horn pyramidal ............................... 42

Gambar 3.21. Hasil simulasi nilai gain antena horn pyramidal ................................. 42

Gambar 3.22.(a) Hasil simulasi pola radiasi azimuth antena horn pyramidal ........... 43

Gambar 3.22.(b) Hasil simulasi pola radiasi elevasi antena horn pyramidal ............ 43

Gambar 4.1. Hasil fabrikasi antena horn pyramidal .................................................... 44

Gambar 4.2. Grafik nilai VSWR hasil pengukuran antena horn pyramidal ................. 47

Gambar 4.3. Grafik nilai return loss hasil pengukuran antena horn pyramidal .......... 48

Gambar 4.4. Grafik smith chart hasil pengukuran antena horn pyramidal ................. 49

Gambar 4.5.(a) Daya yang diterima antenna uji ................................................ 51

x

Gambar 4.5.(b) Daya yang diterima antenna referensi ) ....................................... 52

Gambar 4.6. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth antena horn pyramidal .... 53

Gambar 4.7. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi antena horn pyramidal ..... 54

Gambar 4.8. Grafik perbandingan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran

antena horn pyramidal ................................................................................................. 54

Gambar 4.9. Grafik perbandingan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran

antena horn pyramidal ................................................................................................. 55

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Tabel nama band frekuensi ............................................................................ 4

Tabel 2.2. Dimensi waveguide rectangular .................................................................. 13

Tabel 3.1. Dimensi antena horn pyramidal ................................................................. 29

Tabel 3.2. Nilai parameter antena pada simulasi awal ................................................. 32

Tabel 3.3. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan diameter monopole .............. 34

Tabel 3.4. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan jarak monopole .................... 36

Tabel 3.5. Nilai VSWR dan return loss pada perubahan tinggi monopole .................. 38

Tabel 3.6. Perubahan luas waveguide ........................................................................... 39

Tabel 3.7. Perbandingan dimensi awal antena dengan dimensi setelah optimasi ......... 40

Tabel 4.1. Nilai VSWR hasil pengukuran antena horn pyramidal ............................... 47

Tabel 4.2. Nilai return loss hasil pengukuran antena horn pyramidal ......................... 48

Tabel 4.3. Nilai smith chart hasil pengukuran antena horn puramidal.........................49

Tabel 4.4. Hasil pengukuran VSWR, return loss, impedansi ....................................... 50

Tabel 4.5. Gain antena horn pyramidal ........................................................................ 51

Tabel 4.6. Perbandingan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran ................. 55

Tabel 4.7. Perbandingan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran ........... 56

Tabel 4.8. Perbandingan nilai gain hasil simulasi dan hasil pengukuran ..................... 57

Tabel 4.9. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena horn

pyramidal ...................................................................................................................... 57

xii

DAFTAR SIMBOL

Ω Ohm

Gain antena horn pyramidal

a Panjang waveguide

b Lebar waveguide

Panjang horn

Lebar horn

Dimensi miring horn bidang E

Dimensi miring horn bidang H

Tinggi horn bidang E

Tinggi horn bidang H

Directivity bidang E

Directivity bidang H

Intensitas radiasi maksimal

Total daya radiasi

Efisiensi aperture

Luas aperture

Panjang gelombang di ruang bebas

Variabel desain horn

Panjang gelombang pada waveguide

frekuensi kerja antena

frekuensi cut off

Tinggi waveguide

VSWR

Bandwidth

Koefisien refleksi tegangan

Tinggi antena monopole

r Jarak monopole terhadap penampang waveguide

xiii

𝜃 Sudut Elevasi

𝜙 Sudut Azimuth

D Keterarahan

Keterarahan maksimum

U Intensitas radiasi

Intensitas radiasi maksimum

Intensitas radiasi pada sumber isotropic

Daya total radiasi

𝑐 Kecepatan cahaya (3 × 108 m/s)

R Jarak daerah medan jauh antena

Panjang dimensi antena

Impedansi karakteristik

Impedansi antena

D Dimensi Antena

◦ Derajat