bab iii metodologi penelitian 3.1 metode...

22 Haris Arsyad, 2020 DESAIN DAN FABRIKASI ANTENA QUASI-YAGI UDA MIMO 2X2 UNTUK APLIKASI JARINGAN 5G PADA PERANGKAT SELULER Universitas Pendidikan Indonesia ½ repository.upi.edu ½ perpustakaan.upi.edu

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

Penelitian yang dilaksanakan adalah rancang bangun struktur dimulai dari

desain pada perangkat lunak CST Studio Suite sampai dilakukan fabrikasi untuk

melihat kinerja desain. Desain dibuat menggunakan perangkat lunak CST Studio

Suite berdasarkan desain referensi. Setelah rancangan selesai dibuat kemudian

disimulasikan dan jika hasilnya belum sesuai dengan spesfikasi yang diinginkan

maka akan dilakukan proses optimasi melalui perubahan dimensi sampai

ditemukan desain paling optimal untuk dilanjutkan pada proses fabrikasi. Agar

tujuan dari penelitian ini dapat tercapai maka diperlukan kerangka/tahapan dalam

setiap langkah penelitian. Terdapat beberapa tahapan dalam penelitian ini yaitu

tahap perancangan, fabrikasi dan pengukuran. Tahapan tersebut direpresentasikan

menjadi kerangka tahapan menggunakan diagram alir seperti Gambar 3.1.

(a)

Mulai

Studi literatur desain dan

spesifikasi antena

Tentukan beberapa desain antena quasi-yagi uda

mikrostrip untuk referensi

Komparasi performa setiap desain antena

A

Memilih desain antena

Modifikasi desain antena terpilih

Simulasi hasil modifikasi

B

Apakah hasil simulasi sesuai spesifikasi?

A

TIDAK

YA

23

Haris Arsyad, 2020 DESAIN DAN FABRIKASI ANTENA QUASI-YAGI UDA MIMO 2X2 UNTUK APLIKASI JARINGAN 5G PADA PERANGKAT SELULER Universitas Pendidikan Indonesia ½ repository.upi.edu ½ perpustakaan.upi.edu

(b)

Gambar 3.1 Diagram alir perancangan antena quasi yagi-uda MIMO 2x2

(a) diagram alir awal (b) diagram alir lanjutan

Melakukan penggabungan antena MIMO 2x2

Simulasi antena MIMO 2x2

Selesai

Melakukan fabrikasi

Melakukan pengukuran

Melakukan simulasi akhir antena MIMO 2x2

Analisis dan komparasi hasil simulasi dengan pengukuran

Apakah hasil simulasi antena MIMO 2x2 sesuai spesifikasi?

B

TIDAK

YA

24


3.2 Spesifikasi Rancangan

Antena quasi-yagi uda MIMO 2x2 yang dirancang dalam laporan tugas

akhir ini adalah antena yang dapat bekerja pada frekuensi Ka-band. Berikut

spesifikasi yang diinginkan pada proses perancangan yaitu:

3.2.1 Parameter Antena

Perancangan antena quasi-yagi uda MIMO 2x2 dimulai dengan menentukan

parameter apa saja yang menunjang sehingga antena tersebut dapat dirancang dan

bekerja. Setelah itu disimulasikan untuk dianalisis. Hasil dari simulasi tersebut

menghasilkan parameter pengamatan yang ditampilkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Spesifikasi antena MIMO 2x2 untuk perancangan

Parameter Nilai

Parameter S11 (Return Loss) < - 10 dB (25 GHz – 27 GHz)

Impedansi 50 Ω

Gain > 7 dBi

Pola radiasi Directional

Mutual coupling < - 20 dB

Diversity gain 10 dB

Correlation coefficient < 0,5

3.2.2 Bahan PCB dan Patch

Bahan yang digunakan dalam perancangan antena adalah PCB jenis Rogers

RO-4350B (lossy). Untuk patch dan jalur pencatuan antena menggunakan bahan

tembaga (copper). Adapun spesifikasi PCB ditampilkan pada Tabel 3.2.

25


Tabel 3.2 Spesifikasi substrat

Spesifikasi Nilai

Permitivitas Bahan (εr) 3,66

Tebal substrat 0,762 mm

Tebal patch 0,035 mm

Rugi-rugi tangen 0,0027

3.3 Simulasi dengan CST

Proses simulasi menggunakan bantuan perangkat lunak CST Studio Suite.

Pengaturan awal pada CST diperlihatkan pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Pengaturan awal pada CST Studio Suite

3.3.1 Pengaturan Boundaries

Pengaturan boundaries dilakukan karena komputer hanya mampu

menghitung desain yang memiliki batas tertentu. Pengaturan dapat dilakukan pada

bagian simulation → box boundaries. Bentuk boundaries digambarkan dengan

bentuk kotak dan warna ungu seperti pada Gambar 3.3. Pada simulasi, digunakan

boundaries open (add space) dan apply pada semua arah.

26


Pemilihan didasarkan karena boundaries open add space beroperasi seperti

ruang bebas, namun menambahkan beberapa ruang ekstra (vakum) antara kotak

pembatas dengan ruang bebas. Umumnya pengaturan ini memberikan hasil terbaik

dalam melakukan simulasi antena karena simulasi antena dikondisikan dalam

kondisi ideal di ruang bebas (Herfiah et al., 2020).

Gambar 3.3 Pengaturan boundaries

3.3.2 Pengaturan Background

Pengaturan background adalah pengaturan di mana pada simulasi dipilih

material yang akan memenuhi volume simulasi. Untuk antena, umumnya yang

digunakan adalah udara. Pada pengaturan ini dipilih normal karena memiliki

karakteristik seperti pada kondisi ruang bebas. Untuk mengubahnya pilih bagian

simulation → background → ubah material type menjadi normal, pengaturan

diperlihatkan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Pengaturan background

27


3.3.3 Pengaturan Port

Secara umum, definisi port waveguide adalah melampirkan seluruh bidang

domain terisi di bagian penampang saluran transmisi dengan area port. Port ini

mensimulasikan waveguide tak terhingga panjang yang terhubung ke struktur.

Mode waveguide bergerak keluar dari struktur menuju bidang batas sehingga

meninggalkan domain komputasi dengan tingkat refleksi yang sangat rendah

hingga di bawah -100 dB dalam beberapa kasus. Refleksi yang sangat rendah dapat

dicapai apabila pola mode waveguide di port cocok dengan pola mode dari

waveguides di dalam struktur. Untuk menentukan port waveguide dengan benar

tergantung pada jenis saluran transmisi. Sinyal input dari port waveguide

dinormalisasi menjadi daya puncak 1 sqrt (Watt).

Teknik pencatuan mikrostrip yang digunakan pada laporan tugas akhir ini

adalah mikrostrip line feeding, seperti yang sudah dijelaskan pada Bab II. Hal ini

dilakukan karena metode ini akan lebih cepat untuk menentukan nilai impedansi

mendekati 50 Ohm ketika dilakukan simulasi (M. Pozar, 2012). Untuk membuat

waveguide port pada antena mikrostrip dapat dilakukan dengan cara pick face pada

ujung line feed antena mikrostrip. Kemudian pada bagian home klik macros → port

→ calculate port extension coefficient. Lalu klik construct port from picked face.

Pengaturan diperlihatkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Pengaturan Port

28


3.3.4 Pengaturan Solver

Time Domain Solver bekerja dengan cara menghitung pengembangan

bidang terhadap di lokasi waktu diskrit dan pada sampel waktu diskrit. Time

Domain Solver menghitung transmisi energi antara berbagai port atau sumber

eksitasi lainnya dan/atau ruang terbuka dari struktur yang diselidiki. Akibatnya,

Time Domain Solver sangat efisien untuk sebagian besar aplikasi frekuensi tinggi

seperti konektor, jalur transmisi, filter, antena, dan lain-lain. Sehingga dapat

diperoleh keseluruhan perilaku frekuensi broadband dari perangkat simulasi dalam

satu penghitungan. Tampilan pengaturan solver diperlihatkan oleh Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Pengaturan Solver

Pada Time Domain Solver metode yang bekerja diklasifikasikan menjadi

Hexahedral dan Hexahedral TLM. Dalam kotak dialog Time Domain Solver

Parameters dapat dipilih tipe mesh Hexahedral atau Hexahedral TLM. Adapun

untuk mengaturnya dapat memilih dialog simulation → setup solver → time

domain solver. Kemudian akan muncul kotak dialog yang berisikan pilihan seperti

accuracy, adaptive mesh dan lain-lain. Pada laporan tugas akhir ini digunakan

accuracy sebesar -40 dB untuk simulasi antena tunggal dan susunan antena. Untuk

parameter lainnya di kotak dialog tidak diubah dan diatur berdasarkan default dari

CST Studio Suite.

29


3.4 Tahapan Perhitungan

Dalam perancangan antena terdapat rumus yang digunakan penulis dalam

menentukan setiap nilai dimensi, sebelumnya telah dibahas pada Bab II mengenai

perhitungan dimensi antena. Perhitungan dimensi diperlihatkan pada Tabel 3.3.

Tabel 3.3 Perhitungan dimensi antena mikrostrip

No Dimensi Rumus dan Hasil

1. Panjang

gelombang

Untuk mendapatkan nilai λ0 gunakan persamaan (2.7)

11,538 mm

2. Lebar saluran

pencatu

Untuk nilai dan gunakan persamaan (2.1)

= 6,19 *untuk = 50 Ω

= 1,52 mm

3. Konstanta

dielektrik

relatif

Untuk mendapatkan nilai gunakan persamaan (2.3)

untuk > 1

= 2.832

4. Panjang

gelombang

(λG)

Untuk mendapatkan nilai gunakan persamaan (2.8)

= 6.856 mm

5. Nilai patch Untuk panjang substrat

= 15,21 mm (2.11)

Untuk lebar substrat

= 8 mm (2.12)

Untuk panjang pencatu dan sambungan pencatu daya

; : 1,714 mm ; 0,857 m (2.13)

8

0 90

3 10 /26 10

c x m sf x Hz

l = = =

B Wf

0

3372 r

BZ

pe

= 0Z

0,611 ln(2 1) (ln( 1) 0,392r

r r

Wf B B Bee e

é ù= - - - + - + -ê úë û

Wf

reffe

121 1 1 12

2 2r r

reffhWf

e eeæ öæ ö+ -

= + +ç ÷ç ÷è øè ø

Wf

reffe

effl

0eff

reff

lle

=

2 effLsub l=

1,175 effWsub l=

0,25 effLf l= 22LfLf =

30



Untuk lebar sambungan pencatu daya

= 0,8095 mm (2.14)

Untuk balun bagian lebih pendek dan bagian lebih panjang

dan (2.15)

= 1,72 mm ; = 2,571 mm

Untuk lebar balun

= 0,9 mm (2.16)

Untuk panjang CPS dan panjang sambungan CPS

dan (2.17)

= 1,714 mm ; = 1,37 mm

Untuk panjang driver

= 3,22 mm (2.18)

Untuk panjang direktor

= 2,95 mm (2.19)

Untuk jarak antar direktor

= 1,714 mm (2.20)

Untuk panjang reflektor

= 6,856 mm (2.21)

Untuk lebar reflektor

= 0,857 mm (2.22)

Untuk lebar lengan balun, CPS, driver, direktor

= 0,3 mm (2.23)

Untuk lebar sambungan CPS

= 0,15 mm (2.24)

Untuk gap

= 0,1 mm (2.25)

22WfWf =

0,25 effLl l= 0,252effLlLr l= +

Ll Lr

0,125 effLs l=

3 0,25 effLs l= 2 0,2 effLs l=

3Ls 2Ls

0,45 0,5eff effLdril l£ £

0,40 0,45eff effLdirl l£ £

0,25 effSdr l=

0,5 effLref l>

Wref Wsub=

2 0,05 effWs Ws Wdri Wdir l= = = =

232WsWs =

0,02 effg l=

31



6. Nilai

mittering

balun antena

(2.5)

0.432 mm

3.5 Tahapan Perancangan

Pada tahapan ini, disimulasikan desain antena quasi-yagi uda yang

didapatkan dari jurnal referensi, yang kemudian nilai parameter tersebut akan

disesuaikan dengan frekuensi kerja yang diinginkan. Setelah mendapatkan desain

antena quasi-yagi uda, selanjutnya akan dilakukan proses pengerjaan untuk susunan

antena MIMO 2x2. Berikut bentuk geometri dan hasil simulasi untuk antena

tunggal yang tertera pada jurnal referensi sebagai berikut.

3.5.1 Desain 1 – Enhancement of Quasi Yagi Antenna Design for Ka-Band

Application

Perancangan antena mengikuti desain referensi yaitu bentuk quasi-yagi uda

dan menggunakan balun untuk mendapatkan gain tinggi dan bandwidth lebar

(Amrullah et al., 2017). Bentuk dan ukuran desain ditunjukkan oleh Gambar 3.7

dan Tabel 3.4.

(a) (b)

Gambar 3.7 Desain referensi pertama (a) tampak depan (b) tampak belakang

( 1.35( ))(0.52 0.65 )

whX D e

-= +

X =

32


Tabel 3.4 Parameter dimensi referensi pertama

No Parameter Nilai Dimensi

(mm)

Keterangan

1. Lf 1,547 Panjang saluran pencatu

2. Lf2 0,773 Panjang saluran pencatu 2

3. Lr 1,550 Panjang balun bagian kanan

4. Ll 2,323 Panjang balun bagian kiri

5. Ls 0,800 Jarak balun

6. Ls2 1,247 Panjang Coplanar Stripline (CPS) 1

7. Ls3 1,547 Panjang Coplanar Stripline (CPS) 2

8. Ldri 2,907 Panjang driver

9. Ldir 2,660 Panjang direktor

10. Lref 6,186 Panjang reflektor

11. Wf 1,870 Lebar saluran pencatu

12. Wf2 0,935 Lebar saluran pencatu 2

13. Ws 0,300 Lebar saluran balun

14. Ws2 0,300 Lebar Coplanar Stripline (CPS) 1

15. Ws3 0,150 Lebar Coplanar Stripline (CPS) 2

16. Wdri 0,300 Lebar driver

17. Wdir 0,300 Lebar director

18. Sdr 1,547 Jarak antara director-driver dan

director-director

19. g 0,100 Jarak antar Coplanar Stripline (CPS)

Hasil return loss dari simulasi desain pada jurnal referensi pertama

ditunjukkan oleh Gambar 3.8. Hasil simulasi menunjukkan bahwa desain dapat

bekerja pada frekuensi 28 GHz dan 32,58 GHz. Serta bentuk pola radiasi dihasilkan

adalah directional dengan gain 8,12 dB seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.9.

33


Gambar 3.8 Hasil return loss dari referensi pertama

Gambar 3.9 Bentuk pola radiasi dari referensi pertama

34


3.5.2 Desain 2 - Design and Experimental Microstrip MIMO Antenna for

WLAN Applications

Perancangan antena mengikuti desain referensi kedua yaitu bentuk 2x2

MIMO untuk diaplikasikan ke dalam perangkat mobile pada jaringan 5G

(Shiddanagouda et al., 2017). Bentuk geometri dan detail parameter dimensi dari

antena ditunjukkan oleh Gambar 3.10 dan Tabel 3.5.

(a) (b)

Gambar 3.10 Desain 2x2 MIMO dari referensi kedua

(a) bagian depan (b) bagian belakang

35


Tabel 3.5 Parameter dimensi referensi kedua

No Parameter Nilai Dimensi

(mm)

Keterangan

1. Wp 11,35 Lebar patch

2. Lp 15,25 Panjang patch

3. Wq 3,05 Lebar quarter wave transformer

4. Lq 6,15 Panjang quarter wave transformer

5. Wf 0,5 Lebar saluran pencatu

6. Lf 4,9 Panjang saluran pencatu

7. Ws 62,8 Lebar substrat

8. Ls 60 Panjang substrat

9. Sant λ/4 Jarak antara susunan antena

10. Hs 1,6 Tinggi sibstrat

Hasil return loss -21,3 dB dan mutual coupling antena MIMO dari simulasi

desain pada jurnal referensi kedua ditunjukkan oleh Gambar 3.11. Hasil simulasi

menunjukkan bahwa desain bekerja pada frekuensi 5,9 GHz. Bentuk pola radiasi

yang dihasilkan dengan nilai gain 5,69 dB ditunjukkan oleh Gambar 3.12.

Gambar 3.11 Hasil return loss dan mutual coupling antena MIMO referensi kedua

36


Gambar 3.12 Bentuk pola radiasi dan nilai gain dari referensi kedua

Pada penelitian ini, desain dirancangan mengikuti desain referensi dengan

menggunakan bentuk quasi-yagi uda dan bentuk 2x2 MIMO. Diharapkan desain

yang dirancang memiliki spesifikasi sesuai dengan Tabel 3.1.

3.6 Fabrikasi

Tahap fabrikasi dilakukan setelah hasil simulasi rancangan sudah sesuai

dengan spesifikasi dan tidak akan ada perubahan dalam desain. Fabrikasi dilakukan

di tempat fabrikasi PCB.

3.7 Pengukuran Kinerja Perangkat

Pengukuran kinerja perangkat dilaksanakan di Lembaga Ilmu Pengetahuan

Indonesia (LIPI). Hasil dari pengukuran ini akan dibandingkan dengan hasil

simulasi perangkat yang dilakukan menggunakan CST Studio Suite.

37


3.8 Perangkat Penunjang Penelitian

Perangkat keras yang digunakan untuk melakukan penelitian adalah sebuah

laptop Macbook Pro 12 dengan processor Intel® Core™ i5-3210M CPU @ 2.50

GHz dengan sistem operasi Windows 7 serta CST Studio Suite dan Microsoft Excel.

Alat ukur yang digunakan adalah sebuah Network Analyzer Anritsu MS463322A

(40 GHz).

3.9 Analisis Data

Analisis data dilakukan setelah mendapatkan hasil simulasi dari desain

awal. Hasil simulasi dibandingkan dengan parameter kinerja yang harus dicapai.

Setelah itu, dilakukan optimalisasi pada desain sampai parameter kinerja dapat

dicapai. Setelah dirasa seluruh parameter kinerja desain tercapai, proses

perancangan dihentikan dan dilanjutkan proses fabrikasi.

Analisis data kembali dilakukan setelah dilakukan pengukuran perangkat

yang telah difabrikasi. Hasil pengukuran akan dibandingkan dengan hasil simulasi

rancangan yang optimal.

bab iii metodologi penelitian 3.1 metode...

Documents