i

DESAIN ANTENA MIKROSTRIP UNTUK

APLIKASI GROUND PENETRATING RADAR (GPR)

THE DESIGN OF MICROSTRIP ANTENNA FOR THE

APPLICATIONS OF GROUND PENETRATING RADAR (GPR)

R U S L I

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR

2013

ii

DESAIN ANTENA MIKROSTRIP UNTUK

APLIKASI GROUND PENETRATING RADAR (GPR)

Tesis

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar Magister

Program Studi

Teknik Elektro

Disusun dan diajukan oleh

R U S L I

Kepada

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR

2013

iii

TESIS

DESAIN ANTENA MIKROSTRIP

UNTUK APLIKASI GROUND PENETRATING RADAR (GPR)

Disusun dan diajukan oleh

RUSLI Nomor Pokok P2700211430

telah dipertahankan di depan Panitia Ujian Tesis

pada tanggal 13 Agustus 2013

dan dinyatakan telah memenuhi syarat

Menyetujui Komisi Penasehat,

Dr. Ir. Zulfajri B. Hasanuddin, M.Eng Merna Baharuddin, ST., M.Tel.Eng., Ph.D Ketua Anggota

Ketua Program Studi Direktur Program Pascasarjana

Teknik Elektro, Universitas Hasanuddin,

Prof. Dr. Ir. H. Salama Manjang, MT Prof. Dr. Ir. Mursalim

iv

PERNYATAAN KEASLIAN TESIS

Yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Rusli Nomor Mahasiswa : P2700211430 Program Studi : Teknik Elektro Menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang saya tulis ini

benar-benar merupakan hasil karya saya sendiri, bukan merupakan pengambilalihan tulisan atau pemikiran orang lain. Apabila di kemudian hari terbukti atau dapat dibuktikan bahwa sebagian atau keseluruhan tesis ini hasil karya orang lain, saya bersedia menerima sanksi atas perbuatan tersebut.

Makassar, 13 Agustus 2013 Yang menyatakan

R u s l i

v

PRAKATA

Assalamu’alaikum wr.wb

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanahu Wa

Ta’ala yang telah memberikan rahmat, hidayah serta karunia-Nya

sehingga penyusunan hasil penelitian ini dapat diselesaikan dengan baik.

Penelitian ini berjudul DESAIN ANTENA MIKROSTRIP UNTUK

UNTUK APLIKASI GROUND PENETRATING RADAR (GPR).

Penelitian ini diharapakan dapat turut memperkaya khasanah

keilmuan di bidang telekomunikasi khususnya mahasiswa Teknik Elektro

Teknik Telekomunikasi Program Pasacasarjana Universitas Hasanuddin.

Penyusunan penelitian ini, tentunya tidak terlepas dari berbagai

kendala tetapi dapat diselesaikan dengan baik berkat kritik maupun

koreksi dari berbagai pihak. Oleh karena itu, kami menyampaikan terima

kasih kepada :

1. Bapak Prof. DR. Ir. H. Salama Manjang, MT., sebagai Ketua Program

Studi Teknik Elektro Program Pascasarjana Universitas Hasanuddin.

2. Bapak Dr. Ir. Zulfajri B. Hasanuddin, M.Eng., dan Ibu

Merna Baharuddin, ST., M.Tel.Eng., Ph.D., selaku Komisi Penasehat,

atas bantuan dan bimbingan yang telah diberikan.

3. Bapak Dr. Ir. H. Andani Achmad, MT ; Elyas Palantei, ST., M.Eng.,

Ph.D., M.Eng dan Muh. Niswar, ST.,MIT., Ph.D selaku Dosen Penguji.

4. Seluruh staf Administrasi program pascasarjana Universitas

Hasanuddin.

vi

5. Seluruh sahabat seperjuangan, mahasiswa Jurusan Teknik Elektro

Program Pascasarjana Universitas Hasanuddin khususnya angkatan

2011.

Diharapkan agar tulisan ini nantinya dapat bermanfaat bagi setiap

mahasiswa yang berkecimpung dalam pengembangan ilmu

telekomunikasi. Disadari pula tulisan ini masih jauh dari kesempurnaan,

oleh karena itu saran dan kritikan yang sifatnya membangun senantiasa

kami harapkan untuk memperoleh hasil yang lebih baik. Semoga Allah

SWT selalu memberikan Rahmat-Nya kepada kita semua

Makassar, 13 Agustus 2013

Penulis

vii

ABSTRAK

RUSLI. Desain Antena Mikrostrip Untuk Aplikasi Ground Penetrating Radar (GPR) (dibimbing oleh Zulfajri Basri Hasanuddin dan Merna Baharuddin)

Penelitian ini bertujuan (1) mendesain antena mikrostrip untuk aplikasi GPR sesuai dengan karakteristik antena dengan menggunakan Software High Frekuensi Structure Simulator versi 13 (HFSS v13) yang beroperasi pada frekuensi 1 GHz dan mendapatkan karakteristik antena berupa S11, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), pola radiasi dan Axial Ratio (2) mengimplementasikan desain antena mikrostrip ke dalam bentuk fisik dan mengukur (S11) karakteristik prototipe yang telah dibuat serta menganalisis karakteristik antara desain antena dengan prototipe antena yang telah dibuat (3) melakukan pengukuran (S21) perambatan gelombang terhadap permitifitas (εr) pada tanah kering dan tanah basah.

Penelitian ini menggunakan metode rancang bangun untuk desain antena mikrostrip trIple rectilinear. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada hasil simulasi nilai koefisien refleksi (S11) pada frekuensi 1 GHz nilai return loss sebesar -24,124 dB dan bandwidth sebesar 31 MHz dengan nilai VSWR sebesar 1,132. Pada frekuensi 1,185 GHz nilai return loss sebesar -14,937 dB dan bandwidth sebesar 25 MHz dengan nilai VSWR sebesar 1,436. Nilai axial ratio sebesar 45,711 dB dengan pola radiasi linier. Hasil pengukuran antena didapatkan nilai koefisien refleksi (S11) pada frekuensi 1,029 GHz nilai return loss sebesar -23,768 dB dan bandwidth sebesar 31 MHz dengan nilai VSWR sebesar 1,21. Pada frekuensi 1,218 GHz nilai return loss sebesar -21,348 dB dan bandwidth sebesar 22 MHz dengan nilai VSWR sebesar 1,21. Hasil pengukuran (S21) perambatan gelombang terhadap permitifitas (εr) tanah kering dengan ketebalan 30 cm sebesar -44,610 dB, pada tanah basah sebesar -45,786 dB dan pada air -76,001 dB. Berdasarkan hasil simulasi dan pengukuran antena mikrostrip trIple rectilinear layak digunakan untuk aplikasi GPR. Kata kunci: ground penetrating radar, HFSS, koefisien refleksi,

permitivitas tanah

viii

ABSTRACT

RUSLI. The Design of Microstrip Antenna for the Applications of Ground Penetrating Radar (GPR) (Supervised by Zulfajri Basri Hasanuddin and Merna Baharuddin)

This study aims to: (1) design a microstrip antenna for GPR application based on antenna characteristics by using Software High Frekuensi Structure Simulator version 13 (HFSS v13) operated in the frekuensi of 1 GHz with some antenna chraracteristics including S11, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), radiation pattern and Axial Ratio; (2) implement the microstrip antenna design into a physical shape, the prototype characteristic (S11) that has been made, and analyse the characteristics of the antenna design and the antenna prototype that has been made; and (3) conduct the measurement (S21) to calculate wave propagation on the permitifitas (εr) in dry and wet soil.

The method used in the study was the design to develop for design trIple rectilinear microstrip antenna. The results reveal that in the simulation with reflection coefficient value (S11) at the frekuensi of 1 GHz, the return loss value is -24,124 dB, the bandwidth is 31 MHz, and the VSWR value is 1,132. At the frekuensi of 1,185 GHz, the return loss value is -14,937 dB, the bandwidth is 25 MHz, and the VSWR value is 1,436. The axial ratio is 45,711 dB with linear radiation pattern. The results of antenna measurement reveal that in the reflection coefficient value (S11) at the frekuensi of 1,029 GHz, the return loss value is -23,768 dB, the bandwidth is 31 MHz, and the VSWR value is 1,21. At the frekuensi of 1,218 GHz, the return loss value is -21,348 dB, the bandwith is 22 MHz, and the VSWR value is 1,21. The result of measurement (S21) of the wave propagation on the permitifitas (εr) with a thickness of 30 cm is -44,610 dB in dry soil, -45,786 dB in wet soil and -76,001 dB in water. Based on the results of the simulation and measurement trIple rectilinear microstrip array antenna is used for a decent applications of GPR.

Keywords: ground penetrating radar, HFSS, reflection coefficient, soil

permittivity

ix

DAFTAR ISI

Halaman

PRAKATA v

ABSTRAK vii

ABSTRACT viii

DAFTAR ISI ix

DAFTAR TABEL xi

DAFTAR GAMBAR xii

DAFTAR LAMPIRAN xvi

DAFTAR SINGKATAN xvii

BAB I PENDAHULUAN 1

A. Latar Belakang 1

B. Rumusan Masalah 3

C. Tujuan Penelitian 4

D. Manfaat Penelitian 4

E. Batasan Masalah 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6

A. Parameter Antena 6

B. Antena Mikrostrip 28

C. Ground Penetrating Radar (GPR) 41

D. Prinsip Dasar GPR 42

E. Roadmap Penelitian 46

x

BAB III METODE PENELITIAN 48

A. Metodologi 48

B. Waktu dan Lokasi Penelitian 50

C. Tahapan Penelitian 50

D. Alat dan Bahan 58

E. Perancangan Prototipe Antena Mikrostrip 59

F. Teknik Pengukuran Prototipe Antena 61

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 68

A. Pengukuran Port Tunggal 68

B. Pengukuran Port Ganda 77

BAB V PENUTUP 92

A. Kesimpulan 92

B. Saran 93

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xi

DAFTAR TABEL

Nomor Halaman

1. Daftar permitifitas relatif dari beberapa material 26

2. Parameter umum FR4 27

3. Desain awal dimensi fisik antena mikrostrip 56

4. Dimensi fisik antena mikrostrip yang hasil pengukurannya

paling mendekati standar 56

5. Perbandingan hasil simulasi dengan pengukuran koefisien

refleksi (S11) 73

6. Penentuan kelayakan prototipe untuk GPR 76

7. Hasil pengukuran perbandingan level sinyal (dB) berdasarkan

kedalaman tanah dan air pada frekuensi 1 Ghz 87

8. Perbandingan perambatan gelombang pada tanah 0,1 m 89

9. Perbandingan antena mikrostrip Bowtie dan antena mikrostrip

Triple rectilinear 91

xii

DAFTAR GAMBAR

Nomor Halaman

1. Pola radiasi antena 8

2. Pola radiasi pada koordinat polar 8

3. Radiasi antena pada bidang elevasi dan azimuth 11

4. Daerah bidang antena 11

5. Perubahan tipe pola amplitude antena 12

6. Polarisasi linear horisontal 14

7. Polarisasi linear vertikal 14

8. Left hand polarize 14

9. Right hand polarize 15

10. Polarisasi elliptical 15

11. Parameter S dalam jaringan empat kutub 23

12. 3D dan 2D dari pancaran antena 25

13. Struktur dasar antena mikrostrip 28

14. Beberapa model patch untuk mikrostrip antena 29

15. Struktur mikrostrip line 33

16. Struktur Mikrostrip line tampak samping 33

17. Struktur coaxial probe feeding 34

18. Struktur proximity coupling feed 35

19. Struktur aperture coupling feed 36

20. A coaxial-feed RMSA 38

xiii

21. Skema GPR 42

22. Diagram Alir penelitian 49

23. Tebal sustrat h 51

24. Dimensi awal ukuran antena mikrostrip triple rectilinear 55

25. Desain optimasi antena mikrostrip triple rectilinear 58

26. Layout antena mikrostrip triple rectilinear dengan AutoCAD 59

27. Prototipe antena mikrotrip triple rectilinear 61

28. Network analyzer 5017C 62

29. Konfigurasi pengukuran antena pada network analyzer 63

30. Antenna Trainer System ED-3200 64

31. Konfigurasi Pengukuran port ganda 64

32. Konfigurasi pengukuran perbandingan level sinyal (dB)

berdasarkan kedalaman tanah pada frekuensi 1 Ghz 66

33. Konfigurasi pengukuran perbandingan level sinyal (dB)

berdasarkan kedalaman air pada frekuensi 1 Ghz 67

34. Koefisien refleksi (S11) perancangan antena mikrostrip Triple

Rectilinear 68

35. Koefisien refleksi (S11) hasil pengukuran antena mikrostrip 69

36. Perbandingan hasil pengukuran dan hasil simulasi koefisien

refleksi (S11) 70

37. VSWR hasil simulasi antena mikrostrip Triple Rectilinear 71

38. VSWR hasil pengukuran antena mikrostrip Triple Rectilinear 72

39. Perbandingan hasil pengukuran dan hasil simulasi VSWR 73

xiv

40. Axial Ratio antena Mikrostrip Triple Rectilinear 1 GHz 74

41. Perbandingan VSWR, S11, Axial Ratio antena Mikrostrip Triple

Rectilinear 75

42. Pola radiasi dua dimensi untuk Antena Mikrostrip pada

frekuensi 1 GHz 77

43. Fungsi Gain (dB) terhadap sudut elevasi (derajat)

frekuensi 1 GHz 78

44. Fungsi Gain (dB) terhadap sudut azimuth (derajat) frekuensi

4,25 GHz 79

45. Pola radiasi tiga dimensi untuk Antena Mikrostrip pada

frekuensi 1 GHz 80

46. Perbandingan pola radiasi elevasi hasil simulasi dan hasil

pengukuran pada frekuensi 1 GHz 81

47. Perbandingan gain elevasi hasil simulasi dan hasil pengukuran

pada frekuensi 1 GHz 82

48. Perbandingan pola radiasi azimuthal hasil simulasi dan hasil

pengukuran pada frekuensi 1 GHz 83

49. Perbandingan gain azimuthal hasil simulasi dan hasil

pengukuran pada frekuensi 1 GHz 84

50. Pengukuran S21 pada frekuensi 1 Ghz. 85

51. Pengukuran S21 terhadap tanah pada frekuensi 1 Ghz. 85

52. Pengukuran S21 terhadap air pada frekuensi 1 Ghz 86

xv

53. Grafik perbandingan hasil pengukuran S21, pengukuran S21

terhadap tanah kering, terhadap tanah basah dan air 88

54. Grafik perbandingan delay perambatan gelombang pada tanah

terhadap jarak kedalaman tanah pada tanah kering dan tanah

basah 90

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Halaman

1. Pengukuran koefisien refleksi (S11) dan VSWR 96

2. Pengukuran S21 antena 97

3. Pengukuran S21 terhadap tanah dan air tebal 30 cm 98

4. Pengukuran E-Plane (Elevation Pattern) 99

5. Pengukuran H-Plane (Azimuth Pattern) 101

xvii

DAFTAR ARTI LAMBANG DAN SINGKATAN

Lambang/ Singkatan Arti dan keterangan S11, S21 Parameter S yang menggambarkan perbandingan

antara intensitas gelombang pantul dengan gelombang

datang dari suatu antena

VSWR Voltage Standing Wave Ratio, menunjukkan

perbandingan tegangan maksimum dan tegangan

minimum gelombang berdiri pada saluran transmisi

Axial Ratio Nilai perbandingan axis mayor dengan axis minor,

biasa digunakan untuk merepresentasikan polarisasi

suatu antena

Bandwidth Rentang frekuensi kerja

Gain Perbandingan tegangan keluaran dengan tegangan

masukan pada suatu circuit

Directivity Perbandingan intensitas radiasi sebuah antena pada

arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada

semua arah

Elevasi pengarahan vertical antena

Azimut pengarahan horizontal antena

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan sistem yang sangat

berguna untuk proses pendeteksian benda-benda yang berada atau

terkubur di dalam tanah dengan kedalaman tertentu tanpa harus menggali

tanah (Pramudita dkk., 2007). GPR menggunakan frekuensi 1 GHz untuk

mendeteksi benda yang terkubur dalam tanah (Hasan, 2012). GPR

memiliki cara kerja yang sama dengan radar konvensional. GPR mengirim

pulsa energy antara 10 sampai 1000 MHz ke dalam tanah oleh antena

pemancar lalu mengenai suatu lapisan atau objek dengan suatu konstanta

dielektrik berbeda selanjutnya pulsa akan dipantulkan kembali dan

diterima oleh antena penerima (Pramudita dkk, 2008).

Pada sistem GPR antena pada umumnya diletakkan sangat dekat

dengan permukaan tanah. Hal ini menyebabkan karakteristik antena

sangat dipengaruhi oleh kodisi tanah. Karakteristik antena sangat mungkin

untuk bervariasi dengan adanya variasi tanah. Analisa teori dan numerik

menunjukkan bahwa pembebanan resistif meningkatkan kestabilan

impedansi input antena pada beberapa kondisi tanah yang berbeda

(Pramudita dkk, 2008).

2

Kedalaman pengukuran dapat disesuaikan dengan tujuan

kegiatannya yaitu dengan mengatur frekuensi gelombang radar yang

digunakan. Penggunaan GPR untuk meneliti objek-objek yang terbuat dari

logam atau bahan yang mengandung logam (metalik) menggunakan

frekuensi antenna sebesar 1 GHz. Frekuensi ini tergolong tinggi sehingga

memberikan resolusi yang tinggi pula, tetapi kedalaman penetrasinya

terbatas. Untuk frekuensi observasi 1 GHz, objek metallic yang mampu

diidentifikasi dengan baik berkedalaman hanya 20 cm hingga 40 cm

dengan ketebalan dalam beberapa cm saja. (www.geospasia.com).

Aplikasi GPR dimana waktu atau ruang menjadi perhatian utama,

analisis domain waktu menjadi sangat penting, terutama untuk aplikasi

GPR, penentuan waktu pantul dan profil range dari pencitraan target

memerlukan bantuan analisis domain waktu / ruang (Suryana dkk, 2005).

Koefisien S21 merupakan kuantitas frekuensi domain yang besarnya

mengungkapkan jumlah penghubung antara antena pemancar dan

penerima. Koefisien ini didefinisikan sebagai rasio tegangan diukur pada

port antena penerima ke tegangan pada antena pemancar (Attela dkk,

2007).

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal (patch) yang

menempel diatas ground plane yang diantaranya terdapat bahan

dielektrik. Bidang pada umumnya terbuat dari bahan seperti tembaga atau

emas dan dapat mengambil banyak kemungkinan bentuk (Suryono dkk,

2009). Layanan nirkabel yang menggunakan frekuensi tinggi salah

satunya adalah Ground Penetrating Radar (GPR).

3

Dengan adanya software High Frequency System Simulator versi

13 (HFSS v13) dapat dirancang dan dilihat parameter dari sebuah antena

yang akan dibuat sebelum membangunnya agar lebih mudah di dalam

pembuatannya. Beranjak dari hal-hal tersebut di atas, maka akan

dirancang Antena Mikrostrip untuk aplikasi Ground Penetrating Radar

yang bekerja pada frekuensi 1 GHz dengan menggunakan software HFSS

v13.

B. Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian di atas maka dapat dirumuskan masalah

adalah sebagai berikut yaitu:

1. Bagaimana menentukan beberapa parameter dari antena Mikrostrip

yang bekerja pada frekuensi 1 GHz untuk GPR.

2. Bagaimana mendesain Antena Mikrostrip yang optimal dapat

digunakan pada aplikasi GPR sesuai dengan parameter dan

karakteristik yang diinginkan dengan menggunakan Software HFSS

v13

3. Bagaimana menganalisis dan mengevaluasi parameter S11

(pengukuran port tunggal), S21(pengukuran port ganda), VSWR, pola

radiasi dan Axial Ratio dari hasil simulasi dan pengukuran antena

mikrostrip pada frekuensi 1 GHz.

4

C. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dilakukannya penelitian ini adalah :

1. Mendesain antena mikrostrip Triple Rectalinear untuk aplikasi GPR

sesuai dengan karakteristik antena dengan menggunakan Software

High Frequency Structure Simulator 13 (HFSS v13) yang beroperasi

pada frekuensi 1 GHz dan mendapatkan karakteristik antena berupa

S11, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), pola radiasi dan Axial

Ratio.

2. Mengimplementasikan desain antena mikrostrip Triple Rectalinear ke

dalam bentuk fisik dan mengukur S11, S21, VSWR, pola radiasi

berdasarkan karakteristik prototipe yang telah dibuat serta

menganalisis karakteristik antena.

3. Melakukan pengukuran S21 perambatan gelombang terhadap

permitifitas (εr) pada tanah kering (εr=2,9), tanah basah (εr=8,1) dan

air(εr=80).

D. Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan hasil karakteristik

antena mikrostrip Triple Rectalinear digunakan pada aplikasi GPR

frekuensi 1 GHz.

5

E. Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, batasan masalah adalah sebagai berikut :

1. Perancangan desain antena mikrostrip Triple Rectalinear yang sesuai

dengan parameter dan karakteristik yang bekerja di frekuensi 1 GHz

dengan menggunakan software HFSS v13 v13 mendapatkan

parameter S11, VSWR, pola radiasi dan axial ratio.

2. Pembuatan prototipe menggunakan bahan dan alat yang tersedia

umum dipasaran. Untuk antena mikrostrip menggunakan PCB dengan

bahan FR4 Epoxy dan mempunyai ketebalan 1,6 mm.

3. Parameter yang dianalisis dan dievaluasi yaitu S11, VSWR, pola

radiasi, axial ratio dan S21 dari simulasi dan pengukuran desain

antena mikrostrip pada frekuensi 1 GHz.

4. Pengukuran pada aplikasi GPR pada tanah dan air dilakukan pada

Laboratorium Telematika Universitas Hasanuddin Makassar.

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A. Parameter Antena

Pada bab ini akan dijelaskan tentang teori antena secara umum.

Diantaranya adalah terminologi antena yang meliputi penjelasan definisi

antena dan parameter-parameter antena diantaranya pola radiasi antena,

polarisasi beamwidth, bandwidth, gain, directivity, impedansi input,

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), parameter S, dan permitivitas

relatif. Selanjutnya dijelaskan mengenai jenis, karakteristik dan konfigurasi

Mikrostrip antena.

Antena adalah suatu piranti yang digunakan untuk mengirimkan

dan menerima gelombang radio atau gelombang elektromagnetik dari dan

ke udara bebas. Karena merupakan perangkat perantara antara saluran

transmisi dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai

dengan saluran pencatu (Topalaguna dkk, 2012).

Antena secara umum dibedakan menjadi antena isotropis, antena

omnidirectional, antena phased array, antena optimal dan antena adaptif.

Antena isotropis merupakan sumber titik yang memancarkan daya ke

segala arah dengan intensitas yang sama seperti permukaan bola. Namun

pada kenyataannya, antena ini tidak ada implementasinya, hanya

digunakan sebagai antena referensi untuk merancang dan menganalisa

7

struktur antena yang lebih kompleks. Antena omnidirectional adalah

antena yang memancarkan daya ke segala arah dan bentuk pola

radiasinya digambarkan seperti donat dengan pusat berimpit. Antena

omnidirectional sering digunakan sebagai pembanding terhadap antena

yang lebih kompleks. Contoh antena ini adalah antena dipole setengah

panjang gelombang.

Antena phased array merupakan gabungan atau konfigurasi array

dari beberapa antena sederhana dan menggabungkan sinyal yang

menginduksi masing-masing antena tersebut untuk membentuk pola

radiasi tertentu pada keluaran array. Antena optimal merupakan suatu

antena dimana penguatan dan fase relatif setiap elemennya diatur

sedemikian rupa untuk mendapatkan kinerja pada keluaran yang

seoptimal mungkin. Optimasi kerja dapat dilakukan dengan

menghilangkan atau meminimalkan penerimaan sinyal-sinyal yang tidak

dikehendaki. Antena adaptif merupakan pengembangan dari antena

phased array, dimana arah gain maksimum dapat diatur sesuai dengan

gerakan dinamis obyek yang dituju (Topalaguna dkk, 2012).

Untuk menggambarkan unjuk kerja suatu antena, sangat penting

untuk memahami parameter-parameter antena. Definisi parameter-

parameter antena menurut IEEE Standard Definition of Term for Antenas,

yaitu pola radiasi, polarisasi, bandwidth, gain, directivity, dan Voltage

Standing Wave Ratio (VSWR). Parameter lain yang turut menentukan

8

keberhasilan unjuk kerja antena yaitu koefisien refleksi (S11), efisiensi

antena, intensitas radiasi, rapat daya radiasi, dan beamwidth.

1. Pola Radiasi Antena

Pola radiasi merupakan pola pancaran antena didefinisikan sebagai

fungsi matematika atau representasi grafis dari sifat radiasi antena

sebagai fungsi ruang koordinasi atau fungsi koordinat arah (Balanis,

2005). Pola radiasi dapat disebut field pattern apabila yang digambarkan

adalah kuat medan dan disebut power pattern apabila yang digambarkan

adalah poynting vector (Topalaguna dkk, 2012).

Gambar 1. Pola radiasi antena

Gambar 2 Pola radiasi pada koordinat polar

9

Gambar 2. memperlihatkan pola atau sifat radiasi antena pada

koordinat polar. Main beam atau main lobe adalah pancaran utama dari

pola radiasi suatu antena. Minor lobe adalah pancaran-pancaran kecil

selain pancaran utama dari pola radiasi antena. Side lobe adalah

pancaran-pancaran kecil yang dekat dengan pancaran utama dari pola

radiasi antena. Back lobe adalah pancaran yang letaknya berlawanan

dengan pancaran utama dari pola radiasi antena. Titik setengah daya

adalah suatu titik pada pancaran utama yang mempunyai nilai daya

separuh dari harga maksimumnya. Half Power Beam Width (HPBW)

adalah lebar sudut yang memisahkan dua titik setengah daya pada

pancaran utama dari pola radiasi. Front To Back Ratio (FTBR) adalah

perbandingan antara daya maksimum yang dipancarkan pada main lobe

dan daya pada back lobe (Balanis, 2005).

Nilai front to back ratio (FTBR) dapat diketahui dengan

membandingkan daya antena pada saat level penerimaan daya

maksimum (pada posisi 00 pada main lobe) dan pada arah yang

berlawanan (pada posisi 1800 pada back lobe). Berdasarkan pola radiasi

yang diperoleh, nilai front to back ratio dapat dihitung dengan :

0 180 ...................................................... (2.1)

Nilai front to back ratio dalam bentuk dB dapat dikonversi ke dalam

satuan Watt (W) dengan rumus (Topalaguna dkk, 2012) :

10 log ............................................................................................... (2.2)

10

Selain dalam bentuk Watt dan satuan dB, dapat pula dikonversi ke

dalam satuan Volt (V) dengan rumus (Topalaguna dkk, 2012) :

20 log .................................................................................................. (2.3)

Isotropic radiator merupakan sebuah antena sumber ideal yang

memiliki pancaran sama ke segala arah walaupun secara praktik tidak

terjadi. Antena omnidirectional memiliki pola radiasi yang terlihat

mengarah ke segala arah. Antena ini memiliki gain yang lebih rendah

dibandingkan dengan antena directional. Antena omnidirectional dapat

digunakan sebagai sambungan Point to Multi Point (P2MP) karena pola

radiasinya yang mengarah ke segala arah, sehingga sangat

memungkinkan antena omnidirectional mengumpulkan sinyal lain di

sekitarnya yang dapat menyebabkan interferensi. Antena directional

memiliki sifat memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik

yang lebih efektif di beberapa arah tertentu dibanding dengan arah lain.

Gain antena ini relatif lebih besar dari antena omnidirectional. Beamwidth

antena directional lebih sempit dibanding dengan antena lain (Balanis,

2005).

Pola pancaran dapat dengan mudah dipahami dengan

menggunakan sistem koordinat bola seperti pada Gambar 3. Bidang xz (E

Plane) adalah bidang elevation (orthogonal) dimana Φ=0 yang merupakan

vektor medan listrik dan arah radiasinya maksimum. Sedangkan bidang xy

(H Plane) adalah bidang azimuth yang merupakan vektor medan magnet

11

dan arah radiasinya maksimum. Radiasi yang maksimum normalnya

menghasilkan 2 bidang (Topalaguna, 2012)

Gambar 3. Radiasi antena pada bidang elevasi dan azimuth (Topalaguna, 2012)

Ruang antara sebuah antena biasanya dibagi menjadi 3 (tiga)

daerah yaitu reactive near-field, radiating near-field (Fresnel), dan far-field

(Fraunhofer). Daerah ini didesain untuk mengidentifikasi setiap struktur

bidang (Balanis, 2005).

Gambar 4. Daerah bidang antena

12

Daerah reactive near-field adalah daerah dimana benda-benda

saling mempengaruhi dengan antena. Daerah radiating near-field

(Fresnel) adalah daerah dimana gelombang elektromagnetik belum

transversal secara penuh. Daerah far-field (Fraunhofer) atau sering juga

disebut daerah medan jauh yaitu daerah di mana benda-benda tidak lagi

mempengaruhi antena (merupakan medan elektromagnetik transversal)

(Balanis, 2005).

Secara matematis, daerah medan jauh dapat diketahui sebagai berikut :

................................................................................. (2.4)

d = jari- jari pancaran (daerah medan jauh)

D = panjang antena

λ = panjang gelombang operasi

Gambar 5. Perubahan tipe pola amplituda antena dari reactive near-field sampai far-field (Balanis, 2005).

13

2. Polarisasi Antena

Polarisasi sebuah antena didefinisikan sebagai arah penjalaran dari

gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Polarisasi menggambarkan

magnituda relatif dari vektor medan listrik (E) sebagai fungsi waktu pada

titik tertentu pada suatu bidang perambatan. Ada beberapa jenis polarisasi

yang dapat terjadi pada gelombang elektromagnetik. Suatu polarisasi

disebut polarisasi vertikal jika medan listrik dari gelombang yang

dipancarkan antena berarah vertikal terhadap permukaan bumi.

Sebaliknya, suatu polarisasi disebut polarisasi horizontal jika medan listrik

dari gelombang yang dipancarkan antena berarah horizontal terhadap

permukaan bumi. Kedua jenis polarisasi tersebut sering disebut polarisasi

linier (Topalaguna dkk, 2012).

Namun ada beberapa jenis antena yang polarisasinya bukan

polarisasi vertikal maupun polarisasi horizontal karena gelombangnya

memiliki vektor medan listrik dimana ujung vektor tersebut seolah-olah

berputar membentuk suatu lingkaran ataupun ellipse dengan pusat

sepanjang sumbu propagasi. Selanjutnya jika perputaran ujung vektor

medan yang dipancarkan berbentuk lingkaran maka disebut polarisasi

circular. Jika vektornya berputar berlawanan arah jarum jam dinamakan

right hand polarize dan jika vektornya berputar searah jarum jam

dinamakan left hand polarize. Sedangkan jika perputaran ujung vektor

medan yang dipancarkan berbentuk ellipse maka dinamakan polarisasi

ellipse (Topalaguna dkk, 2012).

14

Untuk melihat perbedaan dari beberapa pola radiasi tersebut dapat

dilihat pada Gambar 2.6 sampai dengan Gambar 2.10 berikut (Suryono

dkk, 2009).

Gambar 6. Polarisasi linier horizontal

Gambar 7. Polarisasi linier vertical

Gambar 8. Left hand circular polarize

15

Gambar 9. Right hand circular polarize

Gambar 10. Polarisasi elliptical

Agar dapat menerima sinyal yang maksimum, polarisasi antena

penerima harus sama dengan polarisasi antena pemancar.

3. Bandwidth

Bandwidth antena didefinisikan sebagai jarak atau rentang

frekuensi kerja antena sesuai dengan beberapa karakteristik standar yang

ditentukan. Pada range frekuensi tersebut, antena diusahakan dapat

bekerja dengan efektif agar dapat menerima dan memancarkan

gelombang elektromagnetik pada band frekuensi tertentu. Distribusi arus

16

dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut benar-benar

belum mengalami perubahan yang berarti sehingga masih sesuai dengan

pola radiasi yang direncanakan dan VSWR yang dijinkan. Secara umum,

bandwidth dapat ditentukan berdasarkan persamaan berikut (Topalaguna

dkk, 2012) :

.......................................................................... (2.5)

dengan:

fH = frekuensi tertinggi dalam band (GHz)

fL = frekuensi terendah dalam band (GHz)

Bandwidth dapat pula dinyatakan dalam bentuk persen sebagai

berikut (Topalaguna dkk, 2012):

100% ..................................................... (2.6)

Untuk antena broadband, bandwidth didefinisikan sebagai rasio

frekuensi teratas terhadap frekuensi terbawah dari frekuensi operasinya.

Suatu antena disebut broadband antena apabila fH/fL = 2. Bandwidth

dinyatakan oleh beberapa nilai karakteristik antena seperti impedansi

input, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi pancaran berada

dalam level yang dapat diterima di sekitar pusat frekuensi.

Persamaan untuk perhitungan bandwidth antena yang

dikategorikan broadband antena adalah sebagai berikut :

2 .......................................................... (2.7)

sedangkan untuk menyatakan bandwidth narrowband antena dalam

bentuk persen dapat dihitung sebagai berikut :

17

% 100 ...................................... (2.8)

4. Gain

Gain antena didefinisikan sebagai perbandingan intensitas radiasi

maksimum suatu antena yang diukur terhadap intensitas radiasi

maksimum antena isotropik sebagai referensi jika kedua antena tersebut

diberi daya yang sama (Balanis, 2005). Gain antena berhubungan erat

dengan directivity dan faktor efisiensi. Untuk menghitung besarnya gain

suatu antena (Gt) yang dibandingkan dengan antena standar (Gs), dapat

dinyatakan secara numerik yaitu berupa perbandingan daya antena yang

diukur (Pt) dengan daya antena isotropik (Ps) seperti berikut (Topalaguna

dkk, 2012) :

........................................................................... (2.9)

dan dapat pula dinyatakan dengan dB sebagai berikut (Topalaguna dkk,

2012) :

............................. (2.10)

5. Directivity

Directivity didefinisikan sebagai perbandingan intensitas radiasi

sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada

semua arah. Direktivitas menggambarkan seberapa banyak suatu antena

memusatkan energinya pada suatu arah dibanding ke arah lain. Jika

18

efisiensi antena 100%, maka direktivitasnya akan sepadan dengan gain

dan antena akan menjadi isotropic radiator. Bentuk matematisnya

dinyatakan sebagai (Topalaguna dkk, 2012) :

. .............................................................................. (2.11)

dimana :

θH = sudut pada titik setengah daya bidang H (radian)

θE = sudut pada titik setengah daya bidang E (radian)

Jika arah tidak ditentukan, secara tidak langsung menyatakan

arah dari intensitas pancaran maksimum yang dinyatakan (Balanis, 2005).

:

|

.............................. (2.12)

dimana,

D = directivity (dimensionless)

Do = maximum directivity (dimensionless)

U = radiation intensity (W/satuan sudut ruang)

Umax = intensitas pancaran maksimum (W/satuan sudut ruang)

U = intensitas pancaran rata-rata (W/satuan sudut ruang)

Prad = total radiated power (W)

Direktivitas adalah suatu kuantitas tanpa ukuran karena rasio dua

radiasi intensitas. Direktivitas biasanya dinyatakan dalam dBi. Direktivitas

mempresentasikan pengarahan antena, semakin besar direktivitas dapat

diartikan bahwa lebar berkasnya semakin sempit.

19

6. Impedansi Input

Impedansi input adalah impedansi yang diukur pada titik catu pada

terminal antena yang merupakan perbandingan tegangan dan arus pada

titik tersebut. Impedansi input selain ditentukan oleh letak titik catu antena,

juga dipengaruhi oleh antena lain atau benda-benda yang berada di

sekitar antena serta frekuensi kerjanya. Impedansi input antena

dinyatakan dalam bentuk kompleks yang memiliki bagian real dan bagian

imajiner. Bagian real merupakan resistansi masukan (Rin) yang

menyatakan daya yang diradiasikan oleh antena pada medan jauh.

Sedangkan bagian imajiner merupakan reaktansi masukan (Xin) yang

menyatakan daya yang tersimpan pada medan dekat antena (Topalaguna

dkk, 2012).

Impedansi input antena dapat dihitung sebagai berikut (Topalaguna dkk,

2012) :

..................................................................... (2.13)

7. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) merupakan kemampuan

suatu antena untuk bekerja pada frekuensi yang dinginkan (Topalaguna

dkk, 2012). Ketika suatu saluran transmisi diakhiri dengan impedansi yang

tidak sesuai dengan karakteristik saluran transmisi, maka tidak semua

daya diserap di ujung. Sebagian daya direfleksikan kembali ke saluran

transmisi. Sinyal yang masuk bercampur dengan sinyal yang dipantulkan

20

yang menyebabkan suatu gelombang tegak tegangan mempola di saluran

transmisi. Perbandingan tegangan maksimum terhadap tegangan

minimum disebut Voltage Standing Wave Ratio (VSWR).

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang

berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching

sempurna. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh

karena itu nilai standar VSWR yang dijinkan untuk fabrikasi antena adalah

VSWR ≤ 2. Praktiknya suatu VSWR 1,2 : 1 adalah yang terbaik. Pada

VSWR 2,0, kira-kira 10% dari daya dipantulkan kembali ke sumber.

Tingginya VSWR tidak hanya berarti daya terbuang, tetapi juga daya yang

dipantulkan akan menyebabkan kabel panas atau amplifier terlipat.

Untuk dapat beroperasi efisien, pada antena perpindahan

maksimum daya harus berlangsung antara pemancar dan antena. Daya

maksimum yang ditransferkan dicapai ketika impedansi input antena Zin

cocok dengan impedansi antena pemancar, sebagaimana rumusnya :

.................................................................................... (2.14)

Jika kondisi ini tidak terjadi, maka akan menyebabkan suatu

gelombang berdiri atau VSWR. VSWR pada dasarnya adalah ukuran tidak

sepadannya impedansi antara pemancar dan antena. VSWR yang besar

berarti besar pula ketidaksepadanannya. Secara matematis VSWR

dinyatakan sebagai :

| |

| | ........................................................................ (2.15)

21

Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan

tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) :

................................................................. (2.16)

dimana :

Г = koefisien refleksi

Vr = amplituda gelombang yang dipantulkan

Vt = amplituda gelombang masuk

Zin = impedansi antena input

Zs = impedansi antena pemancar

Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang

merepresentasikan besarnya magnituda dan fasa dari refleksi. Untuk

beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol,

maka :

Γ = − 1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung

singkat,

Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan

matched sempurna,

Γ = + 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam

rangkaian terbuka.

Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan

juga semakin besar dan semakin tidak match.

22

8. Parameter S

Suatu rangkaian mempunyai ‘black box’ yang berisikan berbagai

komponen elektronika seperti resistor, kapasitor, induktor dan transistor.

Untuk mendefinisikan parameter S, perlu ditekankan bahwa keseluruhan

jaringan berlaku linier dengan input sinyal kecil. Hal ini berlaku untuk

komponen-komponen dalam sistem telekomunikasi seperti attenuator,

filter, coupler dan equalizer dengan syarat beroperasi dalam kondisi linier.

Pada frekuensi rendah, parameter yang umum dipakai adalah

parameter Y atau Z dengan menggunakan nilai-nilai arus dan tegangan

yang diukur pada beban terbuka (open circuit) atau hubungan singkat

(short circuit). Pada frekuensi tinggi, parameter tersebut (Y, H, dan Z)

sangat sulit diukur karena penggunaan beban terbuka/hubung singkat

dapat menyebabkan komponen aktif yang digunakan menjadi tidak stabil

(berosilasi). Selain itu, sulit memperoleh beban terbuka/hubung singkat

dengan bidang frekuensi yang lebar pada frekuensi tinggi.

Untuk itu, pada frekuensi tinggi parameter yang diukur adalah

parameter S (scattering) yang menggunakan konsep magnituda dan

phasa dari gelombang berjalan (gelombang maju dan gelombang pantul).

Parameter S adalah suatu konsep yang penting dalam desain gelombang

mikro karena mudah diukur dan bekerja dengan baik pada frekuensi

tinggi. Keuntungan pemakaian parameter S berangkat dari kenyataan

bahwa gelombang berjalan tidak seperti tegangan dan arus, tidak

mengalami variasi magnituda di sepanjang saluran transmisi lossless, ini

23

berarti bahwa parameter S bisa diukur pada suatu jarak tertentu dengan

asumsi saluran transmisi mempunyai rugi-rugi yang kecil. Parameter S

dalam jaringan 2 (dua) port (4 kutub) dapat dilihat pada Gambar.11.

Gambar 11. Parameter S dalam jaringan empat kutub

Koefisien pantul tegangan pada port input Γin ekivalen dengan S11.

VSWR pada suatu port berkaitan dengan magnituda dari koefisien pantul,

dengan hubungan :

| |

| | ......................................................................... (2.17)

Koefisien refleksi S11 bisa diplot dalam smith chart, dikonversi ke

impedansi dan dengan mudah bisa dimanipulasi untuk menentukan

rangkaian penyesuai impedansi untuk optimasi dalam desain rangkaian.

Nilai VSWR memiliki korelasi dengan nilai koefisien refleksi (S11). Untuk

melihat hubungan tersebut dapat diperhatikan persamaan berikut :

20| |

| | ............................................................ (2.18)

24

9. Radiation Intensity

Radiation intensity didefinisikan sebagai daya yang dipancarkan

dari sebuah antena per satuan sudut ruang. Radiation intensity

merupakan parameter far-field dan dapat dihasilkan dari mengalikan

radiation density dengan kuadrat jarak (Balanis, 2005). Secara matematis

diekspresikan sebagai (Balanis, 2005). :

............................................................................. (2.19)

dimana, U = radiation intensity (W/satuan sudut ruang)

Wrad = radiation density (W/m2)

10. Beamwidth

Beamwidth didefinisikan sebagai kumpulan dari pancaran sebuah

antena. Beamwidth dari sebuah pancaran adalah sudut pemisahan antara

2 (dua) titik yang berlawanan sisi dari pancaran maksimum. Pada antena

terdapat beberapa beamwidth. Salah satu beamwidth yang paling lebar

disebut Half-Power Beamwidth (HPBW). Sedangkan yang satunya adalah

sudut pemisahan antara nulls pertama dari pancaran yang disebut First-

Null Beamwidth (FNBW). Dalam prakteknya istilah beamwidth biasanya

ditujukan pada HPBW (Balanis, 2005).

25

Gambar 12. 3D dan 2D dari pancaran antena (Balanis, 2005).

11. Permitivitas Relatif

Permitivitas relatif atau konstanta dielektrik adalah sebuah

konstanta yang melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu

bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta dielektrik merupakan

perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi

sebuah potensial relatif terhadap ruang hampa. Konstanta dielektrik

dilambangkan dengan huruf Yunani εr atau kadang-kadang κ, K, atau Dk.

Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai :

εr =

.................................................................................... (2.20)

dimana,εr = permitivitas relatif atau konstanta dielektrik

ε = permitivitas suatu bahan

εo = permitivitas vakum = 8,854.10-12 Farad/m

26

Pada Tabel 1. ditunjukkan beberapa bahan dielektrik yang

disediakan dalam software Ansoft HFSS v13 yang biasanya digunakan

sebagai substrat.

Tabel 1. Daftar beberapa material dan permitivitas relatif

Material Permitivitas

Relatif

Udara 1

Copper 1

RT/Duroid ™ 5880 2,2

FR4-Epoxy 4,4

Mica 5,7

PEC 1

Alumina_96pct 9,4

Silicon 11,9

Gallium Arsenide 12,9

Roger 3210 10,2

FR-4 adalah singkatan dari Flame Retardant 4, merupakan jenis

bahan yang paling banyak digunakan untuk membuat Printed Circuit

Board (PCB). Harga FR4-Epoxy yang murah dan memiliki sifat mekanik

yang baik membuatnya sering digunakan untuk produksi massal produk-

produk konsumer elektronik, termasuk sistem microwave dan antena. FR4

memiliki parameter standar dan nilai-nilai umum yang dikenal seperti pada

Tabel 2. di bawah ini

27

Tabel 2. Parameter umum FR4*

Relative Permittivity 3.9 to 4.8

Dielectric

Breakdown 39kV/mm

Water Absorption <1.3%

Dissipation Factor 0.022

Thermal Expansion 16-19ppm/degC

*nilai ini bisa bervariasi untuk setiap pihak manufaktur.

Bahan dielektrik lain yang sering dipakai adalah RT/Duroid ™ 5880

dengan permitivitas relatif 2.2, dan loss tangent 0.0012. Material ini dapat

memberikan bandwidth yang besar karena permitivitas relatifnya yang

rendah.

28

B. Antena Mikrostrip

Konsep mengenai Mikrostrip antena pertama kali diusulkan oleh

Deschamps pada tahun 1953. Namun mulai dimplementasikan dan

dikembangkan oleh Munson dan Howell pada tahun 1970. Struktur dasar

dari sebuah Mikrostrip antena dapat dilihat pada Gambar 13 berikut

(Balanis, 2005). :

(a) (b)

Gambar 13. Struktur dasar Mikrostrip antena (a) tampak atas (b) tampak samping

Pada Gambar 13 di atas dapat diperhatikan struktur dasar dari

sebuah Mikrostrip antena yaitu potongan (patch) logam yang biasanya

terbuat dari tembaga yang dicetak tipis pada dasar dielektrik yang

ditanahkan. Patch sebagai pelat yang meradiasikan daya dari sebuah

dielectric. Ground plane dan patch dihubungkan oleh sebuah center

conductor yang biasanya terbuat dari bahan tembaga. Bentuk Mikrostrip

antena bermacam-macam, umumnya digunakan rectangular dan circular

karena lebih mudah dianalisis.

29

Gambar 14. Beberapa model patch untuk Mikrostrip antena.

Mikrostrip antena banyak digunakan pada link komunikasi antara

kapal dengan sistem satelitnya (untuk sistem navigasi), Global System for

Mobile Communication (GSM), domestic direct broadcast TV, telemetry,

Radar, dan paling banyak digunakan yaitu pada Global Positioning

System (GPS).

1. Karakteristik antena mikrostrip

Mikrostrip antena telah terbukti sebagai radiator yang sangat baik

untuk berbagai macam aplikasi karena beberapa kelebihan yang

dimilikinya. Mikrostrip antena memiliki beberapa kelebihan dibandingkan

dengan antena microwave biasanya. Kelebihan tersebut mencakup :

a. Dimensi kecil dan konfigurasi yang low profile dibandingkan struktur

antena yang lain.

b. Kemudahan mengintegrasikan dengan Microwave Integrate Circuit

(MIC) yang lain pada substrat yang sama.

c. Efisiensi.

30

d. Dapat dibuat pelat yang digunakan untuk personal mobile

communication.

e. Dapat beroperasi pada multiband frekuensi.

Selain kelebihan-kelebihan yang dimiliki, Mikrostrip antena juga

memiliki beberapa kekurangan, yaitu :

a. Bandwidth yang dihasilkan relatif lebih sempit dibandingkan antena

konvensional. Saat ini dilakukan penelitian untuk peningkatan

bandwidth Mikrostrip antena dari narrow bandwidth menjadi broad

bandwidth. Bandwidth dapat ditingkatkan dengan menggunakan

tebal substrat yang konstanta dielektriknya rendah. Cara lain adalah

dengan menggunakan teknik feeding yang sesuai dengan model

desain yang dibuat.

b. Gain yang dihasilkan lebih kecil.

c. Kemampuan penanganan kehandalan yang rendah.

d. Kemurnian polarisasi sulit dicapai.

Unjuk kerja dari sebuah Mikrostrip antena ditentukan oleh ukuran

patch dan tebal dielektrik. Ukuran dari dielektrik sangat kecil sebanding

dengan panjang gelombang. Oleh karena itu, patch antena ditujukan untuk

dua hal, yaitu untuk distribusi arus dan tegangan pada patch, serta

kemampuan meradiasikan gelombang elektromagnetik. Apabila panjang

Mikrostrip antena sebesar setengah panjang gelombang dari bahan,

diasumsikan medan listrik pada sisi input sepanjang W positif mengarah

dari ground plane ke conductor, maka pada sisi ujung yang lain medan listrik

31

akan mengarah sebaliknya, yaitu dari conductor ke ground plane. Sehingga

kedua komponen vertikal dari kedua medan listrik akan saling

menghilangkan, sedangkan komponen horizontal akan berubah secara

kontinyu setelah melewati conductor sepanjang L dan ini akan dirasakan

sebagai radiasi di medan jauh. Medan listrik yang menyebar dari kedua

sisi Mikrostrip antena ke udara bebas disebut sebagai medan limpahan

(fringing field).

Pada dasarnya setiap elemen dari Mikrostrip antena berpengaruh

terhadap unjuk kerja Mikrostrip antena secara keseluruhan. Misalnya,

pengaruh tinggi h dan permitivitas relatif εr dari substrat, adalah sebagai

berikut :

a. Naiknya h substrat dielektrik akan meningkatkan medan-medan

limpahan di sepanjang tepi. Hal ini mengakibatkan perpanjangan

panjang efektif Leff sehingga frekuensi resonansi berkurang.

b. Bandwidth dari Mikrostrip antena meningkat seiring dengan

meningkatnya ketebalan substrat h atau dengan menurunnya

konstanta dielektrik εr.

c. Directivity antena meningkat karena daerah effective aperture

meningkat, kaitannya dengan ∆L.

d. Secara umum, awalnya efisiensi antena naik dengan naiknya

ketebalan substrat karena meningkatnya daya yang dipancarkan

antena (radiated power). Namun setelah itu, akan mulai menurun

32

karena cross-polar level yang tinggi dan terjadi eksitasi surface

wave.

Panjang Mikrostrip antena L harus disesuaikan, karena apabila

terlalu pendek maka bandwidth akan sempit sedangkan apabila terlalu

panjang bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan

menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari Mikrostrip antena W impedansi

input juga akan berubah. Semakin lebar W, impedansi input berkurang.

Dalam prakteknya, ukuran dari ground plane terbatas (finite ground

plane). Ukuran dari ground plane ini dibatasi untuk mengurangi

kompleksitas dalam proses komputasi numeriknya. Pola radiasi dari

Rectangular Mikrostrip antena (RMSA) dengan finite ground plane tidak

terhindarkan dari efek back lobe, sebaliknya pada infinite ground plane

tidak terdapat back lobe.

2. Teknik Feeding

Dalam perancangan Mikrostrip antena (MSA) dikenal beberapa

teknik feeding yang berbeda disertai kelebihan dan kekurangannya

masing-masing (Balanis, 2005).. Teknik feeding mempengaruhi impedansi

input dan karakteristik antena. Oleh karena itu teknik feeding tidak pernah

terlepas dari proses perancangan dan desain parameter Mikrostrip antena

(MSA).

Secara umum terdapat 4 (empat) teknik feeding yang populer

digunakan yaitu mikrostripline, coaxial probe, aperture coupling, dan

proximity coupling (Balanis, 2005). Mikrostripline dan coaxial probe

33

biasanya disebut direct feeding, sedangkan aperture coupling dan

proximity coupling biasanya disebut indirect feeding.

Mikrostripfeed line berupa pelat pengantar yang secara sekilas

seperti bagian dari radiating patch karena letaknya yang langsung di-

couple dengan patch, hanya saja memiliki lebar yang sangat kecil

dibanding patch. Struktur mikrostripline seperti pada Gambar 2.15 dan

Gambar 2.16 :

Gambar 15. Struktur Mikrostrip Line (Balanis, 2005).

Gambar 16. Struktur MikrostripLine tampak samping

Mikrostripline mudah dalam proses fabrikasinya dan tidak terlalu

rumit untuk mengintegrasikannya dalam struktur desain (Balanis, 2005).

Sedangkan kekurangannya adalah jika tinjau dari aspek radiasi feed line.

Struktur mikrostripline yang langsung ter-couple dengan patch dapat

menimbulkan cross polarisasi sehingga dapat mengacaukan radiasi

medan listrik dan medan magnet ke radiating patch. Selain itu, untuk

34

daerah frekuensi dengan panjang gelombang millimeter, ukuran feed line

dapat sebanding dengan ukuran patch.

Coaxial probe atau coaxial line feed tersusun seperti pada Gambar

2.17:

Gambar 17. Struktur coaxial probe feeding

Pada Gambar 17. di atas dapat dilihat struktur coaxial probe

feeding tampak atas dan tampak sampingnya. Coaxial probe adalah teknik

feeding yang paling banyak digunakan. Center conductor dari konektor

coaxial disolder langsung ke bagian patch melewati substrat dengan

bagian luarnya terhubung ke ground plane .

Kelebihan coaxial probe adalah kemudahan dalam proses

fabrikasinya dibandingkan teknik feeding yang lain. Selain itu fleksibilitas

penempatannya pada patch, dimana coaxial probe dapat ditempatkan di

setiap titik di dalam patch untuk memperoleh kesesuaian atau matching

35

impedansi inputnya. Namun kelemahannya adalah coaxial probe

dihubungkan ke substrat dengan membuat hole atau lubang pada ground

plane sehingga struktur yang demikian dapat menjadikan konfigurasi tidak

planar. Selain itu coaxial probe dapat menyebabkan impedansi input lebih

induktif seiring pertambahan panjang probe.

Seperti disebutkan di atas bahwa selain teknik direct feeding,

terdapat pula teknik indirect feeding yakni proximity coupling dan aperture

coupling. Proximity coupling dibuat dengan menempatkan feed line antara

dua medium dielectric yaitu antara patch dengan ground plane seperti

diperlihatkan pada Gambar 18. :

Gambar 18. Struktur proximity coupling feed

Seperti terlihat pada gambar 18 bahwa teknik feeding proximity

coupling tersusun atas dua layer, satu layer untuk patch dan layer yang

lain untuk feed line. Teknik ini memberikan peningkatan performansi yaitu

meningkatkan lebar bandwidth. Akan tetapi membutuhkan ketelitian

36

penyesuaian kedua layernya agar tepat berada pada koordinat yang

sama.

Metode yang keempat adalah aperture coupling seperti pada

gambar 19 :

Gambar 19. Struktur aperture coupling feed

Aperture coupling adalah teknik feeding yang paling sulit dalam

proses fabrikasi dan tergolong narrow bandwidth (Balanis, 2005).. Field

dihubungkan dari mikrostripline feed ke radiating patch melalui hole atau

semacam slot cut pada ground plane. Coupling aperture biasanya

diletakkan pada pertengahan di bawah patch sehingga cross polarisasi

dapat dihindari.

Dari keempat teknik feeding di atas, teknik yang dapat

menghasilkan bandwidth paling lebar adalah proximity coupling yaitu

sekitar 13% lebih lebar. Akan tetapi kesulitannya adalah pada tahap

fabrikasinya. Sedangkan coaxial probe mudah dalam proses fabrikasinya

37

dan fleksibel penempatannya pada patch, dimana coaxial probe dapat

ditempatkan di setiap titik di dalam patch untuk memperoleh kesesuaian

atau matching impedansi inputnya.

3. Konfigurasi antena mikrostrip

Seperti yang disebutkan sebelumnya, keterbatasan dari MSA

adalah bandwidth-nya yang kecil. Bandwidth dapat ditentukan dari

hubungannya dengan VSWR atau perbedaan impedansi input dengan

frekuensi atau berhubungan dengan parameter pancaran. Bandwidth yang

besar disebabkan oleh penurunan quality factor Q dari patch resonator,

dimana berkaitan dengan kurangnya energi yang tersimpan di bawah

patch dan radiasi lebih tinggi. Untuk mendapatkan bandwidth yang lebih

lebar, bentuk patch yang biasa dimodifikasi ke dalam beberapa bentuk

MSA. Berbagai jenis konfigurasi MSA tersebut yaitu, Rectangular

Mikrostrip antena (RMSA), planar multiresonator broadband Mikrostrip

antenas, multilayer broadband Mikrostrip antenas, staked multiresonator

Mikrostrip antenas, compact broadband Mikrostrip antenas, tunable and

dual band Mikrostrip antenas, dan broadband circularly polarized

Mikrostrip antenas.

Salah satu bentuk yang sederhana dan banyak digunakan pada

konfigurasi Mikrostrip antena adalah Rectangular Mikrostrip antena

(RMSA).

38

Gambar 20. A coaxial-feed RMSA : (a). Tampak atas (b). Tampak samping (c). Sistem koordinat

Rectangular patch ditentukan dengan panjang L dan lebar W.

Untuk mikrostripline yang sederhana, lebarnya lebih kecil daripada

panjang gelombang. Bagaimanapun, lebar RMSA sebanding dengan

panjang gelombang untuk meningkatkan radiasi dari tepinya. Karena tebal

substrat lebih kecil dari panjang gelombang, RMSA dianggap sebagai

bentuk two-dimensional planar untuk analisis.

Untuk mencari dimensi Mikrostrip antena, harus diketahui terlebih

dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu resonansi frekuensi

(fo), tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr), dimensi patch (W dan L),

dan impedansi input. Panjang Mikrostrip antena harus disesuaikan, karena

apabila terlalu pendek maka bandwidth akan sempit sedangkan apabila

terlalu panjang bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi

akan menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari Mikrostrip antena (W)

impedansi input juga akan berubah. Persamaan matematis yang

39

digunakan untuk menentukan dimensi antena tersebut adalah sebagai

berikut :

Tebal substrak minimum

,

√ ........................................................................... (2.21)

Konstanta dielektrik efektif (εreff), dari persamaan diatas memberikan

konstanta dielektrik efektif sebagai :

1 12 ............................................. (2.22)

Panjang patch (L) diberikan sebagai :

Leff = L + 2∆L ....................................................................... (2.23)

dengan panjang efektif (Leff)

Leff = ........................................................................ (2.24)

dan panjang tambahan (∆L)

∆ 0.412h. .

. . ............................................ (2.25)

Lebar (W) mikrostrip patch antena diberikan oleh persamaan sebagai

berikut :

........................................................................ (2.26)

Lebar Groundplane (Wg) dan panjangnya (Lg) didapatkan oleh persamaan

sebagai berikut (A.B. Mutiara, 2011)

6 ....................................................................... (2.27)

6 .......................................................................... (2.28)

40

Sedangkan untuk menentukan titik letak coaxial feed (Xf, Yf), didapatkan

oleh persamaan sebagai berikut (A.B. Mutiara, 2011)

................................................................................... (2.29)

........................................................................... (2.30)

dimana,

c = 3.108 m/s

f = resonansi frekuensi (Hz)

εr = relative permittivity atau konstanta dielektrik

εreff = konstanta dielektrik efektif

h = tinggi substrat (mm)

W = lebar patch (mm)

L = panjang patch (mm)

Wg = lebar ground (mm)

Lg = panjang ground (mm)

Leff = panjang efektif patch (mm)

∆L = panjang tambahan patch (mm)

41

C. Ground Penetrating Radar (GPR)

Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan suatu alat yang

digunakan untuk proses deteksi benda – benda yang terkubur di bawah

tanah dengan tingkat kedalaman tertentu, dengan menggunakan

gelombang radio, biasanya dalam range 10 MHz sampai 1GHz (A. Adya

Pramudita dkk, 2008).

Seperti pada sistem radar pada umumnya, sistem GPR terdiri atas

pengirim (trasmiter), yaitu antena yang terhubung ke sumber pulsa, dan

bagian penerima (receiver), yaitu antena yang terhubung ke unit

pengolahan sinyal dan citra (G.E. Attela dkk, 2007). Adapun dalam

menentukan tipe antena yang digunakan, sinyal yang ditransmisikan dan

metode pengolahan sinyal tergantung pada beberapa hal, yaitu:

a. Jenis objek yang akan dideteksi

b. Kedalaman Objek, dan

c. Karakteristik elektrik medium tanah

Dari proses pendeteksian seperti di atas, maka akan didapatkan

suatu citra dari letak dan bentuk objek yang terletak di bawah tanah. Untuk

menghasilkan pendeteksian yang baik, suatu sistem GPR harus

memenuhi empat persyaratan sebagai berikut :

a. Kopling radiasi yang efisien ke dalam tanah,

b. Penetrasi gelombang elektromagnetik yang efisien,

c. Menghasilkan sinyal dengan amplitude yang besar dari objek yang

dideteksi,

42

d. Bandwidth yang cukup untuk menghasilkan resolusi yang baik.

GPR juga memiliki cara kerja yang sama dengan radar

konvensional. GPR mengirim pulsa energy antara 10 sampai 1000 MHz

ke dalam tanah dari suatu antena, dan kemudian merekam

pemantulannya dalam waktu yang sangat singkat (Yulius dkk, 2005).

Pada saat ini GPR digunakan didalam suatu cakupan luas aplikasi

sebagai alat pendeteksi objek yang terkubur dibawah tanah. Banyak

aplikasi komersial yang menggunakan GPR meliputi aplikasi di bidang

teknik sipil, geofisika, arkeologi, teknologi rancang bangun dan teknologi

militer (Pramudita dkk, 2007).

D. Prinsip Dasar GPR

Gambar 21. Skema GPR.

Jika suatu pulsa GPR mengenai suatu lapisan atau objek dengan

suatu konstanta dielektrik berbeda, pulsa akan dipantulkan kembali,

43

diterima oleh antena receiver, waktu dan besar pulsa direkam, seperti

ditunjukan pada gambar 21. Pada banyak kasus, antena transmitter dan

antena receiver adalah sama.(Yulius dkk, 2005).

Walaupun GPR beroperasi sama seperti sistem radar konvensional

pada umumnya, dalam artian bahwa ia mengirimkan gelombang

elektromagnetik dan menerima radar yang kembali, yang kemudian

diproses untuk melihat target. Namun demikian, GPR dikarakterisasi oleh

tiga prinsip mendasar yang membedakannya dari sistem radar

konvensional.

Pertama, bandwidth operasi dari GPR diletakan pada frekuensi

rendah untuk mendapatkan kedalaman penetrasi yang memadai ke dalam

tanah. Kenyataannya, kedalaman penetrasi dari sinyal yang dipancarkan,

pada umumnya sangat terbatas sesuai dengan panjang gelombangnya. Di

sisi lain, radar harus mampu menyediakan resolusi down-range yang

memadai, untuk itu bandwidth operasi diperlukan bandwidth operasi

puluhan sampai ratusan megahertz. Bandwidth operasi ini sesuai dengan

frekuensi tengah radar, yang menyebabkan bandwidth relatif (rasio

bandwidth terhadap frekuensi tengah) mendekati satu atau terkadang

lebih besar. Ini berarti GPR bersifat ultra wideband dan berbeda dengan

sistem radar konvensinal, yang beroperasi pada band frekuensi yang lebih

tinggi.

Antara kedalaman penetrasi dan resolusi harus selalu dilakukan,

penetrasi yang lebih dalam dapat dicapai dengan menggunakan frekuensi

44

yang lebih rendah namun dengan resolusi down-range yang lebih rendah

pula.

Kedua, tidak seperti sistem radar konvensional GPR beroperasi di

dekat permukaan tanah. Ini berakibat kekasaran dari permukaan tanah

dan ketidakhomogenan tanah dapat meningkatkan clutter. Dalam banyak

kasus penguna GPR dengan terpaksa harus melakukan image prosesing

tingkat lanjut untuk membedakan target dari clutter.

Ketiga, kebanyakan GPR merupakan sistem radar jarak dekat

(short-range). Pada kondisi ini target biasanya terletak di daerah medan

dekat atau medan menengah sehingga karakteristik medan dekat antena

menjadi sangat penting. Ini sangat berbeda dengan radar konvensional,

yang beroperasi pada medan jauh.

Impedansi input antena adalah kuantitas frekuensi domain yang

diukur, pertama untuk menghitung arus yang mengalir di lengan antena

pada feed poind dan kemudian membagi tegangan pada saat menghitung

arus, baik dalam domain frekuensi. Menghitung arus menggunakan

hukum ampere (Attela dkk, 2007).

Koefisien S21 merupakan kuantitas frekuensi domain yang

besarnya mengungkapkan jumlah penghubung antara antena pemancar

dan penerima. Koefisien ini didefinisikan sebagai rasio tegangan diukur

pada port antena penerima ke tegangan pada antena pemancar (Attela

dkk, 2007).

45

Pada system GPR antena pada umumnya diletakkan sangat dekat

dengan permukaan tanah. Hal ini menyebabkan karakteristik antena

sangat dipengaruhi oleh kodisi tanah. Karakteristik antena sangat mungkin

untuk bervariasi dengan adanya variasi tanah. Analisa teori dan numeric

menunjukkan bahwa pembebanan resistif meningkatkan kestabilan

impedansi input antena pada beberapa kondisi tanah yang berbeda

(Pramudita dkk, 2008).

Kedalaman pengukuran dapat disesuaikan dengan tujuan

kegiatannya yaitu dengan mengatur frekuensi gelombang radar yang

digunakan (www.geospasia.com). Contoh penggunaan frekuensi tertentu

untuk mencapai kedalaman tertentu adalah sebagai berikut :

Penggunaan frekuensi 1000 MHz, untuk kedalaman eksplorasi

maksimum hingga 0,2 – 0,4 m

Penggunaan frekuensi 900 MHz, untuk kedalaman eksplorasi

maksimum hingga 1,5 m

Penggunaan frekuensi 200 MHz untuk kedalaman eksplorasi

maksimum hingga 9 m

Penggunaan frekuensi 80 MHz - 16 MHz untuk kedalaman eksplorasi

antara 10 m hingga 30 m

46

E. Roadmap Penelitian

i. “Hexagonal Monopole strip Antenna with Rectangular Slot for

100-1000 MHz SFCW GPR Applications” A. Adya Pramudita, A.

Kurniawan, A. Bayu Suksmono; Internasional Journal of Antennas and

Propagasi, Vol 2008, Bandung, Indonesia, 2008.

Pada penelitian diatas dititik beratkan pada bentuk dan frekuensi

antena dengan rectangular slot pada frekuensi 100-1000 MHz untuk

Ground Penetrating Radar.

ii. “Analisa Teori dan Numerik Pengaruh Pembebanan Resistif

terhadap Kestabilan Impedansi Input Antena GPR di atas

Permukaan Tanah”, A. Adya Pramudita, A. Kurniawan , A. Bayu

Suksmono, A. Andaya Lestari; Jurnal Elektronika, Unika Atmajaya,

Jakarta, Indonesia, 2008.

Pada penelitian diatas dititik beratkan pada pengaruh pembebanan

resistif terhadap impedansi input antenna modified dipole yang dikaji

secara analisa teori dan analisa numerik. Analisa teori dan numerik

menunjukkan bahwa beban resistif yang diletakkan pada ujung

lengan-lengan modified dipole meningkatkan stabilitas impedansi input

antena pada kondisi tanah yang berbeda.

iii. “Wideband Partially-Covered Bowtie Antenna For Ground-

Penetrating-Radars” G.E. Attela and A.A.Shaalan Communications

and Electronics Department, Faculty of Engineering, Zagazig

University, Egypt, 2007.

47

Pada penelitian diatas dititik beratkan pada desain antena bowtie

untuk Ground Penetrating Radar terhadap tanah kering dan tanah

basah pada frekuensi 800 MHz.

iv. “The Use of Ground Penetrating Radar With a Frequency 1 GHz

to Detect Water Leaks From Pipelines”, Alaa Ezzat Hasan Turkey:

Sixteenth International Water Tecnology Conference. 2012.

Pada penelitian diatas dititik beratkan pada GPR dengan frekuensi

1GHz untuk mendeteksi kebocoran pada pipa air di dalam tanah. (Hasan,

2012).

Berdasarkan roadmap penelitian yang ada maka penulis

mengambil penelitian lebih dikhususkan kepada bagaimana mendesain

Antena Mikrostrip Triple Rectalinear yang optimal dapat digunakan pada

aplikasi GPR pada frekuensi 1 GHz sesuai dengan parameter dan

karakteristik yang diinginkan dengan menggunakan Software HFSS v13.

.

48

BAB III

METODE PENELITIAN

A. Metodologi

Metodologi perancangan antena mikrostrip untuk prototipe ini

secara umum mengikuti flowchart seperti pada gambar 22. Perancangan

dimulai dengan studi pustaka menggunakan beberapa literatur berupa

buku-buku teks dan jurnal internasional yang relevan dengan

permasalahan yang dikaji dan software yang digunakan. Langkah

berikutnya adalah menentukan nilai parameter-parameter yang ingin

didapatkan sesuai karakteristik antena GPR, yakni frekuensi kerja 1 GHz,

koefisien refleksi (S11) di bawah atau sama dengan -10 dB, dan VSWR

antara 1 - 2. Langkah selanjutnya adalah menentukan dimensi antena,

yakni menghitung dimensi patch, groundplane, tebal substrat, dan

penempatan feed point.

Langkah selanjutnya adalah simulasi dengan menggunakan

software Ansoft High Frequency Structural Simulator (HFSS) v13. Hasil

simulasi yang optimal selanjutnya dibuat dalam bentuk sebuah prototipe

sebagai bahan analisis untuk perbandingan antara simulasi

menggunakan software HFSS v13 dengan hasil pengujian prototipe.

Mengukur parameter S11, S21, VSWR, pola radiasi berdasarkan

karakteristik prototipe yang telah dibuat serta menganalisis karakteristik

49

antena. Melakukan pengukuran S21 perambatan gelombang terhadap

permitifitas (εr) pada tanah kering (εr=2,9), tanah basah (εr=8,1) dan

air(εr=80). Tahapan akhir yang dilakukan adalah membuat kesimpulan

mengenai hasil yang dicapai pada penelitian. Alur kerja perancangan

yang dilakukan dalam proses pembuatan antena mikrostrip untuk aplikasi

GPR ini dapat dilihat pada flow chart.

Gambar 22 Diagram Alir Penelitian

50

B. Waktu dan Lokasi Penelitan

Penelitian dilaksanakan selama bulan Februari 2013 sampai

dengan bulan Juni 2013 bertempat di Laboratorium Telematika Jurusan

Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin.

C. Tahapan Penelitian

1. Penentuan spesifikasi dan dimensi desain antena Triple Rectilinear

Parameter penting dalam merancang Triple Rectilinear antenna

adalah sebagai berikut:

1. Frekuensi operasi (fo) : Frekuensi operasi yaitu antara 1 GHz untuk

aplikasi Ground Penetrating Radar.

2. Permitivitas relative (εr) : Bahan dielektrik yang digunakan adalah

FR4-Epoxy dengan εr sebesar 4,4. Sedangkan untuk patch dan

groundplane menggunakan Perfect Electric Conduktor (PEC)

dengan εr = 1

3. Tebal substrak dielektrik (h) : Bahan yang digunakan memiliki

ketebalan 1,6 mm.

4. Impedansi : Impedansi yang digunakan dalam perancangan Triple

Rectilinear antenna ini adalah 50 ohm.

51

5. Dimensi patch (W, L) : Patch dibentuk dari beberapa patch yang di

unite dan di substract. Kemudian dilakukan langkah modifikasi

untuk mendapatkan hasil yang optimal.

6. Metode atau teknik feeding menggunakan coaxial probe feed.

2. Menentukan tebal subtrat maksimum

Untuk jalur yang beroperasi pada frekuensi tengah (fc), maka

ketebalan (h) maksimum dapat dihitung secara matematis. Dengan

menentukan frekuensi 1 GHz, dapat menentukan nilai h maksimum sesuai

perhitungan berdasarkan Persamaan (2.21) :

0,3

2 √4,4

0,3 3. 10

2 3,14 1 10 √4,4

6.514

Nilai h (ketebalan substrat) maksimum adalah 6,514 mm. Penelitian

ini menggunakan substrat jenis FR-4 Epoxy dengan h sebesar 1,6 mm.

Maka nilai ini sesuai dengan syarat substrat tersebut dapat digunakan

sebagai bahan penyusun antena, seperti ditunjukkan ilustrasinya pada

gambar 23 di bawah ini.

Gambar 23. Tebal substrat h

52

3. Menentukan dimensi (ukuran) patch

Berdasarkan rumus perhitungan (2.23) dan (2.26), diperoleh ukuran

panjang patch (L) dan lebar (W). Nilai f (frekuensi resonansi) yang

diinginkan sebesar 1 GHz, kecepatan gelombang elektromagnet di udara

c senilai 3 x 108 m/s, dan konstanta dielektrik Ɛr sebesar 4.4, didapatkan

nilai a sesuai perhitungan :

a. Panjang antena mikrostrip (L):

2

2 √2

Dengan panjang efektif )

2 √

3 10

2 1 10 √4,4

71,51

Panjang tambahan ( :

0,412 ,

,

0,28

Panjang antena mikrostrip sebenarnya :

2

70,94

53

b. Lebar antena mickrostrip

2 12

3 10

2 1 10 4,4 12

111,111

c. Luas antena :

70,94mm 111,11

7882,469

d. Panjang Sisi antena triple rectilinear didapatkan :

,

,

,

56,151

4. Menentukan Dimensi (ukuran) Ground plane

Sesuai dengan persamaan (2.27) dan (2.28), nilai Wg dan Lg di

daptakn sesuai perhitungan :

6

6 1,6 111,11 120,71

6

6 1,6 70,94 80,54

54

5. Menentukan Titik Letak Coaxial Feed

Sesuai dengan persamaan (2.29) dan (2.30), peletakan posisi coaxial

feed didapat sesuai perhitungan :

2

46,692

23,345 sepanjang W

Permitivitas relative efektif :

1

21

2 1

12 /

4,27

2

36,265

2√4,131

16,61 sepanjang L

Ilustrasi posisi feed point dapat dilihat pada gambar 3.4 berikut ini :

55

Gambar 24. Dimensi awal ukuran antena mikrostrip triple rectilinear

6. Optimasi rancangan antena mikrostrip triple rectilinear

Perancangan antana mikrostrip menggunakan software Ansoft

HFSS v13 bertujuan mendapatkan desain antena yang memiliki nilai

standar untuk diaplikasikan pada Ground Penetrating Radar (GPR). Nilai

standar ini adalah :

Frekuensi tengah : Frekuensi yang berada pada 1 GHz.

VSWR : Antara 1 - 2

Koefisien Refleksi : ≤ 10 dB

Berdasarkan perancangan yang dilakukan pada desain sesuai

perhitungan menggunakan rumus pada persamaan (2.21) sampai (2.30),

dihasilkan nilai-nilai dimensi antena mikrostrip yang tertera pada Tabel 3.

berikut ini.

56

Tabel 3. Desain awal dimensi fisik antena mikrostrip triple rectilinear

No. Bagian Dimensi Ukuran (mm)

1 h (height) substrat 1.6

2 Wtrc (sisi lebar ) patch 56,151

3 Ltrc ( sisi panjang) patch 56,151

4 Wg (width) groundplane 120,71

5 Lg (length) groundplane 80,54

6 d (diameter) feed point hole 1.27

7 Xf (Letak coaxial Feed 16,61

Data pada tabel 3. dimasukkan ke dalam rancangan desain antena

menggunakan software Ansoft HFSS v13. Desain tersebut kemudian

disimulasikan untuk mengetahui nilai frekuensi tengah, bandwidth,

koefisien refleksi dan VSWR.

Hasil yang diperoleh berdasarkan simulasi menunjukkan bahwa

nilai frekuensi tengah belum memenuhi kriteria, yakni berada pada 1,416

GHz. Nilai return loss sudah memenuhi kriteria, yakni bernilai -16,785 dB.

Begitu pula dengan nilai VSWR bernilai 1,338.

Karena hasil simulasi rancangan berdasarkan rumus belum

memenuhi nilai standar, maka perlu dilakukan optimasi untuk memperbaiki

desain sesuai karakteristik antena mikrostrip yang diinginkan. Optimasi

dilakukan dengan memodifikasi dimensi groundplane, patch, dan

peletakan feed point secara trial and error sampai diperoleh rancangan

desain yang sesuai nilai standar. Hasil simulasi yang memenuhi standar

kemudian dibuat prototipe untuk diuji.

57

Hasil pengujian prototipe yang nilainya paling mendekati standar

kemudian dibandingkan dengan hasil simulasinya menggunakan software

Ansoft HFSS v13. Berikut ini adalah tabel hasil optimasi desain yang

pengukurannya paling mendekati standar antena mikrostrip untuk aplikasi

Radar altimeter.

Tabel 4. Dimensi fisik antena mikrostrip triple rectilinear yang hasil pengukurannya paling mendekati standar

No. Bagian Dimensi Ukuran (mm)

1 h (height) substrat 1.6

2 Wtrc (sisi lebar ) patch 48,5

3 LMAX patch 113

4 Wg (width) groundplane 120,54

5 Lg (length) groundplane 120,71

6 d (diameter) feed point hole 1.27

7 Xf (Letak coaxial Feed 16,61

Untuk lebih jelasnya, bentuk desain hasil optimasi pada Tabel 4 di

atas secara simulasi dapat dilihat pada gambar 25 berikut ini.

58

Gambar 25. Desain optimasi antena mikrostrip triple rectilinear

D. Alat Dan Bahan

Adapun Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini

diantaranya :

1. Printed Circuit Board (PCB) dual Layer

2. SMA Connector

3. Vektor Network Analyzer E5017C

4. Antenna Trainer ED-3200

5. Soldering Tools

6. Ferrite Choride

7. Software Ansoft HFSS v13

8. Software AutoCAD 2010

59

E. Perancangan Prototipe Antena Mikrostrip Triple Rectilinear

Software yang digunakan dalam perancangan layout prototipe

antena mikrostrip ini adalah AutoCAD 2010. Adapun gambar layout

antena mikrostrip seperti terlihat pada Gambar 26.

(a) (b)

Gambar 26. Layout antena mikrostrip triple rectilinear AutoCAD 2010 (a) Layer bagian atas (b) Layer bagian bawah

Berdasarkan hasil perancangan pada software Ansoft HFSS v13,

maka dibuat prototipe antena mikrostrip. Beberapa hal yang perlu

diperhatikan pada perancangan prototipe ini adalah :

1. Bahan dan alat yang digunakan untuk proses pembuatan prototipe

meliputi PCB FR4-Epoxy double layer, tinta sablon, software AutoCAD

2010, SMA Connector 50 ohm, timah, Ferrite Chloride / pelarut PCB,

alat bor pcb, ampelas halus, dan solder.

2. Desain yang diperoleh berdasarkan hasil perancangan pada software

Ansoft HFSS v13 selanjutnya dibuat layout pada Printed circuit board

(PCB) untuk membangun prototipe. Adapun tahap-tahap yang

dilakukan adalah sebagai berikut :

60

a. Membuat model prototipe sesuai desain yang telah dibuat pada

HFSS v13 menggunakan software AutoCAD 2010.

b. Men-sablon PCB sesuai model yang telah dibuat dengan

menggunakan software AutoCAD 2010.

c. Mengeringkan PCB yang telah di sablon.

d. Setelah hasil sablon didapatkan, maka dilakukan tahap pembuatan

prototipe.

e. Tahap pertama yakni dengan melarutkan Ferrite Chloride dengan

menggunakan air panas dalam suatu wadah.

f. Kemudian merendam desain yang telah tersablon dalam larutan

tersebut selama ± 15 menit hingga daerah yang tidak tersablon

terangkat.

g. Mengangkat PCB dari larutan kemudian mencucinya dengan air

hangat. Selanjutnya, menggosok bagian PCB yang tersablon

dengan menggunakan ampelas halus.

h. Melubangi feed pada bagian yang telah ditentukan untuk masukan

SMA Connector dengan menggunakan bor berdiameter 1 mm.

i. Memasukkan SMA Connector pada lubang yang telah dibuat pada

PCB, kemudian menyolder bagian atas dan bawah PCB untuk

dilekatkan dengan SMA Connector. Hasilnya seperti pada Gambar

3.7 berikut :

61

(a) (b)

Gambar 27. Prototipe antena mikrostrip triple rectilinear (a) Layer bagian atas (b) Layer bagian bawah

F. Teknik Pengukuran Prototipe Antena Triple Rectilinear

Pengukuran prototipe antena dilakukan setelah terlebih dahulu

prototipe antena tersebut dirancang dan dibuat dalam bentuk jadi. Tujuan

dari pengukuran ini adalah untuk mengetahui keberhasilan dari

perancangan dan pembuatan antena mikrostrip untuk aplikasi Ground

Penetrating Radar (GPR). Pada pengukuran antena ini meliputi

pengukuran port tunggal (pengujian koefisien refleksi (S11) dan Voltage

Standing Wave Ratio (VSWR), serta pengukuran port ganda (pola radiasi).

Pengukuran dilakukan bukan di dalam ruangan yang bebas interferensi

(anechoic chamber) sehingga pengaruh interferensi tidak dapat dihindari

pada saat melakukan pengujian kinerja prototipe. Pengukuran prototipe

antena mikrostrip menggunakan bantuan Antena Trainner System ED-

62

3200 dan Network Analyzer Agilent 5017C. Pengukuran ini dilakukan di

dalam ruangan Laboratorium Telematika Jurusan Teknik Elektro

Universitas Hasanuddin Makassar.

1. Pengukuran Port Tunggal

Pengukuran ini meliputi pengujian koefisien refleksi (S11) dan

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR). Pengukuran parameter-paramater

tersebut menggunakan alat ukur Network Analyzer Agilent 5017C.

Adapun prosedur pengukuran adalah sebagai berikut.

a. Pasang probe 50 ohm pada port 1 network analyzer. Kemudian

melakukan prosedur kalibrasi network analyzer untuk keadaan open

circuit, short circuit, dan load.

Gambar 28. Network analyzer 5017C.

b. Setelah kalibrasi selesai dilakukan, hubungkan konektor antena ke

konektor port network analyzer. Konfigurasi dapat dilihat pada gambar

29.

63

Gambar 29. Konfigurasi pengukuran antena pada Network Analyzer

c. Network Analyzer ini mampu menampilkan rentang frekuensi antara

100 KHz sampai dengan 8.5 GHz. Untuk menampilkan rentang

frekuensi sebagai pengamatan, tekan tombol start dan stop pada

network analyzer.

d. Tampilkan parameter-parameter yang akan dilihat pada network

analyzer dengan memilih tanda S11 untuk mengukur koefisien refleksi

dan VSWR untuk mengukur nilai VSWR.

2. Pengukuran Port Ganda

Pengukuran ini meliputi pengujian pola radiasi (S21) frekuensi antena

yang telah dibuat. Pengukuran parameter-paramater tersebut

menggunakan alat ukur Network Analyzer Agilent 5017C dan Antena

Trainer System ED-3200.

64

Gambar 30. Antenna Trainer System ED-3200

Pada pengukuran pola radiasi ini, dibutuhkan dua buah antena

yang memiliki frekuensi kerja yang sama. Satu antena digunakan sebagai

pengirim, dan satu antena sebagai penerima. Adapun prosedur

pengukuran adalah sebagai berikut.

a. Melakukan kalibrasi Network Analyzer terlebih dahulu.

b. Melakukan konfigurasi pengukuran port ganda seperti pada gambar

berikut.

Gambar 31. Konfigurasi pengukuran port ganda

65

c. Antena Tx yang digunakan berjenis antena Pyramidal Horn.

d. Kedua buah antena dipisahkan dengan jarak sejauh R. Jarak pisah ini

memenuhi syarat dimana antena bekerja pada medan jauhnya (far

field). Agar dapat bekerja pada medan jauhnya, dibutuhkan jarak

pisah minimum (r min). Yang besarnya dapat dihitung sesuai

persamaan 2.4 :

2Dλ

Dimana :

d = jarak minimum pemancar dan penerima (cm)

D = dimensi terbesar dari antena (cm)

λ = panjang gelombang (cm)

Dimensi terbesar antena yang akan diukur adalah 0,12 m.

Pengukuran pola radiasi dilakukan pada frekuensi 1 GHz dengan

panjang gelombang sebesar 0.3 m didapat d sebesar 9,6 cm. Untuk

mencakup kedua jarak minimum d, ditentukan jarak pisah antara

kedua antena adalah 100 cm.

e. Langkah berikutnya adalah memilih mode pengukuran S21 pada

network analyzer. Pola radiasi diukur secara elevasi dan azimuthal

yang merepresentasikan bidang E dan bidang H yang saling tegak

lurus sehingga mendapatkan bentuk radiasi dalam ruang. Untuk

pengukuran pola radiasi antena secara elevasi, maka antena

mikrostrip ini diposisikan secara tegak atau vertikal. Kemudian diputar

melalui main controller ED-3200 dengan posisi sudut sejauh 0 sampai

66

dengan 360 derajat dengan interval 5 derajat. Sedangkan untuk

mengukur pola radiasi secara azimuthal, maka antena diposisikan

secara horizontal, kemudian diputar melalui main controller ED-3200

dengan posisi sudut sejauh 0 sampai dengan 360 derajat dengan

interval 5 derajat.

f. Data hasil pengukuran kemudian diolah menggunakan Microsoft Excel

2010 yang selanjutkan dibuat grafik pola radiasi melalui Ansoft HFSS

v13.

3. Pengukuran perbandingan level sinyal (dB) berdasarkan kedalaman tanah pada frekuensi 1 Ghz.

Pengukuran ini meliputi pengujian (S21) frekuensi dari prototipe

antena yang telah dibuat. Pengukuran parameter-paramater tersebut

menggunakan alat ukur Network Analyzer Agilent 5017C.

Gambar 32. Konfigurasi pengukuran perbandingan level sinyal (dB) berdasarkan kedalaman tanah pada frekuensi 1 Ghz.

67

4. Pengukuran perbandingan level sinyal (dB) berdasarkan kedalaman air pada frekuensi 1 Ghz.

Pengukuran ini meliputi pengujian (S21) frekuensi dari prototipe

antena yang telah dibuat. Pengukuran parameter-paramater tersebut

menggunakan alat ukur Network Analyzer Agilent 5017C.

Gambar 33. Konfigurasi pengukuran perbandingan level sinyal (dB) berdasarkan kedalaman air pada frekuensi 1 Ghz.

68

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Pengukuran Port Tunggal

Pengukuran ini meliputi pengujian koefisien refleksi (S11) dan

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR). Pengukuran parameter-paramater

tersebut menggunakan alat ukur Network Analyzer Agilent 5017C.

Prosedur pengukuran telah dijelaskan pada Bab 3 Subbab Teknik

Pengukuran Prototipe Antena.

1. Koefisien refleksi (S11)

Dengan mengacu pada desain yang telah dirancang dengan

menggunakan software HFSS v13, didapatkan hasil simulasi untuk

parameter koefisien (S11) seperti terlihat pada gambar berikut.

Gambar 34. Koefisien refleksi (S11) perancangan antena mikrostrip triple rectilinear

69

Pada gambar 34. yang merupakan hasil simulasi dari perancangan

akhir mikrostrip triple rectilinier 1 GHz dapat dilihat koefisien refleksi (S11)

yang merupakan representasi dari lebar pita yang dihasilkan telah

mencapai hasil yang diharapkan dengan penunjukan koefisien resonansi

tepat pada 1 GHz dengan return loss sebesar -24,124 dB dan pita

frekuensi dari 0,988 hingga 1,019 GHz. Dengan acuan -10 dB, dapat

diperoleh lebar pita dari perancangan antena berdasarkan persamaan

1019 988 31

Berdasarkan persamaan 2.8, maka microstrip triple rectilinear

antenna dikategorikan sebagai antena narrowband dengan

53

√1019 988100% 5,282%

Berikut ini merupakan hasil pengukuran parameter koefisien refleksi

(S11) prototipe antena mikrostrip triple rectilinier.

Gambar 35. Koefisien refleksi (S11) hasil pengukuran antena mikrostrip

70

Berdasarkan persamaan 2.8, maka lebar pita yang diperoleh

dengan acuan -10 dB pada frekuensi 1,029 nilai return loss sebesar -

23,768 dB, dapat diperoleh lebar pita dari pengukuran antena berdasarkan

persamaan :

1041 1010 31

31

√1041 1010100% 3,023%

Pada frekuensi 1,218 GHz nilai return loss sebesar -21,348 dB,

dapat diperoleh lebar pita dari pengukuran antena berdasarkan

persamaan :

1228 1206 22

22

√1228 1206100% 1,807%

Perbandingan hasil simulasi dan hasil pengukuran koefisien refleksi

(S11) dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 36 Perbandingan hasil pengukuran dan hasil simulasi koefisien refleksi (S11)

71

Gambar 36. terlihat bahwa pada hasil simulasi nilai koefisien

refleksi dari antena mikrostrip ini bernilai sebesar -24,124 dB pada

frekuensi 1 GHz (range frekuensi 0,98 GHz – 1,01 GHz). Pada hasil

pengukuran nilai koefisien refleksi dari antena mikrostrip ini bernilai

sebesar -23,768 dB pada frekuensi 1,029 GHz (range frekuensi 1,01 GHz

– 1,041 GHz). Hal ini sudah sangat baik karena melebihi acuan standar

koefisien refleksi, yaitu lebih rendah atau sama dengan -10 dB.

2. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

Dengan mengacu pada desain yang telah dirancang dengan

menggunakan software HFSS v13, didapatkan hasil simulasi untuk

parameter Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) seperti terlihat pada

gambar berikut.

Gambar 37. VSWR hasil simulasi mikrostrip antena triple rectilinear

72

VSWR yang diperhatikan pada Gambar 37. telah memberikan nilai

ideal (VSWR < 2 dB) yakni sebesar 1,15. Dengan nilai VSWR ini antena

dapat beroperasi efisiensi , karena terjadi perpindahan maksimum daya

antara antena pemancar dan antena penerima.

Berikut ini merupakan hasil pengukuran parameter VSWR

prototipe antena mikrostrip triple rectilinier.

Gambar 38. VSWR hasil pengukuran antena mikrostrip triple rectilinear

Gambar 38. terlihat bahwa nilai VSWR dari antena mikrostrip ini

bernilai sebesar 2,607 dB pada frekuensi 1 GHz. Hal ini disebabkan

karena terjadi persegeseran frekuensi pada saat pengukuran. Berikut ini

gambar hasil perbandingan hasil simulasi dan hasil pengukuran VSWR.

73

Gambar 39. Perbandingan hasil pengukuran dan hasil simulasi VSWR

Gambar 39. terlihat bahwa pada hasil simulasi nilai VSWR antena

mikrostrip ini bernilai sebesar 1,132 pada frekuensi 1 GHz dan 1,436 pada

frekuensi 1,185 GHz. Pada hasil pengukuran terjadi pergeseran dengan

nilai VSWR 1,210 pada frekuensi 1,029 GHz dan 1,218 GHz. Hal ini sudah

sangat baik karena melebihi acuan standar VSWR yaitu < 2.

Tabel 5. Perbandingan hasil simulasi dengan pengukuran koefisien refleksi (S11)

Simulasi Pengukuran

Frekuensi

Tengah

(GHz)

1 1,185 1,029 1,218

return loss

(dB) -24,124 -14,937 -23,768 -21,348

Bandwidth

(GHz)

0,988 –

1,019

(0,031)

1,178 –

1,203

(0.025)

1,010 –

1,041

(0,031)

1,206 –

1,228

(0,022)

VSWR 1,132 1,436 1,21 1,21

74

Tabel 5. merupakan perbandingan hasil simulasi dan hasil

pengukuran dari S11. Perbandingan hasil simulasi dan pengukuran pada

1 GHz memiliki lebar pita yang sama. Selain itu frekuensi resonansi dari

hasil pengukuran hanya bergeser sedikit dari hasil simulasi tetapi masih

berada pada inginkan.

3. Axial Ratio (AR)

Dengan mengacu pada desain yang telah dirancang dengan

menggunakan software HFSS v13, didapatkan hasil simulasi untuk

parameter Axial Ratio seperti terlihat pada gambar berikut.

Gambar 40. Axial Ratio antena Mikrostrip Triple Rectilinear 1 GHz

Seperti yang terlihat pada gambar 40. dimana pada simulasi

didapatkan nilai dari Axial Ratio pada frekuensi 1 GHz sebesar 45,71 dB.

Dimana nilai tersebut menunjukkan bahwa antena ini mempunyai

polarisasi berbentuk linier.

75

Berikut ini merupakan hasil simulasi perbandingan parameter

VSWR, Koefisien Refleksi (S11), Axial Ratio prototipe antena mikrostrip

triple rectilinier.

Gambar 41. Perbandingan VSWR, S11, Axial Ratio antena mikrostrip Triple Rectilinear

Gambar 41. terlihat bahwa nilai Axial Ratio 45,711 pada frekuensi 1

GHz nilai return loss –24,124 dengan VSWR bernilai sebesar 1,132

menunjukkan bahwa pada frekuensi 1 GHz polarisasi linier. Polarisasi

circular berada pada frekuensi 2,838 GHz nilai return loss -9,844 dengan

nilai Axial Ratio 4,978 dB, nilai VSWR 1,949.

76

4. Penentuan kelayakan prototipe antena untuk aplikasi Ground Penetrating Radar (GPR)

Untuk mengetahui apakah prototipe antena mikrostrip yang dibuat

layak atau tidak untuk diaplikasikan pada teknologi Ground Penetrating

Radar (GPR) , maka harus diketahui batasan standar nilai parameter yang

terdiri dari batas bandwidth frekuensi, koefisien refleksi, dan VSWR.

Untuk batas bandwidth, GPR 1 GHz sampai dengan 2 GHz. Untuk

batas koefisien refleksi senilai ≤ -10 dB. Sedangkan batas nilai VSWR

adalah antara 1 - 2.

Tabel 9 berikut ini adalah tabel penentuan kelayakan prototipe

antena mikrostrip untuk diaplikasikan pada Ground Penetrating Radar

Tabel 6. Penentuan kelayakan prototipe untuk aplikasi GPR

Parameter Pengukuran Standar

radar

Layak /

Tidak

Koefisien

refleksi 1,029 GHz

1,218

GHz 1 - 2 GHz Layak

Return Loss -23,768 dB -21,348

dB ≤ -10 dB Layak

VSWR 1,210 1,210 1 – 2 Layak

Berdasarkan tabel 9 di atas, dapat diketahui bahwa parameter

batas bandwidth, kofisien refleksi, dan VSWR hasil pengukuran prototipe

antena mikrostrip menunjukkan bahwa prototipe tersebut telah memenuhi

standar untuk diaplikasikan pada teknologi Ground Penetrating Radar.

77

B. Pengukuran Port Ganda

1. Pola Radiasi dan Gain

Berikut ini pada gambar 42 menunjukkan pola radiasi dua dimensi

dari antena mikrostrip triple rectilinier pada frekuensi 1 GHz secara

elevation pattern dan azimuthal pattern.

(a)

(b)

Gambar 42. Pola radiasi dua dimensi untuk antena mikrostrip triple rectilinear pada frequency 1 GHz

(a) Elevation pattern (b) Azimuthal pattern

78

Pada pola radiasi elevation pattern atau pola radiasi yang terbentuk

pada medan listrik atau electric field (E) ditunjukkan pada gambar 41.(a),

dimana bentuk yang didapat merupakan representasi pola radiasi elevasi

berdasarkan sudut 360 derajat. Nilai yang terukur secara simulasi ini

adalah gain dalam satuan decibel (dB). Pada gambar 43 berikut ini

merupakan tampilan gain elevasi frekuensi 1 GHz.

Gambar 43. Fungsi Gain (dB) terhadap sudut elevasi (derajat) frekuensi 1 GHz

Berdasar gambar 43 nilai puncaknya sebesar 1,104 dB pada sudut

0 derajat di bagian main lobe nya. Sedangkan bernilai paling minimum di

sudut 135 derajat dan 225 derajat dengan nilai -12,347 dB.

Pada gambar 42. (b), pola radiasi terbentuk pada medan magnetik

atau magnetic field (H). Pola radiasi azimuthal berdasar sudut 0 sampai

79

dengan 360 derajat. Gambar di bawah ini merupakan representasi

besarnya gain azimuthal terhadap sudut 0 sampai dengan 360 derajat.

Gambar 44. Fungsi Gain (dB) terhadap sudut azimuth (derajat) frekuensi 1 GHz

Sesuai gambar 44. nilai gain maksimum bernilai 1.104 dB. Secara

umum dari hasil simulasi ini, besarnya gain di hampir seluruh radial dalam

azimuth tidak bervariasi.

Gambar 45. memperlihatkan pola radiasi tiga dimensi frekuensi 1

GHz dengan tampilan tampak atas, tampak samping, dan tampak depan.

80

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 45. Pola radiasi tiga dimensi untuk antena mikrostrip triple rectilinear pada frequency 1 GHz (a) tampak 3D (b) tampak atas

(c) tampak samping (d) tampak depan

81

Gambar 45. memperlihatkan bahwa antena mikrostrip untuk

Aplikasi Ground Penetrating Radar pada frekuensi 1 GHz merupakan

antena direksional. Warna yang bervariasi tersebut merepresentasikan

kekuatan sinyal (signal strengh). Kekuatan sinyal paling lemah

diindikasikan dengan warna biru, kemudian naik ke warna hijau, kuning,

dan yang paling kuat adalah merah.

2. Analisis hasil simulasi dan hasil pengukuran pola radiasi dan gain pada frekuensi 1 di bidang elevasi

Berikut ini adalah gambar hasil simulasi dan hasil pengukuran pola

radiasi elevasi pada frekuensi 1 GHz.

Gambar 46. Perbandingan pola radiasi elevasi hasil simulasi dan hasil pengukuran pada frekuensi 1 GHz

Berdasarkan gambar 46 di atas, hasil pengukuran pola radiasi

elevasi prototipe antena mikrostrip triple rectilinear pada frekuensi 1 GHz

berbeda cukup signifikan dibandingkan dengan hasil simulasi. Dimana

82

gain pada hasil pengukuran sesuai pola radiasi ini bervariasi pada tiap

radial. Gain maksimum mencapai 2 dB pada radial sudut 0 derajat.

Sedangkan pada hasil simulasi gain maksimumnya sebesar 1,104 dB

pada radial sudut 0 derajat. Berikut ini gambar perbandingan gain elevasi

hasil pengukuran dan hasil simulasi pada frekuensi 1 GHz.

Gambar 47. Perbandingan gain elevasi hasil simulasi dan hasil pengukuran pada frekuensi 1 GHz

Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa hasil pengukuran gain

elevasi pada frekuensi 1 GHz ini memiliki nilai yang cukup bervariasi dan

lebih besar dibandingkan terhadap hasil simulasi. Pengukuran yang

dilakukan di ruang echoic chamber atau ruangan yang tidak memiliki

kemampuan menyerap gelombang elektromagnetik frekuensi tertentu

kemungkinan besar sangat mempengaruhi gain dari hasil pengukuran.

83

Sedangkan simulasi pemetaan pola radiasi dilakukan pada kondisi udara

yang sangat ideal tanpa adanya pengaruh atau interferensi dari

gelombang lain.

3. Analisis hasil simulasi dan hasil pengukuran pola radiasi dan gain pada frekuensi 1 pada bidang azimuth

Berikut ini adalah gambar hasil simulasi dan hasil pengukuran pola

radiasi azimuthal pada frekuensi 1 GHz.

Gambar 48. Perbandingan pola radiasi azimuthal hasil simulasi dan hasil pengukuran pada frekuensi 1 GHz

Dari gambar 48, hasil simulasi pola radiasi azimuthal ini memiliki

bentuk atau pola yang hampir merata di seluruh radial atau sudut dalam

360 derajat. Sedangkan pada hasil pengukuran, didapatkan pola radiasi

yang besaran gainnya lebih bervariasi di radial sudut tertentu. Perbedaan

84

yang lain yakni cukup besar perbedaan nilai gain yang didapatkan antara

hasil simulasi dan hasil pengukuran.

Gambar 49. Perbandingan gain azimuthal hasil simulasi dan hasil pengukuran pada frekuensi 1 GHz

Sesuai gambar 49. besaran nilai gain azimuthal di seluruh radial

pada hasil pengukuran cukup bervariasi. Nilai gain maksimum berada

pada sudut 110 derajat, yakni sebesar 1,29 dB. Sedangkan pada hasil

simulasi gain maksimal sebesar 1,104 dB.

85

4. Pengukuran perbandingan level sinyal (dB) berdasarkan jarak ketinggian pemacar (Transmiter) dan penerima (Receiver) pada frekuensi 1 Ghz Aplikasi GPR.

Pengukuran ini meliputi pengujian pola radiasi (S21) frekuensi dari

prototipe antena yang telah dibuat. Pengukuran parameter-paramater

tersebut menggunakan alat ukur Network Analyzer Agilent 5017C.

Gambar 50. Pengukuran S21 pada frekuensi 1 GHz

Gambar 51. Pengukuran S21 terhadap tanah pada frekuensi 1 GHz

86

Gambar 52. Pengukuran S21 terhadap air tinggi 30 Cm frekuensi 1 GHz

87

Tabel 7. Hasil pengukuran perbandingan level sinyal (dB) berdasarkan kedalaman tanah dan air pada frekuensi 1 Ghz.

Jarak

(Cm)

Pengukuran S21 Kedalaman tanah 1 - 30 Cm Kedalaman air 1- 30

Cm

S21 (dB) Tanah Kering (εr = 2,9) Tanah Basah (εr = 8,1) Air (εr = 80)

1 -15,601 -22,445 -29,289 -60,439

2 -16,801 -28,389 -33,000 -60,839

3 -21,824 -29,201 -33,640 -61,189

4 -24,252 -31,021 -34,417 -61,439

5 -28,335 -31,376 -34,917 -63,261

6 -30,012 -32,506 -35,867 -65,083

7 -31,544 -33,092 -36,578 -66,569

8 -31,985 -34,926 -37,790 -68,675

9 -34,352 -35,997 -38,551 -69,435

10 -35,904 -36,236 -39,495 -70,243

11 -36,179 -37,365 -39,955 -70,746

12 -36.527 -38,241 -40,082 -71,061

13 -37,411 -38,453 -40.298 -72,000

14 -37,860 -38,971 -41,107 -72,365

15 -37,902 -39,780 -42,216 -72,720

16 -38,327 -40,889 -43,325 -73,029

17 -38,736 -41,198 -43,544 -73,538

18 -39,135 -41,597 -43,853 -73,837

19 -39,715 -41,977 -44,143 -74,149

20 -40,490 -42,352 -44,428 -74,424

21 -40,854 -42,716 -44,702 -74,688

22 -41,212 -43,074 -44,970 -74,946

23 -41,547 -43,074 -44,115 -75,081

24 -41,873 -43,535 -45,251 -75,207

25 -42,178 -43,740 -45,366 -75,312

26 -42,471 -43,933 -45,469 -75,405

27 -42,755 -44,117 -45,563 -75,489

28 -43,133 -44,295 -45,651 -75,567

29 -43,398 -44,460 -45,726 -75,632

30 -43,648 -44,610 -45,786 -76,001

88

Gambar 53. Grafik perbandingan hasil pengukuran S21, pengukuran S21 terhadap tanah kering, terhadap tanah basah dan terhadap air.

Penggunaan GPR untuk meneliti objek-objek yang terbuat dari

logam atau bahan yang mengandung logam (metalik) menggunakan

frekuensi antenna sebesar 1 GHz. Frekuensi ini tergolong tinggi sehingga

memberikan resolusi yang tinggi pula, tetapi kedalaman penetrasinya

terbatas. Untuk frekuensi observasi 1 GHz, objek metallic yang mampu

diidentifikasi dengan baik berkedalaman hanya 20 cm hingga 40 cm

(www.geospasia.com).

Selisih antara gain maksimal dan minimal pada :

1. Pengukuran S21 = - 43,448 – (- 15,601) = 27,847 dB

2. Tanah kering S21 = - 44,610 – (- 22,445) = 22,165 dB

3. Tanah basah S21 = - 45,786 – (- 29,289) = 16,497 dB

4. S21 terhadap air = - 76,001 – (- 60,439) = 15,562 dB

89

Persamaan kecepatan rambatan gelombang pada tanah :

√

Tabel 8. Perbandingan perambatan gelombang pada tanah 0,1 m

a. Tanah Kering (εr = 2,9)

b. Tanah Basah (εr = 8,1) c. Air (εr = 80)

√

299792458

√2,9

176044193 / 1,76 10 /

Delay pada Ground Penetrating Radar pada jarak 0,1 m :

2

2 0,1

176044193

0,000000001136s 1,136x10 s

√

299792458

√8,1

105336333 / 1,05 10 /

Delay pada Ground Penetrating Radar pada jarak 0,1 m :

2

2 0,1

105336333

0,000000001899 1,899 x 10 s

√

299792458

√80

33517816 / 3,351 10 /

Delay pada Ground Penetrating Radar pada jarak 0,1 m :

2

2 0,1

33517816

0,0000000059670 5,967x10 s

90

Gambar 54. Grafik perbandingan delay perambatan gelombang pada

tanah terhadap jarak kedalaman tanah pada tanah kering dan tanah basah.

Pada tanah kering perambatan gelombang lebih cepat dari pada

tanah basah hal ini disebabkan karena permitivitas pada tanah kering

lebih kecil dari pada tanah basah.

91

Tabel 9. Perbandingan antena mikrostrip Bowtie dan antena mikrostrip Triple Rectilinear

No Parameter

Antena

Antena mikrostrip

Bowtie

Antena mikrostrip

Triple Rectilinear

1. S11 800 MHz

Fungsi untuk

mendeteksi benda

yang terkubur dalam

tanah.

Resolusi rendah

untuk kedalaman

eksplorasi maksimum

hingga 1,5 m

1 GHz

Fungsi untuk mendeteksi

benda yang terkubur dalam

tanah. Biasa digunakan

untuk mendeteksi logam

kemampuan identifikasi 20

Cm – 40 Cm. Kelebihan

resolusi tinggi, tetapi

kedalaman penetrasinya

terbatas.

2. Frekuensi 800 MHz 1,029 GHz ; 1,218 GHz,

2,514 GHz ; 2,905 GHz

3. Return

Loss

- -23,768 dB ; 21,348 dB

-14.771 dB ; -17.744 dB

4. VSWR 1,3 1,210

5. Pengujian Pengujian respon

frekuensi impedansi

antena dan VSWR

terhadap impedansi

sumber 300 Ω

terhadap tanah

kering dan tanah

basah

Pengujian S21, perambatan

gelombang terhadap tanah

kering, tanah basah dan air

pada jarak 1 – 30 Cm.

92

BAB V

PENUTUP

A. Kesimpulan

Berdasarkan hasil perancangan dan analisa hasil simulasi antena

mikrostrip dengan menggunakan Software Ansoft High Frequency

Structural Simulator (HFSS) v 13, dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Hasil simulasi nilai koefisien refleksi (S11) pada frekuensi 1 GHz nilai

return loss sebesar -24,124 dB dan bandwidth sebesar 31 MHz

dengan nilai VSWR sebesar 1,132. Pada frekuensi 1,185 GHz nilai

return loss sebesar -14,937 dB dan bandwidth sebesar 25 MHz

dengan nilai VSWR sebesar 1,436. Nilai axial ratio sebesar 45,711 dB

dengan pola radiasi linier.

2. Hasil pengukuran antena didapatkan nilai koefisien refleksi (S11) pada

frekuensi 1,029 GHz nilai return loss sebesar -23,768 dB dan

bandwidth sebesar 31 MHz dengan nilai VSWR sebesar 1,21. Pada

frekuensi 1,218 GHz nilai return loss sebesar -21,348 dB dan

bandwidth sebesar 22 MHz dengan nilai VSWR sebesar 1,21.

3. Hasil pengukuran (S21) perambatan gelombang terhadap permitifitas

(εr) tanah kering dengan ketebalan 30 cm sebesar -44,610 dB, pada

tanah basah sebesar -45,786 dB dan pada air -76,001 dB.

Berdasarkan hasil simulasi dan pengukuran antena mikrostrip trIple

rectilinear layak digunakan untuk aplikasi GPR.

93

B. Saran

1. Untuk kesempurnaan dalam perancangan antena mikrostrip perlu

adanya pengetahuan yang lebih mendalam mengenai teori antena

mikrostrip dan software yang digunakan, sehingga diharapkan

teknologi antena mikrostrip bisa terus dikembangkan.

2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang antena mikrostrip untuk

meningkatkan gain dan efisiensi antena.

3. Proses pengukuran prototipe antena mikrostrip sebaiknya dilakukan

dalam ruangan unechoic chamber, sehingga tidak terdapat interfensi

atau ganguan berupa pantulan dari gelombang lain di udara.

94

DAFTAR PUSTAKA

Attela G.E. and A.A.Shaalan. 2007. Wideband Partially-Covered Bowtie Antenna For Ground-Penetrating-Radars. Communications and Electronics Department, Faculty of Engineering, Zagazig University, Egypt.

Balanis, Constantine A. 2005. Antenna Theory – Analisis and Design.

Third Edition. New Jersey: John Wiley and Sons. Chandra A. dan Santoso D. 2012. Rancang Bangun Komponen Pasif Rf

Pada Aplikasi Teknologi Wireless. Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, Makassar, Indonesia.

Hasan A. E. 2012. The Use of Ground Penetrating Radar With a

Frequency 1 GHz to Detect Water Leaks From Pipelines. Turkey: Sixteenth International Water Tecnology Conference.

Keshtkar A. and Dastkhosh A. R. 2008. Circular Microstrip Patch Array

Antenna for C-Band Altimeter System. International Journal of Antennas and Propagation, Article ID 389418, doi:10.1155/2008/389418,7.

Palantei E. 2010. Swiched Parasitic Smart Antenna Design and

Implementation for Wireless Communication System. Submitted in fulfillments of the degree of Doctor of Philosophy. Griffith School of Engineering Faculty of Science, Environment, Engineeering and Technology Griffith University, South East Queensland, Australia.

Palantei E., Sakka N., Pratiwi A., Topalaguna B., Ubaid Z. and Syarif S.

2013. Lungs Antena Structures : Numerical Computaion, Testing and Application. The 13th International conference on QiR (Quality in Research) Faculty of Engineering Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia, Juni 25 – 28

Pramudita A. Adya, Kurniawan A. dan Bayu Suksmono A. 2008.

Hexagonal Monopole strip Antenna with Rectangular Slot for 100-1000 MHz SFCW GPR Applications. Internasional Journal of Antennas and Propagasi, Vol 2008, Bandung, Indonesia.

Lestari A.A. 2010. Adaptive wire bowtie antenna for GPR applications.

Antennas and Propagation, IEEE Transactions on (Volume:53, Issue: 5 )

95

Nukuhaly I., Dewangga B. 2012. Rancang Bangun dan Analisis Antena Mikrostrip Rectangular Patch Dengan Slot Untuk Aplikasi 3G. Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muslim Indonesia, Makassar, Indonesia.

Suryono, Dian R.S. dan Sukriyah B. 2009. Perancangan Microstrip

Antenna Untuk Aplikasi Base Station Dan Mobile Station Pada Sistem WiMAX (Woldwide Interoperability for Microwave Acces). Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, Makassar, Indonesia.

Topalaguna B. dan Ubaid Z. 2012. Konstruksi Prototype Nanosatellite

pada Frekuensi ISM Band 2,4 GHz untuk Aplikasi Telemetri Suhu. Tugas Akhir Sarjana, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, Makassar, Indonesia.

Vishwakarma R. K., Ansari J.A., and Meshram M. K.. 2006. Equilateral

Triangular Microstrip Antenna For Circular Polarization dual-band operation. Indian Journal of Radio & Space Physics. Vol 35, pp 293-296

Yulius M. Y., Wahyu Y. dan Oktafiani F. 2005. Studi Pemrosesan dan

Visualisasi Data Ground Penetrating Radar. Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI.

Suryana J., Andriyan B., Suksmono, dan Tati R. Mengko. 2005. Karakteristik Domain Waktu Antena Bowtie Ujung Sirkular 1-2 GHz Dengan Respon Implus Ternormalisasi. Bandung : Makara, Teknologi. Vol.9,No.1.

www.geospasia.com

96

Lampiran 1.

Gambar L-1. Pengukuran koefisien refleksi (S11) dan VSWR

97

Lampiran 2.

Gambar L-2. Pengukuran S21 antena pada jarak 2 Cm

Gambar L-3. Pengukuran S21 antena pada jarak 9 Cm

98

Lampiran 3.

Gambar L-4. Pengukuran S21 terhadap tanah tebal 30 Cm

Gambar L-5. Pengukuran S21 terhadap air tinggi 30 Cm

99

Lampiran 4 Pengukuran E-Plane (Elevation Pattern) Frekuensi 1 GHz Prototipe Antena Mikrostrip Triple Rectilinear

Tetha [deg] Mikrostrip E-Plane [dB] 120 -5

0 2 125 -5,1

5 1,7 130 -5,3

10 1,5 135 -5,4

15 1,8 140 -5,3

20 1,3 145 -5,6

25 1,35 150 -5,4

30 1,9 155 -5,8

35 1,4 160 -6

40 1 165 -6,8

45 -1,2 170 -7

50 -1,4 175 -7,4

55 -2 180 -6,8

60 -1,8 185 -6,2

65 -1,9 190 -7

70 -2 195 -6,8

75 -2,3 200 -6

80 -2,5 205 -6,4

85 -2,9 210 -5,7

90 -3 215 -5,6

95 -3,1 220 -5

100 -4,2 225 -4,2

105 -3,8 230 -4,3

110 -4 235 -5

115 -4,2 240 -5,6

100

245 -4,3

250 -4

255 -3,6

260 -3,4

265 -3,2

270 -3

275 -2,9

280 -2

285 -2,9

290 -2,8

295 -2

300 -1,5

305 -1,8

310 -1,4

315 -1

320 -1,2

325 1,9

330 1,7

335 1

340 1,8

345 1,4

350 1,5

355 1,4

360 2

101

Lampiran 5 Pengukuran H-Plane (Azimuth Pattern) Frekuensi 1 GHz Prototipe Antena Triple Rectilinear

Phi [deg] Mikrostrip H-Plane

[dB] 120 1,28

0 1,28 125 1,28

5 1,28 130 1,264

10 1,264 135 1,265

15 1,265 140 1,264

20 1,264 145 1,264

25 1,264 150 1,261

30 1,261 155 1,265

35 1,265 160 1,263

40 1,266 165 1,261

45 1,265 170 1,263

50 1,261 175 1,262

55 1,265 180 1,255

60 1,266 185 1,25

65 1,265 190 1,26

70 1,268 195 1,25

75 1,265 200 1,262

80 1,263 205 1,264

85 1,26 210 1,262

90 1,27 215 1,263

95 1,274 220 1,263

100 1,28 225 1,262

105 1,263 230 1,261

110 1,29 235 1,264

115 1,27 240 1,265

102

245 1,263

250 1,265

255 1,267

260 1,27

265 1,28

270 1,268

275 1,265

280 1,263

285 1,268

290 1,27

295 1,265

300 1,28

305 1,27

310 1,29

315 1,274

320 1,265

325 1,262

330 1,26

335 1,29

340 1,28

345 1,28

350 1,267

355 1,264

360 1,28