PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ANTENA MIKROSTRIP WIDEBAND MIMO 3 × 3 UNTUK WIMAX PADA FREKUENSI 2 GHz – 3 GHz

Oleh Gega Wira Patria

LAPORAN TUGAS BESARDiajukan sebagai syarat untuk memenuhi pelaksanaan mata kuliah

Teknik Antena Propagasi

oleh :

FIKRI RAMADHAN(6305132020)

FAJAR PRASETYO(6305130005)

LATIFAH HIDAYANTI(6305134106)

RAJENDRA IMAN L(6305134107)

ANISA PRAKASTIA(6305130022)

D3 TEKNIK TELEKOMUNIKASI

FAKULTAS ILMU TERAPAN

UNIVERSITAS TELKOM

2015

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Pendahuluan

Dalam proses perancangan sebuah antena mikrostrip, hal pertama yang harus

dilakukan adalah menentukan frekuensi kerja dari antena mikrostrip tersebut, yaitu pada

2000-2700 MHz. Setelah frekuensi diperoleh, maka langkah berikutnya yang dilakukan

adalah menentukan substrat untuk elemen peradiasi. Penentuan karakteristik antena

tersebut akan mempengaruhi performansi antena yang akan dirancang, seperti frekuensi

kerja antena, impedansi antena, dimensi antena, dan parameter-parameter yang lain.

Spesifikasi antena yang diinginkan adalah:

Rentang Frekuensi : 2000 – 2700 MHz

Frekuensi kerja : 2350 MHz

Bandwidth : 1000 MHz

VSWR : ≤ 2

Gain : > 2.5 dBi

Pola Radiasi : Bidireksional

Polarisasi : Linier

Patch : Rectangular

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Antena mikrostrip

Suatu antena yang terbuat dari konduktor yang menempel pada suatu dielektrik

dan pada bagian bawahnya ada ground plane, atau pada umumnya dicetak pada PCB

(printed ciruit board). Pencetakan antena pada PCB disebut juga etching.

Gambar 2.1 Struktur antena mikrostrip

Dari gambar diatas, antena mikrostrip terdiri dari 3 bagian, antara lain:

a. Conducting patch, merupakan lapisan bagian paling atas pada antena yang terbuat dari

bahan konduktor . Fungsi dari lapisan ini yang disebut juga patch, adalah untuk

meradiasikan gelombang elektromgnetik ke udara. Bentuk-bentuk dari patch ini bias

berupa persegi, segitiga, lingkaran, atau bentuk fractal. Pada tugas akhir ini bentuk

patch digunakan adalah bentuk persegi panjang.

b. Substrate dielectric, merupakan lapisan bagian tengah dari antena yang terbuat dari

bahan dielektrik. Fungsi dari lapisan dielektrik ini adalah untuk menyalurkan

gelombang elktromagnetik dari catuan menuju patch.

c. Groundplane, merupakan lapisan bagian bawah dari antena mikrostrip yang biasanya

terbuat dari bahan konduktor. Fungsi dari lapisan ini adalah sebagai reflector sinyal

yang tidak dinginkan.

2.2 Polarisasi Linier

Polarisasi linier terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada

suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (magnet) pada titik tersebut selalu

berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu.

2.3 MIMO

Multiple Input Multiple Output merupakan sistem yang terdiri dari sejumlah

terminal (antena) pengirim dan penerima. MIMO menawarkan cara lain untuk

memperbesar kapasitas sistemnya.

2.4 Coefficient Correlation

Coefficient correlation menunjukkan seberapa ortogonal sinyal pada sistem MIMO.

Jika ada dua sinyal yang sama, maka kedua sinyal tersebut dapat dikorelasikan dengan

sempurna dan memiliki coefficient correlation 1. Sedangkan jika kedua sinyal saling

ortogonal sempurna, maka kedua sinyal tersebut memiliki koefisien korelasi 0.

Koefisien korelasi didapatkan dengan menggunakan karakteristik S-parameter dari sistem

antena.

Pada susunan antena lebih dari satu, besarnya coefficient correlation tergantung

dari jarak antar antena yang digunakan (dalam λ). Semakin kecil jarak antar antena

coefficient correlation semakin mendekati nilai 1.

2.5 Diversity Gain

Diversity gain adalah karakteristik terpenting pada sistem diversitas. Secara umum

diversity gain merupakan perbedaan antara kombinasi dari CDF (Cumulative Distribution

Function) dan suatu nilai dari CDF pada level tertentu. Biasanya dipilih untuk dapat

mencapai nilai 1 % (sehingga reliabilitinya 99%). Ada tiga definisi utama untuk

membedakan diversity gain dengan menggunakan perbedaan referensi pada CDF yaitu:

1. Apparent diversity gain : Referensi CDF adalah level sinyal rata-rata terkuat

2. Effective diversity gain : Referensi CDF adalah antena tunggal yang ideal yang memiliki

efisiensi radiasi 100 %

3. Actual diversity gain : Referensi CDF

adalah antena tunggal yang

digantikan oleh antena diversitas.

Diversity gain dapat diekspresikan dengan persamaan berikut:

Gdiv

Dengan Pdiv adalah level daya setelah penggabungan diversitas dan Pantena adalah

level daya dari cabang referensi. Di antara dua level daya tersebut harus dilihat pada level

CDF yang sama. Efektif diversity gain dapat diekspresikan sebagai berkut:

Dengan Pideal adalah level daya antena tunggal dengan 100 % efisiensi radiasi dan

(eradeff) antena adalah efisiensi radiasi dari referensi cabang.

2.6 Parameter Nilai Antena

1. Bandwidth : Lebar pita frekuensi antena yang dibatasi oleh VSWR

tertentu

2. Gain : Perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena

terhadap instensitas radiasi antena referensi dengan daya

input yang sama

3. Polarisasi : Orientasi penjalaran gelombang elektromagnetik

4. Pola radiasi : Representasi grafis karakteristik radiasi antena sebagai

fungsi koordinat ruang

5. VSWR : Perbandingan tegangan pantul terhadap tegangan datang

pada batas dua medium

6. Return Loss :Perbandingan Antara amplitudo gelombang yang

direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang

dikirimkan.

7. Direktifitas : Perbandingan Antara rapat daya maksimum pada berkas

utama terhadap rapat daya rata-rata yang di radiasikan.

BAB III

PERANCANGAN ANTENA

3.1 Diagral alir pengerjaan

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan

Menentukan spesifikasi perancangan antena

Menentukan dimensi antena dan susunan antena

Simulasi dengan software

Analisis

Kesimpulan

Selesai

Hasil simulasi sesuai dengan spesifikasi?

Mulai

Tidak

Ya

BAB IV

HASIL SIMULASI

4.1 Simulasi Antena

Perancangan menggunakan CST sebagai simulator. Langkah awal adalah mendesain

bentuk antena sesuai perhitungan ke dalam simulator. Kemudian pilih material penyusun

dari setiap elemen sesuai perencanaan. Setelah dilakukan desain kemudian dilakukan

running program. Analisis pertama terhadap hasil simulasi diperlukan, apakah sudah sesuai

spesifikasi awal atau belum. Jika terjadi penyimpangan maka diperlukan optimasi dimensi

yang tepat melalui percobaan dengan mengacu pada karakteristik yang diharapkan.

Rancangan hasil dari perhitungan dimensi antena digunakan sebagai data awal di dalam

simulasi. Simulasi disini bertujuan untuk mendapatkan ukuran dimensi antena yang tepat

sehingga diperoleh hasil yang sesuai dengan spesifikasi.

Gambar 4.1 Simulator CST 2013

4.2 Hasil Simulasi Awal Single Patch Antena

Sebelum mensimulasikan antena dalam bentuk 3 elemen, di lakukan simulasi single patch

rectangular antena untuk mempermudah perancangan 3 elemen dan membandingkan

perbedaannya.

4.3 VSWR dan Bandwidth

Pada hasil simulasi VSWR untuk antena satu patch, didapatkan VSWR yang memenuhi

spesifikasi yaitu dibawah 2. Pada frekuensi 2,35 GHz didapatkan nilai VSWR 1.4.

4.4 Simulasi dan Optimasi

Optimasi dilakukan dengan 2 langkah , yaitu membuat dimensi groundplane menjadi ¼

groundplane dari perhitungan teoritis, karena groundplane sangat sensitif pada return loss,

maka cara tersebut dapat mengurangi lower limit pada return loss kemudian langkah kedua

yaitu dimensi lebar pencatu yang diubah-ubah. Cara ini dilakukan supaya VSWR yang

didapat sesuai dengan spesifikasi awal.

Adapun gambar antena satu patch yang telah dioptimasi berbentuk seperti gambar 3.2

Gambar 4.2 Antena Single Patch Tampak Depan (kiri) Tampak Belakang (kanan)

Perbandingan dimensi antena satu patch sebelum di optimasi dan setelah dioptimasi

adalah pada tabel 3.1Tabel 4.1 Dimensi Antena setelah Dioptimasi

No. Dimensi Antena (mm) Ukuran Setelah Dioptimasi (mm)

1. W (Lebar Patch) 27

2. L (Panjang Patch) 27

3. Wf (Lebar Feed) 3

4. Lf (Panjang Feed) 20

5. Ws (Lebar Substrate) 58

6. Ls (Panjang Substrate) 58

7. Wg (Lebar Groundplane) 58

8 Lg (Panjang Groundplane) 17

9. H (Ketebalan Konduktor) 0.035

10. Z (Tebal Substrate) 1.6

4.5 Ukuran Antena Single PatchGambar 4.3 Dimensi Tampak Depan (kiri) Tampak belakang (kanan)

4.6 Gambar Antena MIMO 3 X 3

Gambar 4.4 Gambar Antena MIMO 3 X 3

BAB V

ANALISA

5.1 VSWR MIMO 3x3

Gambar 5.2 VSWR MIMO 3x3 kelompok (kiri) dan TA (kanan)

5.2 S-Parameter

Gambar 5.3 S-Parameter MIMO 3x3

5.3.1 Penjelasan S-Parameter

Pada S-Parameter kita dapat menempatkan garis ukur pada frekuensi yang kita inginkan

yaitu pada frekuensi 2,35 GHz dengan penjelasan parameter sebagai berikut:

S1,1 : -14.527383 dB ( Daya pada port 1 dipengaruhi oleh daya port 1 )

S2,1 : -20.369532 dB ( Daya pada port 2 dipengaruhi oleh daya port 1 )

S3,1 : -20.369532 dB ( Daya pada port 3 dipengaruhi oleh daya port 1 )

S1,2 : -20.388861 dB ( Daya pada port 1 dipengaruhi oleh daya port 2 )

S2,2 : -15.10877 dB ( Daya pada port 2 dipengaruhi oleh daya port 2 )

S3,2 : -23.074033 dB ( Daya pada port 3 dipengaruhi oleh daya port 2 )

5.4 Pola Radiasi Bidang Azimuth dan Elevasi

Gambar 5.4(a) Pola Radiasi Bidang Azimuth Gambar 5.5(b) Pola Radiasi Bidang Elevasi

Gambar 5.6(a) Pola Radiasi Bidang Azimuth Gambar 5.7(b) Pola Radiasi Bidang Elevasi

Gambar 5.8(a) Pola Radiasi Bidang Azimuth Gambar 5.9(b) Pola Radiasi Bidang Elevasi

5.5 Gain

Setelah antena disusun menjadi 3 elemen, ada perubahan gain untuk masing-masing

antena. Berikut ini adalah hasil simulasi parameter gain untuk masing-masing antena:

Gambar 6.0 Gain Antena 1 kelompok (kiri) dan TA (kanan)

Gambar 6.1 Gain Antena 2 kelompok (kiri) dan TA (kanan)

Gambar 6.2 Gain Antena 3 kelompok (kiri) dan TA (kanan)

BAB VI

PENUTUP

6.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diambil dari

seluruh proses perancangan dan realisasi ini adalah

sebagai berikut:

1. Semua Antena yang dirancang dan direalisasikan dapat bekerja pada rentang

frekuensi yang sesuai dengan spesifikasi yaitu 2 GHz – 2.75 GHz dengan VSWR ≤

2

2. Pengurangan ground plane hingga seperempat ukuran ground plane awal

mengurangi lower limit pada Return Loss sehingga membuat bandwidth menjadi

lebar dan membuat VSWR menjadi lebih baik.

3. Pola radiasi yang dihasilkan antena adalah bidireksional. Sedangkan polarisasi

yang dihasilkan antena adalah elips.

4. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa Gain antena dan VSWR yang dibuat

oleh kami memiliki nilai lebih baik dari tugas sebelumnya. Dengan Gain Antena 1

3.210 dB, Gain Antena 2 3.295 dB, Gain Antena 3 3.295 dB. Dan VSWR 1

1.4623628, VSWR 2 1.4260449, VSWR 3 1.4260447.

6.2 Saran

Untuk mendapatkan performansi antena yang cukup baik, maka ada beberapa hal

yang bisa dijadikan saran sebagai perkembangan ke depannya, antara lain:

1. Untuk mendapatkan hasil antena mikrostrip yang lebih baik, disarankan untuk

lebih selektif dalam memilih bahan substrat yang akan digunakan dan penentuan

dimensi antena.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Gega Wira Patriai, Perancangan dan implementasi Antena mikrostrip wideband mimo 3

× 3 untuk wimax pada frekuensi 2 Ghz – 3 Ghz. Telkom University, 2014

[2] Rahmat Dwi Cahyo, Yuli Christyono, Imam Santoso . Perancangan dan Analisis

Antena Mikrostrip Array Dengan Frekuensi 850 MHz Untuk Aplikasi Praktikum Antena. Semarang. Tugas Akhir.2008

[3] Galih Yogi Fanani. Perancangan Dan Realisasi Antena Mikrostrip MIMO 4 x 4 Untuk LTE pada frekuensi 2,3 GHz.

[4] Aditya Sukama Putra, Perancangan Dan Realisasi Antena Mikrostrip MIMO 3 x 3 Untuk WIMAX pada frekuensi 2,3 GHz – 2,4 GHz.