perancangan dan optimasi kinerja antena...
TRANSCRIPT
SEMINAR TUGAS AKHIR / 18 Juni 2014
PERANCANGAN DAN OPTIMASI KINERJA ANTENA PLANAR ULTRA
WIDEBAND BERBASIS METAMATERIAL MENGGUNAKAN SUBSTRAT
FR-4
ADITYA HERDIYAN PRATAMA
NRP 2210 100 016NRP 2210 100 016
Dosen Pembimbing
Eko Setijadi, S.T., M.T., Ph.D.
Prasetiyono Hari Mukti, S.T., M.T., M.Sc.
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 2014
Outline
• Pendahuluan
• Dasar Teori
• Implementasi Antena
Metamaterial Pada
• Analisis Perbandingan
Hasil Simulasi dan
Pengukuran
• PenutupMetamaterial Pada
Substrat FR-4
• Optimasi Antena
Metamaterial Pada
Substrat FR-4
Penutup
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
2
PENDAHULUAN
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
3
Latar Belakang
Kebutuhan akan perangkat nirkabel yang
meningkat
Permintaan akan performa perangkat nirkabelPermintaan akan performa perangkat nirkabel
yang tinggi
Antena dengan performa tinggi
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
4
Antena dengan performa tinggi
• Ukuran kecil
• Bandwidth yang lebar
• Penggunaan daya yang rendah• Penggunaan daya yang rendah
• Kemudahan fabrikasi
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
5
Antena Kecil?
Bandwidth Sempit, Efisiensi Daya Buruk,Bandwidth Sempit, Efisiensi Daya Buruk,
Gain dan Directivity Kecil
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
6
Solusi ?
• Penggunaan sel Metamaterial untuk
peningkatan bandwidth, efisiensi daya dan
miniaturisasi ukuranminiaturisasi ukuran
• Penggunaan substrat FR-4 untuk menekan
biaya
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
7
Permasalahan
• Melakukan Implementasi desain antena
metamaterial pada substrat FR-4 untuk
meningkatkan kinerja
• Apakah Antena pada Substrat FR-4 • Apakah Antena pada Substrat FR-4
Memberikan Kinerja yang Lebih Baik?
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
8
Batasan Masalah
• Analisis dilakukan pada pita frekuensi Ultra
Wideband (3.1 – 10 .6 GHz)
• Substrat yang digunakan adalah jenis FR-4
dengan properti fisik (ɛr = 4.3, μr = 1)dengan properti fisik (ɛr = 4.3, μr = 1)
• Analisis perhitungan kualitas menggunakan
tingkat return loss bandwidth (s11 < -10 dB)
• Desain antena menggunakan software CST
Studio Suite 2011
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
9
Tujuan
• Melakukan Analisa Implementasi desain
antena metamaterial pada substrat FR-4
• Melakukan Optimasi Antena pada
Substrat FR-4Substrat FR-4
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
10
DASAR TEORI
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
11
Antena Mikrostrip
• Definisi : antena yang berupa konduktor (biasanya berupa plat tembaga) yang dicetak pada sebuah media dielektrik yang disebut substrat
• Bagian : Patch, Substrat, dan Ground
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
12
Kelebihan:
• Dapat berupa planar maupun non planar.
• Mudah difabrikasi dengan teknik pencetakanrangkaian
• Dengan bentuk patch yang berbeda dapatmemberikan respon s11, pola radiasi dandirectivity yang berbeda-beda sesuai kebutuhandirectivity yang berbeda-beda sesuai kebutuhan
Kekurangan:
• Bandwidth sempit
• Efisiensi daya buruk
• Gain dan Directivity yang Kecil
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
13
Parameter Antena Mikrostrip:
• Pola radiasi dan Gain
• Return Loss
• Bandwidth
• Distribusi Arus• Distribusi Arus
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
14
Ultra WidebandSinyal Ultra Wideband didefinisikan FCC dan ITU-Rsebagai sinyal yang memiliki bandwidth melebihi500 MHz atau 20% dari frekuensi kerjanya sertamencakup frekuensi diantara 3.1 – 10.6 GHz
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
15
Metamaterial Elektromagnetik
Metamaterial Elektromagnetik : struktur
elektromagnetik homogen buatan dengan
sifat elektromagnet yang tidak dapat ditemui
di alamdi alam
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
16
Contoh Antena Metamaterial :
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
17
Left Handed Metamaterial :
Sebuah material atau bahan elektromagnetik
yang memiliki indeks bias negatif yang
disebabkan permitivitas dan permeabilitas yang disebabkan permitivitas dan permeabilitas yang
bernilai negatif sehingga menimbulkan
gelombang elektromagnetik propagasi terbalik.
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
18
Composite Right/Left Handed Metamaterial :
• Saluran transmisi CRLH atau composite right left
handed transmission line adalah sebuah
implementasi left-handed metamaterial pada sebuah implementasi left-handed metamaterial pada sebuah
saluran transmisi
• Terdiri dari implementasi kapasitor interdigital dan
induktor shunt (stub) pada sebuah saluran transmisi
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
19
Interdigital Capacitor Shunt Inductor
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
20
IMPLEMENTASI DAN SIMULASI
ANTENA PADA SUBSTRAT FR-4
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
21
Implementasi pada Substrat FR-4
• Substrat yang digunakan adalah FR-4 (ɛr = 4.3, μr = 1) dengan ukuran 60 x 30 mm danketebalan 1.6 mm.
• Penyesuaian yang harus dilakukan :• Penyesuaian yang harus dilakukan :
– Perubahan jenis port panel mount menjadi pcbmount.
– Panjang saluran transmisi.
– Lebar saluran transmisi untuk mengakomodasiport baru.
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
22
Bentuk Antena pada Substrat FR-4
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
23
*Semua satuan dalam mm.
S-Parameter (S11)
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
24
Analisis Pengaruh Sel Metamaterial
Desain Antena tanpa Sel Metamaterial
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
25
S11
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
26
OPTIMASI ANTENA
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
27
Metode Optimasi
Parameter sweep :
Optimasi dilakukan dengan melakukan tuning
dimensi antena dimana setiap dimensi antena
dirubah – rubah untuk menemukan pengaruhdirubah – rubah untuk menemukan pengaruh
setiap bagian antena tersebut pada respon s
parameternya (s11).
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
28
Dimensi Antena Pengaruh
L1 Return loss seluruh band dan bandwidth band ketiga
L2 Return loss seluruh band
L3 Return loss dan bandwidth band ketiga dan frekuensi 7 – 8 GHz
W Return loss band kedua, ketiga, dan frekuensi 7 – 8 GHz
Ltl + Ground Return loss seluruh band
Ltl + Induktor 3 Return loss seluruh band
Wtl Return loss band kedua, ketiga, frekuensi 4 – 5 GHz, dan frekuensi 7 – 8 GHzWtl Return loss band kedua, ketiga, frekuensi 4 – 5 GHz, dan frekuensi 7 – 8 GHz
Lc Return loss band pertama, pergeseran frekuensi band kedua, bandwidth dan return loss
band ketiga
Wgc Return loss seluruh band, frekuensi 4 – 5 GHz, 7 – 8 GHz dan bandwidth band kedua
dan ketiga
Li Return loss band pertama, ketiga dan frekuensi 7 – 8 GHz, bandwidth band ketiga
Wi Return loss band pertama dan kedua
Lg Return loss band pertama, kedua dan frekuensi 4 – 5 GHz, 7 – 8 GHz serta bandwidth
band pertama
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
29
Dimensi yang Meningkatkan Kinerja :
• Panjang lengan 1 antena dari 4.5 mm menjadi 4.25 mm
• Panjang lengan 3 antena dari 4.5 mm menjadi 5 mm
• Panjang saluran transmisi dari 15 mm menjadi 22.5 mm serta lebar ground dari 10 mm menjadi 17.5 mm
• Panjang interdigital capacitor dari 2 mm menjadi 1.75 mmmm
• Jarak antara konduktor kapasitor dari 0.26 mm menjadi0.52 mm, lebar lengan antena dari 1.5 mm menjadi 2 mm, dan panjang lengan 2 dari 3.5 mm menjadi 4.5 mm
• Panjang induktor 2 dari 6.15 mm menjadi 7.15 mm
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
30
Implementasi Hasil Optimasi pada
Antena
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
31
Kode Deskripsi Dimensi
Lama
Dimensi
Baru
L1 Panjang Lengan 1 4.5 mm 4.25 mm
L2 Panjang Lengan 2 3.5 mm 4.5 mm
L3 Panjang Lengan 3 4.5 mm 5 mm
Lc Panjang Interdigital capacitor 2 mm 1.75 mm
Ltl Panjang Saluran Transmisi 15 mm 22.5 mm
W Lebar Lengan Antena 1.5 mm 2 mm
Wgc Jarak Antar Konduktor Kapasitor 0.26 mm 0.52 mm
Wtl Lebar Saluran Transmisi 0.8 mm 0.8 mm
Via Diameter Via 0.7 mm 0.7 mm
Li1 Panjang Shunt Induktor 1 1.5 mm 1.5 mm
Li2 Panjang Shunt Induktor 2 6.15 mm 7.15 mm
Li3 Panjang Shunt Induktor 3 1.25 mm 1.25 mm
Lg Panjang Ground 60 mm 60 mm
Wi Lebar Induktor 0.75 mm 0.75 mm
Wg Lebar Ground 10 mm 17.5 mm
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
32
Hasil Simulasi
S parameter (s11)
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
33
Pola Radiasi (θ)
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
34
Distribusi Arus
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
35
ANALISIS PERBANDINGAN HASIL
SIMULASI DAN PENGUKURAN
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
36
Antena Hasil Fabrikasi
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
37
Metode Pengukuran
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
38
Hasil Pengukuran
S Parameter (s11)
-20
-10
0
Return Loss [dB]
S11
Simulasi
Pengukuran
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
39
3 4 5 6 7 8 9 10
x 109
-60
-50
-40
-30
Frekuensi [Hz]
Return Loss [dB]
Pola Radiasi (θ)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
60
90
120
150
180 0
Pola Radiasi
pengukuran
simulasi
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
40
210
240
270
300
330
180 0
PENUTUP
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
41
Kesimpulan
• Antena metamaterial ultra wideband yang dioptimasi menggunakan
substrat FR-4 memiliki bandwidth sebesar 5.94 GHz pada frekuensi
3.65 – 9.59 GHz.
• Hasil fabrikasi dan pengukuran yang dilakukan memberikan hasil• Hasil fabrikasi dan pengukuran yang dilakukan memberikan hasil
yang kurang sesuai dengan simulasi dari segi return loss namun
tidak terjadi pergeseran frekuensi resonansi yang terlalu jauh. Hal
ini mungkin disebabkan kesalahan saat proses menyolder.
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
42
TERIMA KASIH
18/6/2014
Perancangan dan Optimasi Kinerja Antena
Planar Ultra Wideband Berbasis
Metamaterial Menggunakan Substrat FR-4
43