digital_20294667-s1692-rancang bangun.pdf

UNIVERSITAS INDONESIA

RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN

METAMATERIAL CRLH PADA FREKUENSI 3.3 -3.4 GHz

SKRIPSI

WILLY YUSWARDI

09 06 60 31 71

FAKULTAS TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

DEPOK

DESEMBER 2011

Rancang bangun..., Willy Yuswardi, FT UI, 2011

ii

UNIVERSITAS INDONESIA



SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

WILLY YUSWARDI

09 06 60 31 71

FAKULTAS TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

DEPOK

DESEMBER 2011


iii

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul :



yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada

Program Ekstensi Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas

Indonesia, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari

skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan

gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Indonesia maupun di Perguruan

Tinggi atau Instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya

dicantumkan sebagaimana mestinya.

Depok, 11 Januari 2012

Willy Yuswardi

NPM 0906603171


iv


v

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada :

Prof. Dr. Ir. Eko Tjipto Rahardjo, M.Sc.

selaku dosen pembimbing I, dan kepada :

Fitri Yuli Zulkifli, ST, MSc.

selaku dosen pembimbing II, dan kepada :

Basari, ST, M.Eng, Ph.D

selaku dosen pembimbing III.

yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan pengarahan,

diskusi, bimbingan, dan tempat untuk eksperimen serta menyetujui sebagai bagian

dari penelitian pada Antenna and Microwave Research Group (AMRG) sehingga

skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.

Depok, 11 Januari 2012

Penulis,

Willy Yuswardi

NPM. 0906603171


vi

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

SKRIPSI UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di

bawah ini:

Nama : Willy Yuswardi

NPM : 0906603171

Program Studi : Teknik Elektro

Departemen : Teknik Elektro

Fakultas : Teknik

Jenis Karya : Skripsi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada

Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty

Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:

RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL

CRLH PADA FREKUENSI 3.3 3.4 GHz

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti

Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan,

mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),

merawat, dan mempublikasikan skripsi saya tanpa meminta izin dari saya selama

tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak

Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok

Pada tanggal : 19 Januari 2012

Yang menyatakan

(Willy Yuswardi)


vii

ABSTRAK

Nama : Willy Yuswardi

Program Studi : Ekstensi Teknik Elektro

Judul : Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dengan Metamaterial

CRLH Pada Frekuensi 3.3 GHz 3.4 GHz

Antena mikrostrip merupakan salah satu alternatif antena dalam komunikasi

wireless. Hal ini dikarenakan antena mikrostrip memiliki massa yang ringan dan

bisa menyesuaikan dengan bentuk perangkat komunikasi. Pada skripsi ini, dibahas

teknik untuk meminiaturisasi yaitu dengan metamaterial CRLH. Antena yang

dirancang bekerja pada frekuensi 3.3 3.4 GHz. Antena dirancang dan

disimulasikan dengan menggunakan software CST Microwave Studio 2011. Dari

hasil simulasi, didapat bandwidth 470 MHz dengan VSWR 2 pada frekuensi 3.3

GHz. Sedangkan hasil pengukuran, frekuensi kerja bergeser menjadi 3.26 namun

masih dalam range frekuensi 3.3 3.4 GHz. Bandwidth yang diperoleh 250 MHz

dengan VSWR 2. Dengan teknik CRLH ini bisa mereduksi dimensi antena

sebesar 61.11%

Kata kunci: miniaturisasi, metamaterial, CRLH, bandwidth


viii

ABSTRACT

Name : Wiilly Yuswardi

Major : Electrical Engineering

Final Project Title : Design of Microstrip Antenna with CRLH Metamaterial

At Frequency 3.3 GHz 3.4 GHz

Microstrip antenna has become one of the alternative antenna design in wireless

technology. This is mainly because its characteristics which are light weight and

easily adjusted in most of communication devides. This final project propose a

miniaturization technique by using CRLH metamaterial element. The antenna

design work at frequency 3.3 3.4 GHz and simulated using CST Microwave

Studio. The simulation results show a relatively wide bandwidth of 470 MHz with

VSWR 2 at 3.3 GHz, while the measurement has a frequency shift to 3.26 GHz,

but still in the 3.3 3.4 GHz frequency range. And the antenna bandwidth is also

become narrower to 250 MHz with VSWR 2. So, with this proposed design, the

antenna dimension can be effectively reduced to 61.11%.

Keywords: miniaturization, metamaterial, CRLH, return loss, bandwidth


ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iv

UCAPAN TERIMA KASIH .................................................................................... v

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .................................................. vi

ABSTRAK ............................................................................................................ vii

ABSTRACT ......................................................................................................... viii

DAFTAR ISI .......................................................................................................... ix

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xi

DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiii

DAFTAR SINGKATAN ..................................................................................... xiv

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

1.1 Latar Belakang ....................................................................................... 1

1.2 Tujuan ..................................................................................................... 3

1.3 Batasan Masalah ..................................................................................... 3

1.4 Metode Penelitian ................................................................................... 4

1.5 Sistematika Penulisan ............................................................................. 4

BAB 2 ANTENA MIKROSTRIP METAMATERIAL CRLH .......................... 5

2.1 Antena .................................................................................................... 5

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

2.2.1 Parameter Antena Mikrostrip .................................................... 14

2.2.1.1 Pola Radiasi ...................................................................... 8

2.2.1.2 VSWR ............................................................................... 8

2.2.1.3 Return Loss ....................................................................... 9

2.2.1.4 Gain ................................................................................ 10

2.2.1.5 Directivity ....................................................................... 10

2.2.1.6 Bandwidth ....................................................................... 11

2.2.1.7 Impedansi Masukan ........................................................ 12

2.2.1.8 Impedansi Karakteristik Saluran Mikrostrip .................. 12

2.2.2 Dimensi Antena ......................................................................... 13

2.2.3 Teknik Pencatuan Saluran Transmisi Mikrostrip ...................... 15

2.2.4 Daerah Antena ........................................................................... 15

2.3 Metamaterial ........................................................................................ 17

2.3.1 Metamaterial Jenis Planar ........................................................... 19

2.3.2 CRLH Metamaterial .................................................................... 22

2.3.3 Fundamental Infinite Wavelength Unit-Cell ............................... 24

2.4 WiMAX ............................................................................................... 26

BAB 3 PERANCANGAN ANTENA METAMATERIAL CRLH ................... 30

3.1 Pendahuluan ......................................................................................... 30

3.2 Perangkat Yang Digunakan .................................................................. 30

3.3 Diagram Alir Perancangan Antena ...................................................... 32

3.4 Perancangan Antena ............................................................................. 33

3.4.1 Perancangan Antena Konvensional ............................................. 34

3.4.1.1 Perancangan Saluran Pencatu Mikrostrip ........................ 34

3.4.1.2 Perancangan Lebar, Panjang dan Inset Feed .................... 35


x

3.4.2 Perancangan Antena Mikrostrip CRLH MTM ............................ 36

3.5 Hasil Simulasi ...................................................................................... 37

3.5.1 Hasil Simulasi Awal .................................................................... 37

3.5.2 Hasil Simulasi Akhir ................................................................... 42

3.5.2.1 Hasil Simulasi Akhir Antena CRLH MTM ..................... 42

3.5.2.2 Hasil Simulasi Akhir Antena Konvensional .................... 46

3.6 Miniaturisasi Antena ............................................................................ 49

BAB 4 FABRIKASI DAN PENGUKURAN ANTENA .................................... 51

4.1 Pengukuran Antena .............................................................................. 51

4.1.1 Pengukuran Port Tunggal .......................................................... 53

4.1.1.1 Pengukuran Return loss Antena CRLH Metamaterial .... 54

4.1.2 Pengukuran Port Ganda............................................................. 55

4.1.2.1 Pengukuran Pola Radiasi Antena .................................... 56

4.1.2.2 Pengukuran Gain Antena ................................................ 59

4.2 Analisis Pengukuran ............................................................................ 61

4.2.1 Pengukuran Port Tunggal .......................................................... 61

4.2.2 Pengukuran Port Ganda............................................................. 61

BAB 5 KESIMPULAN ........................................................................................ 63

DAFTAR ACUAN ................................................................................................ 64

LAMPIRAN ........................................................................................................... 67


xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur antena mikrostrip ............................................................. 6

Gambar 2.2 Jenis jenis antena mikrostrip........................................................ 7

Gambar 2.3 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth.................................. 11

Gambar 2.4 Daerah medan antena...................................................................... 15

Gambar 2.5 Gelombang elektromagnetik............................................................ 18

Gambar 2.6 Diagram permitivitas, permeabilitas dan indeks bias...................... 19

Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen saluran transmisi.............................................. 20

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen modifikasi dari LHTL..................................... 21

Gambar 2.9 Fundamental dari CRLH................................................................. 23

Gambar 2.10 Resonator open-ended 4 sel............................................................ 25

Gambar 2.11 Puncak resonan dari resonator open-ended.................................... 25

Gambar 2.12 Inductor-loaded TL........................................................................ 26

Gambar 2.13 Standard spesifikasi komunikasi ................................................... 27

Gambar 3.1 Diagram alir metodologi pengerjaan skripsi................................... 32

Gambar 3.2 Antena konvensional...................................................................... 34

Gambar 3.3 (a) Patch Rectangular, (b) Patch E, (c) Patch S, (d) Patch (U)..... 38

Gambar 3.4 Grafik S11 antena patch rectangular dengan diameter via 0.24 mm 39

Gambar 3.5 Grafik S11 patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm... 40

Gambar 3.6 Farfield 3D patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm 41

Gambar 3.7 Desain antena tampak belakang..................................................... 41

Gambar 3.8 Antena CRLH tampak depan ......................................................... 43

Gambar 3.9 Antena CRLH tampak belakang .................................................... 43

Gambar 3.10 Grafik S11 ..................................................................................... 44

Gambar 3.11 Pola radiasi antena metamaterial ................................................... 44

Gambar 3.12 Pola radiasi E-Co vs E-Cross ........................................................ 45

Gambar 3.13 VSWR antena metamaterial CRLH............................................... 45

Gambar 3.14 Farfield 3D Antena CRLH Metamaterial...................................... 46

Gambar 3.15 Antena konvensional tampak depan............................................. . 47

Gambar 3.16 Antena konvensional tampak belakang......................................... 47

Gambar 3.17 Grafik S11 antena konvensional................................................... . 48


xii

Gambar 3.18 Grafik VSWR antena konvensional.............................................. 48

Gambar 3.19 Farfield 3D antena konvensional................................................... 49

Gambar 4.1 Hasil fabrikasi antena CRLH metamaterial................................... 52

Gambar 4.2 Perbandingan hasil fabrikasi antena konvensional dan CRLH..... 52

Gambar 4.3 Menghubungkan Network Analyzer ke antena............................. . 53

Gambar 4.4 Grafik return loss antena CRLH hasil pengukuran....................... 54

Gambar 4.5 Grafik perbandingan return loss hasil simulasi dan pengukuran .. 55

Gambar 4.6 Konfigurasi pengukuran port ganda............................. ................. 56

Gambar 4.7 Pola radiasi E-co simulasi vs pengukuran............................. ........ 57

Gambar 4.8 Pola radiasi E-cross simulasi vs pengukuran............................. ... 58

Gambar 4.9 Pola radiasi E-Co vs E-Cross pengukuran..................................... 59


xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Evolusi WiMAX ............................................................................ 27

Tabel 2.2 Kelebihan WiMAX ....................................................................... 29

Tabel 2.3 Kekurangan WiMAX .................................................................... 29

Tabel 3.1 Hasil Simulasi untuk via 0.24 mm................................................. 38

Tabel 3.2 Hasil Simulasi untuk via 0.3 mm................................................... 39




xiv

DAFTAR SINGKATAN

AUT Antenna Under Test

BW Bandwidth

CRLH Composite Right/Left Handed

CSRR Complemantary Split Ring Resonator

dB Desibel

DGS Defected Ground Structure

EBG Electromagnetic Band Gap

SMA Subminiature version A

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access


1 Universitas Indonesia

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan teknologi yang semakin pesat memungkinkan kita

berkomunikasi dengan siapa saja dan kapan saja, baik suara, video maupun data.

Ini semua tidak lepas dari berkembangnya komunikasi nirkabel, yang

menggantikan komunikasi dengan kabel. Komunikasi nirkabel sekarang, menjadi

tulang punggung penyebaran informasi sehingga hubungan komunikasi ini

menjadi lebih fleksibel.

Internet sudah menjadi kebutuhan bagi sebagian besar orang karena

dengan internet informasi beredar dengan sangat cepat dan mudah. Oleh sebab itu,

pengguna internet selalu bertambah setiap tahun. Ini juga disebabkan semakin

banyak nya perangkat-perangkat elektronika yang menanamkan fitur internet

didalamnya, yang memungkinkan kita untuk menggunakan internet kapan saja

dan dimana saja.

Perkembangan selanjutnya untuk teknologi Broadband Wireless adalah

WiMAX (Wireless Interoperability for Microwave Access). Teknologi ini hampir

mirip dengan WiFi ditambah dengan kemampuannya di sisi jarak jangkau, QoS,

NLOS (Non Line of Sight),security dan berbagai fitur lainnya.

Spesifikasi WiMax membawa perbaikan atas keterbatasan-keterbatasan

standar WiFi dengan memberikan lebar pita yang lebih besar dan enkripsi yang

lebih bagus. Area coverage-nya sejauh 50 km maksimal dan kemampuannya

menghantarkan data dengan transfer rate yang tinggi dalam jarak jauh, sehingga

memberikan kontribusi sangat besar bagi keberadaan wireless MAN dan dapat

menutup semua celah broadband yang ada saat ini. WiMAX Forum menetapkan 2

band frekuensi utama pada certication profile untuk Fixed WiMAX (band 3.5 GHz

dan 5.8 GHz), sementara untuk Mobile WiMAX ditetapkan 4 band frekuensi pada

system profile release-1, yaitu band 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.3 GHz dan 3.5 GHz.

Dari ketentuan spektrum ini maka dibutuhkan jenis antena yang memiliki


2

Universitas Indonesia

bandwidth yang cukup lebar agar dapat diaplikasikan pada sebagian atau seluruh

spektrum frekuensi yang ditetapkan bagi Mobile WiMax.

Pada sistem komunikasi nirkabel dibutuhkan satu komponen yang sangat

penting yang berfungsi sebagai pemancar dan penerima, komponen tersebut

adalah antena. Secara definisi, antena berfungsi mentransformasikan suatu sinyal

RF (Radio Frequency) yang merambat pada konduktor menjadi gelombang

elektromagnetik ke ruang bebas. Atau dengan kata lain, antena adalah komponen

yang mampu mengubah energi atau sinyal dalam ruang bebas untuk meradiasikan

dan menerima gelombang.

Teknologi WiMax untuk perangkat mobile seperti ponsel dan laptop

mengharuskan perangkat-perangkat ini memiliki antena pemancar/penerima yang

berukuran kecil dan tipis sehingga dapat dipasang dengan pas pada posisi tertentu

pada perangkat tersebut. Jenis antena yang paling sesuai untuk kondisi tersebut

adalah antena mikrostrip dikarenakan ukurannya yang kecil, berbentuk pipih dan

biaya perakitannya yang cukup murah. Terlebih lagi, dikarenakan perakitannya

yang berdasarkan teknik rangkaian tercetak, antena mikrostrip dapat

diintegrasikan dengan rangkaian IC lainnya di dalam sebuah ponsel atau laptop.

Ada bebererapa teknik untuk meminiaturisasi antena, diantaranya dengan

slot loading, yaitu dengan menggunakan beban Complementary Split Ring

Resonator (CSRR)[22], dengan menggunakan Composite Right/Left Handed

(CRLH) metamaterial yaitu tipe mushroom structure[20], Electromagnetic

Bandgap (EBG), fractals, bending and folding, meander line yaitu dengan desain

Zeroth Order Resonator (ZOR), dll.

Teknik miniaturisasi antena yang dipilih pada skripsi ini adalah Composite

Right/Left Handed (CRLH) Metamaterial tipe mushroom structure. Yang menjadi

dasar pemilihan teknik CRLH untuk miniaturisasi ini adalah karena teknik CRLH

ini mudah dalam perancangannya karena tidak membutuhkan banyak parameter

pada proses iterasi untuk mendapatkan karakteristik antena yang diinginkan,

proses fabrikasi mudah dilakukan di Indonesia, selain itu biaya fabrikasinya juga

murah.

Terdapat beberapa buku dan jurnal-jurnal yang membahas mengenai


3


elemen metamaterial CRLH. Penggunaan elemen metamaterial CRLH pada

antena memiliki beberapa keuntungan, yaitu dapat meminiaturisasi antena[20],

melebarkan bandwidth[23], dan meningkatkan gain[24]

Tugas bagi perancang antena adalah membuat karakteristik antena

seefisien mungkin, yaitu gelombang dari pemancar yang dihasilkan oleh

komponen-komponen elektronika ini harus diubah semaksimal mungkin menjadi

gelombang bebas. Gelombang yang dipancarkan melalui antena ini akan

didistribusikan ke udara dengan suatu pola tertentu, misalnya ke semua arah, atau

hanya ke suatu arah tertentu saja. Pemilihan pola pancar ini tergantung dari

aplikasi antena masing-masing. Antena sangat menarik untuk dikaji lebih lanjut

karena dibutuhkan hasil yang optimal yang sesuai dengan kebutuhan

telekomunikasi gelombang radio.

1.2 Tujuan Penulisan

Tujuan dari skripsi ini adalah merancang sebuah antena mikrostrip dengan

menambahkan elemen metamaterial CRLH (Composite Right/Left Handed), yang

bertujuan meminiaturisasi untuk diletakkan (built-in) pada laptop atau ponsel bisa

berupa modem ataupun dongle yang mengirim dan menerima gelombang

elektromagnetik. Antena akan bekerja pada frekuensi 3.3 GHz 3.4 GHz dengan

VSWR 2 dan diharapkan dapat digunakan pada aplikasi mobile WiMAX.

1.3 Batasan Masalah

Permasalahan yang akan dibahas pada skripsi ini dibatasi pada

perancangan sebuah antena mikrostrip dengan mengutamakan meminiaturisasi

antena dengan karakteristik VSWR 2 pada frekuensi 3.3 GHz 3.4 GHz. Teknik

yang digunakan untuk miniaturisasi antena yaitu dengan menggunakan teknik

CRLH mushroom structure. Miniaturisasi didapat dengan membandingkan antena

CRLH dengan antena konvensional. Simulasi dilakukan dengan menggunakan

perangkat lunak CST Microwave Studio 2011 untuk mengetahui performa dari

antena tersebut.


4


1.4 Metode Penulisan

Metode yang digunakan pada penelitian dan penulisan skripsi ini adalah:

a. Studi Kepustakaan

Metode ini dilakukan untuk mendasarkan penelitian pada bahan-bahan literatur

dan jurnal-jurnal penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya.

b. Simulasi Perangkat Lunak

Menggunakan perangkat lunak khusus untuk mensimulasikan rancangan

antena, dan melihat parameter antena berdasarkan hasil simulasi.

c. Pengukuran Antena

Pengukuran prototip antena dilakukan untuk melihat parameter antena

sesungguhnya, dan kemudian dapat dibandingkan dengan hasil simulasi.

1.5 Sistematika Penulisan

Penulisan skripsi ini akan dibagi dalam lima bagian besar, yaitu :

Bab 1 Pendahuluan

Bagian ini terdiri dari latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah,

metode penulisan dan sistematika penulisan.

Bab 2 Antena Mikrostrip Metamaterial CRLH

Bagian ini akan berisi tentang bahasan teori dasar mengenai antena

mikrostrip, elemen metamaterial, dan metode CRLH

Bab 3 Perancangan Antena dan Simulasi

Bagian ini memberikan penjelasan mengenai perancangan antena dengan

metode CRLH, prosedur perancangan serta hasil simulasinya.

Bab 4 Fabrikasi dan Pengukuran Antena

Bagian ini menjelaskan hasil fabrikasi antena metamaterial CRLH

berdasarkan hasil simulasi, peralatan yang digunakan untuk pengukuran antena,

hasil pengukuran parameter-parameter antena, serta analisis terhadap hasil

pengukuran tersebut.

Bab 5 Kesimpulan

Bab ini berisi poin-poin kesimpulan dari keseluruhan perancangan.



BAB 2

ANTENA MIKROSTRIP METAMATERIAL CRLH

2.1 Antena

Antena adalah perangkat yang berfungsi untuk memindahkan energi

gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara

ke media kabel. Karena merupakan perangkat perantara antara media kabel dan

udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan media

kabel pencatunya. Prinsip ini telah diterangkan dalam saluran transmisi.

Dalam perancangan suatu antena, baberapa hal yang harus diperhatikan

adalah[3]:

1. bentuk dan arah radiasi yang diinginkan

2. polarisasi yang dimiliki

3. frekuensi kerja,

4. lebar band (bandwidth), dan

5. impedansi input yang dimiliki.

Jenis jenis antena:

1. Antena kabel (wire antenna); seperti monopole, dipole, loop dan lain lainnya.

2. Antena celah (aperture antenna); seperti sectoral horn, piramidal horn, slot

dan lain lainnya.

3. Antena pantul (reflector antenna); seperti parabolic dish, corner reflector, dan

lain lainnnya.

4. Antena lensa

5. Antena microstrip

6. Antena susun (array antenna).

2.2. Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas

ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik seperti yang terlihat pada

Gambar.2.1. Antena microstrip merupakan antena yang memiliki massa ringan,

mudah difabrikasi, dengan sifatnya yang konformal sehingga dapat ditempatkan


6


pada hampir semua jenis permukaan dan ukurannya kecil jika dibandingkan

dengan antena jenis lain. Karena sifat yang dimilikinya, antena microstrip sangat

sesuai dengan kebutuhan saat ini sehingga dapat diintegrasikan dengan peralatan

telekomunikasi lain yang berukuran kecil, akan tetapi antena microstrip juga

memiliki beberapa kekurangan yaitu: bandwidth yang sempit, gain dan directivity

yang kecil, serta efisiensi yang rendah.

Gambar 2.1. Struktur Antena Microstrip[1]

Antena mikrostrip terdiri dari tiga lapisan. Lapisan tersebut adalah

Conducting patch, substrat dielektrik, dan ground plan. Masing-masing dari

bagian ini memiliki fungsi yang berbeda.

a. Conducting patch,

Patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara,

terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena. Patch terbuat dari bahan

konduktor, misal tembaga. Bentuk patch bisa bermacam-macam, lingkaran,

rectangular, segitiga, ataupun bentuk circular ring. Bentuk patch tersebut

dapat dilihat pada Gambar 2.2.

b. Substrat dielektrik.

Substrat dielektrik berfungsi sebagi media penyalur GEM dari catuan.

Karakteristik substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter

antena. Pada antena mikrostrip, semakin tinggi besar permitivitas relatif,

ukuran conducting patch akan semakin kecil dan sebagai akibatnya


7


memperkecil daerah radiasi. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap

parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan ketebalan substrat akan

memperbesar bandwidth. tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang

permukaan (surface wave)

c. Ground plane.

Ground plane antena mikrostrip bisa terbuat dari bahan konduktor, yang

berfungsi sebagai reflector dari gelombang elektromagnetik.

Bentuk konduktor bisa bermacam-macam tetapi yang pada umumnya

digunakan adalah berbentuk persegi empat dan lingkaran karena bisa lebih mudah

dianalisis. Adapun jenis-jenis antena mikrostrip terlihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Jenis - jenis Antena Microstrip[1]

Antena mikrostrip adalah salah satu jenis antena wireless yang paling

populer digunakan saat ini. Ada beberapa alasan kenapa antena mikrostrip sangat

terkenal[3]:

1) Sangat mudah difabrikasi,

2) Selaras dengan permukaan nonplanar,

3) Sangat murah karena hanya dengan menggunakan papan cetak sirkuit,

4) Fleksibel sehingga menghasilkan berbagai macam pola dan polarisasi yang

berbeda,

5) Strukturnya sangat kuat.


8


2.2.1. Parameter Antena Mikrostrip

Untuk dapat melihat kerja dari antena mikrostrip, maka perlu diamati

parameter parameter pada mikrostrip. Beberapa parameter umum dijelaskan

sebagai berikut.

2.2.1.1. Pola Radiasi

Pola radiasi adalah representasi grafis sifat-sifat pemancaran antena sebagai

fungsi dari koordinat ruang. Dengan menggunakan model slot peradiasi diatas,

maka berlaku persamaan medan elektrik[2]:

untuk

Ada dua jenis pola radiasi, yaitu:

a) Mutlak

Pola radiasi mutlak ditampilkan dalam satuan-satuan mutlak kekuatan atau

daya medan.

b) Relatif

Pola radiasi relatif merujuk pada satuan satuan relatif kekuatan atau daya

medan. kebanyakan ukuran pola radiasi relatif kepada antena isotropic dan

metode transfer gain dipergunakan untuk menentukan gain mutlak antena.

Pola radiasi didaerah dekat antena tidaklah sama seperti pola radiasi pada

jarak jauh. Istilah medan dekat merujuk pada pola medan yang berada dekat

antena, sedangkan istilah medan jauh merujuk pada pola medan yang berada di

jarak jauh. Medan jauh juga disebut sebagai medan radiasi, dan merupakan hal

yang diinginkan. Biasanya, daya yang dipancarkan adalah yang kita inginkan, dan

oleh karena itu pola antena biasanya diukur di daerah medan jauh. Untuk

pengukuran pola sangatlah penting untuk memiliki jarak yang cukup besar untuk

berada di medan jauh diluar medan dekat. jarak dekat minimum yang

diperbolehkan bergantung pada dimensi antena berkaitan dengan panjang

gelombang.

2.2.1.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

Bila impedansi saluran transmisi tidak sesuai dengan transceiver maka akan

timbul daya refleksi (reflected power) pada saluran yang berinterferensi dengan

(2.1)


9


daya maju (forward power). Interferensi ini menghasilkan gelombang berdiri

(standing wave) yang besarnya bergantung pada daya refleksi. VSWR adalah

perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum

dengan minimum . Pada saluran transmisi ada dua komponen

gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan dan tegangan yang

direfleksikan . Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan

tegangan yang dikirimkan tersebut sebagai koefisien refleksi tegangan ()[2]:

Dimana Z1 adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran

(lossless). Koefisien refleksi tegangan () memiliki nilai kompleks, yang

mempresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa

kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari adalah nol, maka:

= -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat.

= 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.

= +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.

Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah[2]:

2.2.1.3 Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang

direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss

digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan

dibandingkan dengan gelombang yang dikirim

. Return loss dapat

terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi

masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki

diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada

frekuensi[2].

(2.2)

(2.3)

(2.4)


10


2.2.1.4 Gain

Gain adalah perbandingan antara rapat daya persatuan unit antena terhadap

rapat daya antena referensi dalam arah dan daya masukan yang sama. Gain suatu

antena berlainan dengan gain kutub empat, gain diperhatikan daya masukan ke

terminal antena. Gain didapat dengan menggunakan persamaan[2]:

Ada dua jenis parameter penguatan (Gain) yaitu absolute gain dan relative

gain. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara

intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya

yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Intensitas radiasi yang

berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara tropik sama dengan daya yang

diterima oleh antena (Pin) dibagi 4. Absolute gain ini dapat dihitung dengan

rumus[2]:

Selain absolute gain juga ada relative gain. Relative gain didefinisikan

sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan

daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan

harus sama diantara kedua antena itu. Akan tetapi, antena referensi merupakan

sumber isotropik yang lossless (Pin(lossless)). Secara rumus dapat dihubungkan

sebagai berikut[2]:

2.2.1.5 Directivity

Pengarahan (directivity) adalah sebagai perbandingan antara rapat daya

maksimum pada berkas utama terhadap rapat daya rata rata yang diradiasikan[2]

Intensitas radiasi rata rata sama dengan jumlah daya yangdiradiasikan oleh

antena dibagi dengan 4. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi

maksimum merupakan arah yang dimaksud. Directivity ini dapat dirumuskan

sebagai berikut[2]:

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9)


11


Dimana:

D = Keterarahan (Directivity)

D0 = Keterarahan maksimum

U = Intensitas radiasi

Umax = Intensitas radiasi maksimum

U0 = Intensitas radiasi pada sumber isotropik

Prad = Daya total radiasi

2.2.1.6 Bandwidth

Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi dimana

kerja yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi

masukan, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss,

axial ratio) memenuhi spesifikasi standard.

Gambar 2.3 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth [12]

Dengan melihat Gambar 2.3 bandwidth dapat dicari dengan menggunakan rumus

berikut ini[12]:

Dimana: f2 = frekuensi tertinggi

f1 = frekuensi terendah

fc = frekuensi tengah

Ada beberapa jenis bandwidth diantaranya:

a. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana patch antena berada

pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena

impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai

frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Nilai

return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9.54 dB

dan 2, secara berurutan.

(2.10)


12


b. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana beamwidth, sidelobe atau

gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut

harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat

dicari.

c. Polarization atau axial ratio adalah rentang frekuensi dimana polarisasi (linier

atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar

adalah kurang dari 3 dB.

2.2.1.7 Impedansi Masukan

Impedansi masukan adalah impedansi pada antena yang terukur pada titik-

titik terminal masukan antena atau perbandingan antara tegangan dan arus pada

sepasang terminal masukan antena. Dengan kata lain, impedansi masukan

merupakan total impedansi dari impedansi karakteristik (saluran transmisi) Zo, dan

impedansi beban (antena) ZL, yang dapat dirumuskan dengan persamaan[4]:

dengan adalah konstanta propagasi.

2.2.1.8 Impedansi Karakteristik Saluran Mikrostrip

Pada prinsipnya antena mikrostrip mempunyai kesamaan dengan saluran

mikrostrip. Dengan memperhatikan adanya kesamaan sifat yang dimiliki sebagai

komponen pasif, maka dalam menentukan impedansi karakteristik antena dapat

dilakukan dengan menggunakan analisis saluran transmisi dalam bentuk

mikrostrip. Tujuan penentuan impedansi karakteristik antena adalah untuk

menentukan lebar saluran atau elemen radiasinya.

Secara matematik besarnya nilai impedansi karakteristik unutk saluran

antena mikrostrip dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut[3]:

(2.11)

(2.12)

(2.13)


13


Dimana: Z0 = impedansi karakteristik ()

r = permitivitas dielektrik relatif substrat (F/m)

W = lebar elemen radiasi (mm)

h = tinggi bahan substrat (mm)

Impedansi karakteristik merupakan salah satu parameter yang penting dalam

merancang antena mikrostrip, karena apabila impedansi saluran yang tidak

matching dengan impedansi masukan antena akan menyebabkan beberapa

masalah, antara lain timbulnya sinyal pantul, distorsi dan interferensi antar alur

rangkaian.

2.2.2 Dimensi Antena

Untuk mencari dimensi antena mikrostrip, harus diketahui terlebih dahulu

parameter bahan yang digunakan yaitu tebal substrat (h), konstanta dielektrik (r),

tebal konduktor (t) dan rugi-rugi bahan. Panjang antena mikrostrip 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 antena mikrostrip

(W) impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk

mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan[1]:

Dimana: W : lebar konduktor

r : konstanta dielektrik

c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x108)

fo : frekuensi kerja antena

Sedangkan untuk menentukan panjang patch antena (L) diperlukan

paramater yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing

effect. Pertambahan panjang dari L ( ) tersebut dirumuskan dengan[1]:

(2.14)

(2.15)


14


Dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat, dan adalah

konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai[1]:

Dengan panjang patch (L) dirumuskan dengan[1]:

Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan

dengan[1]:

Sedangkan perhitungan saluran pencatu dilakukan dengan menghitung lebar

dan panjang inset feed. Lebar saluran pencatu (W0)[10]:

Sementara untuk

, persamaannya adalah sebagai berikut[10]:

dengan A dan B adalah[10]:

Untuk perhitungan panjang saluran pencatu (y0)[1]:

Impedansi input :

dengan G1 dan G2[1]:

dimana

Dengan mengetahui nilai impedansi input, selanjutnya dapat dihitung

dimensi panjang inset feed untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi

yaitu[1]:

(2.16)

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26)

(2.27)


15


Persamaan diatas membutuhkan usaha yang cukup besar untuk

menghitungnya. Perhitungan untuk mendapatkan panjang inset feed dapat

disederhanakan menjadi seperti ditunjukan pada persamaan berikut. Yang mana

persamaan ini valid untuk r dari 2 sampai 10[8].

2.2.3 Teknik Pencatuan Saluran Transmisi Mikrostrip

Teknik pencatuan digunakan untuk menghasilkan radiasi baik dengan

kontak langsung maupun tidak langsung. Pada skripsi ini penulis menggunakan

teknik pencatuan oleh saluran transmisi mikrostrip (Microstrip Line Feed), adalah

salah satu metode yang paling mudah untuk dibuat karena hanya menghubungkan

strip konduktor kepada patch dan oleh karena itu dapat dianggap sebagai patch

tambahan[12]. Hal ini mudah dimodelkan dan mudah di-matching dengan

mengontrol posisi inset. Bagaimana kerugian metode ini adalah dengan

bertambahnya ketebalan substrat, gelombang permukaan dan radiasi catuan

spurious juga bertambah yang mengakibatkan bandwidth nya juga menyempit.

2.2.4 Daerah Antena

Daerah antena merupakan pembatas dari karakteristik gelombang

elektromagnetika yang dipancarkan oleh antena. Ruang di sekeliling antena

biasanya dibagi dalam 3 daerah, diperlihatkan pada Gambar 2.4 di bawah ini:

Gambar 2.4 Daerah medan antena

(2.28)


16


Jika didefinisikan :

D = Dimensi terluar antena, = panjang gelombang, dan R = Radius

masing-masing daerah antena, maka :

a. Daerah medan dekat reaktif .

Daerah ini didefinisikan sebagai bagian dari daerah medan dekat di

sekitar antena, dimana daerah reaktif lebih dominan. Untuk kebanyakan

antena batas terluar daerah ini adalah[21]:

/62,0 3DR

dari permukaan antena, dimana adalah panjang gelombang dan D

adalah dimensi terluar antena.

b. Daerah medan dekat radiasi.

Didefinisikan sebagai daerah medan antena antara medan-dekat

reaktif dan daerah medan jauh dimana medan radiasi dominan dan

distribusi medan bergantung pada jarak dari antena. Daerah ini disebut

daerah Freshnel. Radiusnya[21]:

23

262,0D

RD

c. Daerah medan jauh.

Merupakan daerah medan antena dimana distribusi medan tidak

lagi bergantung pada jarak dari antena. Di daerah ini, komponen medan

transversal dan distribusi angular tidak bergantung pada jarak radial

dimana pengukuran dibuat. Semua spesifikasi diperoleh dari pengukuran

yang dilakukan di daerah ini[21].

2

2D

R

(2.29)

(2.30)

(2.31)


17


2.3 Metamaterial

Metamaterial merupakan material buatan yang tidak dapat ditemukan

dialam. Metamaterial memiliki permitivitas dan permeabilitas negatif, dimana dua

hal ini menunjukan bagaimana sebuah material berinteraksi dengan radiasi

elektromagnetik termasuk, microwave, radiowave, x-rays dan gelombang

elektromagnetik lainnya. Ketika suatu bahan memiliki permitivitas dan

permeabilitas bernilai negatif, maka bahan tersebut memiliki indeks bias negatif

atau juga disebut material left-handed[15].

Indeks bias didefinisikan oleh[13]:

dengan v adalah kecepatan penjalaran gelombang elektromagnetik pada medium.

Sedangkan indeks bias menurut persamaan Maxwell adalah[13]:

dengan adalah dielectric relative (permitivitas), dan adalah permeabilitas

magnetic relative dari medium. Pada material biasa, dan bernilai positif, maka

indeks bias pada material tersebut adalah[13]:

walaupun indeks bias dapat memiliki bagian kompleks, namun tiada seorang pun

yang mempertanyakan kemungkinan adanya indeks bias yang bernilai negatif

hingga pada tahun 1967. Pada tahun itu, Vaselago melihat bahwa adanya

kemungkinan indeks bias suatu material bernilai negatif, seperti ditunjukan

oleh[13]:

Vaselago juga mengungkapkan bahwa penjalaran gelombang elektromagnetik

pada medium indeks bias negatif akan memilki properti yang berbeda

dibandingkan dengan penjalaran gelombang elektromagnetik pada medium

berindeks bias positif.

(2.32)

(2.33)

(2.34)

(2.35)


18


Gambar 2.5 Gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnet dirumuskan oleh persamaan Maxwell, yang mana

gelombang ini mengandung medan listrik dan medan magnet, persamaan (2.34).

Gelombang planar, seperti yang ditunjukan disini, memiliki medan listrik dan

magnetik yang terpolarisasi pada sudut yang tepat satu sama lain. Arah medan

pada gelombang planar juga membentuk sudut kanan sehubungan arah propagasi.

Ketika suatu gelombang elektromagnetik masuk dalam suatu material, medan

medan gelombang berinteraksi dengan elektron dan muatan muatan dari atom

dan molekul yang mengubah struktur material dan menyebabkannya

bergerak[14].

Mengetahui bahwa permitivitas dan permeabilitas adalah satu satunya

parameter material yang relevan untuk gelombang elektromagnet[14], kita dapat

membayangkan sebuah bahan ruang parameter dimana semua bahan dapat

ditempatkan. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.6:


19


Gambar 2.6 Diagram permitivitas, permeabilitas dan indeks bias[7]

Kuadran I, dimana permitivitas dan permeabilitas keduanya positif. Karena

yang paling banyak diketahui berada pada kuadran I ini, yaitu yang memiliki

permitivitas dan permeabilitas positif, maka material di kuadran I inilah yang

paling banyak diteliti. Namun, sebagian besar dari kuadran, belum terlalu banyak

diteliti. Ini dikarenakan material ini tidak mudah untuk didapatkan. Faktanya,

material pada kuadran III, yang memiliki permitivitas dan permeabilitas negatif

lebih kecil dari 0, tidak ditemukan di alam.

2.3.1 Metamaterial Jenis Planar

Metamaterial jenis planar dapat dianggap sebagai sebuah saluran transmisi.

Disini akan dijelaskan secara efektif rangkaian pendekatan berbasis pada

rangkaian ekivalen saluran transmisi yang terdiri dari lumped elemen. Pada

rangkaian ini (Gambar 2.7.a), terdiri dari impedansi Z seri, dan admitansi Y paralel

dan mempunyai panjang saluran elektrik d , yang mana harus lebih pendek dari

pada panjang gelombang untuk membentuk sebuah unit cell.


20


Gambar 2.7 (a).Rangkaian Ekivalen dari saluran transmisi, (b). saluran L-C standard , (c). saluran

left-handed C-L[15]

Karakteristik impedansi dari saluran transmisi adalah[15]:

Konstanta propagasi adalah[15]

untuk gelombang yang berpropagasi pada arah z positif ditandai oleh exp (-z)

akan bernilai + (persamaan 2.32), sedangkan nilai - menandakan gelombang

propagasi pada arah z negatif. Untuk seterusnya akan digunakan nilai positif.

dan adalah atenuasi dan konstanta fasa. kecepatan fasa vp adalah[15]:

dan kecepatan grup vg adalah[15]:

Saluran tanpa loss standard memiliki sebagaimana ditunjukan

gambar 2.7 (b), sehingga persamaan (2.36 2.39) menjadi[15]:

(2.36)

(2.37)

(2.38)

(2.39)

(2.40)

(2.41)

(2.42)

(2.43)


21


Hasil sesuai dengan propagasi dari gelombang maju TEM standar di sepanjang

saluran. Kecepatan vp maupun vg bernilai positif.

Sekarang mari kita memperhatikan kasus ganda pada rangkaian ekivalen

yang terkait yang ditunjukan pada gambar 2.7.(c), dimana posisi kapasitansi dan

induktansi saling ditukar. Dengan cara ini kita telah mengganti struktur lowpass

L-C yang asli menjadi struktur high pass L-C. Struktur high pass L-C inilah yang

menunjukan sifat left-handed dan mewakili versi planar dari metamaterial.

Sehingga untuk saluran tanpa loss, nilai = 0, Z = 1/jCL dan Y = 1/jLL,

sehingga persamaan menjadi[15]:

Dimana pada persamaan (2.46) dan (2.47) terdapat tanda yang berlawanan.

Kecepatan grup memiliki arah yang berlawanan dengan kecepatan fasa. Hasil ini

menandakan gelombang mundur.

Perancangan dapat dilakukan dengan menambahkan induktor dan kapasitor

ke saluran transmisi yang sesungguhnya dengan rangkaian ekivalennya pada

gambar 2.7 (b). Karena rangkaian awal terdiri dari induktansi seri LR dan

kapasitansi CR, maka rangkaian ekivalen dari LHTL (left-handed transmission

line) pada gambar 2.7 (c). harus diubah sebagaimana pada gambar 2.8.

Gambar 2.8. Rangkaian ekivalen modifikasi dari LHTL (left-handed transmission line)[15]

(2.44)

(2.45)

(2.46)

(2.47)


22


Dengan membandingkan persamaan (2.42 dan 2.43) dengan persamaan

umum tentang propagsi gelombang bidang datar di ruang hampa, maka akan

diperoleh:

Dimana L dan C merupakan induktansi dan kapasitansi sebagian (lumped) dari

saluran dengan panjang d yang mana jauh lebih pendek dari lebih tepatnya

d

23


zeroth order resonator dan pembagi (divider) seri panjang gelombang tak hingga

(infinite wavelength).[6]

Gambar 2.9 Fundamental dari CRLH (a) prototype unit sel TL (b) Diagram dispersi[15]

Pada skripsi ini analisa dan desain resonan, antena planar berdasarkan pada

properti panjang gelombang tak hingga (infinite wavelength) dari CRLH TL.

Karena sebuah panjang gelombang tak hingga terjadi ketika konstanta propagasi

adalah nol, frekuensi dari antena yang diajukan tidak tergantung panjang fisik,

tetapi hanya pada reaktansi yang diberikan oleh unit sel nya. Oleh karena itu,

ukuran fisik antena yang diajukan bisa berapa saja. Ini berguna untuk

mendapatkan antena yang ukuran elektrisnya kecil ataupun yang elektrisnya

besar. Dengan merancang unit sel dengan benar, pola radiasi dari antena pada

frekuensi panjang gelombang tak hingga dapat disesuaikan. Secara khusus,

terlihat bahwa unit sel CRLH TL adalah model umum bagi unit sel yang

dibutuhkan, yang mana terdiri dari sebuah kapasitansi seri, sebuah induktansi seri,

sebuah kapasitansi paralel dan sebuah induktansi paralel.

Resonansi paralel unit sel CRLH TL menentukan frekuensi panjang

gelombang tak hingga dan juga frekuensi kerja antena. Sebuah unit sel CRLH TL

tanpa kapasitansi seri disebut juga sebagai unit sel inductor-loaded TL yang dapat

juga digunakan untuk memperoleh antena. Dengan memodifikasi kapasitansi

paralel ekivalen dan/atau parameter rangkaian induktansi paralel pada unit sel,

frekuensi kerja dan ukuran fisik antena dapat dikontrol. Selanjutnya, distribusi


24


medan listrik dengan amplitudo/fasa yang sama pada panjang gelombang tak

hingga memperbaiki pola radiasi monopolar antena.

Berdasarkan pada metodologi struktur periodik, antena CRLH dengan pola

radiasi monopolar biasanya terdiri dari dua, empat dan enam unit sel. Yang mana

pada unit sel ini juga akan diteliti tentang antena pembebanan induktor (inductor-

loaded), impedansi masukan, gain, dan pola radiasi pada pola radiasi

monopolarnya.

2.3.3 Fundamental Infinite Wavelength Unit-Cell (Prinsip Dasar Dari Unit Sel

Panjang Gelombang Tak Hingga)

Untuk membuat antena resonan tipe planar, yang tidak tergantung pada

ukuran fisik, digunakan struktur TL yang didasarkan pada prinsip panjang

gelombang tak hingga. Realisasi dari LH TL, yang mencakup efek RH, dikenal

sebagai CRLH TL yang memiliki panjang gelombang tak hingga (=0 ketika 0)

dan juga dapat digunakan untuk membuat antena yang diinginkan.

Rangkaian ekivalen dari unit sel CRLH TL ditunjukkan pada gambar 2.9.(a).

Diagram dispersi unit sel CRLH TL ditunjukkan pada gambar 2.9.(b). CRLH TL

mendukung prinsip dasar gelombang LH pada frekuensi rendah dan gelombang

RH pada frekuensi tinggi.

Umumnya, resonansi seri dan resonansi paralel tidak sama dan dua hal ini

memiliki frekuensi tidak nol dengan =0. Dua hal ini disebut sebagai titik panjang

gelombang tak hingga dan ditentukan oleh resonansi seri dan resonansi paralel

dari unit sel. Dengan cascading sebuah unit sel CRLH TL dengan panjang p,

waktu N, sebuah CRLH TL dengan panjang L = N * p dapat dibuat. CRLH TL

dapat digunakan sebagai sebuah resonator pada kondisi resonan[15]:

Dimana n adalah jumlah mode resonan dan dapat bernilai positif, negatif, bahkan

nol. Ketika n = 0, diperoleh panjang gelombang tak hingga dan kondisi resonansi

yang independen dari panjang CRLH TL. Ketika kondisi open boundary, frekuensi

(2.54)


25


panjang gelombang tak hingga ditentukan oleh frekuensi resonansi paralel, sh

yang diberikan pada persamaan berikut[15]:

Karena yang menentukan frekuensi panjang gelombang tak hingga hanya

resonansi paralel unit sel CRLH TL, sehingga komponen serinya tidak

berpengaruh. Sebagai contoh, resonator open-ended berbasis 4 unit sel CRLH

ditunjukan pada gambar 2.10 (a), dengan CL = 1.50 pF, LR = 1.00 nH, CR = 1.45

pF, dan Ll = 1.95 nH,yang sesuai dengan fsh = 3.0 GHz. Resonator open-ended

dihubungkan ke port input/output dengan kapasitor Cc = 0.01 pF. Sementara itu

gambar 2.10 (b) menunjukkan resonator open-ended dengan komponen seri yang

dibuang.

Gambar 2.10 Resonator open-ended 4 sel (a) unit sel CRLH TL, (b) Tidak ada komponen seri[15]

Gambar 2.11 Puncak resonan dari resonator open-ended pada gambar 2.13[15]

(2.55)


26


Puncak resonan dari dua resonator open-ended ditunjukkan pada gambar

2.11 dan menunjukan bahwa hanya komponen paralel yang menentukan resonansi

panjang gelombang tak hingga pada kondisi open boundary. Oleh karena itu, unit

sel dengan inductor-loaded TL (pembebanan induktor) dengan komponen paralel

yang sama dengan unit sel CRLH TL mempunyai frekuensi gelombang tak hingga

sebagai unit sel CRLH TL.Unit sel pada inductor-loaded TL ditunjukan pada

gambar 2.12 dan konstanta propagasinya[15]:

Induktor-loaded TL hampir sama dengan CRLH TL tetapi hanya berbeda

sedikit pada karakteristik dispersinya.

Gambar 2.12 Inductor-loaded TL (a) panjang unit sel LC, (b) Diagram dispersi[15]

2.4 WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access yang biasa disingkat

WiMAX merupakan teknologi komunikasi data nirkabel tingkat lanjut yang

dikembangkan untuk meningkatkan kinerja dan kapasitas serta jangkauan

layanan.

WiMAX dikembangkan secara khusus dari teknologi OFDM (orthogonal

frequency division multiplexing) untuk mencapai coverage area yang luas yaitu

beberapa mil atau sekitar 50 km, dengan bandwidth tinggi sekitar 72 Mbps dan

(2.56)


27


tambahan multiple access yang mungkin bisa diaplikasikan untuk sistem

komunikasi wireless masa depan. Teknologi sebelumnya, yaitu WiFi hanya

mampu menjangkau 20-100 meter dengan kecepatan beberapa puluh Mbps saja.

Karena itulah teknologi WiMAX lebih menjanjikan untuk masa yang akan datang.

Dari awal pengembangan sampai saat ini, WiMAX telah melakukan

beberapa penyempurnaan. Evolusi WiMAX dapat dilihat pada tabel 1 berikut.

Tabel 2.1. Evolusi WiMAX

Standar Fungsi

802.16a Standar pertama, beroperasi pada 10-66 GHZ, LOS

802.16d NLOS yang beroperasi di 2-11 GHz

802.16-2004 Standar pemersatu untuk 802.16a dan 802.16d

802.16e Penambahan fungsi perpindahanterminal (roaming)

802.16f Kemampuan jaringan mesh

WiMAX memiliki kelebihan dibandingkan dengan teknologi Wireless LAN

(WLAN) dalam banyak hal. Kapasitas yang mampu diselenggarakan WiMAX

mencapai 70 Mbps per kanal untuk aplikasi fixed (tetap) dan portable (berpindah).

WiMAX juga memiliki kemampuan mengatasi hambatan transmisi secara fisik.

Teknologi ini disebut Near Line Of Sight (NLOS).

Gambar 2.13. Standar spesifikasi komunikasi


28


Dari perspektif global, band 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz dan 5.7 GHz

paling mungkin untuk digunakan dalam penyebaran WiMAX. Berdasarkan

pertimbangan topografi yang sangat luas, wilayah yang harus dicover dengan

topografi yang tidak seluruhnya datar dan biaya investasi pengembangan

infrastruktur WiMAX, maka frekuensi yang optimum untuk diterapkan WiMAX di

Indonesia adalah di frekuensi 2.3 GHz dan 3,3 GHz, sesuai dengan Peraturan

Mentri Komunikasi dan Informatika Republik Indonesia di band 2.3 GHz (2.3-2.4

GHz) dan 3.3 GHz (3.3-3.4 GHz)[17].

Sementara teknologi wireless yang sudah tersedia saat ini adalah WiFi,

namun luas layanan dan kapasitasnya terbatas. WiFi Hotspot misalnya hanya

melayani area seluas maksimal 100 meter. Densitasnya pun kecil, kemngkinan

adanya interferensi, mengingat fitur teknologinya juga terbatas.

WiMAX ditujukan untuk menggabungkan teknologi existing (DSL, cable)

dan WiFi baik indoor maupun outdoor. WiMAX bisa digunakan sebagai backhaul

atau backbone utama yang menggabungkan antar BTS, Hotspot. WiMAX juga

dapat dikembangkan sebagai repeater baik untuk WiFi maupun DSL/Cable.

Sedangkan ketika perangkat CPE, mobile gadget WiMAX tersedia di pasar, maka

perangkat WiMAX bisa menjadi Access Point.

Kapasitas WiMAX sebagai media transport cukup besar dan memungkinkan

penggunaan aplikasi yang lebih luas dan mungkin jenis layanan baru. Misalnya

untuk layanan video on demand, live streaming maupun VOIP (Voice Over

Internet Protocol). Diharapkan nantinya WiMAX akan mampu menyelenggarakan

layanan broadband setara DSL/Cable sampai ketingkat pengguna akhir serta

melayani keterbatasan ketersediaan infrastruktur di daerah dalam waktu singkat,

mudah dan murah.

Kelebihan dan kekurangan WiMAX akan dijelaskan pada tabel berikut:


29


Tabel 2.2. Kelebihan WiMAX

Faktor Kelebihan

Kecepatan Data WiMAX mampu untuk menyalurkan data hingga kecepatan

70 Mbps per kanal

Jarak Jangkauan Jangkauannya sampai 50 km

Keamanan Teknologi WiMAX didesain dengan tingkat keamanan yang

tinggi dengan kemampuan QoS (Quality of Service)

Fleksibilitas Tidak tergantung kabel, lain dengan DSL yang

membutuhkan jaringan kabel, maka WiMAX tidak

tergantung infrastruktur kabel tersedia

Biaya Pembangunan infrastrukturnya jauh lebih cepat dan lebih

murah ketimbang akses broadband

Non Line of Sight WiMAX tidak memerlukan jarak pandang (line of sight)

antara pemancar dan penerima

Tabel 2.3. Kekurangan WiMAX

Faktor Kekurangan

Perangkat Belum banyak perangkat yang tersedia karena belum

selesainya proses sertifikasi. Hal ini disebabkan baru

diratifikasinya standar 802.16e, sehingga para vendor

memerlukan waktu untuk mendesain peralatan yang sesuai

dengan standar tersebut

Pengalokasian

Frekuensi

Beragamnya frekuensi operasi, masalah ini disebabkan

oleh pengalokasian frekuensi WiMAX yang berbeda-beda

disetiap negara, sehingga perangkat WiMAX disetiap

negara akan mengikuti frekuensi operasi dimana WiMAX

dioperasikan.

Tingkat

Kehandalan

Teknologi WiMAX merupakan teknologi jaringan yang

masih dalam tahap pengembangan sehingga teknologi

belum teruji kehandalannya pada kondisi sebenarnya.



BAB 3

PERANCANGAN ANTENA METAMATERIAL CRLH

3.1 Pendahuluan

Pada skripsi ini, penulis merancang dan memfabrikasi antena mikrostrip

CRLH metamaterial yang beroperasi pada frekuensi 3.3 GHz (3.3 - 3.4 GHz)

dengan tujuan meminiaturisasi antena. Ada beberapa tahapan dalam perancangan

antena ini, diantaranya adalah menentukan spesifikasi substrat yang akan

digunakan, menentukan dimensi substrat, membuat antena konventional,

menghitung dimensi antena konventional, membuat antena CRLH, menentukan

menentukan jarak antar elemen, menentukan ukuran via, menentukan panjang dan

lebar pencatu, membandingkan antena konventional dengan antena CRLH,

menghitung reduksi dimensi antena. Setelah menentukan perancangan tersebut,

kemudian antena disimulasikan dengan mengganti perangkat lunak (software)

CST Microwave Studio 2011. Tujuan disimulasikan ini adalah untuk melihat

bagaimana karakteristik atau kinerja antena, dimana nantinya pada saat

direalisasikan atau difabrikasi bisa sesuai dengan yang diinginkan.

Sebelum merancang antena mikrostrip CRLH metamaterial, yang

dilakukan pertama kali adalah study literatur mengenai antena, termasuku

parameter parameternya, seperti, bandwidth, pola radiasi, return loss, gain,

VSWR

. Setelah itu merancang antena konventional terlebih dahulu. Proses ini ditujukan

agar kedua antena bisa dibandingkan, sehingga diketahui berapa persen antena

direduksi. Karena tujuan dari skripsi ini adalah meminiaturisasi antena, dengan

kata lain berapa persen metode CRLH ini akan mereduksi ukuran antena jika

dibandingkan dengan antena konventional yang didesain dengan substrat dan

frekuensi yang sama. Pada sub bab 3 ini, akan diperlihatkan bagaimana

menentukan letak parameter pencatu antena secara matematis.


31


3.2 Perangkat Yang Digunakan

Perancangan antena ini menggunakan perangkat keras (hardware) dan

perangkat lunak (software). Perangkat keras digunakan untuk fabrikasi dan

pengukuran antena, sedangkan perangkat lunak digunakan untuk melakukan

simulasi dan untuk mengetahui karakteristik atau kinerja antena yang dirancang.

Perangkat keras yang digunakan dalam perancangan antena mikrostrip

antara lain:

1. Substrat dielektrik Taconic TLY-5, sebagai bahan antena.

2. Network Analyzer Agilent 5230 C

Alat ini dapat digunakan untuk pengukuran port tunggal (mengukur

VSWR, frekuensi resonansi, impedansi masukan, return loss, dan

bandwidth) dan port ganda (mengukur pola radiasi dan gain).

3. Connector SMA 50 ohm.

4. Kabel Coaxial 50 ohm.

5. Solder

6. Anechoic Chamber

Ruang yang dipakai untuk mengukur gain dan pola radiasi

Adapun perangkat lunak (software) yang digunakan yaitu:

1. CST Microwave Studio 2011

Perangkat lunak ini digunakan untuk merancang dan mensimulasikan

antena yang akan dibuat. Setelah disimulasi akan diperoleh beberapa

karakteristik antena seperti frekuensi kerja, bandwidth, impedansi

masukan, return loss, VSWR, dan pola radiasi.

2. Microsoft Visio 2010

Perangkat lunak ini digunakan untuk melakukan visualisasi dengan

perancangan.

3. Microsoft Excel 2007

Perangkat lunak ini digunakan untuk mengolah data dengan persamaan

matematis.


32


3.3 Diagram Alir Perancangan Antena

Gambar 3.1 menunjukan metodologi perancangan skripsi.

Gambar 3.1 Diagram alir metodologi pengerjaan skripsi

Start Study Literatur

- Antena

- Metamaterial

Menentukan

Dimensi

Antena

Merancang dan

Simulasi Antena

dengan Software

CST

Frekuensi

3.3-3.4 GHz?

Fabrikasi Pengukuran

- Menggunakan Anechoic

Chamber Room

dan Network

Analyzer

Frekuensi

3.3-3.4 GHz?

Mengambil dan

Mengolah data

Perbandingan dan

Kesimpulan End

Ya

Tidak

Ya

Tidak


33


3.4 Perancangan Antena

Tahapan perancangan antena pertama kali adalah menentukan karakteristik

antena yang diingkan, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Karakteristik

antena yang dimaksud yaitu, frekuensi kerja, return loss, VSWR, dan gain. Pada

penelitian ini diharapkan dapat memberikan karakteristik hasil yang diinginkan

yaitu:

1. Frekuensi Kerja : 3.3 GHz (3.3 - 3.4 GHz)

2. Impedansi terminal : 50 koaksial konektor SMA

3. VSWR : 2

4. Bandwidth : 100 MHz

Setiap substrat memiliki parameter yang berbeda beda. Oleh karena itu,

perlu ditentukan terlebih dahulu jenis substrat yang akan digunakan sebagai

antena mikrostrip. Jenis substrat yang digunakan adalah Taconic TLY 5 dengan

konstanta dielektrik 2.2 dan tebal substrat 1.6 mm.

Ketebalan substrat akan mempengaruhi bandwidth dan gelombang

permukaaan (surface wave). Semakin kecil tebal substrat maka efek gelombang

permukaan semakin kecil. Dengan mengecilnya gelombang permukaan

diharapkan dapat meningkatkan kinerja antena seperti: gain, efisiensi dan

bandwidth. Konstanta dielektrik relatif (r) akan mempengaruhi terjadinya

gelombang permukaan. Namun dengan semakin kecilnya konstanta dielektrik,

maka ukuran patch dan saluran pencatu mikrostrip yang dibutuhkan akan semakin

luas, karena ukuran patch dan saluran mikrostrip berbanding terbalik dengan

konstanta dielektrik.

Skripsi ini merancang dua jenis antena dengan substrat dan tebal substrat

yang sama, yang pertama adalah antena konventional dan yang kedua adalah

antena CRLH metamaterial. Dimana nantinya kedua antena ini akan

dibandingkan, dan diharapkan dengan metode CRLH metamaterial dapat

meminiaturisasi antena.


34


3.4.1 Perancangan Antena Konventional

Sebelum merancang antena mikrostrip CRLH metamaterial, langkah

pertama yang harus dilakukan adalah merancang antena konvensional, seperti

gambar 3.2 berikut:

Gambar 3.2 Antena Konvensional

3.4.1.1 Perancangan Saluran Pencatu Mikrostrip

Pada saat pengukuran, pencatu antena mikrostrip akan dihubungkan

dengan konektor SMA 50 . Dengan demikian dalam perancangan pencatu

antena mikrostrip perlu impedansi masukan (Zin) 50 . Untuk mendapatkan nilai

impedansi saluran pencatu 50 , dapat dilakukan dengan mencari lebar saluran

pencatu. Lebar saluran pencatu bisa dihitung dengan persamaan (2.19 2.22).

Dengan memasukkan nilai r = 2.2, h = 1.6 mm dan Z0 = 50 , maka:

W

L

Yo

Wo


35


Dimana nilai B adalah:

Sehingga

3.4.1.2 Perancangan Lebar, Panjang dan Inset Feed Antena

Langkah selanjutnya adalah menghitung panjang (L), lebar (W), dan inset

feed (Y0) antena konvensional. Dengan spesifikasi f0 = 3.35 GHz, r = 2.2, h = 1.6

mm, c = 3 x 108. Untuk menghitung lebar antena digunakan persamaan 2.14

sebagai berikut:

Sedangkan untuk menentukan panjang patch antena (L) diperlukan

paramater yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing

effect. Pertambahan panjang dari L ( ) tersebut dirumuskan pada persamaan

2.15. Sebelum menghitung maka harus diketahui dulu konstanta dielektrik

relatif yang dirumuskan pada persamaan 2.16, sebagai berikut:


36


Sehingga dapat dicari:

Sebelum mencari L, maka dihitung terlebih dahulu Leff yaitu panjang patch efektif

seperti yang dirumuskan pada persamaan 2.18, sebagai berikut:

Leff =

Sehingga L dapat dihitung, seperti pada persamaan 2.17, yaitu:

L = Leff 2

Perhitungan untuk mendapatkan panjang inset feed ditunjukkan pada persamaan

2.28 berikut. Yang mana persamaan ini valid untuk r dari 2 sampai 10.

3.4.2 Perancangan Antena Mikrostrip CRLH Metamaterial

Karena tidak diperoleh rumusan spesifik untuk menghitung dimensi antena

mikrostrip CRLH metamaterial untuk mendapatkan karakteristik-karakteristik

antena pada frekuensi kerja tertentu, maka dimensi antena mikrostrip CRLH

metamaterial diperoleh dari jurnal-jurnal terkait dan referensi dari buku-buku,

dimana dapat disimpulkan semakin kecil dimensi via dan gap pada antena

mikrostrip CRLH metamaterial maka karakteristiknya akan semakin bagus[20].


37


Maka dari itu penulis, merancang dan memilih ukuran parameter antena sekecil,

sebatas ukuran yang bisa di fabrikasi.

3.5 Hasil Simulasi

Setelah melakukan perhitungan untuk antena konvensional dan merancang

antena CRLH, maka langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi antena untuk

mendapatkan karakteristiknya dengan software CST Studio 2011. Ada beberapa

iterasi yang dilakukan dengan tujuan mendapatkan karakteristik antena yang

diinginkan. Adapun iterasi yang telah dilakukan penulis yaitu:

1. Mengubah bentuk patch yang awalnya berbentuk rectangular, menjadi antenna

dengan patch berbentuk huruf S, E, dan U.

2. Memperbesar diameter via.

3. Menggeser via, saling mendekat dan saling menjauh diantara dua via ditiap

patch nya.

4. Mengurangi luas ground.

5. Memindahkan posisi feeding line, keatas dan kebawah.

6. Memperkecil jarak feeding line ke patch antena.

7. Memperlebar gap dari 0.2 mm menjadi 0.3 mm dengan tujuan bisa difabrikasi.

Pada akhirnya proses iterasi dilakukan dengan beberapa penyesuaian atau

ketentuan ketika mau difabrikasi. Seperti, minimal via memiliki diameter 0.7 mm,

lebar jalur minimal 0.2 mm (namun tempat penyedia jasa pembuatan antena

menyarankan minimal jalur 0.3 mm, agar mengurangi resiko kegagalan).

3.5.1 Hasil Simulasi Awal

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya ada beberapa proses iterasi, yang

pertama membuat desain antena yang lain, yaitu mengubah patch yang

rectangular menjadi patch berbentuk huruf S, E, dan U. Kemudian

membandingkan hasilnya, dari keempat desain antena tersebut. Kemudian

mengiterasi via dengan diameter 0.24 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 0,7 mm dan 1 mm.

Dengan tujuan memperbaiki kualitas antena, namun semakin besar diameter via


38


antena maka frekuensi juga akan semakin besar (bergeser ke kanan). Disisi lain,

via berdiameter paling kecil yang bisa diproduksi di Indonesia untuk saat ini

mempunyai ukuan yaitu 0.5 mm.

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 3.3 (a) Patch Rectangular, (b) Patch E, (c) Patch S, (d) Patch (U)

Berikut hasil yang didapat untuk keempat desain dengan diameter via 0.24

mm, 0.3 mm, 0.5 mm dan 0.7 mm.

Tabel 3.1. Hasil Simulasi untuk via 0.24 mm

Parameter Rectangular Patch E Patch S Patch U

Bandwidth 40 MHz 40 MHz 40 MHz 50 MHz

Frekuensi (3.32-3.36) GHz (3.29-3.33) GHz (3.31-3.35) GHz (3.40-3.45) GHz

F. Resonant 3.345 GHz 3.315 GHz 3.34 GHz 3.43 GHz

Z 51.29 51.35 50.65 50.66 Gain 1.496 dB 1.432 dB 1.236 dB 1.485 dB


39


Gambar 3.4 Grafik S11 antena patch rectangular dengan diameter via 0.24 mm

Gambar 3.4 menunujukan Grafik S11 pada antena patch rectangular dengan

diameter via 0.24 mm. Pada frekuensi 3.345 GHz dengan return loss 27.5 dB

menghasilkan bandwidth yang masih sempit yaitu 40 MHz dengan rentang

frekuensi dari 3.32 GHz 3.36 GHz.






Z 51.29 51.35 50.65 50.66

Gain 1.88 dB 1.886 dB 1.619 dB 2.032 dB






Z 51.29 51.35 50.65 50.66

Gain 2.109 dB 2.066 dB 1.713 dB 2.232 dB Tabel 3.4. Hasil Simulasi untuk via 0.7 mm





40



Z 51.29 51.35 50.65 50.66

Gain 2.404 dB 2.338 dB 2.23 dB 2.509 dB

Dari keempat tabel bisa dilihat bahwa keempat patch tidak menunjukan

hasil yang signifikan, namun bisa diketahui bahwa semakin lebar diameter via

maka akan semakin besar juga frekuensinya, begitu juga untuk gainnya, yaitu

gain semakin meningkat seiring semakin lebarnya diameter via. Untuk bandwidth,

keempat patch menghasilkan bandwidth diantara 40 MHz 60 MHz.

Iterasi selanjutnya yaitu, melakukan pergeseran via yaitu saling mendekat

dan menjauh. Via digeser saling menjauh 0.5 mm dari via yang satu, dan via

digeser saling mendekat sejauh 0.5 mm. Namun untuk iterasi ini, hanya dilakukan

pada via dengan diameter 0.5 mm, dikarenakan hasil tidak signifikan, hasil hampir

sama dengan sebelum digeser menjauh dan mendekat.

Dikarenakan bandwidth belum mencapai target maka, dilakukan iterasi

kembali, yaitu mengurangi luas ground (dari feeding line) sebanyak 2 mm, 4 mm,

dan 8 mm. Untuk yang 2 mm dan 4mm belum menunjukkan hasil yang bagus.

Sedangkan untuk yang 8 mm di dapat bandwidth 620 MHz, namun return lossnya

masih besar yaitu sekitar 12 dB, sementara yang diharapkan return loss 14 dB.

Gambar 3.5 Grafik S11 patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm

Gambar 3.5 menunjukan grafik S11 untuk desain antena patch rectangular,

dimana groundnya dikurangi sebanyak 8 mm dari feeding line. Bandwidth yang

dihasilkan lebar yaitu sekitar 620 MHz namun return loss nya hanya 13 dB.

Range frekuensi nya dari 2.74 GHz 3.36 GHz.


41


Gambar 3.6 Farfield 3D patch rectangular yang groundnya dikurangi 8 mm

Gambar 3.6 menunjukan Farfield 3D antena patch rectangular yang

groundnya dikurangi 8 mm. Terlihat pada frekuensi kerjanya yaitu 3.345 GHz,

diperoleh gain antena sebesar 1.496 dB. Gambar diatas juga menunjukan pola

radiasi secara 3D dari antena.

Gambar 3.7 Desain antena tampak belakang

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa dengan mengurangi luas

ground maka bandwidth yang dihasilkan juga semakin lebar. Iterasi dilakukan

untuk lebar ground yang dikurangi sebanyak 2 mm, 4 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm

dan 15 mm. Hasil paling bagus ketika ground dibuang sebanyak 15 mm. Diameter

via juga diubah menjadi 1 mm. Karena semakin lebar via frekuensi juga semakin

bergeser namun karena luas groundnya juga disesuaikan maka didapat frekuensi

yang diinginkan yaitu 3.3 GHz.


42


3.5.2 Hasil Simulasi Akhir

Setelah melakukan beberapa kali iterasi, dapat disimpulkan dengan

mengurangi luas ground dari feeding line nya dapat meningkatkan bandwidth.

Sementara itu dengan mengiterasi luas patch antena dapat mengatur frekuensi,

karena semakin luas patch antena maka frekuensi nya semakin kecil, begitu

sebaliknya. Via juga berpengaruh dalam hal menggeser frekuensi, semakin lebar

diameter via maka frekuensi juga semakin besar. Sementara itu, untuk gain

sendiri, selalu berbanding lurus dengan dimensi antena, semakin kecil dimensi

antena maka gain juga akan semakin kecil. Lebar pencatu juga disesuaikan,

karena impedansi antena yang diinginkan adalah 50 . tempat pencatu juga

disesuaikan karena letak pencatunya berpengaruh pada besar kecilnya return loss.

3.5.2.1 Hasil Simulasi Akhir Antena CRLH Metamaterial

Pengurangan luas ground pada antena, mempunyai kekurangan yang

berdampak besar pada antena, yaitu pada saat menghubungkan konektor ke

antena, ground tidak terhubung langsung ke ground, sehingga dibutuhkan kabel

semi rigid untuk menghubungkan nya. Kabel semi rigid yang digunakan berupa

kabel tembaga dengan lebar diameter penampang 2 mm dan panjang kabel semi

rigid 22 mm. Dimana disekeliling kabel semi rigid ini diselubungi dengan

induktor, dengan tujuan arus tetap mengalir ke ground tanpa harus mengenai

substrat Taconic TLY-5 nya. Hal ini juga bertujuan agar bisa mendapatkan hasil

pengukuran yang sesuai dengan hasil ketika simulasi. Kabel semi rigid

dihubungkan pada konektor 50 kemudian disolder ke antena dan konektornya,

agar antena dan konektor menjadi lebih kuat.


43


Gambar 3.8. Antena CRLH tampak depan

Gambar 3.9. Antena CRLH tampak belakang

Gambar 3.8 dan gambar 3.9 memperlihatkan antena tampak atas dan tampak

belakang. Dimana dimensi antena keseluruhan yaitu 20 mm x 35 mm. Dibagian

belakang ground yang dikurangi ditambah kabel semi rigid untuk menghubungi

bagian atas ground dengan konektor.

L

W

Wo

Via Gap

15 mm Ground

L

Kabel Semi Rigid


44


Gambar 3.10 Grafik S11.

Dari gambar 3.10 memperlihatkan hasil simulasi S11, frekuensi masih

dalam range 3.3 3.4 GHz, namun bandwidthnya menjadi lebih kecil. Sementara

itu return lossnya menjadi lebih bagus yaitu 18.544 dB.

(a) (b)

Gambar 3.11 Pola radiasi medan E antena metamaterial CRLH (a) E-Co (b) E-Cross

Gambar 3.11 menampilkan pola radiasi medan E antena metamaterial

CRLH. Gambar (a) menunjukan pola radiasi E-Co sedangkan gambar (b)

menunjukan pola radiasi E-Cross.


45


Gambar 3.12 Pola radiasi E-Co vs E-Cross

Gambar 3.12 menunjukan pola radiasi E-Co vs E-Cross. Dimana E-co lebih

besar dari pada E-cross.

Gambar 3.13 VSWR antena metamaterial CRLH

Gambar 3.13 memperlihatkan grafik VSWR dimana pada frekuensi

kerjanya VSWR maksimum yang didapat adalah 1.268.


46


Gambar 3.14 Farfield 3D Antena CRLH Metamaterial

Gambar 3.14 memperlihatkan farfield 3D dari antena CRLH metamaterial,

dimana dari gambar dapat dilihat pola radiasi secara 3 dimensi. Terlihat bahwa

gain yang dihasilkan sebesar 1.334 dB pada frekuensi kerja 3.37 GHz.

Jadi bisa disimpulkan untuk hasil simulasi antena CRLH metamaterial:

3.5.2.2 Hasil Simulasi Akhir Antena Konvensional

Antena konvensional dirancang bertujuan untuk membandingkan

dimensinya dengan antena CRLH metamaterial. Dimana antena metamaterial

didesain hanya berupa patch biasa dengan inset feed. Tidak ada via dan gap antar

patch. Karena via dan gap inilah yang membuat antena jadi metamaterial.

Rangkaian ekivalen antena konvensional berupa induktansi seri dan

kapasitansi paralel. Sebaliknya, antena metamaterial berupa kapasitansi seri dan

induktansi paralel.


47


Gambar 3.15 Antena konvensional tampak depan.

Gambar 3.15 menunjukkan rancangan antena konvensional tampak depan.

Ukuran antena disesuaikan dengan iterasi panjang L, W, dan inset feednya. Pada

saat perhitungan ukuran W = 35.4 mm sama seperti perancangan. L saat

perhitungan 30.85 mm, sementara pada perancangan beda sedikit yaitu 29.175

mm. Untuk W0 saat perhitungan 4.8 mm, saat perancangan menjadi 4.6 mm, ini

disesuaikan agar impedansi karakteristik 50 . Ukuran inset feed sama dengan

perhitungan yaitu 7.425 mm. Untuk ukuran lebar celah inset feed, dibuat

berdasarkan iterasi. Lebar inset feed ini berpengaruh pada return loss antena. Agar

return loss nya kecil didapatkan ukuran lebar inset feed 2 mm.

Gambar 3.16 Antena konvensional tampak belakang

Gambar 3.16 memperlihatkan tampak belakang dari antena konvensional.

Terlihat bahwa ukuran patch antena yaitu 40 mm x 45 mm dan ground antena

tidak dimodifikasi, yaitu masih tertutup tembaga semua.


48


Gambar 3.17 Grafik S11 antena konvensional

Grafik S11 antena konvensional diperlihatkan pada gambar 3.17. Dari

hasil simulasi didapat frekuensi kerja 3.33 GHz, sesuai dengan perhitungan

dimensi antena pada Bab 3. Bandwidth yang dihasilkan 120 MHz pada VSWR 2

(10 dB).

Gambar 3.18 Grafik VSWR antena konvensional

Gambar 3.18 memperlihatkan grafik VSWR vs frekuensi. Dari gambar

dapat diperoleh bahwa pada frekuensi kerja di 3.35 GHz, VSWR maksimumnya

sebesar 1.263.


49


Gambar 3.18 Farfield 3D antena konvensional

Gambar 3.18 memperlihatkan farfield 3D dari antena konvensional, dimana

dari gambar dapat dilihat pola radiasi secara 3 dimensi. Terlihat bahwa gain yang

dihasilkan sebesar 5.643 dB pada frekuensi kerja 3.35 GHz. Gain antena

konvensional lebih tinggi dibandingkan dengan antena CRLH metamaterial

dikarenakan gain berbanding lurus dengan dimensi antena, semakin besar dimensi

antena maka semakin besar juga gain antenanya, begitu sebaliknya.

Jadi, Jadi bisa disimpulkan untuk hasil simulasi antena konvensional:

3.6 Miniaturisasi antena

Dengan membandingkan kedua jenis antena, yaitu antena konvensional

dan antena CRLH metamaterial, bisa diketahui berapa persen dimensi yang

direduksi pada antena konvensional pada dimensi antena CRLH metamaterial.

Sehingga tujuan untuk meminiaturisasi dapat tercapai.

Dimensi antena CRLH matamaterial yaitu 20 mm x 35. Untuk dimensi

antena konvensional yaitu 40 mm x 45 mm. Kedua jenis antena ini lah yang akan

di bandingkan untuk mendapatkan persentasi miniaturisasinya.


50


Luas Antena Konvensional: 40 x 45 = 1800 mm2

Luas Antena Metamaterial : 20 x 35 = 700 mm2

Reduksi Antena Metamaterial (1):

Dapat dilihat bahwa dengan menggunakan metode CRLH metamat

digital_20294667-s1692-rancang bangun.pdf

Documents

bentuk pangkalan data

hak bebas royalti noneksklusif

menyetujui untuk memberikan

tempat untuk eksperimen

willy yuswardi npm

dosen pembimbing iii

pemilik hak cipta

eko tjipto rahardjo