bab iii perancangan alat dan simulasirepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/t1_612010006_bab...

18
27 BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip persegi panjang elemen tunggal dan array dua elemen untuk mendapatkan karakteristik antena yang ditentukan. Jenis antena mikrostrip yang dirancang adalah antena patch persegi panjang dengan teknik pencatuan microstrip line feed. Perancangan antena ini dilakukan dengan menggunakan simulator Ansoft HFSS v11.1. Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat, penentuan dimensi patch antena, penentuan teknik array, serta penentuan lebar saluran pencatu. Hasil dari perhitungan tersebut kemudian disimulasikan dengan simulator Ansoft HFSS v11.1. Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan beberapa karakterisasi berupa perubahann panjang saluran pencatu dan perubahann dimensi patch. Dengan melakukan beberapa simulasi selanjutnya diperoleh hasil rancangan yang lebih optimal tersebut. Dengan simulator Ansoft HFSS v11.1, yaitu dengan cara memasukkan ukuran patch dapat diperoleh parameter-parameter antena yang dihasilkan berupa nilai VSWR, gain antena dan pola radiasinya. 3.1. Peralatan yang Digunakan 3.1.1. Perangkat Keras Perangkat keras yang digunakan dalam perancangan ini antara lain : a. Personal Computer (PC). b. Network Analyzer digunakan untuk mengukur nilai VSWR, return loss dan impedansi. c. Spectrum Analyzer digunakan untuk mengukur daya yang diterima oleh antena penerima. d. Function Generator digunakan untuk menghasilkan gelombang. d. Konektor SMA 50 Ω dan Kabel Coaxial 50 Ω. e. Substrat FR4, timah dan solder. 3.1.2. Perangkat Lunak Perangkat lunak yang digunakan dalam perancangan ini antara lain : a. Anshoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1 untuk proses simulasi antena yang sudah dirancang.

Upload: haminh

Post on 15-Mar-2019

225 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

27

BAB III

PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI

Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip persegi panjang elemen

tunggal dan array dua elemen untuk mendapatkan karakteristik antena yang ditentukan.

Jenis antena mikrostrip yang dirancang adalah antena patch persegi panjang dengan

teknik pencatuan microstrip line feed. Perancangan antena ini dilakukan dengan

menggunakan simulator Ansoft HFSS v11.1.

Tahapan perancangan dimulai dari pemilihan jenis substrat, penentuan dimensi

patch antena, penentuan teknik array, serta penentuan lebar saluran pencatu. Hasil dari

perhitungan tersebut kemudian disimulasikan dengan simulator Ansoft HFSS v11.1.

Untuk mendapatkan rancangan antena yang optimal dilakukan beberapa karakterisasi

berupa perubahann panjang saluran pencatu dan perubahann dimensi patch. Dengan

melakukan beberapa simulasi selanjutnya diperoleh hasil rancangan yang lebih optimal

tersebut. Dengan simulator Ansoft HFSS v11.1, yaitu dengan cara memasukkan ukuran

patch dapat diperoleh parameter-parameter antena yang dihasilkan berupa nilai VSWR,

gain antena dan pola radiasinya.

3.1. Peralatan yang Digunakan

3.1.1. Perangkat Keras

Perangkat keras yang digunakan dalam perancangan ini antara lain :

a. Personal Computer (PC).

b. Network Analyzer digunakan untuk mengukur nilai VSWR, return loss dan impedansi.

c. Spectrum Analyzer digunakan untuk mengukur daya yang diterima oleh antena

penerima.

d. Function Generator digunakan untuk menghasilkan gelombang.

d. Konektor SMA 50 Ω dan Kabel Coaxial 50 Ω.

e. Substrat FR4, timah dan solder.

3.1.2. Perangkat Lunak

Perangkat lunak yang digunakan dalam perancangan ini antara lain :

a. Anshoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1 untuk proses

simulasi antena yang sudah dirancang.

Page 2: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

28

b. InkScape untuk menggambar bentuk antena yang akan difabrikasi.

3.2. Jenis Substrat Yang Digunakan

Dalam perancangan antena mikrostrip, langkah pertama adalah menentukan

substrat yang digunakan. Pada skripsi ini digunakan substrat FR4 (epoxy) dengan

ketebalan substrat 1,6 mm, dengan spesifikasi pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Spesifikasi substrat yang digunakan

Jenis Substrat FR4 (epoxy)

Permitivitas Relatif 𝜀𝑟 4,65

Ketebalan Substrat 𝑕 1,6 mm

3.3. Perancangan Patch Persegi Panjang Elemen Tunggal

3.3.1. Diagram Alir Perancangan Elemen Tunggal

Dalam merancang antena diperlukan tahapan-tahapan untuk membantu proses

perancangan. Diagram alir perancangan antena pada skripsi ini ditunjukkan pada

Gambar 3.1.

MULAI

Menentukan karakteristik

antena yang diinginkan

(frekuensi kerja, return

loss, VSWR)

Menentukan jenis

substrat yang

digunakan (εr = 4,65

dan h = 1,6 mm)

Menentukan dimensi patch antena

elemen tunggal

Menentukan lebar saluran

pencatu

A

Simulasi dengan HFSS v.11

VSWR ≤ 2

Frekuensi 2,4 GHz

Insert Feed, mengatur

dimensi patch

SELESAI

Tidak

Ya

A

Gambar 3.1. Diagram alir perancangan patch elemen tunggal

Page 3: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

29

3.3.2. Menentukan Karakteristik Antena

Pada skripsi ini diinginkan antena mampu bekerja pada frekuensi operasi wifi

yaitu 2,4 GHz. Kanal radio pada wifi bekerja pada frekuensi kerja 2,401 GHz – 2,495

GHz, dengan frekuensi tengah 2,448 GHz. Frekuensi kerja ini selanjutnya akan menjadi

nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti dimensi

patch dan lebar saluran pencatu. Antena bekerja pada frekuensi 2,401 GHz – 2,495

GHz, dan diharapkan memiliki parameter VSWR ≤ 2 serta mempunyai gain 3 dB.

3.3.3. Perancangan Dimensi Patch Persegi Panjang

Perhitungan dalam perancangan antena mikrostrip patch persegi panjang

berdasarkan pada frekuensi antena serta substrat yang digunakan. Dimensi antena dapat

ditentukan dengan memakai Persamaan (2.12) sampai Persamaan (2.16) pada Bab II.

a. Menentukan lebar patch (W)

Menentukan lebar patch dengan menggunakan Persamaan (2.12), dengan 𝑐 = 3 ×

108 m s , 𝑓0 = 2,448 𝐺𝐻𝑧 dan 𝜀𝑟 = 4,4 maka akan didapatkan 𝑊 = 36,46 𝑚𝑚

b. Menentukan panjang patch (L)

Menghitung konstanta dielektrik relatif efektif 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 dengan Persamaan (2.14),

dengan 𝑕 = 1,6 𝑚𝑚 dan 𝜀𝑟 = 4,65, maka akan didapatkan 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = 4,30206

Menghitung pertambahan panjang ∆𝐿 dengan Persamaan (2.13), dengan

𝑕 = 1,6 𝑚𝑚 dan 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = 4,30206, maka akan didapatkan ∆𝐿 = 0,73311 𝑚𝑚

Menghitung panjang patch efektif 𝐿𝑒𝑓𝑓 dengan Persamaan (2.15), maka akan

didapatkan 𝐿𝑒𝑓𝑓 = 29,542 𝑚𝑚

Menghitung panjang patch 𝐿 dengan Persamaan (2.16), maka akan didapatkan

𝐿 = 28,07 𝑚𝑚

Dari perhitungan akan diperoleh panjang dan lebar patch masing-masing sebesar 28,07

mm dan 36,46 mm.

3.3.4. Perancangan Panjang dan Lebar Saluran Pencatu

Pada skripsi ini, antena mempunyai impedansi masukan sebesar 50 Ω. Untuk

mendapatkan impedansi saluran pencatu sebesar 50 Ω dapat dilakukan dengan mengatur

panjang dan lebar dari saluran pencatu. Untuk menentukan panjang saluran pencatu

digunakan Persamaan (2.21) sampai Persamaan (2.23) pada Bab II sebagai berikut :

Page 4: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

30

𝜆𝑜 =𝐶

𝑓𝑜=

3 × 108

2,448 × 109= 122,549 𝑚𝑚

𝜆𝑔 =𝜆𝑜

𝜀𝑒𝑓𝑓=

122,549

3,49= 65,598 𝑚𝑚

𝐿𝑓 =𝜆𝑔

4=

65,589

4= 16,399 = 16,4 𝑚𝑚

Untuk menentukan lebar saluran pencatu yang memiliki impedansi 50 Ω

digunakan Persamaan (2.18) dan Persamaan (2.20) pada Bab II sebagai berikut :

Karena nilai 𝑊 𝑕 > 2, maka :

𝐵 = 60𝜋2

𝑍𝑜 𝜀𝑟=

60𝜋2

50 4,65= 5,4923

Perhitungan untuk menentukan lebar saluran pencatu 𝑊𝑓 akan menghasilkan 𝑊𝑓 =

2,936 mm = 2,94 mm.

3.3.5. Menyimulasikan Rancangan

Pada tahap ini antena disimulasikan dengan menggunakan Ansoft HFSS v11.1.

Ansoft HFSS adalah suatu simulator medan elektromagnetik untuk pemodelan tiga

dimensi perangkat pasif yang memiliki frekuensi tinggi. Dalam simulatornya

terintegrasi visualisasi dan pemodelan volumetrik. Ansoft HFSS dapat digunakan untuk

menghitung beberapa parameter diantaranya parameter 𝑆, frekuensi resonan dan medan

elektromagnetik. Cara menyimulasikan rancangan antena yaitu dengan memasukkan

nilai ukuran hasil perhitungan yang telah dihitung secara teoritis pada menu Ansoft

HFSS v11.1.

Setelah memasukkan hasil perhitungan pada Sub Bab 3.3.3 dan Sub Bab 3.3.4

ke dalam software diperoleh hasil simulasi berupa VSWR, return loss dan impedansi.

Hasil simulasi nilai VSWR ditunjukkan pada Gambar 3.3, nilai return loss ditunjukkan

pada Gambar 3.4 dan impedansi antena ditunjukkan pada Gambar 3.5 yang merupakan

hasil rancang berdasarkan ukuran 𝐿 = 28,07 mm dan 𝑊 = 36,46 mm. Gambar 3.2

menunjukkan bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal.

Page 5: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

31

(a). Tampilan atas (b). Tampilan samping

Gambar 3.2. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal

Gambar 3.3. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal

Gambar 3.4. Return Loss simulasi elemen tunggal

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

VS

WR

Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1

m1 m2

Curve InfoName X Y

m1 2.3500 2.0571

m2 2.4000 2.3051

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

-10.00

-9.00

-8.00

-7.00

-6.00

-5.00

-4.00

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

Re

turn

Lo

ss (

dB

)

Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2

m1

m2

Curve Info

Name X Y

m1 2.3500 -9.2237

m2 2.4000 -8.0707

Page 6: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

32

Gambar 3.5. Smith Chart elemen tunggal

Dapat dilihat dari grafik nilai VSWR dan return loss belum sesuai dengan nilai

yang diinginkan. Frekuensi kerja yang diinginkan adalah 2,4 GHz dengan nilai VSWR ≤

2 dan nilai return loss sebesar -9,54 dB. Tetapi dari hasil simulasi pada Gambar 3.3 dan

Gambar 3.4, frekuensi kerja bergeser ke frekuensi 2,35 GHz pada marker 1 (m1)

dengan nilai VSWR = 2,05 dan nilai return loss sebesar -9,22 dB, sedangkan pada

marker 2 (m2) untuk frekuensi 2,4 GHz mempunyai nilai VSWR = 2,3 dan nilai return

loss sebesar -8,07 dB. Hal tersebut disebabkan ketidaksesuaian antara perhitungan

dimensi patch persegi panjang dengan teknik pencatuan microstrip line feed. Oleh

karena itu, untuk mendapatkan hasil rancangan yang optimal perlu dilakukan

pengkarakterisasian antena.

3.3.6. Karakterisasi Antena Elemen Tuggal

VSWR dan return loss yang diperoleh dari rancangan awal elemen tunggal

belum sesuai dengan nilai yang diinginkan. Nilai impedansi antena tidak sesuai yang

diinginkan, dan frekuensi kerja bergeser dari frekuensi yang diinginkan. Oleh karena itu

nilai VSWR harus diperbaiki dan digeser ke frekuensi 2,4 GHz. Pada hasil simulasi

elemen tunggal nilai impedansi antena mempunyai hasil yang berbeda dari impedansi

masukan yang diinginkan yaitu 50 Ω. Sehingga antara impedansi masukan dan

impedansi antena tidak matching, yang mengakibatkan transfer daya yang kurang baik.

Hal ini akan mempengaruhi nilai VSWR. Untuk mendapatkan nilai impedansi antena

yang mendekati nilai impedansi masukan digunakan metode insert feed pada saluran

pencatu. Untuk mendapatkan nilai insert feed digunakan Persamaan 2.24 pada Bab II.

5.002.001.000.500.200.00

5.00

-5.00

2.00

-2.00

1.00

-1.00

0.50

-0.50

0.20

-0.20

0.000

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

-170

-160

-150

-140

-130

-120-110

-100 -90 -80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1

m1

Curve Info

Name Freq Ang Mag RX

m1 2.3500 157.3637 0.3458 0.5008 + 0.1514i

Page 7: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

33

Sehingga diharapkan adanya matching impedance karena pengaruh insert feed yang

akan memperbaiki nilai VSWR dan return loss dari antena yang dirancang. Dengan nilai

permitivitas relatif substrat sebesar 4,65 maka didapatkan panjang insert feed 𝑌𝑜 = 8,78

mm. Gambar 3.6 menunjukkan bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal

dengan insert feed.

Gambar 3.6. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal dengan insert feed

(a)

(b)

5.002.001.000.500.200.00

5.00

-5.00

2.00

-2.00

1.00

-1.00

0.50

-0.50

0.20

-0.20

0.000

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

-170

-160

-150

-140

-130

-120-110

-100 -90 -80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1

m1

Curve Info

Name Freq Ang Mag RX

m1 2.3600 -158.7184 0.0339 0.9385 - 0.0231i

5.002.001.000.500.200.00

5.00

-5.00

2.00

-2.00

1.00

-1.00

0.50

-0.50

0.20

-0.20

0.000

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

-170

-160

-150

-140

-130

-120-110

-100 -90 -80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1

m2

Name Freq Ang Mag RX

m2 2.3800 -73.1058 0.1752 1.0435 - 0.3610i

Curve Info

Page 8: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

34

(c)

Gambar 3.7. Smith Chart elemen tunggal (a). panjang insert feed = 5 mm, (b). panjang

insert feed = 8.78 mm, (c). panjang insert feed = 10 mm

Gambar 3.7 memperlihatkan karakteristik perancangan antena dengan

mengubah panjang insert feed saluran pencatu. Panjang insert feet saluran pencatu

divariasikan mulai 5 mm sampai 10 mm dengan perubahan tiap 0,5 mm dan lebar

saluran pencatu dibuat 1,8 mm. Data karakterisasi insert feed saluran pencatu elemen

tunggal dapat dilihat pada Lampiran B.

Dari Gambar 3.7 dapat dilihat bahwa dengan melakukan karakterisasi pada

insert feed saluran pencatu akan mempengaruhi impedansi antena. Pada marker 1 (m1)

diatur insert feed sepanjang 5 mm, maka diperoleh impedansi antena sebesar 46,92-

j1,155 pada frekuensi 2,36 GHz yang mendekati nilai impedansi masukan yaitu 50 Ω.

Sedangkan pada marker 2 (m2) diatur insert feed sepanjang 8,78 mm, maka diperoleh

impedansi antena sebesar 52,17-j18,05 pada frekuensi 2,38 GHz. Pada marker 3 (m3)

diatur insert feed sepanjang 10 mm, maka diperoleh impedansi antena sebesar 48,78-

j22,15 pada frekuensi 2,37 GHz.

Secara umum frekuensi kerja dipengaruhi oleh dimensi patch antena. Semakin

kecil dimensi antena akan berbanding terbalik dengan frekuensi kerjanya. Dengan insert

feed sepanjang 5 mm didapatkan frekuensi kerja 2,36 GHz. Maka untuk menggeser

frekuensi kerja menjadi frekuensi yang diinginkan yaitu 2,4 GHz harus mengatur

dimensi patch. Dengan demikian parameter yang digunakan untuk pengkarakterisasian

antena adalah dimensi patch, dan dalam hal ini dilakukan dengan cara mengubah

panjang patch.

5.002.001.000.500.200.00

5.00

-5.00

2.00

-2.00

1.00

-1.00

0.50

-0.50

0.20

-0.20

0.000

10

20

30

40

50

6070

8090100110

120

130

140

150

160

170

180

-170

-160

-150

-140

-130

-120-110

-100 -90 -80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Smith Chart HFSSDesign1Smith Plot 1

m3

Curve Info

Name Freq Ang Mag RX

m3 2.3700 -80.5131 0.2191 0.9756 - 0.4430i

Page 9: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

35

Karakterisasi pada simulasi dilakukan dengan cara mengubah-ubah ukuran

panjang patch (𝐿) mulai dari 26 mm sampai 29 mm dengan perubahan tiap 0,05 mm.

Dari Gambar 3.8 dan Gambar 3.9 dapat dilihat bahwa dengan memperkecil panjang

patch maka frekuensi kerja antena semakin tinggi, dan demikian sebaliknya. Data

karakterisasi panjang patch elemen tunggal dapat dilihat pada Lampiran B.

Gambar 3.8. Grafik nilai VSWR elemen tunggal

Gambar 3.9. Grafik nilai return loss elemen tunggal

Gambar 3.8 dan Gambar 3.9 memperlihatkan grafik nilai VSWR dan return loss.

Pada marker 1 (m1) dengan panjang patch sebesar 26 mm, maka didapatkan nilai

VSWR = 1,115 dan return loss sebesar -25,225 dB pada frekuensi 2,55 GHz. Pada

marker 2 (m2) dengan panjang patch sebesar 28 mm, maka didapatkan nilai VSWR =

1,072 dan return loss sebesar -29,149 dB pada frekuensi 2,38 GHz. Pada marker 3 (m3)

dengan panjang patch sebesar 29 mm, maka didapatkan nilai VSWR = 1,035 dan return

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

VS

WR

Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1

m1m2m3 m4

Curve Info

patch_length='26mm'

patch_length='27.1mm'

patch_length='28mm'

patch_length='29mm'

Name X Y

m1 2.5500 1.1159

m2 2.3700 1.0517

m3 2.2900 1.0363

m4 2.4500 1.0348

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

Re

turn

Lo

ss (

dB

)

Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2

m1

m2

m3 m4

Curve Info

patch_length='26mm'

patch_length='27.1mm'

patch_length='28mm'

patch_length='29mm'

Name X Y

m1 2.5500 -25.2252

m2 2.3700 -31.9740

m3 2.2900 -34.9755

m4 2.4500 -35.3319

Page 10: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

36

loss sebesar -34,975 dB pada frekuensi 2,29 GHz, sedangkan pada marker 4 (m4)

dengan panjang patch sebesar 27,1 mm, maka didapatkan nilai VSWR = 1,034 dan

return loss sebesar -35,331 dB pada frekuensi 2,45 GHz yang merupakan frekuensi

resonansi yang diinginkan pada skripsi ini.

3.3.7. Hasil Simulasi Elemen Tunggal

Simulasi elemen tunggal menghasilkan dimensi patch dengan ukuran panjang

patch sebesar 27,1 mm dan lebar patch 36,46 mm. Panjang saluran pencatu sebesar 21,4

mm dan lebar saluran pencatu sebesar 1,8 mm. Dimensi substrat dan groundplane

sebesar 40 mm × 50 mm. Gambar 3.10 menunjukkan bentuk hasil perancangan antena

elemen tunggal.

Gambar 3.10. Bentuk hasil perancangan antena elemen tunggal

Hasil rancangan yang optimal didapatkan dengan cara mengubah-ubah dimensi

antena, yaitu panjang patch antena dan panjang insert feed saluran pencatu. Dengan

melakukan karakterisasi maka didapatkan parameter VSWR, return loss dan pola radiasi

dari hasil simulasi yang optimal.

Page 11: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

37

Gambar 3.11. Hasil simulasi VSWR elemen tunggal

Gambar 3.12. Hasil simulasi return loss elemen tunggal

Gambar 3.11 dan Gambar 3.12 memperlihatkan impedance bandwidth.

Impedance bandwidth antena berada pada rentang 2,4 GHz (m1) sampai dengan 2,49

GHz (m3), dengan frekuensi puncak pada 2,45 GHz (m2). Nilai VSWR = 1.974 pada

frekuensi 2,4 GHz, nilai VSWR = 1,79 pada frekuensi 2,49 GHz dan nilai VSWR =

1,034 pada frekuensi tengah 2,45 GHz. Hasil rancangan antena elemen tunggal dapat

bekerja pada nilai VSWR ≤ 2. Nilai tersebut telah memenuhi nilai yang diinginkan yaitu

VSWR ≤ 2 dan nilai return loss ≤ -9,54 dB. Bandwidth yang dicapai pada nilai VSWR ≤

2 dihitung dengan Persamaan (2.7) pada Bab II sebagai berikut :

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 =𝑓2 − 𝑓1

𝑓𝑐× 100 %

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 =2,49−2,4

2,45× 100 %

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 = 3,67 % 90 𝑀𝐻𝑧

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

VS

WR

Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1

m1 m2 m3

Curve Info

VSWR(LumpPort1)

Setup1 : Sw eep1

patch_length='27.1mm'

Name X Y

m1 2.4000 1.9742

m2 2.4500 1.0348

m3 2.4900 1.7908

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

Re

turn

Lo

ss (

dB

)

Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2

m1

m2

m3

Curve Info

dB(S(LumpPort1,LumpPort1))

Setup1 : Sw eep1

patch_length='27.1mm'

Name X Y

m1 2.4000 -9.6942

m2 2.4500 -35.3319

m3 2.4900 -10.9535

Page 12: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

38

Gambar 3.13. Hasil simulasi gain elemen tunggal

Gambar 3.14. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi elemen tunggal

Pada Gambar 3.13 dapat dilihat hasil simulasi gain pada elemen tunggal

menghasilkan gain sebesar 3,82 dB pada sudut 0º pada marker 1 (m1). Gambar 3.14

menunjukkan hasil simulasi normalisasi pola radiasi elemen tunggal.

3.4. Perancangan Array Patch Persegi panjang Dua Elemen

3.4.1. Pengaturan Jarak Antar Elemen

Antena mikrostrip array merupakan antena yang tersusun dari beberapa patch

yang identik. Pada skripsi ini tersusun dua patch yang identik. Kedua patch tersebut

dipisahkan oleh jarak antar elemen. Jarak antar elemen pada antena yang dirancang

pada skripsi ini sebesar seperempat panjang gelombang (𝑑 = 𝜆 4 ). Jarak antar elemen

untuk frekuensi 2,4 GHz didapat jarak 30,64 mm.

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Gain HFSSDesign1Radiation Pattern 3

m1

Curve Info

dB(GainTotal)

Setup1 : LastAdaptive

Freq='2.45GHz' patch_length='27.1mm' Phi='90.0000000000002deg'

Name Theta Ang Mag

m1 0.0000 0.0000 3.8262

0.20

0.40

0.60

0.80

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Pola Radiasi HFSSDesign1Radiation Pattern 4

m2m3

m1 Curve Info

normalize(rETotal)

Setup1 : LastAdaptive

Freq='2.45GHz' patch_length='27.1mm' Phi='90.0000000000002deg'

Name Theta Ang Mag

m1 0.0000 0.0000 1.0000

m2 40.0000 40.0000 0.7723

m3 320.0000 -40.0000 0.7421

Page 13: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

39

Penyusunan antena secara array dimaksudkan untuk mendapatkan peningkatan

gain dari antena. Pengaturan jarak antar elemen yang lebih optimal digunakan untuk

peningkatan magnitudo hasil simulasi pola radiasi agar lebih besar daripada elemen

tunggal.

3.4.2. Perancangan T-Junction

Perancangan elemen tunggal menggunakan saluran pencatu 50 Ω, sehingga

untuk merancang antena dua elemen dibutuhkan T-Junction 50 Ω yang berfungsi

sebagai power divider. Pada skripsi ini digunakan T-Junction yang memiliki impedansi

70,711 Ω. Impedansi 70,711 Ω tersebut berfungsi sebagai transformator 𝜆 4 . Gambar

3.15 menunjukkan bentuk T-Junction impedansi 70,711 Ω.

Gambar 3.15. Perancangan T-Junction impedansi 70,711 Ω

Teknik pencatuan yang digunakan adalah microstrip line feed. Ada dua buah

impedansi saluran pencatu yang digunakan untuk merancang array dua elemen, yaitu

saluran 50 Ω dan 70,711 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi 50 Ω dan 70,711 Ω

dilakukan dengan pengaturan lebar saluran pencatu. Impedansi 50 Ω telah didapatkan

pada Sub Bab 3.3.4 dan dari hasil karakterisasi pada Sub Bab 3.3.7. Cara menentukan

lebar saluran pencatu yang memiliki impedansi 70,711 Ω dijelaskan sebagai berikut :

Karena nilai 𝑊 𝑕 > 2, maka dengan Persamaan (2.18) dan Persamaan (2.20) pada Bab

II :

𝐵 = 60𝜋2

𝑍𝑜 𝜀𝑟=

60𝜋2

70,711 4,65= 5,4923

Perhitungan untuk menentukan lebar saluran pencatu 𝑊𝑓 akan didapatkan 𝑊𝑓= 1,2

mm.

Page 14: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

40

3.4.3. Desain Antena Array Dua Elemen

Antena yang dirancang menjadi bentuk array adalah berdasar elemen patch

tunggal yang telah dirancang, yaitu dengan dimensi patch 34,6 mm × 27,1 mm, panjang

saluran pencatu 16,4 mm, panjang insert feed 5 mm dengan jarak antar elemen sebesar

𝜆 4 = 30,64 mm , dan menggunakan T-Junction dengan impedansi 70,711 Ω.

Gambar 3.16 merupakan desain antena array dua elemen. Gambar (a)

merupakan bentuk rancangan antena array dua elemen dan Gambar (b) merupakan

bentuk rancangan line feed array dua elemen.

(a) (b)

Gambar 3.16. (a). Bentuk rancangan array dua elemen, (b). Bentuk rancangan line feed

array dua elemen

3.4.4. Karakterisasi Antena Array Dua Elemen

Untuk mendapatkan parameter antena yang diinginkan pada simulasi antena

array dua elemen, dilakukan dengan cara mengubah ukuran panjang patch. Panjang

patch (𝐿) divariasikan dari 26 mm hingga 29 mm dengan perubahan tiap 0,1 mm.

Parameter yang tetap adalah lebar patch 𝑊 = 36,46 mm . Dari Gambar 3.17 dapat

diketahui bahwa dengan memperbesar panjang patch maka frekuensi kerja antena

menjadi lebih kecil, dan demikian sebaliknya. Data karakterisasi panjang patch antena

array dua elemen dapat dilihat pada Lampiran B.

Page 15: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

41

Gambar 3.17. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen

Gambar 3.18. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen

Gambar 3.17 dan Gambar 3.18 masing-masing menunjukkan hasil simulasi nilai

VSWR array dua elemen dan hasil simulasi nilai return loss array dua elemen. Pada

marker 1 (m1) dengan panjang patch sebesar 26 mm, maka diperoleh nilai VSWR dan

return loss masing-masing sebesar 1,072 dan -29,143 dB pada frekuensi 2,58 GHz.

Pada marker 2 (m2) dengan panjang patch sebesar 29 mm, maka diperoleh nilai VSWR

dan return loss masing-masing sebesar 1,302 dan -17,64 dB pada frekuensi 2,34 GHz.

Sedangkan pada marker 3 (m3) dengan panjang patch sebesar 27,7 mm, maka diperoleh

nilai VSWR dan return loss masing-masing sebesar 1,157 dan -22,72 dB pada frekuensi

2,45 GHz yang merupakan frekuensi resonansi yang diinginkan pada skripsi ini.

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

VS

WR

Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1

m1m2 m3

Curve Info

length='26mm'

length='27.7mm'

length='28mm'

length='28.5mm'

length='29mm'

Name X Y

m1 2.5800 1.0723

m2 2.3400 1.3021

m3 2.4500 1.1578

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

Re

turn

Lo

ss (

dB

)

Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2

m1

m2

m3

Name X Y

m1 2.5800 -29.1438

m2 2.3400 -17.6406

m3 2.4500 -22.7201 Curve Info

length='26mm'

length='27.7mm'

length='28mm'

length='28.5mm'

length='29mm'

Page 16: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

42

3.4.5. Hasil Simulasi Antena Array Dua Elemen

Hasil simulasi antena array dua elemen ditunjukkan pada Gambar 3.20 sampai

Gambar 3.22. Hasil simulasi yang optimal ini dilakukan dengan cara mengubah-ubah

panjang patch (𝐿). Gambar 3.19 menunjukkan bentuk hasil rancangan array dua

elemen.

Gambar 3.19. Bentuk hasil rancangan array dua elemen

Gambar 3.20. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen

Gambar 3.21. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

VS

WR

Grafik VSWR HFSSDesign1XY Plot 1

m1m2

m3

Curve Info

VSWR(LumpPort1)

Setup1 : Sw eep1

length='27.7mm'

Name X Y

m1 2.4000 1.9349

m2 2.4500 1.1578

m3 2.4900 1.9733

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00Freq [GHz]

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

Re

turn

Lo

ss (

dB

)

Grafik Return Loss HFSSDesign1XY Plot 2

m3

m2

m1

Curve Info

dB(S(LumpPort1,LumpPort1))

Setup1 : Sw eep1

length='27.7mm'

Name X Y

m1 2.4000 -9.9366

m2 2.4500 -22.7201

m3 2.4900 -9.6998

Page 17: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

43

Gambar 3.20 dan Gambar 3.21 memperlihatkan impedance bandwidth dari

antena array dua elemen. Dari gambar tersebut impedance bandwidth antena berada

pada rentang 2,4 GHz (m1) sampai dengan 2,49 GHz (m3), dengan frekuensi puncak

pada 2,45 GHz (m2). Dari Gambar 3.20 dapat dilihat nilai VSWR = 1,93 pada frekuensi

2,4 GHz, nilai VSWR = 1,97 pada frekuensi 2,49 GHz dan nilai VSWR = 1,15 pada

frekuensi tengah 2,45 GHz. Dari Gambar 3.21 dapat dilihat nilai return loss sebesar -

9,93 dB pada frekuensi 2,4 GHz, nilai return loss sebesar -9,69 dB pada frekuensi 2,9

GHz dan nilai return loss sebesar -22,72 dB pada frekuensi tengah 2,45 GHz.

Dari hasil rancangan antena array dua elemen dapat bekerja pada nilai VSWR ≤

2. Nilai tersebut telah memenuhi nilai yang diinginkan yaitu VSWR ≤ 2 dan nilai return

loss ≤ -9,54 dB. Bandwidth yang dicapai pada nilai VSWR ≤ 2 dihitung dengan

Persamaan (2.7) pada Bab II sebagai berikut :

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 =𝑓2 − 𝑓1

𝑓𝑐× 100 %

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 =2,49−2,4

2,45× 100 %

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡𝑕 = 3,67 % 90 𝑀𝐻𝑧

Gambar 3.22. Hasil simulasi gain array dua elemen

-14.00

-8.00

-2.00

4.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Gain HFSSDesign1Radiation Pattern 3

m1

Curve Info

dB(GainTotal)

Setup1 : LastAdaptive

Freq='2.45GHz' length='27.7mm' Phi='90.0000000000002deg'Name Theta Ang Mag

m1 0.0000 0.0000 5.7255

Page 18: BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASIrepository.uksw.edu/bitstream/123456789/9753/5/T1_612010006_BAB III...nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lain seperti

44

Gambar 3.23. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi array dua elemen

Pada Gambar 3.22 dapat dilihat hasil simulasi gain pada array dua elemen

menghasilkan gain sebesar 5,72 dB pada sudut 0º pada marker 1 (m1). Gambar 3.23

menunjukkan hasil simulasi normalisasi pola radiasi array dua elemen.

0.20

0.40

0.60

0.80

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Pola Radasi HFSSDesign1Radiation Pattern 2

m2

m3

m1Curve Info

normalize(rETotal)

Setup1 : LastAdaptive

Freq='2.45GHz' length='27.7mm' Phi='90.0000000000002deg'Name Theta Ang Mag

m1 0.0000 0.0000 0.9898

m2 40.0000 40.0000 0.8032

m3 320.0000 -40.0000 0.6538