Laporan Antena PDF [PDF]

Citation preview

MODUL I : SINGLE PATCH DESIGN MODUL II : SIMULATION SETTINGS I . DASAR TEORI 1 . Software CST CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) adalah software yang dapat digunakan untuk membuat desain dan menganalisis dari semua jenis sistem antena. Tools ini sangat membantu seorang desainer antena melakukan analisa parameter antena, perhitungan SAR, perhitungan fasa, directivity atau mengkaji antena tunggal atau array dalam 3D, polar dan koordinat cartesius. Fitur yang disajikan pada perangkat lunak ini memudahkan dalam analisis elektromagnetik. [1] 1.1



Pengertian Antena Dalam bahasa Inggris, antena disebut juga dengan aerial. Antena adalah suatu alat listrik yang dapat mengubah sinyal listrik menjadi gelombang elektromagnetik kemudian memancarkannya ke ruang bebas atau sebaliknya yaitu menangkap gelombang elektromagnetik dari ruang bebas dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Antena juga tergolong sebagai transduser karena dapat mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Antena merupakan salah satu komponen atau elemen terpenting dalam suatu rangkaian dan perangkat elektronika yang berkaitan dengan frekuensi



radio



ataupun



gelombang



elektromagnetik.



Perangkat



elektronika tersebut diantaranya adalah perangkat komunikasi yang sifatnya tanpa kabel atau wireless seperti radio, televisi, radar, ponsel, WiFi, GPS dan juga bluetooth. Antena diperlukan baik bagi perangkat menerima sinyal maupun perangkat yang memancarkan sinyal.



yang



[2]



Perinsip Kerja Antena Pada umumnya Antena terdiri dari elemen atau susunan bahan logam yang terhubung dengan saluran Transmisi dari pemancar maupun penerima yang berkaitan dengan gelombang elektromagnetik. Untuk membahas lebih lanjut mengenai cara kerjanya, kita mengambil sebuah contoh pada sebuah Stasiun Pemancar Radio yang ingin memancarkan



programnya, pertama kali stasiun pemancar tersebut harus merekam musik atau menangkap suara si pembicara melalui Mikropon yang dapat mengubah suara menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik tersebut akan masuk ke rangkaian pemancar untuk dimodulasi dan diperkuat sinyal RF-nya.[2] Dari Rangkaian Pemancar Radio tersebut, sinyal listrik akan mengalir ke sepanjang kabel transmisi antena hingga mencapai Antenanya. Elektron yang terdapat dalam sinyal listrik tersebut bergerak naik



dan



turun



(bolak-balik)



sehingga



menciptakan



radiasi



elektromagnetik dalam bentuk gelombang radio. Gelombang yang menyertakan program radio tersebut kemudian akan dipancarkan dan melakukan perjalanan secepat kecepatan cahaya.[2] Pada saat ada orang mengaktifkan radionya sesuai dengan frekuensi pemancar di jarak beberapa kilometer kemudian, gelombang radio yang dikirimkan tersebut akan mengalir melalui Antena dan menyebabkan elektron bergerak naik dan turun (bolak-balik) pada Antena yang bersangkutan sehingga menimbulkan energi listrik. Energi listrik ini kemudian diteruskan ke rangkaian penerima radio sehingga kita dapat mendengarkan berbagai program dari Stasiun Radio.[2]



Gambar 1.1 : Pengiriman sinyal dari pemancar ke penerima



Karakteristik dan Parameter Kinerja Antena Pola Radiasi Antena (Radiation Pattern) Pola radiasi atau radiation pattern adalah penggambaran radiasi yang berkaitan dengan kekuatan gelombang radio yang dipancarkan oleh antena ataupun tingkat penerimaan sinyal yang diterima oleh antena pada sudut yang berbeda. Pada umumnya pola radiasi ini digambarkan dalam bentuk plot 3 dimensi. Pola radiasi antena 3 dimensi ini dibentuk oleh dua pola radiasi yaitu pola elevasi dan pola azimuth. Bentuk pola radiasi adalah pola omnidirectional pattern yaitu pola radiasi yang serba sama dalam satu bidang radiasi dan pola drective yang membentuk bola berkas yang sempit dengan radiasi yang tinggi. [3] Bandwidth Bandwidth didefinisikan sebagai jarak dari frekuensi-frekuensi dimana performa (karakteristik-karakteristik) sesuai dengan standar yang ditetapkan. Bandwidth suatu LNA juga dapat didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja LNA yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar. Pada LNA, bandwidth berdasarkan return loss, yaitu rentang frekuensi saat nilai return loss < -10 dB. Pada (10). Scattering parameter Scattering parameters (S-Parameter) adalah term yang popular untuk gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi. Sebenarnya scattering parameter dapat diterapkan pada frekuensi berapapun tetapi yang lebih umum adalah pada frekuensi RF dan gelombang mikro. S-Parameter menggambarkan perilaku elektris pada linear electrical network. SParameter dapat digunakan untuk menyatakan VSWR, gain, return loss, transmission coefisien, reflection coefisien. [3] Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) Sesuai dengan namanya yaitu perbandingan standing wave pada saat tegangan maksimum dan minimum. Pada input : VSWR= (1+S11)/(1S11) Pada output : VSWR=(1+S22)/(1-S22). Jika gelombang dapat melewati jaaringan dengan sempurna sehingga tidak ada yang dipantulkan



balik menuju sumbernya maka nilai VSWRnya adalah 1. Nilai ini adalah nilai ideal dan tidak pernah terjadi pada prakteknya. Saat gelombang dipantulkan balik maka nilai VSWRnya adalah tak



semua



berhingga.



[3]



Return Loss Kondisi ketika beban tidak sesuai (mismatch) menyebabkan tidak semua daya yang berasal dari sumber dikirim ke beban. Kerugian ini disebut return loss. Return loss pada masukan (input return loss) mengindikasikan terjadinya mismatch antara impedansi masukan LNA dengan impedansi karakteristik saluran transmisi. Return loss pada masukan dapat dihitung dari S-parameter. [3] Gain Gain atau sering juga disebut dengan directivity



gain



adalah



sebuah parameter antena yang mengukur kemampuan antena dalam mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerimaan sinyal dari arah tertentu. Dengan kata lain, gain digunakan untuk mengukur efisiensi sebuah antena. Gain diukur dalam bentuk satuan decibel. [3] Polarisasi (Polarization) Polarisasi atau polarization dapat diartikan sebagai arah rambat dari medan listrik atau penyebaran vektor medan listrik. Polarisasi antena yang dimaksud disini adalah orientasi medan listrik dari gelombang radio yang berhubungan dengan permukaan bumi dan kecocokan struktur fisik antena dengan orientasinya. Mengenali polarisasi bermanfaat untuk mendapatkan efisiensi maksimum pada transmisi sinyal. [3] Keterarahan (Directivity) Keterarahan atau directivity adalah perbandingan antara dentisitas daya antena pada jarak sebuah titik tertentu relatif terhadap sebuah radiator isotropis. Yang dimaksud dengan radiator isotropis adalah pemancaran radiasi antena secara seragam ke semua arah. [3]



Antena Mikrostrip Perkembangan dari teknologi antena mikrostrip terkait secara erat dengan perkembangan teknologi struktur pemandu gelombang mikrostrip (microstrip lines). Pemandu gelombang mikrostrip secara sederhana bisa kita sejajarkan dengan rangkaian pada printed circuit board (PCB) yang biasa ditemukan pada elekhonika berfrekuensi rendah, yaitu berupa lajurlajur pipih yang terletak di atas suatu substrat yang terbuat dari material dielektrika. Lajur-lajur pipih ini dihasilkan dengan proses etching. Keuntungan pemandu gelombang mikrostrip dibandingkan dengan waveguide adalah bentuknya yang low-profil, yang mudah dan murah untuk diproduksi secara massal. [4]



Gambar 1.2 : Antena mikrostrip planar dengan bentuk patch bebas Bentuknya yang low-profile, dengan ketebalan substratnya yang hanya mempunyai besaran milimeter memudahkan antena ini untuk dimontasikan hampir pada seluruh tempat. Misalnya antena ini akan sangat menguntungkan jika dipasangkan pada badan dari sebuah roket (dengan melengkungkannya), tanpa harus mengganggu sifat aerodinamis dari roket tersebut. Pada dasarnya antena mikrostrip terdiri dari sebuah substrat, yang dikatakan sebagai pembawa dari antena tersebut (secara mekanis), yang di atas substrat ini dibentuk macam-macam form dari antena itu sendiri (patch) melalui proses etching, dan di balik substrat ini terdapat metalisasi bawah.[4]



Disamping kelebihan antena mikrostrip di atas, antena ini juga memiliki kekurangan, yang terutama sekali adalah, gain yang dicapainya sangat kecil, sekitar 6 dBi, mempunyai bandwidth yang kecil, dan hanya bisa memancarkan sinyal dengan daya yang relatif kecil, maksimal 100 Watt.Bentuk konduktor bisa bermacam-macam tetapi yang pada umumnya digunakan berbentuk empat persegi panjang dan lingkaran karena bisa lebih mudah dianalisis.[4] Jenis – jenis antena mikrostrip seperti pada gambar :



Gambar 1.3. Jenis – jenis antena mikrostrip



II. LANGKAH PRAKTIKUM 1. Buka software CST Studio Suite 2012 2. Pilih CST Microwave Studio, seperti pada gambar dibawah ini :



Gambar 2.1 : Template awal 3. Kemudian akan muncul template untuk memilih jenis antena yang akan dibuat, pilih Antena (Planar) lalu klik OK. Seperti pada gambar dibawah ini :



Gambar 2.2 : Template proyek baru



4. Tambahkan material yang akan digunakan, yaitu Copper (annealed) dengan cara klik Solve > Materials > Load from Material Library… > Copper (annealed) > Load



Gambar 2.3 : Load Material 5. Buat substrate dengan ukuran 20 x 20 menggunakan material Rogers RT5880 (lossy), dengan cara klik ikon



, buat kotak ditengah working



plane, kemudian muncul template Brick. Atur ukuran dan material yang sesuai pada template Brick seperti gambar dibawah ini :



Gambar 2.4 : Membuat Substratee



6. Buat patch yang berada tepat ditengah-tengah substratee yang telah kita buat, dengan ukuran 10 x 10 dan bahan Copper (annealed). Caranya klik ikon



, buat kotak ditengah-tengah substratee, dan atur parameter pada



template Brick seperti pada gambar dibawah ini :



Gambar 2.5 : Membuat Patch 7. Selanjutnya beri pick edge center pada salah satu sisi substratee bagian atas, dengan cara klik ikon



> double click pada salah satu sisi



substratee yang akan diberi pick edge center. Setelah itu akan muncul garis merah dibagian sisi yang kita pilih seperti pada gambar dibawah ini :



Gambar 2.6 : Meletakkan pick edge center



8. Letakkan WCS (Working Coordinate System) tepat ditengah sisi yang telah kita beri Pick Edge Center. Caranya klik WCS > Align WCS with picked point. Setelah itu akan muncul WCS tepat ditengah sisi yang telah dipilih.



Gambar 2.7 : Menampilkan WCS 9. Selanjutnya membuat Feed Line. Klik ikon



> tekan Shift+Tab >



muncul template Enter Point. Pada template ini pilih Mode Cartesian, U:0, V:0 > OK.



Gambar 2.8 : Atur posisi Brick



Pilih Pick Edge Center > double klik pada salah satu sisi patch yang berhadapan dengan WCS (sesuaikan ukuran Brick) jangan klik tepat pada tengah pick edge center. Setelah itu atur ukuran Brick.



Gambar 2.9 : Membuat Brick 10. Berikan Pick Point di sambungan antara Brick yang baru dibuat dengan Patch yang sudah dibuat seperti pada gambar di bawah ini. Kemudian beri WCS di titik tersebut, caranya WCS > Align WCS with selected point



Gambar 2.10 : Menampilkan WCS 11. Buatlah Brick baru memotong Patch yang sudah dibuat sehingga membentuk gambar seperti dibawah ini. Atur ukuran Brick sesuai dengan ketentuan dengan cara klik ikon atur ukuran Brick.



> buat Brick baru memotong Patch >



Gambar 2.11 : Membuat Brick memotong Patch 12. Berikan Pick Point dititik seperti gambar dibawah ini. Kemudian double klik solid2 pada kolom Navigation Tree untuk menampilkan daerah P2 yang kita pilih.



Gambar 2.12 : Menampilkan potongan Patch



13. Copy potongan Patch yang sudah dibuat dilangkah sebelumnya, dengan cara klik ikon



> checklist pada point copy dan unite pada template



Transform Selected Object.



Gambar 2.13 : Copy potongan Patch 14. Setelah membuat potongan Patch di dua belah sisi, potongan tersebut akan membuang bagian Patch tersebut. Caranya pilih component patch pada Navigation tree > klik ikon > pilih component solid2 pada navigation tree > enter.



Gambar 2.14 : Memotong Patch 15. Selanjutnya, Pick Face pada bagian bawah substratee (yang tidak terdapat Patchnya) untuk membuat Ground Plane.



Gambar 2.15 : Memberikan Pick Face pada bagian bawah Substratee



16. Buat Ground Plane dengan klik ikon



(extrude) > atur Ground Plane



sesuai dengan gambar dibawah ini.



Gambar 2.16 : Membuat Ground 17. Komponen terakhir yang harus dibuat yaitu membuat konektor antena. Caranya berikan Pick Face pada Feed Line > buat waveguide port > klik ikon



> atur posisi sesuai ketentuannya.



Gambar 2.17 : Membuat Port



18. Hasil perancangan Antena



Gambar 2.18 : Model Antena Single Patch 19. Atur frequency range yang akan digunakan dalam simulasi. Klik ikon pada toolbar > setting Fmin = 3 dan Fmax = 8 > OK.



Gambar 2.19 : Mengatur jangkauan Frekuensi 20. Atur symmetry plane atau tampilan jangkauan yang diinginkan pada simulasi. Klik ikon



> pilih bar Symmetry Planes > atur YZ plane ke



magnetic (HT = 0) > dikolom Thermal (kolom sebelahnya) pilih isothermal (T = const) > OK.



Gambar 2.20 : Mengatur Symmetry Plane



21. Untuk menampilkan simulasi hasil polarisasi antena, buat Field Monitor baru dengan mengatur frekuensi yang digunakan yaitu 5.25GHz dan type E-Field. Kemudian atur 2D Plane sesuai dengan pengaturan dibawah ini. Pada monitor ini, dapat mengatur type yang akan divisualisasikan.



Gambar 2.21 : Membuat Monitor Field 22. Langkah selanjutnya yaitu proses running dimana akan terlihat hasil polarisasi yang disimulasikan pada proses ini. Klik ikon accuracy sebesar -50dB > Start.



Gambar 2.22 : Running Simulasi



> atur



23. Ada beberapa parameter yang dapat dilihat setelah proses running selesai. Untuk parameter yang pertama disini kita lihat hasil S-Paramaters, yaitu dengan cara klik 1D Result pada Navigation Tree > klik S-Parameters > file parameter yang akan dibuka.



Gambar 2.23 : Hasil Simulasi S-Parameter 24. Parameter selanjutnya yaitu E-Field, dapat dilihat dengan cara yang hampir sama dengan melihat S-Parameters yaitu klik 2D/3D Result pada Navigation Tree > klik E-Field > klik Abs.



Gambar 2.24 : Hasil Simulasi E-Field



25. Parameter terakhir yang dicontohkan dalam modul ini yaitu melihat hasil simulasi medan yang dipancarkan pada antena tersebut (Farfield). Buat New Field Monitor dengan cara klik kanan pada Field Monitor di Navigation Tree > pilih type Farfield/RCS > atur frekuensi di 5.25Ghz > OK.



Gambar 2.24 : Membuat Field Monitor baru Selanjutnya running program seperti langkah sebelumnya, Klik ikon



>



atur accuracy sebesar -50dB > start.



Gambar 2.25 : Running Simulasi Tunggu beberapa saat, setelah proses selesai untuk melihat hasil simulasi klik Farfields pada Navigation Tree > farfield (f=5.25) [1] > Abs.



Gambar 2.26 : Hasil Simulasi Farfield 26. Ada beberapa pilihan untuk menampilkan hasil tampilan Farfield. Caranya yaitu klik kanan pada hasil simulasi > Farfield Plot Properties > pilih bar View. Pada bar ini terdapat tiga pilihan tampilan, farfield transparent, structure transparent dan show structure. Adapun contoh-contoh tampilannya adalah sebagai berikut :



(a)



(b)



(c) Gambar 2.27 : Tampilan Simulasi (a) Simulasi menggunakan Show Structure, (b) Simulasi menggunakan Show Structure dan Structure Transparent, (c) Simulasi menggunakan Show Structure dan Farfield Transparent.



III. HASIL PRAKTIKUM 1. Desain Antena Single Patch



Gambar 3.1 Desain Antena Single Patch 2. Polar Directivity



Gambar 3.2 Farfield Polar Directivity 3. Polar E-Field



Gambar 3.3 Farfield Polar E-Field



4. Polar Gain



Gambar 3.4 Farfield Polar Gain 5. Polar H-Field



Gambar 3.5 Farfield Polar H-Field 6. Polar P-Field



Gambar 3.6 Farfield Polar P-Field



7. Polar Realize Gain



Gambar 3.7 Farfield Polar Realize Gain 8. S-Parameter



Gambar 3.8 Farfield Polar S-Parameter 9. 2D Directivity



Gambar 3.9 Farfield 2D Directivity



10. 2D E-Field



Gambar 3.10 Farfield 2D E-Field 11. 2D Gain



Gambar 3.11 Farfield 2D Gain 12. 2D H-Field



Gambar 3.12 Farfield 2D H-Field



13. 2D P-Field (Power Pattern)



Gambar 3.13 Farfield 2D P-Field 14. 2D Realize Gain



Gambar 3.14 Farfield 2D Realize Gain



IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN Pada praktikum modul 2 dan modul 2 kali ini kita akan membahas tentang desain antena single patch dan simulasi antena. Antena yang dibuat adalah antena planar dengan bahan substrate terbuat dari Rogers RT5880 (lossy) dan patch terbuat dari Copper (annealed). Namun pada praktikum di modul 1 dan modul 2 ini saya akan menganalisa tentang gambar atau hasil pada gambar nya berikut penjelasan analisa dari gambar praktikum modul 1 dan modul . Tetapi pada analisa kali ini saya tidak menjelaskan atau tidak menganalisa semua gambar hanya saja saya menganalisa beberapa semple dari



setiap



percobaan yang di lakukan . Scattering parameters (S-Parameter) adalah term yang popular untuk gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi. Sebenarnya scattering parameter dapat diterapkan pada frekuensi berapapun tetapi yang lebih umum adalah pada frekuensi RF dan gelombang mikro. Pada gambar 3.2 (S-Parameter) diatas diperoleh nilai Frekuensi yaitu 4,9 Ghz. Keterarahan atau directivity adalah perbandingan antara dentisitas daya antena pada jarak sebuah titik tertentu relatif terhadap sebuah radiator isotropis. Yang dimaksud dengan radiator isotropis adalah pemancaran radiasi antena secara seragam ke semua arah. Gain atau sering juga disebut dengan directivity gain adalah sebuah parameter antena yang mengukur kemampuan antena dalam mengarahkan radiasi sinyalnya atau penerimaan sinyal dari arah tertentu. E-Field Secara teknis adalah ukuran seberapa kuat kekuatan akan berada di unit muatan suatu titik. Oleh karena itu, satuan untuk e-field yang adalah newton/coulomb. Unit-unit ini adalah setara dengan volt/meter. Efield adalah vektor kuantitas, di setiap titik dalam ruang ini memiliki magnitudo dan arah. H-field yang adalah vektor kuantitas (memiliki magnitudo dan arah) yang diukur dalam satuan amp/meter. Ingat bahwa e-field poin yang jauh dari sebuah muatan titik yang positif. Sebuah ikal (membungkus H-field) sekitar kawat yang bergerak.



Gambar 4.1 S-Parameter Terlihat bahwa hasil pada S-Parameter menunjukkan bahwa antena pada praktikum kali ini bekerja pada rentang frekuensi 3 – 8 GHz yang telah di set sebelumnya walaupun tidak tertera satuan GHz pada saat memasukkan nilainya tapi menunjukkan penggunaan satuan GHz yang terlihat pada saat awal membuat rancangan antena ini yang bisa ditunjukkan pada langkah praktikum dengan nilai frekuensi resonansi yang bekerja pada frekuensi ± 4.9 GHz dan nilai Return Loss maksimal hanya sampai -20 dB.



Gambar 4.2 Polar Farfield Directivity Pada hasil keluaran menunjukkan bahwa direktifitas bekerja pada frekuensi 5.25 GHz dengan nilai main lobe magnitude = 7,6 dBi; main lobe direction = 6,0 deg; side lobe level = -24.0 dB dan angular width (3 dB) = 76,5 deg. Directivitas sendiri merepresentasikan pengarahan antena yang artinya semakin besar nilai direktivitas maka lebar berkasnya (beamwidth) ditunjukkan pada garis warna biru muda yaitu sudut yang dibatasi ½ daya atau 3 dB atau 0.701 medan maksimum pada mainlobe akan semakin sempit.



Gambar 4.3.Farfield 2D Directivity Pada gambar farfield [1*5,25] ini terlihat jelas bahwa hasil yang keluar dari gambar adalah [phi = 0,0 Theta = 120,0] : - 163 dBi dan Red elfc = 1,345636 dB , Tot elfc = - 9,97362 dB dan Dir nya = 7,62 dBi .



Gambar 3.12 Farfield 2D H-Field Pada gambar farfield [1*5,25] ini terlihat jelas bahwa hasil yang keluar dari gambar adalah [phi = 0,0 Theta = 180,0] : - 65,6 dBi dan Red elfc = 1,34536 dB , Tot elfc = - 9,97362 dB dan Hmax nya = 39,1 dBA/m . Sebenarnya dari semua gambar atau hasil dari praktikum modul 1 dan modul 2 ini hasil nilai nya yang keluar adalah tidak semua sama dan tidak semua berbeda bisa dilihat pada gambar.



V. KESIMPULAN A. KESIMPULAN 1. Semakin besar nilai derektivitas maka lebar berkas nya (bandwidth) semakin sempit. 2. Polarisasi antena relatif terhadap E-Field dari antena. Jika E-Field nya horizontal maka antenanya Horizontally Polarized, dan jika E-Field vertical maka antenanya Vertically Polarized. 3. Semakin besar gain sebuah antena, berarti illuminated area on sphere (beamwidth) nya makin kecil, dengan kata lain antena tersebut radiasinya mengarah ke satu titik tertentu. 4. Polarisasi antena diukur pada dua keadaan, yaitu pada vector electric field yang mengacu pada E-Field dan vector magnetic field yang mengacu pada H-Field. 5. Nilai Directivity (keterarahan) sebuah antena dapat diketahui dari pola radiasi



antena



tersebut,



semakin



sempit



main



lobe



maka



keterarahannya semakin baik dibanding main lobe yang lebih lebar.



VI. DAFTAR PUSTAKA [1].Annonymous,



"conference.unud.ac.id,"



[Online].



Available:



http://conference.unud.ac.id/wp-content/uploads/CST-Maret-2012BTP.pdf, [2016] [2].MRrepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/21600/3/Chapter%20II.p df. Univesitas Sumatera Utara,[2016] [3].Annonymous.



"teknikelektronika.com,"



[Online].



Available:



http://teknikelektronika.com/pengertian-antena-parameter karakteristiknya/, [2016] [4].Alaydrus Mudrik. 2011. Antena Prinsip & Aplikasi. Yogyakarta. Graha Ilmu