Rancang Bangun Antena Mikrostrip 2,4 GHz untuk

Aplikasi Wireless Fidelity (Wifi)

Oleh

Daniel Pebrianto

NIM: 612010006

Skripsi

Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh

Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer

Universitas Kristen Satya Wacana

Salatiga

Juli 2015

i

ii

i

INTISARI

Pada sistem komunikasi nirkabel, antena berfungsi memancarkan gelombang

elektromagnetik ke udara pada sisi pengirim dan menerima gelombang elektromagnetik

pada sisi penerima. Salah satu komunikasi nirkabel adalah Wireless Local Area Network

(WLAN). Wifi adalah salah satu teknologi WLAN yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz.

Untuk mendukung teknologi wifi diperlukan antena yang berukuran kecil dan mudah

diintegrasikan dengan peralatan lain tetapi dengan biaya yang murah, untuk itu antena

mikrostrip menjadi kandidat utamanya.

Pada skripsi ini dirancang antena mikrostrip patch persegi panjang yang bekerja

pada frekuensi 2,4 GHz (2,4 GHz – 2,49 GHz) dengan VSWR ≤ 2 dan mempunyai gain

minimal 3 dB. Untuk meningkatkan gain antena dilakukan perancangan antena susun,

yaitu antena array dua elemen. Simulasi antena menggunakan software Anshoft High

Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1.

Dari hasil pengukuran antena yang telah dirancang, antena mikrostrip elemen

tunggal mampu bekerja pada rentang frekuensi 2,4 GHz – 2,5 GHz dengan VSWR ≤ 2

dan mempunyai gain 3,9 dB. Sedangkan hasil pengukuran antena mikrostrip array dua

elemen mampu bekerja pada rentang frekuensi 2,35 GHz – 2,5 GHz dengan VSWR ≤

1,5 dan mempunyai gain 6,67 dB.

ii

ABSTRACT

On the wireless communication system, antenna has function emitting

electromagnetic wave to the air as the transmitter function, and receiving

electromagnetic wave as the receiver function. One of wireless communication is

Wireless Local Area Network (WLAN). Wifi is one of WLAN technology which work

at the frequency of 2,4 GHz. To support wifi technology, antenna which has small size

and easily be integrated with other device but with low cost is required. Therefore,

antenna microstrip is become the main candidate.

In this final project, the rectangular patch microstrip antenna which work at the

frequency of 2.4 GHz (2,4 GHz – 2,49 GHz) with VSWR ≤ 2 and minimal gain 3 dB

have been designed and fabricated. To increase the antennas gain, array antenna which

has two rectangular patch elements microstrip array antenna is designed. Antenna

simulation use Anshoft High Frequency Structural Simulator (Ansoft HFSS) v11.1

software.

The result of fabricated antenna measurement shows that, the single patch

microstrip antenna is capable of working at frequency range of 2,4 GHz – 2,5 GHz with

the VSWR ≤ 2 and gain 3.9 dB, while two elements rectangular patch array microstrip

antenna is capable of working at frequency range of 2,35 GHz – 2,5 GHz with the

VSWR ≤ 1,5 and gain of 6,67 dB.

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang selalu

menyertai, membimbing dan melimpahkan berkat-Nya kepada penulis selama

menempuh pendidikan sampai sekarang, sehingga penulis dapat menyelesaikan

perancangan serta penulisan tugas akhir sebagai syarat kelulusan di Fakultas Teknik

Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana.

Pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada

berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam

menyelesaikan skripsi ini :

1. Orang tua dan keluarga penulis yang selalu mendukung dan mendoakan

penulis dalam segala hal.

2. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang sudah memberikan

waktunya untuk memberi bimbingan, kritik dan saran kepada penulis selama

mengerjakan skripsi ini.

3. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing II, terima kasih atas kerja

sama, bimbingan dan saran-saran yang telah diberikan kepada penulis.

4. Ariza Chrisananda, Bapak Yuyu Wahyu dan Bapak Hendrawan yang telah

membantu dalam proses pengukuran antena di Puslit PPET-LIPI Bandung.

5. Sahabat terkasih, Widita Retno Prayogung yang mendampingi dan

memberikan perhatian sehingga penulis dapat mengerjakan skripsi ini dengan

baik.

6. Keluarga besar Kontrakan Jambewangi, KBM Sepak Bola, Cafe Rindang dan

Brandals yang telah menemani penulis bersenang-senang selama berkuliah.

7. Keluarga besar 2010 (Jamet, Jambrong, Roma, Wedha, Bintang, Adit, Kana,

Yudha, Rizal, Grace, Ganteng, Bandot) serta Ruth dan Sekar sebagai “Teman

Seperjuangan Telkom” yang selalu memberi dukungan kepada penulis.

8. Kakak angkatan dan adik angkatan, Demas ’08, Tiras ’11 yang telah

memberikan bantuan serta pinjaman buku selama penulis berkuliah.

9. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK yang memfasilitasi penulis

selama belajar di FTEK UKSW.

10. Berbagai pihak yang tidak dapat dituliskan satu persatu, penulis mengucapkan

terimakasih.

iv

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena

itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga

skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik telekomunikasi.

Salatiga, Juli 2015

Penulis

v

DAFTAR ISI

INTISARI ..................................................................................................................... i

ABSTRACT ................................................................................................................. ii

KATA PENGANTAR ................................................................................................ iii

DAFTAR ISI ................................................................................................................. v

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ viii

DAFTAR TABEL ....................................................................................................... xi

DAFTAR SIMBOL ................................................................................................... xii

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

1.1. Tujuan ............................................................................................................ 1

1.2. Latar Belakang ............................................................................................... 1

1.3. Spesifikasi Alat .............................................................................................. 2

1.4. Sistematika Penulisan .................................................................................... 2

BAB II DASAR TEORI ............................................................................................... 4

2.1. WLAN ............................................................................................................. 4

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

2.3. Antena Mikrostrip .......................................................................................... 6

2.4. Model Cavity .................................................................................................. 9

2.5. Parameter Umum Antena Mikrostrip .......................................................... 10

2.5.1. Impedansi Masukan ............................................................................... 10

2.5.2. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) .................................................. 11

2.5.3. Return Loss ............................................................................................ 12

2.5.4. Bandwidth .............................................................................................. 12

2.5.5. Keterarahan (Directivity) ....................................................................... 13

2.5.6. Penguatan (Gain) ................................................................................... 14

2.5.7. Pola Radiasi ........................................................................................... 15

2.5.8. Frekuensi Resonansi .............................................................................. 16

2.6. Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang ................................................... 16

2.7. Teknik Pencatuan ......................................................................................... 18

2.7.1. Microstrip Line Feed ............................................................................. 19

2.7.2. Coaxial Feed .......................................................................................... 19

2.7.3. Aperture Coupling ................................................................................. 20

vi

2.7.4. Proximity Coupling ................................................................................ 21

2.8. Antena Mikrostrip Array ............................................................................. 21

2.9. Penyesuaian Impedansi (Impedance Matching) ........................................... 23

2.10. T-Junction 50 Ohm ...................................................................................... 24

2.11. Prosedur Pengukuran Antena ....................................................................... 24

2.11.1. Pengukuran Port Tunggal ...................................................................... 24

2.11.2. Pengukuran Pola Radiasi ....................................................................... 25

2.11.3. Pengukuran Gain ................................................................................... 26

BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI ............................................... 27

3.1. Peralatan yang Digunakan ........................................................................... 27

3.1.1. Perangkat Keras ..................................................................................... 27

3.1.2. Perangkat Lunak .................................................................................... 27

3.2. Jenis Substrat Yang Digunakan ................................................................... 28

3.3. Perancangan Patch Persegi Panjang Elemen Tunggal ................................ 28

3.3.1. Diagram Alir Perancangan Elemen Tunggal ......................................... 28

3.3.2. Menentukan Karakteristik Antena ......................................................... 29

3.3.3. Perancangan Dimensi Patch Persegi Panjang ....................................... 29

3.3.4. Perancangan Panjang dan Lebar Saluran Pencatu ................................. 29

3.3.5. Menyimulasikan Rancangan .................................................................. 30

3.3.6. Karakterisasi Antena Elemen Tuggal .................................................... 32

3.3.7. Hasil Simulasi Elemen Tunggal ............................................................ 36

3.4. Perancangan Array Patch Persegi Panjang Dua Elemen ............................. 38

3.4.1. Pengaturan Jarak Antar Elemen ............................................................. 38

3.4.2. Perancangan T-Junction ......................................................................... 39

3.4.3. Desain Antena Array Dua Elemen ......................................................... 40

3.4.4. Karakterisasi Antena Array Dua Elemen ............................................... 40

3.4.5. Hasil Simulasi Antena Array Dua Elemen ............................................ 42

BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS .............................................................. 45

4.1. Hasil Pengukuran Parameter Antena ........................................................... 45

4.1.1. Pengukuran VSWR dan Return Loss ...................................................... 46

4.1.1.1. Hasil Pengukuran VSWR dan Return Loss Antena Elemen Tunggal ... 46

4.1.1.2. Hasil Pengukuran VSWR dan Return Loss Antena Array Dua Elemen 48

4.1.2. Pengukuran Gain ................................................................................... 51

vii

4.1.2.1. Hasil Pengukuran Gain Antena Elemen Tunggal ................................ 51

4.1.2.2. Hasil Pengukuran Gain Antena Array Dua Elemen ............................. 52

4.1.3. Pengukuran Pola Radiasi ....................................................................... 53

4.2. Analisis Hasil Pengukuran ........................................................................... 56

4.2.1. Antena Elemen Tunggal ........................................................................ 56

4.2.2. Antena Array Dua Elemen ..................................................................... 59

4.2.3. Hasil Pengujian Antena Mikrostrip Pada Router Wifi ........................... 62

4.3. Analisis Kesalahan Umum ........................................................................... 63

BAB V KESIMPULAN .............................................................................................. 64

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 65

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Struktur dari sebuah antena mikrostrip .................................................... 6

Gambar 2.2. Bentuk Patch [2] ...................................................................................... 6

Gambar 2.3. Distribusi muatan dan densitas arus pada patch mikrostrip [4] ............... 9

Gambar 2.4. Rentang Frekuensi yang menjadi bandwidth .......................................... 13

Gambar 2.5. Bidang Pola Radiasi Antena [2] ............................................................. 15

Gambar 2.6. Microstrip Line Feed [2] ........................................................................ 19

Gambar 2.7. Coaxial feed [2] ...................................................................................... 20

Gambar 2.8. Aperture Coupling [2] ............................................................................. 20

Gambar 2.9. Proximity Coupling [2] .......................................................................... 21

Gambar 2.10. Antena array (a). Linear (b). Circular (c). Planar .............................. 22

Gambar 2.11. Pemberian transformator 𝜆 4 untuk memperoleh impedance matching 23

Gambar 2.12. T-Junction 50 Ohm ............................................................................... 24

Gambar 2.13. Konfigurasi Pengukuran Port Tunggal ................................................ 25

Gambar 2.14. Rangkaian peralatan pada pengukuran pola radiasi ............................. 25

Gambar 2.15. Rangkain peralatan pada pengukuran gain antena ............................... 26

Gambar 3.1. Diagram alir perancangan patch elemen tunggal .................................... 28

Gambar 3.2. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal ......................... 31

Gambar 3.3. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal .................................................... 31

Gambar 3.4. Return Loss simulasi elemen tunggal .................................................... 31

Gambar 3.5. Smith Chart elemen tunggal .................................................................... 32

Gambar 3.6. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal dengan

insert feed .................................................................................................................... 33

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 ........................................... 34

Gambar 3.8. Grafik nilai VSWR elemen tunggal ........................................................ 35

Gambar 3.9. Grafik nilai return loss elemen tunggal ................................................. 35

Gambar 3.10. Bentuk hasil perancangan antena elemen tunggal ............................... 36

Gambar 3.11. Hasil simulasi VSWR elemen tunggal .................................................. 37

Gambar 3.12. Hasil simulasi return loss elemen tunggal ........................................... 37

Gambar 3.13. Hasil simulasi gain elemen tunggal ...................................................... 38

Gambar 3.14. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi elemen tunggal ...................... 38

ix

Gambar 3.15. Perancangan T-Junction impedansi 70,711 Ω ..................................... 39

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

array dua elemen ........................................................................................................ 40

Gambar 3.17. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen ...................................... 41

Gambar 3.18. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen ............................... 41

Gambar 3.19. Bentuk hasil rancangan array dua elemen ........................................... 42

Gambar 3.20. Hasil simulasi nilai VSWR array dua elemen ....................................... 42

Gambar 3.21. Hasil simulasi nilai return loss array dua elemen ............................... 42

Gambar 3.22. Hasil simulasi gain array dua elemen ................................................. 43

Gambar 3.23. Hasil simulasi normalisasi pola radiasi array dua elemen ................... 44

Gambar 4.1. (a) Hasil fabrikasi antena mikrostrip elemen tunggal (b) Hasil fabrikasi

antena mikrostrip array dua elemen ........................................................................... 45

Gambar 4.2. Grafik hasil pengukuran VSWR antena elemen tunggal ........................ 46

Gambar 4.3. Grafik hasil pengukuran return loss antena elemen tunggal .................. 47

Gambar 4.4. Smith Chart impedansi hasil pengukuran antena elemen tunggal ......... 47

Gambar 4.5. Grafik hasil pengukuran VSWR antena array dua elemen ..................... 49

Gambar 4.6. Grafik hasil pengukuran return loss antena array dua elemen .............. 49

Gambar 4.7. Smith Chart impedansi hasil pengukuran antena array dua elemen ...... 49

Gambar 4.8. Daya yang diterima antena uji ............................................................... 52

Gambar 4.9. Daya yang diterima antena referensi (antena horn) ............................... 52

Gambar 4.10. Daya yang diterima antena uji ............................................................. 53

Gambar 4.11. Daya yang diterima antena referensi (antena horn) ............................. 53

Gambar 4.12. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth pada sudut elevasi = 90

antena elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz ....................................................... 54

Gambar 4.13. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi pada sudut azimuth = 0

antena elemen tunggal pada frekuensi 2,45 GHz ....................................................... 55

Gambar 4.14. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth pada sudut elevasi = 90

antena array dua elemen pada frekuensi 2,45 GHz .................................................... 55

Gambar 4.15. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi pada sudut azimuth = 0

antena array dua elemen pada frekuensi 2,45 GHz .................................................... 56

Gambar 4.16. Grafik perbedaan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena

elemen tunggal ............................................................................................................ 57

x

Gambar 4.17. Grafik perbedaan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran

antena elemen tunggal ................................................................................................ 57

Gambar 4.18. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Elemen Tunggal ............................... 59

Gambar 4.19. Grafik perbedaan nilai VSWR hasil simulasi dan hasil pengukuran antena

array dua elemen ........................................................................................................ 59

Gambar 4.20. Grafik perbedaan nilai return loss hasil simulasi dan hasil pengukuran

antena array dua elemen ............................................................................................. 60

Gambar 4.21. Pola Radiasi Antena Mikrostrip Array Dua Elemen ............................ 61

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Saluran wifi [1] ............................................................................................ 5

Tabel 2.2. Nilai Permitivitas Relatif Beberapa Bahan Dielektrik ................................. 8

Tabel 3.1. Spesifikasi substrat yang digunakan .......................................................... 28

Tabel 4.1. Gain antena elemen tunggal ...................................................................... 51

Tabel 4.2. Gain antena array dua elemen ................................................................... 52

Tabel 4.3. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena elemen

tunggal ........................................................................................................................ 58

Tabel 4.4. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena array dua

elemen ......................................................................................................................... 61

Tabel 4.5. Hasil pengujian antena mikrostrip pada router wifi .................................. 62

xii

DAFTAR SIMBOL

Ω Ohm

𝜀𝑟 Permitivitas relatif bahan substrat

h Ketebalan bahan substrat

𝐽𝑡 Kerapatan arus bagian atas patch

𝐽𝑏 Kerapatan arus bagian bawah patch

W Lebar patch

L Panjang patch

𝛤 Koefisien refleksi tegangan

𝑆 VSWR

𝜃 Sudut Elevasi

𝜙 Sudut Azimuth

D Keterarahan

𝐷𝑚𝑎𝑥 Keterarahan maksimum

U Intensitas radiasi

𝑈𝑚𝑎𝑥 Intensitas radiasi maksimum

𝑈0 Intensitas radiasi pada sumber isotropic

𝑃𝑟𝑎𝑑 Daya total radiasi

𝑐 Kecepatan cahaya (3 × 108 m/s)

𝑓𝑜 frekuensi resonansi antena

𝑍𝑜 Impedansi karakteristik

∆𝐿 Pertambahan panjang patch

𝐿𝑒𝑓𝑓 Panjang patch efektif

𝜆𝑜 Panjang gelombang diruang bebas

𝜆𝑔 Panjang gelombang pada bahan

𝐿𝑓 Panjang saluran pencatu

𝑊𝑓 Lebar saluran pencatu

𝑌𝑜 Panjang insert feed

R Jarak antara Antena TX dengan RX

D Dimensi Antena

Derajat