antena microstrip untuk gsm dengan cst studio 2012

Perancangan Antena Mikrostrip Bentuk Persegi Panjang PadaFrekuensi 1800 MHz Untuk Aplikasi GSM dengansoftware aplikasi CST Microwave Studio 2012

Ruli,Anggy Pradifta Junfithrana,SPd,MT

Teknik Elektronika, STT Nusa Putra Sukabumi

Pada Tugas Akhir ini akan dibahas tentang perancangan antenamikrostrip dengan lebar pita yang dapat digunakan untukaplikasi komunikasi seluler MHZ . Antena yang dirancang terbuatdari bahan substrat FR-4 dengan konstanta dielektrik ( ) = 4,3dan tebal 4,5 mm. Dimensi keseluruhan dari antena ini adalah51 mm x 38 mm x 4,5 mm. Berdasarkan hasil pengujian antena inimemiliki penguatan (gain) sebesar 5,350 dB, return loss sebesar -19,14 dB dan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) sebesar 1,2 serta nilaiketerarahan (directivity) sebesar 6,808 dBi, bandwidth antenadidapatkan sebesar 65 MHz, dan impedansi 50 Ω serta pola radiasiberbentuk directional. Frekuensi kerja antena ini adalah 1800 MHz.Sehingga antena ini dapat diimplementasikan untuk aplikasi GSM(Global System for Mobile communication). Dengan ukurannya yang kecil,antena ini dapat dipasang pada perangkat mobile.

Kata Kunci : Mikrostrip, Subtrat, GSM, CST Microwave Studio 2012.

Struktur Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip

merupakan sebuah antena yang

tersususun atas 3 elemen yaitu

elemen peradiasi (radiator),

elemen substrat (substrate), dan

elemen pertanahan (ground).

Seperti ditunjukan pada Gambar

2.1

Berdasarkan Gambar 2.1 dapat

dijelaskan bahwa struktur

antena mikrostrip terbagi

kedalam tiga elemen dimana

elemen yang atas (patch) dan

yang bawah (groundplane)

menggunakan bahan yang sama

yaitu tembaga (cooper),

sedangkan untuk substrat

menggunakan bahan yang berbeda

dari keduanya yaitu FR-4.

Elemen peradiasi (radiator)

atau bisa disebut sebagai

patch, berfungsi untuk

meradiasi gelombang

elektromagnetik dan terbuat

dari lapisan logam (metal) yang

memiliki ketebalan tertentu.

Jenis logam yang biasanya

digunakan adalah tembaga

(copper) dengan konduktifitas

5,8 x 107 S/m. [3]

Elemen substrat (substrate)

berfungsi sebagai bahan

dielektrik dari antena

mikrostrip yang membatasi

elemen peradiasi dengan elemen

pertanahan. Elemen ini

memiliki jenis yang bervariasi

yang dapat digolongkan

berdasarkan konstanta

dielektrik (Ɛr ) dan

ketebalannya (h). Kedua nilai

tersebut mempengaruhi nilai

frekuensi kerja, bandwidth dan

juga efisiensi dari antena

yang akan dibuat. Ketebalan

substrat jauh lebih besar

daripada ketebalan konduktor

logam peradiasi. Semakin tebal

substrat maka bandwidth akan

semakin meningkat, tetapi

berpengaruh terhadap timbulnya

gelombang permukaan (surface

wave). Gelombang permukaan pada

Gambar 2.1 Struktur Antena

Mikrostrip

antena mikrostrip merupakan

efek yang merugikan karena

akan mengurangi sebagian daya

yang seharusnya dapat

digunakan untuk meradiasikan

gelombang elektromagnetik

kearah yang diinginkan. [3]

Sedangkan elemen

pertanahan (ground) berfungsi

sebagai pembumian bagi antena

mikrostrip. Elemen pertanahan

ini umumnya memiliki jenis

bahan yang sama dengan elemen

peradiasi (patch) yaitu berupa

logam tembaga. [3]

2.2.2 Jenis-jenis Antena

Mikrostrip

Berdasarkan bentuk patch-nya

antena mikrostrip terbagi

menjadi :

a. Antena mikrostrip patch

persegi panjang (rectangular).

b. Antena mikrostrip patch

persegi (square).

c. Antena mikrostrip patch

lingkaran (circular).

d. Antena mikrostrip patch elips

(elliptical).

e. Antena mikrostrip patch

segitiga (triangular).

f. Antena mikrostrip patch

circular ring. [4]

Untuk lebih jelasnya dapat

dilihat pada Gambar 2.2

Gambar 2.2 Jenis-jenis Bentuk

Antena Mikrostrip

Berdasarkan Gambar 2.2 dapat

dijelaskan bahwa jenis antena

mikrostrip berdasarkan patch-

nya ada enam, meskipun pada

kenyataannya ada yang

berbentuk keluar dari enam

jenis gambar yang di atas

seperti halnya berbentuk

batik. Sehingga dapat

diartikan bahwa enam bentuk

antena yang di atas hanya

sebagai dasarnya saja, untuk

pengembangannya bisa beragam

bentuk.

2.2.3 Kelebihan Dan

Kekurangan Antena

Mikrostrip

Bentuknya yang low profile

membuat antena mikrostrip

dapat diintegrasikan pada

berbagai bidang permukaan,

sederhana dan tidak mahal

untuk diproduksi dengan

menggunakan teknologi sirkuit

modern, secara mekanik tangguh

pada saat diintegrasikan pada

permukaan yang kasar, dan

sangat baik dalam frekuensi

resonansi, polarisasi, bentuk

dan impedansi. Jenis antena

ini dapat diintegrasikan pada

permukaan yang memerlukan

performansi yang sangat tinggi

seperti pada pesawat terbang,

pesawat antariksa, satelit,

misil, mobil bahkan pada

telepon genggam. [5]

Secara garis besar antena

mikrostrip memilki kelebihan

yakni :

a. Dimensi antena yang kecil.

b. Bentuknya yang sederhana

memudahkan proses perakitan.

c. Tidak memakan biaya besar

pada proses pembuatan.

d. Dapat diintegrasikan pada

microwave integrated circuit (MIC).

Namun demikian, antena

mikrostrip juga memiliki

kekurangan seperti :

a. Efisiensi yang rendah.

b. Gain yang rendah.

c. Bandwidth yang sempit.

d. Daya (power) yang rendah.

e. Radiasi yang berlebih

pada proses pencatuan. [5]

2.3 Parameter Antena

Parameter antenna yang

dicari dengan menggunakan

software CST Microwave Studio

2012 terdiri dari 8 macam

yaitu : frekuensi resonansi,

lebar pita (bandwidth), VSWR

(Voltage Standing Wave Ratio), return

loss, pola radiasi, penguatan

(gain), impedansi masukan (input

impedance) dan keterarahan

(directivity).

2.4 CST Microwave Studio 2012

CST Microwave Studio 2012

merupakan fitur lengkap paket

perangkat lunak untuk analisis

dan desain gelombang

elektromagnetik dalam rentang

frekuensi tinggi. Proses

memasukkan parameter yang

mudah dengan menyediakan

sebuah pemodelan solid 3D yang

baik. CST Microwave Studio 2012

merupakan bagian dari CST Studio

Suite yang menawarkan sejumlah

pemecahan masalah yang berbeda

untuk berbagai jenis aplikasi.

Hal ini didasarkan pada teknik

integrasi terbatas (FIT)

diperkenalkan dalam

elektrodinamika lebih dari

tiga dekade lalu. Metoda ini

efisien untuk sebagian besar

jenis aplikasi frekuensi

tinggi seperti konektor, jalur

transmisi, filter, antena, dan

banyak lagi. [9]

Adapun beberapa produk lain

dari CST Studio Suite yaitu :

a. CST EM Studio (CST EMS) untuk

desain dan analisis aplikasi

EM frekuensi statis dan

rendah seperti motor,

sensor, aktuator,

transformer, dll.

b. CST Partikel Studio (CST PS)

untuk simulasi sepenuhnya

konsisten bergerak bebas

partikel bermuatan .

Aplikasi termasuk senjata

elektron, tabung sinar

katoda, magnetron, dan

bidang bangun.

c. CST Cable Studio (CST CS) untuk

simulasi sinyal integritas

dan analisis EMC/EMI harnes

kabel.

d. CST PCB Studio (CST PCB) untuk

simulasi sinyal integritas

dan EMC/EMI EMI pada papan

sirkuit tercetak.

e. CST Mphysics Studio (CST MS)

untuk analisis tegangan

termal dan mekanik.

f. CST Design Studio (CST DS)

untuk memfasilitasi 3D

EM/sirkuit simulasi dan

sintesis. [9]

HASIL SIMULASI ANTENA

MIKROSTRIP dengan software CST

Microwave Studio 2012

Hasil Simulasi Antena

Mikrostrip

Setelah mensimulasikan

antena mikrostrip bentuk

persegi panjang yang dirancang

maka didapatkan nilai

frekuensi kerja, lebar pita

(bandwidth), VSWR (Voltage Standing

Wave Ratio), return loss, pola

radiasi, penguatan (gain),

impedansi masukan (input

impedance) dan keterarahan

(directivity).

Frekuensi kerja

Dari hasil perancangan

kemudian disimulasikan dan

didapatkan frekuensi kerja

sebesar 1800 MHz, seperti

terlihat pada Gambar 4.1

Gambar 4.1 Frekuensi Kerja yang

Didapat dari Hasil Perancangan

Dari Gambar 4.1 terlihat bahwa

kurva S-Parameter menunjukan

frekuensi sebesar 1800 MHz

pada return loss -19,15 dB. Hal

itu menunjukan bahwa antena

yang dirancang layak untuk

digunakan pada aplikasi GSM

(Global system for mobile

communication) dan memenuhi

sfesifikasi yang diinginkan.

Lebar Pita (Bandwidth)

Dari hasil perancangan

kemudian disimulasikan dan

didapatkan bandwidth sebesar 65

MHz, seperti terlihat pada

Gambar 4.2

Gambar 4.2 Bandwidth yang Didapat

dari Hasil Perancangan

Pada Gambar 4.2 bandwidth untuk

hasil perancangan ini dapat

dilihat dari grafik frekuensi

kerja, yang dibatasi pada

return loss -10 dB. Dari Gambar

4.2 dapat dilihat bahwa

frekuensi kerja minimal pada

return loss -10 dB sebesar 1768

Mhz, sedangkan frekuensi kerja

maksimal pada return loss -10 dB

sebesar 1833 MHz. Namun

demikian bandwidth yang

dihasilkan tidak memenuhi

standar antena GSM, karena

standar antena GSM memiliki

bandwidth sebesar 75 MHz.

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

Dari hasil perancangan

kemudian disimulasikan dan

didapatkan VSWR (voltage standing

wave ratio) sebesar 1,2 seperti

terlihat pada Gambar 4.3

Gambar 4.3 VSWR yang Didapat dari

Hasil Perancangan

Dari Gambar 4.3 nilai VSWR

(voltage standing wave ratio) yang

didapatkan tidak sempurna

karena kondisi yang paling

baik adalah ketika VSWR (voltage

standing wave ratio) bernilai 1

(S=1) yang berarti tidak ada

refleksi ketika saluran dalam

keadaan matching sempurna.

Namun kondisi ini pada

praktiknya sulit untuk

didapatkan. Oleh karena itu,

nilai standar VSWR (voltage

standing wave ratio) yang

diijinkan untuk fabrikasi antena

adalah VSWR(voltage standing wave

ratio) sebesar ≤ 2. Sehingga

perancangan ini dapat memenuhi

nilai standar yang diijinkan

untuk fabrikasi.

4.1.4 Return Loss

Dari hasil perancangan

kemudian disimulasikan dan

didapatkan return loss sebesar -

19,14 dB, seperti terlihat

pada Gambar 4.4

Gambar 4.4 Return Loss yang Didapat

dari Hasil Perancangan

Berdasarkan Gambar 4.4

terlihat bahwa nilai return loss

yang diperoleh hasilnya baik,

karena nilai dari return loss

yang baik adalah di bawah -

9,54 dB, nilai ini diperoleh

untuk nilai VSWR (voltage

standing wave ratio) 2 sehingga

dapat dikatakan nilai

gelombang yang direfleksikan

tidak terlalu besar

dibandingkan dengan gelombang

yang dikirimkan atau dengan

kata lain, saluran transmisi

sudah matching. Nilai

parameter ini menjadi salah

satu acuan untuk melihat

apakah antena sudah dapat

bekerja pada frekuensi yang

diharapkan atau tidak.

4.1.5 Pola Radiasi

Dari hasil perancangan

kemudian disimulasikan dan

didapatkan pola radiasi

berbentuk directional, seperti

terlihat pada Gambar 4.5

Gambar 4.5 Pola Radiasi yang Didapat

dari Hasil Perancangan

Dari Gambar 4.5 dapat dlihat

bahwa pola radiasi antena

mikrostrip bentuk persegi

panjang berbentuk directional,

karena bidang E dari antena

memancarkan gelombangnya

cenderung terfokus kesatu

arah.

4.1.6 Penguatan (Gain)

Dari hasil perancangan

kemudian disimulasikan dan

didapatkan penguatan (gain)

sebesar 5,350 dB, seperti

terlihat pada Gambar 4.6

Gambar 4.6 Penguatan (Gain) yang

Didapat dari Hasil Perancangan

Pada Gambar 4.6 terlihat bahwa

nilai makasimal penguatan

(gain) telah didapatkan, untuk

nilai penguatan (gain) sangat

dipengaruhi oleh nilai

efisiensi, oleh karna itu

rugi-rugi yang terjadi

mempengaruhi nilai penguatan

(gain) antena, salah satunya

rugi-rugi akibat pemantulan

atau return loss.

4.1.7 Keterarahan (Directivity)

Dari hasil perancangan

kemudian disimulasikan dan

didapatkan keterarahan

(directivity) sebesar 6,808 dBi

seperti terlihat pada Gambar

4.7

G

ambar 4.7 Keterarahan (Directivity) yang

Didapat dari Hasil Perancangan

Pada Gambar 4.7 terlihat bahwa

berdasarkan nilai keterarahan

(directivity) yang didapat

menunjukan bahwa antena yang

dirancang bukan antena

isotropis, karena antena

isotropis nilai keterarahan

(directivity)-nya bernilai 1,

artinya daya yang diradiasikan

kesegala arah sama. Namun

untuk antena yang nilai

keterarahan (directivity)-nya

lebih dari satu itu adalah

figure of merit relative yang

memberikan sebuah indikasi

karakteristik pengarahan

antena dibandingkan dengan

karakteristik pengarahan

antena isotropis.

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Antena mikrostrip dapat

didefinisikan sebagai salah

satu jenis antena yang

mempunyai bentuk seperti

bilah/potongan yang mempunyai

ukuran sangat tipis/kecil,

antena mikrostrip merupakan

sebuah antena yang tersususun

atas 3 elemen yaitu elemen

peradiasi (radiator), elemen

substrat (substrate), dan elemen

pertanahan (ground). Berdasarkan

bentuk patch-nya antena

mikrostrip terbagi menjadi

enam yaitu patch persegi

panjang (rectangular), patch

persegi (square), patch

lingkaran (circular), patch elips

(elliptical), patch segitiga

(triangular) dan patch circular ring.

Bentuknya yang low profile

membuat antena mikrostrip

dapat diintegrasikan pada

berbagai bidang permukaan,

sederhana dan tidak mahal

untuk diproduksi dengan

menggunakan teknologi sirkuit

modern, secara mekanik tangguh

pada saat diintegrasikan pada

permukaan yang kasar, dan

sangat baik dalam frekuensi

resonansi, polarisasi, bentuk

dan impedansi. Jenis antena

ini dapat diintegrasikan pada

permukaan yang memerlukan

performansi yang sangat tinggi

seperti pada pesawat terbang,

pesawat antariksa, satelit,

misil, mobil bahkan pada

telepon genggam.

Secara garis besar antena

mikrostrip memilki kelebihan

yakni : dimensi antena yang

kecil, bentuknya yang

sederhana memudahkan proses

perakitan, tidak memakan biaya

besar pada proses pembuatan

dan dapat diintegrasikan pada

microwave integrated circuit (MIC).

Namun demikian, antena

mikrostrip juga memiliki

kekurangan seperti efisiensi

yang rendah, penguatan (gain)

yang rendah, bandwidth yang

sempit, daya (power) yang

rendah dan radiasi yang

berlebih pada proses

pencatuan.

Adapun parameter-

parameter antena yaitu

frekuensi resonansi, bandwidth

(Impedance Bandwidth, Pattern

Bandwidth, dan Polarization),

VSWR (Voltage standing Wave Ratio),

return loss, pola radiasi (directional

dan omnidirectional), penguatan

(gain), impedansi masukan (input

impedance), dan keterarahan

(directivity).

Perancangan antena

mikrostrip bentuk persegi

panjang pada frekuensi 1800

MHz untuk aplikasi GSM (Global

System for Mobile communication)

telah selesai dirancang dan

disimulasikan menggunakan

perangkat lunak CST Microwave

Studio 2012 dan frekuensi yang

dihasilkannya sesuai harapan,

dengan menggunakan dimensi

antena 38 mm x 51 mm x 4,5 mm

dan bahan yang digunakan FR-

4. Sedangkan untuk patch dan

groundplane bahannya

menggunnakan tembaga (cooper).

Parancangan antena mikrostrip

ini didapatkan hasil simulasi

sebagai berikut :

1. Frekuensi kerja yang

dihasilkan yaitu 1800 MHz,

sehingga perancangan ini

dapat dipakai untuk aplikasi

GSM.

2. Nilai hasil simulasi

untuk nilai VSWR (Voltage

Standing Wave Ratio) 1,2 itu

berarti bahwa perancangan

antena mikrostrip bentuk

persegi panjang ini tidak

sempurna karena kondisi yang

paling baik adalah ketika

VSWR (voltage standing wave ratio)

bernilai 1 (S=1) yang

berarti tidak ada refleksi

ketika saluran dalam keadaan

matching sempurna. Namun

kondisi ini pada praktiknya

sulit untuk didapatkan. Oleh

karena itu, nilai standar

VSWR (voltage standing wave ratio)

yang diijinkan untuk fabrikasi

antena adalah VSWR (voltage

standing wave ratio) sebesar ≤

2. Sehingga perancangan ini

dapat memenuhi nilai standar

yang diijinkan untuk

fabrikasi.

3. Nilai return loss yang

diperoleh dari simulasi

hasilnya adalah -19,14 dB itu

menunjukan nilai return loss yang

dihasilkan baik, karena nilai

dari return loss yang baik adalah

di bawah -9,54 dB, nilai ini

diperoleh untuk nilai VSWR

(voltage standing wave ratio) 2

sehingga dapat dikatakan nilai

gelombang yang direfleksikan

tidak terlalu besar

dibandingkan dengan gelombang

yang dikirimkan atau dengan

kata lain, saluran transmisi

sudah matching. Nilai parameter

ini menjadi salah satu acuan

untuk melihat apakah antena

sudah dapat bekerja pada

frekuensi yang diharapkan atau

tidak.

4. Nilai keterarahan

(directivity) sebesar 6,808 dBi,

itu baik karena arah

intensitas radiasi mencapai

maksimum.

5. Nilai Bandwidth sebesar 65

MHz, namun standar antena

untuk GSM bandwidthnya

sebesar 75 MHz. Itu berarti

dalam perancangan antena

mikrostrip bentuk persegi

panjang ini bandwidthnya

tidak memenuhi standar

antena untuk GSM.

6. Nilai penguatan (gain)

sebesar 5,350 dB, itu baik

karena nilai penguatan gain

sebesar 5,350 dB dapat

mengjaukau jarak cukup jauh.

7. Pola radiasi yang

dihasilkan bentuk directional,

karena bidang E dari antena

tersebut pemancaran

gelombang elektromagnetiknya

cenderung terfokus terhadap

satu arah saja.

5.2 Saran

1. Agar parameter antena

terbukti dari hasil

perancangan ini alangkah

baiknya jika perancangan ini

difabrikasi.

2. Peradiasian gelombang

elektromagnetik akan lebih

baik jika patch dirancang

secara bentuk array.

3. Hasil perancangan akan

lebih baik jika semua

parameter antena bisa

didapatkan hasilnya.

4. Menggunakan dua jenis

perangkat lunak, dimana agar

bisa ada perbandingan.

5. Patch antena dirancang

dengan berbagai bentuk

(bentuk batik) misalnya akan

tetapi tetap mempertahankan

spesifikasi yang diingikan,

itu akan lebih menarik.

DAFTAR PUSTAKA

1. Al-rizky, Muhamad Hidayat.,Christyono, Yuli., danAjulian, Ajub. 2011. Simulasidan Implementasi Antena MikrostripBentuk Trisula Sebagai AplikasiPenerima TV Digital. Semarang :Universitas Diponegoro.

2. Cahyo, Rahmat Dwi.,Christyono, Yuli., danSantoso, Imam. ”Perancangandan Analisis AntenaMikrostrip Array denganFrekuensi 850 MHz UntukAplikasi Praktikum Antena”,

Jurnal Teknik Elektro, UniversitasDiponegoro Thn 2011.

3. Darsono, Muhamad. 2011.Rancang Bangun Antena MikrostripPatch Bujur Sangkar PencatuanSaluran Transmisi DenganPenambahan Sebuah Stub UntukAplikasi Wireless Fidebility. Jakarta: Universitas Darma Persada.

4. Dwisetyati, Wida. 2012.Antena Mikrostrip Patch Circular Ring2,45 GHz. Jakarta :Universitas Mercu Buana.

5. Julardi, Neronzie. 2013.Rancang Bangun Antena MikrostripPatch Circular (2,45GHz) DenganTenik Planar Array Sebagai PenguatSinyal Wi-Fi. Medan :Universitas Sumatra Utara.

6. Manik, Ngarap Im. 2012.Rancangan Program SimulasiPenentuan Letak Lokasi AntenaTerbaik Menggunakan AlgoritmaFletcher-Powell. Jakarta :Universitas Bina Nusantara.

7. Pambudhi, Hanif Tegar.,Darjat., dan Ajulian, Ajub.Perancangan dan Anlisa AntenaMikrostrip Dengan Metode ApertureCoupled Feed Pada Frekuensi 800MHz. Semarang : UniversitasDiponegoro.

8. Puspita, Tara Aga.,Setijadi, Eko., Dan Purnomo,Muhamad Aris. “Desain AntenaLog Periodik Untuk AplikasiPengunaan EMC Pada Frekuensi2GHz–3,5GHz”, Jurnal Teknik

Pomits VOL.1, No.1, Thn2012:1-5.

9. Surjati, Indra., rahardjo,Eko Tjipto., dan Hartono,Djoko. “PerancanganPembangkitan Frekuensi gandaAntena Mikrostrip Segi TigaSama Sisi Menggunakan TeknikSambatan Elektromagnetik”,Jurnal Maraka, TeknologiVOL.9,No.2,November 2005:78-86.