SKRIPSI

PERANCANGAN ANTENA BOW-TIE MIKROSTRIP PADA

FREKUENSI 1.6 GHz UNTUK SISTEM GROUND

PENETRATING RADAR (GPR)

Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program Strata

Satu (S1) pada Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro

Universitas Darma Persada

Disusun oleh :

ALFIN HIDAYAT

2011210005

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DARMA PERSADA

JAKARTA

2015

i

SKRIPSI

PERANCANGAN ANTENA BOW-TIE MIKROSTRIP PADA

FREKUENSI 1.6 GHz UNTUK SISTEM GROUND

PENETRATING RADAR (GPR)

Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program Strata

Satu (S1) pada Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro

Universitas Darma Persada

Disusun oleh :

ALFIN HIDAYAT

2011210005

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DARMA PERSADA

JAKARTA

2015

ii

LEMBAR PENGESAHAN

SKRIPSI

PERANCANGAN ANTENA BOW-TIE MIKROSTRIP PADA FREKUENSI

1.6 GHz UNTUK SISTEM GROUND PENETRATING RADAR (GPR)

Oleh :

ALFIN HIDAYAT

2011210005

Skripsi ini telah diterima dan disahkan sebagai salah satu syarat untuk

memperoleh gelar Sarjana Teknik Strata Satu (S1) pada Fakultas Teknik Jurusan

Teknik Elektro Universitas Darma Persada

M. Darsono, ST. MT M. Darsono, ST. MT

Ketua Jurusan Teknik Elektro Pembimbing Skripsi

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DARMA PERSADA

JAKARTA

2015

iii

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr.Wb.

Puji syukur atas rahmat yang Allah SWT anugerahkan kepada kita

sehingga kesehatan badan, iman dan pikiran tercurahkan kepada kita melalui

rahmat-Nya. Sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi yang

berjudul “PERANCANGAN ANTENA BOW-TIE MIKROSTRIP PADA

FREKUENSI 1.6 GHz UNTUK SISTEM GROUND PENETRATING RADAR

(GPR)”.

Penyusunan skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh

gelar Sarjana Teknik Strata Satu (S1) pada Fakultas Teknik Jurusan Teknik

Elektro Universitas Darma Persada.

Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih

kepada semua pihak yang telah memberi bantuan, bimbingan dan semua fasilitas

serta pengarahan-pengarahan yang diberikan kepada penulis selama melaksanakan

penyusunan skripsi ini, yaitu kepada yang terhormat:

1. Kedua orang tua dan seluruh keluarga yang tercinta karena telah

memberikan bantuan dan dorongan baik berupa materi ataupun moril

sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini.

2. Bapak Ir. Agus Sun Sugiharto, MT selaku dosen dan dekan Fakultas

Teknik, Universitas Darma Persada.

3. Bapak M. Darsono, ST. MT selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro,

Universitas Darma Persada dan juga sebagai dosen pembimbing yang

telah banyak membantu dalam membimbing penulis untuk

menyelesaikan skripsi ini.

4. Seluruh dosen Fakultas Teknik Elektro Universitas Darma Persada

yang telah banyak memberikan ilmu kepada penulis.

5. Kepada semua rekan seperjuangan di Jurusan Teknik Elektro

Universitas Darma Persada (Tri Arianto, Ery Sugiarto, Luchinda

Heprilian, Amir Arifin, Erick Capirossi, Ismail Zulfikar, M. Amin,

iv

Arlendo Talahatu), yang telah banyak memberikan dukungan dan

dorongan kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.

Penulisan skripsi ini memang masih belum sempurna, oleh karena itu

penulis mengucapkan permohonan maaf yang sebesar-besarnya atas kekurangan

dan kesalahan yang terjadi selama proses penulisan skripsi ini. Tidak lupa penulis

juga mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk menyempurnakan

skripsi ini kepada semua pembaca. Namun dengan segala keterbatasan penulis

berharap skripsi ini dapat berguna bagi semua.

Wassalamualaikum Wr.Wb.

Bekasi, Agustus 2015

Penulis

Alfin Hidayat

v

ABSTRAK

Pada skripsi ini telah dirancang sebuah antena mikrostrip planar dengan

jenis bow-tie. Perancangan antena planar ini menggunakan media substrate

Rogers RT/Duroid 5880, yang memiliki spesifikasi konstanta dielektrik (εr) 2.2,

ketebalan substrate (h) 1.57 mm, dan dielektrik loss tangent (tanδ) 0.002.

Rancangan antena ini dibentuk dalam dimensi substrate 96 x 96 mm2 dengan

struktur lapis bawah substrate dilakukan pembatasan ground plane, serta bentuk

konduktor peradiasi model bow-tie dengan penambahan slot. Untuk teknik

pencatuan menggunakan saluran transmisi pencatu paralel dengan impedansi 50

Ω. Penentuan lebar saluran pencatu menggunakan software PCAAD dan

pembentukkan rancangan antena disimulasikan dengan menggunakan software

AWR microwave office.

Melalui pendekatan simulasi, antena jenis bow-tie mikrostrip telah

dilakukan pengukuran pada nilai S11 meliputi return loss, VSWR dan impedansi

masukkan. Dari parameter tersebut diperoleh unjuk kerja pada return loss

dibawah -10 dB dengan jangkauan frekuensi 1.477 – 1.762 GHz dan membentuk

single wideband, kemudian untuk lebar bandwidth yang dicapai keseluruhan

sebesar 285 MHz yang terukur pada VSWR antara 1 dan 2. VSWR minimum

diperoleh 1.026 pada frekuensi resonansi 1.6 GHz, dengan impedansi masukkan

Zin = 1.02573 + (j0.0021375) Ω.

Hasil dari rancangan antena tersebut menjangkau frekuensi wideband pada

1.477 – 1.762 GHz, dan berada di wilayah kerja frekuensi yang ditetapkan pada

standar alat yang sudah pernah dibuat sebelumnya oleh perusahaan Geophysical

Survey Systems, Inc. (GSSI). Sehingga menempatkan antena jenis bow-tie ini

memungkinkan dapat diaplikasikan pada Ground Penetrating Radar (GPR).

Kata kunci : Mikrostrip, Antena Dipole Mikrostrip, Ground Penetrating Radar

(GPR), Bow-tie, Wideband.

vi

DAFTAR ISI

Halaman

Lembar Judul........................................................................................................ i

Lembar Pengesahan................................................................................................. ii

Kata Pengantar................................................................................................... .... iii

Abstrak.................................................................................................................... v

Daftar Isi................................................................................................. ............... vi

Daftar Gambar..................................................................................................... x

Daftar Tabel ..................................................................................................... xiv

Daftar Simbol dan Singkatan ............................................................................. xv

BAB 1 PENDAHULUAN

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

1.2 Tujuan Penulisan....................................................................... 2

1.3 Perumusan Masalah .................................................................. 2

1.4 Batasan Pembahasan ................................................................. 3

1.5 Metode Penulisan...................................................................... 3

1.6 Sistematika Penulisan................................................................ 4

BAB II DASAR TEORI

2.1 Konsep Ground Penetrating Radar (GPR) ................................ 5

2.2 Mode Operasi Pada Sistem Ground Penetrating Radar (GPR) .. 6

2.2.1 The Impuls Ground Penetrating Radar (GPR)................. 6

2.2.2 The Frequency Modulated Continuos Wave (FMCW)

Radar ............................................................................... 7

vii

2.2.3 The Stepped-Frequency Radar ....................................... 7

2.2.4 The Single Frequency Radar ........................................... 7

2.3 Bentuk Umum Teknik Pembacaan Data Pada Sistem Ground

Penetrating Radar (GPR).......................................................... 8

2.3.1 A-Scan ............................................................................ 8

2.3.2 B-Scan ............................................................................ 8

2.3.3 C-Scan ........................................................................... 9

2.4 Prinsip Kerja Impuls Ground Penetrating Radar (GPR) .......... 10

2.5 Penggunaan Antena Pada Sistem Ground Penetrating Radar

(GPR) ..................................................................................... 12

2.6 Antena Mikrostrip Bow-tie Pada Sistem Ground Penetrating

Radar (GPR)........................................................................... 16

2.7 Konsep Antena ....................................................................... 17

2.7.1 Antena Mikrostrip ......................................................... 18

2.8 Konsep Antena Dipole ............................................................ 20

2.9 Konsep Antena Dipole pada Mikrostrip................................... 21

2.9.1 Patch Mikrostrip Printed Dipole Antena ....................... 21

2.10 Metode Cavity untuk Analisa Antena Mikrostrip ................... 24

2.11 Saluran Transmisi ................................................................. 26

2.11.1 Konstanta Dielektrikum Efektif .................................. 26

2.11.2 Karakteristik Impedansi............................................... 27

2.11.3 Rugi-rugi Saluran Transmisi........................................ 28

2.11.4 Teknik Pencatuan ........................................................ 29

2.11.4.1 Mikrostrip Line Feed ..................................... 29

viii

2.11.4.2 Coaxial Probe................................................ 30

2.11.4.3 Saluran Apertured Coupling........................... 31

2.11.4.4 Saluran Proximity Coupling ........................... 32

2.12 Parameter Antena Mikrostrip................................................. 33

2.12.1 Return Loss (RL) ........................................................ 34

2.12.2 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)........................ 35

2.12.3 Bandwidth ................................................................... 35

2.12.4 Impedansi Masukan..................................................... 36

2.12.5 Gain ............................................................................ 37

2.12.6 Polarisasi .................................................................... 38

2.12.7 Pola Radiasi ................................................................ 39

BAB III PERANCANGAN ANTENA BOW-TIE MIKROSTRIP PADA

FREKUENSI 1.6 GHz UNTUK SISTEM GROUND

PENETRATING RADAR (GPR)

3.1 Dasar Perancangan Antena Mikrostrip Bow-tie ......................... 42

3.2 Langkah Perancangan................................................................ 44

3.2.1 Bahan Perancangan (Substrate) ...................................... 44

3.2.2 Perangkat Lunak (Software)............................................ 44

3.2.3 Perangkat Keras (Hardware) .......................................... 45

3.3 Langkah Perancangan Dasar Antena Bow-tie............................ 46

3.3.1 Perancangan Dimensi Antena Mikrostrip Bow-tie ........... 47

3.3.2 Perancangan Lebar Saluran Pencatu................................ 50

3.3.3 Menjalankan Proses Simulasi pada Software Microwave

Office ............................................................................. 51

ix

3.4 Perancangan Antena................................................................. 58

3.4.1 Pemodelan Patch pada Antena Bow-tie........................... 59

3.4.1.1 Perancangan Antena Bow-tie tanpa Modifikasi 59

3.4.1.2 Perancangan Antena Bow-tie dengan

Penambahan Slot pada Radiator....................... 61

3.4.2 Perancangan Antena Bow-tie dengan Pengaturan Jarak

Antar Saluran Catu.......................................................... 67

3.4.3 Pembatasan bidang Ground Plane pada Perancangan

Antena Bow-tie................................................................ 70

BAB IV ANALISA PARAMETER HASIL PERANCANGAN ANTENA

4.1 Konfigurasi Perancangan Antena .............................................. 73

4.2 Parameter Antena Hasil Perancangan........................................ 76

4.2.1 Parameter Antena Hasil Simulasi.................................... 76

4.2.1.1 Bandwidth ....................................................... 76

4.2.1.2 VSWR............................................................. 78

4.2.1.3 Impedansi Masukan ......................................... 80

4.2.1.4 Pola Radiasi..................................................... 81

4.3 Spesifikasi Antena Hasil Rancangan......................................... 83

BAB V KESIMPULAN ........................................................................... 85

DAFTAR PUSTAKA....................................................................................... 86

LAMPIRAN-LAMPIRAN

x

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Model operasi pada Ground Penetrating Radar (GPR)..................... 6

Gambar 2.2 Repesentasi A-scan ........................................................................... 8

Gambar 2.3 Repesentasi B-scan ........................................................................... 9

Gambar 2.4 Repesentasi C-scan........................................................................... 9

Gambar 2.5 Blok diagram pada Impuls Ground Penetrating Radar (GPR)......... 10

Gambar 2.6 Blok diagram sistem receiver pada Ground Penetrating Radar (GPR)

...................................................................................................... 11

Gambar 2.7 Bentuk komponen dalam pada blok antena Ground Penetrating

Radar (GPR)................................................................................... 12

Gambar 2.8 Konfigurasi blok antena pada Ground Penetrating Radar (GPR ..... 14

Gambar 2.9 Arah sudut radiasi pada antena Ground Penetrating Radar (GPR).. 15

Gambar 2.10 Model pola radiasi pada bidang E dan bidang H pada antena Ground

Penetrating Radar (GPR) dengan h=0.1λ ..................................... 15

Gambar 2.11 Beberapa Model dari Bentuk Antena Bow-tie ............................... 16

Gambar 2.12 Penyusunan dari antena bow-tie pada sistem transmit/receive ....... 17

Gambar 2.13 Struktur Antena Mikrostrip........................................................... 18

Gambar 2.14 Macam-macam Bentuk Peradiasi pada Antena Mikrostrip ............ 19

Gambar 2.15 Konsep dasar Antena dipole setengah gelombang ......................... 20

Gambar 2.16 Pola Radiasi dari Antena dipole .................................................... 21

Gambar 2.17 Bentuk Peradiasi pada struktur mikrostrip dipole antena ............... 22

Gambar 2.18 Charge distribution dan current density pada patch mikrostrip ..... 25

Gambar 2.19 Penampang Saluran Mikrostrip..................................................... 26

xi

Gambar 2.20 Microstrip line feed ...................................................................... 30

Gambar 2.21 Coaxial feed line pada antena mikrostrip ...................................... 31

Gambar 2.22 Apertured coupling ....................................................................... 32

Gambar 2.23 Proximity coupling ....................................................................... 33

Gambar 2.24 Polarisasi ellips secara umum ....................................................... 38

Gambar 3.1 Diagram alir proses rancangan antena pada simulasi....................... 43

Gambar 3.2 Panjang ½ λ pada antena mikrostrip bow-tie ................................... 49

Gambar 3.3 Tampilan software PCAAD untuk menentukan lebar saluran.......... 50

Gambar 3.4 Ukuran lebar saluran pencatu antena............................................... 51

Gambar 3.5 Tahap awal simulasi pada software microwave office 2002............. 51

Gambar 3.6 Konfigurasi ukuran dimensi substrate antena.................................. 52

Gambar 3.7 Konfigurasi layer dielektrik antena ................................................. 53

Gambar 3.8 Konfigurasi boundaries setting pada antena.................................... 53

Gambar 3.9 Penambahan port untuk saluran pencatu ......................................... 54

Gambar 3.10 Penggunaan saluran paralel pencatu untuk bow-tie........................ 54

Gambar 3.11 Konfigurasi port 1 pada saluran pencatu ....................................... 55

Gambar 3.12 Konfigurasi port 2 pada saluran pencatu ....................................... 55

Gambar 3.13 Pilihan perancangan parameter pada microwave office untuk

program simulasi antena .................................................................... 57

Gambar 3.14 Pengaturan jangkauan frekuensi pada perancangan antena ............ 58

Gambar 3.15 Rancangan antena patch bow-tie tanpa modifikasi ....................... 59

Gambar 3.16 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie tanpa modifikasi ...................................... 60

xii

Gambar 3.17 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie tanpa modifikasi ...................................... 60

Gambar 3.18 Pemberian slot pada antena dengan panjang L3 sebesar 28.8 mm .. 61

Gambar 3.19 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 28.8 mm ..... 62

Gambar 3.20 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 28.8 mm ..... 62

Gambar 3.21 Pemberian slot pada antena dengan panjang L3 sebesar 48 mm..... 63

Gambar 3.22 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 48 mm ........ 64

Gambar 3.23 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 48 mm ........ 64

Gambar 3.24 Memperlebar sisi bagian ujung slot pada antena bow-tie ............... 65

Gambar 3.25 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan memperlebar sisi bagian ujung slot ........... 66

Gambar 3.26 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan memperlebar sisi bagian ujung slot ........... 67

Gambar 3.27 Rancangan antena bow-tie dengan pengaturan jarak antar saluran

catu.................................................................................................... 68

Gambar 3.28 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pengaturan jarak antar saluran catu ........... 69

Gambar 3.29 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pengaturan jarak antar saluran catu ........... 69

Gambar 3.30 Rancangan Antena Bow-tie dengan Pembatasan Ground Plane..... 70

xiii

Gambar 3.31 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pembatasan ground plane ............ 71

Gambar 3.32 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pembatasan ground plane ............ 71

Gambar 4.1 Konfigurasi antena hasil rancangan tampak atas ............................ 73

Gambar 4.2 Konfigurasi antena hasil rancangan tampak bawah ........................ 75

Gambar 4.3 Grafik nilai return loss terhadap frekuensi dari hasil simulasi ........ 77

Gambar 4.4 Grafik nilai VSWR terhadap frekuensi dari hasil simulasi............... 79

Gambar 4.5 Grafik smith chart impedansi masukan antena dari hasil simulasi .. 80

Gambar 4.6 Pola radiasi pancaran antena dari hasil simulasi ............................. 82

Gambar 4.7 Total keluaran radiasi antena dari hasil simulasi ............................ 83

xiv

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1 Spesifikasi media substrate antena mikrostrip .................................... 44

Tabel 4.1 Dimensi ukuran antena hasil perancangan tampak atas ....................... 74

Tabel 4.2 Dimensi ukuran antena hasil perancangan tampak bawah................... 75

Tabel 4.3 Spesifikasi hasil perancangan antena .................................................. 84

xv

DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN

Cα Rugi Konduktor

αd Rugi Dielektrikum

εeff Konstanta dielektrik efektif

εr Konstanta dielektrik

β Beamwidth dari pola radiasi antena

| E | Resultan dari magnitude medan listrik

Eθ Komponen medan listrik θ

Eφ Komponen medan listrik φ

λ Panjang Gelombang

gλ Panjang gelombang guide pada saluran

Oλ Panjang gelombang di udara saat osilasi

ГL Koefisien refleksi tegangan

η Impedansi intrinsik ruang bebas (377 Ω)

B Beamwidth

BW Lebar pita atau Bandwidth

c Kecepatan cahaya (3x108 m/s)

Io Intensitas radiasi maksimum antena

I Intensitas radiasi maksimum dari antena referensi

EM Elektromagnetik

D Dimensi antena yang terpanjang

fo Frekuensi saat osilasi

fC Frekuensi tengah

fH Frekuensi maksimum

fL Frekuensi minimum

fr frekuensi resonansi

GPR Ground Penetrating radar

GSSI Geophysical Survey Systems, Inc

G Gain, Penguatan

GHz Giga Hertz

xvi

h ketebalan substrate

h/W height-to-weight ratio

ITU-T The International Telecommunication Union

Leff panjang efektif patch persegi panjang

L panjang sesungguhnya dari patch persegi panjang

LHCP left handed circular polarize

MWO Microwave Office Software

MHz Mega Hertz

Pθ Poynting vektor pada θ

Pφ Poynting vektor pada φ

PCB Printed Circuit Board

PCAAD Personal Computer Aided Desain

RF Radio Frekuensi

Rx Receiver

RAM Pelindung pada antena bow-tie

RL return loss

RHCP right handed circular polarize

R Jarak pengukuran

Rin Komponen Real Imajiner

SMA Sub Miniature version A

Tx Transmitter

tanδ loss tangent

TE Transverse Electric

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

Vo–

Tegangan yang direfleksikan

Vo+

Tegangan yang dikirimkan

W lebar patch

Wf lebar saluran mikrostrip

Xin Komponen Impedansi Imajiner

Zin Impedansi masukan

Z0 Impedansi Karakteristik

ZL Impedansi beban atau load

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Teknologi radar pada awalnya dikembangkan untuk mendeteksi target

dilangit, maupun benda-benda diatas permukaan tanah atau dilaut. Radar itu

sendiri pada prinsip dasarnya memiliki teknik yang sama, yaitu sama-sama

mengirimkan gelombang elektromagnetik untuk kemudian dipancarkan (transmit)

lalu diterima kembali oleh pembaca (receive). Namun seiring dengan

perkembangan teknologi yang ada saat ini, muncul sebuah teknologi radar jarak

pendek yang disebut dengan Ground Penetrating Radar (GPR), dimana pada

sistem radar ini menggunakan prinsip-prinsip dasar yang sama seperti radar

konvensional. Contoh penggunaan Ground Penetrating Radar (GPR) antara lain

digunakan untuk mendeteksi kabel bawah tanah, pondasi bangunan, ranjau dan

lain-lain.

Aplikasi penggunaan Ground Penetrating Radar (GPR) sebagai alat,

sudah banyak di produksi oleh perusahaan dibidang geofisik untuk dikomersilkan.

Salah satunya oleh perusahaan Geophysical Survey Systems, Inc. (GSSI). Alat

Ground Penetrating Radar (GPR) pada perusahaan tersebut terdaftar dengan

nomor model 51600S serta teregistrasi sebagai standar frekuensi kerja pada

Federal Communication Commision (FCC) ID QF75100 yang menggunakan

frekuensi 1.6 GHz sebagai standar penggunaan frekuensi pada Ground

Penetrating Radar (GPR)[4].

Pada dasarnya alat Ground Penetrating Radar (GPR) ini melibatkan

penggunaan pulsa sempit sebagai gelombang yang akan dipancarkan oleh antena

pengirim. Pulsa sempit ini tentunya akan mempunyai lebar bidang frekuensi yang

luas, karena besaran waktu dengan besaran frekuensi mempunyai hubungan yang

berkebalikan atau dengan kata lain semakin sempit pulsa maka lebar bidang

frekuensinya akan semakin besar. Disinilah diperlukan suatu antena yang dapat

mempertahankan kestabilan pola radiasi untuk rentang frekuensi yang luas. Hal

2

tersebut merupakan salah satu yang melatarbelakangi ide penggunaan antena

mikrostrip teknologi pita lebar (wideband) pada Ground Penetrating Radar

(GPR)[25].

Dari pengamatan terhadap karakteristik alat Ground Penetrating Radar

(GPR) dengan nomor model 51600S, didapat spesifikasi nilai parameter antena

antara lain beroperasi pada frekuensi operasi 0.8-3.2 GHz, frekuensi resonansi 1.6

GHz, lalu untuk beamwidth pada media beton (concrete ; εr = 6) sebesar

48°[23][24], dan gain display 6 dB. Gain display merupakan salah satu parameter

pada alat Ground Penetrating Radar (GPR), yang menjadi indikasi gain yang

mampu diberikan oleh antena penerima dan Low Noise Amplifier (LNA). Untuk

gain display disini merupakan penguatan yang diberikan dari blok Low Noise

Amplifier (LNA) setelah dari antena penerima. Sebagai asumsi apabila gain

display bernilai 6 dB dan gain Low Noise Amplifier (LNA) bernilai 0, maka target

yang perlu dicapai untuk nilai gain pada antena sebesar 6 dB.

Oleh sebab itu dalam penelitian ini akan dirancang sebuah design antena

mikrostrip dengan menggunakan model bow-tie, yang diharapkan sesuai dengan

karakteristik yang digunakan pada sistem Ground Penetrating Radar (GPR)

model 51600S. Untuk antena ini akan menggunakan satu buah lapisan bahan

dasar susbstrate atau planar dan dilakukan pembatasan pada sisi ground plane.

1.2 Tujuan Penulisan

Tujuan dari kegiatan penelitian tugas akhir adalah membuat perancangan

untuk antena Ground Penetrating Radar (GPR) model 51600S, dengan

menggunakan antena mikrostrip model bow-tie yang mampu beroperasi pada

frekuensi resonansi 1.6 GHz untuk mendukung aplikasi pada sistem Ground

Penetrating Radar (GPR).

1.3 Perumusan Masalah

Perumusan masalah dalam penulisan skripsi ini adalah :

3

1. Bagaimana membentuk struktur antena mikrostrip yang sesuai, untuk

antena Ground Penetrating Radar (GPR) model 51600S.

2. Bagaimana membuat perancangan antena mikrostrip dengan model bow-

tie melalui metode simulasi.

3. Bagaimana membentuk nilai-nilai untuk parameter antena yang dihasilkan

agar sesuai dengan karakteristik antena pada Ground Penetrating Radar

(GPR).

1.4 Batasan Pembahasan

Pembatasan masalah pada tugas akhir ini adalah pada pembuatan model

antena Ground Penetrating Radar (GPR) model 51600S, dengan menggunakan

model antena bow-tie mikrostrip melalui metode simulasi, menggunakan software

Microwave Office Software (MWO). Untuk material substrate yang digunakan

yaitu, jenis RT/Duroid 5880 dengan ketebalan 1.57 mm dan konstanta dielektrik

2.2. Rancangan untuk antena ini akan dibentuk dengan karakteristik VSWR 1-2,

return loss ≤ -10 dB, memiliki bandwidth ≥ 100 MHz (rentang frekuensi operasi

dari alat acuan yang ada) dan frekuensi resonansi (fr) pada 1.6 GHz.

1.5 Metode Penulisan

Metode yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah :

a. Studi Kepustakaan

Metode ini dilakukan untuk mendasarkan penelitian pada bahan-bahan

literatur dan jurnal-jurnal penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti

sebelumnya.

b. Simulasi Perangkat Lunak

Menggunakan perangkat lunak Microwave Office Software (MWO) untuk

mensimulasikan rancangan antena, dan melihat parameter antena

berdasarkan hasil simulasi.

4

c. Perancangan Antena

Tahap ini dilakukan untuk perancangan antena melalui metode simulasi

yang mencangkup tahap-tahap perancangan desain antena.

1.6 Sistematika Penulisan

Pembahasan yang dilakukan pada skripsi ini meliputi lima bab, yaitu :

Bab I Pendahuluan

Bagian ini akan dibahas kerangka penelitian, meliputi latar belakang

masalah, perumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi

penulisan, dan sistematika penulisan.

Bab II Antena Mikrostrip

Bagian ini memuat berbagai dasar teori yang mendukung dan mendasari

penulisan skripsi ini yaitu, berisi tentang bahasan teori dasar mengenai parameter

umum antena mikrostrip, konsep antena dipole, struktur bowtie dalam aplikasi

Ground Penetrating Radar (GPR), elemen material, dan teknik pencatuan.

Bab III Perancangan Antena Bow-tie Mikrostrip pada Frekuensi 1.6 GHz

Untuk Sistem Ground Penetrating Radar (GPR)

Bagian ini membahas perancangan antena mikrostrip, dan prosedur

perancangan dengan menggunakan software serta melakukan pembacaan untuk

hasil simulasinya.

Bab IV Analisa Parameter Hasil Perancangan Antena

Bagian ini menjelaskan tentang analisa parameter antena dari hasil

simulasi yang sudah dilakukan, kemudian dilakukan pembacaan dan

perbandingan dari hasil simulasi perangkat lunak dengan hasil perhitungan

menggunakan persamaan.

Bab V Kesimpulan

Bagian ini berisi tentang kesimpulan dari keseluruhan penulisan skripsi.

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Konsep Ground Penetrating Radar (GPR)

Sistem komunikasi Ground Penetrating Radar (GPR), merupakan sistem

komunikasi radar jarak pendek yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari yaitu

sebagai pendeteksian objek yang berada di bawah permukaan medium (misalnya

medium tanah atau beton, dll) dengan kedalaman tertentu tanpa perlu melakukan

penggalian. Dengan teknologi Ground Penetrating Radar (GPR) maka informasi

mengenai keadaan di bawah permukaan suatu medium dapat dilakukan dengan

cepat dan mudah[1].

Teknologi Ground Penetrating Radar (GPR) digunakan pada bidang

cangkupan yang cukup luas, diantaranya di bidang geofisika, teknik sipil, militer,

polisi, program luar angkasa dan arkeologi. Prinsip kerja pada Ground

Penetrating Radar (GPR), yaitu bekerja berdasarkan gelombang sinyal

elektromagnetik yang dipancarkan pada suatu arah tertentu, kemudian sinyal

tersebut terpantulkan ketika mengenai suatu benda yang memiliki bahan atau

material yang berbeda dari keadaan sekitarnya.

Ground Penetrating Radar (GPR) mendeteksi perbedaan dari permitivitas,

permeabilitas dan resistivitas dari suatu benda yang terkubur di dalam tanah.

Ground Penetrating Radar (GPR) juga memiliki kemampuan untuk mendeteksi

benda metal dan non-metal. Hal mendasar terkait dengan deteksi target yang

terkubur adalah pencapaian kedalaman penetrasi dan resolusi sasaran tersebut

secara bersamaan, karena untuk level kedalaman yang mampu ditembus oleh

sistem Ground Penetrating Radar (GPR) itu nantinya tergantung pada frekuensi

antena yang digunakan dan jenis tanah atau bebatuan di daerah survey, sebab

atenuasi sinyal elektromagnetik dalam tanah meningkat sesuai dengan

meningkatnya frekuensi.

Oleh karena itu, sinyal elektromagnetik dengan frekuensi tinggi akan

semakin rendah daya tembus gelombang elektromagnetik tersebut, jika

6

dibandingkan dengan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang lebih

rendah. Sebagai hasilnya, kemampuan penetrasi yang maksimal akan tercapai

dengan frekuensi yang lebih rendah. Namun, hal ini tidak selalu benar karena

dengan menggunakan frekuensi tinggi dapat digunakan untuk menyelesaikan

rincian posisi target dan juga untuk mencapai resolusi yang lebih baik.

Sehingga, kedalaman penetrasi dan resolusi merupakan dua faktor yang

saling bertentangan untuk desain pada sebuah sistem Ground Penetrating Radar

(GPR) sehingga perlunya sebuah target tujuan yang hendak dicapai untuk

mendapatkan kinerja yang memuaskan untuk desain pada sebuah sistem Ground

Penetrating Radar (GPR)[3].

2.2 Mode operasi pada sistem Ground Penetrating Radar (GPR)

Mode operasi pada sistem Ground Penetrating Radar (GPR) menjelaskan

teknik pengiriman pada antena yang digunakan untuk mentransmisikan dan

menerima sinyal EM. Berbagai jenis mode operasi pada sistem Ground

Penetrating Radar (GPR) dapat dibagi menjadi empat kategori, yaitu[3]:

2.2.1 The Impuls Ground Penetrating Radar (GPR)

Sebagian besar sistem operasi Ground Penetrating Radar (GPR)

menggunakan impuls sinyal elektromagnetik dan akibatnya disebut radar impuls.

Untuk radar semacam ini, pulsa yang diterapkan untuk antena pemancar biasanya

memiliki bentuk Gaussian dengan durasi singkat.

Gambar 2.1 Model operasi pada Ground Penetrating Radar (GPR)

7

Setiap pulsa yang identik diterapkan pada interval waktu yang sama

dengan tingkat pengulangan yang berbeda-beda dari satu mikrodetik untuk waktu

beberapa ratus mikrodetik. Sinyal output ditangkap oleh penerima dan diproses

oleh analog to digital converter atau penerima sampling secara berurutan. Teknik

modulasi untuk radar impuls ini didasarkan pada modulasi amplitudo[3].

2.2.2 The Frequency Modulated Continous Wave (FMCW) radar

Sistem Frequency Modulated Continous Wave Ground Penetarting Radar

(FMCW GPR) didasarkan pada prinsip terkenal yang digunakan di radar

konvensional untuk pertahanan udara. Radar FMCW didasarkan pada transmisi

sinyal dengan frekuensi pembawa yang terus berubah oleh efek dari osilator

pengontrol tegangan (VCO). Frekuensi pembawa bervariasi secara berulang

ulang. Sebuah mixer digunakan untuk menggabungkan sinyal yang diterima

dengan sampel dari gelombang yang ditransmisikan. Kemudian, mixer

menghasilkan perbedaan frekuensi yang juga disebut "Intermediate Frequency

(IF)"[3].

2.2.3 The Stepped-Frequency radar

Sebuah radar The Stepped-Frequency radar juga disebut radar pulsa.

Radar tersebut mentransmisikan serangkaian single frekuensi berurutan yang

amplitudo dan fasenya cukup akurat dan sama. Dalam domain waktu, ini setara

dengan transmisi berulang pada gelombang impulsif. Amplitudo dan fase dari

sinyal yang diterima diubah dan disimpan. Beberapa pengolahan data dilakukan

perhitungan kompleks Fast Fourier Transform (FFT) untuk memperoleh sinyal

yang kembali dalam bentuk domain waktu[3].

2.2.4 The Single Frequency radar

Radar frekuensi tunggal mencatat amplitudo dan fase dari yang diterima

sinyal di pesawat dan merekonstruksi gambar dari sumber radiasinya.

Holographic menjadi metode yang dapat digunakan untuk merekonstruksi

gambar[3].

8

2.3 Bentuk umum teknik pembacaan data pada sistem Ground Penetrating

Radar (GPR)

2.3.1 A-Scan

Rekaman sinyal dari sinyal yang dipantulkan berada pada posisi yang tetap

dan mengarah ke bentuk gelombang yang memiliki variasi amplitudo terhadap

waktu. Gelombang tunggal ini disebut sebagai A-scan. Secara matematis, kita

dapat mewakili A-scan sebagai gelombang w (xi, yj, t) di mana xi dan yj adalah

konstanta dan t adalah waktu. Gambar 2.22 menunjukkan representasi A-scan[3].

Gambar 2.2 Repesentasi A-scan[22]

2.3.2 B-Scan

B-scan merupakan satu set dari A-scan. Secara prakteknya, B-scan

memiliki nilai w (x, yj, t) yang diperoleh dengan cara menggerakan radar

sepanjang garis lurus di atas wilayah yang kehendaki. Gambar 2.23 menunjukkan

representasi B-scan ketika radar yang dioperasikan di atas tanah dengan target

terkubur dan bergerak sepanjang sumbu x. Radar bergerak lebih dekat ke posisi

target, refleksi yang didapatkan lebih kuat dan berlangsung pada waktu yang sama

karena jarak fisik yang lebih pendek antara radar dan target. Refleksi ini menjadi

lebih lemah seketika saat radar tersebut berjalan dan bergerak menjauh dari

sasaran[3].

9

Gambar 2.3 Repesentasi B-scan[22]

2.3.3 C-Scan

C-scan yang memiliki nilai w (x, y, t) yang didefinisikan sebagai satu set

dengan B-scan. Hal ini diperoleh dengan memindahkan sistem radar di sepanjang

grid reguler di sebuah bidang tetap di atas tanah. Sebuah C-scan berisi data yang

cukup untuk memungkinkan rekonstruksi tiga dimensi dari target. C-scan juga

dapat direpresentasikan sebagai gambar tiga dimensi atau sebagai sejumlah dua

gambar dimensi sesuai dengan kedalaman yang berbeda[3].

Gambar 2.4 Repesentasi C-scan[22]

10

2.4 Prinsip kerja Impuls Ground Penetrating Radar (GPR)

Dalam sebuah sistem Ground Penetrating Radar (GPR), pilihan rentang

frekuensi operasi, skema modulasi, jenis antena, sifat transmisi dan karakteristik

permukaan tanah dari target serta kedalaman resolusi target merupakan hal yang

penting untuk sistem Ground Penetrating Radar (GPR). Jadi semua sistem

Ground Penetrating Radar (GPR) harus dirancang dengan baik dan sesuai dengan

kriteria untuk mencapai performa maksimal dalam hal keterarahan pancaran dan

target resolusi[3].

Kemudian untuk struktur sebuah sistem Ground Penetrating Radar (GPR)

biasanya terdiri dari satu pasang sebuah antena (satu antena pengirim dan satu

antena penerima), lalu sebuah perangkat elektronik yang bekerja untuk

memproses sinyal yang kembali dan perangkat display yang menampilkan hasil

informasi yang didapat pada perangkat elektronik tersebut kepada pengguna

(user)[3].

Untuk proses sistem pada Ground Penetrating Radar (GPR) dapat

digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2.5 Blok diagram pada Impuls Ground Penetrating Radar (GPR)

Seperti yang terlihat pada gambar 2.5, yang mengambarkan sistem pada

Ground Penetrating Radar (GPR). Proses dimulai dari bagian blok transmitter

yang didalamnya terdapat Power supply yang berfungsi untuk menghidupkan

timing circuit. Hal ini diperlukan oleh bagian timing circuit untuk memberikan

11

pulsa pendek ke generator pulsa (pulse generator), yang berfungsi untuk

membangkitkan dan memproduksi pulsa transien pendek dengan periodisitas

tertentu. Periodisitas ini disebut frekuensi pengulangan pulsa (PRF), dan bentuk

pulsanya itu biasanya monocycle atau pulsa Gaussian. Setelah pulsa pendek

tersebut sudah dibangkitkan, maka untuk selanjutnya pulsa pendek tersebut akan

ditransfer melalui antena, yang berfungsi untuk mengirimkan gelombang pulsa

tersebut ke arah suatu medium tertentu untuk dilakukan penetrasi.

Tahap selanjutnya ketika dilakukan penetrasi ini akan dilakukan

pendeteksian terhadap suatu bahan atau benda tertentu yang terkubur dibawah

suatu medium yang berbeda bahannya terhadap keadaan medium disekitarnya.

Ketika pulsa pendek tersebut mengenai suatu benda tertentu, maka pulsa yang

dikirimkan akan memantul kearah permukaan, untuk selanjutnya ditangkap oleh

antena penerima (receiver).

Antena penerima (receiver) berfungsi untuk menerima pulsa yang

terpantul sebelumnya, untuk dilanjutkan kedalam blok receiver, yang terdiri dari

beberapa komponen :

Gambar 2.6 Blok diagram sistem receiver pada Ground Penetrating Radar

(GPR)

Proses pertama dari sistem receiver dalam menerima pulsa, dimulai dari

blok Time Varying Gain (TVG) yang berfungsi untuk memperbaiki pulsa yang

telah teratenuasi setelah melakukan penetrasi. Setelah itu, karena bentuk pulsa

yang ada masih sangat kecil dan lemah, maka pada tahap ini pulsa akan diperkuat

setelah melewati blok Low Noise Amplifier (LNA). Setelah gelombang pulsa yang

ada sudah cukup kuat, maka pulsa tersebut untuk selanjutnya akan diteruskan

untuk melewati blok Sample and Hold circuit (S/H), untuk di stabilkan. Setekah

itu, pulsa tersebut akan menuju proses Analog to Digital Converter (A/D

12

Converter) yang berfungsi untuk mengubah sinyal yang awalnya bentuk analog

tersebut, menjadi sinyal yang berbentuk digital.

Setelah sinyal yang ada sudah berbentuk digital akan dilanjutkan melalui

tahap data processing untuk dilakukan pembacaan data, untuk selanjutnya

ditampilkan dalam display sebagai hasil dari pencitraan pada Ground Penetrating

Radar (GPR)[22].

2.5 Penggunaan antena pada sistem Ground Penetrating Radar (GPR)

Sebuah antena mengambil peranan penting dalam sistem komunikasi pada

Ground Penetrating Radar (GPR) yang berfungsi untuk mentransfer dan

menerima gelombang elektromagnetik dalam bentuk sebuah pulsa pendek, untuk

di lakukan penetrasi ke suatu medium tertentu. Antena Ground Penetrating Radar

(GPR) pada pemodelan ini, menggunakan antena acuan dari produsen terkemuka

Ground Penetrating Radar (GPR) - Geofisika Survey Systems, Inc (GSSI) model

5100 [24]. Bentuk bagian dalamnya dapat dilihat pada gambar 2.7 sebagai berikut

:

Gambar 2.7 Bentuk komponen dalam pada blok antena Ground Penetrating

Radar (GPR)[24]

Antena didasarkan pada konfigurasi bistatic, dimana antena pemancar dan

penerima terpisah tetapi berada di dalam satu blok yang sama. Komponen utama

dapat dilihat dan dipelajari pada Gambar 2.7. Model antena bow-tie planar

13

digunakan untuk pemancar (Tx) dan penerima (Rx), serta memiliki sudut suar

sebesar 76°. Antena bow-tie ini tercetak diatas (PCB), dan tertutup dalam logam

persegi panjang kotak yang melindungi antena. Peredam atau busa disini

bertindak sebagai penyerap gelombang elektromagnetik yang tidak diinginkan,

serta untuk mengurangi resonansi yang tidak diinginkan, digunakan dalam rongga

belakang antena bow-tie. Semakin baik bahan peredam tersebut, maka semakin

sedikit frekuensi yang terbuang dan terkena noise[24].

Antena untuk Ground Penetrating Radar (GPR) memiliki spesifikasi yang

sangat berbeda dari radar konvensional pada umumnya. Sistem Ground

Penetrating Radar (GPR) biasanya hanya membutuhkan power yang tidak terlalu

besar untuk tujuan portabilitasnya. Sebagai konsekuensinya, antena hanya

memperoleh gain yang relatif rendah, namun tetap memiliki bandwidth yang

cukup lebar untuk frekuensi kerja antena pada Ground Penetrating Radar

(GPR)[3].

Biasanya, sistem operasi pada Ground Penetrating Radar (GPR) hanya

digunakan untuk deteksi jarak dekat. Oleh karena itu, durasi perbedaan waktu

antara saat pulsa awal ditransmisikan sampai saat refleksi pertama terpantul

kembali ke sistem antena penerima itu sangat singkat. Ini berarti bahwa antena

tunggal tidak akan dapat mengirimkan dan menerima sinyal EM, bahkan jika

pulsa yang ditransmisikan memiliki durasi yang sangat singkat. Selain itu,

penggunaan antena tunggal membutuhkan switch sangat cepat untuk mengirimkan

atau menerima pulsa yang bertujuan untuk melindungi antena penerima dari

sinyal yang ditransmisikan, agar tidak terjadi interferensi kembali ke antena

pengirim[3].

Meskipun, switch tersebut dapat ditemukan, kinerja tersebut tidak cukup

memuaskan untuk digunakan dalam sistem Ground Penetrating Radar (GPR).

Untuk semua alasan ini, kebanyakan sistem Ground Penetrating Radar (GPR)

dilengkapi dengan dua antena terpisah untuk mengirim dan menerima sinyal EM.

Biasanya, kedua antena yang digunakan untuk mentransmisikan dan menerima

sinyal EM tersebut adalah antena yang identik[3].

14

Untuk bagian antena pada radar jarak pendek atau Ground Penetrating

Radar (GPR) itu sendiri merupakan sebuah elemen penting dari sistem

komunikasi ini. Hal tersebut menentukan kualitas data, resolusi jangkauan,

kedalaman maksimum penetrasi, dll, yang berguna untuk pemeriksaan beton

struktural. Antena Ground Penetrating Radar (GPR) dirancang untuk bekerja

dikontak dengan atau di dekat permukaan beton. Kemudian untuk mendapatkan

performa terbaik, antena harus tetap dalam 1/10 panjang gelombang dari

permukaan kira-kira satu setengah inci untuk jarak terbaik dari permukaan ke sisi

antena Ground Penetrating Radar (GPR), seperti pada Gambar 2.8[21].

Gambar 2.8 Konfigurasi blok antena pada Ground Penetrating Radar (GPR)

Peningkatan celah udara harus dihindari karena celah udara besar akan

menyebabkan sebagian besar energi radar akan terpantul dari beton

permukaan daripada menembus medium. Sinyal biasanya bergerak tegak lurus ke

permukaan, dari posisi antena. Walau sudut arah ketika antena melakukan

penetrasi kurang lurus kearah medium, tetapi energi masih akan tetap masuk tegak

lurus ke permukaan[21]. Bentuk arah dan sudut radiasi pada penempatan posisi

antena didalam blok tersebut, dapat di lihat pada Gambar 2.9[24].

15

Gambar 2.9 Arah sudut radiasi pada antena Ground Penetrating Radar

(GPR)[24]

Kemudian untuk pola radiasi yang dihasilkan terhadap jarak antara antena

dengan permukaan medium, harus tetap dalam 1/10 panjang gelombang dari

permukaan kira-kira satu setengah inci untuk jarak terbaik dari permukaan ke sisi

antena Ground Penetrating Radar (GPR). Dan untuk pola radiasi yang dihasilkan

dapat digambarkan pada Gambar 2.10, sebagai bentuk pola radiasi pada antena

Ground Penetrating Radar (GPR), dengan h=0.1λ[24].

Gambar 2.10 Model pola radiasi pada bidang E dan bidang H pada antena

Ground Penetrating Radar (GPR) dengan h=0.1λ[24]

16

2.6 Antena Mikrostrip Bow-tie pada sistem Ground Penetrating Radar (GPR)

Antena untuk Ground Penetrating Radar (GPR) memiliki spesifikasi yang

sangat berbeda dari antena radar konvensional lainnya. Sistem Ground

Penetrating Radar (GPR) biasanya mengkonsumsi daya listrik yang rendah untuk

menunjung sifat portabilitas-nya. Sebagai akibatnya, antena memiliki gain yang

relatif rendah. Namun, antena Ground Penetrating Radar (GPR) memiliki

bandwidth yang besar, dan biasanya, memiliki rentang operasi mulai dari

beberapa ratus MHz sampai 4,5 GHz atau lebih[3].

Untuk penggunaan antena pada Ground Penetrating Radar (GPR)

tergantung pada jarak dan obyek akan di deteksi. Dan seiring perkembangan

zaman penggunaan antena bow-tie menjadi sebuah antena pada Ground

Penetrating Radar (GPR) yang sangat populer, dikarenakan sifat kesederhanaan

dan karakteristik yang dimilikinya.

Seperti yang terlihat pada Gambar 2.11 menggambarkan antena bow-tie.

Pola radiasi dan impedansi input dari antena bow-tie dipengaruhi oleh sudut flare

pada antena. Dengan meningkatkan sudut flare dari bow-tie ternyata memiliki

efek mengurangi puncak nilai resistansi input dan masukan reaktansi antena.

Sudut flare dapat disesuaikan untuk mengontrol pola radiasi antena dan

mendapatkan radiasi maksimum. Hal ini menunjukkan bahwa sifat pada antena

bow-tie ini, memiliki pergerakan medan elektromagnetik sebagian yang besar

mengalir di sepanjang tepi bow-tie[3].

Gambar 2.11 Beberapa model dari bentuk Antena bow-tie

Untuk meningkatkan sifat dan karakteristik pada antena bow-tie, maka

desain yang berbeda varian dapat digunakan didalamnya. Gambar 2.12

17

menunjukkan kemungkinan konfigurasi dari antena resistively loaded bow-tie.

Pembebanan resistif dianggap oleh Shlager dapat mengoptimalkan radiasi pulsa

dari antena bow-tie.

Antena bow-tie memiliki polarisasi omnidirectional pada bidang simetri.

Oleh karena itu, antena bow-tie sangat sensitif terhadap gangguan elektromagnetik

dari luar. Untuk mencegah atau setidaknya mengurangi kemungkinan gangguan

tersebut, biasanya ditempatkan pelindung di sekitar antena. Selain dari melindungi

antena dari gangguan, pelindung juga berguna dalam melindungi antena dari

kerusakan selama operasi deteksi. Hal ini menunjukkan bahwa pelindung

memberikan efek cavity di impedansi input antena dan resonansinya, hal ini

mungkin menjadi masalah yang mempengaruhi kinerja sistem Ground

Penetrating Radar (GPR) keseluruhan. Namun, dengan penggunaan pelindung

(RAM) antara antena dan pelindung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12,

beberapa resonansi dapat dikurangi sementara, ketika membuat antena menjadi

omnidirectional[3].

Gambar 2.12 Penyusunan dari antena bow-tie pada sistem transmit/receive

2.7 Konsep Antena

Berdasarkan Antenna Research from Miller & Beasley, 2002, Antena

dapat didefinisikan sebagai sebuah atau sekelompok konduktor yang digunakan

untuk memancarkan atau meneruskan gelombang elektromagnetik menuju ruang

bebas (Tx) atau menangkap gelombang elektromagnetik dari ruang bebas (Rx) itu

18

sendiri[6]. Antena juga dapat di artikan sebuah perangkat yang berfungsi untuk

memancarkan atau menerima energi gelombang elektromagnetik (EM) dari media

kabel ke udara atau sebaliknya dan merupakan transisi untuk saluran transmisi ke

gelombang udara bebas “free space” atau sebaliknya.

2.7.1 Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas

ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik yang dapat digunakan

untuk menghantarkan dan mempropagasikan gelombang elektromagnetik. Selain

itu juga antena mikrostrip merupakan antena yang memiliki massa ringan dan

mudah dipabrikasi, dengan ukurannya yang kecil maka antena mikrostrip dapat

dengan mudah ditempatkan disegala jenis permukaan.

Sebagai media propagasi gelombang elektromagnetik, maka secara

karakteristik dapat dibuat untuk suatu rancangan sebuah saluran transmisi dan

radiator antena. Secara konseptual rancangan sebuah antena mikrostrip dilakukan

melalui dua tahap, yaitu : merancang model saluran transmisi dan merancang

ukuran dan model peradiasi atau radiator[7].

Gambar 2.13 Struktur Antena Mikrostrip

Seperti yang terlihat pada gambar 2.13, merupakan bentuk yang paling

dasar, pada sebuah antena mikrostrip yang terdiri dari sebuah patch sebagai

elemen peradiasi, saluran pentransmisi, substrate dielektrik dan ground plane.

Elemen peradiasi (radiator) berfungsi untuk meradiasikan gelombang

listrik dan magnet. Elemen ini biasa disebut dengan radiator patch dan terbentuk

dari lapisan logam metal yang memiliki ketebalan tertentu. Jenis logam yang

19

biasanya digunakan adalah tembaga (cooper) dengan konduktivitas 5.8 x 107 S/m.

Ada beberapa jenis radiator berdasarkan bentuknya, diantaranya rectangular

(segiempat), triangular (segitiga), lingkaran dan lain-lain. Lalu untuk bentuk

konfigurasi patch yang umum digunakan di dalam merancang suatu antena

mikrostrip dapat dilihat pada gambar 2.14[7].

Gambar 2.14 Macam-macam Bentuk Peradiasi pada Antena Mikrostrip[7]

Substrate merupakan dielektrik yang membatasi elemen peradiasi dengan

elemen ground plane. Bagian ini memiliki nilai konstanta dielektrik (εr), faktor

dispasi, dan ketebalan (h) tertentu. Ketiga nilai tersebut mempengaruhi frekuensi

kerja, bandwidth dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat ketebalan

substrate jauh lebih besar dari pada ketebalan konduktor metal peradiasi. Semakin

tebal substrate maka bandwidth akan semakin meningkat, tetapi berpengaruh

terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave). Untuk substrate

komersial yang tersedia umumnya memiliki dua data ukuran properti fisik, yaitu :

konstanta dielektrik atau permittivity (εr) dan loss tangent (tanδ)[10].

Antena mikrostrip ditandai dengan parameter fisik yang lebih banyak jika

dibandingkan dengan antena microwave konvensional pada umumnya. Di dalam

sebuah antena mikrostrip pada dasarnya terdiri dari sebuah patch dengan planar

atau non geometri planar pada satu sisi substrate dielektrik dengan ground plane

di sisi lain. Ground plane ini berfungsi sebagai pembumian bagi sistem di antena

mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama

dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga[10].

20

2.8 Konsep Antena Dipole

Antena Dipole adalah salah satu jenis antena yang paling penting dan

umum digunakan. Hal ini dalam artian banyak untuk digunakan sendiri, dan juga

dapat diaplikasikan ke dalam banyak bentuk desain antena RF lainnya, dimana

nantinya akan membentuk elemen yang memancar atau elemen pembawa untuk

antena[19].

Sebuah dipole merupakan antena yang terbuat dari kawat logam atau

batang linear dengan titik feed line di pusat receiver seperti pada gambar 2.15.

Untuk antena dipole sendiri umumnya memiliki dua batang kawat yang tersusun

memancar secara simetris[8].

Gambar 2.15 Konsep dasar Antena dipole setengah gelombang [19]

Sebatang kawat yang panjangnya 1⁄4 Lambda (λ) akan beresonansi dengan

baik bila ada gelombang elektromagnetik yang meradiasikan permukaannya. Jadi

bila pada ujung coax bagian dalamnya disambung dengan logam sepanjang 1⁄4 λ

dan outer-nya di ground, ia akan menjadi sebuah antena. Antena semacam ini

hanya mempunyai satu pole dan disebut monopole (mono artinya satu).

Sedangkan apabila outer dari coax tidak di-ground dan disambung dengan

seutas logam sepanjang 1⁄4 λ lagi, menjadi antena dengan dua pole dan disebut

dipole 1⁄2 λ (di- artinya dua).

Karena sifat simetri antena dipole relatif sama terhadap bidang x-y yang

berisi titik feed line, maka untuk bentuk radiasi yang dihasilkan dapat ditunjukkan

pada Gambar 2.16. Bentuk lobe(s) tergantung pada panjang antena, disamping itu

antena dipole merupakan antena yang dapat digunakan untuk aplikasi yang

disesuaikan dengan radiasi yang diinginkan dalam bidang x-y dari antena[8].

21

Gambar 2.16 Pola Radiasi dari Antena dipole[8]

2.9 Konsep Antena Dipole pada Mikrostrip

Mikrostrip Dipole Antena dicetak berbeda dari antena berbentuk patch

persegi panjang, yaitu perbedaan dalam hal rasio panjang dan lebar. Lebar dipole

biasanya ½ lambda (λ) panjang gelombang. Lalu untuk pola radiasi untuk jenis

dipole dan model patch hampir mirip karena distribusinya sama-sama

menggunakan gelombang longitudinal, tetapi sebaliknya sangat berbeda dalam

hal bandwidth dan radiasi lintas kutub antara dua antena yang sejenis. Mikrostrip

dipole antena adalah elemen menarik karena sifat yang ada, seperti ukuran yang

kecil dan polarisasi linear. Antena ini cocok untuk frekuensi yang lebih tinggi

dengan model substrate lebih tebal, dan akan menghasilkan bandwidth yang

besar[20].

2.9.1 Patch Mikrostrip Printed Dipole Antena

Perancangan sebuah patch peradiasi dari sebuah antena mikrostrip dibuat

pada sisi permukaan lapisan atas dari dielektrik substrate. Salah satu bentuk dari

patch peradiasi konsep antena dipole adalah model patch bow-tie, pada awalnya

memiliki konsep dari prinsip antena dipole. Gambar 2.5 memperlihatkan struktur

sebuah antena mikrostrip dengan memakai konsep antena dipole, yaitu

menggunakan ¼ λ (lambda) untuk satu buah pole-nya dan ½ λ (lambda) untuk

22

panjang dua buah pole-nya (dipole). Bentuk struktur mikrostrip dipole antena

dapat dilihat pada gambar 2.17.

Gambar 2.17 Bentuk Peradiasi pada struktur mikrostrip dipole antena[20]

Dua sisi yang berbentuk persegi panjang pada seperti Gambar 2.17 adalah

tembaga yang berada di atas material substrate. Setiap sisi persegi panjang (pole)

tersebut terhubung dengan tikungan pada microstrip feed line. Salah satu bagian

dari feed line akan terkoneksi dengan konektor 50 Ω dan satu lagi terhubung ke

ground.

Pembentukkan awal model ini khususnya model peradiasi bow-tie

berdasar kepada pemodelan awal yang berbentuk patch persegi panjang. Untuk

dapat membuat dimensi peradiasi bow-tie seperti ini bisa menggunakan

persamaan, melalui analisa dari lebar dan panjang patch persegi panjang. Dan

adapun persamaan untuk menghitung dimensi patch persegi panjang, untuk nilai

W dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

2

12

rf

cW

O

(2.1)

Dimana : fO adalah frekuensi osilasi dalam Hertz, εr adalah konstanta

dielektrik dan c adalah kecepatan cahaya (3 x 108 m/s). Untuk menghitung

konstanta dielektrik efektif, dimana konstanta dielektrik efektif (εreff) untuk W/h ≥

1 dengan W adalah lebar patch dan h adalah ketebalan substrate dielektrik, maka

dapat dituliskan melalui persamaan sebagai berikut :

23

2/1121

2

1

2

1

W

hrrreff

(2.2)

Dimana :

εreff = Konstanta dielektrik efektif

d = Ketebalan substrate (mm)

W = Lebar saluran pencatu/microstrip feed line (mm)

Untuk sisi panjang efektif pada patch dengan pertimbangan terhadap efek

fringing pada sisi tepi peradiasi diperluas dengan menambahkan ∆L seperti yang

terlihat pada persamaan 2.3. Besarnya ∆L dapat diperhitungkan dengan

persamaan berikut :

8.0258.0

264.03.0

412.0

h

W

h

W

hL

reff

reff

(2.3)

Sehingga panjang efektif untuk patch persegi panjang ini dapat diperoleh

melalui persamaan :

LLL eff 2

(2.4)

Karena Leff adalah panjang efektif patch persegi panjang, maka dapat

diperoleh melalui persamaan :

refff

cL

O

eff2

(2.5)

effL adalah panjang efektif, sedangkan untuk L adalah panjang sebenarnya

untuk sisi panjang pada patch persegi panjang. Karena ini merupakan antena

berjenis dipole, yang menggunakan jarak antar tepi peradiasi sebagai jarak

ketetapan dalam desain umum pada antena mikrostrip dipole yang dinyatakan

dalam panjang gelombang (λ), maka untuk menentukan lambda tersebut dapat

menggunakan persamaan sebagai berikut :

24

efff

c

(2.6)

Dimana :

c = Kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)

λ = Panjang gelombang (lambda)

f = Frekuensi resonansi (Hertz)

Untuk prinsip penggunaan dipole ini merupakan panjang ukuran

gelombang atau panjang lambda yang menjadi acuan untuk digunakan pada

pembuatan rancang bangun antena, dengan syarat tidak boleh melebihi panjang

yang sudah ditetapkan oleh persamaan yang telah dihitung sebelumnya.

2.10 Metode Cavity untuk Analisa Antena Mikrostrip

Ada beberapa macam metode yang dapat digunakan untuk menganalisa

antena mikrostrip. Beberapa diantaranya yaitu Model Saluran Transmisi, Model

Cavity, Model Momen dan Persamaan Integral, serta Model Persamaan

Differensial. Masing-masing metode tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan

dalam melakukan analisa antena mikrostrip[10].

Pada Model Saluran Transmisi, gambaran secara fisik terlihat bagus dan

tidak membutuhkan perhitungan yang rumit, hanya saja hasil perhitungannya

tidak akurat sebagai bentuk representasi dari antena mikrostrip. Selain itu metode

ini hanya cocok digunakan untuk jenis patch berbentuk segi empat (rectangular).

Sedangkan pada Model Cavity, perhitungannya lebih rumit dibandingkan dengan

Model Saluran Transmisi, akan tetapi hasil yang didapatkan lebih akurat dan

gambaran secara fisik terlihat lebih baik.

Lain halnya dengan Model Momen dan Persamaan Integral, yang memiliki

gambaran fisik yang tidak terlalu baik serta perhitungan yang rumit, akan tetapi

hasilnya menunjukkan tingkat keakuratan yang cukup tinggi. Metode yang lebih

dikenal pada Model Persamaan Differensial yaitu FDTD dan FEM. Jenis metode

ini menuntut kepada perhitungan yang rumit, akan tetapi lebih baik daripada

25

metode yang lain karena hasilnya sudah dalam bentuk representasi lingkungan

luar yang sebenarnya.

Analisa yang digunakan pada skripsi ini menggunakan metode Cavity.

Karena metode ini merepresentasikan ruang antara patch dengan bidang

pentanahan sebagai Cavity yang dibatasi oleh electric conductors (pada bidang

atas dan bawah) dan dindingnya magnetik (pada sisi-sisinya)[10].

Ketika patch mikrostrip diberi energi gelombang elektromagnetik, akan

timbul distribusi muatan pada bagian permukaan atas dan bawah patch, serta

bagian permukaan atas bidang pentanahan. Distribusi muatannya dikendalikan

oleh dua mekanisme, yaitu attractive dan repulsive. Mekanisme attractive

mengendalikan distribusi muatan pada bagian diantara patch dengan bidang

pentanahan, atau dengan kata lain mengatur konsentrasi distribusi muatan di

bagian bawah patch. Sedangkan Mekanisme repulsive mengendalikan distribusi

muatan dibagian bawah patch, yang memberikan aksi untuk menekan sebagian

muatan dari bagian bawah patch menuju ke sekeliling pinggiran patch dan

terakhir sampai pada bagian atas patch peradiasi. Proses berpindah-pindahnya

muatan ini menimbulkan kerapatan arus (current densities) dibagian atas (Jt) dan

bawah (Jb) patch, seperti pada Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Charge distribution dan current density pada patch mikrostrip

Seiring dengan semakin kecilnya nilai height-to-weight ratio (h/W), maka

mekanisme attractive menjadi yang dominan, sehingga mengakibatkan jumlah

arus yang mengalir dari bawah patch lalu ke pinggir dan berakhir pada bagian atas

patch semakin berkurang. Jika arus tersebut semakin berkurang dan bernilai nol,

maka tidak akan timbul medan magnet tangensial pada sisi-sisi patch, sehingga

26

tidak ada gelombang elektromagnetik yang diradiasikan, atau dengan kata lain

sisi-sisi patch menjadi dinding antena sempurna. Kejadian ini tentunya tidak

diharapkan, karenanya sekecil apapun height-to-weight ratio, dengan metode

Cavity diharapkan masih ada arus yang mengalir ke permukaan atas patch. Ketika

timbul arus ini, maka pada bagian sisi patch akan timbul medan tambahan yang

dapat dianalisa sebagai perluasan patch peradiasi[10].

2.11 Saluran transmisi

Saluran transmisi merupakan bagian penting dari antena mikrostrip.

Pemilihan saluran pencatu dengan saluran mikrostrip adalah karena kemudahan

dalam hal pabrikasi dan penentuan matching dari saluran mikrostrip dapat dengan

mudah dilakukan. Saluran mikrostrip dapat mempengaruhi matching pada antena

mikrostrip. Untuk me-matching-kan antena, hal yang perlu dilakukan cukup

dengan mengubah-ubah panjang dari elemen pencatu atau dengan memberikan

stub dan mengubah-ubah posisinya terhadap patch[10].

Gambar 2.19 Penampang Saluran Mikrostrip[10]

2.11.1 Konstanta Dielektrikum Efektif

Analisa parameter impedansi karakteristik dari mikrostrip secara

dimensional dibatasi oleh nilai rasio antara lebar strip konduktor dengan ketebalan

dielektrikum bahan (substrate). Konstanta dielektrikum efektif diperlukan untuk

menentukan hubungan bahan dari kedua dielektrikum yaitu substrate dan pelat

konduktor. Untuk menentukan nilai konstanta dielektrikum efektif dapat dicari

melalui persamaan berikut :

27

Konstanta dielektrik efektif (εeff) untuk W/h < 1

2

104.0/121

1

2

1

2

1

h

W

Wheffrr

(2.7)

Konstanta dielektrik efektif (εeff) untuk W/h > 1

Wheffrr

/121

1

2

1

2

1

(2.8)

Dimana :

εeff = Konstanta Dielektrik Efektif

εr = Konstanta Dielektrik

h = Ketebalan Substrate (mm)

W = Lebar Konduktor (mm)

2.11.2 Karakteristik Impedansi

Salah satu parameter utama yang penting untuk diketahui pada suatu

saluran mikrostrip adalah impedansi karakteristik (Z0). Impedansi karakteristik,

induktansi dan kapasitansi saluran transmisi ditentukan oleh besaran fisik saluran.

Nilai impedansi karakteristik ditentukan oleh lebar saluran atau konduktor (W),

ketebalan material substrate (h), dan konstanta dielektrik relatif (εr). Nilai

impedansi karakteristik merupakan hambatan yang terjadi sepanjang saluran yang

secara perhitungan dapat dicari melalui persamaan berikut :

Persamaan Karakteristik Impedansi untuk W/h < 1

h

W

W

h

4

8ln

60Z

eff

0

(2.9)

Persamaan Karakteristik Impedansi untuk W/h > 1

)44.1/ln(3/2393.1/

/120Z

eff0

hWhW

(2.10)

28

Dimana :

εeff = Konstanta Dielektrik Efektif

Z0 = Impedansi Karakteristik (Ω)

h = Ketebalan Substrate (mm)

W = Lebar Konduktor (mm)

2.11.3 Rugi-rugi Saluran Transmisi

Mikrostrip sebagai media saluran transmisi yang bekerja pada frekuensi

tinggi akan menghasilkan rugi-rugi yang bersifat meredam terutama yang

ditimbulkan oleh faktor dielektrikum bahan dan konduktor. Terdapat dua rugi-rugi

pada saluran transmisi, yaitu rugi konduktor dan rugi dielektrikum.

Besarnya rugi konduktor pada mikrostrip menurut Hammerstad dan

Bekkadal dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

g

g

O

O dB

wZ

f

072.0C (2.11)

Untuk panjang gelombang guide (λg) dapat dicari dengan persamaan :

O

Of

c

(2.12)

reff

Og

(2.13)

Dimana :

αc = Rugi Konduktor

Of = Frekuensi saat osilasi (Hertz)

O = Panjang gelombang di udara saat osilasi (cm)

g = Panjang gelombang guide pada saluran (cm)

29

Rugi dielektrikum lebih disebabkan oleh bahan medium sebuah substrate

dengan loss tangent yang dimilikinya. Dinyatakan dengan persamaan :

greffreff

reffr dB

1

tan13.27d

(2.14)

Dimana :

αd = Rugi Dielektrikum

tan δ = Dielektrik loss tangent

2.11.4 Teknik Pencatuan

Pemakain patch pada antena mikrostrip dapat diberikan saluran dengan

berbagai metode. Metode ini dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori yaitu

kontak langsung dan tidak kontak langsung. Dalam kategori kontak langsung,

daya RF disalurkan langsung ke patch menggunakan elemen penyambung seperti

mikrostrip line. Dalam skema saluran yang tidak kontak langsung yaitu

pengkoplingan medan elektromagnetik dilakukan untuk mentransfer daya antara

mikrostrip feed line dan patch yang diradiasi. Empat teknik yang paling popular

digunakan adalah mikrostrip line, probe koaksial (untuk dua kategori metode

saluran), coupling aperture dan coupling proximity (untuk dua kategori yang tidak

kontak langsung)[7].

2.11.4.1 Mikrostrip Line Feed

Pada jenis teknik saluran ini, sebuah garis langsung terhubung ke tepi dari

patch mikrostrip seperti yang di tunjukkan pada Gambar 2.10. Saluran strip

tersebut lebih kecil dibandingkan dengan ukuran patch dan dalam substrate yang

sama, yang disebut dengan struktur planar[7].

30

Gambar 2.20 Microstrip Line Feed

Tujuan dari penyisipan cut-in dalam patch ini adalah untuk mencocokkan

impedansi dari saluran terhadap patch tanpa memerlukan penambahan elemen

matching lainnya. Hal ini bisa dicapai dengan mengendalikan posisi in-set. Oleh

karena itu, untuk jenis saluran ini adalah skema saluran yang mudah, karena

memberikan kemudahan dalam hal pabrikasi dan pemodelan dalam membuat

antena mikrostrip[7].

2.11.4.2 Coaxial Probe

Coaxial Probe atau saluran probe adalah teknik yang sangat umum

digunakan untuk saluran mikrostrip patch antena. Seperti yang terlihat pada

Gambar 2.21, bagian dalam konduktor dari suatu konektor coaxial melewati

bagian dielektrik susbtrate dan disolder ke patch radiasi, sedangkan bagian luar

konduktor terhubung ke ground plane.

31

Gambar 2.21 Coaxial Feed Line pada antena mikrostrip

Untuk jenis skema saluran ini adalah bahwa posisi saluran dapat

ditempatkan pada setiap lokasi yang diinginkan di dalam patch agar sesuai dengan

impedansi masukan. Metode saluran ini cukup mudah untuk dibuat dan memiliki

radiasi semu yang rendah. Namun, kelemahan utama adalah bahwa pada desain

ini hanya mendapatkan bandwidth yang sempit dan sulit untuk membuat desain

seperti ini karena lubang harus dibor di substrate dan konektor menjorok keluar

ground plane, sehingga tidak membuat sepenuhnya planar untuk

ketebalan substrate[7].

2.11.4.3 Saluran Aperture Coupling

Dalam jenis teknik saluran ini, radiasi patch dan saluran mikrostrip

dipisahkan oleh bidang ground plane, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

2.22. Penghubung antara patch dan saluran dilakukan melalui slot atau aperture

pada bidang ground plane. Jenis saluran ini biasanya berpusat di bawah patch,

yang mengarah ke lebih rendah cross polarization karena simetri konfigurasi.

Jumlah kopling dari saluran untuk patch ditentukan oleh bentuk, ukuran dan

lokasi aperture.

32

Gambar 2.22 Apertured Coupling

Karena bidang ground plane dipisahkan antara patch dan feed line, maka

untuk terjadinya radiasi semu akan diminimalkan. Umumnya, bahan dengan

konstanta dielektrik tinggi digunakan untuk substrate bagian bawah dan

berukuran tebal, sedangkan bahan dengan konstanta dielektrik rendah digunakan

untuk substrate bagian atas untuk mengoptimalkan radiasi dari patch. Kerugian

utama pada teknik ini yaitu cukup sulit karena diperlukan untuk mencocokkan

posisi beberapa lapisan ini, yang juga meningkatkan ketebalan pada antena.

Skema jenis saluran ini juga hanya mendapatkan bandwidth yang sempit[7].

2.11.4.4 Saluran Proximity Coupling

Jenis teknik saluran ini juga disebut sebagai skema kopling

elektromagnetik. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.23, digunakan dua

substrate dielektrik dan garis saluran diantara kedua susbtrate tersebut dan radiasi

patch pada bagian atas pada susbtrate teratas.

Pada teknik ini bahwa saluran dapat menghilangkan radiasi semu dan

dapat menghasilkan bandwidth yang tinggi, dikarenakan oleh kenaikkan

keseluruhan ketebalan patch pada antena mikrostrip. Skema ini juga menyediakan

pilihan antara dua bahan media dielektrik yang berbeda, satu untuk patch dan satu

untuk saluran yang berfungsi untuk mengoptimalkan hasil yang di dapat. Selain

itu teknik ini juga tidak diperlukan pengeboran untuk menuju patch-nya. Teknik

ini juga sangat mendukung untuk penggunaan frekuensi tinggi.

33

Gambar 2.23 Proximity Coupling

Adapun kerugian utama dari skema saluran ini adalah sulit untuk

difabrikasi, karena penggabungan dua lapisan substate yang berbeda dielektrik

dan perlu penggabungan yang akurat. Matching dapat dicapai dengan mengontrol

panjang garis saluran dan lebar ke garis rasio patch, dan juga ada peningkatan

ketebalan dari keseluruhan antenna. Teknik Proximity Coupling terdiri dari dua

lapisan, yaitu lapisan feeding yang hanya 50Ω saluran transmisi mikrostrip dengan

dukungan ground plane dan lapisan atas sebagai patch pemancar utama. Dalam

Proximity Coupling (juga dikenal electromagnetic coupled) mikrostrip antena

konfigurasi, patch pemancar, dibuat pada susbtrate dielektrik, yang dilekatkan

dengan saluran mikrostrip pada substrate lainnya. Tapi karena titik pencatu tetap

di sudut umum dari geometri patch, maka untuk Matching Impedance sulit untuk

jenis saluran ini[7].

2.12 Parameter Antena Mikrostrip

Untuk dapat menjelaskan performance dari suatu antena, dibutuhkan

penjelasan dari beberapa parameter yang umum digunakan dalam perancangan

antena mikrostrip, yaitu bandwidth (lebar pita frekuensi), return loss (RL),

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), Input Impedance (impedansi masukkan),

radiation pattern (pola radiasi), dan Gain (penguatan antena).

34

2.12.1 Return Loss (RL)

Return Loss (RL) adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang

yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return Loss

(RL) digambarkan sebagai peningkatan dua komponen gelombang tegangan, yaitu

dari tegangan yang refleksikan (Vo–) dan tegangan yang dikirimkan (Vo+). Dan

perbandingan tersebut dinamakan koefisien refleksi tegangan dan dilambangkan

dengan ГL. Untuk koefisien refleksi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

0

0

0

0

ZZ

ZZ

V

V

L

LL

(2.15)

Dimana :

ГL = Koefisien refleksi tegangan

Vo– = Tegangan yang direfleksikan (Volt)

Vo+ = Tegangan yang dikirimkan (Volt)

ZL = Impedansi beban atau load (Ohm)

ZO = Impedansi karakteristik (Ohm)

Return Loss (RL) dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara

saluran transmisi dengan impedansi masukkan (antena). Pada rangkaian rangkaian

gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya Return

Loss (RL) bervariasi tergantung pada frekuensi. Untuk Return Loss (RL) dapat

diperoleh dengan cara memasukkan nilai koefisiensi tegangan kedalam persamaan

berikut ini :

RL (dB) = 20 Log |Г| (2.16)

Nilai Return Loss (RL) yang sering digunakan adalah dibawah -9.84 dB

atau untuk simulasi nilai Return Loss (RL) itu dibawah -10 dB, untuk menentukan

lebar bandwidth sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan

tidak terlalu besar jika 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.

35

2.12.2 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah perbandingan antara

amplitudo gelombang berdiri (standing wave) untuk tegangan maksimum

(|V|max) dengan tegangan minimum (|V|min), untuk Voltage Standing Wave

Ratio (VSWR) ini dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

VSWR =

1

1

min

max

V

V (2.17)

Koefisien refleksi tegangan ( Г ) memiliki nilai kompleks, yang

merepresentasikan besarnya magnitudo dan phase dari refleksi. Untuk beberapa

kasus dapat didefinisikan :

ГL = -1 berarti refleksi negatif maksimum yaitu ketika saluran terhubung

singkat.

ГL = 0 berarti tidak ada refleksi yaitu ketika saluran dalam keadaan

matched sempurna.

ГL = +1 berarti refleksi positif maksimum yaitu ketika saluran terhubung

dalam rangkaian terbuka.

Kondisi yang paling baik adalah adalah ketika Voltage Standing Wave

Ratio (VSWR) bernilai sama dengan ГL atau bernilai 1 (SWR=1) yang berarti

tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun

kondisi seperti ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh karena itu pada

umumnya nilai standar Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) yang sering

digunakan untuk antena adalah VSWR ≤ 2.

2.12.3 Bandwidth

Daerah frekuensi kerja dimana antena masih dapat bekerja dengan baik

dinamakan bandwidth antena. Suatu misal sebuah antena bekerja pada frekuensi

tengah sebesar fC, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi

f1 (di bawah fC) sampai dengan f2 (di atas fC), maka lebar bandwidth dari antena

tersebut adalah (f1 – f2) dengan batas kenaikkan nilai VSWR ≤ 2. Tetapi apabila

dinyatakan dalam persen, maka bandwidth antena tersebut adalah :

36

%BW =

C

LH

f

ff x 100 % (2.18)

Dan untuk bandwidth dapat dinyatakan dalam persamaan:

BW = fH - fL (2.19)

Dengan fC dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :

2

LHC

fff

(2.20)

Dimana :

fC = Frekuensi tengah (Hertz)

fH = Frekuensi maksimum (Hertz)

fL = Frekuensi minimum (Hertz)

BW = Lebar pita atau Bandwidth (Hertz)

2.12.4 Impedansi Masukan

Impedansi masukan suatu antena adalah impedansi pada terminalnya.

Impedansi masukan akan dipengaruhi oleh antena-antena lain atau obyek-obyek

yang dekat dengannya. Untuk impedansi input dapat dinyatakan dalam persamaan

berikut :

L

Loin ZZ

1

1

(2.21)

Dimana :

Zin = Impedansi masukan (Ohm)

ZO = Impedansi karakteristik (Ohm)

ГL = Koefisien refleksi tegangan

Impedansi antena terdiri dari bagain riil dan imajiner, yang dapat

dinyatakan dengan :

Zin = Zo Rin + j Xin (2.22)

37

Resistansi input (Rin) menyatakan tahanan disipasi. Daya dapat terdisipasi

melalui dua cara, yaitu karena panas pada struktur antena yang berkaitan dengan

perangkat keras dan daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali (teradiasi).

Sehingga daya real merupakan komponen yang diharapkan, yakni

menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui radiasi, sementara

komponen imajiner menunjukkan reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan

pada medan dekat antena.

2.12.5 Gain

Ketika antena digunakan pada suatu sistem, biasanya lebih tertarik pada

bagaimana efisien suatu antena untuk memindahkan daya yang terdapat pada

terminal input menjadi daya radiasi. Untuk menyatakan ini, power gain (atau gain

saja) didefinisikan sebagai 4 kali rasio dari intensitas pada suatu arah dengan

daya yang diterima antena, dan dinyatakan dengan :

G= 10LogI

I0 (2.23)

Dimana :

Io = Intensitas radiasi maksimum antena

I = Intensitas radiasi maksimum dari antena referensi

Terdapat dua jenis parameter gain, yaitu absolute gain dan relative gain.

Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara

intensitas pada arah tertentu dengan radiasi yang diperoleh jika daya yang

diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Nilai gain absolute dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan :

G()= 4

mP

U . (2.24)

Sedangkan relative gain didefinisikan sebagai perbandingan antara

perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi

pada arah tertentu, dengan daya masukkan sama pada kedua antena, namun antena

referensi merupakan sumber isotropic yang loseless. Gain relative dapat dihitung

dengan persamaan :

38

G = 4m

m

P

U (2.25)

2.12.6 Polarisasi

Polarisasi antena didefinisikan sebagai arah vektor medan listrik yang

diradiasikan oleh antena pada arah propagasi. Jika jalur dari vektor medan listrik

maju dan kembali pada suatu garis lurus dikatakan berpolarisasi linier. sebagai

contoh medan listrik dari dipole ideal.

Jika vektor medan listik konstan dalam panjang tetapi berputar disekitar

jalur lingkaran, dikatakan berpolarisasi lingkaran. Frekuensi putaran radian

adalah dan terjadi satu dari dua arah perputaran. Jika vektornya berputar

berlawanan arah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kanan (right handed

circular polarize) dan yang searah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kiri

(left handed circular polarize). Suatu gelombang yang berpolarisasi ellips untuk

tangan kanan dan tangan kiri.

Secara umum polarisasi berupa polarisasi ellips dapat digambarkan seperti

pada Gambar 2.24 dengan suatu sistem sumbu referensi. Gelombang yang

menghasilkan polarisasi ellips adalah gelombang berjalan sepanjang sumbu z

yang perputarannya dapat ke kiri dan ke kanan, dan vektor medan listrik sesaatnya

e mempunyai arah komponen ex dan ey sepanjang sumbu x dan sumbu y. Harga

puncak dari komponen-komponen tersebut adalah E1 dan E2.

Gambar 2.24 Polarisasi ellips secara umum

39

Sudut τ menyatakan harga relatif dari E1 dan E2, dapat dinyatakan sebagai

berikut :

2

1arctanE

E (2.26)

Sudut kemiringan ellips adalah sudut antara sumbu x dengan sudut

utama ellips. adalah fase, dimana komponen y mendahului komponen x. Jika

komponennya sefase ( =0), maka vektor akan berpolarisasi linier.

Orientasi dari polarisasi linier tergantung tergantung harga relatif dari E1

dan E2, jika :

E1 = 0 maka terjadi polarisasi linier vertikal

E2 = 0 maka terjadi polarisasi linier horisontal

E1 = E2 maka terjadi polarisasi linier membentuk sudut 450

Untuk memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena

penerima haruslah sama dengan polarisasi antena pemancar. Dan kadang terjadi

antara antena penerima dan pemancar berpolarisasi berbeda. Hal ini akan

mengurangi intensitas sinyal yang diterima.

Sebuah antena dapat memancarkan energi dengan polarisasi yang tidak

diinginkan, yang disebut polarisasi silang (cross polarized). Polarisasi silang ini

menimbulkan side lobe yang mengurangi gain. Untuk antena polarisasi linier,

polarisasi silang tegak lurus dengan polarisasi yang diinginkan dan untuk antena

polarisasi lingkaran, polarisasi silang berlawanan dengan arah perputarannya yang

diinginkan. Ini biasa yang disebut dengan deviasi dari polarisasi lingkaran

sempurna, yang mengakibatkan polarisasinya berubah menjadi polarisasi ellips.

Pada umumnya karakteristik polarisasi sebuah antena relatif konstan pada main

lobe. Tetapi polarisasi beberapa minor lobe berbeda jauh dengan polarisasi main

lobe.

2.12.7 Pola Radiasi

Pola radiasi (radiation pattern) suatu antena adalah pernyataan grafis

yang menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi

40

arah. Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan (field pattern) apabila yang

digambarkan adalah kuat medan dan disebut pola daya (power pattern) apabila

yang digambarkan poynting vektor. Untuk dapat menggambarkan pola radiasi ini,

terlebih dahulu harus ditemukan potensial. Dalam koordinat bola, medan listrik E

dan medan magnet H telah diketahui, keduanya memiliki komponen vetor dan

Sedangkan poynting vektornya dalam koordiant ini hanya mempunyai

komponen radial saja. Besarnya komponen radial dari poynting vektor ini adalah :

Pr = ½

2E

(2.27)

Dengan :

| E | =22

0 EE (2.28)

Dimana :

| E | = Resultan dari magnitude medan listrik

E = Komponen medan listrik

E = Komponen medan listrik

= Impedansi intrinsik ruang bebas (377 )

Untuk menyatakan pola radiasi secara grafis, pola tersebut dapat

digambarkan dalam bentuk absolut atau dalam bentuk relatif. Maksud bentuk

realtif adalah bentuk pola yang sudah dinormalisasikan, yaitu setiap harga dari

pola radiasi tersebut telah dibandingkan dengan harga maksimumnya. Sehingga

pola radiasi medan, apabila dinyatakan didalam pola yang ternormalisasi akan

mempunyai bentuk :

F( ) =

max,

,

E

P (2.29)

Dimana E adalah Komponen medan listrik dan Eadalah Komponen

medan listrik yang masing-masing bernilai maksimal sedangkan P adalah

Poynting vektor pada dan Padalah Poynting vektor pada Karena poynting

41

vektor hanya mempunyai komponen radiasi yang sebenarnya berbanding lurus

dengan kuadrat magnitudo kuat medannya, maka untuk pola daya apabila

dinyatakan dalam pola ternormalisasi, tidak lain sama dengan kuadrat dari pola

medan yang sudah dinormalisasikan itu.

P( ) = |F( ) |2 (2.30)

Seringkali juga pola radiasi suatu antena digambarkan dengan satuan

decibel (dB). Intensitas medan dalam decibel didefinisikan sebagai :

F( ) dB = 20 log | F( ) |(dB) (2.31)

Sedangkan untuk pola dayanya didalam decibel adalah :

P( ) dB = 10 log P( )

= 20 log | F( ) |(dB) (2.32)

Jadi didalam decibel, pola daya sama dengan pola medannya. Semua pola

radiasi yang dibicarakan di atas adalah pola radiasi untuk kondisi medan jauh.

Sedangkan pengukuran pola radiasi, faktor jarak adalah faktor yang amat penting

guna memperoleh hasil pengukuran yang baik dan teliti. Semakin jauh jarak

pengukuran pola radiasi yang digunakan tentu semakin baik hasil yang akan

diperoleh. Namun untuk melakukan pengukuran pola radiasi pada jarak yang

benar-benar tak terhingga adalah suatu hal yang tak mungkin. Untuk keperluan

pengukuran ini, ada suatu daerah di mana medan yang diradiasikan oleh antena

sudah dapat dianggap sebagai tempat medan jauh apabila jarak antara sumber

radiasi dengan antena yang diukur memenuhi ketentuan berikut :

r >

22D (2.33)

r >> D dan r >> λ

Dimana :

R = Jarak pengukuran (m)

D = Dimensi antena yang terpanjang (mm)

λ = Panjang gelombang yang dipancarkan sumber (lambda)

42

BAB III

PERANCANGAN ANTENA BOW-TIE MIKROSTRIP PADA

FREKUENSI 1.6 GHz UNTUK SISTEM GROUND

PENETRATING RADAR (GPR)

3.1 Dasar Perancangan Antena Mikrostrip Bow-Tie

Pada skripsi ini akan di rancang sebuah pemodelan antena mikrostrip bow-

tie, dengan karakteristik frekuensi resonansi (fr) yang mengacu kepada aplikasi

alat Ground Penetrating Radar (GPR) yang sudah dikomersilkan oleh perusahaan

Geophysical Survey Systems, Inc. (GSSI)[4], yaitu pada 1.6 GHz. Dan dalam

perancangan antena mikrostrip bow-tie ini digunakan rentang frekuensi dari 1 – 4

GHz, sebagai rentang frekuensi kerja di dalam simulasi microwave office.

Langkah perancangan antena ini dapat dijelaskan secara umum melalui diagram

alir seperti yang terlihat pada Gambar 3.1.

Dengan menggunakan media substrate Rogers RT/Duroid 5880, yang

memiliki spesifikasi konstanta dielektrik (εr) 2.2, ketebalan substrate (h) 1.57 mm,

dan dielektrik loss tangent ( tanδ ) 0.002, nantinya dapat ditentukan lebar saluran

pencatu untuk penggunaan pada impedansi karakteristik sebesar 50 Ω, penentuan

lebar saluran diperoleh melalui penggunaan software PCAAD.

Langkah selanjutnya adalah proses desain dan simulasi menggunakan

software Microwave Office, dan untuk dimensi panjang λ (lambda) bow-tie dapat

dihitung menggunakan persamaan pada bab sebelumnya. Perancangan dimensi

panjang λ (lambda) pada peradiasi dari sebuah antena mikrostrip model bow-tie,

pada awalnya memiliki konsep dari antena dipole. Dengan memakai konsep

antena dipole, yaitu menggunakan ¼ λ (lambda) untuk panjang satu buah pole-nya

dan ½ λ (lambda) untuk panjang dua buah pole-nya (dipole), nantinya dapat

diaplikasikan sebuah desain mikrostrip bowtie dengan konsep antena dipole.

Lalu untuk dimensi substrate yang akan digunakan dalam perancangan ini

ditentukan melalui perbandingan ukuran pada software Microwave Office.

43

Melalui bantuan penggunaan software Microwave Office, hasil rancangan dapat

disimulasikan untuk melihat parameter antena yang didapat, seperti return loss,

VSWR, pola radiasi bandwidth, gain dan lain sebagainya.

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Rancangan Antena pada Simulasi

Sebagai standar minimum, dimana antena dapat dikatakan optimum jika

parameter hasil simulasi di dapat return loss (RL) < -10dB, VSWR antara 1

sampai 2, dan untuk target bandwidth > 100MHz. Jika parameter tersebut belum

Mulai

Penetapan Frekuensi Resonansi

(Fr) pada 1.6 GHz

Material Substrate

RT/Duroid 5880

εr = 2.2

h = 1.57 mm

tanδ = 0.002

Merancang panjang Dipole pada

antena bow-tie mikrostrip

Merancang lebar saluran

transmisi (Zo= 50 Ω)

Pemodelan Antena Bow-tie menggunakan software Microwave

Office

Menjalankan Simulasi

RL < -10dB

1 ≤ VSWR ≤ 2

Bandwidth ≥ 100 MHz

Ya ?

- Penambahan slot pada patch Bow-tie

- Pengaturan jarak antar saluran catu

- Pembatasan pada bidang Ground

Plane

Tidak ?

Selesai

44

tercapai, maka dapat dilakukan berbagai modifikasi sampai didapat nilai yang

dikehendaki. Modifikasi yang dilakukan dalam perancangan ini antara lain,

memberikan slot pada radiator bow-tie untuk mencapai frekuensi resonansi yang

sesuai, serta dilakukan pembatasan pada sisi ground plane, dengan tujuan untuk

mendapatkan bandwidth yang lebar.

3.2 Langkah Perancangan

Pada perancangan untuk antena mikrostrip ini diperlukan beberapa

perangkat pendukung sebagai sebuah langkah perancangan antena, adapun

perangkat pendukung untuk perancangan yang digunakan antara lain : Bahan

perancangan (Substrate), Perangkat lunak (Software) untuk simulasi, dan

Perangkat keras (Hardware).

3.2.1 Bahan Perancangan (Substrate)

Untuk mendukung proses rancang bangun diperlukan sebuah substrate

yang digunakan sebagai media peracangan antena. Dalam tabel 3.1 diperlihatkan

spesifikasi media yang digunakan meliputi, tipe substrate, dielektrik konstanta,

ketebalan substrate, dielektrik loss tangent, dan dimensi substrate yang akan

digunakan.

Tabel 3.1 Spesifikasi media substrate antena mikrostrip

Tipe substrate Rogers RT/Duroid 5880

Konstanta dielektrik (εr) 2.2

Ketebalan substrate (h) 1.57 mm

Dielektrik loss tangent ( tanδ ) 0.002

Dimensi substrate 96x96 mm2

3.2.2 Perangkat lunak (Software)

Untuk kegiatan awal dari sebuah rancang bangun antena dapat

menggunakan alat bantu, baik bersifat software ataupun hardware. Untuk

perancangan awal pada rancang bangun ini dilakukan melalui proses perangkat

45

lunak (software). Terdapat beberapa software yang digunakan dalam perancangan

ini, diantaranya:

1. Software PCAAD 3.0 (Personal Computer Aided Desain 3.0)

Software ini digunakan sebagai program yang membantu untuk

menentukan lebar saluran pencatu pada substrate. Untuk mengetahui

dimensi lebar saluran tersebut, cukup dengan menginputkan nilai

impedansi yng akan digunakan, ketebalan substrate dan konstanta

dielektrik antena mikrostrip yang diinginkan.

2. Software Microwave Office 2002 Version 5.53

Software Microwave Office merupakan salah satu software yang biasa

digunakan untuk melakukan simulasi dan melakukan desain pemodelan

antena yang akan dirancang, serta mensimulasikan hasil rancangan untuk

melihat nilai parameter antena yang dibentuk seperti return loss, VSWR,

pola radiasi, polarisasi, gain dan lain sebagainya.

3. Software Corel Draw

Software ini digunakan untuk mendesain ulang pemodelan antena yang

telah disimulasikan untuk kebutuhan proses pabrikasi antena. Untuk

mencetak bentuk rancangan antena, dilakukan proses pengikisan lapisan

konduktor atau biasa disebut proses etching.

3.2.3 Perangkat keras (Hardware)

Untuk perangkat alat bantu yang digunakan setelah proses rancangan telah

selesai. Hardware yang digunakan dalam perancangan ini meliputi sebagai

berikut :

1. Konektor jenis SMA (Sub Miniature version A)

Konektor ini berfungsi untuk penghubung antara saluran pencatu dengan

peradiasi antena (patch). Untuk nilai konektor sesuai dengan impedansi

karakteristik yaitu sebesar 50 Ohm.

46

2. Network Analyzer

Perangkat ini yang digunakan sebagai instrumentasi atau alat ukur

terhadap nilai parameter antena setelah rancangan melalui tahap pabrikasi.

Untuk nilai parameter yang dapat diukur, seperti : return loss, VSWR, Zin

dsb. Sedangkan peralatan yang digunakan dalam perancangan antena ini

meliputi perangkat standar workshop seperti solder, tang, timah, cutter,

penggaris, dan lain sebagainya.

3. Laptop

Digunakan untuk menjalankan proses simulasi perancangan. Adapun

spesifikasi minimum yang mendukung untuk proses simulasi agar berjalan

dengan baik seperti Windows XP, Pentium Intel Core 2 duo CPU, dan

RAM 1.93 GB DDR2.

3.3 Langkah Perancangan Dasar Antena Bow-tie

Pada kegiatan perancangan dasar antena bow-tie ini dilakukan dua

tahapan, yaitu merancang dimensi panjang λ (lambda) pada patch dan saluran

transmisi mikrostrip atau saluran pencatu. Pada perancangan ini digunakan proses

analisis dalam merancang dimensi panjang λ (lambda) pada patch antena dan

proses simulasi software untuk merancang lebar saluran transmisi mikrostrip.

Secara konstruksi pemodelan dalam perancangan sebuah antena bow-tie terdiri

beberapa model yang umum digunakan dalam setiap rancang bangun. Pemodelan

untuk patch bow-tie diantaranya ada yang berbentuk segitiga, persegi, trapesium,

segitiga dengan slot dsb, kemudian untuk teknik saluran pencatunya sendiri ada

yang menggunakan saluran catu tunggal dan ada yang menggunakan saluran catu

paralel dalam perancangannnya.

Dan untuk perancangan yang digunakan pada rancang bangun ini

menggunakan saluran catu paralel, serta dilakukan penambahan slot pada patch

dan pembatasan ground plane sebagai teknik untuk memperlebar bandwidth.

47

3.3.1 Perancangan Dimensi Antena Mikrostrip Bow-tie

Setelah didapat frekuensi target yang ditentukan yaitu pada 1.6 GHz,

selanjutnya membentuk awal model peradiasi bow-tie dengan berdasar kepada

pemodelan awal yang berbentuk patch persegi panjang. Untuk dapat membuat

dimensi peradiasi bow-tie tersebut bisa menggunakan persamaan, melalui analisa

dari perhitungan lebar dan panjang dari patch persegi panjang. Dan adapun

persamaan untuk menghitung dimensi patch, dapat menggunakan persamaan

(2.1), dimulai dengan menghitung lebar dari patch persegi panjang (W), yaitu

sebagai berikut:

2

12

rf

cW

O

2

12.2Hz 91.6x10 . 2

m/s 810 x 3

W

mmmW 1.7407411.0

Kemudian untuk menghitung konstanta dielektrik efektif (εreff) dapat

menggunakan persamaan (2.2), yaitu sebagai berikut :

2/1121

2

1

2

1

W

hrrreff

2/1

07411.0

00157.0.121

2

12.2

2

12.2

m

m

reff

135.2reff

Selanjutnya dengan menghitung ∆L untuk membantu mencari nilai

panjang yang sebenarnya, seperti yang terlihat pada persamaan 2.3. Besarnya ∆L

dapat diperhitungkan dengan persamaan berikut :

48

8.0258.0

264.03.0

412.0

h

W

h

W

hL

reff

reff

8.000157.0

07411.0258.0135.2

264.000157.0

07411.03.0135.2

00157.0412.0

m

m

m

m

mxL

mmmL 829.0000829.0

Kemudian setelah mendapat nilai ∆L, maka untuk selanjutnya mencari

nilai Leff, nilai ini adalah adalah panjang efektif patch persegi panjang dan dapat

diperoleh melalui persamaan (2.5) :

refff

cL

O

eff2

135.2106.1.2

103

9

8

Hzx

smx

Leff

mmmLeff 2.6406421.0

Setelah nilai ∆L dan nilai Leff, sudah diperoleh maka tahap selanjutnya

mencari panjang sesungguhnya dari patch persegi panjang, untuk L dapat

diperoleh melalui persamaan (2.4) :

LLL eff 2

mmmmL 829.0.22.64

mmL 542.62

Didapat nilai panjang sesungguhnya untuk patch sebesar 62.542 mm,

kemudian dibulatkan menjadi 62.5 mm.

49

Perancangan dimensi patch peradiasi dari antena mikrostrip model bow-tie

ini, menggunakan dua model patch yang identik seperti terlihat pada Gambar 3.2.

Model bow-tie ini memakai konsep antena dipole untuk menentukan jarak antar

tepi peradiasinya (pole), yang menggunakan ¼ λ (lambda) untuk satu buah pole-

nya dan ½ λ (lambda) untuk panjang dua buah pole-nya (dipole), sehingga untuk

mencari panjang lambda (λ) atau jarak panjang gelombang dapat menggunakan

persamaan (2.6), yaitu sebagai berikut :

eff

f

c

135.2106.1

103

9

8

Hzx

smx

= 128.4 mm

Didapat panjang λ = 128.4 mm lalu untuk panjang efektif ½ λ = 64.2 mm,

untuk kebutuhan perancangan maka dibulatkan menjadi 64 mm.

Gambar 3.2 Panjang ½ λ pada Antena Mikrostrip Bow-tie

50

3.3.2 Perancangan Lebar Saluran Pencatu

Penentuan lebar saluran pencatu sangat dipengaruhi oleh konstanta

dielektrik substrate, tebal substrate, frekuensi kerja serta besaran nilai impedansi

yang diinginkan. Untuk mencari nilai lebar saluran (Wf) untuk jenis substrate

Rogers RT/Duroid 5880, dapat menginputkan data substrate seperti dielektrik

konstan (εr) dan ketebalan substrate (h), menggunakan software PCAAD 3.0

seperti terlihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Tampilan software PCAAD untuk menentukan lebar saluran antena

Dengan menginputkan karakteristik impedansi 50Ω pada isian software

PCAAD 3.0. dengan nilai, h = 1.57 mm = 0.157 cm untuk ketebalan Substrate,

dan εr = 2.2 konstanta dielektrik, maka didapat ukuran lebar saluran mikrostrip

(Wf) yaitu sebesar 0.483 cm, seperti yang terlihat pada kotak Line Width. Dan

untuk kebutuhan perancangan maka lebar saluran dibulatkan menjadi 0.48 cm =

4.8 mm, seperti terlihat pada Gambar 3.4.

51

Gambar 3.4 Ukuran Lebar Saluran Pencatu Antena

3.3.3 Menjalankan Proses Simulasi pada Software Microwave Office

Proses simulasi pada program simulator ini dilakukan pada Software

Microwave Office 2002. Proses ini diperlukan untuk menyesuaikan data substrate

yang akan digunakan dalam perancangan antena.

Langkah 1 :

Untuk memulai perancangan antena dapat dilakukan dengan membuat file

new project dengan cara memilih menu File > New Project. Kemudian untuk

membentuk area substrate dibuat melalui menu Project > Add EM Structure >

New EM Structure.

Gambar 3.5 Tahap awal simulasi pada Software Microwave Office 2002

52

Langkah 2 :

Lalu untuk menyesuaikan data substrate seperti dimensi dan spesifikasi

substrate melalui menu Structure > Enclosure, untuk kemudian pada menu

tersebut diinputkan data substrate seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6, dengan

pilihan unit satuan dalam millimeter (mm). penentuan ukuran sel disesuaikan

dengan ketentuan spesifikasi substrate, dan dalam rancangan ini untuk tipe

RT/Duroid 5880 ditentukan ukuran cell size adalah 0.8 mm yang didapat dari

perbandingan antara dimensi X dan Y yaitu, 96 : 96 dan perbandingan terhadap

divisi X dan Y sebesar 120 : 120.

Gambar 3.6 Konfigurasi Ukuran Dimensi Substrate Antena

Langkah 3 :

Pada menu Dielectric Layers, substrate ditempatkan ditengah box dimana

layer atas dan layer bawah adalah lapisan udara, dengan ketebalan kurang lebih

12 kali ketebalan substrate, seperti yang terlihat pada Gambar 3.7.

53

Gambar 3.7 Konfigurasi Layer Dielektrik Antena

Langkah 4 :

Untuk penyesuaian batasan antena (Boundaries Setting) dapat diatur pada

menu Boundaries, menggunakan pendekatan ruang terbuka dengan hambatan

udara pada kedua sisi antena sebesar 377Ω seperti yang ditunjukkan pada Gambar

3.8.

Gambar 3.8 Konfigurasi Boundaries Setting pada Antena

54

Langkah 5 :

Penambahan port untuk jenis pencatuan dengan saluran mikrostrip ini

dapat ditambahkan melalui menu Draw > Add Edge Port, untuk posisi port

tersebut ditempatkan ujung saluran tepatnya di bagian tepi pada substrate, dan

penempatan port pada saluran ditunjukkan pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9 Penambahan Port Untuk Saluran Pencatu

Penggunaan port untuk jenis pencatuan dengan saluran mikrostrip model

Bow-tie ini menggunakan 2 feed line dan memakai 2 port yang di tempatkan

sejajar satu dengan yang lainnya. Penambahan 2 port sekaligus ini merupakan

dasar dari penggunakan konsep antena dipole yang menggunakan 2 saluran feed

line sekaligus dalam satu substrate, dan untuk penempatan 2 port pada saluran

ditunjukkan pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Penggunaan saluran paralel pencatu untuk bow-tie

55

Pada penggunaan 2 port untuk tipe pencatuan ini tentunya memiliki setting

port yang berbeda antara satu dengan yang lainnya, seperti yang terlihat pada

Gambar 3.11 atau port 1 yang memilih menu Port attributes > Excitation Port,

atau mode saluran yang di dummy dan bernilai 0 Ω sebagai setting port. Pada

penggunaan saluran yang di dummy seperti ini, digunakan lapisan serat

alumunium yang terdapat pada lapisan kabel coaxial yang dipakai sebagai input

masukan ke terminal yang di dummy.

Gambar 3.11 Konfigurasi Port 1 pada Saluran Pencatu

Dan untuk port 2 ini memiliki setting port yang berbeda, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.12 yang memilih menu Port attributes > Termination

Port dan bernilai 50 Ω sebagai setting port. Penggunaan 2 port ini pada dasarnya

memakai spesifikasi dari pada antena dipole, yang peradiasinya dapat digunakan 2

pole sekaligus atau secara bergantian. Dan untuk antena mikrostrip ini

peradiasinya digunakan bergantian dan keduanya memiliki fungsi yang sama,

artinya dapat diberikan nilai impedansi sebesar 50 Ω.

Gambar 3.12 Konfigurasi Port 2 pada Saluran Pencatu

56

Langkah 6 :

Pengukuran parameter antena dapat dilakukan melalui simulasi yang dapat

ditambahkan melalui menu Project > Add Graph, untuk menentukan parameter

antena yang akan ditampilkan dapat dipilih melalui opsi yang ditampilkan pada

gambar 3.13.

1. Untuk return loss dapat dipilih melalui opsi Rectangular kemudian

rename graph 1 menjadi return loss lalu klik kanan dengan Measurement

Type : Port Parameter, Measurement : S, Data Source name : EM

Structure 1, Complex Modifier : Magnitude dan ceklis result type : DB.

2. Untuk VSWR dapat dipilih melalui opsi Linier kemudian rename graph 2

menjadi VSWR lalu klik kanan dengan Measurement Type : Linier,

Measurement : VSWR, Data Source name : EM Structure 1, dan ceklis

result type : DB.

3. Impedansi Masukan (Zin) dapat dipilih melalui opsi Smith Chart

kemudian rename graph 3 menjadi Zin lalu klik kanan dengan

Measurement Type : Linier, Measurement : Zin, dan Data Source name :

EM Structure 1.

4. Pola radiasi antena dapat dipilih melalui opsi Rectangular kemudian

rename graph 4 menjadi Pola Radiasi lalu klik kanan dengan

Measurement Type : Antena, Measurement : PPC_TPwr (Total radiation

Power), Data Source name : EM Structure 1 dan ceklis result type : DB.

5. Polarisasi antena dapat dipilih melalui opsi Antena Plot kemudian rename

graph 4 menjadi Polarisasi lalu klik kanan dengan Measurement Type :

Antena, measurement : PPC_ETheta (Polarisasi pada fungsi Theta), Data

Source name : EM Structure 1 dan ceklis result type : DB. Untuk

menambahkan satu bentuk polariasi lagi klik kanan pada polarisasi dengan

Measurement Type : antena, Measurement : PPC_EPhi (Polarisasi pada

fungsi Phi), Data Source name : EM Structure 1 dan ceklis result type :

DB.

57

Gambar 3.13 Pilihan perancangan parameter pada Microwave Office untuk

Program Simulasi Antena

Langkah 7 :

Pengaturan jangkauan frekuensi yang akan digunakan dapat dilakukan

pada menu Options > Project Options, pengaturannya dengan Modify Range :

Start untuk menentukan awal jangkauan frekuensi yang akan digunakan, Modify

Range : Stop untuk akhir jangkauan frekuensi, dan Modify Range : Step untuk

kerapatan jangkauan frekuensi, kemudian untuk Sweep Type dipilih opsi Linier

dalam satuan GHz, pengaturan ini ditunjukkan seperti pada Gambar 3.14. Untuk

tahap awal dalam perancangan ini, jangkauan frekuensi yang akan digunakan

dimulai pada frekuensi 1 GHz dan berakhir pada 4 GHz dengan kerapatan

jangkauan frekuensi 0.1 GHz. Selanjutnya untuk memulai simulasi dapat

dilakukan dengan memilih menu Simulate > Analyze, kemudian simulasi akan

diproses dan parameter antena hasil dari simulasi akan ditampilkan pada akhir

proses.

58

Gambar 3.14 Pengaturan Jangkauan Frekuensi pada Perancangan Antena

3.4 Perancangan Antena

Antena yang dirancang dalam pemodelan ini merupakan jenis antena

planar yang dicetak pada single layer substrate jenis Rogers RT/Duroid 5880,

yang memiliki spesifikasi konstanta dielektrik (εr) 2.2, ketebalan substrate (h)

1.57 mm, dan dielektrik loss tangent ( tanδ ) 0.002. Dimana patch ini berbentuk

bow-tie dengan pencatu saluran mikrostrip paralel yang dicetak pada satu sisi, dan

ground plane sebagian pada sisi yang lain.

Perancangan antena ini dilakukan dalam beberapa tahapan uji coba,

dimana pada tahap ini adalah untuk mencari rancangan yang optimum dan terlihat

pada nilai return loss hasil simulasi. Untuk perancangan antena ini terdiri dari

beberapa tahap, sebelum didapatkan hasil akhir sesuai dengan target yang

diinginkan. Tahap pertama dimulai dengan membentuk pemodelan pada patch,

yaitu dengan membuat model patch bowtie tanpa modifikasi dan kedua

menambahkan slot pada patch bowtie tersebut, dengan tujuan agar membentuk

frekuensi resonansi yang baru. Tahap kedua dilanjutkan dengan pengaturan jarak

antar saluran catu, dan tahap ketiga dilakukan pembatasan ground plane pada sisi

bawah substrate.

59

3.4.1 Pemodelan Patch pada Antena Bow-tie

Dalam tahap awal perancangan dibutuhkan sebuah pemodelan yang

menjadi dasar sebuah perancangan antena. Berdasar dari acuan hasil persamaan

yang telah diperoleh sebelumnya dalam merancang dimensi yang akan digunakan,

tentunya akan menghasilkan ukuran-ukuran yang ditentukan untuk kemudian

digunakan dalam membuat antena bow-tie.

3.4.1.1 Perancangan Antena Bow-tie tanpa Modifikasi

Rancangan antena tahap pertama disimulasikan tanpa melakukan beberapa

perubahan yang siginifikan. Ukuran panjang lambda (L1) pada tahap awal

perancangan antena ini yaitu 64 mm, dan untuk perubahannya ini tidak dilakukan

slot pada bidang radiator, namun pada tahap ini dilakukan pengamatan terhadap

hasil yang diberikan jika menggunakan patch tanpa modifikasi, seperti yang

terlihat pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15 Rancangan antena Patch Bow-tie tanpa modifikasi

Bentuk tersebut merupakan bentuk tahap awal perancangan antena dan

tidak dilakukan modifikasi, untuk kemudian dilakukan pengamatan terhadap hasil

60

keluaran untuk parameter return loss dan VSWR dari simulasi yang telah

dilakukan itu, jika menggunakan patch tanpa modifikasi seperti yang terlihat

dalam bentuk grafik pada Gambar 3.16 dan Gambar 3.17.

Gambar 3.16 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie tanpa modifikasi

Gambar 3.17 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie tanpa modifikasi

61

Perancangan antena tahap pertama ini hanya dilakukan tanpa memberikan

modifikasi, karena untuk tahap ini ditujukan untuk melihat hasil yang didapat

apabila menggunakan patch tanpa modifikasi sedikitpun, sekaligus untuk menguji

desain tersebut, apakah dapat mencapai nilai target yang di harapkan yaitu, nilai

return loss yang optimum berada dibawah -10 dB, frekuensi kerja 1.6 GHz dan

VSWR berada di rentang 1-2.

3.4.1.2 Perancangan antena Bow-tie dengan penambahan slot pada Radiator

Rancangan antena selanjutnya disimulasikan dengan melakukan

penambahan slot pada radiator antena bow-tie. Tahap awal penambahan slot ini

dapat digambarkan seperti pada Gambar 3.18, dimana pada gambar tersebut

ditampikan bentuk awal pemberian slot pada radiator. Perubahan nilai ukuran

dilakukan pada sisi lebar slot (W3) dan untuk panjang pada slot L3 sebesar 28.8

mm. Tujuan penambahan slot ini diharapkan dapat memberikan pengaruh

terhadap impedansi masukan, baik itu nilai bandwidth yang lebar melalui

pembentukkan resonansi baru ataupun nilai VSWR yang optimum.

Gambar 3.18 Pemberian slot pada antena dengan panjang L3 sebesar 28.8 mm

62

Slot tersebut merupakan bentuk tahap awal perancangan antena, dengan

perubahan nilai ukuran dilakukan pada sisi lebar slot (W3), untuk hasil

perancangan yang dilakukan pada simulasi tersebut, dapat terlihat dalam bentuk

grafik pada Gambar 3.19 dan Gambar 3.20.

Gambar 3.19 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 28.8 mm

Gambar 3.20 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 28.8 mm

63

Dari hasil perancangan antena tersebut menampilkan akan terbentuk 3

buah frekuensi resonansi. Nilai return loss yang dihasilkan juga masih belum

signifikan karena belum berada di posisi < -10 dB, sehingga nilai yang ada masih

jauh dari target yang diharapkan. Begitu pula nilai VSWR, hasil yang dicapai

masih belum optimum karena belum berada diantara nilai 1 dan 2.

Selanjutnya mengacu dengan bentuk perubahan yang pernah dilakukan

pada tahap awal, maka dilakukan penambahan ukuran yang lebih panjang (L3)

untuk slot pada radiator tersebut, yang dapat digambarkan pada Gambar 3.21.

Untuk ukurannya panjang slot L3 sebesar 48 mm dapat diatur dan disesuaikan

dengan nilai simulasi yang dihasilkan, agar mendekati dengan kriteria

perancangan antena bow-tie, dengan harapan memberikan pengaruh impedansi

bandwidth melalui pembentukkan resonansi baru.

Gambar 3.21 Pemberian slot pada antena dengan panjang L3 sebesar 48 mm

Tahap ini dilakukan perubahan dengan menambah panjang slot, sementara

lebar celah dibuat tipis dan dapat diatur sesuai dengan hasil simulasi yang

dihasilkan, agar mendekati dengan kriteria target utama dalam perancangan

antena bow-tie. Slot tersebut merupakan bentuk tahap kedua perancangan antena

64

dengan melakukan perubahan pada lebar W3, untuk kemudian dilakukan

pengamatan terhadap hasil perancangan yang dilakukan pada simulasi tersebut,

seperti yang terlihat dalam bentuk grafik pada Gambar 3.22 dan Gambar 3.23.

Gambar 3.22 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 48 mm

Gambar 3.23 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie penambahan slot untuk L3 = 48 mm

65

Dari hasil perancangan antena tersebut menampilkan akan terbentuk 1

buah frekuensi resonansi. Nilai return loss yang dihasilkan memang masih belum

signifikan karena belum berada di posisi < -10 dB, sehingga nilai yang ada masih

jauh dari target yang diharapkan. Namun dengan pembentukkan 1 buah frekuensi

resonansi tersebut artinya ada kemungkinan untuk mencapai target single band

yang ditentukan, dan untuk selanjutnya dilakukan bagaimana cara untuk mencapai

dan menggeser frekuensi resonansi tersebut.

Penambahan slot pada radiator untuk tahap selanjutnya dilakukan

modifikasi dengan menambah ukuran lebar di ujung slot (W2) seperti pada

Gambar 3.24. Mengacu dari uji coba terhadap perubahan ukuran dimensi yang

dilakukan sebelumnya, baik itu perubahan lebar dan panjang pada W3 atau L3.

Maka dilakukan modifikasi untuk mencari parameter antena yang paling optimum

serta untuk mendapatkan nilai return loss yang semakin bagus dan mendapatkan

frekuensi resonansi yang sesuai dengan target.

Gambar 3.24 Memperlebar sisi bagian ujung slot pada antena bow-tie

Pada bagian ini dilakukan perubahan dengan menambah lebar sisi pada

ujung slot (W2), sementara sisi dalam (W3) lebar celah tetap dibuat tipis dan

66

dapat diatur sesuai dengan hasil simulasi yang dihasilkan, agar mendekati dengan

kriteria target utama dalam perancangan antena bow-tie. Slot tersebut merupakan

bentuk tahap ketiga perancangan antena dengan melakukan perubahan pada lebar

W2, untuk kemudian dilakukan pengamatan terhadap hasil perancangan yang

dilakukan pada simulasi tersebut, seperti yang terlihat dalam bentuk grafik pada

Gambar 3.25 dan Gambar 3.26.

Gambar 3.25 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan memperlebar sisi bagian ujung slot

67

Gambar 3.26 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan memperlebar sisi bagian ujung slot

Dapat terlihat dari hasil perancangan antena tersebut menampilkan akan

terbentuk 1 buah frekuensi resonansi. Nilai return loss yang dihasilkan masih jauh

signifikan karena belum berada di posisi < -10 dB, sehingga nilai yang ada masih

jauh dari target yang diharapkan. Begitu pula nilai VSWR, hasil yang dicapai

masih belum optimum karena belum berada diantara nilai 1 dan 2.

3.4.2 Perancangan Antena Bow-tie dengan pengaturan jarak antar saluran

catu

Perancangan antena bow-tie tahap selanjutknya dilakukan pengaturan

jarak antar saluran catu (L4) seperti pada Gambar 3.27. Penambahan ukuran ini

dengan harapan dapat membentuk resonansi baru yang sesuai dengan target yang

akan di capai. Untuk selanjutnya dilakukan uji coba terhadap perubahan ukuran

dimensi pada perubahan L4, untuk mencari parameter antena yang paling

optimum dan juga untuk mendapatkan nilai return loss yang semakin bagus dan

mendapatkan frekuensi resonansi yang sesuai dengan target.

68

Gambar 3.27 Rancangan Antena Bow-tie dengan pengaturan jarak antar saluran

catu

Pengaturan jarak pada W4 dilakukan dengan mengatur lebar celah antar

saluran catu. Untuk itu tetap dibuat tipis dan dapat diatur sesuai dengan hasil

simulasi yang dihasilkan, agar mendekati dengan kriteria target utama dalam

perancangan antena bow-tie. Untuk hasil pengamatan terhadap hasil perancangan

yang dilakukan pada simulasi tersebut, dapat terlihat dalam bentuk grafik pada

Gambar 3.28 dan Gambar 3.29.

69

Gambar 3.28 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pengaturan jarak antar saluran catu

Gambar 3.29 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pengaturan jarak antar saluran catu

Dapat terlihat dari hasil perancangan antena tersebut menampilkan akan

terbentuk 2 buah frekuensi resonansi yang mendekati target nilai frekuensi

resonansi. Tapi untuk nilai return loss yang dihasilkan masih jauh signifikan

70

karena belum berada di posisi < -10 dB, sehingga nilai return loss yang ada masih

jauh dari target yang diharapkan. Namun dengan pembentukkan 2 buah frekuensi

resonansi yang mendekati target tersebut, ada kemungkinan untuk mencapai target

nilai frekuensi yang ditentukan, dan untuk selanjutnya dilakukan bagaimana cara

untuk mencapai dan menggeser frekuensi resonansi tersebut.

3.4.3 Pembatasan bidang Ground Plane pada Perancangan antena Bow-tie

Dengan melihat hasil percobaan pada simulasi yang telah dilakukan,

maka dicoba cara untuk mendapatkan target parameter yang ditentukan. Sehingga

dibuat konfigurasi rancangan antena bow-tie dengan melakukan pembatasan pada

sisi ground plane seperti pada gambar 3.30. Tahap ini merupakan tahap terakhir

dalam perancangan antena ini. Dengan adanya pembatasan ground plane ini,

diharapkan mampu membentuk karakteristik return loss yang baik dan nilai

VSWR yang optimum.

Gambar 3.30 Rancangan Antena Bow-tie dengan Pembatasan Ground Plane

Perubahan nilai ukuran diberikan pada Wg yaitu dengan dilakukan

perubahan pada lebar atau tebal ground plane. Hal ini bisa diamati terhadap

pengaruh kepada pergeseran nilai frekuensi dan bandwidth yang dihasilkan,

71

apabila diberikan pembatasan pada sisi ground plane. Untuk hasil pengamatan

terhadap hasil perancangan yang dilakukan pada simulasi tersebut, seperti yang

terlihat dalam bentuk grafik pada Gambar 3.31 dan Gambar 3.32.

Gambar 3.31 Bentuk grafik return loss terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pembatasan ground plane

Gambar 3.32 Bentuk grafik VSWR terhadap frekuensi pada percobaan

perancangan patch bow-tie dengan pembatasan ground plane

72

Dapat terlihat dari hasil perancangan antena tersebut sudah menampilkan 1

buah frekuensi resonansi yang memenuhi target nilai frekuensi resonansi.

Kemudian untuk nilai return loss yang dihasilkan sudah sesuai dengan target

karena sudah berada di posisi < -10 dB. Begitu pula nilai VSWR, hasil yang

dicapai cukup optimum karena berada diantara nilai 1 dan 2.

73

BAB IV

ANALISA PARAMETER HASIL PERANCANGAN ANTENA

4.1 Konfigurasi Perancangan Antena

Pada Gambar 4.1 menunjukkan sebuah desain dari geometri antena bow-

tie, yang menjadi dasar untuk menjadi sebuah acuan untuk melihat unjuk kerja

antena bow-tie yang dapat diaplikasikan kepada Ground Penetrating Radar

(GPR). Telah di gambarkan pada desain tersebut, yaitu menggunakan dua buah

feed line dan dua buah patch yang identik, yang di cetak pada lapisan atas sebuah

material substrate Rogers RT/Duroid 5880 dengan ketebalan substrate 1.57 mm

serta dilakukan pembatasan pada bidang ground plane untuk lapisan bawahnya.

Gambar 4.1 Konfigurasi antena hasil rancangan tampak atas

74

Tabel 4.1 Dimensi ukuran antena hasil perancangan tampak atas

Dimensi Simbol Ukuran (mm)

Panjang substrate L 96

Lebar substrate W 96

Tebal substrate h 1.57

Panjang antar tepi peradiasi L1 64

Panjang antar tepi slot L2 48

Panjang antar ujung slot L3 28.8

Jarak antar saluran catu L4 1.6

Lebar tepi peradiasi W1 73.6

Lebar slot sisi luar W2 16.8

Lebar slot sisi dalam W3 1.6

Lebar sisi dalam tepi peradiasi W4 16.8

Jarak antara saluran catu dengan tepi substrate d 42.4

Lebar saluran catu Wf 4.8

Panjang saluran catu Lf 44

75

Gambar 4.2 Konfigurasi antena hasil rancangan tampak bawah

Tabel 4.2 Dimensi ukuran antena hasil perancangan tampak bawah

Dimensi Simbol Ukuran (mm)

Panjang patch pada ground plane Lg 96

Lebar patch pada ground plane Wg 10.4

Berdasar pada parameter geometri antena yang telah dijelaskan pada bab

sebelumnya, yaitu perubahan yang dilakukan pada ukuran panjang dan lebar slot

patch bow-tie serta dilakukannya pembatasan pada sisi ground plane, hal ini

sangatlah mempengaruhi perolehan nilai optimum yang dihasilkan dari rancangan

antena bow-tie ini. Perolehan bentuk slot pada radiator tersebut, sebelumnya

sudah di lakukan beberapa perubahan sedemikian rupa, hingga didapat ukuran

seperti yang sekarang ini.

76

Nilai dari setiap parameter sangat mempengaruhi perolehan optimum dari

rancangan untuk mencapai karakteristik antena yang diharapkan. Salah satu

parameter utama yang penting dalam perancangan ini adalah nilai ½ lambda (L1)

yang merupakan parameter untuk ukuran jarak antar tepi antena mikrostrip (pole),

karena nilai tersebutlah yang menjadi acuan nilai standar untuk mendapatkan

target frekuensi yang diharapkan. Nilai ½ lambda (L1) tersebut berdasar pada

konsep antena dipole untuk aplikasi mikrostrip, yang membentuknya menjadi 2

buah radiator yang identik dan diletakkan dalam satu buah media substrate yang

sama.

4.2 Parameter Antena Hasil Rancangan

4.2.1 Parameter Antena Hasil Simulasi

Untuk nilai parameter antena meliputi : return loss, VSWR, Impedansi

masukan, Radiation Pattern dan Power Radiation. Pada sub-bab berikut ini akan

di analisa melalui perhitungan rumus terhadap parameter-parameter yang

dihasilkan melalui simulasi menggunakan software microwave office.

4.2.1.1 Bandwidth

Gambar 4.3 memperlihatkan hasil simulasi pembentukan resonansi antena

pada grafik return loss terhadap frekuensi, jangkauan bandwidth frekuensi yang

dibentuk menyapu di wilayah 1.477-1.762 GHz membentuk single band dengan

RLmin = -37.89 dB dan beresonansi pada 1.6 GHz.

77

1 2 3 4

Frequency (GHz)

RL

-40

-30

-20

-10

0

1.477 GHz

-10 dB

1.762 GHz

-10 dB

1.6 GHz

-37.89 dB

DB(|S(1,1)|)

EM Structure 1

Gambar 4.3 Grafik nilai return loss terhadap frekuensi dari hasil simulasi

Gambar 4.3 merupakan grafik nilai return loss terhadap frekuensi dari

hasil simulasi, yang mendapat nilai return loss minimum sebesar -37.89 dB, lalu

untuk koefisien refleksi diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.16), yaitu :

RLmin (dB) = 20 Log |Г|

-37.89 dB = 20 Log |Г|

Г = Log-1

20

89.37

Г = Log-1 [-1.8945]

Г = 0.01274

Nilai Г tersebut merupakan nilai dari koefisien refleksi yang

mempresentasikan besarnya magnitude dan fasa dari refleksi. Untuk nilai yang

diperoleh sebesar 0.01274, yang artinya nilai tersebut hanya mencapai nilai 0 jika

dilakukan pembulatan desimal. Dengan demikian apabila nilai Г = 0, menandakan

energi yang disalurkan tidak terjadi refleksi atau pemantulan kembali ketika

saluran dalam keadaan matched, yang artinya dalam kondisi pas atau sesuai antara

saluran dengan elemen peradiasi.

78

Lalu dari nilai return loss pada Gambar 4.3, maka diperoleh bandwidth

dengan menggunakan persamaan (2.19), yaitu :

BW = fH - fL

BW = (1.477 – 1.762) GHz

BW = 0.285 GHz

BW = 285 MHz

Nilai bandwidth yang dicapai tersebut merupakan rentang frekuensi

dimana kinerja antena masih bisa bekerja dengan baik. Dengan mengacu kepada

ketetapan pada sistem wireless terhadap perolehan nilai bandwidth, yang

kemudian bandwidth diantara 100 MHz sampai dengan 500 Mhz masuk kedalam

kategori pita lebar (wideband), maka dengan demikian nilai yang diperoleh pada

perancangan ini masuk kedalam kategori pita lebar (wideband), dengan

pencapaian sebesar 285 MHz.

4.2.1.2 VSWR

Gambar 4.4 memperlihatkan hasil simulasi pembentukan resonansi antena

yang terbentuk dari nilai VSWR. Dari gambar tersebut dapat terlihat bahwa nilai

VSWR yang diperoleh ≤ 2, di dapat untuk frekuensi berada pada rentang 1.481-

1.765 GHz dengan nilai VSWRmin = 1.026 dan beresonansi pada frekuensi 1.6

GHz.

79

1 2 3 4

Frequency (GHz)

VSWR

0

5

10

15

1.481 GHz2 1.765 GHz

2

1.6 GHz1.026

VSWR(1)

EM Structure 1

Gambar 4.4 Grafik nilai VSWR terhadap frekuensi dari hasil simulasi

Dengan nilai Г yang diperoleh dari perhitungan pada parameter return loss

sebelumnya, maka untuk nilai VSWR dapat menggunakan persamaan (2.17).

Nilai VSWR minimum untuk frekuensi resonansi pada 1.6 GHz diperoleh sebagai

berikut :

VSWR =

1

1

min

max

V

V

VSWR = 01274.01

0.012741

VSWR = 98726.0

.012741

VSWR = 1.0258

Diperoleh hasil VSWR dari perhitungan dan hasil simulasi bernilai sama,

yaitu sesuai dengan rentang nilai VSWR yang standar, yaitu diantara nilai 1-2.

Yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran matching sempurna, dengan kata

lain tidak ada kehilangan energi yang kembali atau terpantul ketika saluran

menyalurkan gelombang elektromagnetik ke peradiasi.

80

4.2.1.3 Impedansi Masukan

Gambar 4.5 memperlihatkan hasil simulasi pembentukan nilai impedansi

masukan antena. Pada frekuensi 1.6 GHz diperoleh Zin = 1.02573 + (j0.0021375)

Ω. Untuk menentukan impedansi sepanjang saluran dari nilai komponen real dan

imajiner suatu impedansi, dapat diperolah dengan menggunakan persamaan

(2.22), yaitu :

Zin = Zo Rin + j Xin

Zin = 50 1.02573 + j0.0021375Ω

Zin = 51.2865 + j0.106875Ω

Zin = 22 0.106875)( (51.2865) j

Zin = 50.01142226 22630.30508

Zin = 42630.31650

Zin = 51.2866Ω

81

0 1.0

1.0

-1.0

10.0

10.0

-10.0

5.0

5.0

-5.0

2.0

2.0

-2.0

3.0

3.0

-3.0

4.0

4.0

-4.0

0.2

0.2

-0.2

0.4

0.4

-0.4

0.6

0.6

-0.6

0.8

0.8

-0.8

ZinSwp Max

4GHz

Swp Min

1GHz

1.6 GHzr 1.02573x 0.0021375

ZIN(1) (Ohm)

EM Structure 1

Gambar 4.5 Grafik Smith Chart impedansi masukan antena dari hasil simulasi

Nilai pada smith chart diperoleh Zin = 1.02573 + (j0.0021375) Ω. Nilai real

yang diperoleh merupakan nilai komponen yang diharapkan, yakni

menggambarkan banyaknya daya yang terdispasi. Terdisipasi dapat terjadi

melalui dua cara, yaitu karena panas pada struktur antena yang berkaitan dengan

perangkat keras dan daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali (teradiasi).

Sementara komponen imajiner tersebut, menunjukkan reaktansi dari antena dan

daya yang tersimpan pada medan dekat antena.

4.2.1.4 Pola Radiasi

Pada intensitas dari pola radiasi (Radiation Pattern) menjadi indikator

besarnya gain pada antena, sehingga setiap peningkatan nilai intensitas dari pola

radiasi dapat menunjukkan gain pada antena.

Pada Gambar 4.6 memperlihatkan bentuk pola arah radiasi (Radiation

Pattern) yang dihasilkan oleh antena mikrostrip melalui simulasi dengan

82

menggunakan skala magnitude 10 dB per div. Untuk arah Radiation Pattern disini

hanya menampilkan sebagian dari sifat sebagai antena dipole (dua arah), karena

hasil yang terbentuk dari simulasi hanya satu arah pancaran saja (monopole).

Dengan nilai gain maksimum directivity yang dihasilkan adalah 3.93 dB

(PPC_Ephi) dengan sudut 0 derajat. Sedangkan untuk nilai yang dihasilkan pola

radiasi dari arah E theta adalah -0.06 dB (PPC_Etheta) dengan sudut 0 derajat.

Gambar 4.6 Pola radiasi pancaran antena dari hasil simulasi

Sementara pada Gambar 4.7 menunjukkan nilai power radiasi

(PPC_TPwr) dari pola radiasi yang terukur dari nilai intensitas radiasi terhadap

nilai phase. Nilai maksimum dari total kekuatan radiasi dihasilkan sebesar 5.39

dB pada posisi 0 derajat. Kemudian untuk nilai maksimum pada beamwidth

dengan magnitude ≤ 3 dB ke arah kiri sebesar -51.1°, sedangkan magnitude ≤ 3

dB ke arah kanan sebesar 40.1°, maka dapat diperoleh sudut beamwidth yaitu

91.2°

83

40.1° + 51.1° = 91.2°. Lalu untuk sudut tersebut dapat di gambarkan di dalam

gambar pola radiasi yang menunjukkan arah pancaran radiasi antena (beamwidth).

-90 -45 0 45 90

Angle (Deg)

Power Radiation

-4

-2

0

2

4

6

40.1 Deg3 dB

0 Deg5.39 dB

-51.1 Deg3 dB

DB(|PPC_TPwr(0,1)|)

EM Structure 1

Gambar 4.7 Total keluaran radiasi antena dari hasil simulasi

4.3 Spesifikasi Antena Hasil Rancangan

Pada tabel 4.3 menjelaskan perubahan lebar bandwidth yang terjadi, dari

hasil simulasi membentuk single wideband dengan rentang jangkauan frekuensi

1.477-1.762 GHz, dengan resonansi berada pada 1.6 GHz serta bandwidth yang

dicapai hanya 285 MHz. Sementara spesifikasi alat diperoleh untuk rentang

jangkauan frekuensi operasi pada 800-3200 MHz.

Untuk nilai VSWR minimum dari hasil simulasi dicapai sebesar 1.026,

kemudian untuk hasil impedansi masukan antena hasil simulasi bernilai Zin =

51.2865 + j0.106875Ω yang bersifat kapasitif.

Dari hasil simulasi untuk nilai maksimum pada beamwidth dicapai dengan

perhitunga magnitude ≤ 3 dB ke arah kiri yaitu sebesar -51.1°, sedangkan

magnitude ≤ 3 dB ke arah kanan yaitu sebesar 40.1°. Sehingga dapat diperoleh

84

sudut beamwidth yaitu 40.1° + 51.1° = 91.2°. Sementara untuk nilai maksimum

beamwidth yang dicapai pada alat tersebut sebesar 48°.

Simulasi antena menunjukkan direktivitas radiasi pada sudut 0 derajat

sebesar 3.93 dB pada arah E phi dengan kekuatan radiasi diperoleh sebesar 5.39

dB pada sudut 0 derajat. Sementara untuk gain display pada alat tersebut sebesar 6

dB. Ini berarti nilai pada tampilan display menunjukkan angka 6 dB, dengan 5 set

point. Sebagai asumsi apabila gain display bernilai 6 dB dan gain Low Noise

Amplifier (LNA) bernilai 0, maka target yang perlu dicapai untuk nilai gain pada

antena sebesar 6 dB. Karena dibutuhkan gain sebesar 6 dB maka masih kurang 2

dB untuk mencapai target gain yang dibutuhkan dari spesifikasi alat tersebut

Spesifikasi antena hasil rancangan secara keseluruhan dapat dilihat pada

tabel di bawah ini :

Tabel 4.3 Spesifikasi pengukuran antena hasil simulasi

Parameter Antena Simulasi

Frekuensi Operasi (GHz) 1.477 - 1.762

Frekuensi Resonansi (GHz) 1.6

Bandwidth (MHz) 285

VSWR minimum 1.026

Impedansi Masukan Zin = 1.02573 + (j0.0021375) Ω

Direktivitas Maksimum 3.93 dB

Intensitas Maksimum 5.39 dB

85

BAB V

KESIMPULAN

1. Pada tahap ini di peroleh konfigurasi rancangan antena mikrostrip dengan

pemodelan desain bow-tie yang berkarakteristik dasar antena dipole.

Secara dimensi hasil perancangan antena memiliki ukuran 96 x 96 mm2,

dengan struktur yang menempatkan dua buah patch identik dan dua

saluran catu paralel kedalam sebuah substrate.

2. Terdapat tiga faktor dominan yang mempengaruhi dalam pembentukkan

frekuensi kerja pada 1.6 GHz, yaitu pembatasan ground plane pada sisi

bawah substrate, pengaturan jarak antar saluran catu pada patch serta

ukuran panjang dan bentuk slot yang diberikan kepada sisi patch. Hasil

simulasi untuk nilai frekuensi kerja berada pada rentang 1.477-1.762 GHz

dengan nilai bandwidth yang dicapai 285 MHz. Kemudian untuk nilai

return loss terendah (≤-10dB) berada pada -37.89 dB dan untuk nilai

VSWR diantara 1-2.

3. Mengacu pada hasil simulasi antena dengan spesifikasi alat yang sudah

ada, terdapat beberapa nilai parameter antena yang menjadi kelebihan dan

kekurangan dalam perancangan antena ini, seperti nilai bandwidth yang

dicapai hanya sekitar 11.8% dari rentang frekuensi operasi alat acuan

tersebut. Kemudian untuk nilai direktivitas maksimum diperoleh nilai

sebesar 3.93 dB, dengan sudut arah pancaran (beamwidth) 91.2°. Lalu

untuk sudut arah pancaran (beamwidth) alat tersebut sebesar 48°.

Kemudian untuk nilai display gain pada alat acuan tersebut diperoleh nilai

sebesar 6 dB, sebagai asumsi apabila gain display bernilai 6 dB dan gain

Low Noise Amplifier (LNA) bernilai 0, maka target yang perlu dicapai

untuk nilai gain pada antena sebesar 6 dB. Karena dibutuhkan gain sebesar

6 dB, maka masih kurang 2 dB untuk mencapai target gain yang

dibutuhkan dari spesifikasi alat tersebut Kekurangan yang terjadi pada

nilai target untuk perancangan antena, untuk hasil simulasi ini salah

satunya dikarenakan teknik pencatuan yang digunakan berjenis planar.

86

DAFTAR PUSTAKA

[1] Wahyu, Yuyu et al, Desember 2013, “Antena spiral-dipole untuk ground

Penetrating Radar (GPR)”. Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi.

Volume 13, No. 2,

[http://www.ppet.lipi.go.id/jurnal/jet/issue/viewFile/2/2].

[2] International Telecomunication Union (ITU-T).2010. Rec. L. 84(07/2010)

fast Mapping of underground networks.

[3] Martel, Cedric. 2002. “Modelling and Design of Antennas for Ground

Penetrating Radar Systems”. Disertasi Doktor pada University of Surrey

[http://epubs.surrey.ac.uk/973/1/fulltext.pdf]

[4] Geophysical Survey System, Inc. Product catalogue-antennas brochure

http://www.geophysical.com/

[5] M. Jol, Harry.”Ground Penetrating Radar Theory and Applications”.

Elsevier science, 2009.

[6] Basic antenna theory and concepts.

[ftp://ftp.kemt.fei.tuke.sk/KEMT559_SK/_materialy/Anteny/wk11Antenas

.ppt.]

[7] ___.Chapter 3.

[http://irianto.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/2878/Chapter3.pdf]

[8] Constantine A. Balanis , “Antenna Theory Analysis and Design Second

Edition”, John Wiley & Sons, Inc, 1997.

[9] M. K. A. Rahim, et al. “Bow-tie Microstrip Antenna Design”. Wireless

Communication Centre, Faculty of Electrical Engineering, Universiti

Teknologi Malaysia, 2005.

87

[10] Dwi Prasetya, Yudha. “ Rancang Bangun Antena Mikrostrip Multi-Band

dengan kombinasi Patch Berbentuk C dan Bentuk Spiral untuk Aplikasi

pembaca RFID”. Skripsi untuk gelar sarjana Strata-1 pada Universitas

Indonesia. Depok : 2010.

[11] M. H Jamaluddin, et al. “Microstrip Dipole Antenna for WLAN

Application”. Wireless Communication Centre, Faculty of Electrical

Engineering, Universiti Teknologi Malaysia, 2005.

[12] Elsherbeni A. Z., et al. “ Characteristic of Bow-tie slot Antenna with

Tapered Tuning Stubs for Wideband Operation”. PIER Online, Vol. 49,

No. 53-69, 2004.

[http://www.jpier.org/PIER/pier49/04.0402131.E.Elsherbeni.S.pdf]

[13] Luthfi, Miftahudin. “ Rancang Bangun Antena Mikrostrip Wideband

dengan Celah U pada Peradiasi dan Potongan Bertingkat pada Ground

Plane untuk Aplikasi Ultrawideband ”. Skripsi untuk gelar sarjana Strata-1

pada Universitas Darma Persada. Jakarta : 2013.

[14] Kin-Lu Wong, “Compact and Broadband Microstrip Antennas”, John

Wiley & Sons, Inc, 1997.

[15] Wijaya, Endra. “ Rancang Bangun Antena Array (1x4) Mikrostrip

Polarisasi Circular Element Patch Bujur Sangkar Untuk Frekuensi S-

Band Satelit Mikro ”. Skripsi untuk gelar sarjana Strata-1 pada

Universitas Darma Persada. Jakarta : 2012.

[16] Purnomo, Agus. “ Perancangan Antena Mikrostrip Polarisasi Lingkaran

Patch Bujur Sangkar Menggunakan Saluran Coupling Proximity Untuk

Komunikasi Satelit ”. Skripsi untuk gelar sarjana Strata-1 pada

Universitas Darma Persada. Jakarta : 2011.

[17] Harchandra, Babitha et al, Desember 2014, “Analysis and Design of Bowtie

Antenna with Different Shapes and Structures”. International Journal of

Engineering Trends and Technology (IJETT).Volume 13, Number 4.

88

[18] Barras, David et al, ________ , “A Comparison Between Ultra-wideband

and Narrows Transceivers”. ETA S.A./Swatch Group, Grenchen,

Switzerland.

[19] _______, ________ , “Radiation pattern and gain characteristic of dipole

antenna”. International Islamic University Malaysia, Kuliyyah of

Engineering.

[20] R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, A. Ittipiboon , “Microstrip Antenna Design

Handbook”. Artech House, Inc, 2003.

[21] Geophysical Survey System, Inc. GSSI Handbook for RADAR Inspection of

Concrete.http://www.geophysical.com/

[22] _______, ________ , “Ground Penetrating Radar”. Chapter 2.

[23] Geophysical Survey System, Inc. SIR System-3000 manual

.http://www.geophysical.com/

[24] Warren, Craig et al, Januari 2012, “Investigation of the directivity of a

commercial Ground Penetrating Radar antenna using a Finite Difference

Time Domain antenna model”. Conference Paper.

http://www.researchgate.net/publication/261504308

[25] _______, ________ , “perancangan dan simulasi antena rolled dipole

array untuk aplikasi ground penetrating radar gpr dengan footprint yang

dapat berubah menggunakan metode finite difference time domain (fdtd)”.

Bab 1.http://openlibrary.telkomuniversity.ac.id/pustaka/files/91930/bab1