Analisis Pola Radiasi Antena Dipole pada aplikasi Wireless Sensor Networks di

## Industrial Site
Nabila Husna Shabrina 1 , Samuel 2
Fakultas Teknik dan Informatika, Universitas Multimedia Nusantara, Tangerang, Indonesia nabila.husna@umn.ac.id samuel.hutagalung@umn.ac.id
Diterima 12 Oktober 2018 Disetujui 21 Desember 2018
Abstract —In industry 4.0, a complex system was needed to  automatically  control  and  communicate  between devices.  One  component  that  often  used  in  industrial automation is Wireless Sensor Networks (WSN), which is worked  by  transmitting  the  data  needed  through electromagnetic waves. The electromagnetic propagation in industrial process encounter challenges which caused by  reflection  or  scattering  from  the  object  inside  the industrial site. Therefore, in this research, the author will conduct  a  simulation  to  determine  the  characteristic  of electromagnetic  propagation  in  industrial  site.  The simulation  was  done  by  simulating  antenna  dipole  with frequency 2.4 GHz in the simple 3D industrial site consist of  some  component.    The  result  shows  that  simulating antena  dipole  in  industrial  site will  affect  the characteristic of the antena such as gain, directivity, and S parameter .
Indeks Terms— Antenna dipole, electromagnetic wave propagation, industrial site

## I. P ENDAHULUAN
Penggunaan  teknologi  nirkabel  seperti Wireless Sensor  Networks mengalami  perkembangan  yang cukup  pesat  khususnya  pada industrial  site [1]-[2] . Dengan adanya Wireless Sensor Networks, pengumpulan dan pendistribusian data yang dibutuhkan  oleh  operator  industri  dapat  dilakukan secara  otomatis  sehingga  proses  pengolahan  dan monitoring data  dapat  dilakukan  secara  lebih  efektif dan  efisien. Wireless  Sensor  Networks memanfaatkan gelombang  elektromagnetik  untuk  mentransmisikan data  yang  diperlukan.  Proses  transmisi  data  melalui gelombang  elektromagnetik  pada Wireless  Sensor Networks dilakukan  melalui  sebuah  antena.  Antena merupakan  sebuah transducer antara guided  wave dengan  gelombang  terpancar  atau  sebaliknya  [3]. Beberapa  jenis  antena  yang  sering  digunakan  dalam aplikasi Wireless  Sensor  Networks meliputi  antena dengan jenis monopole , ½ λ dipole , ¼ λ dipole , folded dipole, inverted F, dan antena omni directional [4]-[6].
Gelombang  elektromagnetik  yang  dihasilkan  oleh antena  pada Wireless  Sensor  Networks memiliki karakteristik  yang  rentan  terhadap  mesin  manufaktur
yang  berada  di  sekitarnya.  Oleh  karena  itu, implementasi Wireless  Sensor  Networks yang  tidak tepat akan menurunkan kualitas proses komunikasi dari Wireless  Sensor  Networks [7].  Untuk  mengatasi  hal tersebut  dibutuhkan  uji  coba  terlebih  dahulu  sebelum melakukan  implementasi Wireless  Sensor  Networks pada industrial  site. Uji coba dapat dilakukan  dengan mensimulasikan Wireless  Sensor  Networks yang digunakan  pada industrial  site .  Dengan  adanya simulasi,  pengguna  dapat  terlebih  dahulu  mengetahui pola radiasi dan menentukan lokasi terbaik untuk setiap nodes Wireless Sensor Networks .
Oleh  karena  itu,  pada  penelitian  ini  dilakukan pemodelan dan simulasi untuk mengetahui pola radiasi antena yang digunakan pada Wireless Sensor Networks. Penelitian  dilakukan  dengan  memodelkan industrial site dalam bentuk sederhana yang terdiri dari beberapa komponen  seperti tank, pipa, building,  work  site, dan beberapa block . Wireless Sensor Networks. Dimodelkan  dengan  menggunakan  antena dipole frekuensi  2,4  GHz  untuk  proses  transmisi  data.  Hasil simulasi  tersebut  akan  dianalisis  dalam  hal gain, directivity, far-field, dan S parameter.

## II. R ADIASI A NTENA

## A. Antena Dipole ½ λ
Antena dipole merupakan  salah  satu  jenis  antena yang  paling  sederhana.  Antena  ini  terbuat  dari  2 silinder  konduktor  dengan  panjang  menyesuaikan frekuensi  yang  digunakan.  Pada  titik  tengah  kedua silinder  konduktor  tersebut  terdapat  sebuah feeder untuk impedansi masukan yang sesuai. Bentuk antena dipole ½ λ ditunjukkan pada Gambar 1.

## ISSN 2355-3286
Gambar 1. Antena dipole [8]
Pola radiasi antena dipole berbentuk angka delapan terhadap sumbu silinder konduktor. Pola radiasi antena dipole ½ λ ditunjukkan pada Gambar 2 [9].
Gambar 2. Pola radiasi antena dipole

## B. Pola Radiasi Antena
Pola radiasi gelombang elektromagnetik dari suatu antena  dapat  dideskripsikan  dengan  persamaan Maxwell  sebagai  bentuk  persamaan  dari  gelombang medan  magnet  dan  medan  listrik  [10].  Persamaan gelombang elektromagnetik dirumuskan dalam bentuk diferensial  dan  integral  dan  dapat  dilihat  pada Persamaan (1)-(8). Dari persamaan Maxwell didapatkan  bahwa  persamaan  medan  listrik  yang berubah  terhadap  waktu  akan  menghasilkan  medan magnet  yang  juga  berubah  terhadap  waktu.    Pola tersebut kemudian menghasilkan perambatan gelombang  elektromagnetik  yang  diradiasikan  dari antena.

## Hukum Gauss Medan Listrik
∮ 𝜀 0 𝐸. 𝑑𝑠 =   ∫ 𝜌 𝑣 𝑑𝑣 𝑣 𝑠
(1) ∇. 𝜀 0 . 𝐸 =   𝜌 𝑣 (2)
Hukum Gauss Medan Magnet
∮ 𝐵. 𝑑𝑠 = 0 𝑠 (3)
∇. 𝐵 = 0 (4)
Hukum Faraday
∮ 𝐸. 𝑑𝑙 =   − 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝐵. 𝑑𝑠 𝑠 𝑙 (5)
∇ 𝑥 𝐸 =   − 𝜕𝐵 𝜕𝑡 (6)
Hukum Ampere
∮ 𝐵 𝜇 0 . 𝑑𝑙 =   ∫ 𝐽. 𝑑𝑠 𝑠 + 𝑑 𝑑𝑡 ∫ 𝜀 0 . 𝐸. 𝑑𝑠 𝑠 𝑐 (7)
∇ 𝑥 𝐵 𝜇 0 = 𝐽 + 𝜕𝜀 0 𝐸 𝜕𝑡 (8)
Pola  radiasi  antena  merupakan  gambaran  sifat radiasi  medan  jauh  dari  suatu  antena.  Contoh  pola radiasi antena directional ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Contoh pola radiasi antena directional [3]

## C. Parameter Antena
Tiga parameter penting yang dapat digunakan untuk menganalisis  karakteristik  dari  suatu  antena adalah direktivitas, gain dan S  Parameter. Menurut IEEE Standard  Definition  of  Term  for  Antenas, direktivitas pada  arah  tertentu  merupakan  rasio  antara  intensitas maksimum  radiasi  pada  arah  tersebut  dibandingkan dengan  intensitas radiasi  rata-rata  di  semua  arah  [11]. Memperbesar  direktivitas  berarti  memperkuat  atau memfokuskan  radiasi  antena  ke  arah  tertentu. Direktivitas dapat dicari  menggunakan  Persamaan  (9) Dengan U merupakan radiasi antena.
𝐷 = 𝑈(𝜃, ∅), max )
𝑈 𝑎𝑣 (9) Gain merupakan besarnya daya yang ditransmisikan pada arah dengan direktivitas maksimum. Dengan mengetahui antena gain , kita dapat mengetahui  besarnya loss yang  terjadi  pada  transmisi daya  antena.  Nilai gain atau  penguatan  antena  dapat dicari  dengan  Persamaan  (10)  dengan  ƞ  merupakan efisiensi antena yang nilainya berada diantara 0 < ƞ <1.
𝐺 = 𝜂.  𝐷
(10)
S  Parameter  menggambarkan  perilaku  elektris pada  antena.  S  Parameter  dapat  digunakan  untuk menyatakan gain,  VSWR,  transmission  coefisien, return  loss dan reflection  coefisien .  Untuk  perangkat dua  port  ada  empat  macam  S  Parameter  yang  dapat
dianalisis  yaitu  S 11 ,  S 21 ,  S 12 ,  dan  S 22 .  S 11 dan  S 22 menunjukkan  koefisien forward dan  kefisien  refleksi dari  suatu  perangkat  sedangkan  S 21 dan  S 12 menunjukkan  adanya reverse  gain dan forward  gain dari suatu perangkat elektris.

## D. Region Field
Karakteristik  medan radiasi elektromagnetik  yang dihasilkan  dari  radiasi  antena  dapat  dianalisis  dalam beberapa  kondisi  yang  dipengaruhi  oleh  jarak pengamatan.  Pengamatan  karakteristik  medan  radiasi elektromagnetik dapat dibagi menjadi tiga jenis  yaitu near-field,  Fresnel  region, dan far-field. Ketiga  jenis pengamatan  untuk  medan  radiasi  elektromagnetik tersebut ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Medan Radiasi pada Antena [12]
Pola  medan  radiasi  biasanya  digambarkan  dalam bentuk  3D  di  koordinat  bola  maupun  dalam  bentuk polar.  Pada  umumnya  pola  medan  radiasi  tersebut memiliki  dua  komponen  utama  yaitu minor  lobe dan major lobe. Major lobe merupakan arah medan radiasi yang  sesuai  dengan  direktivitas  suatu  antena sedangkan minor lobe merupakan arah medan radiasi yang berlawanan dengan direktivitas antena atau pada arah yang tidak diinginkan.
III. S IMULASI A NTENA D IPOLE PADA I NDUSTRIAL S ITE Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak Abaqus  dan  CST  Microwave  studio.  Simulasi dilakukan dengan memodelkan industrial site menggunakan  perangkat  lunak  Abaqus.  Pada  model yang  dibuat  dilakukan  penyederhanaan  model  yang disimulasikan.  Hal  tersebut  dilakukan  karena  adanya keterbatasan hardware penunjang  dan  juga  untuk mempersingkat  waktu  simulasi.  Pada  pemodelan tersebut, industrial  site dibangun  atas  beberapa komponen  yaitu tank, pipa, building,  work  site, dan beberapa block . Pemodelan industrial site ditunjukkan pada Gambar 5 sedangkan karakteristik untuk masing- masing komponen yang dimodelkan ditunjukkan pada Tabel  1  dengan  µ  merupakan  permeabilitas  relatif komponen, σ merupakan konduktivitas komponen dan ɛ  merupakan  permitivitas  relatif  komponen  yang dimodelkan.
Tabel 1. Karakteristik komponen pada industrial site Komponen  Jenis komponen µ Σ (S/m) ɛ Block 1 Lossy metal 1 6.99x 10 6 1 Block 2 Normal 1 0 9.4 Pipa Lossy metal 1 8x 10 6 1 Tank Lossy metal 1 1.04x 10 7 1 Worksite Normal 1 0 9.9 Building Lossy metal 1 1.04x 10 7 1
Gambar 5. Pemodelan industrial site
Model  tersebut  kemudian  digunakan  sebagai  area simulasi  untuk  antena dipole yang  digunakan  sebagai pendekatan  untuk  model Wireless  Sensor  Networks. Antena dipole dipilih  karena  selain  merupakan  jenis antena  yang  sering  digunakan  pada Wireless  Sensor Networks, antena  ini  juga  memiliki  bentuk  yang sederhana  sehingga  proses  simulasi  masih  dapat dilakukan dengan perangkat keras yang tersedia. Secara umum, flowchart proses  simulasi  untuk  penelitian secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Flowchart Simulasi
Antena dipole yang  dimodelkan  menggunakan frekuensi  2.4  GHz  dengan  eksitasi  berupa  sinyal gaussian dengan  amplitudo  1  V/m  dengan  deskripsi setiap parameternya dapat dilihat pada Tabel 2. Antena dipole yang disimulasikan ditunjukkan pada Gambar 7 sedangkan  eksitasi  sinyal  pada  antena dipole ditunjukkan pada Gambar 8. Radiasi dari antena dipole yang  dibuat  kemudian  disimulasikan  pada industrial site yang  sudah  dimodelkan.  Hasil  dari  simulasi  ini kemudian  dianalisis  terhadap  beberapa  parameter seperti gain, direktivitas, S parameter, dan farfield.
Tabel 2. Parameter antena dipole
Parameter Ukuran Parameter Panjang antena 62,46 mm Radius antena 1,5 mm Pajang feeder 10 mm Impedansi 73 Ω
Gambar 7. Pemodelan antena dipole
Gambar 8. Eksitasi sinyal pada antena dipole
IV. A
NALISIS P OLA R ADIASI A NTENA D IPOLE PADA I NDUSTRIAL S ITE

## A. Analisis Simulasi Antena Dipole ½ λ
Hasil simulasi antena dipole yang telah dimodelkan ditunjukkan  pada  Gambar  9-12.  Antenna  dipole disimulasikan di udara dengan parameter 𝜇 = 1 , 𝜎 = 0, dan 𝜀 = 1 .  Gambar 9 menunjukkan farfield antena dipole dalam  koordinat  3D  bola.  Dari  hasil  tersebut didapatkan besarnya direktivitas antena dipole sebesar 2,458  dB  dengan  efisiensi  radiasi  sebesar  0,089  dB. Main lobe yang didapatkan dari simulasi antena dipole sebesar 2,340 dB.
Gambar 9. Farfield antena dipole ( dalam 3D)
Gambar 10. Direktivitas farfield ( dalam polar)

## Mulai
Pemodelan 3D Industrial Site dengan Abaqus
Pemodelan antenna
dipole 2.4 GHz Analisis pola radiasi antenna dipole 2,4 GHz
Analisis pola radiasi antena dipole pada pemodelan industrial site
Selesai
Gambar 11. Plot S 11 Parameter antena dipole
Gambar 12. Plot Gain antena dipole
Gambar  11  menujukkan  plot  S 11 parameter  dari antena dipole . Dari hasil tersebut didapatkan besarnya S 11 parameter minimum untuk impedansi 73 Ω sebesar -14,583  dB  yang  terjadi  di  frekuensi  1.838  GHz sedangkan  pada  frekuensi  2.4  GHz  didapatkan  S parameter  sebesar  -4,361  dB.  Dari  Gambar  12 didapatkan  besarnya gain antena dipole yang dimodelkan sebesar 2,545 dB.

## B. Analisis  Simulasi  Antena  Dipole  ½  λ  pada Industrial Site
Metode  simulasi  dilakukan  dengan  meletakkan satu  antena dipole pada industrial  site yang  sudah dimodelkan  sebelumnya.  Antena dipole diletakkan pada  bagian building seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar 13. Lokasi ini dipilih untuk memodelkan WSN yang  mentransmisikan  data  dari  bagian building dan karena  lokasi  ini  memiliki  kondisi  mendekati  LOS ( Line  of  Sight) dibandingkan  dengan  lokasi  lainnya. Hasil  simulasi  untuk  skenario  ini  ditunjukkan  pada Gambar 14-17.
Gambar 13. Lokasi simulasi antena dipole pada industrial site
Gambar 14. Farfield 1 antena dipole pada industrial site ( dalam 3D)
Gambar  14  menunjukkan  hasil farfield 1  antena dipole pada industrial  site dalam  bentuk  3D  di koordinat bola sedangkan Gambar 15 merupakan hasil farfield dalam  koordinat  polar.  Dari  Gambar  14 terlihat  bahwa  besarnya  direktivitas  yang  didapatkan adalah  sebesar  4,293  dB  dengan  efisiensi  radiasi sebesar -0,487 dB. Besarnya main lobe pada simulasi ini adalah 2,580 dB dengan arah direktivitas 97 degree seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15.
Gambar 15. Farfield 1 antena dipole pada industrial site ( dalam polar)

## ISSN 2355-3286
Gambar 16. Plot S 11 parameter 1 antena dipole pada industrial site
Gambar 17. Plot Gain antena dipole pada industrial site
Gambar  16  menunjukkan  plot  S  parameter  pada simulasi  dengan  1  antena.  Dari  hasil  tersebut  terlihat bahwa range frekuensi yang digunakan yaitu sebesar 0 sampai 3 GHz belum dapat dianalisis nilai maksimum S  parameternya  namun  pada  frekuensi  2.4  GHz besarnya S parameter yang diperoleh adalah -1,558 dB. Dari hasil plot gain yang ditunjukkan pada Gambar 17 diperoleh besarnya gain adalah 3,806 dB.
Keseluruhan  hasil  tersebut  menunjukkan  bahwa mensimulasikan  antena dipole pada industrial  site akan  mengubah  beberapa  karkteristik  antena  seperti gain, direktivtas,  dan  S 11 parameter.  Perbedaan karakteristik  tersebut  disebabkan  oleh  komponen- komponen industrial  site yang  berada  di  sekitarnya. Komponen tersebut memiliki permitivitas, permeabilitas,  dan  konduktivitas  yang  berbeda-beda seperti  yang  ditunjukkan  pada  Tabel  1.  Karakteristik dari  masing-masing  komponen  akan  mempengaruhi propagasi dan pola radiasi gelombang elektromagnetik dari antena dipole yang disimulasikan.
Dibandingkan  dengan  hasil  simulasi  antena  di udara,  hasil  simulasi  antena  pada industrial  site mengalami  penambahan  gain  1,261  dB  dengan direktivitas meningkat sebesar 1,835 dB. Hal tersebut menunjukkan  bahwa  arah  radiasi  sinyal  cenderung berubah dan cenderung fokus ke arah tertentu seperti perubahan  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  10  dan
Gambar  15.  Hasil  simulasi  antena  di industrial  site juga  memberikan  peningkatan  S11  parameter  ( return loss) sebesar  2,803  dB  yang  berarti  bahwa  beberapa objek dengan karakteristik permitivitas, permeabilitas dan konduktivitas yang lebih besar dibandingkan udara akan  menyebabkan  pemantulan  radiasi  gelombang yang juga lebih besar.

## V. K ESIMPULAN
Pola radiasi antena dipole yang disimulasikan pada industrial  site memiliki  hasil  yang  berbeda  dengan antena dipole yang  disimulasikan  di  udara.  Hal tersebut disebabkan karena adanya pengaruh beberapa komponen industrial site di sekitarnya. Hasil simulasi menunjukkan  bahwa  besarnya  direktivitas  antena dipole meningkat sebesar 1,835 dB dengan besar main lobe meningkat  sebanyak  0,240  dB.  Besarnya  S11 Parameter  dan  gain  pada  simulasi  antena dipole di industrial site juga meningkat masing-masing sebesar 2,803 dB dan 1,261 dB. Hasil penelitian ini  nantinya akan  dilanjutkan  dengan  menambahkan  sinyal gangguan berupa noise dari komponen elektrik untuk dianalisis  pengaruh  adanya  komponen  elektrik  pada pola radiasi antena di industrial site.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis berterima kasih kepada Hibah Kementerian Riset,  Teknologi,  dan  Pendidikan  Tinggi  (sesuai dengan  Kontrak  Penelitian  Tahun  Anggaran  2018) skema Penelitian Dosen Pemula yang telah mendukung proses penelitian ini.

## D AFTAR P USTAKA
[1] E.R.  Iglesias,  “Propagation  Channel  Characteristic  of Industrial  Wireless  Sensor  Networks,”  IEEE  Antennas  and Propagations Magazines, hal 66 – 73, Feb, 2016.
[2] R. Budampati dan S. Kolavennu, “Industrial Wireless Sensor Networks:  Monitoring,  Control  and  Automation  (Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials) 1 st ed.”, Woodhead Publishing, 2015.
[3] J.D. Kraus dan R.J. Marhefka, “Antennas for All Aplications 3 rd ed.”, Tata McGraw-Hill, 1997.
[4] Crossbow  Wireless  Sensor  Networks  Produc  Guide ,  2017 Edition,  Crossbow  Technology,  Inc,  California,  USA,  2007, hal. 31-44.
[5] MICAz  Wireless  Measurement  Systems  Datasheet, Crossbow Technology, Inc, California, USA, 2007, hal. 1-2.
[6] User  Guide  and  Spesification  NI  WSN-3202 ,  2010  Ed., National Instrument, Texas, USA, 2010.
[7] V.C.  Gungor  dan  G.P.  Hancke,  “Industrial  Wireless  Sensor Networks:  Challenges,  Design  Principles,  and  Technical Approaches,” IEEE  Transactions  on  Industri  Electronics., Vol. 56, No. 10, hal. 4258-4265, Oct. 2009.
[8] T.A. Miiligan, “Modern Antenna Design 2 nd ed.”, John Wiley & Sons Inc., 2005.
[9] D.  Roddy  dan  J.  Coolen,  “Electronic  Communication”, Prentice Hall of India, 1984.
[10] M.F. Iskander, “Electromagnetic Fields and Wave”, Prentice Hall Inc, 1992.
[11] IEEE Standard for Definitions of Terms for Antennas'
[12] C. A. Balanis. “Antenna theory, analysis and design 3 rd ed.”, JohnWiley and Sons Inc., 2005.