## PEMBUATAN ANTENA MIKROSTRIP PHASED ARRAY DENGAN PENGATURAN FASA MENGGUNAKAN VARIASI PANJANG SALURAN CATU
Oleh :

## Firdaus
Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang

## ABSTRACT
A microstrip phased array width phase is controlled by length of line feeder is presented in this paper for application in RADAR system. The microstrip array antenna is built from dipolelike  individual  elemen  at  center  frequency  650  MHz.  Five  different length transmission lines are used to change current phase feeding in to the antenna which is  2λ, 2.125 λ,  2.025 λ,  and  2.5 λ. The  measured  result  reveal  exelent  agreement  width  the simaltions. The different length of transmission line able to change the radiation pattern which are 60 o , 150 o ,210 o dan 0 o .
Keywords : Microstrip, Phase Array, Phase Shifter

## PENDAHULUAN
Antenna  phased  array  merupakan antenna  yang  tersusunan  dari  beberapa buah  elemen  antenna  dengan  fasa  antar elemen  adalah  variabel  sehingga pola radiasi  antenna  bisa  berubah  dengan perubahan fasa[1]. Antena ini diaplikasikan  secara  luas  pada  system telekomunikasi seperti radar, militer dan RFID.  Keuntungan  penggunaan  antenna phased  array  pada  radar  adalah  bahwa antenna  tidak  perlu  diputar  secara  fisik tetapi  cukup  secara  elektrik  sehingga lebih  efisien  dari  segi  biaya  dan  daya yang  digunakan  untuk  memutar  rotator antena. Sedangkan pada tag RFID tidak perlu  benar-benar  mengarah  pada perangkat  detector,  tetapi  perangkat detector  dapat  mengarahkan polaradiasi kearah  posisi  tag  di  tempatkan.    Secara sederhana  penggeseran  fasa  dapat dilakukan  dengan  memberikan  panjang kabel  catu  yang  berbeda  untuk  masing- masing  elemen  antenna[1].  Berbagai
pengeser  fasa  sudah  banyak  diteliti sebagaimana pada [2] membuat pengeser fasa  3  bit  dengan  penggeseran  fasa output dilakukan dengan memvariasikan panjang  kabel.  Dengan  metoda  ini dihasilkan penggeser fasa yang berukuran  cukup  besar  sehingga  tidak efisien  apabila  digabungkan  dengan perangkat
telekomunikasi. Pengendalikan  fasa  antenna  array  tiga elemen dengan atena individual antenna dipole telah dilakukan pada [3]. Dengan frekuensi  650  MHz  dan  menggunakan penggeser  fasa  pada  [2].  Polaradiasi sudah dapat diarahkan ke beberapa sudut, tetapi  ada  perubahan  daya  pancar  pada masing-masing  sudut  akibat  coupling antar  kabel  yang  tidak  bisa  diprediksi secara akurat.
Untuk  tujuan  tertentu  diiginkan antenna yang berukuran kecil dan ringan sehingga
mudah dipasang pada perangkat  telekomunikasi  pada  pesawat terbang,  kapal  laut  atau kendaraan. Dimana  dimensi  antenna  diharapkan
memudahkan  pemasangan  antenna  pada badan  pesawat  kapal  atau  kendaraan darat  lainnya.  Untuk  tujuan  ini dikembangkan  antenna  mikrostrip  [4] dimana  elemen  antenna  dibuat  dalam bentuk strip kecil pada PCB. Berdasarkan  teori  kopling  saluran transmisi  pada  [5]  memungkinkan dihitung  impedansi  dan  kapasitansi saluran  mikrostrip  secara  akurat  dan saluran transmisi dapat dimodelkan atau digambarkan  berupa  rangkaian  ekivalen R  L  dan  C.  Sehingga  impedansi  dan pengaruh  kopling  pada  saluran  dapat direncanakan  dengan  baik.  Dengan demikian memungkinkan dibuat penggeser fasa dengan ukuran yang lebih kecil  dan  dapat  dipasang  secara  efisien pada  perangkat  telekomunikasi  []dan kehilangan  daya  akibat  perubahan impedansi  pada  masing-masing  fasa dapat dikurangi dan biaya fabrikasi bisa diperkecil.  Dengan  bantuan  software IE3D  desain  saluran  transmisi,  phase shifter  dan  atena  mikrostrip  dapat dilakukan  dan  disimulasikan  dengan akurat  sebelum  dilakukan  fabrikasi sebagaimana  yang  telah  dilakukan  pada [6]. Pada makalah  ini  dibuat phased  array antenna yang didesain langsung bersama penggeser fasa dalam bentuk mikrostrip. Sehingga kinerja antenna array diharapkan dapat ditingkatkan dari hasil yang  dicapai  pada  [2]  dan  [3]  dimana pengarahan polaradiasi  akan  lebih  baik dan  tidak  ada  penurunan  daya  pancar dengan  desain  antenna  mikrostrip  dan phase  shifter  dengan  mikrostrip  line substrat PCB dengan biaya minimal dan ukuran yang lebih kecil.

## TINJAUAN PUSTAKA

## Antena Mikrostrip[3]
Pada aplikasi pesawat antariksa, pesawat udara,  pengendalian  misil,  dibutuhkan antena  dengan  berat  yang  ringan,  ukuran
yang  kecil/tipis,  mudah  dipasang  da berbentuk  aerodinamis.  Untuk  tujuan  ini maka  dapat  digunakan  antena  mikrostrip. Dengan menambahkan beban diantara patch dan ground plane berupa dioda pin maupun varactor,  maka  elemen  adaptif  dengan frekuensi resonansi variabel maka impedansi,  polaradiasi,  polarisasi  dapat  di rencanakan. Bentuk  antena  mikrostrip  ditunjukkan pada gambar 10 terdiri dari strip kecil yang sangat  tipis  yang  disebut  patch  dengan ukuran h<< λ O biasanya sebesar 0.003 λ O ≤ h≤  0.05 λ O ..  Patch  mikrostrip  dedesain sedemikian  rupa  sehingga  polaradiasi maksimum  normal  terhadap  permukaan patch.  Untuk  patch  rectangular  panjang  L biasanya sebesar λ O /3 < L< λ O /2.
Gambar 1. Antena Mikrostrip Ada bebarapa cara yang dapat digunakan untuk  mencatu  antenna  mikrostrip. Empat  cara  yang  paling  popular  adalah microstrip  line,  coaxial  probe,  aperture coupling,  dan  proximity  coupling. Keempat  cara  ini  dapat  dimodelkan dalam  rangkaian  ekivalen  R,L  dan  C sehingga  memungkinkan  mendesain saluran catu agar sesuai dengan patch

## Gambar 2. Saluran Catu Antena Mikrostrip
Switched line phase Shifter . Phase  shifter  adalah  suatu  perangkat untuk  menggeser  atau menambah  fasa dari  sinyal  yang  ditransmisikan  pada system.  Salah  satu  metoda  yang sederhana  untuk  menggeser  fasa  sinyal adalah Switched  line  phase  shifter ditunjukkan  pada  gambar 3.  Saklar SPDT  digunakan  untuk  mengalihkan antara saluran transmisi yang mempunyai  panjang  yang  berbeda. Berbeda dengan dua model sebelumnya, delay  yang  dihasilkan  sesuai  dengan dengan waktu (true time delay) sehingga memungkinkan menghasilkan fasa respon fasa yang sesuai dengan frekuensi. Pergeseran fasa diberikan oleh :
Gambar 3. Switch line phase shifter.

## DESAIN ANTENA
Antena  mikrostrip  didesain  pada frekuensi 650 MHz dengan menggunakan  software  IE3D  dengan bentuk  menyerupai  antenna  dipole  ½ lambda.  Ukuran  desain  antenna  dalam mm ditunjukkan pada gambar. Selanjutnya  dilakukan  simulasi  return loss  Antena  dan  didapat  kurva  return loss sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar  5.  Dimana  antenna  bekerja dengan  baik  pada  frekuensi  650  MHz dengan nilai return loss sebesar -38 dB. Ini  menunjukkan  antenna  hasil  desain akan  memancarkan  daya  maksimum dengan return loss yang sangat kecil. Selanjutnya  untuk  tujuan  penelitian mendapatkan  antenna  yang  bisa diarahkan  polaradiasinya  maka  selanjut nya antenna disusun dalam bentuk array.
Gambar 4. Desain antenna mikrostrip Antena  hasil desain  pada  gambar  4 selanjutnya disusun dalam struktur array linier  4  elemen  sebagaimana  yang ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 5 Return loss antenna mikrostrip
hasil desain
.
(a) Panjang saluran 2 λ (b) Selisih Panjang saluran 0.025 λ (c) Selisih Panjang saluran 0.5 λ
(d) Selisih Panjang saluran 0.5 λ Gambar 6 Antena mikrostrip hasil desain untuk panjang saluran yang berbeda.
Gambar 7. Fabrikasi Antena

## HASIL PENGUJIAN FABRIKASI ANTENA
Tahap  berikutnya  adalah  pengujian  dari fabrikasi antenna  hasil  desain.  Setiap antenna dicetak pada PCB double layer FR 4.  Sebagaimana  yang  ditunjukkan  pada gambar 6.

## Respon Frekuensi
Untuk  pengukuran  antenna  hasil fabrikasi  ditempatkan  sebagai  antenna penerima, dengan alasan impedansi antenna belum  bisa  di  ukur  dengan  pasti  sehingga kondisi  antenna  yang  tidak  match  dengan saluran  dikhawatirkan  akan  merusah perangkat generator jika antenna digunakan sebagai  pemancar.  Range  pengukuran respon  frekuensi  mulai  dari  400  MHz sampai  770  MHz  dimana  pada  kedua frekuensi tersebut didapat hasil pengukuran yang  minimum  sehingga  frekuensi  kerja berkisar antara 400 MHz sampai 770 MHz. Pada  gambar  5.11  ditunjukkan  respon frekuensi gabungan untuk keempat antenna hasil  fabrikasi.  Dimana  secara  berurut saluran  1  sampai  4 adalah  antena  dengan saluran sama, selisih 0,125 λ, 0.25 λ, 0,5 λ .

## Gambar 8 Respon Frekuensi Antena
Array Mikrostrip Dari  gambar 8 dapat  dilihat  respon frekuensi  mempunyai  trend  yang  sama. Untuk keempat jenis saluran menunjukkan  frekuensi  kerja  yang baik pada  frekuensi  650  MHz.  Apabila dibandingkan  dengan  grafik  return  loss pada  gambar  dimana  frekuensi  kerja
400 450 500 550 600 650 700 750 800 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 D ay a Te rim a (d B ) Frekuensi MHz saluran 1 saluran 2 saluran 3 saluran 4
terbaik adalah pada frekuensi 750 MHz. Ada  perbedaan  sebesar  100  MHz. Walaupun  demikian  untuk  saluran  1 sampai dengan 3 menjunkaan daya yang cukup  baik  pada  frekuensi  725  MHz yang  berada  diatas -35  dB.    Dua frekuensi lain yang menunjukkan kinerja yang  baik  adalah  pada  frekuensi  550 MHz  dan  460  MHz.  Dengan  demikian antena  sangat  baik  bekerja  pada frekuensi  460,  550  MHz,  650MHz  dan 750 MHz.

## Polaradiasi
Pengukuran  polaradiasi  ditunjukkan pada  gambar 9.  sampai dengan  gambar 12.  Polaradiasi  gambar 9 adalah polaradiasi  untuk  antena  array  dengan saluran  masing-masing  elemen  sama panjang  atau  beda  fasa  arus  masing- masing  elemen  adalah  0 o .  Untuk polaradiasi arah  horizontal  polaradiasi maksimum  pada  arah 60 o dan 240 o . sedangkan  untuk  polaradiasi  arah vertikal polaradiasi kelihatan maksimum pada  arah  0 o ,  300 o hingga  270 o .  secara umum  polaradis  di  mengarah  pada  arah depan  antena.  Polaradiasi  ini  mendekati bentuk polaradiasi simulasi.
Dengan  menggeser  fasa  masing- masing  elemen  45 o atau  beda  saluran catu  0.125λ  dapat  dilihat  polaradiasi antena  berubah  sebagaimana  yang dapat  dilihat  pada  gambar 10. Pengarahan  yang  cukup  baik  didapat pada  polaradiasi  vertikal,  dimana polaradiasi  mendekati  polaradiasi unidirectional.  Sedangkan  untuk  arah horizontal  polaradiasi  mengarah  pada 210 o dan 240 o . tetapi daya terima lebih rendah  dibanding  penerimaan  arah horizontal.
Sedangkan dengan selisih saluran 0.25 λ  lamda  atau  masing-masing  saluran berbeda  fasa  90 o didapat  polaradiasi yang  mengarah  pada 150 0 secara horizontal. Sedangkan polaradiasi arah vertikan  maksimum  pada  arah
60 o .sebagaimana yang  ditunjukkan pada  gambar 11.    Selanjutnya  untuk antena  dengan  beda  panjang  masing- masing  saluran  0.5λ  polaradiasi horizontal maupun  vertikal  mengarah pada 0 o tetapi  lebar  beam  untuk horizontal  lebih  besar  dibanding vertical ditunjukkan  pada  gambar  12. Dengan  demikian  Penggeseran  fasa catu  antena  array  mikrostrip  dapat mengendalikan  arah  maksimum  pola radiasi  antena.  Tetapi  perubahan  arah radiasi  tidak  berbanding  lurus  dengan penggeseran fasa.
Pada  gambar 13 dapat  dilihat perbandingan daya masing antena pada arah horizontal dan arah vertical. Baik untuk  arah  horizontal  maupun  vertical level  terima  meningkat  sesuai  dengan pertambahan  panjang  kabel  catu. Dengan  demikian  semakin  tinggi  beda fasa  arus  antar  elemen  memberikan peningkatan gain.
Gambar 9. Polaradiasi antena dengan panjang saluran sama. 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Panjang saluran sama Pola vertikal Pola horizontal 0.0005 0.001 0.0015 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Horizontal vertikal

## Gambar 10. Polaradiasi dengan
panjang 0.125 lambda
Gambar 11 Polaradiasi antena dengan beda saluran 0.25 λ
Gambar 12. Polaradiasi dengan panjang saluran 0.5 lambda
Gambar 13.  Perbandingan Daya terima

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Firdaus,  Yulindon,  Disain  dan Implementasi  Antena  Array  5 Elemen  untuk  Mendapatkan  Pola Radiasi  Omnidirectional  dengan Penerapan pada Transmisi Broadcast. [2] Robert R. Romanofsky,2007 “ Array Phase Shifters: Theory and Technology ” NASA 2007
Radar tutorial, http://www.radartutorial.eu/01.basi cs/rb05.en.html
[3] Warrant  L  stutmant,  ” Antena Theori  and  Design ”,  John  Willey & Son, USA, 1981.
[4] John  D.  Kraus,  Antennas,  John Willey & Son. 0.0005 0.001 0.0015 0.002 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Horizontal vertikal 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Horizontal vertikal 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Polaradiasi Horzontal 0.5 lambda 0.25 lambda 0 lambda 0.125 lambda