Antena Slot Waveguide Segi Empat Segala Arah pada Frekuensi 2.4 GHz

## Omnidirectional Slot Rectangular Waveguide Antenna at 2.4 GHz Frequency
Sri Hardiati a,* , Yuyu Wahyu a , Hanindya Permatasari b , dan Budi Prasetya R. b
a Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Komp LIPI Gd 20, Jl. Sangkuriang 21/54D, Bandung 40135, Indonesia
b Jurusan Teknik Elektro  Telkom  University Bandung. Jl. Telekomunikasi No. 1, Bandung, Indonesia

## Abstrak
Antena diharapkan memiliki desain dengan konstruksi yang lebih mudah, murah dan efisien. Antena slot waveguide adalah antena  gelombang  mikro.  Antena  ini  berupa  suatu waveguide yang  mempunyai slot – slot membentuk array dan  terletak  pada dinding waveguide untuk memperoleh gain tinggi. Dalam paper ini dibahas mengenai eksperimen antena slot waveguide segi empat ( rectangular ) dengan enam slot yang tersusun secara paralel sepanjang waveguide dan beroperasi pada frekuensi 2.4 GHz. Hasil pengukuran dari antena slot waveguide ini diperoleh karakteristik antena dengan spesifikasi bandwidth sebesar 33 MHz pada batas nilai VSWR ≤ 1.5. Antena slot waveguide ini menghasilkan pola radiasi omnidireksional dengan gain sebesar 4.121 dBi pada frekuensi operasi 2.4 GHz. Sehingga antena tersebut dapat diestimasikan layak untuk diimplementasikan pada sistem Wi-Fi dan system komunikasi lain dengan frekuensi operasi 2.4 GHz.
Kata kunci : Antena slot waveguide , rectangular waveguide , gelombang mikro, omnidirectional.

## Abstract
Antenna design expected has easier, cheaper and more efficient construction. A slot waveguide antenna is microwave antenna. This antenna is shaped a waveguide has the slots that formed array in the wall of waveguide to produce higher gain. This paper discussed about the experiment of the slot waveguide antenna array which has parallelized six slots along the rectangular waveguide operating at a frequency of 2.4 GHz. Measurement results obtained are antenna characteristics where VSWR limit value is ≤ 1.5, omnidirectional radiation pattern with a gain of 4,121 dBi in operating frequency of 2.4 GHz. So it can be estimated to be feasible and enable implemented as the Wi-fi antenna system and another communication systems with operate frequency of 2.4 GHz.
Keywords : Slotted waveguide antenna, rectangular waveguide, microwave , omnidirectional

## I. P ENDAHULUAN
Antena array slot waveguide adalah  antena  yang biasa  diterapkan  dalam  sistem  komunikasi  dan beroperasi  pada  frekuensi  gelombang  mikro ( microwave ).  Antena slot ini  mempunyai  struktur geometri  yang  sederhana  dan  menarik,  hal  tersebut disebabkan antenna slot waveguide memiliki  struktur planar ,  kompak  dan  pita  frekuensi  yang  relatif  lebar, juga  kemampuan  yang  dapat  menunjang  memenuhi kebutuhan sistem komunikasi jarak jauh.
Konstruksi  antena slot waveguide mudah  dibuat. Pada  umumnya  antena slot waveguide berbentuk slot array untuk memperoleh gain yang besar dan slot array dapat dikonfigurasikan untuk menghasilkan pola radiasi yang diinginkan.
Dalam  paper  ini  dibahas  mengenai  hasil eksperimen  antena slot waveguide dengan  6 slot dan
berbentuk array beroperasi  pada  frekuensi  2.4  GHz. Antena slot waveguide ini  mempunyai  pola  radiasi omnidirectional  dan  mempunyai bandwidth 33  MHz dengan VSWR ≤ 1.5. Dengan bentuk menempatkan slot yang  membentuk  suatu array pada waveguide menghasilkan gain sebesar 4.121 dB. Pola radiasi yang dimiliki antena slot waveguide ini dimungkinkan dapat menunjang  sistem Wireless Fidelity (Wi-Fi)  sebagai salah  satu  layanan hotspot dan  sistem  komunikasi  lain yang beroperasi pada frekuensi 2.4 GHz.
II. M ETODE D ESAIN A NTENA S LOT W AVEGUIDE

## A. Rectangular Waveguide
Waveguide adalah  tabung  logam  berongga  yang digunakan untuk propagasi gelombang elektromagnetik dalam  rentang  frekuensi microwave [1].  Dalam waveguide medan listrik dan magnet dibatasi oleh ruang dari waveguide .  Tiga  tipe  gelombang  yang  dapat propagasi  melalui  saluran  transmisi  yaitu  TEM ( Transverse Electromagnetic ), TE ( Transverse Electric ) dan TM ( Transfer Magnetic ) [2]. Rectangular waveguide berupa  tabung  logam berongga  dengan  penampang  persegi  panjang
* Corresponding Author . Email: ash_egt@yahoo.com Received: November 25, 2016; Revised: December 8, 2016 Accepted: December 8, 2016 Published: December 20, 2016  2016 PPET - LIPI
doi: 10.14203/jet.v16.46-51
( rectangular ).  Mode  propagasi  yang  paling  sederhana dan  dominan  dalam rectangular waveguide disebut Mode  TE10,  yang  mode  tersebut  terjadi  bila  dimensi waveguide mempunyai dimensi a>b seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Konfigurasi Rectangular Waveguide .
a  adalah lebar waveguide dan b adalah tinggi waveguide. Frekuensi cut off ( f c ) untuk mode TE m,n [1] diberikan Persamaan 1.
(1)
Panjang gelombang dalam waveguide (λg) untuk mode
TE mn ditentukan  seperti  yang  dijelaskan  [1]  dengan Persamaan 2.
(2)

## B. Karakteristik Array Slot
Array slot pada waveguide dapat  meningkatkan gain dengan  memampatkan beam secara  vertikal. Karena  arah slot-slot vertikal  sepanjang guide ,  maka polarisasi  yang  terjadi  adalah  horizontal.  Jumlah slot pada waveguide dapat meningkatkan gain [3]. Posisi slot yang memotong dinding waveguide akan mengganggu  arus  yang  mengalir  pada  dinding waveguide , dan membuat arus mengitari slot , yang akan menginduksi  medan  listrik  pada slot .  Radiasi  akan muncul  ketika  arus  harus  mengitari slot-slot untuk melanjutkannya  pada  arah  yang  diinginkan.  Sehingga, posisi slot menentukan  impedansi  yang  diberikan  pada saluran  transmisi  dan  jumlah  energi  yang  di- couple ke slot dan diradiasikan dari slot [3]. Konfigurasi array slot harus  dapat  beresonansi supaya  dapat  memberikan  beban  resistif  pada waveguide .  Rangkaian  ekuivalen  dari  antena slot waveguide dengan slot-slot longitudinal pada waveguide ditunjukkan seperti Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian ekuivalen antenna waveguide slot
III. D ESAIN A NTENA S LOT W AVEGUIDE Untuk  desain  antena slot  waveguide , slot tersebut akan  mengurangi  permukaan  dari  sisi waveguide yang dipotong untuk mendapatkan resonansi yang diinginkan [4].    Hal-hal  yang  harus  diperhatikan,  seperti  panjang slot , jarak antar slot , dan posisi feed . Slot terletak pada sisi  bidang waveguide dan  memanjang  sepanjang waveguide dengan jumlah 6 slot .

## A. Spesifikasi Antena.
Dalam  penelitian  antena slot  waveguide ini, spesifikasi teknik yang diinginkan sebagai berikut :
• Frekuensi tengah  : 2.4 GHz
• Impedansi : 50 • VSWR : 1.5 • Bandwidth : ≥ 1% • Pola Radiasi : Omnidireksional • Gain : ≥ 4.1 dB Bahan  yang  digunakan  untuk waveguide adalah bahan plat kuningan dengan spesifikasi sebagai berikut: • Tebal
: 1  mm
• Lebar waveguide (a) : 109.22 mm • Tinggi waveguide (b) :  54.61   mm • Total panjang kuningan : 495.37  mm
B. Struktur Antenna Slot Waveguide.
Antena slot waveguide dibentuk  dengan  membuat slot dengan posisi pada permukaan waveguide . Struktur waveguide adalah    segi  empat (rectangular )  dengan bahan  kuningan  dan  dimensi  seperti  yang  disebutkan pada spesifikasi. Slot ditempatkan dengan model paralel yang terletak secara bergantian pada sisi kanan dan kiri dari garis tengah permukaan sisi waveguide seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Dalam  desain  antena slot waveguide, panjang masing-masing slot dan  jarak  antar slot harus  sama untuk  keperluan  resonansi.  Dengan  persamaan  yang dijelaskan [4] , maka didapatkan nilai panjang slot yang dinyatakan pada Persamaan 3.
(3)
Panjang  gelombang  dalam waveguide mode  TE 10 dapat dihitung dengan panjang gelombang cut off (λ c ) dari mode TE 10 berdasarkan dari penjelasan [5], maka panjang gelombang waveguide cut off adalah 2 a.
(4) .
Dengan  menggunakan  Persamaan  2,  maka diperoleh panjang gelombang dalam waveguide sebagai berikut.
Slot dicatu  sefasa  dengan  mengatur  jarak  pusat pada interval setengah panjang gelombang elektrik yang terletak  sepanjang waveguide .  Jadi  jarak  antar slot adalah λ g /2 dan diperoleh nilai sebesar :
Lebar  s lot diperoleh  sebesar  seperdua  puluh panjang gelombang waveguide . Maka perhitungan lebar slot -nya adalah:
(6)
Sesuai  spesifikasi  awal,  jumlah slot yang  dipilih adalah enam slot . Dengan N adalah jumlah slot , maka N =  6.  Diasumsikan  berhasil  dibuat  suatu slot yang beresonansi  dan  mengatur  jarak  tepat  pada  λ g /2,  maka masing-masing slot mempunyai admitansi 1/N. Dengan persamaan  seperti  yang  dijelaskan  [6][7],  maka  jarak slot dari centerline adalah sebagai berikut:
(7)
(8)
(9)

## (10)
Bagian  tengah  dari slot terakhir  adalah  sejauh waveguide ¼  panjang  gelombang  dari  ujung  tertutup waveguide .  Kita  mengetauhi  sebuah short circuit ¼ panjang  gelombang stub dari  saluran  transmisi  terlihat seperti  sebuah open circuit ,  jadi  ujung  tertutup  tidak memiliki pengaruh terhadap impedansi.
(11)
= 152,42 /4
=   38,11 mm.
Perhitungan gain dan impedansi menggunakan cara sederhana  seperti  yang  dijelaskan  pada  [3],  maka gain dan impedansi antena slot waveguide yaitu seperti pada array dipole . Pendekatan rumus gain dengan N jumlah total slot .
(12)
=5,633 dB. Untuk  mengetahui  impedansi  karakteristik slot maka  digunakan  persamaan  yang  diambil  dari  [8]  dan dinyatakan  dalam  Persamaan  13.  Dengan  Z 0 untuk ruang  bebas  adalah  377 Ω dan  Z d adalah  impedansi karakteristik antenna dipole λ/2,  maka  impedansi slot (Z s ) :
(13)
=
Dengan  impedansi  karakteristik dipole λ/2  adalah (73+j42,5) Ω , maka impedansi karakteristik slot : Ω − = + = 6 . 211 5 . 363 5 . 42 73 35532 j j Z s C. Desain dan Simulasi Antena Slot Waveguide Desain antenna waveguide array 6 slo t berdasarkan simulasi dapat ditunjukkan seperti pada Gambar 3.
Gambar 3. Desain Antena array Waveguide 6 slot
Gambar 4. Desain Antena array Waveguide 6 Slot Pandangan Atas
Hasil  simulasi return loss dan  VSWR  ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6. Nilai VSWR yang terukur pada frekuensi  2.4  GHz  menunjukkan  1.27.  Pada  frekuensi bawah (fl) adalah 2,396 GHz sedangkan nilai frekuensi atas (fu) adalah 2,405 GHz menunjukkan nilai VSWR≤ 1,5 sehingga bandwidth diperoleh 9 MHz.
Gambar 5. Hasil Simulasi Return Loss dari Antena Waveguide 6 Slot
Dari hasil simulasi diperoleh nilai impedansi 44,87 Ohm yang dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Hasil Simulasi dari Impedansi Antena Waveguide 6 Slot
Pola Radiasi antenna waveguide 6 slot ditunjukkan pada Gambar 8.
(a) (b)
Gambar 8. Pola Radiasi Hasil Simulasi Antena
Waveguide array 6 slot (a) Pola Radiasi arah Azimuth dan (b) Pola Radiasi Arah Elevasi
Dari Gambar 9 dapat diketahui bahwa pola radiasi antena adalah omnidireksional dengan gain 12,4 dBi.
Gambar 9. Hasil Simulasi Antena Waveguide 6 Slot Pola Radiasi 3- Dimensi dan Gain Antena

## IV. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Realisasi  antena array waveguide 6 slot ditunjukkan pada Gambar 10 dan 11 yang dilihat dari atas dan dari samping.
Gambar 10. Antena Waveguide Array 6 Slot Tampak Atas
Gambar 11. Antena Waveguide Array 6 Slot Tampak Samping
Pengukuran  antena waveguide 6 slot dilakukan dalam  rentang  frekuensi  2.35  GHz  sampai  2.45  GHz pada  frekuensi  2.4  GHz  diperoleh  nilai return loss – 22.337  dB  dan  VSWR  yang  terukur  1.165.  Pada frekuensi  bawah  2.386  GHz  sedangkan  frekuensi  atas pada 2.419 GHz diperoleh nilai VSWR ≤ 1.5 sehingga diperoleh bandwidth sebesar 33 MHz. Dan  nilai  impedansi  antena slot waveguide ini berdasarkan   h asil  pengukuran  diperoleh  nilai  sebesar (42,923 +j0,656 )Ω.
Hasil  pengukuran  ditunjukkan return loss ,  VSWR dan impedansi ditunjukkan pada Gambar 10, 11, 12.
Gambar 12. Hasil Pengukuran Return Loss dari Antena Waveguide 6 Slot
Gambar 13. Hasil Pengukuran VSWR dari Antena Waveguide 6 Slot
Gambar 14. Hasil Pengukuran Impedansi dari Antena Waveguide 6 Slot
Nilai  impedansi  pada  frekuensi  2,4  GHz  adalah 42,329  +  j0,656  Ohm.  Nilai  ini  mendekati  nilai  yang diharapkan  yaitu  50  Ohm.  Hal  ini  dapat  dikatakan bahwa  antena  dapat  dihubungkan  dengan  saluran transmisi  50  Ohm  karena  nilai  impedansi  hasil pengukuran tidak berbeda terlalu jauh.
Gain ,  pola  radiasi  dan  polarisasi  antena  diukur pada  daerah  medan  jauh  dari  antena  seperti  yang dijelaskan  pada  [9][10],  karena  pada  daerah  tersebut gelombang  elektromagnetik  yang  terpancar  tidak bergantung  jarak  dari  antena.  Rumus  medan  jauh diberikan pada Persamaan 14.
(14) dimana  L adalah dimensi terbesar antena dan λ adalah panjang  gelombang  pada  frekuensi  operasi.  L  pada antena slot waveguide ini  adalah  diagonal  dari penampang  muka  yang  panjangnya  L  =  0.507  m; sedangkan:
λ =
Medan jauh = Pengukuran gain dilakukan  pada  frekuensi  2400 MHz dan diperoleh nilai gain sebesar 4.121 dB. Dari gain antena  hasil  pengukuran  lebih  kecil daripada gain antena hasil simulasi dengan selisih 8.279 dB. Nilai gain hasil pengukuran adalah 4.121 dBi, nilai ini masih memenuhi spesifikasi awal antena yaitu ≥ 4,1 dBi.  Perbedaan  nilai  ini  dapat  disebabkan  oleh kesalahan  pembacaan  level  daya  akibat  fluktuasi  yang terjadi di level penerima.

## T ABEL 1 H ASIL S IMULASI DAN P ENGUKURAN
A NTENA S LOT W AVEGUIDE Parameter Hasil Simulasi Hasil Pengukuran Return loss (frekuensi 2.4 GHz) -18.494 dB -22.337dB VSWR (frekuensi 2.4 GHz). 1.27 1.165 Bandwidth (VSWR ≤1.5 9 MHz 33 MHz Impedansi (frekuensi 2.4 GHz) 44.87 ohm (42.923+j 0.656) Ohm Gain 12.4 dB 4.121 dB Pola Radiasi Omnidireksional Omnidireksional Konfigurasi array dari 6 slot ini membentuk pola radiasi  yang  diinginkan.  Energi  radiasi  antena slot waveguide dari  pencatuan waveguide ke  udara  ( free space) melalui  6 slot yang  berbentuk  lubang  terletak pada dinding waveguide segi empat ( rectangular ). Dari hasil  pengukuran,  antena  ini  memiliki  pola  radiasi omnidireksional seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15,  sehingga   d apat  memancar  ke  segala  arah.  Antena memberikan  radiasi  hampir  sama  besar  pada  satu bidang.  Selain  itu  pada  bidang  elevasinya  terdapat sidelobe yang  cukup  banyak.  Efek  dari sidelobe ini adalah  mempengaruhi gain antena.  Hal  ini  merupakan salah  satu  kekurangan  tipikal  dari  antena slot waveguide .  Oleh  karena  itu  pada  pemasangannya
biasanya  digunakan absorber atau  reflektor  yang dipasang pada antena.
(a) (b) Gambar 15. (a) Hasil Pengukuran Pola Radiasi Arah Azimuth dan (b)
Pola Radiasi arah Elevasi dari Antenna Waveguide 6 Slot

## K ESIMPULAN
Eksperimen  antena slot waveguide telah  dilakukan realisasi  dari  desain  antena  dengan  model  6 slot yang berbentuk array secara  paralel  dengan  model longitudinal  dan  terletak  pada  suatu waveguide yang beroperasi  pada  frekuensi  2.4  GHz.  Berdasarkan  hasil pengukuran,  antena slot waveguide memberikan karakteristik  dengan  VSWR  ≤  1.5, return loss -22.337 dB, gain 4.121 dB dan pola radiasi omnidirektional.
Berdasarkan  hasil  eksperimen,  maka  antena slot waveguide tersebut,  diestimasikan  dapat  diaplikasikan pada sistem Wi-Fi maupun sistem komunikasi lain yang memerlukan  antena  dengan  karakteristik  seperti  antena slot waveguide tersebut.
U CAPAN T ERIMA K ASIH
Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada Pusat Penelitian  Elektronika  Dan  Telekomunikasi  (PPET)  – LIPI  yang  telah  memberikan  fasilitas  dan  dukungan dalam penelitian antena array slot waveguide .

## D AFTAR P USTAKA
[1] Samuel Y. Liao, Microwave Devices And Circuits , New Jersey : Prentice Hall, 2004.
[2] D.Pozar, Microwave Engineering , 3rd edition, New York : Jhon Wiley & Sons, 2005.
[3] Paul  Wade,  (11  April  2011), Microwave Antenna Book . [Online]. Available: http://www.wlghz.org/antbook/contents.htm .
[4] Constantine  A  Balanis, Modern Antenna Handbook ,  A  John Wiley & Sons, 2008.
[5] Sinha,  Umesh, Transmission Lines and Networks ,  Satya Prakashan, New Delhi : Tech India Publication Inc, 1977.
[6] Ivan  P.Kaminow  and  Robert  J.Stegen,  “Waveguide  Slot  Array Design”,  Research  and  Development  Laboratories,  Microwave Laboratory, Hughes Aircraft Company, Juli 1954.
[7] Kuo-Lun  Hung,  His-Tseng  Chou,  ”A  Design  of  Slotted Waveguide  Antenna  Array  Operated  at  x-Band”,  in Proc. of IEEE  International Conference on Wireless Information Technology and Systems (ICWITS) ,  2010.
[8] John  D.  Kraus,  Ronald  J  Marhefka, Antennas  for All Application , New York : Mc. Graw-Hill, 2002.
[9] Constatine  A.  Balanis, Antenna Theory Analysis and Design , John Wiley & Sons, INC, 1997 atau th 1982.
[10] Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design , Second Edition, A John Wiley & Sons, 2005.