Simulasi Model Antena Mikrostrip Patch Segi Empat untuk Aplikasi WiMAX 2,35 GHz

Bagian ini menjelaskan latar belakang perkembangan pesat teknologi telekomunikasi, khususnya teknologi nirkabel. Kebutuhan akan layanan komunikasi yang handal dan mudah diakses dimanapun dan kapanpun mendorong penggunaan teknologi WiMAX. WiMAX, atau Worldwide Interoperability for Microwave Access, menawarkan bandwidth dan bit rate yang besar untuk berbagai aplikasi suara, video, dan data berkecepatan tinggi. Untuk menjangkau area yang luas, baik Line of Sight (LOS) maupun Non-Line of Sight (NLOS), dibutuhkan antena yang sesuai, salah satunya adalah antena mikrostrip. Antena mikrostrip dipilih karena keunggulannya yang kecil, ringan, dan mudah diintegrasikan. Rumusan masalah yang dibahas meliputi pengertian antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatuan aperture coupled dan bagaimana memodelkan antena tersebut untuk aplikasi WiMAX 2.35 GHz menggunakan Ansoft HFSS versi 10.0. Antena mikrostrip, meskipun populer, memiliki kelemahan bandwidth yang sempit, sehingga teknik aperture coupled yang dapat mengatur jarak antar substrat (adjustable air gap) digunakan untuk memperlebar bandwidth.

Metodologi penulisan tugas akhir ini didasarkan pada studi literatur. Studi literatur meliputi pengumpulan data dan informasi dari berbagai sumber seperti buku referensi, artikel, jurnal, dan internet. Informasi yang dikumpulkan digunakan untuk mendukung analisis dan pembahasan mengenai perancangan dan simulasi antena mikrostrip untuk aplikasi WiMAX. Metode ini memastikan bahwa analisis dan pembahasan yang dilakukan berlandaskan pada teori-teori dan penelitian-penelitian yang relevan dan terpercaya. Informasi yang diperoleh melalui studi literatur akan digunakan untuk mendukung proses perancangan dan simulasi antena, analisis data, dan penyusunan kesimpulan. Pendekatan ini memastikan bahwa penelitian yang dilakukan memiliki landasan teori yang kuat dan dapat dipertanggungjawabkan.

Bagian ini membahas karakteristik umum antena, termasuk fungsinya sebagai transduser antara saluran transmisi dan medium bebas. Antena berperan penting dalam memancar dan menerima gelombang elektromagnetik secara efisien, dengan polarisasi sesuai struktur fisiknya. Untuk meminimalkan refleksi gelombang, antena perlu memiliki kesesuaian impedansi dengan saluran transmisi. Konsep gelombang berjalan dan gelombang berdiri pada saluran transmisi dijelaskan. Selanjutnya, dibahas model cavity untuk antena mikrostrip, yang berasumsi bahwa ruang antara patch dan ground plane berperilaku seperti rongga. Model ini didasarkan pada asumsi substrat yang tipis. Distribusi muatan dan arus pada patch mikrostrip dijelaskan, termasuk mekanisme tarik-menarik dan tolak-menolak antar muatan. Jenis-jenis bandwidth, seperti impedance bandwidth, dijelaskan dan dihubungkan dengan return loss dan VSWR. Return loss didefinisikan sebagai perbandingan amplitudo gelombang refleksi dan gelombang transmisi. Kemudian, dijelaskan berbagai teknik pencatuan antena mikrostrip, dengan fokus pada teknik aperture coupled yang dipilih untuk meningkatkan bandwidth. Teknik aperture coupled memanfaatkan slot aperture pada ground plane untuk mengkopel energi elektromagnetik ke patch antena, menghasilkan bandwidth yang lebih lebar daripada teknik line feed.

Bagian ini menjelaskan teknologi WiMAX sebagai teknologi nirkabel yang menyediakan layanan telekomunikasi dengan bandwidth dan bit rate tinggi untuk berbagai aplikasi. WiMAX mampu menjangkau area luas, baik LOS maupun NLOS, dan menghemat investasi infrastruktur. Alokasi frekuensi WiMAX bervariasi antar negara, di Indonesia diatur dalam white paper “Penataan Frekuensi Radio Layanan Akses Pita Lebar Berbasis Nirkabel” (November 2006), yang meliputi alokasi frekuensi untuk berbagai teknologi nirkabel seperti DCS, PCS, UMTS, WLAN, dan BWA. Sistem akses nirkabel WiMAX dibedakan berdasarkan kecepatan darat menjadi fixed, mobile, dan nomadic. Cara kerja WiMAX melibatkan stasiun basis yang terhubung ke jaringan publik melalui backhaul (serat optik, kabel, gelombang mikro, atau Point-to-Point), dan melayani pelanggan (CPE) melalui konektivitas Point-to-Multipoint (PMP), baik LOS maupun NLOS. Stasiun pelanggan umumnya melayani gedung dengan LAN kabel atau nirkabel.

Bagian ini menjelaskan model cavity sebagai metode pemodelan untuk antena mikrostrip. Model cavity menganggap ruang antara patch dan bidang pentanahan sebagai sebuah rongga (cavity) yang dikelilingi dinding magnetik di tepinya dan diapit dinding elektrik di atas dan bawah. Beberapa asumsi model cavity didasarkan pada observasi substrat tipis (h << λ0), yaitu medan di daerah interior tidak bervariasi dengan z (∂/∂z ≡ 0) karena substrat tipis, dan medan listrik hanya muncul dalam arah z (Ez) serta medan magnet hanya memiliki komponen transversal (Hx dan Hy) di daerah antara patch dan ground plane. Penjelasan mengenai distribusi muatan dan densitas arus pada patch mikrostrip juga diberikan, termasuk mekanisme tarik-menarik dan tolak-menolak antar muatan yang mempengaruhi konsentrasi muatan pada bagian bawah dan atas patch. Pembahasan lebih lanjut mengenai perbandingan height to width dan pengaruhnya terhadap arus pada permukaan elemen radiasi, serta pemodelan empat dinding sisi antena sebagai permukaan konduktor magnetik yang sempurna juga dijelaskan. Meskipun asumsi ideal, model cavity memberikan pendekatan yang akurat untuk analisis karakteristik antena mikrostrip.

Bagian ini membahas parameter kinerja penting dari antena mikrostrip, termasuk bandwidth, return loss, VSWR, polarisasi, directivity, dan pola radiasi. Impedance bandwidth didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana antena terhubung dengan baik ke saluran pencatu, yang dapat dilihat dari nilai return loss dan VSWR. Return loss menggambarkan perbandingan antara amplitudo gelombang refleksi dan gelombang transmisi, sedangkan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) menunjukkan tingkat ketidakcocokan impedansi. Nilai return loss yang baik kurang dari -9,54 dBi, dan VSWR kurang dari 2. Polarisasi diklasifikasikan sebagai linier, circular, atau elliptical. Directivity didefinisikan sebagai perbandingan intensitas radiasi pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata di semua arah. Pola radiasi merepresentasikan karakteristik radiasi antena dalam fungsi koordinat ruang, meliputi kerapatan fluks, intensitas radiasi, kuat medan, dan polarisasi. Pemahaman parameter-parameter ini penting dalam mengevaluasi performa antena mikrostrip.

Proses simulasi menggunakan Ansoft HFSS v10.0 diawali dengan pemodelan tiga dimensi antena mikrostrip. Pemodelan dilakukan dengan memilih geometri yang sesuai dan memasukkan nilai-nilai parameter seperti ukuran patch, slot aperture, dan material yang digunakan. Penggunaan Ansoft HFSS memungkinkan pemodelan dua atau tiga dimensi, bergantung kompleksitas desain. Proses inisialisasi model melibatkan pengaturan satuan (mm) dan pengisian parameter awal melalui tab Command (Coordinate System Center Position, Xsize, Ysize, Zsize) dan tab Attribute (Name, material, Color, Transparent) pada Property Window. Pembuatan model antena mikrostrip patch segiempat diawali dengan pemilihan solusi penyelesaian (Driven Modal) dan pengaturan satuan. Pengisian parameter lebih lanjut dilakukan melalui Design Properties di HFSS. Pembuatan slot aperture, elemen kunci dalam desain aperture coupled, melibatkan penentuan bentuk, ukuran, dan posisi slot pada bidang pertanahan. Posisi yang umum adalah di tengah bawah patch. Setelah model dibuat, validasi dilakukan sebelum analisis. Proses analisis menggunakan 'Analyze All' yang membutuhkan waktu lebih dari 30 menit.

Setelah proses simulasi selesai, hasil berupa grafik VSWR dan Gain dianalisis. Simulasi difokuskan pada frekuensi 2.35 GHz. Hasil simulasi VSWR dibandingkan dengan spesifikasi pabrikan, dengan target VSWR ≤ 2. Tabel 4.1 menunjukkan hasil simulasi Gain, yang mencapai nilai tertinggi 1.354407 dBi pada posisi 360 derajat. Pengaruh perubahan dimensi antena terhadap VSWR juga dibahas. Iterasi dilakukan dengan mengubah ukuran dimensi antena secara bergantian, sambil menjaga dimensi lain tetap konstan, untuk mencari konfigurasi yang menghasilkan VSWR optimal. Sebagai contoh, dengan ukuran panjang boundaries 114 mm, VSWR terbaik dicapai dengan lebar boundaries 74 mm, sementara Y size dan Z size tetap. Akhirnya, hasil simulasi dibandingkan dengan perhitungan teoritis parameter antena seperti VSWR dan Gain, untuk memvalidasi hasil simulasi.

Penelitian ini berhasil merancang dan mensimulasikan antena mikrostrip dengan teknik pencatuan aperture coupled untuk aplikasi WiMAX pada frekuensi 2.35 GHz menggunakan perangkat lunak Ansoft HFSS v10.0. Simulasi menunjukkan bahwa desain antena yang diusulkan mampu memenuhi spesifikasi yang diinginkan, ditunjukkan oleh nilai VSWR yang berada di bawah ambang batas (≤2) dan nilai Gain yang optimal. Penggunaan teknik aperture coupled terbukti efektif dalam meningkatkan bandwidth antena mikrostrip, mengatasi kendala bandwidth sempit pada desain konvensional. Hasil simulasi menunjukkan bahwa model antena yang dibuat mampu mencapai kinerja yang diharapkan, sesuai dengan tujuan penelitian untuk meningkatkan performa antena mikrostrip dalam sistem WiMAX.

Hasil penelitian ini memberikan kontribusi pada pengembangan sistem WiMAX yang lebih efisien dan handal. Desain antena mikrostrip aperture coupled yang diusulkan dapat diaplikasikan pada perangkat WiMAX untuk meningkatkan kualitas transmisi data. Penelitian selanjutnya dapat difokuskan pada optimasi lebih lanjut terhadap parameter antena, seperti penyesuaian material substrat dan dimensi antena untuk mencapai kinerja yang lebih baik pada berbagai kondisi. Pengujian secara empiris pada prototipe antena yang telah dirancang juga perlu dilakukan untuk memvalidasi hasil simulasi dan membandingkan kinerja aktual dengan hasil simulasi. Selain itu, explorasi teknik pencatuan lain dan optimasi desain untuk berbagai frekuensi WiMAX juga direkomendasikan untuk meningkatkan kinerja secara keseluruhan.