Monopole

JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1 (Sept. 2012) ISSN: 2301-9271 A-179

Abstrak—Teknologi satelit telah terbukti mampu memberikansolusi dari banyak permasalahan. Maka dari itu, sekarang iniIndonesia sedang mengembangkan teknologi satelit. Padagenerasi awal seperti sekarang ini sedang dilakukan risetpembuatan payload satelit Iinusat-02. Dalam Penelitian inidibahas mengenai salah satu bagian payload yaitu antena uplinkyang beroperasi pada frekuensi UHF. Antena uplink untukpayload satelit Iinusat-02 ini menggunakan model monopole.Antena monopole tersebut terbuat dari stainless steel yangmemiliki panjang 172 mm dan diameter 1 mm. Antena monopoleyang dibutuhkan sebanyak dua buah dimana instalasi keduaantena monopole tersebut berada pada tengah sisi satelit Iinusat-02 yang saling tegak lurus. Sebelum fabrikasi, desain antenamonopole disimulasikan pada software CST Studio 2011. Daribeberapa percobaan desain antena monopole pada software CSTStudio 2011 diperoleh suatu desain antena yang memilikiperformansi seperti yang diinginkan, yaitu memliki nilai retrunloss sebesar -18,64 dB, VSWR sebesar 1.26 pada frekuensi kerja436,5 MHz,lebar bandwidth sekitar 78,2 MHz dan pola radiasiyang mendekati bentuk bola. Dari hasil pengukuran antenamonopole hasil fabrikasi diperoleh nilai return loss dan VSWRsebesar -18,5 dB dan 1,31, lebar bandwidth sebesar 35 MHz danpola radiasi yang diperoleh mendekati bola. Mengacu pada hasilsimulasi dan pengujian, dapat disimpulkan disain antena ini bisadijadikan refrensi untuk antenna uplink satelit Iinusat 02 yangtumbling selama mengorbit.

Kata Kunci—antena monopole, Iinusat 02, pengukuran,simulasi.

I. PENDAHULUAN

ATELIT Iinusat-02 merupakan satelit nano berbentukkubus yang memiliki massa 15 kg. Direncanakan

mengorbit pada orbit LEO. Satelit ini ditujukan untukmelakukan komunikasi darurat dan data dengan kecepatan 13kbps. Selain itu juga dilengkapi kamera sehingga mampumelakukan pengambilan gambar wilayah Indonesia[1].

Salah satu payload dari satelit Iinusat-02 adalah TT&C(telecommunication, telemetry and command)[1]. Pada saatkamera satelit melakukan pengambilan gambar padapermukaan bumi, TT&C satelit menerima perintah (command)dari stasiun bumi, menerjemahkan perintah tersebut kemudianmengirimkan ke ADCS (Attitude Determination ControlSystem) kemudian ADCS mengontrol sikap satelit agarkamera mengarah ke permukaan bumi. Untuk melakukanfungsi tersebut, TT&C terdiri dari antenna, LNA dandemodulator[2].

Sinyal perintah yang dikirimkan dari stasiun bumi kesatelit Iinusat-02 berupa teks. Bandwidth yang dibutuhkansebesar 7,6 KHz[2]. Maka dari itu frekuensi yang digunakanuntuk pengiriman sinyal perintah ini berada pada rangefrekuensi VHF/UHF yaitu pada frekuensi 145/435 MHz.Uplink satelit Iinusat-02 ini berada pada frekuensi UHF, yaitu436,5 MHz[1].Untuk menerima sinyal yang memilikibandwidth kecil, seperti sinyal perintah ini, maka dibutuhkanantenna narrowband.Maka dari itu, dalam penelitian inidibahas mengenai desain, material dan instalasi antenamonopole pada satelit Iinusat-02.

Metode realisasi antena monopole ini dimulai daripendesainan antena monopole secara analitik. Pada tahap iniakan diperoleh nilai parameter-parameter antena sebagaipatokan kelayakan performansi antena monopole yangdihasilkan. Tahap kedua adalah simulasi satu antena monopoledengan CST Studio 2011. Pada tahap kedua ini dapat dilihatperformansi satu antena monopole yang diperoleh secaraanalitik. Pada tahap ketiga, dilakukan simulasi antenamonopole array. Tujuannya adalah untuk meningkatkanperformansi satu antena monopole saja. Tahap keempat adalahmelakukan fabrikasi antena monopole sesuai dengan desainarray yang telah dihasilkan dan melakukan pengukuran. Tahapyang terakhir adalah penentuan instalasi antena di satelit. Daridesain antena monopole yang diperoleh, ditentukan instalasiyang tepat di satelit.

II. DESAIN DAN SIMULASI

A. Analisis Desain

Dalam analisis desain ini ada tiga poin yang dicapai, yaitumemperoleh dimensi, memperoleh material untuk fabrikasidan memperoleh beberapa nilai parameter antena sebagaiacuan kesuksesan hasil desain nantinya.

DimensiModel antena monopole yang akan didesain dalam

Penelitian ini memiliki panjang seperempat panjanggelombang[3]. Panjang gelombang antena uplink Iinusat-02ini adalah 68,9 cm. Jadi panjang antena monopole adalah 17,2cm. Mengacu pada mass budget antena uplink satelit picorobusta[4] dan setelah dilakukan perhitungan menggunakanrumus massa jenis ()

Desain Antena Monopole UHF untuk Uplinkpada Satelit Iinusat-02

Yahya S. Amrullah, Eko Setijadi, dan Gamantyo HendrantoroJurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111E-mail: [email protected]

S


= (1)

dimana m = massa (kg)v = volume (m3)

diperoleh diameter maksimal antena monopole adalah sebesar0,27 cm jika antena yang di pasang di satelit sebanyak dua dansebesar 0,22 cm jika antena yang dipasang di satelit sebanyaktiga.

Spesifikasi MaterialMaterial untuk radiator antena yang dapat diperoleh di

pasaran adalah tembaga, aluminium dan stainless steel[5].Kriteria pemilihan material dalam Penelitian ini, yang pertamaadalah keelastisistasan material sedangkan yang kedua adalahkonduktivitas material. Semakin tinggi keelastisitasan materialsemakin memberikan kemudahan di dalam melakukanmounting antena monopole di satelit. Ketiga material tersebutdapat berfunsi sebagai antena dengan baik sehingga kriteriakonduktivitas dapat diabaikan. Berikut ini data nilaikeelastisitasan dan konduktivitas ketiga material tersebut[6].

Tabel 1.Nilai keelastisitasan dan konduktivitas material antena

Material Young'sModulus(109 N/m2)

NilaiKonduktivitas

(106S/m)Aluminum 69 38

Copper 110 58Stainless Steel 180 1,1

Sumber:http://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-d_417.html

Jadi berdasarakan pertimbangan ketersediaan material dipasaran dan keelastisitasan material maka dalam pendesainanradiator antena monopole ini menggunakan material stainlesssteel. Antena ini direncanakan akan dipasang di satelit Iinusat-02 sehingga dalam pembahasan Penelitian ini memanfaatkanbadan satelit Iinusat-02 sebagai ground plane. Sedangkanmaterial ground plane terbuat dari PCB dengan plat tembaga.

Batasan Nilai Parameter

Tabel 2 dibawah ini merupakan tabel batasan nilaiparameter yang dibutuhkan.

Tabel 2.Batasan nilai parameter antena

No. Parameter Batasan1 Pola radiasi Mendekati bentuk bola2 Return loss < -10 dB3 Bandwidth >7,6 kHz4 VSWR < 2

B. Simulasi Satu Antena Monopole Menggunakan CST Studio2011

Sebelum melakukan fabrikasi langsung, dilakukan simulasidahulu bagaimana performansi antena monopole hasil desainsecara analitik yang telah diperoleh sebelumnya. Gambar

1berikut ini merupakan implementasi dari desain analitikantena monopole pada software CST Studio 2011.

Gambar 1. Desain satu antena monopole

Gambar 2 di bawah ini merupakan grafik return loss yangdihasilkan dari simulasi satu antena monopole.

Gambar 2. Grafik return loss simulasi satu antena monopole

Dari desain ini diperoleh nilai return loss sebesar -21,05 dBpada frekuensi 436,5 MHz. Lebar bandwidth yang dihasilkansebesar 66,3 MHz dengan frekuensi pusat di 431,64MHz.Lebar bandwidth (B) dan frekuensi pusat ( ) diperolehdengan menggunakan rumus[3].= − (2)= (3)

dimana =frekuensi atas (MHz)=frekuensi bawah (MHz)

Gambar 3 di bawah ini merupakan grafik VSWR yangdihasilkan dari simulasi satu antena monopole.

Antena


Gambar 3. Grafik VSWR simulasi satu antena monopole

Nilai VSWR yang dihasilkan 1,19. Pola radiasi yangdihasilkan masih omnidirectional, sebagaimana pada gambar 4di bawah ini.

Gambar 4. Pola radiasi satu antena monopole (3D)

Dari simulasi satu antena monopole diperoleh nilaiparameter sebagai berikut.

Tabel 3.Nilai parameter 1 antena monopole hasil simulasi

No. Parameter Batasan1 Pola radiasi Omnidirectional2 Return loss -21,05 dB3 Bandwidth 66,3 MHz4 VSWR 1,19

Nilai return loss, lebar bandwidth dan nilai VSWR yangdiperoleh telah memenuhi kriteria desain.

C. Simulasi Antena Monopole Array Menggunakan CSTStudio 2011

Dalam pendesainan antena monopole array ini ada tigavarabel yang diubah-ubah nilainya. Ketiga variable tersebutadalah jarak antar antena, beda fase sinyal input antena danarah antena. Dari beberapa kali simulasi, diperoleh desainsebagai berikut yang memenuhi kriteria desain. Dua antenamonopole dipasang pada ground plane dengan hadap salingtegak lurus. Posisi masing-masing antena monopole terhadapmuka masing-masing ground plane-nya adalah berada padatengah muka ground plane-nya. Sedangkan beda fase antarantena monopole adalah sebesar 180o. Secara grafis, desainantena monopole yang memenuhi kriteria desain sebagaimanagambar 5 di bawah ini.

Gambar 5. Desain simulasi dua antena monopole saling tegak lurus

Gambar 6 di bawah ini merupakan grafik return loss yangdihasilkan dari simulasi antena monopole array.

Gambar 6. Grafik return loss simulasi antena monopole array

Dari desain ini diperoleh nilai return loss sebesar -18,64 dBpada frekuensi 436,5 MHz. dengan menggunakan persamaan 2dan persamaan 3, diperoleh lebar bandwidth yang dihasilkansebesar 77,45MHz dengan frekuensi pusat di 428,73 MHz.

Gambar 7 di bawah ini merupakan grafik VSWR yangdihasilkan dari simulasi antena monopole array.

Antena

Antena


Gambar 7. Grafik VSWR simulasi antena monopole array

Nilai VSWR yang dihasilkan 1,26. Pola radiasi yangdihasilkan mendekati bentuk bola, sebagaimana pada gambar8 di bawah ini, dimana selisih gainmax dengan gainmin sebesar6,5 dB.

Gambar 8a. Pola radiasi antena monopole array ( = 0o)

Gambar 8b. Pola radiasi antena monopole array ( = 180o)

Gambar 8c. Pola radiasi antena monopole array (2D)

Dari simulasi antena monopole array diperoleh nilaiparameter sebagai berikut.

Tabel 4.Nilai parameter antena monopole array hasil simulasi

No. Parameter Batasan1 Pola radiasi Mendekati bentuk bola2 Return loss -18,64 dB3 Bandwidth 77,45 MHz4 VSWR 1,26

Nilai return loss, lebar bandwidth, nilai VSWR dan polaradiasi yang diperoleh telah memenuhi kriteria desain.


III. IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN

A. Fabrikasi

Tahap fabrikasi antena monopole adalah sebagai berikut.Tahap pertama adalah pembuatan radiator, yang kedua adalahpembuatan ground plane dan yang ketiga adalah pembuatanlink. Berikut ini penjelasan dari masing-masing tahap tersebut.

Pembuatan RadiatorRadiator antena monopole terbuat dari material stainless

steel tipe 304 dengan panjang 172 mm dan diameter 1 mm.Karakteristik material stainless steel 304 adalah sebagaiberikut[7]:

Tabel 3.Karakteristik Stainless steel 304

TipeMassa jenis

(kg / m 3)Modulus

Young (GPa)Konduktivitas termal

100 ° C (W / mK)304 8000 193 16.2

Sumber:http://www.jayastainless.com/kategori/336/komposisi-stainless-304

Konektor yang digunakan adalah konektor tipe SMA male.Inti konektor SMA male ini memiliki diameter sebesar 1,27mm. Dalam integrasi radiator antena monopole dengankonektor SMA male dibantu dengan tembaga kapiler agarlebih kokoh instalasinya. Gambar 9 di bawah ini merupakanantena monopole hasil fabrikasi.

Gambar 9. Antena monopole hasil fabrikasi

Replika Satelit Iinusat-02Replica satelit Iinusat-02terbuat dari PCB dengan plat

bolak-balik yang dibentuk sehingga diperoleh dimensi 10 cmx 10 cm x 10 cm. Dipilih dua sisi yang saling tegak lurusuntuk mounting antena yang terletak ditengah masing-masingsisi terpilih. Replica satelit Iinusat-02 yang diperoleh tampaksebagaimana gambar 10 berikut ini.

Gambar 10. ReplikaSatelit Iinusat-02

Pembuatan Link AntenaLink antena monopole ini terbuat dari kabel RG-58 dan

konektor SMA female pada kedua ujungnya. Dalam Penelitianini dibutuhkan dua link antena dimana link antena satu dengan

yang lain memiliki beda fase sebesar 180oatau memiliki selisihpanjang setengah lamda. Jadi panjang link antena satu denganyang lain memiliki selisih panjang 34,45cm.

B. Pengukuran Antena Monopole

Parameter-parameter antena diukur adalah return loss,bandwidth, VSWR, pola radiasi. Peralatan dalam pengukuranini menggunakan Spectrum Analyzer, Signal Generator,Network Analyzer dan sebuah antena monopole 2,15 dBsebagai antena referensi. Keempat peralatan tersebut diperolehdari Lab Antena dan Propagasi Elektromagnetik Elektro ITS.Pengukuran return loss, bandwidth dan VSWR dilakukan dilaboratoriummenggunakan Network Analyzer sedangkanpengukuran pola radiasi dilakukan ditempat terbuka, yaitu diLapangan Futsal dan Lapangan Gedung Baru Lantai IIITeknik Elektro ITS menggunakan Signal Generator, SpectrumAnalyzer dan antena referensi. Dari pengukuran menggunakanNetwork Analyzer diperoleh nilai parameter-parameter antenasebagai berikut. Gambar 11 merupakan grafik return loss darihasil pengukuran.

Gambar 11. Grafik return loss

Dari pengukuran diperoleh nilai return loss sebesar -18,5 dBpada frekuensi 436,5 MHz. Dengan menggunakan persamaan2 dan persamaan 3, diperoleh lebar bandwidth yang dihasilkansebesar 35 MHz dengan frekuensi pusat di 435,69 MHz.

Gambar 12 merupakan grafik VSWR antena monopole darihasil pengukuran. Nilai VSWR yang dihasilkan 1,31.

Gambar 12. Grafik VSWR

Pola radiasi yang dihasilkan mendekati bentuk bola,sebagaimana pada gambar 8 di bawah ini, dimana selisihgainmax dengan gainmin sebesar 19,49 dB.

Pengukuranpola radiasimenggunakan Signal Generator,Spectrum Analyzer dan antena refrensi. Dalam pengukuran ini,antena monopole hasil fabrikasi diletakkan di daerah medan

-20

-15

-10

-5

411 416 421 426 431 436 441 446 451Frekuensi (MHz)

retu

rn lo

ss(d

B)

1

1,5

2

2,5

411 416 421 426 431 436 441 446 451Frekuensi (MHz)

VSW

R

Stainless steelKonektor

SMA male

Konektor SMA female

Konektor SMA female


jauh (far-field region) antena referensi. Daerah medan jauhantena referensi adalah lebih besar dari 8,59 cm dari antenareferensi. Untuk memperoleh daerah medan jauh (r) inimenggunakan rumus≥ .

(4)

Dimana: = dimensi terbesar antena yang akan diukur (m) = panjang gelombang kerjaantena (m)

Dari pengukuran diperoleh pola radiasi yang cenderungmemiliki bentuk elips, yaitu selisih gain max dengan gain minsebesar 19,49 dB. Gambar 13 dibawah ini merupakan polaradiasi antena monopole hasil fabrikasi.

Gambar 13. Pola radiasi antena monopole hasil fabrikasi

Dari pengujian antena monopole array diperoleh nilaiparameter sebagai berikut.

Tabel 4.Nilai parameter antena monopole array hasil simulasi

No. Parameter Batasan1 Pola radiasi Lebih elips dari hasil simulasi2 Return loss -18,5 dB3 Bandwidth 35 MHz4 VSWR 1,31

Nilai return loss, lebar bandwidth, nilai VSWR dan polaradiasi yang diperoleh telah memenuhi kriteria desain.Jikadibandingkan dengan hasil simulasi berbeda dengan hasilpengukuran, terutama pada pola radiasi yang dihasilkan. Halini mungkin disebabkan fabrikasi antena yang kurangsempurna, seperti bahan yang diperoleh tidak sama seperti disimulasi dan integrasi/penyolderan komponen-komponenantena kurang sempurna. Selain itu, ketidakidealan kondisi

linkungan pada saat pengukuran, yaitu pemegangan antenaoleh tangan, pengaruh benda-benda disekitar tempatpengukuran yang mengakibatkan pemantulan sinyal satpengukuran, juga mempengaruhi hasil yang diperoleh daripengukuran tidak sama dengan hasil simualsi.

IV. KESIMPULANDAN SARAN

A. Kesimpulan

Setelah melakukan analisis terhadap hasil simulasi dan hasilpengukuran antena monopole array, maka diperoleh materialradiator antena monopole terbuat dari stainless steel denganpanjang 172 mm dan berdiameter 1 mm, antena monopoleyang dibutuhkan sebanyak dua buah dengan instalasi di satelitIinusat II saling tegak lurus yang masing-masing antenaberada ditengah sisi satelit, beda fase pencatuan antara antenamonopole satu dengan yang lain sebesar setengah panjanggelombang, yakni sebesar 34,45 cm.

Setelah dilakukan realisasi dan pengukuran, diperoleh nilaireturn loss sebesar -18,5 dB dan VSWR sebesar 1,31 padafrekuensi 436,5 MHz, lebar bandwidth yang dihasilkansebesar 35 MHzdengan frekuensi pusat di 435,69 MHz.Polaradiasi yang dihasilkan cenderung lebih elips dari pola radiasihasil simulasi dimana selisih antara daya terima maksimumdengan daya terima minimum sebesar 19,49 dB. Hasilpengukuran pola radiasi kurang akurat karena keterbatasanalat-alat pengukuran.

B. Saran

Dari hasil analisis yang telah dilakukan, diperoleh saranyaitu, perlu dilakukan pengukuran dan alat ukur yang lebihakurat lagi untuk memperoleh pola radiasi.

DAFTAR PUSTAKA[1] Iinusat, “Synopsis Evolusi Iinusat”, Jogjakarta, (2011, Nov).[2] LAPAN, “Dokumentasi Teknis Satelit LAPAN-TUBSAT”, Bogor,

(2007).[3] Balanis,Constantine A., Antenna Theory Analysis And Design, Canada:

John Wiley & Sons, (2005).[4] S. Perez, S. Jarrix dan L. Dusseau, Progres report for “ROBUSTA”

cubesat, Universitas Montpellier, (2009).[5] Arman Yusuf dkk, Buletin elektronis Orari News, (2004, Nov).[6] Website, http://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-

d_417.html , diakses 7 Maret 2012.[7] Website, http://www.jayastainless.com/kategori/336/komposisi-

stainless-304. diakses 25 Mei 2012.

-55

-45

-35

-250

10 2030

4050

60

70

80

90

100

110

120

130

140150

160170180190200

210220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320330

340350 360

POLA RADIASI 0 POLA RADIASI 45

POLA RADIASI 90 POLA RADIASI 135

POLA RADIASI 180

Ѳ

ɸ

Documents

Monopole