BAB II DASAR TEORI. Perancangan dan Implementasi Antenna Mikrostrip dengan Kombinasi Ground Switch Pada Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 5

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1. Teori Dasar Antena Definisi Antena Berikut ini adalah berbagai definisi antena yang dirangkum dari beberapa sumber: Costantine A. Balanis (1982) : adalah struktur transisi antara struktur antara ruang bebas dengan suatu alat pemandu. John D. Kraus(1988): struktur yang berkaitan dengan wilayah transisi antara suatu gelombang terbimbing menjadi gelombang bebas dan sebaliknya Pembagian daerah medan antena Ruang di sekitar antena biasanya dibagi dalam 3 daerah yaitu daerah medan dekat reaktif (reaktif near field), daerah medan dekat radiasi (radiating near-field (Fresnel)), daerah medan jauh (far-field (Fraunhofer)). Seperti terlihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Pembagian Daerah Medan Antena Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 5

2 Frekuensi Kerja Frekuensi kerja antena menunjukkan daerah batas frekuensi gelombang elektromagnetik yang mampu untuk ditransmisikan dan atau ditangkap oleh antena dengan baik. Frekuensi kerja suatu antena dibatasi oleh VSWR tertentu, biasanya antara 1 sampai 1, Pola Radiasi Pola radiasi didefinisikan sebagai : representasi grafis karakteristik radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang. Biasanya pola radiasi ditentukan di daerah medan jauh dan direpresentasikan sebagai fungsi koordinat arah. Karakteristik radiasi meliputi: intensitas Radiasi (U), kuat medan (E), fasa, atau polarisasi. Macam pola radiasi : Pola Endfire (Unidirectional) dimana pola radiasi yang radiasi terkuatnya diarahkan ke suatu arah tertentu atau dikenal dengan directional contohnya pemancar TV. Pola Broadside (Omnidirectional) dimana pola radiasi menyebar ke segala arah, contohnya pemancar radio. Pola Isotrofis merupakan pola antena referensi dimana pola radiasi seperti bola menyebar ke segala arah, dalam kenyataanya tidak dapat direalisasikan, tetapi pola radiasi idealnya sebagai standart Antena Mikro Strip Komponen Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang berbentuk papan tipis dan mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Antena mikrostrip dibuat dengan menggunakan sebuah substrat yang mempunyai tiga buah lapisan struktur dari substrat. Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 6

3 Lapisan-lapisan pada substrat : a. Trace/ microstrip element/patch Nama lain dari trace adalah patch, merupakan lapisan teratas dari substrat, lapisan ini biasanya terbuat dari konduktor. Pada lapisan ini akan dibentuk menjadi suatu bentuk tertentu untuk mendapatkan suatu pola radiasi seperti yang diinginkan. Gambar 2.2 Bentuk Dasar Patch Antena b. Dielektrik Bagian tengah dari substrat, pada lapisan ini digunakan bahan dielektrik dengan nilai permitivitas tertentu. c. Groundplane Lapisan paling bawah dari substrat, yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan. Gambar 2.3 Bentuk Fisik Antena Mikrostrip Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 7

4 Keterangan Gambar : W = Lebar patch antena mikrostrip L = Panjang patch antena mikrostrip h = Tebal substrat (dielektrik) t = Tebal patch Untuk antena dengan pacth rectangular: L W 2 f C r (2.1) Berikut ini beberapa kelebihan antenna mikrostrip [5] : 1. Relatif tipis. 2. Massa yang ringan. 3. Mudah di pabrikasi. 4. Dapat dibuat menyesuaikan permukaan produk. 5. Bisa diintegrasikan dengan IC (Integrated Circuit). 6. Lebih tahan guncangan mekanik. Sedangkan kelemahan dari antena mikrostrip adalah : 1. Efisiensi rendah. 2. Bandwidth sempit. 3. Membutuhkan substrat yang berkualitas baik (mahal). 4. Sensitif terhadap perubahan suhu dan kelembaban. 5. Analisis cukup rumit Tipe dan Contoh Bentuk Fractal Ada sejumlah bentuk fractal yang telah ditemukan, dipatenkan, dan digunakan dalam pengembangan dan inovasi disain antena. Berikut ini beberapa tipe pembentukan fractal dan contohnya yang telah diteliti dan di kembangkan : a) Self-similar fractal Geometri dari tipe fractal ini terbentuk dari perpotongan (intersection) struktur utama dengan pengulangan struktur tersebut pada skala yang berbeda, dimana perpotongan tersebut bisa saling menghilangkan bisa juga saling menambahkan pada geometri susunannya. Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 8

5 Sierpinski gaskets dan carpets merupakan contoh bentuk fractal tipe ini yang geometrinya terbentuk dengan menghilangkan sebagian objek dari struktur dasar antena tersebut. (a) (b) Gambar 2.4 (a) Beberapa Stage dari Pembentukan Sierpinski Gasket Fractal, (b) Carpet Fractal Sedangkan Koch snowflake merupakan contoh bentuk fractal yang geometrinya terbentuk dengan penambahan struktur-struktur pengulangan dari struktur utamanya dengan skala yang lebih kecil pada struktur utama tersebut. Gambar 2.5 Beberapa Stage dari Pembentukan Koch Snowflake Fractal b) Purely deterministic or random fractal tree Geometri fractal pada tipe ini berbentuk cabang-cabang seperti ranting. Disebut purely deterministic jika pengulangan cabang-cabang tersebut memiliki pola yang pasti, dan disebut random jika polanya tidak teratur. Contoh dari fractal tipe ini adalah ternary fractal tree. Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 9

6 Gambar 2.6 Ternary Fractal Tree Stage 4 c) Space-filling fractal curve Geometri fractal pada tipe ini terbentuk bukan dari perpotonganperpotongan antar struktur penyusunnya karena tipe fractal ini tidak memiliki titik potong antar struktur. Contoh dari fractal tipe ini adalah Hilbert curve dan Von Koch Curve (a) Gambar 2.7 Beberapa Stage dari Pembentukan (a) Hilbert Curve (b)koch Curve (b) Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip Pencatuan antena merupakan suatu hal yang sangat penting dalam teknik merancang antena. Pencatuan antena akan berpengaruh pada karakteristikkarakteristik yang akan dihasilkan antena tersebut Ada beberapa teknik yang bisa digunakan dalam mencatu antena mikrostrip. Teknik tersebut diantaranya : Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 10

7 a) Coaxial feed/probe coupling Pada teknik pencatuan probe koaxial, konduktor pusat/ probe dari konektor koaxial setelah melalui dielektrik langsung dihubungkan dengan patch antena. Posisi probe pada patch sangat menentukan fungsi penyepadan impedansi. Gambar 2.8 Pecatuan Menggunakan Coaxial Feed Kelebihan dari teknik ini adalah kopling catuan dengan patch bisa diminimalisasi dan sederhana. Sedangkan kelemahan dari teknik ini adalah biasanya bandwidth antena sempit, serta sulitnya menentukan letak pencatuan secara tepat untuk mendapatkan matching impedance, selain itu jika substrat makin tebal maka akan membutuhkan probe yang makin panjang yang mengakibatkan impedansi menjadi induktif. b) Mikrostrip Line Pada teknik ini feed line dan patch dicetak pada substrat yang sama. Patch antena dicatu pada bagian tepinya sehingga yang harus diperhatikan adalah impedansi pada tepi patch harus match dengan impedansi dari saluran agar terjadi transfer daya maksimum. Gambar 2.9 Pecatuan Menggunakan Mikrostrip Line Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 11

8 Penggunaan metode ini sangat membantu saat pabrikasi tetapi terjadi kopling antara mikrostrip line dengan patch karena mikrostrip line meradiasikan spurius radiation. c) Proximity coupled feed Pada metode ini mikrostrip terdiri dari dua layer: layer bawah merupakan feed layer yang terdiri dari mikrostrip line, lower substrat, dan groundplane dan layer atas yang terdiri atas patch dan upper substrat. Gambar 2.10 Pecatuan Menggunakan Poximity Coupled Feed Metode pencatuan ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya: mikrosrip line dengan patch tidak saling kontak, spurius radiation kecil, sangat cocok untuk frekuensi tinggi, cocok untuk konfigurasi array antena. Sedangkan kekurangan dari metode ini adalah: sulit dalam pabrikasi, antena menjadi semakin tebal, dan bandwidth sempit. d) Aperture coupled feed Pada pencatuan ini terdiri dari dua layer juga seperti proximity coupled feed. Energi RF (Radio Frequency) dari feed Line yang berada pada layer bawah disalurkan melalui efek kopling melaui slot/coupling aperture yang berada pada tengah-tengah kedua layer menuju patch yang berada pada bagian paling atas dari layer atas. Besar kopling yang terjadi antara feed line dengan patch dipengaruhi oleh bentuk ukuran dan letak dari coupling aperture. Slot yang dipakai biasanya berbentuk rectangular atau lingkaran. Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 12

9 Gambar 2.11 Pecatuan Menggunakan Aperture Coupled Feed Antena Patch Rectangular Salah satu yang paling mudah dan paling banyak digunakan dalam perancangan patch antena microstrip adalah bentuk rectangular patch. Karena ketebalan substrat jauh lebih tipis daripada panjang gelombang, maka rectangular patch dianggap sebagai bidang planar dua dimensi untuk lebih memudahkan dalam analisa. Gambar 2.12 Rectangular Patch Pada frekuensi kerja tertentu maka didapatkan dimensi dari antena patch fractal: L W 2 f C r (2.1) dimana : L = W = dimensi lempeng peradiasi C = kecepatan cahaya 3 x 10 8 m/detik f = frekuensi kerja antena ε r = konstanta dielektrik Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 13

10 2.3 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) VSWR adalah perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum pada suatu gelombang berdiri akibat adanya pantulan gelombang yang disebabkan tidak matching-nya impedansi input antena dengan saluran feeder. V max VSWR dimana ( ) V z min 1 ( z) 1 ( ) z adalah koefisien pantul. (2.2) Dengan 0 ( z ) 1, sehingga nilai VSWR adalah 1 VSWR. 2.4 Sistem Antena Cerdas Pengertian Sistem Antena Cerdas Sistem antena cerdas merupakan suatu sistem antena yang memiliki kemampuan untuk menyesuaikan arah beam utama nya ke arah coverage target yang dituju dan secara otomatis dapat menyesuaikan pergerakan user dan kondisi kanal serta mampu mengarahkan null beam ke arah sinyal penginterferensi sehingga dapat meningkatkan performansi dari sistem komunikasi Tipe Sistem Antena Cerdas Ada dua tipe sistem antena cerdas yang dapat diimplementasikan, yaitu switched beam dan adaptive array. a) Switched Beam Pada tipe ini sistem antena memiliki beberapa beam-beam yang sempit (Narrow beam) yang sudah fix yang dapat di switch ke arah yang diinginkan. Dibanding dengan sistem antena yang omnidirectional ataupun sectoral, pemakaian switched beam akan lebih meningkatkan kapasitas sistem. Ketika sinyal datang, base station menentukan beam yang potensial yang mengarah pada sinyal datang tersebut kemudian mengaktifkan beam tersebut sehingga user dapat berkomunikasi. Pemilihan beam yang potensial tersebut biasanya didasarkan pada level daya terima maksimum yang diterima oleh user. Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 14

11 Gambar 2.13 Bentuk Beam dari Sistem Antena Switched Beam Sistem switched beam pada base station terdiri dari banyak antena array dimana tiap array mengcover arah tertentu, system ini dilengkapi dengan Phase Shifting Network yang berfungsi untuk membentuk beam-beam dengan arah tertentu dan RF switch yang berfungsi untuk mengaktifkan beam yang dipilih sesuai arah yang diinginkan, keputusan pemilihan beam yang tepat ini di control oleh control logic yang berupa suatu algoritma tertentu. Algoritma ini akan menscan semua beam dan memutuskan satu beam berdasarkan sinyal yang terkuat yang diterima dan diukur pada detector. Gambar 2.14 Block Diagram dari Sistem Switched Beam Ada beberapa metoda yang dapat digunakan sebagai phase shifting network, diantaranya adalah : Buttler Matrix Array Blass Array Wullenweber Array Rotman Lens Switched beam memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan, kelebihan dari switched beam diantaranya adalah: lebih sederhana dan tidak terlalu rumit dibanding adaptive array, bisa meningkatkan coverage dan kapasitas sistem, lebih Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 15

12 murah dibanding adaptive array, lebih mudah diterapkan pada sistem-sistem yang lama. Tetapi switched beam juga memiliki kekurangan diantaranya: hanya cocok digunakan pada sistem yang tingkat interferensinya rendah, jika user yang ingin dilayani tidak tepat pada arah beam maksimum dan sinyal penginterferensi tidak pada arah null beam maka S/N dari sistem tidak akan begitu bagus, jika sinyal yang akan dilayani dengan sinyal-sinyal penginterferensi berdekatan maka sistem tidak akan bisa bekerja dengan maksimal, jika user bergerak menjauhi sudut-sudut beam maka user tersebut bisa kehilangan service karena sebelum dilayani beam yang lain pada lokasi tertentu sudah tidak ada beam yang melayani user tersebut, terakhir switched beam membutuhkan proses handover antar beam yang sering jika user melakukan pergerakan. b) Adaptive Array Perbedaan utama adaptive array dengan swtched beam adalah pada kemampuan mengubah arah beam berdasarkan perubahan RF environment secara dinamis. Perubahan RF environment ini didasarkan pada informasi yang diperoleh dari element array yang diproses lebih lanjut melalui signal prosessing. pemrosesan sinyal ini akan mengontrol beam (beam steering) kearah user yang ingin dilayani, mengikuti pergerakan user tersebut, dan secara bersamaan menekan level interferensi yang muncul dari user lain dengan mengarahkan null beam kearah sinyal penginterferensi tersebut. Gambar 2.15 Adaptive Array Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 16

13 Adaptive array merupakan sistem yang benar-benar cerdas. Istilah smart antenna sebenarnya lebih tepat dialamatkan pada sistem ini. Seperti halnya pada switched beam, adaptive array juga memiliki kelebihan dan kekurangan. Kelebihan dari adaptive array adalah: memiliki kemampuan menekan interferensi lebih baik dibanding switched beam, membutuhkan proses handover yang lebih sedikit daripada switched beam, dan bisa lebih memaksimalkan coverage, kapasitas, dan meningkatkan C/I. Kekurangan dari sistem adaptive array adalah: membutuhkan teknologi DSP dan algoritma adaptive yang lebih rumit, membutuhkan interaksi yang lebih intens antara base station dengan MS, lebih sulit untuk diimplementasikan pada sistem-sistem yang sudah ada Manfaat Sistem Antena Cerdas Beberapa manfaat sistem antena cerdas diantaranya: mengurangi Cochanel interference, menambah coverage, meningkatkan kapasitas sistem, mengurangi daya pancar, menghemat baterai MS, mengurangi frekuensi Handover, mengatasi efek multipath 2.5 Teknologi Switch Antena Teknologi switch antena merupakan suatu teknologi yang digunakan oleh sistem antena untuk mengatur/merekonfigurasi pola radiasi antena pada tingkat sinyal RF. Fungsi utama switch ini adalah untuk melakukan penyambungan dan pemutusan electrical circuit. Pada teknologi yang sederhana switch ini manyambung dan memutus electrical circuit dengan menyambungkan atau memutuskan jalur-jalur pada konduktor. Tetapi pada tingkat sinyal RF efek-efek electrical seperti resistansi, kapasitansi, dan induktansi pada jalur RF harus dimasukkan dalam analisa sistem. Pada sistem antena, biasanya switch ini berfungsi untuk mengatur dan mengalirkan energi dari sinyal RF menuju jalur yang diinginkan. Ada beberapa jenis teknologi switch yang digunakan untuk reconfigurable antenna. Dari yang konvensional hingga yang teknologi canggih Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 17

14 dari yang sudah dikembangkan untuk komersial maupun yang masih dalam tahap penelitian. Jenis jenis teknologi tersebut antara lain : a) Mechanical Switches. b) PIN diode switch. c) Field effect Transistor (FET) switches. d) MEMs switches. Pemilihan jenis switch yang tepat diambil berdasarkan pertimbangan dari beberapa parameter, diantaranya adalah kecepatan switch, level power dari sinyal, impedansi karakteristik, switch biasing, activation conditions, dan harga dari switch. 2.6 Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS) Ansoft HFSS adalah suatu simulator medan elektromagnetika untuk pemodelan 3 dimensi perangkat pasif berstruktur frekuensi tinggi yang memiliki kelebihan sangat mudah dan interaktif digunakan pada sistem operasi microsoft windows grafical user interface. Dalam simulatornya terintegrasi visualisasi, pemodelan volumetrik dan kemudahan dalam interaktif dimana solusi permasalahan pemodelan 3 dimensi bisa cepat dan akurat didapatkan. HFSS kependekan dari High Frequency Structure Simulator adalah pelopor penggunaan metode elemen terbatas (Finite Elemen Method) untuk simulator gelombang EM. Gambar Tampilan Window HFSS Frekuensi 2,3GHz 2.5GHz 18