BAB II DASAR TEORI. Universitas Sumatera Utara

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Antena Antena merupakan perangkat yang digunakan untuk merubah besaran listrik dari saluran transmisi menjadi suatu gelombang elektromagnetik untuk diradiasikan ke udara bebas. Sebaliknya antenna juga dapat menangkap gelombang elektromagnetik dari udara bebas untuk kemudian dijadikan besaran listrik kembali melalui saluran transmisi. Pemancaran merupakan satu proses perpindahan gelombang radio atau elektromagnetik dari saluran transmisi ke ruang bebas melalui antenna pemancar. Sedangkan penerimaan adalah satu proses penerimaan gelombang radio atau elektromagnetik dari ruang bebas melalui antena penerima. Karena merupakan perangkat perantara antara saluran transmisi dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan saluran pencatunya. Pada saat proses transmisi, gelombang elektromagnetik akan ditransmisikan sepanjang jalur transmisi dan menyebar ke udara. Jalur transmisi ini dapat berupa kabel koaksial, terkadang juga ditambahkan dengan pipa untuk memperluas jalur transmisi dan dikenal sebagai gelombang terbimbing (waveguide) [4]. Perkembangan teknologi komunikasi yang saat ini berkembang pesat menyebabkan pengembangan dan penelitian antena juga semakin pesat seiring dengan kebutuhan teknologi saat ini. 2.2 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip diusulkan pertama kalinya oleh Deschamps pada awal tahun 1950 dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan merupakan salah satu antenna gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini seperti : Personal Communication System (PCS), Mobile Satelite Communications, Direct Broadcast Television (DBS), Radio Detection And Ranging (Radar) dan Global Positioning System (GPS). Melalui beberapa penelitiannya, diketahui bahwa 5

2 kemampuan beroperasi antena mikrostrip diatur terutama oleh bentuk geometri dari elemen peradiasi (patch) dari karakteristik material substrat [3] Pengertian Antena Mikrostrip Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu mikro (sangat kecil/tipis) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai salah satu antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran yang sangat kecil. Secara garis besar struktur dari antenna mikrostrip atas 3 bagian, yaitu elemen peradiasi atau patch antena, substrat dan ground plane. Patch terletak diatas subtrat dan ground plane terletak paling bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 [3]. Gambar 2.1 Struktur Dasar Antena Mikrostrip [3] Pada susunan ini, lapisan konduktor atas atau patch berfungsi sebagai sumber radiasi dimana energi elektromagnetik menyusur tepian dan sisi patch ke dalam substrat. Lapisan konduktor bawah bertindak sebagai bidang ground pemantulan sempurna yang kemudian mengembalikan energi kembali melalui substrat menuju udara bebas. Lapisan konduktor bawah dicetak pada satu atau lebih dielektrik substrat. Patch (elemen peradiasi) terbuat dari bahan konduktor tipis seperti tembaga atau emas yang mempunyai bentuk bermacam-macam. Bentuk patch ini bermacam-macam seperti : lingkaran, persegi, persegi panjang, 6

3 segitiga, ataupun cincin. elektromagnetik ke udara. Patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang Substrat berfungsi sebagai bahan dialektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pertanahan. Bagian ini memiliki nilai konstanta dielektrik ε r dimana nilai dari konstanta dielektrik ini mempengaruhi frekuensi kerja, efisiensi, dan juga bandwidth dari antena. Karakteristik substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan ketebalan substrat akan memperbesar bandwidth. Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dialektrik dan ketebalannya. Ketebalan substrat jauh lebih besar daripada ketebalan konduktor metal peradiasi. Semakin tebal substart maka bandwidth akan semakin meningkat, tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave). Gelombang permukaan pada antena mikrostrip merupakan efek yang merugikan sebagian daya yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik kearah yang diinginkan. Material substrat yang tersedia dapat digunakan untuk frekuensi-frekuensi RF dan microwave. Pemilihannya berdasarkan karakteristik material yang diinginkan untuk daya yang optimal pada suatu jarak frekuensi tertentu. Spesifikasi umum termasuk nilai konstanta dielektrik, dielektrik loss tangent, dan ketebalan. Nilai konstanta dielektrik antara 2,2 < ε r < 12 digunakan untuk frekuensi operasi dari 1 hingga 100 GHz [3]. Konstanta dielektrik adalah perbandingan energi listrik yang tersimpan pada suatu bahan substrat jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap ruang hampa [5]. Dielektrik loss tangent merupakan rugi-rugi dielektrik. Ketebalan substrat penting untuk diperhatikan ketika akan mendesain antena mikrostrip. Kebanyakan substrat yang diinginkan untuk kehandalan suatu antena dipilih yang tebal dengan konstanta dielektrik yang rendah. Hal ini cenderung menghasilkan antenna dengan bandwith yang lebar dan efisiensi yang tinggi akibat bebas dari loncatan medan tepi yang berasal dari patch dan berpropagasi kedalam substrat. Namun hal ini menyebabkan volume antena 7

4 menjadi besar dan meningkatkan kemungkinan pembentukan gelombang permukaan. Akan tetapi dengan substrat yang tipis dengan konstanta dielektrik yang tinggi mengurangi ukuran antena. Namun akibat adanya disipasi faktor yang lebih tinggi, menyebabkan efisiensinya menjadi rendah dan bandwith yang kecil [3]. Oleh karena itu terdapat timbal balik yang menjadi dasar dalam pembuatan antena mikrostrip yang harus diperhatikan. Ground plane terbuat dari bahan konduktor. Ukurannya selebar dan sepanjang substrat. Ground plane berfungsi sebagai ground antena (pembumian) yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan. 2.3 Parameter Parameter Antena Mikrostrip Ada beberapa parameter dari antena mikrostrip yang biasanya digunakan dalam simulasi maupun pengukuran untuk mengetahui spesifikasi standar dari antena yang dirancang. Parameter antena tersebut antara lain yaitu dimensi antena, frekuensi resonansi, VSWR, bandwidth, axial ratio, gain antena, return loss,polarisasi, impedansi masukan, pola radiasi, dan keterarahan (directivity) Dimensi Antena Mikrostrip Untuk mencari dimensi antena, yaitu lebar (W) dan panjang (L) maka harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan, yaitu tebal dialektrik (h), konstanta dialektrik (ε r ), tebal konduktor (t) dan rugi rugi bahan. Panjang antena mikrostrip antena (L) harus disesuaikan, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth akan sempit sedangkan apabila terlalu panjang bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari antena mikrostrip (W) impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan (2.1) sebagai berikut [2] : W= c 2fo ( εr+1 ) 2 (2.1) dimana : W : lebar konduktor (mm) ε r : konstanta dialektrik 8

5 c : kecepatan elektromagnetik diruang bebas (3 x 10 8 ) (m/s 2 ) fo : frekuensi kerja antena (Hz) Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dirumuskan dengan persamaan (2.2) sebagai berikut [2] : ΔL = 0,412h ( W h +0,264) (εreff 0,258)( W h +0,8) (2.2) dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat dan ε reff adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan pada persamaan (2.3) berikut [2] : ε reff = εr+1 2 +εr 1 2 ( h W ) (2.3) Panjang patch (L) dirumuskan pada persamaan (2.4) berikut [2] : dimana L eff persamaan (2.5) berikut [2] : Frekuensi Resonansi L = L eff 2 L (2.4) merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan pada L eff = c 2f 0 ε reff (2.5) Frekuensi resonansi adalah frekuensi kerja dari suatu antena. Rentang frekuensi kerja dari suatu antena dapat dilihat dari grafik VSWR dan grafik return loss, sebagai contoh ketika nilai VSWR nya lebih kecil atau sama dengan 2 dan ketika nilai return loss nya bernilai sama dengan 9,54 db [1]. Dengan frekuensi resonansi yang dirumuskan pada persamaan (2.6) : f r = c [( m 2 ε r L )2 + ( n 1/2 W )2 ] (2.6) dengan m dan n adalah indeks mode pada arah x dan y, W dan L adalah lebar dan panjang patch antena persegi panjang namun pada segi empat adalah panjang 9

6 sisinya, c adalah kecepatan cahaya 3x10 8 m/s 2, dan ε r adalah konstanta dielektrik relatif VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) merupakan perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri maksimum ( V max) dengan minimum ( V min) [6]. Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V 0 + ) dan tegangan yang direfleksikan (V 0 - ). Gelombang berdiri terjadi akibat interferensi antara V 0 + dan V 0 -. Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut koefisien refleksi yang dinyatakan dengan simbol Г [7]. Harga koefisien pantul dapat bervariasi antar 0 sampai 1. Jika bernilai 0, artinya tidak ada pantulan dan jika bernilai 1 artinya sinyal yang datang ke beban seluruhnya dipantulkan kembali ke sumbernya. Dapat dinyatakan dengan persamaan (2.7) sebagai berikut [8] : Γ = V 0 V 0 + (2.7) Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik dan impedansi beban dapat dinyatakan seperti persamaan (2.8) berikut [8] : dimana : Z L : impedansi beban (load) Z o : impedansi saluran lossess Γ = V 0 V 0 + = Z L Z 0 Z L +Z 0 (2.8) Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Г adalah nol, maka: Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat, Г = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna, Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka, 10

7 Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Secara sederhana rumus untuk menentukan VSWR [8]. Kondisi VSWR yang ideal adalah bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi atau pantulan ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Nilai dari VSWR menjadi salah satu acuan untuk melihat, apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan. Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan semakin besar. Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna [8]. Adapun rumusnya dapat dilihat pada persamaan (2.9). VSWR = V max V min = 1+ Г 1 Г (2.9) Bandwidth Bandwidth suatu antena merupakan besar rentang frekuensi kerja dari suatu antena dimana kinerjanya berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, bandwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar [8]. Nilai bandwidth dapat diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas dari suatu antena sudah diketahui, seperti yang terlihat pada Gambar 2.2. bandwidth f 1 f 2-10dB Gambar 2.2 Rentang Frekuensi Mencari Bandwidth [4] Frekuensi bawah adalah nilai frekuensi awal dari frekuensi kerja antena, sedangkan frekuensi atas merupakan nilai frekuensi akhir dari frekuensi kerja antena. f c -20dB return loss minimum Pada persamaan 2.10 berikut adalah rumus mencari nilai bandwidth [8] : 11

8 BW = f 2 f 1 f c x100% (2.10) dimana : BW = bandwidth (%) f 2 = frekuensi tertinggi (Hz) f 1 = frekuensi terendah (Hz) f c = frekuensi tengah (Hz) Adapun beberapa jenis dari bandwidth yang berkaitan dengan antena mikrostrip adalah sebagai berikut [8] : a) Impedance bandwidth : yaitu rentang frekuensi dimana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing masing adalah kurang dari db dan 2. b) Pattern bandwidth : yaitu rentang frekuensi dimana bandwidth, sidelobe, atau gain,yang bervariasi menurut freekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari. c) Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi dimana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 db Axial Ratio Axial ratio (AR) merupakan perbandingan sumbu mayor terhadap sumbu minor dalam suatu bentuk polarisasi, baik itu polarisasi melingkar atau elips. Adapun rumus AR terlihat pada persamaan (2.11) [1] berikut : Dimana: AR = sumbu mayor = OA sumbu minor OB ; 1 AR (2.11) OA = [ 1 {E 2 x 2 + E x 2 + (E x 4 E y E x 2 E y 2 cos (2 )) 1/2 1/2 }] (2.12) 12

9 OB = [ 1 {E 2 x 2 + E x 2 (E x 4 E y E x 2 E y 2 cos (2 )) 1/2 }] 1/2 (2.13) Nilai axial ratio yang ideal adalah 3 db. Nilai 3 db merupakan beda atau selisih antara medan E dan medan H dari gelombang yang dipancarkan oleh antena. Ini berarti antena tersebut memiliki polarisasi yang melingkar [1] Gain Antena Gain antena atau penguatan adalah perbandingan antara intensitas radiasi dari suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropik yang menggunakan sumber daya masukan yang sama Satuan yang digunakan untuk gain, adalah besar suatu gain antena yang merupakan besaran relatif terhadap acuan gain antena yang mudah dihitung. Dimana gain dapat dirumuskan seperti persamaan (2.14) [2] berikut : G = D. η (2.14) D adalah direktivitas dan η adalah efisiensi antena. Gain memiliki 2 jenis parameter, yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain adalah perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena (P in ) teradiasi secara isotropik. Gain juga dapat dicari seperti persamaan (2.15) sebagai berikut [2]: Intensitas radiasi arah tertentu G = 4π Intensitas radiasi diterima (2.15) Sedangkan relatif gain adalah sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama diantara kedua antena tersebut yang dirumuskan seperti persamaan (2.16) berikut [2] : G = 4π U(θ,φ) P in (2.16) Untuk menentukan dimensi elemen peradiasi, maka terlebih dahulu harus ditentukan frekuensi kerja (f 0 ) yang digunakan, untuk mencari panjang gelombang diruang bebas (λ 0 ) dirumuskan seperti persaman (2.17) [2] : 13

10 λ 0 = c f 0 (2.17) Setelah nilai λ 0 diperoleh, maka λ g dapat dihitung. Dimana λ g merupakan panjang gelombang pada bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan persamaan (2.18) [2] : λ g = λ 0 ε r (2.18) Gain dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.19) [1] : G = 4π λ g 2 (L W) (2.19) dimana : G λ g L W = gain antena = panjang gelombang bahan dielektrik = Luas patch segiempat Return Loss Return loss merupakan perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Return loss digambarkan sebagai peningkatan amplitude dari gelombang yang direflesikan (V 0- ) sebanding dengan gelombang yang dikirim (V 0+ ). Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban. Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi dengan menggunakan persamaan (2.20) [8] : Return loss = 20 log Γ (2.20) Nilai return loss yang baik adalah dibawah db, sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan apakah antena sudah bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak. Besaran nilai return loss diukur dari nilai 14

11 S 11 pada saat melakukan simulasi. Hal ini dikarenakan pada saat melakukan simulasi terhadap return loss yang digunakan hanya 1 port saja pada antena array Polarisasi Lingkaran Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum [1]. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefenisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo vektor medan electric yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefenisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu. Polarisasi yang terdapat pada antena mikrostrip dapat diklasifikasikan sebagai polarisasi linear, polarisasi circular (melingkar), dan polarisasi elliptical (elips). Polarisasi melingkar terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik(atau magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Polarisasi melingkar terlihat seperti Gambar 2.3 berikut [1]. Gambar 2.3 Polarisasi Melingkar [9] Untuk membangkitkan polarisasi melingkar pada antena mikrostrip dapat dilakukan dengan 2 metode, yaitu pencatuan ganda (dual feed) dan pencatuan tunggal (single feed). Polarisasi melingkar dapat dihasilkan dengan menggunakan pencatuan ganda yang saling tegak lurus (dual orthogonal feed) atau memiliki beda fasa

12 diantara yang satu dengan yang lainnya. Untuk mendapatkannya dilakukan dengan berbagai cara, seperti quadrature hybrid atau phase shifter. Selain itu, untuk dapat memperoleh beda fasa sebesar 90 0 dapat dilakukan dengan cara mengatur saluran catu sehingga selisihnya sebesar λ/4. Selain dengan pencatuan ganda, polarisasi melingkar juga dapat dibangkitkan dengan menggunakan pencatuan tunggal. Pada umumnya patch dengan saluran tunggal akan menghasilkan polarisasi linier. Untuk menghasilkan polarisasi melingkar maka perlu dibangkitkan dua mode arus yang tegak lurus dengan amplitude yang sama dan berbeda phase 90 0, maka polarisasi melingkar akan di dapat [8] Impedansi Masukan Impedansi masukan adalah perbandigan tegangan terhadap arus pada terminal atau perbandingan dari komponen-komponen bersesuaian dari medan elektrik terhadap medan magnetic pada suatu titik [10]. Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang ada disekitarnya, tetapi pada umumnya sebuah antena diasumsikan sudah terisolasi. Secara matematis impedansi masukan dapat dirumuskan pada persamaan (2.21) sebagai berikut [1] : Z in = (R in + j X in ) Ω (2.21) dimana : Z in = impedansi masukan R in = tahanan terminal antena X in = reaktansi masukan Dari persamaan Z in tersebut, komponen yang diharapkan adalah daya real (R in ) yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui panas atau radiasi. Komponen imajiner (X in ) mewakili reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan pada medan dekat antena. Adapun Z in untuk antena mikrostrip patch segiempat untuk nilai VSWR 2 dapat dirumuskan pada persamaan (2.22) sebagai berikut [10] : 16

13 Z in r 2 2 r L 90 (ohm) (2.22) 1 W Pola Radiasi Pola radiasi merupakan fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional. Parameter pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional. Parameter pola radiasi terdiri dari main lobe, side lobe, HPBW (Half Power Beamwidth), FNBW ( First Null Beamwidth ), SLL (Side Lobe Level), dan FBR ( Front to Back Ratio) seperti terlihat pada Gambar 2.4 dibawah ini [1]. Gambar 2.4 Pola Radiasi Antena [11] Defenisi dari istilah istilah parameter pola radiasi adalah sebagai berikut [1] : a) Major Lobe Major lobe disebut juga main lobe didefenisikan sebagai radiation lobe yang berisi arah radiasi maksimum. Major lobe merupakan daerah pancaran terbesar sehingga dapat menentukan arah radiasi dan mempunyai daya yang besar. b) Side Lobe Side Lobe terdiri dari : 1. first side lobe yaitu minor lobe yang posisinya paling dekat dengan main lobe. 17

14 2. second side lobe yaitu minor lobe yang posisinya setelah first side lobe. 3. back lobe yaitu minor lobe yang posisinya berlawanan dengan main lobe. c) Half Power Beamwidth ( HPBW) Half Power Beamwidth adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titik titik ½ daya atau -3 db atau dari medan maksimum pada lobe utama. d) First Null Beamwidth (FNBW) First Null Beamwidth adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol. e) Side Lobe Level (SLL) Side Lobe Level adalah perbandingan antara first lobe dan main lobe. Side Lobe Level menyatakan besar dari side lobe. f) Front to Back Ratio (FBR) Front to Back Ratio adalah perbandingan antara main lobe terhadap back lobe. Semakin besar sudut yang membentuk main lobe-nya maka keterarahan antena semakin kecil, sedangkan lobe-lobe kecil didekat main lobe yang disebut minor lobe merupakan berkas radiasi yang tidak terarah dan sebenarnya tidak dibutuhkan [1] Keterarahan (Directivity) Pengarahan (directivity) merupakan perbandingan antara intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Directivity dapat dirumuskan seperti pada Persamaan (2.23) berikut [1] : D = U U 0 = 4πU P rad (2.23) Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang dapat dicari menggunakan Persamaan (2.24) berikut [1] : D max = D 0 = U max U 0 = 4πU max P rad (2.24) 18

15 dimana : D = keterarahan (directivity) D 0 = keteraharan maksimum U = intensitas radiasi U max = intensitas radiasi maksimum U 0 = intensitas radiasi pada sumber isotropik P rad = daya total radiasi Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip Antena Mikrostrip mengalami kenaikan popularitas khususnya pada aplikasi wireless dikarenakan bentuknya yang kecil, mudah dibawa, sederhana, dan proses pembuatannya tidak membutuhkan biaya yang sangat mahal. Selain itu, antena ini juga kompatibel dan dapat diintegrasikan langsung dengan sirkuit utamanya, seperti telepon genggam, missile, dan peralatan lainnya. Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip antara lain [1] : a) Dimensi antena yang kecil b) Bentuknya sederhana memudahkan dalam proses perakitan c) Dapat bekerja dalam dual-frequency dan triple frequency d) Dapat diintegrasikan pada Microwave Integrated Circuit (MIC) e) Tidak membutuhkan biaya yang sangat besar dalam proses pembuatannya. Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti [1] : a) Efisiensi yang rendah b) Gain yang rendah c) Memiliki daya (power) yang rendah d) Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan e) Bandwidth yang sempit 2.4 Jenis Jenis Patch Antena Mikrostrip Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch seperti : bentuk segiempat, lingkaran, cincin dan segitiga samasisi. Analisis untuk bentuk-bentuk 19

16 patch antena tersebut menggunakan metode cavity (modal rongga). Model cavity adalah suatu model dimana geometri antena dikelilingi oleh medan radiasi dan dinding-dinding medan radiasi tersebut memiliki kondisi batas tertentu. Medan listrik dalam substrat hanya mempunyai arah komponen z, dan arah medan magnet memiliki arah x dan y. Karena ketebalan substrat dielektrik (h) << λ 0 (wavelength), maka medan listrik tidak bervariasi sepanjang arah z, dan medan dapat diasumsikan sebagai Transverse Magnetic (TM). Komponen arus yang normal terhadap tepi antenna mikrostrip mendekati nol pada tepi tersebut, dan ini menunjukkan bahwa komponen tangensial dari medan magnet pada tepi adalah sangat kecil sehingga dapat diabaikan [1]. Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch, diantaranya: 1. Patch persegi (Square) 2. Patch segitiga (Triangular) 3. Patch lingkaran (Circular) 4. Patch persegi panjang (Rectangular) 5. Patch elips (Elliptical) 6. Patch cincin melingkar (Circular Ring) 7. Patch garis tipis (Dipole) Bentuk patch antena mikrostrip ditunjukkan pada Gambar 2.5 berikut [1]: Gambar 2.5 Bentuk-bentuk Patch Antena Mikrostrip [8] 20

17 2.4.1 Antena Mirkrostrip Patch Segiempat (Rectangular) Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat yang memiliki dimensi elemen peradiasi yang terdiri atas parameter lebar (W) dan panjang (L). Antena mikrostrip patch segiempat ditunjukkan seperti Gambar 2.6. antena. Gambar 2.6 Antena mikrostrip patch segiempat [11] Dimana L adalah panjang dari patch antena dan W adalah lebar dari patch 2.5 Teknik Pencatuan Microstrip Line Teknik pencatuan microstrip line merupakan metode yang paling mudah digunakan. Saluran transmisi mikrostrip tersusun dari dua konduktor, yaitu sebuah garis (strip) dengan lebar W dan bidang pentanahan, keduanya dipisahkan oleh suatu substrat yang memiliki permitivitas relatif ε r dengan tinggi h seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. Parameter utama yang penting untuk diketahui pada suatu saluran transmisi adalah impedansi karakteristik Z 0. Impedansi karakterisik Z 0 dari saluran mikrostrip ditentukan oleh lebar strip (W) dan tinggi substrat (h). Pada teknik pencatuan microstrip line saluran pencatu berada pada lapisan yang sama dengan elemen peradiasi. Saluran pencatu berada pada lapisan yang sama dengan elemen peradiasi dan pada umumnya pencatu memiliki lebar yang sempit dibandingkan elemen peradiasi. Keuntungan dari pencatuan microstrip line ini antara lain mudah untuk difabrikasi, matching mudah dilakukan hanya dengan mengubah letak inset, dan memiliki bentuk yang sederhana. Selain itu teknik 21

18 pencatuan ini juga menghemat bahan karena hanya menggunakan substrat saja, yaitu substrat yang sama dengan substrat digunakan untuk meletakkan patch dibandingkan dengan teknik pencatuan lain. Sedangkan kekurangan dari teknik pencatuan ini adalah semakin tebal substrat yang digunakan maka akan memperbesar radiasi dari saluran catu yang efeknya akan membatasi bandwidth antena (2-5%) [1]. Gambar 2.7 Geometri Saluran Mikrostrip [11] Karakteristik Saluran Mikrostrip (microstrip line) untuk W/h<1 Konstanta dielektrik efektif (ε eff ) dirumuskan pada persamaan (2.25) [1]: ε eff = ε r ε r 1 2 [ h/W (1 W h )2 ] (2.25) dan Karakteristik Impedansi dapat dirumuskan seperti persamaan (2.26) [1]: Z 0 = 60 ε eff ln 8h w + w 4h (2.26) Karakteristik Saluran Mikrostrip (microstrip line) untuk W/h > 1 Konstanta dielektrik efektif (ε eff ) dirumuskan pada persamaan (2.27) [1]: ε eff = ε r ε r 1 2 [ h/W ] (2.27) dan karakteristik impedansi dirumuskan pada persamaan (2.28) [1]: Z 0 = 120π / ε reff W (2.28) h ln(w h +1.44) 22

19 2.6 Antena Array Antena array (antena susun) adalah antena yang terdiri dari beberapa elemen yang saling berhubungan dan diatur dalam struktur yang teratur untuk dibentuk menjadi suatu antena. Antena array merupakan susunan dari beberapa antena identik. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara array adalah pada bagian patch. Gambar antena array terlihat pada Gambar 2.8. Gambar 2.8 Antena Array 4 Elemen [12] Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal. Untuk membentuk pola yang memiliki keterarahan tertentu, diperlukan medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruktif pada arah yang diinginkan dan berinterferensi secara dekstruktif pada arah yang lain. Terdapat 5 kontrol yang dapat digunakan untuk membentuk pola antena, yaitu [2]: a. Konfigurasi geometri (linear, melingkar, rectangular, spherical, dll) b. Pemindahan relatif antara elemen c. Amplitudo eksitasi dari setiap elemen d. Fasa eksitasi dari setiap elemen e. Pola relatif dari setiap elemen Ada beberapa macam konfigurasi antena array, diantaranya : linear, planar, dan circular. Masing-masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya 23

20 linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendali arah pola radiasi. Pada penelitian ini dirancang antena linear array. Pada antena array terdapat Array Factor (AF) yang merupakan vektor pengali dari medan elektrik dari elemen tunggal. Array factor inilah yang menentukan bagaimana pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang diradiasikan oleh antena tersebut Dua Elemen Array Antena susun dimisalkan sebagai susunan dari dipole horizontal yang sangat kecil, adapun medan total (E t ) yang diradiasikan oleh kedua elemen tersebut terlihat pada Persamaan (2.29) berikut [2]: E t = E 1 + E 2 = a jη ki j[kr1 ( β 2 ol )] 4π {e cosθ r 1 + e j[kr2 ( β 2 )] cosθ 1 r 2 } (2.29) 2 Dimana β adalah perbedaan eksitasi fasa diantara elemen, k = 2π/λ, r 1 dan r 2 adalah jarak observasi. Magnitudo eksitasi pada radiator adalah identik. Jika ditinjau dari sudut pandang medan jauh, maka : θ 1 = θ 1 = θ 1 r 1 = r d/2 cos θ r 2 = r + d/2 cos θ r 1 r 2 r Sehingga persamaan (2.29) menjadi [2] : E t = a jη ki ole jkr 4πr E t = a jη ki ole jkr 4πr j(kd cosθ+β) j(kd cosθ+β) cosθ [e 2 + e 2 ] cos θ2 cos [ 1 (kd cosθ + β)] (2.30) 2 Dari persamaan (2.30) terlihat bahwa medan total dari array adalah sama dengan medan dari elemen tunggal dikalikan dengan faktor yang disebut sebagai faktor array (AF). Untuk 2 elemen array, nilai array factor adalah [2]: Dan dinormalisasi menjadi : AF = 2cos [ 1 (kd cos θ + β)] (2.31) 2 AF n = 2cos [ 1 (kd cos θ + β)] (2.32) 2 24

21 Dengan d adalah jarak pisah antar elemen. Sehingga untuk mencari sudut null (θ n ), yaitu pada saat medan listrik total E t = 0, nilai AF diset menjadi nol, terlihat pada Persamaan (2.33) berikut [2]: cos [ 1 2 (kd cosθ + β)] = (kd cosθ + β) = ± (2n ) π 2 θ n = cos 1 ( λ [ β ± (2n + 1)π]) (2.33) 2πd n = 0,1,2,. 2.7 Sistem Komunikasi Broadband 3,3 GHz 3,4 GHz Frekuensi merupakan sumber daya (resource) yang sangat penting pada Telekomunikasi nirkabel. Oleh karena itu, penggunaan frekuensi perlu ditata agar dapat bermanfaat secara lebih efisien dan optimal. Adapun perangkat yang bekerja pada rentang frekuensi 3,3 GHz 3,4 GHz adalah wimax Broadband Wireless Access (BWA) Broadband wireless access adalah sistem komunikasi yang bekerja pada 3,3 GHz 3,4 GHz serta memiliki kemampuan transmisi nirkabel pada pita lebar, kapabilitas multi-layanan diferensiasi perlakuan sesuai prioritas trafik, jalinan QoS dan mekanisme keamanan. Adapun contoh aplikasi BWA adalah WIMAX. Kemampuan layanan sistem BWA ini mendukung jenis layanan-layanan sebagai berikut : a. Layanan real time : layanan yang membutuhkan jaminan delay minimal dan jaminan jaminan kesediaan alokasi sumber daya tertentu VoIP, audio, dan video streaming. b. Layanan non-real time : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay minimal namun membutuhkan jaminan ketersediaan alokasi sumber daya agar layanan dapat berjalan dengan baik (FTP dengan bandwidth yang besar) c. Layanan Best Effort : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay minimal maupun jaminan ketersediaaan alokasi sumber daya agar layanan dapat berjalan dengan baik (web browsing dan ). 25

22 2.8 Gelombang Permukaan (Surface Wave) Gelombang permukaan dibangkitkan pada antena mikrostrip ketika substrat memiliki konstanta dielektrik sebesar ε r > 1. Selain radiasi end-fire, gelombang permukaan juga meningkatkan kopling diantara beberapa susunan elemen [9]. Gelombang permukaan dapat dilihat pada Gambar 2.9. Gambar 2.9 Gelombang Permukaan [3] Ketika patch peradiasi dari antena mikrostrip meradiasikan gelombang ke udara, maka juga ada gelombang yang terjebak di dalam substrat. Gelombanggelombang ini membentuk gelombang permukaan. Gelombang permukaan ini masuk ke substrat pada sudut elevasi θ c (yang besarnya θ c = Arc sin (1 ε r )) [13] lalu timbul pada bidang pentanahan kemudian direfleksikan ke perbatasan udaradielektrik yang juga kemudian merefleksikan gelombang itu. Jalur yang ditempuh oleh gelombang permukaan ini menyerupai bentuk zigzag, dan akhirnya mencapai batas dari struktur mikrostrip sehingga gelombang tersebut direfleksikan dan dibelokkan kembali oleh ujung dan menyebabkan meningkatnya radiasi end-fire. Jika terdapat antena yang dekat dengan antena ini (seperti antena susun), maka gelombang permukaan ini membentuk gandengan (coupling). Karena gelombang permukaan menurun sebanding dengan 1/ r, maka gandengan (coupling) juga menurun ketika titik eksitasi semakin jauh [13]. Gelombang permukaan dikatakan sangat merugikan bagi antena mikrostrip karena dapat mereduksi efisiensi gain, membatasi bandwidth, meningkatkan radiasi end-fire, meningkatkan cross-polarization, membatasi rentang frekuensi, 26

23 meningkatkan mutual coupling pada antena array, serta menurunkan efisiensi antena[2]. Adapun rumus efisiensi antena [2] seperti yang terlihat pada Persamaan 2.34 : e 0 = e r e cd. (2.34) e r = efisiensi refleksi = 1- Г 2 e cd = efisiensi radiasi = P r = daya radiasi P r P r +P surfacewave P sw = daya dari gelombang permukaan 2.9 Mutual Coupling Mutual coupling adalah suatu efek yang menyebabkan terjadinya penurunan kualitas parameter antena karena adanya interferensi elektromagnetik dari dua antena atau lebih yang jaraknya terlalu berdekatan. Sebagian dari energi datang pada satu atau kedua elemen antena array yang dapat dihamburkan kembali pada arah yang berbeda seperti suatu transmiter yang baru[2]. Efek mutual coupling berpengaruh terhadap meningkatnya standing wave, dan koefisien refleksi yang otomatis menganggu kinerja parameter antena seperti VSWR dan return loss [2]. Besaran nilai efek mutual coupling biasanya diukur dari nilai S 12 yang terjadi pada antena array. Adapun S parameter dapat dilihat dari Persamaan (2.35) [2] matriks : b 1 b 2 = S 11 S 12 S 21 S 22 a 1 a 2 (2.35) dimana : S 11 = return loss dari port 1 S 22 = return loss dari port 2 S 21 = mutual coupling dari port 1 ke port 2 S 12 = mutual coupling dari port 2 ke port 1 a = mewakili amplitude tegangan gelombang forward (maju) 27

24 b = mewakili amplitude tegangan gelombang reverse (mundur) jadi, a 1 = a 2 = 1 a (2.36) 2 b 1 = b 2 = 1 2 a(s 11 + S 12 ) (2.37) Mutual coupling ini dapat merubah besaran arus, fase dan distribusi pada tiap elemen sehingga pola radiasi keseluruhan antena berbeda dibandingkan yang tidak mengalami coupling. Besar kecilnya dampak mutual coupling terhadap performansi antena susun tergantung pada: a. jenis antena dan parameter desainnya seperti impedansi elemen dan koefisien refleksi b. letak posisi elemen-elemen pada antena susunnya c. pencatu dari antena susun Defected Ground Structure (DGS) DGS merupakan bentuk pola tersketsa pada bidang ground. Struktur DGS biasanya digunakan pada rangkaian filter dalam microstrip line yang akan menolak suatu frekuensi tertentu atau bandgap. Gangguan ini dapat mengubah karakteristik transmisi mikrostrip karena unit DGS dapat direpresentasikan dengan rangkaian ekivalen kapasitansi dan induktansi (LC) [3]. Dimensi fisik dari unit DGS dapat mempengaruhi parameter-parameter ekivalen sirkit. Rangkaian ekivalen slot DGS dapat diartikan sebagai berikut : R diartikan sebagai efek dari radiasi, L atau induktansi diartikan sebagai fluks magnetic yang melewati groundplane, sedangkan kapasitansi atau C, dapat diartikan sebagai besarnya gap kapasitansi [3]. Adapun rangkaian ekivalen R, L, dan C dapat dilihat pada Gambar Gambar 2.10 Rangkaian R, L, C DGS [3] 28

25 Metode DGS bersifat Electromagnetic Bandgap (EBG), dimana EBG yang diaplikasikan pada DGS untuk menekan radiasi cross-polarized dari patch antena [14] dan menekan harmonisasi [15]. Pada teknik DGS segiempat ini, dilakukan dengan cara meng-etch bagian ground yang akan memberi beban pada substrat secara periodik sehingga pancaran gelombang permukaan membentuk rentang frekuensi terlarang di sekitar frekuensi operasi antena [13]. Oleh karena itu gelombang permukaan tidak dapat berpropagasi disepanjang substrat, sejumlah besar daya yang teradiasi saling menggandeng ke udara begitu juga dengan gelombang permukaan lain seperti mutual coupling antara elemen array juga berkurang [13]. Pola yang di etching juga akan menganggu distribusi arus dan merubah impedansi antena Applied Wave Research (AWR) Microwave 2004 Microwave office merupakan solusi perangkat lunak yang paling komprehensif dalam merancang berbagai jenis rangkaian microwave dan Radio Frekuensi (RF). Microwave office terkenal karena memiliki user interface yang intutitif. Keunikan dari arsitekturnya membuat perangakat ini dapat berintegrasi dengan produk AWR yamg lain, perangkat-perangkat terbaru, perangkat lunak dengan aplikasi khusus dari perusahaan mitra dengan tujuan untuk memudahkan dan mempercepat dalam menyelesaikan rancangan-rancangan pada frekuensi tinggi. Adapun kemampuan dan aplikasi dari Microwave Office adalah sebagai berikut : 1. Perancangan schematic/layout. 2. Simulasi rangkaian linier dan non linier. 3. Analisa EM 4. Sintesis, optimasi, dan analisis hasil 5. DRC/L vs skematik 6. Process designskits (PDKs) digunakan oleh berbagai perancangan aplikasi yaitu : a. Microwave Integrated Circuits (MIC). b. Papan cetak perancangan RF (PCB). 29

26 c. Rakitan microwave terpadu. Adapun tampilan dari AWR Microwave 2004 terlihat pada Gambar 2.11 berikut: Gambar 2.11 Tampilan Dekstop Simulator AWR Microwave Proses Pencarian Solusi Simulator AWR Microwave Office AWR Microwave Office dapat mensimulasikan struktur berupa 3D planar yang berbahan metal dan lapisan dielektrik. Simulator ini menggunakan metode Galerkin moments (MoM) dalam domain spectral, metode yang sangat akurat untuk menganalisa mikrostrip, stripline, struktur coplanar serta media yang lainnya. Berdasarkan proses pemberhentiannya, simulasi dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu : terminating simulation dan non terminating simulation. Pada simulasi ini sistem pemberhentian simulasi menggunakan nonterminating simulation. Simulasi ini akan berhenti berdasarkan absolute error dan relative error. Simulasi akan berhenti apabila error telah berada dibawah absolute error dan relative error yang telah ditetapkan. Adapun besar dari absolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1e 9 dan 1e 5 (default) Spesifikasi Setting Parameter Simulasi Untuk Pengambilan Data Dalam menggunakan simulator diperlukan beberapa setting parameter yang bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi yang mendekati hasil dari pengukuran secara langsung. Adapun setting simulator yang digunakan dalam menjalankan simulasi adalah sebagai berikut. 30

27 1. Rentang frekuensi simulasi adalah 3,3 3,4 GHz dengan frekuensi resonansinya 3.35 GHz. Adapun cara untuk settingan nilai frekuensi dijelaskan pada Gambar Gambar 2.12 Settingan nilai frekuensi pada simulator Untuk mendapatkan tab seperti pada Gambar 2.12 dapat dilakukan dengan cara memilih Option>Project Option atau bisa juga dengan cara memilih langsung dari Project Option. Dari Gambar 2.12 dapat diketahui bahwa frekuensi pada simulasi dimulai pada 3,2 GHz dan berakhir pada 3,5 GHz dengan frekuensi tingkatan GHz. 2. Menggunakan fitur Harmonic Balance yang merupakan salah satu fitur pada AWR Microwave Office yang berfungsi untuk meningkatkan akurasi dari hasil simulasi yang diinginkan. Untuk mendapatkan settingan Harmonic Balance dapat dilakukan dengan memilih Option>Default Circuit Option. Adapun cara untuk melakukan settingan pada Harmonic Balance dijelaskan pada Gambar

28 Gambar 2.13 Settingan pada Harmonic Balance Dari Gambar 2.13 dapat diketahui bahwa nilai default yang digunakan pada absolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1e 9 dan 1e 5 dengan jumlah maksimum dari iterasinya adalah sebesar Dalam simulator AWR Microwave Office 2004 terdapat 3 spesifikasi mesh yang ditawarkan dalam perancangan, yaitu : low, normal dan high. Spesifikasi tersebut akan mempengaruhi keakuratan hasil simulasi yang didapatkan. Gambar 2.13 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan spesifikasi low mesh. Gambar 2.14 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Low Mesh Pada Gambar 2.14 dapat diketahui bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi low dalam perancangan akan akan memiliki ukuran jaring yang lebih besar dan akan memiliki nilai akurasi yang lebih rendah. Gambar 2.15 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan spesifikasi normal mesh. 32

29 Gambar 2.15 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Normal Mesh Dari Gambar 2.15 dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi normal memiliki ukuran jaring yang lebih kecil dibandingkan dengan spesifikasi low. Sedangkan hasil yang diperoleh akan memiliki nilai keakuratan yang lebih baik dibandingkan dengan spesifikasi low mesh. Gambar 2.16 menunjukkan suatu model simulasi yang menggunakan spesifikasi high. Dari gambar dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi high memiliki ukuran jaring yang paling kecil dibandingkan dengan spesifikasi low dan normal. Gambar 2.16 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi High Mesh Pada perancangan ini, mesh yang digunakan (dipilih) adalah yang bertipe high. Hal ini dikarenakan hasil simulasi yang diperoleh dengan menggunakan spesifikasi high memiliki tingkat keakuratan yang paling baik dibandingkan dengan mesh yang berspesifikasi low dan normal. 33