BAB 2 LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Global Positioning System (GPS) Global Positioning System (GPS) merupakan sebuah sistem navigasi satelit yang digunakan untuk menentukan lokasi yang tepat pada permukaan bumi. Ada dua buah kategori penggunaan frekuensi yang berbeda pada GPS. Frekuensi yang biasa digunakan oleh masyarakat sipil pada umumnya adalah 1575,42 MHz (L1) Sedangkan untuk frekuensi 1227,6 MHz (L2) digunakan untuk tujuan militer dan bukan untuk umum[2]. Sinyal yang ditransmisikan oleh satelit merupakan polarisasi melingkar ke kanan atau Right Handed Circular Polarization (RHCP), oleh sebab itu antena pada perangkat pengguna juga harus menggunakan RHCP agar memiliki penerimaan sinyal yang kuat dan baik. Kemurnian polarisasi melingkar memiliki pengaruh langsung dalam menerima gain dari antena. 2.2 Konsep Dasar Radio Radio adalah teknologi yang digunakan untuk pengiriman sinyal dengan cara modulasi dan radiasi gelombang elektromagnetik. Gelombang ini melintas dan merambat lewat udara dan juga dapat merambat lewat ruang angkasa yang hampa udara, karena gelombang ini tidak memerlukan medium pengangkut 6

2 7 (seperti molekul udara). Pada bagian ini akan dibahas beberapa konsep radio, yaitu panjang gelombang dan frekuensi Panjang Gelombang dan Frekuensi Panjang gelombang merupakan potongan gelombang yang panjangnya satu gelombang dan sepanjang lintasannya akan terus terulang dalam bentukbentuk yang selalu sama sepanjang masa. Dalam frekuensi radio, panjang gelombang biasanya dinyatakan dalam satuan meter, centimeter atau milimeter. Frekuensi adalah ukuran jumlah putaran per peristiwa dalam selang waktu tertentu, dinyatakan dalam satuan Hertz (Hz). Sebagai contoh, bila terdapat peristiwa yang terjadi satu kali per detik, maka frekuensinya adalah 1 Hz. Semakin kecil nilai frekuensi maka semakin besar panjang gelombangnya dan sebaliknya. Hubungan antara frekuensi dan panjang gelombang dinyatakan dalam persamaan 2.1 berikut [2]: (2.1) Dimana : λ f c = panjang gelombang = frekuensi (Hz) = kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s) 2.3 Konsep Dasar Antena Antena merupakan salah satu komponen penting dalam sistem komunikasi nirkabel. Antena berfungsi untuk memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetik dari media kabel ke media udara dan sebaliknya. Untuk dapat

3 8 memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetik dengan baik, maka antena harus memiliki sifat yang sesuai dengan kabel pencatunya. Sistem kerja antena dapat dilihat pada Gambar 2.1. berikut : Gambar 2.1 Sistem Kerja Antena [2] Untuk mengetahui performansi suatu antena, maka diperlukan pendefinisian berbagai parameter antena. Berikut ini adalah beberapa parameter dalam perancangan antena Pola Radiasi Pola radiasi (radiation pattern) suatu antena adalah gambaran sifat radiasi, pancaran maupun penerimaan sinyal suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah atau sudut. Pola radiasi dapat terlihat pada Gambar 2.2. berikut ini :

4 9 Gambar 2.2. Pola Radiasi Antena [3] Berdasarkan Gambar 2.2. ada beberapa bagian penting dari pola radiasi antena, yaitu : a. Main Lobe : berkas radiasi yang memiliki pancaran radiasi antena yang terbesar. b. Minor Lobe : berkas radiasi yang memancarkan radiasi dengan pancaran radiasi lebih rendah dan arah yang berlainan dengan main lobe. Minor lobe terdiri dari dua macam, yaitu: Back Lobe : Minor lobe yang berlawanan arah dengan main lobe. Side Lobe : Minor lobe yang terletak di samping main lobe. c. Half Power Beam Width (HPBW) : sudut yang dibentuk oleh titik yang memiliki daya setengah dari daya pancar maksimum. Adapun macam-macam pola radiasi antena adalah sebagai berikut : a. Omnidirectional : pola radiasi yang memancarkan radiasi ke segala arah dengan daya yang sama. b. Unidirectional : pola radiasi yang memancarkan radiasi maksimum ke satu arah.

5 Gain Ada dua jenis parameter penguatan (gain) yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (P in ) dibagi dengan 4π. Absolute gain dapat dihitung dengan persamaan 2.2 berikut [2]: (2.2) Selain absolute gain, terdapat pula relative gain. Relative gain didefinisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukkan harus sama diantara kedua antena itu. Akan tetapi, antena referensi merupakan sumber isotropic yang loseless. Secara rumus dapat dihubungkan dengan persamaan 2.3 berikut [2]: (2.3) Jika arah tidak ditentukan, maka perolehan daya biasanya diperoleh dari arah radiasi maksimum Bandwidth Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi dimana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, VSWR dan return

6 11 loss) memenuhi spesifikasi standar. Bandwidth dapat dilihat pada Gambar 2.3. berikut [2] : Gambar 2.3. Bandwidth Bandwidth dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.4. berikut ini [2]: (2.4) Dimana : f 2 = frekuensi tertinggi f 1 = frekuensi terendah fc = frekuensi tengah Ada beberapa jenis bandwidth, yaitu : a. Pattern Bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana beamwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan di awal perancangan antena. b. Impedance Bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana antena berada pada keadaan yang sesuai dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya bergantung pada nilai

7 12 frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari koefisien refleksi dan VSWR. Pada umumnya nilai koefisien refleksi dan VSWR yang masih dianggap baik masing-masing adalah kurang dari -10 db dan 2 db Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) VSWR adalah perbandingan antara amplitude gelombang berdiri (standing wave) maksimum ( V max) dengan minimum ( V min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (Vo+) dan tegangan yang direfleksikan (Vo-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) yang dapat dihitung menggunakan persamaan 2.5 berikut [2]: (2.5) Dengan Z L adalah impedansi beban (load) dan Z 0 adalah impedansi saluran. Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang memperlihatkan besarnya magnitude dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka : Γ= -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat. Γ= 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched. Γ=1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka. Sedangkan rumus untuk mencari VSWR yaitu dengan menggunakan persamaan 2.6 berikut [2]: (2.6)

8 13 Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah VSWR Return Loss Return Loss adalah perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirimkan. Return Loss digambarkan sebagai peningkatan amplitude dari gelombang yang direfleksikan (Vo) dibanding dengan gelombang yang dikirim (Vo+). Return Loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi. Return loss dapat dicari menggunakan persamaan 2.7 berikut [2]: (2.7) Dengan menggunakan nilai VSWR 2 maka diperoleh nilai return loss adalah di bawah -10 db. Dengan nilai ini, dapat dikatakan bahwa nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah dapat dianggap matching. Nilai parameter ini dapat menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah mampu bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak. 2.4 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang di antara keduanya terdapat bahan dielektrik. Antena

9 14 mikrostrip dalam bentuk yang paling umum terdiri dari 3 elemen, yaitu elemen peradiasi (patch), substrat dan elemen pentanahan (ground). Ada banyak jenis substrat yang digunakan pada antena mikrostrip ini. Jenis yang paling sering digunakan adalah FR-4 (lossy). Bahan substrat terdiri dari dua golongan, yaitu lossy dan lossless. Lossy merupakan jenis dimana masih ada kemungkinan terjadinya loss akan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dan di terima oleh antena. FR-4 (lossy) merupakan material komposit yang terdiri dari kain fiberglass tenun dengan resin pengikat epoxy yang tahan api. FR singkatan dari flame retardant dan menunjukkan bahwa bahan anti mudah terbakar dari FR-4 telah memenuhi standar UL94V-0. FR-4 tersusun dari bahan resin epoxy, tenunan kain kaca penguatan, brominated flame retardant dan lain-lain. Dengan daya penyerapan air yang nol, FR-4 ini paling sering digunakan sebagai insulator listrik yang memiliki kekuatan mekanik yang cukup besar. Bahan ini dikenal untuk mempertahankan nilai-nilai mekanik yang tinggi dan kualitas isolasi listrik dalam kondisi baik kering dan lembab. Kelas sebutan untuk laminasi epoxy terdiri dari G10, G11 FR4 dan FR5. Dari kelas tersebut, FR4 merupakan yang paling banyak digunakan saat ini. G-10, pendahulu FR-4 memiliki sifat yang mudah terbakar. Oleh karena itu, FR-4 menggantikan G-10 di sebagian besar aplikasi. Struktur umum dari antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 2.4. berikut [3]:

10 15 Gambar 2.4 Struktur Antena Mikrostrip Antena mikrostrip memiliki bentuk umum untuk elemen peradiasinya (patch). Bentuk umum dari patch antena mikrostrip seperti terlihat pada Gambar 2.5. berikut [3]: Gambar 2.5 Bentuk Patch Antena Mikrostrip Bentuk patch yang akan dirancang pada tugas akhir ini adalah persegi. Hal ini dipilih karena sesuai dengan tujuan perancangan yaitu ingin membuat antena yang ukurannya lebih kecil dibandingkan dengan ukuran yang telah beredar dipasaran. Dan ukuran dimensi antena yang telah beredar saat ini adalah sekitar 10 cm x 10 cm (berbentuk persegi).

11 16 Antena mikrostrip juga memiliki beberapa keuntungan, namun terdapat pula kerugian. Keuntungan dan kerugian tersebut seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1. berikut : Tabel 2.1 Keuntungan dan Kerugian Antena Mikrostrip [4] No. Keuntungan Kerugian 1 Mempunyai ukuran kecil dan ringan Mempunyai gain yang rendah 2 Lebih mudah fabrikasi dengan biaya yang relatif Bandwidth sempit murah 3 4 Polarisasi linier dan sirkular dapat diperoleh dengan mudah hanya dengan feeding yang sederhana Dapat digunakan untuk aplikasi dual band frekuensi atau bahkan triple band frekuensi Mempunyai kemurnian polarisasi rendah Timbulnya gelombang permukaan (surface wave) Gain Penguatan pada antena mikrostrip dapat ditentukan oleh gain perbandingan, yaitu perbandingan daya yang dipancarkan atau diterima oleh antena yang dituju dengan daya yang dipancarkan atau diterima antena isotropis. Besarnya gain perbandingan tersebut dapat ditentukan menggunakan persamaan 2.8 berikut [2]:

12 17 (2.8) Dimana : Gp Pu Ps Go = gain perbandingan antena uji (db) = daya yang diterima antena uji (db) = daya yang diterima antena referensi (db) = gain terhadap sumber isotropis (db) Polarisasi Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan, maka polarisasi merupakan polarisasi dari arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan daerah dari magnitudo vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu. Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar) dan atau elliptical (elips) seperti ditunjukkan pada Tabel 2.2. Polarisasi melingkar saat ini sangat penting dalam industri desain antena, diantaranya dapat menghilangkan pentingnya orientasi antena dalam bidang tegak lurus terhadap arah propagasi, lalu memberikan fleksibilitas lebih banyak sudut antara transmisi dan penerima antena. Polarisasi melingkar saat ini digunakan

13 18 dalam banyak aplikasi komersial dan militer. Namun sulit untuk mendesain antena dengan polarisasi melingkar yang baik. Antena mikrostrip pada awalnya tidak menghasilkan polarisasi melingkar, kemudian beberapa perubahan harus dilakukan pada patch untuk dapat menghasilkan polarisasi melingkar. Tabel 2.2 Jenis-jenis Polarisasi [6] No. Linier Elips Melingkar 1 Terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu di titik ruang memiliki vektor medan elektrik atau magnet pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu 2 Terjadi jika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan elektrik atau magnet berada pada jalur kedudukan elips pada ruang Terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut suatu titik memiliki vektor medan elektrik atau magnet pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu Teknik Pencatuan Terdapat beberapa macam teknik pencatuan, antara lain coaxial feed, microstrip feed, proximity coupled microstrip feed dan aperture-coupled

14 19 microstrip feed. Namun, pada laporan ini hanya akan dibahas mengenai teknik pencatuan yang digunakan dalam perancangan, yaitu coaxial feed. Coaxial feed adalah salah satu teknik dasar yang digunakan dalam pencatuan antena mikrostrip. Kabel koaksial terhubung ke antena sehingga konduktor bagian luarnya terhubung pada bagian ground, sementara konduktor dalam disolder ke bagian patch. Penampang coaxial feed seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6. berikut [3]: Gambar 2.6 Coaxial Feed Coaxial feed cukup mudah untuk didesain dan dalam fabrikasinya. Namun pencatuan ini memiliki kelemahan, yaitu membutuhkan tingkat presisi yang tinggi dalam penyolderan. Coaxial feed biasanya memberikan bandwidth yang sempit dan ketika pabrikasi menggunakan substrat yang tebal, probe yang lebih lebar akan dibutuhkan untuk meningkatkan power permukaan dan induktansi dari feeding Antena Mikrostrip Patch Persegi Antena mikrostrip patch persegi adalah mikrostrip yang memiliki bentuk patch persegi dengan Lp sebagai panjang sisi patch. Bentuk patch persegi ditunjukkan pada Gambar 2.7. berikut :

15 20 Lp Lp Gambar 2.7 Bentuk Patch Persegi Untuk mencari dimensi patch yaitu Lp menggunakan persamaan 2.9 berikut ini [5]: (2.9) (2.10) Dimana : h = ketebalan substrat = konstanta dielektrik relatif r = frekuesi resonansi Untuk panjang sisi subtratnya (Lg) dapat diperoleh menggunakan persamaan 2.11 berikut [5]: Lg = (6xh) + Lp (2.11) Dimana : h = ketebalan substrat Lp = panjang sisi patch Setelah didapatkan spesifikasi dimensi patch dan substrat, selanjutnya akan ditentukan spesifikasi dimensi slot berbentuk persegi panjang pada antena

16 21 ini. Dimensi slot akan menentukan bagaimana antena ini beradiasi. Untuk panjang slot (ls) dapat diperoleh menggunakan persamaan 2.12 berikut ini [5]: ls = (2.12) Untuk lebar slot (ws) diperoleh menggunakan persamaan 2.13 berikut ini [5]: ws = (2.13) Dimana : Lp = panjang sisi patch 2.5 Computer Simulation Technology (CST) 2014 Computer Simulation Technology (CST) 2014 merupakan fitur paket lengkap perangkat lunak untuk analisis dan desain gelombang elektromagnetik. Proses memasukkan parameter yang mudah dengan menyediakan sebuah pemodelan solid 3D yang baik. CST 2014 merupakan bagian dari studio design CST yang menawarkan sejumlah pemecahan masalah yang berbeda untuk berbagai jenis aplikasi. Hal ini didasarkan pada Finite Integration Technique (FIT) yang diperkenalkan dalam elektrodinamika lebih dari tiga dekade lalu. Berikut tampilan awal CST 2014 seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8. berikut ini : Gambar 2.8 Tampilan Awal Computer Simulation Technology (CST) 2014

17 22 Dan tampilan workspace seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9. berikut : Gambar 2.9 Tampilan Workspace Computer Simulation Technology (CST) 2014 Ada beberapa kelebihan software ini, yaitu bisa menampilkan hasil simulasi berupa grafik dengan nilai parameter frekuensi, koefisien refleksi, gain, axial ratio dan juga bisa melihat hasil pola radiasi dan polarisasi dari antena yang dirancang. Software ini memang memiliki kemudahan, namun terdapat pula kesulitan. Kesulitan yang dimaksud antara lain dalam menentukan posisi dimensi sesuai dengan koordinat workplane dan juga mempresisikan hasil simulasi dengan karakteristik yang diinginkan. Oleh karena itu, setiap perancangan yang dilakukan tidak mudah mendapatkan hasil yang sesuai, perlu dilakukan optimasi yang dilakukan berulang-ulang sampai tercapai nilai yang diinginkan.

18 Kajian Literatur Pada skripsi ini penulis merangkum peneletian sejenis yang pernah dilakukan: Tabel 2.3 Perbandingan Penelitian Sejenis