BAB 2 ANTENA SLOT MIKROSTRIP DAN JARINGAN SALURAN PENCATU MIKROSTRIP

Transkripsi

1 BAB ANTENA SLOT MIKROSTRIP DAN JARINGAN SALURAN PENCATU MIKROSTRIP Pd bgin ini dijelskn mengeni tinjun pustk tu teoi ds mengeni nten mikostip. Dlm bb ini diuikn mengeni konsep ds nten mikostip slot setsd pmete - pmete nten micostip, yng mn pd pencngn ini menggunkn nten mikostip celh (slot) bebentuk segi empt dengn slun penctu mikostip bebentuk multi btng penyeteln..1. Anten Mikostip Anten mikostip bentuk yng sedehn, ingn, dpt dibut sesui kebutuhn dn nten dibut dengn c mencetk elemen pedisiny pd sutu lempengn substt sepeti yng dipelihtkn oleh Gmb.1 dibwh ini : () (b) Gmb.1. Anten Slot Segi Empt Sm Sisi (). Lpisn bwh (b). Lpisn ts Anten tedii di elemen pedisi, substt dn slun penctu. Bgin pedisi ini umumny tebut di tembg, pek, cmpun pek dengn 1 Univesits Indonesi

2 11 plldium tu ems. Bentuk geometi elemen pedisi umumny tedii di du yitu ptch dn slot. Bentuk di slot pedisi pd dsny dpt bemcm - mcm, dintny dlh bentuk segi empt (ectngul), segitig (tingul) dn cincin (nnul ing), set bentuk fctl yng bebep thun ini menjdi objek penelitin []. Pd lpon penelitin ini penulis melkukn pencngn pd bentuk slot segi empt dengn stu elemen, du elemen, empt elemen dn delpn elemen... Anten Slot Mikostip (MSA) Bentuk celh (slot) pd nten mikostip sebenny sm sepeti bentuk segi empt dengn pnjng dn leb. Celh (slot) meupkn bgin ltentif di fungsi elemen pedisi. Untuk bentuk geometi ds nten mikostip tedii di elemen kondukto pedisi (slot) yng dicetk pd substt. Elemen pedisi dpt dieksitsi oleh slun tnsmisi koksil, slun mikostip, tu kopling elektomgnetik. Pd nten mikostip celh (slot) meliputi sutu celh (slot) yng memotong pd bidng tnh dengn slun mikostip, sehingg celh (slot) kn tegk luus dengn kondukto pd slun mikostip. Bentuk nten mikostip celh (slot) tunggl dpt diliht pd Gmb.. Gmb.. Geometi Anten Celh (Slot) Tunggl []. Konsep wl mikostip slot nten yitu pencngn slot nten dengn menggunkn slun mikostip. Bentuk slot nten mempunyi bnyk model dlm pencngnny dn mempunyi kelebihn yitu menghsilkn pol Univesits Indonesi

3 1 disi yng memnc pd stu h (unidiectionl) dn du h (bidiectionl) dengn leb-pit yng leb. Selin itu, bhw slot nten dlm hl pbiksi lebih mudh pembutnny dibnding dengn bentuk ptch. Mikostip slot nten meliputi sutu celh (slot) yng bed didlm bidng goundplne dn tegk luus tehdp slun mikostip, medn disi dihsilkn oleh slun penctu tehdp celh (slot) yng bed pd bidng goundplne dn bis di liht pd Gmb.3. Mengcu pd Gmb.3, fekuensi kej MSA ditentukn oleh pnjng slot yng difomulsikn pd pesmn (1) [3]. L λs = L S ε ln ε.835 ( h / λ ) ( W / λ ) λs.61ε = lnε λ W / h Dimn λ S meupkn pnjng gelombng pd slot dn.48 f (.1) (.) λ = c meupkn pnjng gelombng di ung bebs dengn fekuensi kej yng diinginkn. dibeikn pd pesmn (.3) meupkn pnjng ekivlen yng dihubungkn dengn nili induktnsi pd ujung slot. Dimn h meupkn tebl substt dn W dlh leb slot yng ditentukn menggunkn pesmn (.4) [44]. Untuk menentukn nili pemitivits eltif efektif dengn menggunkn pesmn (.6). L h S =.41 ( ε +.3) eff W h +.64 W ( ε,58) +.8 eff h (.3) LS W c = f ε + 1 (.4) Univesits Indonesi

4 13 Gmb.3. Geometi Antenn Celh Leb Dictu Dengn Slun Mikostip Tebuk Mengcu pd Gmb.3, bidng tnh dn dielectic substte meleb tnp bts dlm h y dn x. Dimn us pemukn pd slun mikostip dlh h y. Medn listik yng melintsi petue mempunyi komponen y dn x. Dengn menggunkn pinsip ekivlen dpt ditemptkn kembli oleh ekivlen us pemukn mgnetik M x dibwh bidng tnh dn M x dits bidng tnh [Gmb.4 (b)]. Hl ini dibeikn oleh pesmn (.5) [3]. M x = ž x E s (.5) Tehubung us mgnetk M s tehdp medn listik E s yng tidk dikethui dlm celh. Sehingg dpt dipishkn kedlm du kwsn yitu kwsn dn b sepeti teliht pd Gmb.4 (b) : 1. Kwsn dlh dlm deh z < dengn medn yng dpt dibngkitkn oleh us mgnet M x dn us listik J ms. Dimn J ms dlh us listik pd pemukn yng tidk dikethui dlm mikostip.. Kwsn b dlh dlm deh z >. Sumbe dlm deh ini dlh M x yng medisi dlm bidng kondukto elektik sempun. Univesits Indonesi

5 14 () (b) Gmb.4. Deh Lintsn Anten Slot Dengn Penctu Slun Mikostip () Mslh sebenny (b) Mslh ekivlen Totl medn mgnet dn listik dlm kwsn db b dpt ditulis sebgi beikut [3] : E H E H tot tot tot b tot = E = H (J (J ms ms b = E ( M ) b = H ( M ) ) + E ( M ) ) + H ( M ) s s s s (.6) (.7) (.8) (.9) Ds teoi di slot nten mikostip dlh bedskn pinsip ekivlen medn yng ditemukn oleh Huygen s Pinciple [5]. Pinsip ekivlen medn dlh dimn sutu sumbe ktul dpt di but menjdi ekivlen dengn sutu deh lin ken menghsilkn medn yng sm dengn deh tesebut. Dimn kontinuits medn listik yng melintsi petue telh memenuhi dengn menggunkn M s dn M s pd sisi petue yng bebed. Kondisi-kondisi tesebut menghsilkn pesmn untuk M s dn J ms. [3]: Univesits Indonesi

6 15 H E tn y (J (J ms ms ) + H ) + E ( M ( M ) = H ) + E pd slun micostip y tn s s inc y b tn = ( M s ) dlm celh (.1) (.11) Pd pesmn (.1) sebgi medn listik pd pembngkit jk tegngn yng bepenguh pd stuktu deh. Pinsip tesebut dlm pliksi pd nten mikostip digunkn dlm teknik penctun elektomgnetik kopek (coupled electomgnetic). Teknik penctun sec elektomknetik pd umumny menggunkn du jenis elemen pedisi yitu pd ptch dn slot. Pd ptch digunkn du substt, dimn lpisn petm tedpt ptch nten segi empt dengn bgin bidng petnhnny dihilngkn dn lpisn kedu digunkn sebgi penctu slun mikostip dengn bgin bwh sebgi bidng tnh. Kedu substt dpt bebed ketebln dn konstnt dielektik eltif. Slun ctu bed dibwh ptch dn membentuk ngkin tebuk. Jk s, di pinggi ptch ke pinggi slun dictu sebgi tumpng-tindih, dimn ujung di ngkin tebuk membeikn meknisme kopling yng utm tehdp nten. Teknik ini disebut sebgi poximity coupling untuk micostip ptch ntenn (MPA). Pd slot (wide slot) dpt menggunkn stu lpisn substt, dimn kondukto bgin ts digunkn sebgi elemen pedisi dn sekligus untuk bidng petnhn (gound-plne). Sedngkn kondukto bgin bwh digunkn untuk slun mikostip sebgi penctu. Teknik dengn menggunkn slot leb (wide slot) diistilhkn sebgi micostip slot ntenn (MSA) sepeti teliht pd Gmb.4b. Sehingg teknik penctun sec elektomgnetik dengn menggunkn slot lebih efisien dlm penggunn substt untuk nten. Sec umum, kedu teknik tesebut memiliki meknisme pedisin yng sm dimn slun mikostip membeikn imbs gelombng elektomgnetik menuju elemen pedisi (pcth dn slot) mellui sebuh substt. Efek kopling dibeikn nt slun mikostip dn elemen pedisi sebgi tnsfome idel. Anten mikostip slot mengndung tnsfome idel yng mewkili kopling nt slot dn slun mikostip dn menentukn tegngn kopel sec sei ke slun mikosip [3]. Univesits Indonesi

7 16.3. Meknisme Peningktn Bndwidth pd MSA Meknisme kopling dpt diinduksikn sec kpsitif dn induktif. Dlm ksus MSA kopling diinduksikn sec induktif yng dibeikn di slun ctu ke slot [3]. Posisi slun tnsmisi bed dibwh lempengn nten dn behimpitn (posisi ovelp), muli di pinggi lempengn smpi sejuh l m menuju ujung tebuk (open end cicuit) di slun sepeti teliht pd Gmb.5. Medn pinggi yng tebentuk di sikit ujung tebuk slun ini menghsilkn sutu meknisme kopling utm kepd nten (slot). Lempengn nten ini disebut menglmi efek pengkopeln sec elektomgnetik. Semkin bes efek kopling yng tejdi, kn menuunkn fkto kulits ngkin. Semkin menuunny fkto kulits ngkin, semkin meningktny bndwidth nten. Efek kopling dikontol oleh du fkto utm, yitu jk penyisipn slun dibwh elemen pedisi dn leb elemen pedisi yng sebts pd leb W m. Dimn kopling simetis tehdp pust elemen pedisi dn penuunn leb elemen pedisi kn menikn kopling. Dengn membut becbng du pd ujung slun ctu kn menmbh efek kopling du kli lebih kut pd elemen pedisi. Hl ini dijelskn ken pd kedu cbng tesebut menghsilkn efek kopling du kli lebih kut dn pd khiny kn meningktkn bndwidth [7]. () Gmb.5. () Stuktu Anten Slot yng Dictu Slun Mikostip, (b) Rngkin Ekivlen Anten Slot [5]. Univesits Indonesi

8 17 (b) Gmb.5 (lnjutn). () Stuktu Anten Slot yng Dictu Slun Mikostip, (b) Rngkin Ekivlen Anten Slot [5]. Untuk memhmi meknisme pelebn bndwidth pd nten slot mikostip yng dictu sec kopel elektomgnetik dpt dijbkn dengn pemodeln ngkinny. Oleh Akhvn dn Syhkl dimodelkn ngkin ekivlen nten slot sempit dengn penctun slun mikostip tunggl [5]. Di cun tesebut dilkukn modifiksi pemodeln ngkin ekivlen nten slot leb yng dictu dengn slun mikostip sepeti teliht pd Gmb.5. Rngkin nten slot disumsikn kopel sec mgnetik tehdp ngkin ekivlen slun ctu. Dimn kopel mgnetik sebgi tnsfomto nt ngkin slun mikostip dn ngkin nten. Pd Gmb.5, l m meupkn pnjng slun mikostip dimn us yng mengli membeikn kontibusi tehdp keptn dy mgnet menuju slot. Pnjng slot L S dn leb slot W S meupkn fungsi di fekuensi kej di nten slot. Sebgi fungsi impednsi kkteistik slun ctu mikostip diwkili dengn leb W m. Rngkin ekivlen untuk nten slot dn slun penctuny dipelihtkn dlm Gmb.5b. Anten slot tedii di ngkin-tetutup yng plel dengn konduktnsi G s, mewkili dy yng didisikn di slot. Sehingg Y s = G s +jb s meupkn dmitnsi pd msukn ngkin ekivlen nten slot. Pd sisi slun mikostip tedpt G m yng meupkn disi di ujung slun tebuk pd slun mikostip. Sehingg Y m =G m +jb m meupkn dmitnsi pd msukn ujung tebuk stub mikostip. Univesits Indonesi

9 18 Pd sisi tnsfome tedpt mutul induktnsi nt L 1 sebgi lilitn pime dn L sebgi lilitn sekunde. Induktnsi L 1 tehubung dengn pnjng slun mikostip l m dn L tehubung dengn leb slot yng tebts hny pd leb W m. Sehingg nili induktnsi besm L 1 dn L dpt dipeoleh menggunkn induktnsi pe stun unit pnjng di slun mikostip dn slot. Induktnsi besm M dpt ditentukn dengn fomulsi sepeti pd pesmn (.1) [5]. ε eff M = Z (.1) c Dimn Z meupkn impednsi kkteistik di slun mikostip dnε eff dlh konstnt dielektik efektif di substt. Nili c dlh keceptn chy. Sehingg Z s dlh nili impednsi dn ε eff konstnt dielektik efektif pd slot. s Sedngkn Z m dlh nili impednsi dn ε eff dlh konstnt dielektik efektif m pd slun mikostip. Sehingg nili induktnsi besm dpt ditentukn dengn mengubh pnjng dn leb slun mikostip. Dengn kt lin tnsfomto tesebut meupkn sutu ngkin tl (tuned cicuit) yng mengubh di level impednsi endh ke impednsi yng lebih tinggi. Sehingg ngkin tl tesebut befungsi sebgi jingn impednsi penyesuin nt esistnsi sumbe dn bebn. Rngkin tl pd ksus ntenn slot mikostip meupkn ngkin plel RLC yng beesonnsi bil sudut fs φ sm dengn nol. Hl ini beti ektnsi induktif X L sm dengn ektnsi kpsitif X C. Sehingg fekuensi esonnsi dpt dipeoleh sepeti pd pesmn (.15). 1 ωl = (.13) ω C 1 ω = (.14) LC f 1 = (.15) π LC Di pesmn (.13) smpi (.15) menjelskn bhw pd st esonnsi impednsi ngkin dlh esistif muni. Sedngkn induktnsi L dn Univesits Indonesi

10 19 kpsitnsi C dpt disetel untuk membw ngkin tesebut ke dlm kedn esonnsi dengn fekuensi yng diinginkn. Untuk ngkin tl plel nili impednsi dibeikn pd pesmn (.16) [43]. Z P ( ω) = (1/ R + = jωlr /( R + jωc + 1/ jωl) 1 jωl ω LCR) = jωl /[(1 ω LC) + jωl / R] (.16) Pd st beesonnsi dengn nili fekuensi sepeti pd pesmn (14), impednsi komplek pd pesmn (.17) menjdi, Z P ω ) = jω L /[() + jω L / R] ( = R (.17) Penggunn yng pling lus di ngkin tl ilh sebgi sutu filte yng selektif untuk sutu leb fekuensi tetentu. Penguh di ngkin tl plel pd sutu sinyl fekuensi tegtung pd bep dekt sinyl tesebut di fekuensi esonnsiny. Selin itu jug tegntung pd sutu kkteistik ngkin yng disebut selektivits. Dimn selektivits itu meupkn fungsi di fkto Q tu fkto kulits di ngkin yng diumuskn dlm pesmn (.18). R Q = (.18) L ω Impednsi ngkin tl plel pd pesmn (.16), jik dengn hg Q pesmn tesebut menjdi, Z P ω) = R /[1 + jq( ω / ω - ω / )] (.19) ( ω Dimn pd st ω = ω, impednsi ngkin plel Z (ω P ) mencpi mksimum pd Z P (ω) = R dn seblikny jik tejdi selisih di ω mk Z (ω) P kn menuju nili minimum. Pd bgin nyt dn imjine di impednsi ngkin plel [ Z ( ω) = R ( ω) + jx ( ω)], ketik ( ω) R yng dinomlkn pd st esonnsi, ( ω) fekuensi ω 1 dn ( ω ) = R /( 1 j). ( ω) Z P + ( ω ) dn ( ω ) = X P 1 = R / P P P P R mencpi X menjdi nol. Tedpt du nili ω, sehingg nili impednsi ( ) = R /( 1 j) P Z P 1 P ω dn R menjdi R/ untuk kedu nili impednsi, sehingg X P R /. Kedu fekuensi tesebut dengn nili Univesits Indonesi

11 fkto kulits Q dpt diumuskn pd pesmn (.), dimn entng di kedu fekuensi tesebut difomulsikn pd pesmn (.1). ω = ± ω Q) + (1 + 4Q ) 1/ ω /( ) (.),1 ( Q ω ω = / Q (.1) 1 ω Untuk ngkin-ngkin gelombng miko selektifivits diuku menuut leb-bidng (bndwidth) fekuensi tehdp nili -3 db. Nmun dlm ksus impednsi penyesuin dibeikn dengn nili VSWR = tu ekivlen dengn nili etun loss sebes -9,54 db. Sehingg pd ksus nten bndwidth didefinisikn sebgi nili fekuensi endh f 1 dn fekuensi tinggi f tehdp nili -9,54 db. Dimn nili f 1 dn f telh dijbkn dlm [41]. Sehingg bndwidth dpt dijbkn menggunkn fomulsi sepeti pd pesmn (.). f BW = f f1 = Q (.) Di pesmn (.) menunjukn betp pentingny fkto Q dlm menentukn selektivits, dimn fkto Q yng endh kn menghsilkn sutu bndwidth yng leb demikin jug seblikny. Sehingg dengn membut du kli lipt jumlh slun ctu mikostip yng disisipkn dibwh slot nten, kn meningktkn efek kopling induktif du kliny. Meningktny efek kopling kn menuunkn fkto kulits Q ngkin tl. Semkin endh fkto kulits Q di ngkin kn membut bndwidth semkin leb..4. Impednsi Kkteistik Slun Mikostip Dlm ksus MSA ini, teknik penctun yng digunkn yitu slun mikostip sec elentomgnetik kopel. Untuk menentukn nili impednsi kkteistik slun yitu dengn menentukn leb w. Dimn leb tesebut bedskn nili pemitivits eltif ε dn tebl substt h sepeti ditunjukkn pd Gmb.6. Univesits Indonesi

12 1 Gmb.6. Stuktu Slun Mikostip Pmete utm yng penting untuk ditentukn pd sutu slun mikostip dlh impednsi kkteistikny Z. Impednsi kkteistik Z di slun micostip dpt dipeoleh dengn menggunkn pendektn sebgi w beikut [3]. Untuk slun sempit dengn dibeikn pd pesmn (.3). h dimn ε Z + = H '.4516 (.3) ( ε + ( ε + 1) 1) ε 1 4h 4h H ' = ln + + (.4) w w w Sedngkn untuk slun yng leb, dengn dibeikn pd pesmn h (.5) w ε ε w Z = ln ε h h ε πε 1 (.5) Sement itu untuk menghitung pnjng gelombng dlm slun λ m mk pelu dikethui nili pmete konstnt dielektik efektif ε eff, sebgi beikut. Untuk slun yng sempit h w 1 dibeikn pd pesmn (.6). Univesits Indonesi

13 ε 1 ( 1) ε ε ef f = + (.6) H '( ε + 1) ε dengn H yng telh dibeikn pd Pesmn (.4). Kemudin untuk slun yng leb h w 1 dibeikn pd pesmn (.7). Dimn : u = W / h = ε.9 b = ε + ε + 1 ε 1 b 1 ε e f f = (.7) ( u / 5) 4 u + ln 4 u u 3 u ln Setelh mengethui nili konstnt dielektik efektif, mk pnjng gelombng dlm slun micostip λ m dpt dipeoleh pd pesmn (.8). λ λ m= (.8) ε e f f Sehingg leb efektif slun w eff untuk menentukn impednsi kkteistik yng diinginkn dpt ditentukn oleh pesmn (.9). w eff 1π h = (.9) Z ε e f f.5. Konsep Ds Anten Mikostip Ay.5.1. Sistem Jingn Penctun Plel Ds konfigusi sistem penctun nten y pel meupkn pembgin du slun becbng yng dingki dlm sutu ngkin menjdi sebuh jingn impednsi. Dimn pd setip slun mempunyi impednsi yng sm (mtching impedns) [3]. d du jenis konfigusi sistem jingn slun ctu, yitu sistem jingn slun ctu pel dn sistem jingn ctu sei. Univesits Indonesi

14 3 Metode yng lzim digunkn untuk slun ctu pd nten mikostip y dpt di ktegoikn menjdi du hl yitu konfigusi slun ctu copote sepeti Gmb.7 dn konfigusi slun ctu plel sepeti Gmb.8. Rngkin pel tu bis disebut copote feed menggunkn stu input dn bebep slun sebgi outputny. Setip cbng slun msing-msing mempunyi elemen disi. Pd ksus nten mikostip y, ngkin pel tebgi menjdi du, ngkin pel stu-dimensionl dn ngkin pel du-dimensionl. Rngkin pel stu-dimensionl menggunkn du konfigusi, sepeti teliht pd Gmb.7 dn untuk du-dimensionl dpt di liht pd Gmb.8. () (b) Gmb.7. Ds Jingn Slun Ctu Copote : () Konfigusi Simetis (b) Konfigusi Asymetis [3]. Univesits Indonesi

15 4 Gmb.8. Jingn Slun Ctu Pel Du-Dimesionl [3]..5.. Sistem Jingn Penctun Sei Sistem jingn penctun sei sepeti teliht pd Gmb.9 tedii di bebep elemen yng disusun sec beuut. Pd jenis ini, gelombng dislukn di input menuju bebn yng dihubungkn pd ujung slun melewti elemen pedisi. Kelemhn di jenis ini dlh memiliki bndwith yng sempit dn dy pnc yng endh [46]. In Lod () In E Lod (b) Gmb.9. Jingn Slun Ctu Sei: () Konfigusi Untnpos (b) Konfigusi Tnpos [3] Univesits Indonesi

16 5.6. Teknik Penyesuin Impednsi Dengn Stub Dlm konfigusi y, impednsi kkteistik slun ctu utm hus sesui dengn impednsi di setip elemen nten g dy yng dikiim di sumbe ke bebn mksiml. Sehingg di setip cbng slun y tesebut hus dibeikn potongn slun penyesuin. Teknik penyesuin tesebut dpt menggunkn teknik btng penyesuin (stub mtching) dn tnfomto λ/4. Pd bgin ini hny membhs teknik penyesuin dengn btng penyesuin. Ckupn fekuensi kej sutu nten tidk hny begntung pd espon fekuensi di elemen pedisi, tetpi jug meupkn kombinsi di slun penctuny. Dlm pktekny impednsi kkteistik slun tnsmisi dlm nili nyt dimn elemen ntenny dlm nili komplek. Begitu pul visi tip fungsi fekuensi tidk sm. Sehingg efisiensi jingn penyesuin hus dincng sedemikin up untuk mendptkn jk fekuensi yng diinginkn [4]. Gmb.1. Slun Ctu Dengn Stub Sei. Bnyk jingn penyesuin yng dpt digunkn untuk menghubungkn slun tnsmisi tehdp elemen nten dn dpt dincng untuk membeikn kkteistik fekuensi yng dpt diteim. Slh stuny dlh teknik penyesuin dengn menggunkn stub. Dimn stub pendek, ls, dihubung sec sei dengn slun tnsmisi bejk ds di pinggi slot, sepeti teliht pd Gmb.1 Slun mikostip dihubung sec shunt dengn stub Univesits Indonesi

17 6 pendek. Dengn mengsumsikn kkteistik impednsi iil, jk ds di kontol untuk membut bgin impednsi iil nten sm tehdp impednsi kkteistik. Pnjng slun ls diubh-ubh smpi ektnsi (suseptnsi) stub sm dlm mgnitudo tetpi belwnn dlm phs pd suseptnsi slun msukn pd titik hubungn elemen slun tnsmisi. Penggunn stub ini dpt meningktkn bndwidth [35]. Pinsip penyesuin impednsi dengn stub yitu dengn membeikn nili kompenssi pd ektnsi tu suseptnsi di bgin imjine nten. Jik sutu nten memiliki impednsi bebn Z L =R + jx, mk hus ditmbhkn dengn nili ektnsi pd slun tnsmisi Z C =R - jx untuk mencpi kondisi sesui Z L =Z C. Nili jk stub d s dn pnjng stub pendek l s telh difomulsikn dlm [4] sepeti teliht dlm pesmn (.3) dn (.31). Di kedu pesmn tesebut λ meupkn pnjng gelombng dn S meupkn gelombng bedii (SWR) pd slun. d S l S λ = cos 4 π λ = tn π 1 1 S S S S 1 (.3) (.31) Univesits Indonesi