BAB II TINJAUAN PUSTAKA. oleh personal area network untuk berkomunikasi secara wireless dalam jarak pendek

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Ultra Wideband Ultra Wideband (UWB) adalah sistem komunikasi jarak pendek yang mempunyai bandwidth yang sangat lebar, agar dapat dikategorikan sebagai komunikasi UWB syarat lebar bandwidth fraksionalnya 20% dari frekuensi tengahnya. UWB merupakan sebuah palform frekuensi radio yang dapat digunakan oleh personal area network untuk berkomunikasi secara wireless dalam jarak pendek namun dengan kecepatan tinggi. UWB memancarkan semburan begitu banyak RF (radio frequency) dimana radiasinya terpancar secara wideband mentransmisikan melalui begitu banyak frekuensi secara simultan. Hal inilah yang memungkin kan kecepatan transfer data yang sangat tinggi [2]. UWB merupakan sistem berspektrum tersebar yang artinya data di encode menjadi gelombang yang diksiarkan pada frekuensi berjangkauan luas. Keuntungan dari UWB adalah kecilnya interferensi karena transmisi disebarkan melalui spektrum radio dan tersebarnya sinyal membuat transmisi lebih sulit dihambat [2]. 2.2 Antena Mikrostrip Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefinisikan sebagai 6

2 salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil [3]. Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Konsep antena mikrostrip diperkenalkan pada awal tahun 1950an di USA oleh Deschamps dan Perancis oleh Gutton dan Baissinot, dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini [3]. Beberapa kemajuan pada area penelitian ini mulai menghasilan perkembangan antena praktis untuk pertama kalinya. Bentuk paling sederhana dalam peralatan mikrostrip adalah berupa sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel yang dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. Konduktor bagian atas adalah potongan metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas) yang merupakan fraksi kecil dari suatu panjang gelombang. Konduktor bagian bawah adalah bidang pentanahan yang secara teori bernilai tak hingga. Keduanya dipisahkan oleh sebuah substrat dielektrik yang non magnetik. Antena mikrostrip merupakan antena yang memiliki massa ringan, mudah untuk difabrikasi, dengan sifatnya yang konformal sehingga dapat ditempatkan pada hampir semua jenis permukaan dan ukurannya kecil dibandingkan dengan antena jenis lain, karena sifat yang dimilikinya, antena mikrostrip sangat sesuai dengan kebutuhan saat ini, sehingga dapat diintegrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran kecil [3]. 7

3 Antena mikrostrip mempunyai struktur yang terdiri dari 3 lapisan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.1 yaitu elemen peradiasi (radiator), elemen substrat (substrate), dan elemen pentanahan (ground) [4]. Gambar 2.1 Struktur dasar antena mikrostrip Elemen peradiasi (radiator) atau biasa disebut sebagai patch, berfungsi untuk meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Jenis logam yang biasanya digunakan adalah tembaga (copper) dengan konduktifitas 5,8 x 107 Siemens/meter. Berdasarkan bentuknya, patch memiliki jenis yang bermacam-macam diantaranya bujur sangkar (square), persegi panjang (rectangular), garis tipis (dipole), lingkaran, elips, segitiga, dll. Gambar 2.2 memperlihatkan beberapa jenis patch dari antena mikrostrip [5]. Gambar 2.2 Beberapa bentuk patch antena mikrostrip 8

4 Bentuk patch bujur sangkar, persegi panjang, garis tipis, dan lingkaran adalah yang paling umum digunakan karena mudah untuk dibuat dan dianalisa, dan memiliki karakteristik radiasi yang menarik, serta memiliki tingkat radiasi polarisasi silang yang kecil [5]. Elemen substrat (substrate) berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan. Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik (εr) dan ketebalannya (h). Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat. Terdapat berbagai jenis substrat yang dapat digunakan dalam perancangan antena mikrostrip dan biasanya yang memiliki rentang konstanta dielektrik 2,2 єr 12. Substrat yang paling baik digunakan untuk menghasilkan performa antena yang baik adalah substrat yang tebal dan memiliki konstanta dielektrik yang kecil, karena akan menghasilkan efisiensi yang baik dan bandwidth yang besar [5]. Sedangkan elemen pentanahan (ground) berfungsi sebagai pembumian bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga [5]. 2.3 Parameter Antena Beberapa parameter antena yang perlu diperhatikan dalam merancang antena adalah sebagai: 9

5 1. Return Loss Return loss (RL) adalah kehilangan sejumlah daya yang dipantulkan kembali ke sumber diakibatkan karena gangguan transmisi atau rangkian yang tidak matching. Parameter ini memilki hubungan dengan daya sinyal yang dipantulkan pada sambungan sistem transmisi. Sambungan dapat menyebabkan ketidaksesuaian antara sistem dengan perangkat yang dihubungkan. Parameter ini umumnya dinyatakan sebagai perbandingan dalam satuan desibel (db) dalam tanda negatif. Nilai RL harus sekecil mungkin, jika dalam db berarti harus bernilai negatif sebesar mungkin. Hubungan return loss (RL) dengan daya yang dipantulkan (Pr) dan daya yang datang (Pi) dapat dilihat pada Persamaan 2.1 [6]. P r RL( db) = 10 log10 (2.1) P i RL memilki hubungan dengan standing wave ratio (SWR) dan koefisien refleksi. Peningkatan RL menyebabkan menurunnya nilai SWR. Dalam aplikasi modern, RL digunakan sebagai acuan untuk SWR karena mempunyai resolusi yang lebih baik untuk nilai kecil dari sinyal yang dipantulkan. RL dapat dinyatakan sebagai negatif dari magnitud koefisien refleksi ( Γ ). Daya yang dinyatakan dalam RL dapat dinyatakan sebagai kuadrat dari tegangan yang dinyatakan koefisien refleksi. Hubungan koefisien refleksi dengan RL dapat dilihat pada Persamaan 2.1 dan 2.3 [6]. V V r Γ = (2.2) i 10

6 RL ( db) = 20log10 Γ (2.3) 2. Standing Wave Ratio (SWR) SWR dapat dinyatakan dalam Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) atau Power Standing Wave Ratio (PSWR). Tegangan memilki hubungan dengan daya dimana daya merupakan kuadrat tegangan. Umumnya yang banyak digunakan dalam aplikasi adalah VSWR [6]. Tegangan yang timbul akibat adanya ketidaksesuaian impedansi disebabkan pengaruh dari tegangan yang datang dan tegangan yang dipantulkan. Dibeberapa bagian kedua gelombang tersebut saling mengganggu. VSWR merupakan perbandingan dari nilai maksimum (Vmax) dengan nilai minimum (Vmin) yang terbentuk dari kedua gelombang tersebut. Dalam persamaan matematisnya dapat dilihat pada Persamaan 2.4 [6]. Vmax 1+ Γ VSWR = = (2.4) V 1 Γ min Rentang nilai koefisien refleksi adalah -1 hingga 1. Dalam hubungannya dengan VSWR rentangnya menjadi 0 hingga 1, sehingga rentang nilai VSWR lebih besar sama dengan 1. VSWR juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan dari amplitudo maksimum terhadap amplitudo minimum dari kuat medan elektrik (Emax/Emin) [6]. 11

7 3. Impedansi Input Impedansi input didefenisikan sebagai impedansi yang dihasilkan pada antena pada terminal atau perbandingan antara tegangan dan arus pada pasangan terminal atau rasio yang sesuai dari komponen medan listrik dan komponen medan magnetic pada suatu titik. Impedansi antena (ZA) terdiri dari komponen real (RA) dan komponen imajiner (XA) seperti terlihat pada Persamaan 2.5 [6]. ZA = RA + XA (2.5) Komponen real terdiri dari impedansi antena merupakan komponen resistif sedangkan komponen imajiner merupakan komponen reaktif. Impedansi antena merupakan fungsi dari komponen frekuensi. Nilainya bergantung pada frekuensi kerja antena. Frekuensi resonansi terjadi ketika komponen reaktif saling meniadakan. Nilai impedansi mempengaruhi kesesuaian impedeansi antara antena dengan saluran yang digunakan. Komponen reaktif terdiri dari komponen induktansi yang bernilai positif dan komponen kapasitansi yang bernilai negatif [6]. 4. Bandwidth Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai selisih batas frekuensi dalam kinerja suatu perangkat, berhubungan dengan karakteristiknya dalam batas tertentu. Umumnya yang digunakan adalah karakteristik nilai RL dari antena. Perhitungan bandwidth dapat dilihat pada Persamaan 2.6 [6]. f u f l Bandwidth = x100% (2.6) f c 12

8 Dimana fu merupakan frekuensi tertinggi, fi adalah frekuensi terendah dan fc merupakan frekuensi tengah. Standar bandwidth yang banyak digunakan adalah nilai RL di bawah -10 db. Hal tersebut menunjukkan daya sinyal yang diterima atau dipancarkan antena mencapai 90% dari daya yang datang [6]. 2.4 Antena Spiral Archimedean Struktur antena spiral archimedean bertujuan untuk mendapatkan broadband yang stabil. Pada penelitian lebih lanjut membuktikan bahwa spiral archimedean bukan merupakan suatu struktur antena yang bebas frekuensi karena jarak diantara kedua lengannya adalah konstan dan bukan merupakan suatu sudut [7]. Secara umum spiral archimedean menggunakan feed yang seimbang pada pusat permukaan spiral dan daerah radiasi utama difokuskan pada rata-rata lingkar dari suatu rentang panjang gelombang dan juga diketahui sebagai zona radiasi efektif. Ketika frekuensi berubah maka zona radiasinya juga berubah tetapi pola dasarnya tidak berubah. Bahkan ketika zona radiasi efektif berada pada daerah terluar sementara frekuensinya berada pada frekuensi pengeoperasian terkecil [8]. Pada setiap lengan dari antena Spiral Archimedean secara linear sepadan dengan sudut φ dan dijelaskan hubungannya pada Persamaan 2.7 [9]. r = roφ + r1 dan r = ro (φ -π) + r1 (2.7) dimana r1 adalah jari-jari sebelah dalam dari spiral. Kesepadanan yang konstan ini ditentukan dari lebar setiap lengan w dan jarak antara setiap putaran s, dimana keseimbangan spiralnya ditunjukkan pada Gambar

9 Gambar 2.3 Geometri antena spiral archimedean Persamaan lengan spiralnya terdapat pada Persamaan 2.8 [9]. s + w 2w r o = = (2.8) π π Lebar bidang setiap lengan dapat dicari dari Persamaan 2.9 [9]. r2 r1 s = w = w 2 N (2.9) dengan mengasumsikan bahwa Persamaan 2.9 sebagai keseimbangan spiralnya maka jarak atau lebar dapat ditulis pada Persamaan 2.10 [9]. 14

10 r r1 s = w = (2.10) 4N 2 dimana r2 adalah radius terluar spiral dan N adalah jumlah putaran. Persamaan di atas digunakan untuk menghitung dua lengan spiral archimedean, tetapi dalam beberapa permasalahan empat lengan spiral lebar lengannya menjadi [9]: r2 r1 w4 arm = (2.11) 8N dan r 4w arm (2.12) π o, 4 = Titik operasi frekuensi rendah spiral ditentukan secara teori oleh radius terluar dan itu ditentukan oleh Persamaan 2.13 [9]. f low c = (2.13) 2 π r 2 dimana c adalah kecepatan cahaya. Dengan cara yang sama titik operasi frekuensi tinggi didasarkan pada radius terdalam yang diberikan oleh Persamaan 2.14 [9]. f high c = (2.14) 2 π r 1 Pada prakteknya, titik frekuensi rendah akan lebih besar dari pada hasil perhitungan Persamaan 2.13 karena refleksi dari akhir spiral. Refleksi bisa diperkecil 15

11 dengan menggunakan hambatan pada akhir setiap lengan atau denagn cara penambahan rugi konduktifitas pada beberapa bagian luar putaran setiap lengan. Batas frekuensi tinggi memungkinkan lebih kecil dari hasil yang didapat dari Persamaan 2.14 karena dampak dari daerah feed spiral [9]. 2.5 Aplikasi-aplikasi Telekomunikasi pada Level UHF Terdapat beberapa aplikasi pada level UHF yaitu pendeteksian partial discharge, televisi, GPS, CDMA, GSM, WiMAX, WiFi dan high frequency detector (HFD). Partial discharge (PD) merupakan local breakdown yang terjadi pada isolasi tegangan tinggi. Isolasi sulfur hexafluoride (SF6) pada gas insulation substation (GIS) memiliki karakteristik pulsa dengan waktu naik (rise time) dalam orde nano hingga piko detik. Hal ini meyebabkan gelombang elektromagnetik yang dihasilkan dalam rentang UHF yaitu 300MHz 3GHz. PD menghasilkan pulsa arus dalam orde nanodetik. Terbentuknya pulsa diikuti dengan perubahan medan listrik. Jika perubahan ini terjadi secara kontinu maka akan terbentuk gelombang elektromagnetik yang merambat ke segala arah. Perambatan gelombang elektromagnetik sangat dipengaruhi oleh media rambat dan bentuk geometri lingkungan sekitar [6]. PD menghasilkan pulsa arus dalam orde nanodetik. Terbentuknya pulsa arus diikuti dengan perubahan medan listrik. Jika perubahan ini terjadi secara kontinu maka akan terbentuk gelombang elektromagnetik yang merambat ke segala arah. Perambatan (propagasi) gelombang elektromagnetik sangat dipengaruhi oleh media 16

12 rambat dan bentuk geometri lingkungan sekitar. Pada GIS propagasi gelombang elektromagnetik dapat dimodelkan seperti kabel koaksial. Pada Gambar 2.4 dapat dilihat skema gelombang elektromagnetik pada GIS [6]. Gambar 2.4 Gelombang Elektromagnetik pada GIS Gelombang elektromagnetik yang dihasilkan PD pada GIS normalnya terjadi pada pecahan kecil dari jarak antara dua konduktor. Pada eksperimen yang telah banyak dilakukan menggunakan jarum yang diletakan pada konduktor GIS. Pulsa PD yang dihasilkan dapat menyebabkan timbulnya gelombang elektromagnetik. Bentuk pulsa arus i(t) pada sumber PD sangat penting untuk menentukan karakteristik dari sinyal UHF. Cacat yang terjadi pada isolasi atau konduktor pada GIS mempengaruhi bentuk dari pulsa arus tersebut. Energi yang diradiasikan dalam rentang UHF sangat bergantung pada laju dari perubahan arus PD. dapat disimpulkan untuk bentuk pulsa yang didapatkan amplitudo sinyal UHF memiliki hubungan linear terhadap arus yang mengalir pada sumber PD [6]. Untuk kerusakan kecil, ampiltudo sinyal proposional dengan hasil dari perkalian muatan yang terkandung pada sumber PD dengan jarak muatan tersebut 17

13 mengalir ketika bentuk pulsa tetap. Posisi dari sumber PD juga mempengaruhi sinyal UHF yang dihasilkan. Hal ini disebabkan koefisien kopling dari jalur gelombang yang berbeda untuk setiap bagian dari GIS [6]. Televisi adalah alat pengangkap siaran bergambar. Kata televisi berasal dari kata tele dan vision yang mempunyai arti masing-masing jauh dan tampak. Saluran televisi menggunakan frekuensi 700 MHz [10]. GPS atau global positioning system merupakan sistem radio navigasi dan penentuan posisi dengan menggunakan satelit yang dimiliki dan dikelola oleh Departemen Pertahanan dan Keamanan Amerika Serikat. GPS menggunakan frekuensi 1,5 GHz dan terdapat di setiap permukaan bumi. Setiap titik dipermukaan bumi akan dicakup oleh minimal 3 satelit [11]. GSM (global system for mobile) dan CDMA (code division multiple access) merupakan teknologi telekomunikasi di bidang seluler. Frekuensi GSM berada pada pita 900 dan 1800 MHz dan CDMA berada pada pita frekuensi 800 dan 1900 MHz sehingga masih dalam cakupan frekuensi UHF [12,13]. WiMAX oleh WiMAX forum didefenisikan sebagai standar teknologi yang memungkinkan akses broadband wireless last mile sebagai alternatif broadband kabel dan DSL. Berdasarkan panduan penataan frekuensi radio yang dikeluarkan oleh Ditjen Pos dan Telekomunikasi Depkominfo selaku regulator, WiMAX di Indonesia dialokasikan pada frekuensi 2,3 GHz yaitu diantara frekuensi MHz [14]. WiFi merupakan singkatan dari wireless fidelity yaitu sekumpulan standar yang digunakan untuk jaringan lokal nirkabel (wireless local area network) Di 18

14 Indonesia standar ini didasari pada spesifikasi IEEE Standar IEEE sendiri memilki 2 macam frekuensi range yaitu 5 GHz dan 2,4 GHz [15]. Bluetooth adalah sebuah teknologi komunikasi wireless (tanpa kabel) yang beroperasi dalam pita frekuensi 2,4 GHz unlicensed ISM (Industrial, Scientific and Medical) dengan menggunakan sebuah frequency hopping tranceiver yang mampu menyediakan layanan komunikasi data dan suara secara real-time antara host-host bluetooth dengan jarak jangkauan layanan yang terbatas [16]. HFD adalah perangkat yang berfungsi untuk memantau dan mengambil sampel daya frekuensi radio pada rangkaian atau perangkat yang menghasilkan medan elektromagnetik. Penggunaan HFD sendiri sangat penting dalam mengukur sinyal radio frekuensi karena sinyal radio frekuensi merupakan faktor utama dalam sistem telekomunikasi [17]. 19