UNIVERSITAS INDONESIA. RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL CSRR PADA FREKUENSI 2,6 2,7 GHz SKRIPSI

Transkripsi

1 UNIVERSITAS INDONESIA RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL CSRR PADA FREKUENSI 2,6 2,7 GHz SKRIPSI GINDY NUANSA FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO DEPOK DESEMBER 2011

2 UNIVERSITAS INDONESIA RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL CSRR PADA FREKUENSI 2,6 2,7 GHz SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik GINDY NUANSA FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO DEPOK DESEMBER 2011 ii

3 HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar. Nama : Gindy Nuansa NPM : Tanda Tangan : Tanggal : 27 Desember 2011 iii

4 20 Januari 2012 iv

5 UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada : Dr. Fitri Yuli Zulkifli, ST, M.Sc. selaku dosen pembimbing I, dan kepada : Prof. Dr. Ir. Eko Tjipto Rahardjo, M.Sc. selaku dosen pembimbing II, serta kepada : Basari, ST. M.Eng. Ph.D. selaku dosen pembimbing III, yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan pengarahan, diskusi, bimbingan, dan tempat untuk eksperimen sebagai bagian dari penelitian pada Antenna and Microwave Research Group (AMRG), serta persetujuan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik. Depok, 27 Desember 2011 Penulis, Gindy Nuansa NPM v

6 HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI SKRIPSI UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai sivitas akademik, saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Gindy Nuansa NPM : Program Studi : Teknik Elektro Departemen Fakultas Jenis Karya : Teknik Elektro : Teknik : Skripsi demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul: RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL CSRR PADA FREKUENSI 2,6 2,7 GHz beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan mempublikasikan skripsi saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di : Depok Pada tanggal : 20 Januari 2012 Yang menyatakan (Gindy Nuansa) vi

7 ABSTRAK Nama : Gindy Nuansa Program Studi : Teknik Elektro Judul : Rancang Bangun Antena Mikrostrip Dengan Metamaterial CSRR Pada Frekuensi Kerja 2,6 2,7 GHz Pembimbing : Dr. Fitri Yuli Zulkifli, ST, MSc. Mengintegrasikan transceiver seluruhnya dalam sebuah chip tunggal merupakan visi masa depan dari sistem nirkabel. Namun demikian, antena dapat dikatakan komponen berukuran terbesar pada sistem ini, sehingga miniaturisasi antena adalah proses yang diperlukan untuk memperoleh rancangan yang optimal. Dan metode yang dipilih untuk miniaturisasi antena adalah dengan pemanfaatan elemen metamaterial Complementary Split-Ring Resonator (CSRR) permitivitas negatif, yang dicetak pada bidang ground antena mikrostrip yang diaplikasikan pada frekuensi kerja 2,6 2,7 GHz. Hasil simulasi menunjukkan ukuran antena dapat direduksi sampai 32% dengan bandwidth (-10dB) sebesar 140 MHz (2,58 2,72 GHz) dan return loss 32,4dB di frekuensi 2,646 GHz. Sedangkan hasil pengukuran mengalami penurunan lebar bandwidth (90MHz) namun masih berada pada frekuensi kerja yang ditentukan. Ini menunjukkan bahwa penempatan elemen metamaterial CSRR pada bidang ground antena mikrostrip dapat memperkecil dimensi antena. Kata kunci : antena mikrostrip, metamaterial, CSRR vii

8 ABSTRACT Name Study Program Title Supervisor : Gindy Nuansa : Teknik Elektro : Design of microstrip antenna with CSRR metamaterial at working frequency GHz. : Dr. Fitri Yuli Zulkifli, ST, MSc. Integrating a transceiver entirely in a single chip is the future vision in wireless system. However, antenna is the largest component in this system, so it makes antenna miniaturization an important thing to do to achieve the optimal design. The chosen method for antenna miniaturization is by using negative permittivity Complementary Split-Ring Resonator (CSRR) metamaterial structure, printed on a ground plane at working frequency GHz. From the simulation, the final design has successfully reduce 32% of the microstrip dimension, which has 140 MHz of bandwidth (-10dB) centered at GHz with a return loss of 32.4dB. From the measurement, the antenna has narrower bandwidth (90 MHz), but still inside the working frequency of antenna. This proves that CSRR metamaterial structure placed on the ground plane can make the antenna miniaturization possible. Keyword : microstrip antenna, metamaterial, CSRR viii

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... iii HALAMAN PENGESAHAN...iv UCAPAN TERIMA KASIH... v PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI...vi ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii DAFTAR ISI...ix DAFTAR GAMBAR...xi DAFTAR SINGKATAN... xii BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Batasan Masalah Metode Penelitian Sistematika Penulisan... 3 BAB 2 ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL CSRR Antena Parameter-parameter Antena Daerah Radiasi Antena Antena Mikrostrip Struktur Dasar Antena Mikrostrip Teknik Pencatuan Mikrostrip Lebar Pencatu Saluran Mikrostrip Panjang Pencatu Saluran Mikrostrip Metamaterial Complementary Split-Ring Resonator (CSRR) Dualitas SRR dan CSRR Ekstraksi Parameter CSRR BAB 3 METODE PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA Pendahuluan Perangkat Yang Digunakan Diagram Alir Perancangan Antena Perancangan Antena Hasil Simulasi Hasil Simulasi Awal Hasil Simulasi Akhir BAB 4 FABRIKASI DAN PENGUKURAN ANTENA Kondisi Pengukuran Antena Pengukuran Port Tunggal Pengukuran Return Loss Antena Mikrostrip Tanpa CSRR Pengukuran Return Loss Antena Mikrostrip CSRR ix

10 4.2.3 Pengukuran Port Ganda Pengukuran gain Antena Mikrostrip Dengan CSRR Pengukuran Pola Radiasi Antena Mikrostrip Dengan CSRR Analisis Hasil Pengukuran Pengukuran Port Tunggal Pengukuran Port Ganda BAB 5 KESIMPULAN DAFTAR PUSTAKA DAFTAR ACUAN x

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pola radiasi... 5 Gambar 2.2 Contoh grafik return loss vs frekuensi... 7 Gambar 2.3 Impedansi masukan, karakteristik dan beban... 8 Gambar 2.4 Daerah Medan Antena... 9 Gambar 2.5 Beberapa contoh bentuk antena mikrostrip Gambar 2.6 Antena mikrostrip Gambar 2.7 Struktur Pencatu Gambar 2.8 Klasifikasi material berdasarkan ɛ dan µ Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen Gambar 2.10 Struktur dan rangkaian ekivalen SRR dan CSRR Gambar 2.11 Struktur dan rangkaian ekivalen CSRR left-handed dan ɛ negatif Gambar 3.1 Diagram alir perancangan antena Gambar 3.2 Mikrostrip tanpa CSRR Gambar 3.3 Sisi bawah antena mikrostrip dengan CSRR, disertai ukuran CSRR Gambar 3.4 Grafik S 11 perbandingan frekuensi kerja antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR Gambar 3.5 Grafik S 11 dari iterasi ukuran CSRR pada antena mikrostrip Gambar 3.6 Grafik S 11 dari iterasi panjang saluran pencatu Gambar 3.7 Grafik S 11 dari iterasi panjang strip konduktor Gambar 3.8 Dimensi akhir antena mikrostrip setelah menempatkan elemen CSRR pada bidang ground Gambar 3.9 Grafik perbandingan frekuensi antena mikrostrip tanpa CSRR dengan yang telah diminiaturisasi Gambar 3.10 Perbandingan gain antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR dengan range frekuensi 2 3 GHz Gambar 3.11 Pola radiasi antena mikrostrip tanpa CSRR) Gambar 3.12 Pola radiasi antena mikrostrip dengan CSRR Gambar 3.13 Grafik perbandingan impedansi masukan antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR Gambar 4.1 Antena mikrostrip tanpa CSRR Gambar 4.2 Antena mikrostrip dengan CSRR Gambar 4.3 Tampak belakang dari antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR Gambar 4.4 Konfigurasi pengukuran antena pada Network Analyzer Gambar 4.5 Grafik return loss untuk hasil simulasi (biru) dan pengukuran (merah) Gambar 4.6 Grafik return loss pada simulasi (biru) dan pengukuran (merah) Gambar 4.7 Pola radiasi 3D Mikrostrip CSRR Gambar 4.8 Pola radiasi medan-e (polarisasi-co) untuk xi

12 pengukuran dan simulasi Gambar 4.9 Pola radiasi medan-e (polarisasi-cross) untuk pengukuran dan simulasi Gambar 4.10 Pola radiasi E-co dan E-cross hasil pengukuran xii

13 DAFTAR SINGKATAN CST CSRR SRR VSWR AUT RF LHM NRI DNG SNG BW SMA : Computer Simulation Technology : Complementary Split-Ring Resonator : Split-Ring Resonator : Voltage Standing Wave Ratio : Antenna Under Test : Radio Frequency : Left-Handed Media : Negatif Refractive Index : Double-Negative Material : Single Negative Material : Backward Wave : SubMiniature version A xiii

14 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Antena sebagai bagian dari perangkat telekomunikasi nirkabel memiliki peran yang sangat penting sebagai pengubah energi listrik pada perangkat pemancar menjadi energi yang dapat diradiasikan di ruang bebas dan sebaliknya. Kebutuhan akan antena yang berdimensi kecil untuk dipasang pada perangkatperangkat mobile saat ini membuat banyak dilakukan penelitian dan perancangan antena sesuai kebutuhan tersebut. Jenis antena yang paling sesuai untuk kondisi tersebut adalah antena mikrostrip dikarenakan ukurannya yang kecil, berbentuk pipih dan biaya perakitannya yang cukup murah. Terlebih lagi, dikarenakan perakitannya yang berdasarkan teknik rangkaian tercetak, antena mikrostrip dapat diintegrasikan dengan rangkaian IC lainnya di dalam sebuah ponsel atau laptop. Perkembangan terkini pada teknologi komunikasi dan kebutuhan pasar yang cukup signifikan terhadap komunikasi nirkabel membuat dibutuhkannya sistem nirkabel terintegrasi yang lebih kecil, hemat daya serta dapat diandalkan. Mengintegrasikan transceiver seluruhnya dalam sebuah chip tunggal merupakan visi masa depan dari sistem nirkabel. Namun demikian, antena dapat dikatakan komponen berukuran terbesar pada sistem ini, sehingga miniaturisasi antena adalah proses yang diperlukan untuk memperoleh rancangan yang optimal bagi sistem nirkabel terintegrasi. Terdapat beberapa metode yang dapat dicoba untuk memperkecil dimensi antena mikrostrip antara lain: penggunaan banyak celah pada tepi patch[1], menggunakan substrat dengan permukaan berimpedansi reaktif tinggi[2], melipat patch dan ground[3], dan lain sebagainya. Dan metode yang dipilih adalah dengan pemanfaatan elemen metamaterial Complementary Split- Ring Resonator (CSRR). Pemilihan CSRR dikarenakan ukurannya yang kecil[4], bebas via, serta tidak perlu memperbesar dimensi mikrostrip karena CSRR cukup dicetak pada bidang ground, sehingga cukup sesuai dengan proses miniaturisasi antena. 1

15 2 Terdapat beberapa buku dan jurnal terkait elemen metamaterial CSRR yang menunjukkan beberapa keuntungan penggunaan elemen tersebut. Antara lain pemanfaatan array CSRR untuk meningkatkan gain antena[5], membentuk polarisasi melingkar[6], memperlebar bandwidth antena[7][8] serta miniaturisasi dimensi antena[9]. Dan juga telah dibahas secara terinci tentang karakteristik dan model rangkaian dari CSRR[10]. Elemen metamaterial pada dasarnya merupakan media komposit buatan yang mampu merubah permitivitas dan/atau permeabilitas menjadi bernilai negatif. Buatan di sini bukan dimaksudkan membuat sebuah partikel atau materi baru melainkan memodifikasi materi yang ada sehingga memiliki struktur rangkaian dengan ɛ r dan/atau µ r negatif. Nilai ɛ r dan µ r negatif (disebut juga lefthanded metamaterial) memberikan efek propagasi backward-wave, di mana medan E dan H tetap pada arah right-handed, namun energi dan fron gelombang pada arah sebaliknya (backward). Backward-wave dibuktikan dengan kecepatan grup dan fasa yang berbeda tanda positif dan negatif, v p v g < 0. Elemen CSRR terdiri dari dua ring slot (lingkaran atau segiempat) di mana slot sisi dalam dan luar dipisahkan sebuah strip metal, dan CSRR dicetak di bidang ground antena mikrostrip. Rangkaian ekivalen dari CSRR cukup sederhana dengan sebuah induktansi dan sebuah kapasitansi yang terpasang paralel (LC paralel). Nilai induktansi dan kapasitansi ditentukan oleh ukuran lebar dari ring dan slot CSRR. Jenis antena dan bentuk dari CSRR mengadopsi dari jurnal[7] namun dengan perbedaan pada bentuk pencatu, tebal substrat, dan frekuensi kerja antena serta tujuan perancangan yang lebih memfokuskan pada proses miniaturisasi antena. 1.2 Tujuan Penulisan Tujuan dari skripsi ini adalah meminiaturisasi antena mikrostrip dengan memanfaatkan elemen metamaterial permitivitas negatif CSRR pada frekuensi kerja 2,6-2,7 GHz. Di mana jika frekuensi kerja antena mikrostrip dengan elemen CSRR lebih kecil, maka miniaturisasi antena dapat dimungkinkan karena untuk menaikkan frekuensi kerja, dimensi antena harus lebih kecil.

16 3 1.3 Batasan Masalah Skripsi difokuskan pada beberapa hal antara lain; miniaturisasi antena mikrostrip untuk bekerja pada frekuensi 2,6 2,7 GHz, membandingkan ukuran antena mikrostrip, tanpa dengan CSRR, menunjukkan karakteristik return loss, gain, dan pola radiasi antena mikrostrip CSRR, simulasi dan pengukuran, serta hanya menggunakan perangkat lunak CST Microwave Studio untuk mensimulasikan antena mikrostrip. 1.4 Metode Penulisan Tulisan skripsi ini disusun berdasarkan sumber literatur, baik dari, buku, jurnal maupun artikel-artikel di internet yang terkait dengan perancangan antena mikrostrip dan elemen metamaterial. 1.5 Sistematika Penulisan Penulisan skripsi ini akan dibagi dalam lima bagian besar, yaitu : Bab 1 Pendahuluan Bagian ini terdiri dari latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah, dan sistematika penulisan. Bab 2 Antena Mikrostrip dengan Metamaterial CSRR Bagian ini akan berisi tentang bahasan teori dasar mengenai antena mikrostrip, elemen metamaterial dan metode miniaturisasi antena. Bab 3 Metode Perancangan dan Simulasi Antena Bagian ini memberikan penjelasan mengenai tahapan perancangan antena dengan penggunaan CSRR, tahapan proses simulasi dan iterasinya. Bab 4 Hasil Perancangan dan Analisa Data Bagian ini menampilkan perbandingan dari hasil simulasi dan pengukuran yang disertai analisa data. Bab 5 Kesimpulan Bab ini berisi poin-poin penting dari hasil keseluruhan perancangan antena.

17 BAB 2 ANTENA MIKROSTRIP DENGAN METAMATERIAL CSRR 2.1 Antena Antena merupakan sebuah alat yang digunakan untuk mengirim dan menerima gelombang elektromagnetik di ruang bebas. Antena dapat dipandang sebagai sebuah antarmuka antara saluran transmisi dengan ruang bebas. Antena dibedakan ke dalam dua kategori, aktif dan pasif. Antena pasif merupakan perangkat yang resiprokal, di mana dapat digunakan baik sebagai mengirim maupun penerima sinyal informasi. Sedangkan antena aktif merupakan perangkat yang tidak resiprokal, berfungsi sebagai pengirim atau penerima saja. Terdapat beberapa jenis antena antara lain[11]: a. Antena kawat (seperti antena loop dan dipole) b. Antena aperture c. Antena susun/array d. Antena mikrostrip e. Antena lensa f. Antena reflektor (seperti antena parabola) 2.2 Parameter Parameter Antena Pada antena RF, beberapa konsep penting harus dipahami untuk mendapatkan performa antena yang baik. Parameter-parameter tersebut antara lain pola radiasi, gain, impedansi masukan, voltage standing wave ratio (VSWR), dan bandwidth. Pola radiasi menyediakan data yang menggambarkan bagaimana sebuah antena mengarahkan energi yang diradiasikannya dan pola ini ditentukan pada daerah medan jauh (daerah farfield). Data ditampilkan dalam bentuk plot polar untuk putaran horizontal (azimuth) dan vertikal (elevasi). Potongan horizontal mewakili medan H antena, dan potongan vertikal menandakan radiasi medan E (lihat Gambar 2.1). Untuk antena dipole atau monopole, pola radiasi akan berbentuk omnidirectional, atau menyerupai bentuk donat, sehingga medan H berbentuk lingkaran dan medan E menyerupai angka delapan. Sedangkan antena 4

18 5 jenis lain akan memiliki pola radiasi yang sesuai dengan bentuk antena, yang mana akan memunculkan pola radiasi yang terdiri dari main lobe, side lobe dan back lobe. Main lobe harus selalu lebih besar dari side lobe dan back lobe, yang menandakan antena berpropagasi pada arah yang seharusnya. Gambar 2.1 Pola radiasi[12] Gain antena diartikan sebagai perbandingan antara intensitas radiasi pada arah tertentu terhadap intensitas radiasi secara isotropis dari daya yang diterima antena. Dengan kata lain, gain menandakan seberapa jauh sinyal dapat dikirim pada jarak tertentu. Dapat dituliskan[11]: (2.1) Ketika antena memiliki gain yang lebih tinggi, daya tidak akan naik, akan tetapi bentuk medan radiasi akan memperjauh jarak dari gelombang propagasi. Semakin tinggi gain, semakin jauh gelombang akan terkirim dengan cara lebih memfokuskan gelombang keluarannya. Gain antena harus sebanding dengan direktivitasnya jika antena berefisiensi 100%. Total gain adalah jumlah dari gain parsial untuk kedua polarisasi ortogonal. Antena dengan radiasi isotropis sulit dibuat sehingga untuk pengukuran gain digunakan antena dipole setengah gelombang sebagai referensi, yang memberikan persamaan untuk gain

19 6 menjadi[13]: (2.2) Hubungan antara gain dari referensi dipole dengan antena isotropis dirumuskan[11] (2.3) Umumnya untuk pengukuran antena, gain diperoleh dengan menggunakan tiga antena. Satu antena pemancar (biasanya antena horn), dan antena penerima adalah antena dipole sebagai referensi dan AUT (Antenna Under Test) yang mana akan dihitung besar gain-nya. Sedangkan M AUT adalah faktor koreksi. Perhitungan gain (untuk polarisasi linier) setelah pengukuran diperoleh dengan persamaan[14]: (2.4) (2.5) Bandwidth adalah daerah frekuensi ketika antena beradiasi secara efisien di mana antena telah memenuhi kriteria performa yang diinginkan. Persamaaan yang terkait dengan bandwidth untuk contoh grafik yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 diberikan oleh (2.6) Bandwidth diukur pada VSWR dengan level sesuai yang diharapkan oleh perancang. Namun level yang umum digunakan adalah VSWR = 1 : 2 atau VSWR = 1 : 1,5. Dapat dilihat contoh Gambar 2.2 yang menunjukkan bandwidth sebesar 2,1 MHz yang terhitung dari level return loss 10dB (VSWR = 1 : 2) pada frekuensi kerja 94,25 MHz.

20 7 Gambar 2.2 Contoh grafik return loss vs frekuensi[16] Return loss dapat dihitung dengan[15] (2.7) di mana hubungan dengan VSWR dirumuskan (2.8) Impedansi masukan adalah impedansi pada antena yang terukur pada titik-titik terminal masukan antena atau perbandingan antara tegangan dan arus pada sepasang terminal masukan antena. Dengan kata lain, impedansi masukan merupakan total impedansi dari impedansi karakteristik (saluran transmisi) Z 0, dan impedansi beban (antena) Z L (lihat Gambar 2.5), yang dapat dirumuskan (tanpa rugi-rugi) dengan persamaan: (2.9) (2.10) dengan β adalah konstanta propagasi dan βl adalah electrical length. Sedangkan impedansi karakteristik saluran Z 0, untuk kabel koaksial, diperoleh dengan:

21 8 (2.11) Dengan ɛ r adalah permitivitas lapisan dielektrik kabel koaksial (teflon), D adalah diameter luar kabel (konduktor luar) dan d adalah diameter dalam kabel (konduktor inti). Untuk impedansi beban (Z l ) nilainya tergantung dari jenis antena yang digunakan. Gambar 2.3 Impedansi masukan, karakteristik dan beban[17]. Untuk rangkaian saluran transmisi di atas (Gambar 2.3), kita artikan koefisien refleksi tegangan pada beban sebagai rasio tegangan pantul dengan tegangan datang, yang dirumuskan[15]: (2.12) Hal terpenting yang perlu diingat adalah bahwa impedansi masukan adalah sebuah fungsi dari panjang saluran. Sehingga, koefisien refleksi juga dapat dikatakan sebagai fungsi dari panjang saluran. Koefisien refleksi yang dirumuskan sebelumnya merupakan koefisien refleksi pada beban. Sedangkan untuk koefisien refleksi sepanjang saluran dirumuskan: (2.13) Sehingga magnituda Γ tidak akan berubah di sepanjang saluran, hanya fasanya yang berubah. Kombinasi dari gelombang berjalan maju dan mundur menghasilkan sebuah gelombang-berdiri (standing-wave), yang disebut demikian karena posisi sinyal maksimum dan minimum tidak berubah terhadap waktu. Bentuk dari

22 9 gelombang-berdiri ini adalah sebuah fungsi dari impedansi beban. Gelombangberdiri didefenisikan dengan: (2.14) 2.3 Daerah Radiasi Antena Daerah antena merupakan pembatas dari karakteristik gelombang elektromagnetika yang dipancarkan oleh antena. Ruang di sekeliling antena biasanya dibagi dalam tiga daerah, diperlihatkan pada Gambar 2.4 di bawah ini: Gambar 2.4 Daerah Medan Antena[18] a. Daerah medan dekat reaktif. Daerah ini didefinisikan sebagai bagian dari daerah medan dekat di sekitar antena, dimana daerah reaktif lebih dominan. Untuk kebanyakan antena batas terluar daerah ini adalah[19]: (2.15) Di mana adalah panjang gelombang dan D adalah dimensi antena. b. Daerah medan dekat radiatif (fresnel zone). Didefinisikan sebagai daerah medan antena antara medan-dekat reaktif dan daerah medan jauh dimana medan radiasi dominan dan distribusi medan

23 10 bergantung pada jarak dari antena. Daerah ini disebut daerah Fresnel. Radiusnya: (2.16) c. Daerah medan jauh. Merupakan daerah medan antena dimana distribusi medan tidak lagi bergantung pada jarak dari antena. Di daerah ini, komponen medan transversal dan distribusi angular tidak bergantung pada jarak radial dimana pengukuran dibuat. Semua spesifikasi diperoleh dari pengukuran yang dilakukan di daerah ini. Persamaannya adalah: (2.17) 2.4 Antena Mikrostrip Dari semua jenis antena, antena mikrostrip telah menjadi antena dengan banyak variasi pada metode pencatuan, bentuk dan arsitekturnya. Konsep radiator mikrostrip pertama kali diajukan oleh Deschamps di tahun Pada tahun 1970, perkembangan semakin cepat dengan ketersediaan substrat yang lebih baik, teknik potolitografi yang semakin berkembang, model teoritis yang lebih baik dan properti mekanis dan termal yang lebih menarik. Antena mikrostrip dapat diartikan sebagai sebuah struktur yang memiliki patch konduktif yang tercetak di atas substrat microwave yang memiliki ground tercetak di bawahnya. Teknologi antena mikrostrip berkembang karena keuntungan-keuntungan yang dimiliki khususnya strukturnya yang low profile. Strukturnya kompak dan menarik yang ringan, volume yang kecil dan konfigurasi yang tipis. Jenis antena ini dapat disesuaikan ke bentuk permukaan manapun. Hal ini membuat antena mikrostrip cocok digunakan untuk aplikasi nirkabel dikarenakan kemampuannya dipasang ke tubuh dari perangkat apapun tanpa mengorbankan nilai estetikanya. Selanjutnya, antena mikrostrip dapat dipabrikasi menggunakan teknik rangkaian tercetak (fotolitografi). Teknik fotolitografi memberikan dimensi yang

24 11 akurat untuk dicetak di atas papan dielektrik. Dengan proses ini fabrikasi dapat dilakukan seperti sebuah mesin fotokopi karena lapisan mask dari rancangan dapat digunakan kembali sebanyak yang diinginkan, sehingga biaya pembuatan lapisan mask bisa lebih irit. Biaya perakitan antena mikrostrip relatif murah dan memiliki disain yang tidak terlalu rumit dikarenakan bentuk fisiknya yang 2-dimensional. Sebuah antena patch mampu memberikan gain direktif maksimum sekitar 6-9 dbi. Patch tersusun dapat memberikan gain yang jauh lebih tinggi daripada patch tunggal dengan sedikit tambahan biaya, proses matching dan penyesuaian fasa dapat dilakukan dengan struktur pencatuan, kembali dengan cara yang sama yang membentuk patch-patch yang beradiasi. Gambar 2.5 Beberapa contoh bentuk antena mikrostrip[11] Meskipun memiliki banyak keuntungan, antena mikrostrip juga memiliki beberapa kelemahan antara lain[20]: a. Bandwidth yang sempit b. Efisiensi kecil c. Faktor Q yang tinggi d. Memiliki rugi-rugi hambatan (ohmic loss) pada pencatuan antena susun e. Kemurnian polarisasi yang rendah. f. Timbulnya gelombang permukaan (surface wave)

25 Struktur Dasar Antena Mikrostrip Antena mikrostrip terdiri dari tiga lapisan. Lapisan tersebut adalah conducting patch, substrat dielektrik, dan bidang ground yang dapat dilihat di Gambar 2.8. Masing-masing dari bagian ini memiliki fungsi yang berbeda: (a) (b) Gambar 2.6 Antena mikrostrip, (a) tampak atas, (b) tampak samping[21] a Conducting patch. Patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara, terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena. Patch terbuat dari bahan konduktor, misal tembaga. Bentuk patch bisa bermacam-macam, lingkaran, rectangular, segitiga, ataupun bentuk circular ring. Bentuk patch tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.6. b Substrat dielektrik. Substrat dielektrik berfungsi sebagi media penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan. Karakteristik substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pada antena mikrostrip, semakin tinggi besar permitivitas relatif, ukuran conducting patch akan semakin kecil dan sebagai akibatnya memperkecil daerah radiasi. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan ketebalan substrat akan memperbesar bandwidth. tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave).

26 13 c Ground plane. Ground plane antena mikrostrip bisa terbuat dari bahan konduktor, yang berfungsi sebagai reflector dari gelombang elektromagnetik Teknik Pencatuan Mikrostrip Sejauh yang diketahui, terdapat lima teknik pencatuan yang dapat digunakan ketika merancang antena mikrostrip antara lain[11]: a. Probe koaksial b. Catu saluran mikrostrip c. Mikrostrip proximity coupled d. Mikrostrip kopel aperture Pada seminar ini, yang digunakan adalah teknik pencatuan saluran mikrostrip (microstrip line). Catu mikrostrip merupakan eksitasi dari antena mikrostrip dengan memanfaatkan sebuah saluran mikrostrip di atas substrat yang sama, di mana menjadi pilihan yang wajar karena strip monopole dapat dikatakan sebagai perpanjangan dari saluran mikrostrip dan keduanya dapat difabrikasi secara bersamaan. Gambar 2.7 menunjukkan konfigurasi saluran pencatu mikrostrip di mana matching saluran ditentukan dari lebar W, permitivitas substrat ɛ r, dan tinggi substrat h. (a) (b) Gambar 2.7 Struktur Pencatu, (a) Catu jalur mikrostrip, (b) garis-garis medan listrik[11]

27 Lebar Pencatu Saluran Mikrostrip Lebar pancatu saluran mikrostrip (W) tergantung dari impedansi karakteristik (Z 0 ) yang diinginkan. Adapun rumus untuk menghitung lebar saluran mikrostrip diberikan oleh persamaan di 2.18 di bawah ini[20]. (2.18) Dengan ε r adalah konstanta dielektrik relatif dan : (2.19) (2.20) Sedangkan untuk karakteristik pencatu saluran mikrostrip terdapat dua kondisi. Pertama adalah karakteristik ketika W/h < 1, di mana untuk konstanta dielektrik efektif (ε eff )[20] (2.21) Dan karakteristik impedansi : (2.22) Kedua adalah karakteristik ketika W/h > 1, dengan konstanta dielektrik efektif (ε eff ) : (2.23)

28 15 Dan karakteristik impedansi : (2.24) Panjang Pencatu Saluran Mikrostrip Dari panjang gelombang λ g, akan diperoleh panjang pencatu l dari persamaan berikut[21] (2.25) (2.26) 2.5 Metamaterial Metamaterial merupakan media/bahan yang dirancang (artifisial) untuk memiliki karakteristik permeabilitas dan/atau permitivitas negatif. Permitivitas (ɛ) dan permeabilitas (µ) adalah dua parameter yang digunakan untuk mengarakterisasi properti listrik dan magnetik dari material yang berinteraksi dengan medan-medan elektromagnetik. Permitivitas adalah ukuran seberapa besar perubahan sebuah medium untuk menyerap energi listrik ketika dipaparkan ke sebuah medan listrik. Permitivitas merupakan perbandingan antara perpindahan listrik oleh medium (D) dengan kuat medan listrik (E). Yang dikatakan sebagai konstanta dielektrik adalah perbandingan antara permitivitas sebuah material terhadap permitivitas ruang bebas (ɛ 0 =8,85 x F/m), yang disebut juga permitivitas relatif. Permeabilitas adalah konstanta kesebandingan yang ada antara induksi magnetik dan intensitas medan magnet. Permeabilitas ruang bebas (µ 0 ) adalah sekitar 1,257 x 10-6 H/m. Untuk metamaterial dengan permitivitas dan permeabilitas negatif, beberapa sebutan telah diajukan meskipun pada dasarnya mendefenisikan hal yang sama, antara lain, left-handed media (LHM), media dengan negative refractive index (NRI), backward-wave media (BW media), dan doublenegative (DNG) metamaterial, sedangkan untuk permitivitas atau permeabilitas

29 16 saja yang negatif biasa disebut single negative material (SNG). Gambar 2.8 memperlihatkan klasifikasi material dalam kuadran ɛ (sumbu x) dan µ (sumbu y). Kuadran 1 merupakan daerah bahan dielektrik yang sering dijumpai dengan ɛ dan µ positif. Material plasma untuk frekuensi tertentu memiliki karakteristik ɛ<0 dan µ>0 sehingga termasuk di kuadran 2. Begitu juga dengan material di kuadran 4 (ɛ>0, µ<0) yang sangat jarang ditemui kecuali material gyroscopic yang memiliki sifat ini untuk frekuensi tertentu. Dan untuk kuadran 3 dengan ɛ dan µ negatif sampai saat ini belum ditemukan di alam. Namun demikian sifat ɛ dan µ negatif dapat diperoleh dengan merekayasa struktur dari material yang sudah ada. Gambar 2.8 Klasifikasi material berdasarkan ɛ dan µ[22] Metamaterial memiliki dua tipe, volumetrik (3D) dan planar (2D/1D). Tipe pertama memiliki karakteristik yang ditandai oleh teori medan, sedangkan yang kedua dimodelkan oleh teori saluran transmisi. Karena rancangan antena mikrostrip berbentuk bidang datar maka penjelasan difokuskan pada bidang planar metamaterial. Metamaterial bidang planar dapat dimisalkan sebagai sebuah saluran transmisi. Sebuah rangkaian (Gbr. 2.9(a)) terdiri dari impedansi seri Z dan admitansi paralel Y dan mewakili elemen saluran dengan panjang d, yang harus jauh lebih pendek dibandingkan panjang gelombang λ ( ) untuk membentuk satu unit sel.

30 17 Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen, (a) saluran transmisi, (b) right-handed (konvensional), dan (c) left-handed (metamaterial)[23] Karakteristik impedansi dari saluran transmisi adalah[23] (2.27) Konstanta propagasi adalah (2.28) Untuk gelombang yang berpropagasi di sepanjang sumbu z positif ditandai oleh exp(-γz) akan bernilai + (Pers. (2.28)), sedangkan nilai - menandakan propagasi sepanjang sumbu z negatif. Untuk seterusnya akan digunakan nilai positif α dan β adalah atenuasi dan konstanta fasa. Kecepatan fasa v p adalah (2.29) dan kecepatan grup v g adalah (2.30) Saluran tanpa rugi-rugi standar memiliki Z = jωl, Y = jωc sebagaimana ditunjukkan Gbr. 2.9(b), sehingga dari Pers. ( ) diperoleh

31 18 (2.31) (2.26) (2.32) (2.33) (2.34) Hasil ini sesuai dengan propagasi dari gelombang maju (forward) TEM standar di sepanjang saluran. Baik kecepatan v p dan v g bernilai positif. Selanjutnya adalah rangkaian ekivalen yang ditunjukkan pada Gbr. 2.9(c), di mana posisi-posisi kapasitansi dan induktansi saling tukar. Dengan cara ini membuat struktur low-pass L-C yang asli menjadi struktur high-pass L-C. Struktur high-pass L-C inilah yang menunjukkan sifat left-handed dan mewakili versi planar dari metamaterial. Sehingga untuk saluran tanpa rugi-rugi didapatkan α = 0, Z = 1/jωC L dan Y = 1/jωL L, menjadikan (2.35) (2.36) (2.37) (2.38) Terdapat tanda yang berlawanan pada Pers. (2.37) dan (2.38). Kecepatan grup memiliki arah yang berlawanan dengan kecepatan fasa. Hasil ini menandakan gelombang mundur (backward). Membandingkan persamaan ( ) dengan persamaan umum tentang propagasi gelombang bidang datar di ruang hampa akan diperoleh (2.39) (2.40)

32 19 di mana L dan C merupakan induktansi dan kapasitansi lumped element dari saluran dangan panjang d yang mana jauh lebih pendek dari λ, lebih tepatnya. Dalam hal ini, sehingga didapatkan (2.41) (2.42) dan akhirnya diperoleh permeabilitas efektif µ eff dan permitivitas efektif ɛ eff [18] (2.43) (2.44) Persamaan (2.43) dan (2.44) menunjukkan bahwa sebuah saluran transmisi dapat memiliki permeabilitas dan permitivitas negatif pada frekuensi tertentu. 2.6 Complementary Split-Ring Resonator (CSRR) Dualitas Split-Ring Resonator (SRR) dan Complementary Split-Ring Resonator (CSRR) CSRR menghasilkan medium dengan permitivitas negatif dan lefthanded. CSRR merupakan elemen komplementer dari Split-Ring Resonator (SRR) di mana jika SRR dibangkitkan oleh medan magnetik maka sebaliknya CSRR akan dibangkitkan oleh medan listrik yang timbul ketika arus mengalir melalui saluran transmisi (host line) yang berada di atasnya. Dan dikarenakan sifat dualitas dari keduanya, pada kondisi ideal, karakteristik dan sifat elektromagnetik serta model rangkaiannya hampir sama, yang membedakan hanya dari faktor L dan C yang saling berkebalikan ketika dimasukkan dalam rangkaian ekivalen dan persamaan parameternya.

33 20 (a) (b) Gambar 2.10 (a) Struktur SRR dan rangkaian ekivalen, (b) CSRR dan rangkaian ekivalen.[10] Pada Gambar 2.10(a), C 0 adalah kapasitansi total antar ring, di mana C 0 = 2 r 0 C pul, dan C pul adalah kapasitansi tepi per panjang unit. C s mewakili kapasitansi seri dari ring dalam dan luar SRR (C s = C 0 /4). Induktansi L s diperoleh dari ring metal dengan radius rata-rata r 0 dan lebar c. CSRR dibentuk dari dua ring slot yang masing-masing dipotong oleh tembaga pada ujung-ujung yang berseberangan, dan di antara kedua ring slot terdapat sebuah strip tembaga (lihat Gambar 2.10(b)). CSRR dicetak di bidang ground atau pada strip konduktor (jika memiliki cukup ruang). Disain dari CSRR ini mampu menghasilkan dipol listrik yang kuat pada frekuensi resonansinya, dan juga memiliki dimensi yang kecil, sehingga sangat baik untuk rancangan metamaterial. CSRR yang merupakan struktur komplementer dari sebuah bidang metal, dibentuk dengan mengganti bagian metal SRR menjadi celah-celah, dan sebaliknya, celah SRR digantikan dengan strip-strip metal. Model rangkaian CSRR dapat dilihat pada Gambar 2.10(b). Pada rangkaian ini, induktansi L s dari model SRR diganti dengan kapasitansi C c, untuk ring dengan radius

34 21 yang dikelilingi oleh bidang ground berjarak c dari tepinya. Dan sebaliknya, hubungan seri dari dua kapasitansi C 0 /2 pada model SRR diganti oleh kombinasi paralel dari dua induktansi yang menghubungkan ring dalam ke ground. Tiap induktansi adalah L 0 /2, dengan L 0 = 2 r 0 L pul dan L pul adalah induktansi per panjang unit dari CPW (coplanar waveguide) yang menghubungkan ring dalam ke bidang ground. Dari sifat dualitas, parameter-parameter rangkaian ekivalen SRR dan CSRR dihubungkan dengan persamaan[10]: (2.45) (2.46) Dari kedua persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa frekuensi resonansi kedua struktur adalah sama, seperti yang diharapkan terjadi pada sifat dualitas Ekstraksi Parameter CSRR Terdapat dua tipe CSRR, CSRR dengan karakterisasi ɛ dan µ negatif atau disebut juga left-handed metamaterial, dan CSRR dengan ɛ negatif. Gambar 2.11(b) dan (d) memperlihatkan rangkaian ekivalen lumped element dari saluran transmisi yang dibebani CSRR, di mana L dan C adalah induktansi dan kapasitansi saluran, dan L c dan C c memodelkan CSRR. Sedangkan untuk struktur CSRR left handed (Gambar 2.13(a) dan (c)), model rangkaian ekivalennya hampir sama, yang berbeda hanya pada penambahan sebuah kapasitansi C g, yang menunjukkan adanya celah (gap) yang tercetak di saluran.

35 22 Gambar 2.11 (a) Struktur CSRR left-handed dan (c) rangkaian ekivalen. (b) CSRR ɛ negatif dan (d) rangkaian ekivalen[10] Hubungan antara pita frekuensi bawah, f L, dan frekuensi atas f H dengan parameterparameter C, L, C c dan C c, serta C g (khusus CSRR left-handed) dapat diuraikan dari persamaan-persamaan berikut[10]: (2.47) (2.48) Jika rugi-rugi diabaikan, dua frekuensi karakteristik dapat diidentifikasi, frekuensi di mana impedansi paralel sama dengan nol (f Z ) dan frekuensi di mana admitansi paralel sama dengan nol (yang secara kebetulan sama dengan frekuensi resonansi intrinsik dari CSRR, f o ). Frekuensi-frekuensi ini diperoleh dengan persamaan[10]: (2.49) (2.50)

36 23 Pada f Z, sebuah tarikan tajam pada koefisien transmisi akan muncul ketika simulasi atau pengukuran. Sedangkan f o dapat ditunjukkan oleh koefisien transmisi pada diagram Smith Chart. Pada frekuensi ini, jalur paralel ke ground dibuka, dan impedansi masukan yang dilihat dari port hanya dapat dibentuk oleh elemen-elemen seri dari struktur (L, untuk saluran dengan permitivitas negatif, dan L dan C g untuk saluran left-handed) dan resistansi port dari sisi berlawanan (50Ω). Oleh karenanya, f o diberikan oleh perpotongan antara kurva S 11 dan lingkaran resistansi yang telah ditentukan. Dari hasil tersebut juga dapat diperoleh nilai impedansi dari elemen-elemen seri pada frekuensi tersebut. Sehingga nilai L dapat secara langsung diperoleh untuk saluran dengan permitivitas negatif. Persamaan (2.49) dan (2.50) merupakan persamaan yang hanya tergantung pada tiga parameter. Jadi, kita belum dapat secara langsung memperoleh nilai-nilai elemen CSRR (seperti yang diinginkan) dan kapasitansi koplingnya. Sehingga dibutuhkan kondisi tambahan yaitu[10]: (2.51) di mana Z s (jω) dan Z p (jω) adalah impedansi seri dan paralel dari model rangkaian- T dari struktur, dan ω /2 adalah frekuensi sudut di mana fasa dari koefisien transmisi adalah ϕ(s 11 ) = /2. Sehingga dari persamaan ( ) dapat ditentukan nilai ketiga elemen reaktif yang membentuk impedansi paralel.

37 BAB 3 METODE PERANCANGAN DAN SIMULASI ANTENA 3.1 Pendahuluan Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip dengan memanfaatkan elemen metamaterial Complementary Split-Ring Resonator (CSRR) yang memiliki permitivitas negatif pada frekuensi kerja GHz. Metodologi dari skripsi ini diawali dengan memahami teknologi antena mikrostrip. Hal ini mencakup pemahaman tentang parameter-parameter antena seperti, pola radiasi, bandwidth, gain antena dan impedansi masukan. Tinjauan literatur diambil dari buku-buku referensi dan juga jurnal-jurnal yang dipublikasikan oleh IEEE. Perancangan antena dimulai dengan menghitung dimensi antena mikrostrip konvensional, di mana terdapat dimensi yang hanya dapat diperoleh melalui proses iterasi untuk mendapatkan hasil sesuai dengan frekuensi kerja yang dipilih (2,6 2,7 GHz). Simulasinya telah dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CST Microwave Studio. Hasil simulasi antara antena tanpa dan dengan CSRR telah dibandingkan dari kondisi return loss (S 11 ), pola radiasi dan gain antena. Sebelum merancang antena mikrostrip dengan CSRR, dilakukan simulasi CSRR secara terpisah dengan melihat hasil dari return loss (S 11 ) dan insertion loss (S 21 ), untuk memperoleh frekuensi kerja CSRR di sekitar frekuensi kerja antena. Maka terakhir akan dibandingkan hasil simulasi pengukuran antara antena mikrostrip konvensional dengan antena mikrostrip dengan elemen metamaterial CSRR untuk selanjutnya dianalisa faktor-faktor yang membedakan antara keduanya, terutama ukuran hasil miniaturisasi dari antena dengan CSRR. 3.2 PERANGKAT YANG DIGUNAKAN Perancangan antena ini menggunakan perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Perangkat keras digunakan untuk fabrikasi dan pengukuran antena, sedangkan perangkat lunak digunakan untuk melakukan simulasi dan mengetahui karakteristik atau kinerja antena yang dirancang. Perangkat keras yang digunakan dalam perancangan antena mikrostrip antara lain: 24

38 25 1. Substrat dielektrik FR-4 (ɛ r = 4,3), sebagai bahan antena. 2. Anechoic Chamber, sebagai ruang untuk mengukur gain dan memetakan pola radiasi 3. Network Analyzer Hewlett Packard 5230C (30 khz - 13 GHz), alat ini dapat digunakan untuk pengukuran port tunggal (mengukur VSWR, frekuensi resonansi, impedansi masukan, return loss, dan bandwidth) dan port ganda (mengukur pola radiasi dan gain). 4. Connector SMA 50 Ω. 5. Kabel Coaxial 50 Ω. 6. Solder Adapun perangkat lunak (software) yang digunakan yaitu : 1. CST Microwave Studio Perangkat lunak ini digunakan untuk merancang dan mensimulasikan antena yang akan dibuat. Setelah disimulasi akan diperoleh beberapa karakteristik antena seperti frekuensi kerja, bandwidth, impedansi input, return loss, VSWR, dan pola radiasi. 2. Microsoft Visio Perangkat lunak ini digunakan untuk melakukan visualisasi desain perancangan untuk selanjutnya dikirim ke lokasi pabrikasi. 3. Microsoft Excel Perangkat lunak ini digunakan untuk mengolah data dengan persamaan matematis.

39 Diagram Alir Perancangan Antena Berikut ditampilkan diagram alir proses perancangan antena mikrostrip. Mulai Tinjauan literatur - antena mikrostrip - metamaterial - CSRR Menentukan karakteristik kerja antena (frekuensi kerja dan return loss/vswr) Menentukan dimensi antena (termasuk memilih jenis substrat) Tidak Fabrikasi Ya Frekuensi kerja 2,6 2,7 GHz? Disain dan simulasi menggunakan software CST Microwave Studio Pengukuran dan pengumpulan data Frekuensi kerja 2,6 2,7 GHz? Tidak Ya Perbandingan hasil pengukuran dan simulasi Analisa dan kesimpulan Selesai Gambar 3.1 Diagram alir perancangan antena 3.4 Perancangan Antena Tahapan perancangan antena pertama kali adalah menentukan karakteristik antena yang diinginkan, dimana telah diperlihatkan diagram alir pada Subbab 3.3. Karakteristik antena yang dimaksud yaitu frekuensi kerja dan VSWR.

40 27 Pada perancangan ini diharapkan dapat memberikan karakteristik hasil yang diinginkan yaitu : 1. Frekuensi kerja : 2,65 GHz (2,6-2,7 GHz) 2. Impedansi karakteristik : 50 Ω (koaksial konektor SMA) 3. VSWR : < 2 Tahap pertama perancangan adalah merancang antena mikrostrip konvensional (tanpa CSRR). Selanjutnya menambahkan elemen CSRR pada ground antena konvensional untuk melihat pergeseran frekuensi kerja antena. Dari pergeseran frekuensi ini akan diperkirakan, melalui proses iterasi dimensi antena, ukuran antena yang tepat untuk mengembalikan frekuensi kerja yang seharusnya, yang mana diharapkan akan dihasilkan dimensi antena yang lebih kecil. Dan terakhir, dirancang dan disimulasikan antena mikrostrip dengan CSRR dengan dimensi yang lebih kecil dari sebelumnya. Dari simulasi dibandingkan ukuran antena sebelum dan setelah menggunakan CSRR. 3.5 Hasil Simulasi Hasil Simulasi Awal Gambar 3.2 menunjukkan bentuk dan dimensi antena mikrostrip konvensional yang belum menggunakan elemen CSRR pada bidang ground-nya. Substrat dielektrik yang digunakan pada antena mikrostrip adalah FR-4 dengan ɛ r = 4,3 dan tebal 1,6 mm. Disain antena dimaksudkan untuk dipasang di frame laptop atau ponsel, sehingga antena berbentuk tipis memanjang menyerupai bentuk mikrostrip monopole namun dengan ground yang tidak lebar, sedangkan di dekat port substrat dibuat lebih lebar untuk memudahkan penyolderan konektor kabel koaksial. Ukuran antena untuk frekuensi kerja 2,65 GHz setelah proses iterasi: panjang antena 39,2 mm dan lebar 16 mm. Jadi luas antena mikrostrip tanpa CSRR adalah 39,2 x 16 mm = 627,2 mm.

41 28 (a) Gambar 3.2 Mikrostrip konvensional, (a) tampak atas, dan (b) tampak bawah (abu-abu:tembaga, putih:fr-4) Kemudian dirancang antena mikrostrip dengan elemen CSRR di bidang ground dengan ukuran antena yang sama. Dan disimulasikan untuk diperoleh frekuensi kerjanya. Disain antena mikrostrip dengan CSRR (tampak bawah) dan grafik perbandingan frekuensi kerja antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR diperlihatkan pada Gambar 3.2 dan 3.3. (b) ground CSRR FR-4 Gambar 3.3 Sisi bawah antena mikrostrip dengan CSRR, disertai ukuran CSRR. Ukuran antena tanpa dan dengan CSRR sama (abu-abu: tembaga, putih: FR-4)

42 29 Return Loss Gambar 3.4 Grafik S 11 perbandingan frekuensi kerja antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR Dari Gambar 3.4, untuk ukuran antena yang sama dapat dilihat bahwa frekuensi kerja antena mengalami pergeseran dari 2,65 GHz (tanpa CSRR) menjadi 1,93 GHz (dengan CSRR). Sehingga dari pergeseran ini dimungkinkan miniaturisasi karena pada dasarnya ukuran antena harus diperkecil untuk menaikkan frekuensi kerja kembali ke 2,65 GHz. Langkah selanjutnya adalah iterasi dimensi antena mikrostrip dengan CSRR untuk mendapatkan frekuensi kerja 2,65 GHz. Iterasi dilakukan terhadap panjang saluran pencatu (feed line), panjang strip konduktor dan ukuran CSRR. Iterasi dilakukan hanya pada ketiga parameter ini karena bentuk dari mikrostrip yang tipis, dan lebar pencatu dan strip dirancang setipis mungkin, sehingga faktor lebar tidak perlu diiterasi.

43 30 Return Loss (db) Return Loss (db) Gambar 3.5 Grafik S 11 dari iterasi ukuran CSRR pada antena mikrostrip. Panjang dalam milimeter. Gambar 3.5 menunjukkan bahwa semakin pendek panjang CSRR, frekuensi akan bergeser naik, namun dengan return loss yang semakin jelek. Gambar 3.6 Grafik S 11 dari iterasi panjang saluran pencatu (feed line). Panjang dalam milimeter. Sedangkan untuk Gambar 3.6, iterasi terhadap panjang pencatu tidak menggeser frekuensi kerja tetapi hanya memperbaiki return loss pada panjang pencatu tertentu. Dan iterasi panjang strip konduktor pada Gambar 3.7 menunjukkan sedikit pergeseran frekuensi yang akan naik ketika panjang strip semakin pendek.

44 31 Return Loss (db) Gambar 3.7 Grafik S 11 dari iterasi panjang strip konduktor. Panjang dalam milimeter Hasil Simulasi Akhir Dari proses iterasi terhadap panjang CSRR, panjang pencatu dan panjang strip dapat disimpulkan bahwa ukuran CSRR dan panjang strip yang semakin kecil akan menggeser naik frekuensi kerja antena, sedangkan panjang pencatu lebih berpengaruh kepada return loss-nya. (a) Gambar 3.8 Dimensi akhir antena mikrostrip setelah menempatkan elemen CSRR pada bidang ground, (a) tampak atas dan (b) tampak bawah (abu-abu: tembaga, putih: FR-4) (b)

45 32 Proses iterasi ketiga dimensi ini menghasilkan dimensi akhir antena (Gambar 3.8) di mana ukuran antena mikrostrip dengan CSRR lebih kecil dibandingkan tanpa CSRR. Dan Gambar 3.9 menunjukkan perbandingan parameter S 11 dari kedua antena mikrostrip. Gambar 3.9 Grafik perbandingan frekuensi antena mikrostrip tanpa CSRR dengan antena mikrostrip yang telah diminiaturisasi Untuk gain dari masing-masing antena dapat dilihat pada Gambar 3.10, di mana gain antena mikrostrip dengan CSRR adalah -0,85dB, sedangkan antena konvensional memiliki gain sebesar 1,29dB. Artinya antena mikrostrip dengan CSRR mengalami penurunan gain sebesar 2,14dB. Gain (db) Return Loss Gambar 3.10 Perbandingan gain antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR dengan range frekuensi 2 3 GHz.

46 33 (a) Gambar 3.11 Pola radiasi antena mikrostrip tanpa CSRR, (a) bidang-e dan (b) bidang-h (b) (a) (b) Gambar 3.12 Pola radiasi antena mikrostrip dengan CSRR, (a) bidang-e dan (b) bidang-h Gambar 3.13 Grafik perbandingan impedansi masukan antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR

47 34 Dari Gambar 3.13 dapat dilihat bahwa antena mikrostrip dengan CSRR impedansi masukan Z in lebih baik daripada tanpa CSRR, di mana pada antena mikrostrip dengan CSRR, impedansi riil 51,32Ω dan imajiner -2,06Ω sedangkan tanpa CSRR memiliki impedansi riil 61,46Ω dan imajiner 28,45 Ω. Luas masing-masing antena adalah : - Antena mikrostrip konvensional : Luas = 16 x 39,2 = 627,2 mm 2 - Antena mikrostrip dengan CSRR : Luas = 16 x 26,5 = 424 mm 2 Sehingga persentase miniaturisasi antena sebesar =

48 BAB 4 FABRIKASI DAN PENGUKURAN ANTENA Pengukuran terhadap antena dilakukan setelah antena dirancang. Pengukuran dilakukan untuk dua buah antena yaitu antena mikrostrip konvensional (tanpa CSRR) dan antena mikrostrip dengan elemen CSRR. Tujuan pengukuran adalah untuk mengetahui karakteristik antena yang telah dibuat, sehingga bisa diketahui parameter-parameter antena tersebut pada kondisi sesungguhnya untuk kemudian dijadikan bahan perbandingan dengan hasil perhitungan secara teori dan simulasi dari software CST Microwave Studio. Hasil pengukuran antena juga akan digunakan sebagai tolak ukur kelayakan antena yang dirancang terhadap spesifikasi yang telah ditentukan sebelumnya kemudian akan dilakukan analisa atas penyimpangan (error) yang terjadi. Pengukuran yang dilakukan meliputi pengukuran port tunggal (return loss), pengukuran port ganda (gain dan pola radiasi). Pengukuran return loss bertujuan untuk mengetahui parameter antena yang telah difabrikasi seperti frekuensi kerja, bandwidth, dan VSWR. Sedangkan pengukuran port ganda bertujuan untuk mengetahui gain dan pola radiasi. Pengukuran dilakukan pada ruangan Anechoic Chamber yang berada pada Departemen Elektro FTUI lantai 4. Ruangan ini mampu menyerap gelombang elektromagnetik sehingga mengurangi pantulan dan interferensi gelombang lain. Hal ini berguna agar tingkat keakuratan hasil pengukuran menjadi lebih presisi. 4.1 Kondisi Pengukuran Antena Pada pengukuran antena yang telah difabrikasi, ada beberapa kondisi yang harus dipenuhi agar didapatkan data hasil pengukuran yang valid. Khusus pengukuran antena port ganda dilakukan pada anechoic chamber, dan harus memenuhi kondisi propagasi gelombang terutama di daerah radiasi medan-jauh. Gambar menunjukkan hasil fabrikasi antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR yang akan diukur. 35

49 36 (a) (b) Gambar 4.1 Antena mikrostrip tanpa CSRR. (a) Tampak depan dan (b) tampak belakang.

50 37 (a) (b) Gambar 4.2 Antena mikrostrip dengan CSRR. (a) Tampak depan dan (b) tampak belakang

51 38 Gambar 4.3 Tampak belakang dari antena mikrostrip tanpa dan dengan CSRR Pengukuran antena ini berada pada daerah medan jauh (farfield), karena kondisi stabil berada pada medan radiasi daerah ini. Terdapat dua antena yang digunakan pada pengukuran farfield, pertama sebagai pengirim adalah antena horn dan penerima adalah Antenna Under Test (AUT). AUT sendiri terdiri dari dua antena, mikrostrip tanpa dan dengan CSRR. Kedua antena mikrostrip yang akan diukur memiliki ukuran 16 mm x 39,2 mm x 1,6 mm (mikrostrip tanpa CSRR) dan 16 mm x 26,5 mm x 1,6 mm (mikrostrip dengan CSRR). Sedangkan sisi terpanjang dari antena pengirim (horn) adalah 250 mm, sehingga ukuran linier terbesar dari ketiga antena adalah 250 mm. Dengan persamaan 2.10 yang telah dijelaskan pada Bab 2, didapatkan jarak minimal farfield antena dengan frekuensi kerja 2,65 GHz adalah R 2 = Sehingga, pada pengukuran ini jarak aman AUT (Antenna Under Test) dan antena pengirim (horn) yang dipilih adalah sekitar 1,3 meter. 4.2 Pengukuran Port Tunggal Parameter antena yang diukur dalam pengukuran port tunggal ini adalah return loss. Pengukurannya menggunakan alat ukur Network Analyzer Hewlett

52 39 Packard 5230C (30 khz - 13 GHz). Adapun prosedur pengukuran pada Network Analyzer (NA) adalah sebagai berikut: 1. Pasang probe 50 Ω pada input NA lalu pilih kalibrasi pada NA. Dan setting kalibrasi yang dipilih adalah range frekuensi 2 4 GHz. Pengukuran port tunggal dilakukan pada port 1 NA. Kalibrasi dilakukan untuk validitas pengukuran, dengan cara membuat kondisi alat ukur sesuai standar. 2. Setelah kalibrasi selesai konektor dihubungkan ke input 50 Ω pada antena yang akan diukur pada probe yang terpasang di NA. Konfigurasi dapat dilihat pada Gambar 4.1. Network Analyzer Port 1 Port 2 2 2D Gambar 4.4 Konfigurasi pengukuran antena pada Network Analyzer Antenna Under Test 3. Untuk menampilkan rentang frekuensi sebagai pengamatan, digunakan tombol start dan tombol stop pada NA. Dan rentang frekuensi dimulai di 2 GHz dan berhenti di 4 GHz. 4. Selanjutnya menampilkan parameter yang akan dilihat hasil pengukuran dengan menekan tombol format yang terdapat pada NA. Dan dipilih tombol log mag untuk menampilkan grafik return loss terhadap frekuensi kerjanya. Untuk pengukuran bandwidth dapat dilihat dari grafik return loss yang telah ditampilkan dengan menandai dua titik perpotongan garis return loss terhadap return loss pada level 9,54 db (VSWR = 2). Sehingga titik-titik perpotongan tersebut nantinya disebut frekuensi atas (f h ) dan frekuensi bawah (f l ). Kedua frekuensi tersebut dikurangkan sehingga didapatkan selisih frekuensi yang disebut bandwidth. 5. Menyimpan grafik hasil pengukuran parameter return loss dari slot USB yang tersedia pada NA.

53 Pengukuran Return Loss Antena Mikrostrip Tanpa CSRR Grafik hasil pengukuran return loss ditunjukkan pada Gambar 4.5 dengan range frekuensi grafik sesuai pada kalibrasi NA yaitu 2 4 GHz. Grafik ini memperlihatkan perbandingan return loss antara hasil simulasi dengan hasil pengukuran. Return loss hasil simulasi ditandai oleh garis biru dan hasil pengukuran ditandai oleh garis merah. 0-2 Return Loss (db) Pengukuran Simulasi VSWR = Frekuensi (GHz) Gambar 4.5 Grafik return loss untuk hasil simulasi (biru) dan pengukuran (merah) Dari Gambar 4.5 dapat dilihat bahwa untuk hasil simulasi frekuensi kerja antena (VSWR = 2) adalah 2,53 2,76 GHz. Sedangkan pada pengukurannya, frekuensi kerja antena adalah 2,60 2,71 GHz. Dengan kata lain bandwidth pada simulasi sekitar 230 MHz berbanding pada pengukuran 110 MHz. Hal ini menunjukkan penurunan kualitas bandwidth sebesar 120 MHz (52%) Pengukuran Return Loss Antena Mikrostrip CSRR Seperti halnya pada pengukuran return loss untuk mikrostrip konvensional, mikrostrip dengan CSRR diukur pada range frekuensi 2 4 GHz. Hasil perbandingan grafik return loss antara simulasi dan pengukuran ditunjukkan oleh Gambar 4.6. Garis biru adalah return loss pada simulasi dan garis merah adalah return loss pada pengukuran.

54 Return Loss (db) Pengukuran Simulasi VSWR = Frekuensi (GHz) Gambar 4.6 Grafik return loss pada simulasi (biru) dan pengukuran (merah) Gambar 4.6 memperlihatkan bahwa pada simulasi, frekuensi kerja antena (VSWR=2) adalah 2,58 2,72 GHz. Sedangkan pada pengukurannya, frekuensi kerja antena adalah 2,59 2,68 GHz. Artinya, bandwidth pada simulasi sekitar 140 MHz berbanding pada pengukuran 90 MHz. Hal ini menunjukkan penurunan kualitas bandwidth sebesar 50 MHz (sekitar 35%). Gambar 4.6 juga menunjukkan pergeseran frekuensi resonansi antara simulasi dengan pengukuran di mana frekuensi resonansi 2,64 GHz pada simulasi bergeser turun menjadi 2,63 GHz pada pengukuran Pengukuran Port Ganda Pengukuran parameter port ganda yang mencakup pengukuran gain dan pola radiasi, merupakan pengukuran AUT dengan menggunakan bantuan antena pengirim. Antena pengirim yang digunakan harus beresonansi pada frekuensi yang sama dengan AUT, yaitu pada frekuensi 2,65 GHz. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan alat ukur Network Analyzer, dan dilakukan di dalam anechoic chamber. Jarak antar antena dan tinggi antena harus diperhitungkan terlebih dahulu dengan batasan medan-jauh dan daerah Fresnel.

55 Pengukuran Gain Antena Mikrostrip Tanpa dan Dengan CSRR Pengukuran gain antena ini menggunakan dua jenis antena, satu sebagai pemancar (antena horn), dan satu lagi sebagai penerima (antena referensi). Untuk antena penerima sendiri terdiri dari dua, antena referensi (dipole) dan AUT (Antenna Under Test). Sehingga total ada tiga antena yang digunakan untuk pengukuran gain antena. Adapun AUT di sini adalah antena konvensional dan CSRR. Antena horn merupakan antena pemancar yang beresonansi pada frekuensi 2,65 GHz, namun tidak harus diketahui gain-nya, sedangkan antena referensi merupakan antena dipole yang bekerja di frekuensi 2,65 GHz. Jarak dan tinggi antena harus memenuhi fresnel zone, seperti pada pengukuran pola radiasi. Pengukuran ini memiliki dua tahap, yang pertama AUT dihubungkan ke port 1 pada Network Analyzer dan antena horn dihubungkan pada port 2. Kemudian diukur besarnya daya yang diterima AUT dengan Network Analyzer ini. Pada tahap kedua, dilakukan hal yang sama seperti pada tahap pertama, namun kali ini pengukuran dilakukan antara antena horn dan antena referensi (antena dipole). Port 1 pada Network Analyzer dihubungkan dengan antena dipole sebagai antena penerima dan port 2 masih terpasang di antena horn sebagai pemancar. Berbeda dengan AUT, S 12 dari dipole yang diperoleh adalah S 12 ratarata pada sudut terhadap antena horn. Maka, gain antena mikrostrip dapat dihitung dengan persamaan berikut[17]: Dimana G AUT adalah gain AUT, dan M AUT adalah faktor koreksi AUT. Faktor koreksi dapat dihitung dengan persamaan[17]: Hasil pengukuran S 11 pada antena referensi (dipole) adalah -20,05 db, sehingga: = 1,0001 db

56 43 Maka, gain AUT mikrostrip tanpa adalah: Sedangkan untuk gain AUT mikrostrip CSRR diperoleh: Pengukuran Pola Radiasi Antena Mikrostrip Dengan CSRR Setelah pengukuran port tunggal, selanjutnya dilakukan pengukuran pola radiasi antena mikrostrip dengan elemen CSRR. Pengukuran ini bertujuan untuk mengetahui pola radiasi dan beamwidth AUT. Port 1 pada Network Analyzer dihubungkan dengan AUT, yaitu antena mikrostrip yang akan diukur. AUT berperan sebagai antena penerima, dan dihubungkan dengan Network Analyzer menggunakan kabel koaksial yang memiliki impedansi karakteristik 50 Ω. Port 2 pada Network Analyzer dihubungkan dengan antena pemancar, yaitu antena horn yang beresonansi di frekuensi kerja AUT, yaitu 2,65 GHz. Pada pengukuran pola radiasi ini, jarak antara AUT dan penguji harus memenuhi persyaratan daerah medan far-field, dengan ketinggian yang memenuhi persyaratan daerah Fresnel. Pengukuran pola radiasi dilakukan dengan memutar AUT 360⁰ berlawanan arah jarum jam pada sumbunya. Data yang diambil pada pengukuran ini adalah daya yang diterima oleh antena uji (AUT). Pada pengukuran ini, pola radiasi yang diambil adalah pola radiasi E-co dan E-cross. Oleh karena itu, AUT diposisikan horizontal, sedangkan antena horn diposisikan vertikal, agar bidang medan E pada kedua antena sejajar bidang horizontal, artinya sejajar bidang putar, membentuk posisi co-polarization. Step pemutaran AUT adalah 10⁰, sehingga akan diperoleh 36 step yang akan diplot membentuk pola radiasi. Begitu juga untuk E-cross, di mana AUT pada posisi vertikal, dan antena horn tetap pada posisi vertikal, agar bidang medan E antena horn dan AUT saling tegak lurus membentuk cross-polarization.

57 44 Gambar 4.7 Pola Radiasi 3D Mikrostrip CSRR Data hasil pengukuran pola radiasi antena akan dirata-ratakan untuk kemudian dinormalisasikan terhadap nilai rata-rata yang maksimum. Hasil normalisasi selanjutnya di-plot ke dalam grafik radar pada Microsoft Excel. Gambar 4.7 memperlihatkan hasil simulasi pola radiasi 3D dari antena mikrostrip dengan CSRR yang berbentuk omnidirectional. Sedangkan Gambar 4.8 dan 4.9 menunjukkan hasil pengukuran pola radiasi E-co dan E-cross antena mikrostrip dengan CSRR sekaligus membandingkan pola radiasi antara simulasi dengan pengukuran. Pada pola radiasi E-co (Gambar 4.8), simulasi keterarahan maksimum terletak pada sudut 10 0 dan 190 0, sedangkan pengukuran terletak pada sudut 30 0 dan Meskipun keterarahannya berbeda, namun keduanya memiliki kecenderungan bentuk radiasi yang sama. Hasil ini menunjukkan penurunan kualitas radiasi antena pada pengukuran meskipun pola radiasi antara simulasi dan pengukuran tidak begitu berbeda.