BAB II ANTENA MIKROSTRIP. Antena adalah komponen pada sistem telekomunikasi nirkabel yang

Transkripsi

1 BAB II ANTENA MIKROSTRIP 2.1 Umum Antena adalah komponen pada sistem telekomunikasi nirkabel yang berfungsi sebagai pengirim dan penerima gelombang elektromagnetik. Antena menjadi suatu bagian yang tidak terpisahkan dari sistem telekomunikasi nikabel tersebut, karena antena berperan sebagai alat untuk mengubah energi listrik menjadi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya[1]. 2.2 Pengertian Antena Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas energi elektromagnetik ke udara (ruang bebas), atau sebaliknya sebagai penerima energi itu dari ruang bebas. Antena merupakan bagian yang penting dalam sistem komunikasi sehari-hari. Antena kita jumpai pada pesawat televisi, telepon genggam, radio, dan lain-lain. Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transducer (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam saluran transmisi menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun. 6

2 Dengan defenisi antena di atas, diketahui suatu kepastian bahwa di setiap sistem komunikasi nirkabel terdapat komponen yang bisa mengubah gelombang tertuntun menjadi gelombang ruang bebas dan kebalikannya, komponen ini adalah antena. Pada sistem komunikasi nirkabel yang modern, sebuah antena harus berfungsi sebagai antena yang bisa memancarkan dan menerima gelombang dengan baik untuk suatu arah tertentu[2]. Beberapa antena dikenal luas dengan berbagai bentuk dan kegunaan pada frekuensi kerja yang beragam, diantaranya kawat (wires), loop, aperture,reflektor, microstrip dan juga bentuk susunan dari antena-antena tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Macam-Macam Antena (a)thin dipole (b)loop (c)horn (d)helix (e)microstrip Untuk komunikasi 2 arah, dapat digunakan antena yang sama untuk transmisi dan penerimaan. Hal ini dapat dilakukan karena antena apa pun ketika memindahkan energi dari lingkungan sekeliling ke terminal penerima masukan memiliki efisiensi yang sama saat antena memindahkan energi dari terminal pemancar keluar ke lingkungan sekeliling, dengan anggapan frekuensi yang sama digunakan pada kedua arah[3]. 7

3 2.3 Antena Mikrostrip Ide atau konsep antena mikrostrip diusulkan pertama kalinya oleh Deschamps pada awal tahun 1950 dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini seperti : Personal Communication System (PCS), Mobile Satellite Communications, Direct Broadcast Television (DBS), Radio Detection And Ranging (Ra-dar) dan Global Positioning System (GPS) [2]. Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang berbentuk papan tipis yang mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Antena mikrostrip dibuat dengan menggunakan sebuah substrate yang mempunyai tiga buah lapisan struktur dari substrate tersebut. Struktur tersebut terdiri dari patch antena yang sangat tipis (t<< 0, 0 adalah panjang gelombang di ruang hampa) dan bidang pentanahan atau ground plane yang dapat dicetak pada satu atau lebih dielektrik substrate (h<< 0, biasanya h )[2]. Bagian-bagian tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2 dan memiliki fungsi seperti dijelaskan sebagai berikut [4] : 1. Pacth, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi sebagai elemen peradiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas yang terletak dibagian paling atas antena. Bentuk patch antena mikrostrip bermacammacam, diantaranya segiempat, lingkaran, segitiga, circular ring dan lain sebagainya. 2. Substrate dielektrik, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk menyalurkan gelombang elektromagnetik yang berasal 8

4

5 bidang akademis, industri, maupun penelitian. Berikut ini Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip yaitu [6] : 1. Mempunyai bobot yang ringan dan volume yang kecil. 2. Konfigurasi yang low profile sehingga bentuknya dapat disesuaikan dengan perangkat utamanya. 3. Biaya fabrikasi yang murah sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar. 4. Mendukung polarisasi linear dan sirkular. 5. Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave integrated circuits (MICs) 6. Kemampuan dalam dual frequency dan triple frequency. 7. Tidak memerlukan catuan tambahan. Namun, antena mikrostrip juga mempunyai beberapa kelemahan, yaitu : 1. Bandwidth yang sempit 2. Efisiensi yang rendah 3. Penguatan yang rendah 4. Memiliki rugi-rugi hambatan (ohmic loss) pada pencatuan antena array 5. Memiliki daya (power) yang rendah 2.5 Parameter Antena Mirostrip Kualitas antena dapat dilihat dari unjuk kerja parameter antena tersebut. Dengan mengetahui nilai parameter antena, dapat ditentukan apakah suatu antena cocok digunakan pada aplikasi yang diinginkan. Ada beberapa parameter- 10

6 parameter penting sebagai karakteristik antena yang biasanya ditentukan pada pengamatan medan jauh (far field) [2] Bandwidth Bandwidth adalah daerah rentang frekuensi kerja dari suatu antena, dimana pada rentang tersebut antena dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima dan memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu. Pengertian harus dapat bekerja dengan efektif adalah bahwa distribusi arus dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut benar-benar belum banyak mengalami perubahan yang berarti. Sehingga pola radiasi yang sudah direncanakan serta VSWR yang dihasilkannya masih belum keluar dari batas yang diizinkan. Nilai Bandwidth dapat diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas dari suatu antena sudah diketahui[7]. Misalkan sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar f c, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f 1 (dibawah f c ) sampai dengan f 2 (diatas f c ), maka lebar bandwidth dari antena tersebut adalah (f 1 f 2 ). Tetapi apabila dinyatakan dalam persen, maka bandwidth antena tersebut dinyatakan dengan Persamaan 2.1 [8] = 100 % (2.1) Pada antena mikrostrip, ada beberapa jenis bandwidth yang biasanya digunakan dalam perancangan ataupun pengukuran, yaitu [7] : a. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari 11

7 nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. b. Pattern Bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana beamwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari. c. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah lebih kecil dari 3 db Gain Gain adalah perbandingan antara intensitas radiasi suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropik yang menggunakan sumber daya masukan yang sama dan dinyatakan dengan Persamaan 2.2 [7] =. (2.2) dengan D adalah directivity dan η adalah efisiensi antena. Ketika antena digunakan pada suatu sistem, biasanya lebih menarik bagaimana efisien suatu antena untuk memindahkan daya yang terdapat pada terminal input menjadi daya radiasi. Untuk menyatakan ini, power gain ( atau gain saja) didefenisikan sebagai 4π kali ratio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan dengan persamaan 2.3 [3]. (, ) = 4 (, ) (2.3) 12

8 2.5.3 VSWR VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum ( V max) dengan minimum ( V min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (г) [8]. Persamaan 2.4 digunakan untuk mencari nilai VSWR atau S. = = г г (2.4) Koefisien refleksi tegangan (г) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan phasa dari refleksi. Dimana besar г ditentukan dengan Persamaan 2.5. г = = (2.5) dimana Z 0 adalah impedansi saluran lossless dan Z L adalah impedansi beban. Untuk beberapa kasus sederhana, ketika bagian imaginer dari г sama dengan nol, maka : 1. Г = -1 : Merefleksikan negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat 2. Г = 0 : Tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna 13

9 3. Г = +1 : Refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka Kondisi yang paling baik adalah ketika nilai VSWR sama dengan 1 atau S = 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini pada prakteknya sulit didapatkan. Oleh karena itu nilai standar VSWR yang diijikankan untuk simulasi dan fabrikasi antena mikrostrip adalah VSWR lebih kecil sama dengan 2 [7] Return Loss Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena), sehingga tidak semua daya yang diradiasikan melainkan ada yang dipantulkan kembali. Return loss menunjukkan adanya perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan [7]. Nilai return loss dapat dicari dengan cara memasukkan koefisien tegangan [Г] ke dalam Persamaan 2.6: = 20 Log г (2.6) Nilai return loss yang baik adalah dibawah -9,54 db, sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah dalam keadaan matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak. 14

10

11 Daya real (R in ) merupakan daya terdisipasi yang menggambarkan hilangnya daya akibat dari panas atau radiasi. Sedangkan komponen imajiner X in (reaktansi input) mewakili reaktansi antena serta daya yang tersimpan di sekitar antena [7] Keterarahan (Directivity) Keterarahan dari sebuah antena didefenisikan sebagai perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi ratarata pada satu arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Dengan demikian, keterarahan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.8 [3]. = = (2.8) Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang didapat dengan Persamaan 2.9 [3]. = = = (2.9) dimana : D D 0 U U max U 0 P rad : Keterarahan : Keterarahan maksimum : Intensitas radiasi : Intensitas radiasi maksimum : Intensitas radiasi pada sumber isotropik : Daya total radiasi 16

12 Keterarahan biasanya dinyatakan dalam db, yaitu 10 Log D 0 db. Dimana D o merupakan maximum directivity dari sebuah antena. Directivity sebuah antena isotropis adalah 1, karena daya yang diradiasikan ke segala arah sama. Untuk antena yang lain, directivity akan selalu lebih dari satu, dan ini adalah figure of merit relatif yang memberikan sebuah indikasi karakteristik pengarahan antena dibandingkan dengan karakteristik pengarahan antena isotropis [3]. 2.6 Dimensi Antena Dimensi antena mempresentasikan bentuk serta ukuran dari antena mikrostrip. Untuk dapat menentukan dimensi antena patch segiempat, terlebih dahulu harus diketahui parameter bahan yang akan digunakan seperti ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (ε r ), frekuensi kerja yang diharapkan (f Hz ). Pengaturan panjang dan lebar antena mikrostrip harus sesuai agar bandwidth yang dihasilkan lebar, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth yang dihasilkan sempit sedangkan apabila terlalu panjang maka akan dihasilkan bandwidth yang lebar tetapi efisiensi radiasi nya menjadi kecil. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan Persamaan 2.10 [4]. = ( ) (2.10) dimana : W ε r : lebar patch (m) : konstanta dielektrik c : kecepatan cahaya diruang bebas ( m/s 2 ) f r : frekuensi kerja antena (Hz) 17

13 Untuk menentukan lebar patch (L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect yaitu efek pada elemen peradiasi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya. Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.11 [4]. = 0.412h. (. ). (. ) (2.11) dimana h merupakan tebal substrate dan ε r eff merupakan konstanta dielektrik relatif yang ditentukan dengan Persamaan 2.12 [4]. = + [ ] (2.12) lebar patch (L) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.13 [4]. = 2 (2.13) dimana L eff merupakan lebar patch efektif yang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.14 [4]. = (2.14) Untuk perhitungan ukuran saluran pencatu inset dilakukan dengan menghitung lebar dan panjangnya. Lebar saluran pencatu inset (W 0 ) dihitung dengan Persamaan (2.15) [3]. = (2.15) 18

14 Persamaan (2.15) berlaku untuk nilai < 2, sedangkan untuk > 2 nilai W 0 ditunjukkan oleh Persamaan (2.16) [6]. = 1 ln(2 1) + ( 1) (2.16) dengan A dan B bernilai seperti Persamaan (2.17) dan (2.18). = (2.17) = (2.18) Untuk menghitung panjang saluran pencatu (y 0 ) digunakan Persamaan (2.19), dimana persamaan ini valid untuk nilai 2 ε r 10 [9]. = 10 ( ) (2.19) Penentuan besar ground plane pada desain antena mikrostrip patch segiempat perlu dilakukan sesuai ketentuan karena akan berpengaruh pada tinggi rendahnya gain yang dihasilkan. Idealnya, luas dan tebal dari ground plane tidak terbatas atau dikenal dengan istilah infinite ground plane, namun dalam prakteknya tidak mungkin terealisasi sehingga hanya bisa disiasati sesuai kebutuhan. Setelah penentuan dimensi patch dan ground plane, penentuan dimensi feeder sebagai saluran mikrostrip yang menghubungkan catuan berupa konektor SMA 50 Ω dengan patch antena mikrostrip. Secara simulasi akan diperoleh ukuran panjang dan lebar feeder dengan cara mengubah ukuran secara iterasi sampai mendapatkan hasil yang sesuai dengan spesifikasi antena yang diinginkan [3]. 19

15 2.7 Rugi-Rugi Saluran Mikrostrip Rugi-rugi pada saluran mikrostrip terjadi pada substrate dan elemen peradiasi antena yang dinyatakan dalam faktor pelemahan (α). Faktor pelemahan yang paling domian pada antena mikrostrip tergantung pada faktor geometri, sifat dielektrik dari substrate dan konduktor, serta frekuensi yang digunakan. Ada 3 jenis rugi-rugi yang utama yaitu rugi-rugi dielektrik, rugi-rugi konduktor, dan rugi-rugi radiasi [10] Rugi-Rugi Dielektrik Rugi-rugi dielektrik disebabkan oleh sifat konduktivitas dielektrik dan dinyatakan sebagai koefisien pelemahan dielektrik (α d ). Besarnya rugi-rugi dielektrik pada saluran mikrostrip dinyatakan dengan Persamaan 2.20 [3]. = 4.34 (2.20) dimana: α d σ d ε eff ε r ε o : rugi-rugi dielektrik (db/cm) : konduktivitas dielektrik (mho/m) : permitivitas dilektrik relatif efektif (F/m) : permitivitas dielektrik relatif substrat (F/m) : permitivitas ruang hampa ( F/m) µ o : permeabilitas ruang hampa (4π 10-7 H/m) 20

16 2.7.2 Rugi-Rugi Konduktor Suatu saluran mikrostrip yang memiliki rugi-rugi dielektrik yang rendah, maka sumber rugi-rugi utama diakibatkan tidak sempurnanya konduktor yang ada dan besarnya rugi-rugi konduktor dinyatakan dengan Persamaan 2.21 dan 2.22 [3]. =.. (2.21) =.. (Ω) (2.22) dimana: α c R s Zo w : rugi-rugi konduktor (db/cm) : resistansi permukaan (Ω) : impedansi karakteristik saluran (Ω) : lebar saluran mikrostrip (mm) µ : permeabilitas bahan σ c : konduktivitas konduktor (mho/cm) Berdasarkan persamaan diatas diperoleh besarnya koefisien pelemahan (α) merupakan penjumlahan antara rugi-rugi dielektrik (α d ) dan rugi-rugi konduktor (α c ) yang dinyatakan dengan Persamaan 2.23 [3]. = + (2.23) dengan: α α d α c : koefisien pelemahan (db/cm) : rugi-rugi dielektrik (db/cm) : rugi-rugi konduktor (db/cm) 21

17 2.7.3 Rugi-Rugi Radiasi Rugi-rugi radiasi sangat tergantung pada ketebalan dan konstanta dilektrik substrate. Rugi-rugi ini dinyatakan dalam bentuk rasio daya yang diradiasikan terhadap daya total yang diberikan ke saluran. Rasio daya yang diradiasikan oleh saluran microstrip open circuit dinyatakan oleh Persamaan 2.24 dan 2.25 [3]. =. (2.24) = (2.25) dari substitusi persamaan diatas, diperoleh Persamaan = 240. (2.26) dimana : R r P t P rad o h ε eff : rugi-rugi radiasi (db/cm) : daya total yang diberikan saluran (db) : daya yang diradiasikan (db) : panjang gelombang di udara (m) : tebal substrat (mm) : permitivitas dielektrik relatif efektif (F/m) 2.8 AWR Microwave Office 2004 Awr Microwave Office 2004 merupakan software yang digunakan untuk mendesain dan menganalisis kinerja pada radio frequency (RF), microwave, millimeterwave, analog, dan desain RFIC yang memungkinkan untuk 22

18 menggambar langsung kedalam sistem AWR. Microwave Office (MWO) dan Analog Office (AO) memungkinkan untuk merancang desain sirkuit yang rumit secara linear, non-linear, serta struktur elektromagnet, dan menampilkan layout dari desain tersebut. Software ini juga bekerja dengan cepat dan menganalisis secara akurat. Microwave Office merupakan solusi perangkat lunak yang paling komprehensif dalam merancang berbagai jenis rangkaian microwave dan RF. Microwave office terkenal karena memiliki user interface yang intuitif. Keunikan dari arsitekturnya membuat perangkat ini dapat berintegrasi dengan produk AWR yang lain, perangkat-perangkat terbaru, perangkat lunak dengan aplikasi khusus dari perusahaan mitra dengan tujuan untuk memudahkan dan mempercepat dalam menyelesaikan rancangan-rancangan pada frekuensi tinggi. Adapun kemampuan dan aplikasi dari Microwave Office adalah sebagai berikut : Kemampuan : a. Perancangan schematic/layout. b. Simulasi rangkaian linier dan non linier. c. Analisa EM d. Sintesis, optimasi, dan analisis hasil e. DRC/L vs skematik f. Process designs kits (PDKs) dari berbagai perancangan Aplikasi : a. Microwave Integrated Circuits (MIC). b. Papan cetak perancangan RF (PCB). c. Rakitan microwave terpadu. 23