BAB II DASAR TEORI ANTENA MIKROSTRIP DAN WIRELESS LAN Pada bagian ini menerangkan mengenai tinjauan pustaka atau teori dasar mengenai antenna dan gambaran umum tentang jaringan wireless. Dalam bab ini penulis menjelaskan mengenai antena mikrostrip secara umum dan parameter antena. 2.1 Pengertian Antena Antena merupakan struktur transisi antara jalur transmisi dan ruang kosong, dalam kata lain antena itu bertindak sebagai media perantara penyambung antara gelombang frekwensi radio dari suatu jalur transmisi ke dalam ruang bebas (udara). Selain itu jika sebagai penerima antena merupakan media yang menangkap gelombang elektromagnetik dan menterjemahkan data yang ada pada gelombang radio menjadi gelombang listrik. Dalam aplikasi-aplikasinya antena banyak digunakan antara lain untuk penyiaran radio dan televisi, telepon selular, sistem radar, dan banyak lagi untuk aplikasi-aplikasi yang lainnya. Tipe-tipe antena yang disebutkan tadi memiliki fitur yang unik sendiri-sendiri seperti impedansi, pola radiasi gelombangnya, lebar pancaran gelombang, polarisasi. 2.1.1 Jenis Antena Ada beberapa jenis antena yang dibedakan menurut sifat pancarannya diantaranya: 6
a. Antena Isotropis yaitu antena teoritis sebagai referensi yang memancarkan radiasinya kesegala arah dengan pola radiasi berbentuk bola. b. Antena Dipol dan Monopol dimana antena ini memiliki ukuran sebanding dengan bagian panjang gelombangnya. Contoh Dipol λ/2, monopol λ/4. Pola radiasi berbentuk omnidireksional. c. Antena direktiv, yaitu antena yang memancarkan pola radiasinya lebih focus mengarah ke suatu arah tertentu, contoh: antena horn (corong), antena yagi dan antena parabola. 2.1.2 Konsep Dasar Antena Untuk mengetahui bagaimana sebuah antena dapat bekerja minimal kita harus tahu bagaimana konsep propagasi sebuah sinyal (gelombang elektromagnetik) ditransmisikan lewat media transmisi udara. Dibawah ini merupakan gambar dari sebuah proses sinyal propagasi. G t G r Transmitter d Receiver P t P r Gambar 2.1 Model proses propagasi sinyal antena pengirim dan antena penerima. Dimana: Transmitter : Antena pemancar (pengirim) P t : Daya pancar antena pemancar G t : Gain (penguatan) antena pemancar d P r : Jarak antara antena pemancar dan penerima : Daya terima antena penerima 7
G r Receiver : Gain (penguatan) antena penerima : Antena penerima Pada Gambar 2.1 dapat dijelaskan bahwa antena pengirim berfungsi sebagai sumber informasi dimana antena pengirim tersebut memiliki besar daya pancar sebesar (P t ) dan Gain (penguatan) sebesar (G t). Proses selanjutnya sinyal yang dipancarkan dari sebuah antena pengirim akan melewati sebuah media transmisi yaitu udara ke antena penerima denga jarak (d) dalam hal ini antena penerima mengolah sinyal dari antena pengirim dan menguatkan sinyal tersebut setelah mengalami pelemahan daya pancar yang melewati media transmisi udara sebesar (G r ) dan hasilnya daya pancar yang diterima oleh antena penerima sebesar (P r ). Jika kita amati proses bagaimana gelombang frekwensi (radio) dipancarkan oleh antena pengirim melalui sebuah media transmisi yaitu udara dengan jarak tertentu dan diterima oleh antena penerima sehingga sebuah informasi dapat dikirimkan. 2.2 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya didalam system telekomunikasi sehingga mendapatkan banyak perhatian, baik dari kalangan akademis maupun industri karena efisiensi dan kehandalannya. Secara intrinsic antena mikrostrip memiliki beberapa kelemahan dalam hal lebar-pita (bandwidth) yang sempit, dan keterbatasan penguatan (gain). Namun banyak penelitian dilakukan untuk mengatasi hal tersebut. Antena mikrostrip merupakan salah satu bentuk antena yang dibuat dengan cara mencetak elemen peradiasinya pada suatu lempengan substrate seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.2. 8
Gambar 2.2 Antena Mikrostrip patch tunggal. Keterangan: 1. h : Tinggi substrate 2. w : Panjang patch 3. L : Lebar patch Bentuk dari pacth pada dasarnya dapat bermacam-macam. Pada h merupakan tinggi substrate dari ground plane, pada W menunjukkan panjang patch dan pada L menunjukkan lebar patch, pada jarak W dan L ini bila mengalami perubahan akan mempengaruhi lebar bandwidth yang dihasilkan atau yang akan dipancarkan. Dalam praktek, bentuk segiempat (rectangular), segitiga (triangular) dan cincin (annular ring) merupakan bentuk yang umum digunakan. Pencatuannya (feed) dapat berupa pencatuan koaksial (coaxial feed) atau pencatuan saluran mikrostrip tunggal (strip line feed), dan pencatuan saluran mikrostrip dua bagian (proximity coupling) yang mengarahkan energi elektromagnetik dari sumber ke daerah dibawah patch. 9
Antena mikrostrip mempunyai bentuk yang sederhana, ringan, dapat dibuat sesuai kebutuhan dan mudah difabrikasi. Dengan adanya teknologi printedcircuit yang tidak hanya digunakan untuk komponen elektronik, menyebabkan antena mikrostrip berkembang pesat. Antena mikrostrip terdiri dari elemen peradiasi pada salah satu sisi substrat dan bagian pentanahan (ground plane) pada sisi lainnya. Bagian peradiasi ini umumnya terbuat dari tembaga, perak, campuran perak dengan palladium atau emas. Bentuk geometri elemen peradiasinya dapat bermcam-macam. Namun pada penulisan ini akan ditekankan pada bentuk geometri segiempat (recatangular). Antena mikrostrip dicatu dengan berbagai cara seperti dengan probe feed, dengan saluran mikrostrip, maupun dengan kopling proximity. Dalam penulisan ini akan digunakan saluran mikrostrip sebagai saluran catu antena rancangan. Analisa parameter antena rectangular pada tulisan ini dilakukan dalam piranti lunak Sonnet Lite 11.54. 2.2.1 Teori Antena Mikrostrip Rektangular (Segiempat) Mikrostrip rektangular merupakan bentuk patch yang pada umumnya digunakan sebagai bentuk konduktor dari antena mikrostrip. Berikut gambar antena mikrostrip rektangular. Gambar 2.3 Antenna Mikrostrip Rektangular 10
Dimana W a dan L a adalah lebar dan panjang dari patch antena yang terpasang pada grounded dielectric substrate dengan relative permittivity ε r. Normalnya, ketebalan dari dielektrik substrat h adalah lebih kecil dari 0.02 λ g, dengan λ g merupakan panjang gelombang dielektrik. Dan λ g lebih kecil dari panjang gelombang di free space umumnya sebagai berikut. Dimana c = 3 x 10 8 m/s dan f o adalah frekwensi kerja dari antena. Ketika gelombang datang dari saluran pencatu menemui perubahan kasar (discontinue) pada sisi input konduktor antena mikrostrip, medan listriknya akan menyebar ke udara bebas juga pada sisi berikutnya setelah melewati patch atau konduktor yang dianggap sebagai saluran transmisi. Gambar 2.4 radiasi pada konduktor antena 11
Medan listrik yang menyebar dari kedua sisi antena mikrostrip ke udara bebas disebut sebagai medan limpahan (fringing field). 2.2.2 Dimensi Antena Mikrostrip Untuk mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik(εr), tebal konduktor (t) dan rugi-rugi bahan (rugi-rugi tangensial). Panjang antena mikrostrip harus disesuaikan, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth akan sempit sedangkan apabila terlalu panjang bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari antenna mikrostrip (W) impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan: 1. Menghitung lebar konduktor (W a ) 2. Menghitung konstanta dielektrik efektif (ε eff ) 3. Menghitung panjang tambahan (ΔL) 12
4. Menghitung panjang konduktor (L) 5. Menghitung panjang efektif (L eff ) 6. Menghitung letak dari titik pencatuan (L1) 2.2.3 Frekuensi Resonansi Antena Mikrostrip Frekuensi resonansi adalah rekuensi dimana antena mikrostrip memiliki impedansi resitif (nilai reaktansi impedansi sama dengan nol). Tetapi sangatlah sulit untuk mendapatkan nilai reaktansi input nol, sehingga frekuensi resonansi antenna mikrostrip dianggap terjadi ketika nilai reaktansi input minimum dengan nilai resistansi maksimum. Frekuensi resonansi tidak selalu sama dengan frekuensi kerja yang diinginkan sehingga pada frekuensi kerja nilai reaktansi memiliki nilai yang berpengaruh pada impedansi input antena mikrostrip. Frekuensi resonansi antenna mikrostrip dapat diperoleh melalui persamaan: 13
2.2.4 Inpedansi Karakteristik Antena Mikrostrip Antena mikrostrip memiliki impedansi karakteristik yang sangat sensitive terhadap perubahan frekuensi. Hal itu disebabkan oleh tipisnya bahan antenna mikrostrip. Selain dipengaruhi oleh karakteristik bahan, lebar dimensi antenna mikrostrip (W) juga berpengaruh pada impedansi karakteristiknya. Impedansi karakteristik antena mikrostrip dapat diperoleh menggunakan persamaan berikut: 2.3 Parameter Antena 2.3.1 Bandwidth Ada beberapa definisi yang unik dari bandwidth sebuah antena karena spesifikasi operasi dari antena mungkin melibatkan beberapa parameter, sehingga perlu disebutkan kriteria apa yang digunakan ketika bandwidth antena tersebut dihitung atau diukur. Beberapa definisi bandwidth antara lain dapat disebutkan disni: Impedance Bandwidth : variasi impedansi terhadap frekuensi elemen antena menghasilkan adanya batasan rentang frekuensi dari elemen dimana elemen tersebut matching dengan saluran catunya. Impedance Bandwidth biasanya dinyatakan dlam nilai return loss atau VSWR maksimum (biasanya kurang dari 2.0 atau 1.5) dalam suatu rentang frekuensi. 14
Pattern Bandwidth : bandwidth, level dari sidelobe, dan gain dari suatu antena semuanya bervariasi terhadap frekuensi. Jika beberapa dari kuantitas diatas dinyatakan dalam harga minimum atau maksimum, rentang frekuensi operasi dapat ditentukan. Polarization atau Axial Ratio Bandwidth : sifat-sifat polarisasi (linier atau sirkular) dari suatu antena biasanya mengacu pada nilai yang tetap terhadap frekuensi. Dengan menyatakan nilai cross-polarization maksimum atau level dari axial ratio dapat digunakan untuk mencari bandwidth. Impedance bandwidth pada antena mikrostrip tunggal biasanya dibatasi oleh faktor pola radiasi dan directivity dari elemen mikrostrip yang biasanya sedikit bervariasi terhadap frekuensi. Pada antena array, tipe rangkaian catunya mungkin akan menaikkan atau menurunkan impedance bandwidth, sedangkan pattern bandwidth biasanya lebih kecil daripada bandwidth dari elemen terisolasi karena adanya kesalahan amplitude dan fase, malahan dalam beberapa kasus sangat sempit. Jadi, jelas bahwa dalam menyatakan bandwidth dari suatu elemen mikrostrip atau array seharusnya menyatakannya secara khusus pertimbangan apa yang akan dipakai (impedansi, pola radiasi, atau polarisasi). Bandwidth antena mikrostrip merupakan jangkauan frekuensi antara kenaikan nilai VSWR dari satu sampai batas nilai yang dapat ditoleransi. Besarnya bandwidth pada penelitian ini adalah selisih antara frekuensi akhir f 2 dan frekuensi awal f 1 dengan batas kenaikan nilai VSWR 2 dan dinyatakan dengan persamaan: Atau 15
Dimana: f h = Frekuensi Tinggi f l = Frekuensi Rendah 2.3.2 Gain Antena Mikrostrip Gain adalah penguatan atau kemampuan pada antena yang berhubungan dengan directivity dan efisiensi antena. Penguatan (G) pada antena mikrostrip dapat dihitung dengan perkalian antara directivity dan efisiensi pada antena. Jika efisiensi kurang dari 100 persen, penguatan kurang dari directivity. Persamaan dapat dituliskan sebagai berikut: G = k D Dimana: Dengan k D = Faktor efisiensi antena = Directivity dari antena = Medan H = Medan E 16
2.4 Wireless LAN Jaringan Wireless-LAN adalah jaringan yang mengkoneksikan dua komputer atau lebih menggunakan sinyal radio, cocok untuk berbagai file, printer atau akses internet yang merupakan pengembangan dari jaringan LAN, hanya saja jaringan LAN masih menggunakan kabel sedangkan jaringan W-LAN tidak menggunakan kabel tetapi peralatan wireless seperti : Wireless PCI card, USB Wireless adapter, PCMCIA card, Access Point, dan lain-lainnya. Spesifikasi yang digunakan dalam WLAN adalah 802.11 dari IEEE dimana ini juga sering disebut dengan WiFi (Wireless Fidelity) standar yang berhubungan dengan kecepatan akses data. Standar terbaru dari spesifikasi 802.11a atau b, seperti 802.16 g, saat ini sedang dalam penyusunan, spesifikasi terbaru tersebut menawarkan banyak peningkatan mulai dari luas cakupan yang lebih jauh hingga kecepatan transfernya. Awalnya Wi-Fi ditujukan untuk penggunaan perangkat nirkabel dan Jaringan Area Lokal (LAN), namun saat ini lebih banyak digunakan untuk mengakses internet. Hal ini memungkinan seseorang dengan komputer dengan kartu nirkabel (wireless card) atau personal digital assistant (PDA) untuk terhubung dengan internet dengan menggunakan titik akses (atau dikenal dengan hotspot) terdekat. Wi-Fi dirancang berdasarkan spesifikasi IEEE 802.11. Sekarang ini ada empat variasi dari 802.11, yaitu: 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n Spesifikasi b merupakan produk pertama Wi-Fi. Variasi g dan n merupakan salah satu produk yang memiliki penjualan terbanyak pada 2005. 17
Tabel 2.1 Spesifikasi Wi-Fi Di banyak bagian dunia, frekuensi yang digunakan oleh Wi-Fi, pengguna tidak diperlukan untuk mendapatkan ijin dari pengatur lokal (misal, Komisi Komunikasi Federal di A.S.). 802.11a menggunakan frekuensi yang lebih tinggi dan oleh sebab itu daya jangkaunya lebih sempit, lainnya sama. Versi Wi-Fi yang paling luas dalam pasaran AS sekarang ini (berdasarkan dalam IEEE 802.11b/g) beroperasi pada 2.400 MHz sampai 2.483,50 MHz. Dengan begitu mengijinkan operasi dalam 11 channel (masing-masing 5 MHz), berpusat di frekuensi berikut: Channel 1-2,412 MHz; Channel 2-2,417 MHz; Channel 3-2,422 MHz; Channel 4-2,427 MHz; Channel 5-2,432 MHz; Channel 6-2,437 MHz; Channel 7-2,442 MHz; Channel 8-2,447 MHz; Channel 9-2,452 MHz; Channel 10-2,457 MHz; Channel 11-2,462 MHz Secara teknis operasional, Wi-Fi merupakan salah satu varian teknologi komunikasi dan informasi yang bekerja pada jaringan dan perangkat WLAN (wireless local area network). Dengan kata lain, Wi-Fi adalah sertifikasi merek 18
dagang yang diberikan pabrikan kepada perangkat telekomunikasi (internet) yang bekerja di jaringan WLAN dan sudah memenuhi kualitas kapasitas interoperasi yang dipersyaratkan. 19