BAB II ANTENA MIKROSTRIP 2.1 Pengertian Antena Antena merupakan salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis dalam sistem komunikasi tanpa kabel atau wireless. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistem tersebut. Antena memiliki sifat resonansi, sehingga antena akan beroperasi pada daerah tertentu. Antena digunakan untuk mengirim dan menerima gelombang elektromagnetik, bergantung kepada pemakaian dan penggunaan frekuensinya. Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara. Dapat juga dikatakan antena merupakan struktur transisi antara ruang bebas dengan alat pembimbing. Alat pembimbing atau saluran transmisi dapat berupa saluran koaxial ataupun pipa dan digunakan sebagai alat transportasi energi elektromagnetik dari sumber transmisi ke antena atau dari antena ke penerima[1]. Kekuatan dalam mengkonsentrasi dan memfokuskan sinyal radio, satuan ukurnya dalam antena adalah db. Jadi ketika db bertambah, maka jangkauan jarak yang bisa ditempuh pun bertambah. Jenis antena yang akan dipasang harus sesuai dengan sistem yang akan kita bangun, juga disesuaikan dengan kebutuhan penyebaran sinyalnya. Antena merupakan sebuah komponen yang penting dalam sistem telekomunikasi. Dengan kata lain, antena menyediakan transisi dari sebuah gelombang terbimbing pada sebuah saluran transmisi menjadi gelombang ruang
bebas. Informasi yang dikirim dapat ditransfer di antara lokasi yang berbeda tanpa adanya struktur yang mengintervensi[2]. Pada beberapa aplikasi antena merupakan sebuah komponen yang wajib digunakan. Sebagai contoh pada komunikasi bergerak yang melibatkan pesawat terbang, pesawat luar angkasa, kapal laut atau transportasi darat adanya sebuah antena sangat diperlukan. Antena juga sangat populer kegunaannya pada komunikasi broadcast dimana satu terminal transmisi dapat melayani penerima dengan jumlah yang tak terbatas. Pada aplikasi radio amatir ataupun nonbroadcast radio antena juga sangat dibutuhkan. Antena juga penting kedudukannya pada aplikasi radar[2]. Perkembangan antena pada awalnya sangat terbatas. Namun dengan tingkat kebutuhan akan sebuah alat komunikasi yang makin meningkat, perkembangan antena pada saat ini menjadi sangat pesat. Penelitian dan pengembangan antena akan terus berlanjut seiring dengan perkembangan teknologi komunikasi. 2.2 Antena Mikrostrip Salah satu antena yang paling populer saat ini adalah antena mikrostrip. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip sangat cocok digunakan untuk perangkat telekomunikasi yang sekarang ini sangat memperhatikan bentuk dan ukuran. Ukurannya yang kecil dan beratnya yang ringan membuat jenis antena ini sederhana untuk dibuat dan mudah untuk diintegrasikan. Beberapa kemajuan pada area penelitian ini mulai menghasilkan 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 masa 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. Antena mikrostrip dikenal dalam beberapa macam bentuk patch, seperti: persegi panjang (rectangular), persegi (square), lingkaran (circular), elips (elliptical), segitiga (triangular), dan circular ring, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Bentuk Patch Antena Mikrostrip
2.3 Struktur Antena Mikrostrip Antena mikrostrip mempunyai struktur yang terdiri dari 3 lapisan[3] seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.1, yaitu : a. Patch, bagian yang berfungsi untuk meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Patch dapat berbentuk lingkaran, persegi panjang, dan segitiga. b. Substrat berfungsi 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 (ε r ) dan ketebalannya (h). Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat. c. Groundplane yaitu lapisan paling bawah yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan. Gambar 2.2 memperlihatkan struktur dasar dari antena mikrostrip yang tersusun atas patch, substrat dan groundplane[4]. Gambar 2.2 Antena Mikrostrip
Pada dielektrik substrat terdapat parameter h yang merupakan ketebalan dari substrat, loss tangent (tan δ) yang merupakan rugi rugi dielektrik dan ε r yang merupakan konstanta dielektrk substrat. Ketiga konstanta tersebut sangat penting pada saat perancangan antena. Hal penting lainnya dalam perancangan antena mikrostrip adalah panjang gelombang elektromagnetik yang digunakan. Gelombang elektromagnetik saat ini aplikasinya banyak digunakan untuk membantu kehidupan manusia, seperti komunikasi wireless, antena, radar, dan lain-lain. Panjang gelombang elektromagnetik dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.1 berikut[5]: λ 0 = c. (2.1) f Dimana: λ 0 = panjang gelombang (mm) c = kecepatan cahaya (m/s) f = frekuensi (Hz) 2.4 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip Bentuknya yang low profile membuat antena mikrostrip dapat diintegrasikan pada berbagai bidang permukaan, sederhana dan tidak mahal untuk diproduksi dengan menggunakan teknologi sirkuit modern, secara mekanik tangguh pada saat diintegrasikan pada permukaan yang kasar, dan sangat baik dalam frekuensi resonansi, polarisasi, bentuk dan impedansi. Jenis antena ini dapat diintegrasikan pada permukaan yang memerlukan performansi yang sangat tinggi seperti pada pesawat terbang, pesawat antariksa, satelit, misil, mobil bahkan pada telepon genggam.
Secara garis besar antena mikrostrip memilki kelebihan yakni[3] : 1. Dimensi antena yang kecil 2. Bentuknya yang sederhana memudahkan proses perakitan 3. Tidak memakan biaya besar pada proses pembuatan 4. Kemampuan dalam dual frequency dan triple frequency 5. Dapat diintegrasikan pada microwave integrated circuit (MIC) Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti : 1. Efisiensi yang rendah 2. Gain yang rendah 3. Bandwidth yang sempit 4. Daya (power) yang rendah 5. Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan 2.5 Antena Mikrostrip Patch Segiempat Dalam perancangan ini digunakan patch yang berbentuk segiempat. Pada umumnya patch segiempat lebih banyak digunakan karena kemudahan dalam analisis dan proses fabrikasi. Gambar 2.3 memperlihatkan antena mikrostrip patch segiempat dimana W dan L adalah lebar dan panjang dari patch, h adalah tebal substrat dan ε r merupakan nilai konstanta dielektrik dari substrat. Gambar 2.4 memperlihatkan bentuk nyata dari patch mikrostrip segiempat[4].
Gambar 2.3 Antena mikrostrip patch segiempat Gambar 2.4 Bentuk nyata patch mikrostrip segiempat 2.6 Parameter Umum Antena Mikrostrip Unjuk kerja (performance) dari suatu antena mikrostrip dapat diamati dari parameternya. Beberapa parameter utama dari sebuah antena mikrostrip akan dijelaskan pada bagian berikut. 2.6.1 Bandwidth Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar[5]. Bandwidth dapat dicari dengan menggunakan rumus [1][4]:
BW = f 2 f 1 f c... (2.2) Dimana : f 2 = frekuensi tertinggi f 1 = frekuensi terendah fc = frekuensi tengah 2.6.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum ( V max) dengan minimum ( V min)[5]. 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 (Γ) [1]: Γ = V 0 V 0 + = Z L Z 0 Z L +Z 0.. (2.3) Dimana Z L adalah impedansi beban (load) dan Z 0 adalah impedansi saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka : Γ = 1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat, Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna, Γ = + 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka. Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah[5]: S = V max V min = 1+ Γ 1 Γ... (2.4)
Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna[5]. Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah VSWR 2[6]. 2.6.3 Return Loss Return Loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return Loss digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0 - ) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0 + ). Return Loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi[1]. Γ = Vo = Z L Z o = VSWR 1 Vo + Z L +Z o VSWR+1... (2.5) return loss = 20 log 10 Γ... (2.6) 2.6.4 Pola radiasi Pola radiasi adalah fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang[5]. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional[2].
Parameter pola radiasi terdiri dari main lobe, side lobe, HPBW (Half Power Beamwidth), FNBW (First Null Beamwidth), SLL (Side Lobe Level) dan FBR (Front to Back Ratio) [7]. Parameter pola radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.5. Gambar 2.5 Pola radiasi antena Definisi dari istilah istilah pada parameter pola radiasi, sebagai berikut[7] : a. Major lobe Major lobe disebut juga main lobe didefinisikan sebagai radiation lobe yang berisi arah radiasi maksimum. Major lobe merupakan daerah pancaran terbesar sehingga dapat menentukan arah radiasi dan mempunyai daya yang besar. b. Side lobe Side lobes terdiri dari : 1. first side lobe yaitu minor lobe yang posisinya paling dekat dengan main lobe.
2. second side lobe yaitu minor lobe yang posisinya setelah first side lobe. 3. back lobe yaitu minor lobe yang posisinya berlawanan dengan main lobe. c. Half Power Beamwidth ( HPBW) Half Power Beamwidth adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titik titik ½ daya atau -3 db atau 0.707 dari medan maksimum pada lobe utama. d. First Null Beamwidth (FNBW) First Null Beamwidth adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol. e. Side Lobe Level (SLL) Side Lobe Level adalah perbandingan antara first lobe dan main lobe. Side Lobe Level menyatakan besar dari side lobe. f. Front to Back Ratio (FBR) Front to Back Ratio adalah perbandingan antara main lobe terhadap back lobe. Semakin banyak jumlah lobe, maka lobe-lobe yang paling dekat dengan sumbu 0 0 akan selalu lebih besar dari yang lain, sehingga disebut mayor lobe, dimana mayor lobe lebih terarah ke tujuan yang sebenarnya daripada ke arah lain dan lebih efisien. Sedangkan lobe-lobe kecil di dekat major lobe yang disebut minor lobe adalah berkas radiasi yang tidak terarah dan sebenarnya tidak diinginkan.
2.6.5 Direktivitas Antena Direktivitas antena merupakan parameter antena yang menggambarkan kemampuan antena untuk memfokuskan energi ke arah tertentu dibandingkan ke arah lainnya. Keterarahan sebuah antena merupakan perbandingan intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata rata pada semua arah[5]. Direktivitas antena dapat dituliskan dalam Persamaan 2.7[8] berikut: Direktivitas = D = P P ( θ, φ) maks ( θ, φ) rata rata. (2.7) Semakin besar sudut yang membentuk main lobe, maka direktivitas antena semakin kecil. Perbandingan direktivitas antena yang memiliki sudut yang berbeda terlihat pada Gambar 2.6[8]. (a) (b) (c) Gambar 2.6 Perbandingan direktivitas antena (a) Sudut main lobe yang besar, (b) Sudut main lobe yang kecil, (c)perbandingan direktivitas rendah dan direktivitas tinggi
2.6.6 Impedansi Masukan Impedansi masukan dari sebuah antena adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena pada terminalnya. Terminal yang sesuai sangat dibutuhkan untuk sebuah antena. Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang berada disekitarnya. Tetapi pada umumnya sebuah antena diasumsikan telah terisolasi. Secara matematis impedansi masukan dapat dirumuskan[2]: Z in = R in + jx in... (2.8) Dimana : Z in = impedansi masukan R in = tahanan terminal antena X in = reaktansi masukan 2.6.7 Gain Gain menunjukkan seberapa efisien sebuah antena dapat mentransformasi daya yang ada pada terminal masukan menjadi daya yang teradiasi pada arah tertentu[5]. Parameter gain dapat dicari dari hasil perhitungan rumus, dengan mencari hasil direktivitas (D) dengan rumus [9]: Dimana, nilai I adalah[9]: D = 4W2 π 2 λ 0 2 I... (2.9) I = 120W2 π 2 90λ 0 2 (2.10)
Untuk mengetahui gain dari antena susun, maka dicari nilai direktivitas susun (D susun )[9] : D susun = 2D... (2.11) Untuk antena mikrostrip yang memiliki lebih dari satu elemen, maka nilai direktivitas total (D total )[5]: D total = D susun x D jumlah elemen... (2.12) Dimana: D = direktivitas I = kuat arus W = lebar patch λ 0 = panjang gelombang D jumlah elemen = jumlah elemen yang dirancang Penguatan gain dirumuskan pada Persamaan 2.13 [9] berikut: G = Ƞ. D..... (2.13) Dimana besar efisiensi antena mikrostrip (Ƞ) yang diigunakan adalah 60%[5]. 2.7 Dimensi Antena Mikrostrip Dalam perancangan antena mikrostrip terlebih dahulu kita harus menghitung dimensi antena yang akan dibuat yang meliputi panjang dan lebar patch-nya. 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 antena mikrostrip (W) impedansi input juga akan berubah. Untuk mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L), harus diketahui
terlebih dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik (ε r ), tebal konduktor (t) dan rugi-rugi bahan (rugi-rugi tangensial). Persamaan yang dapat digunakan untuk mencari lebar dan panjang antena mikrostrip adalah sebagai berikut[10]: 1. Lebar patch W = c 2fr εr+1 2. (2.14) Di mana: W = lebar patch (mm) fr = frekuensi resonansi (Hz) ε r = konstanta dielektrik relative c = kecepatan cahaya (m/s) 2. Panjang patch L = L eff 2 ΔL. (2.15) Di mana: Leff = εreff = c 2 fr εreff εr+1 2 +εr 1 2 1+12 h W.. (2.16) (2.17) L = 0,412h (εreff+0,3)+ W h +0,264. (2.18) (εreff 0,258)+ W +0,8 h Keterangan: L = panjang patch (mm) L eff = panjang patch efektif (mm) h = ketebalan pcb (mm) ε r = konstanta dielektrik relatif ε reff = konstanta dielektrik relative efektif