BAB II DASAR TEORI 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip adalah salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator yang efisien untuk sistem telekomunikasi modern saat ini, seperti radar, global positioning system (GPS), WiFi (Wireless Fidelity), dan WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Antena mikrostrip menjadi pilihan didalam berbagai aplikasi gelombang mikro karena bentuknya yang sederhana, efisien, ekonomis dan dapat diintegrasikan dengan microwave integrated circuits (MIC) serta mudah dalam pembuatannya. Antena mikrostrip tersusun atas 3 bagian yaitu : bagian peradiasi (patch), bagian substrat (substrate), dan bagian pentanahan (ground). Bagian-bagian tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.1 [1] : Gambar 2.1 Antena Mikrostrip Adapun fungsi dari setiap elemen yang ada pada antena mikrostrip adalah sebagai berikut : 1. Pacth, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi sebagai elemen peradiasi gelombang elektromagnetik ke ruang bebas yang terletak 5
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 dari patch. Dalam perancangan antena mikrostrip, karakteristik substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Ketebalan dielektrik substrat memiliki pengaruh besar terhadap bandwidth antena mikrostrip, dengan menambah ketebalan substrate dapat memperbesar bandwidth namum dengan penambahan ini akan menimbulkan surface wave (gelombang permukaan). 3. Groundplane, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk memisahkan antena substrate dielektrik dengan benda lain yang dapat menggangu radiasi sinyal. Dielektrik substrat yang biasa digunakan untuk perancangan antena mikrostrip berkisar 2.2 εr 12. Jenis substrat yang paling baik digunakan untuk antena ialah yang memiliki konstanta dielektrik yang paling rendah dari rentang tersebut karena akan menghasilkan efisiensi yang lebih baik, bandwidth yang lebar serta radiasi yang lebih bebas. Namun, dengan penggunaan bahan dielektrik substrat yang paling rendah tersebut menjadikan ukuran antena yang lebih besar. Prinsip dari antena adalah mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Saluran transmisi merupakan alat yang memiliki fungsi untuk menghantar atau menyalurkan energi gelombang elektromagnetik. Sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi 6
yang memilki panjang tak berhingga menimbulkan gelombang berjalan yang seragam sepanjang saluran itu. Apabila saluran ini dihubung singkat maka akan muncul gelombang berdiri (standing wave) yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang direfleksikan. Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi listrik seluruhnya ke energi magnet total dua kali setiap periode gelombang. Gambar 2.2 [1] memperlihatkan sumber atau pemancar yang dihubungkan dengan sebuah saluran transmisi ke antena. Jika saluran transmisi disesuaikan dengan impedansi antena, maka hanya akan ada gelombang berjalan ke arah antena saja. Di daerah antena energi diteruskan ke ruang bebas sehingga daerah ini merupakan transisi antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas. gelombang datang gelombang berdiri (a) Gelombang berdiri pada antena gelombang pantul (b) Transisi gelombang elektromagnetik Gambar 2.2 Antena sebagai peralatan transisi 7
2.2 Parameter-Parameter Antena Mikrostrip 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 parameterparameter penting sebagai karakteristik antena yang biasanya ditentukan pada pengamatan medan jauh (far field) [2]. 2.2.1 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). Persamaan 2.1 digunakan untuk mencari nilai VSWR atau S. s = max min = 1+ г 1 г (2.1) Koefisien refleksi tegangan (г) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan phasa dari refleksi. Dimana besar г ditentukan dengan Persamaan 2.2 [3]. г = V 0 V 0 + = Z L Z 0 Z L + Z 0 (2.2) dimana Z0 adalah impedansi saluran lossless dan ZL adalah impedansi beban. Untuk beberapa kasus sederhana, ketika bagian imaginer dari г sama dengan nol, maka : 8
1. Г = -1 : Merefleksikan negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat 2. Г = 0 : Tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna 3. Г = +1 : Refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 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 pabrikasi antena mikrostrip adalah VSWR lebih kecil sama dengan 2 [4]. 2.2.2 Bandwidth Bandwidth merupakan 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 dapat bekerja dengan efektif adalah 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. Misalkan sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar fc, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f1 (dibawah fc) sampai dengan f2 (diatas fc), maka lebar bandwidth dari 9
antena tersebut adalah (f1 f2). Tetapi apabila dinyatakan dalam persen, maka bandwidth antena tersebut dinyatakan dengan Persamaan 2.3 [3]. BW = f 2 f 1 f c 100 % (2.3) Pada antena mikrostrip, ada beberapa jenis bandwidth yang biasanya digunakan dalam perancangan ataupun pengukuran, yaitu : 1. 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 nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. 2. 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. 3. 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. 2.2.3 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 adaya perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Nilai return loss 10
dapat dicari dengan cara memasukkan koefisien tegangan [Г] ke dalam Persamaan 2.4 [4] Return Loss = 20 Log 10 г (2.4) 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. 2.2.4 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 2.5 [4]. G = D. η (2.5) Dengan D adalah directivity dan η adalah efisiensi antena. Ketika antena digunakan pada suatu sistem, biasanya lebih menarik pada 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 2.6[5]. G (θ, ) = 4π U (θ, ) P in (2.6) 11
2.2.5 Pola Radiasi Pola radiasi didefenisikan sebagai sebuah fungsi matematika atau representasi grafik dalam fungsi koordinat ruang dari sifat radiasi antena. Sifat radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.3 [1] yang meliputi kerapatan flux, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Biasanya sifat dari radiasi yang sangat penting ialah persebaran secara tiga dimensi atau dua dimensi dari energi yang diradiasikan antena. Gambar 2.3 Bentuk Grafis Pola Radiasi Antena 2.2.6 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 2.7. D = U U 0 = 4 πu P Rad (2.7) 12
Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang didapat dengan Persamaan 2.8 [4]. D = D 0 = U Max U 0 = 4πU Max P rad (2.8) Dimana : D D0 U Umax U0 Prad : Keterarahan : Keterarahan maksimum : Intensitas radiasi : Intensitas radiasi maksimum : Intensitas radiasi pada sumber isotropik : Daya total radiasi Keterarahan biasanya dinyatakan dalam db, yaitu 10 Log D0 db. Dimana Do 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. 2.2.7 Impedansi Masukan Impedansi masukan adalah perbandingan antara tegangan dan arus. Impedansi masukan disebut juga sebagai impedansi dari antena tersebut pada terminalnya. Impedansi masukan (Zin) terdiri dari bagian real (Rin) dan imajiner (Xin) dan dapat ditulis sesuai Persamaan 2.9 [4]. Z in = ( R in + j X in )Ω (2.9) 13
Daya real (Rin) merupakan daya terdisipasi yang menggambarkan hilangnya daya akibat dari panas atau radiasi. Sedangkan komponen imajiner Xin (reaktansi input) mewakili reaktansi antena serta daya yang tersimpan dekat antena. 2.3 Dimensi Antena Mikrostrip 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 (εr), 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 mancari panjang dan lebar antena mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan Persamaan 2.10 [1]. W = c 2 2 f r (ε r +1) (2.10) Dimana : W εr : lebar patch (m) : konstanta dielektrik c : kecepatan cahaya diruang bebas (3 10 8 m/s 2 ) fr : frekuensi kerja antena (Hz) 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. 14
Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.11 [1]. L = 0.412h (ε r eff+ 0.3)( W h +0.264) (ε r eff 0.258)( W h +0.8) (2.11) dimana h merupakan tebal substrat dan εr eff merupakan konstanta dielektrik relatif yang ditentukan dengan Persamaan 2.12 [1]. ε r eff = ε r+ 1 2 + ε r 1 [1 + 12 h 2 W ] 1 2 (2.12) lebar patch (L) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.13 [1]. L = L eff 2 L (2.13) dimana Leff merupakan lebar patch efektif yang dapar dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.14 [1]. L eff = c 2 f r ε r eff (2.14) 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 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. 15
2.4 Teknik Pencatuan Dalam perancangan antena, teknik pencatuan merupakan hal yang sangat penting karena salah satu syarat antena yang baik ialah apabila impedansi input sesuai (matched) dengan impedansi karakteristik kabel pencatunya serta dapat memancarkan dan menerima energi gelombang radio dengan arah polarisasi yang sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan. Teknik pencatuan yang digunakan pada antena mikrostrip diklasifikasikan menjadi dua yaitu pencatuan secara langsung (direct coupled) dan secara tidak langsung (proximity coupled). Pada teknik pencatuan langsung (direct coupled), power RF langsung dicatu ke patch menggunakan elemen penghubung pada jalur mikrostrip tersebut. Kelebihan pencatuan secara langsung adalah sangat sederhana dalam proses pencatuannya tetapi sulit jika antena mikrostrip disusun secara array dan bandwidth yang dihasilkan sempit. Dengan kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya diperkenalkan apa yang disebut pencatuan tidak langsung atau electromagnetic coupling. Keuntungan dari teknik pencatuan ini adalah dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi proses penyolderan. Ada 4 macam teknik pencatuan yang paling populer digunakan, yakni proximity coupling, microstrip line, coaxial probe, dan aperture coupling [1]. 2.4.1 Proximity Coupled Proximity coupled seperti yang terlihat pada Gambar 2.4 [4] merupakan teknik pencatuan yang memiliki keunggulan pada bandwidth yang dihasilkan paling besar dan radiasi tambahan (spurious radiation) yang kecil. 16
Patch Saluran pencatu Sustrate bawah Substrate atas Ground plane Gambar 2.4 Antena mikrostrip dengan pencatuan proximity coupled Untuk dapat menganalisis sebuah antena mikrostrip, maka diperlukan sebuah pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena ke dalam sebuah kondisi persamaan yang dapat dianalisis secara akurat. Berbagai pemodelan untuk antena mikrostrip tersebut telah banyak dikembangkan dan satu diantaranya yang popular adalah model cavity. Pada model cavity, daerah interior yaitu ruang antara patch dan bidang pentanahan diasumsikan sebagai sebuah ruang (cavity) yang dilingkari oleh suatu dinding magnetik sepanjang tepinya, dan diapit oleh dinding elektrik dari atas dan bawah. Model cavity dari sebuah antena mikrostrip diperlihatkan pada Gambar 2.5 Leff > L L Patch Antena Substrat 2 Substrat 1 Groundplane Gambar 2.5 Model Cavity untuk pencatuan proximity coupled 17
Beberapa asumsi model cavity berdasarkan observasi dari substrat tipis (h λo) : a. Medan elektrik hanya terdiri atas komponen transverse di dalam daerah yang dibatasi oleh patch dan bidang pentanahan. b. Medan-medan dalam daerah ini tidak berubah-ubah (bebas) terhadap koordinat z untuk semua frekuensi yang digunakan. c. Komponen tangensial H sepanjang tepi diabaikan. d. Memasukkan medan tepi (fringing field) dalam perhitungan dengan sedikit memperlebar tepi-tepi. 2.4.2 Microstrip Line Teknik microstrip line sangat mudah untuk difabrikasi, memiliki model yang sederhana serta mudah untuk match hanya dengan mengatur posisi feed tersebut. Teknik ini menggunakan strip kecil sebagai line tambahan yang langsung dihubungkan ke patch antena seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6 [1]. Patch Microstrip feed Substrate Ground plane Gambar 2.6 Antena Mirostrip dengan Pencatuan Microstrip Line 2.4.3 Coaxial Probe Pada teknik pencatuan coaxial probe seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7 [1], bagian dalam konduktor dari coax ditambahkan kedalam patch radiasi sementara bagian luar konduktornya dihubungkan dengan ground plane. Teknik 18
pencatuan ini juga sering digunakan karena mudah difabrikasi dan memiliki radiasi palsu yang kecil. patch Ground plane substrate Coaxial connector Gambar 2.7 Antena Mikrostrip Dengan Pencatuan Coaxial Probe 2.4.4 Aperture Coupling Dari keempat jenis teknik pencatuan, teknik aperture coupling merupakan yang paling sulit untuk difabrikasi dan memiliki bandwidth yang sempit. Untuk mengoptimalkan desain, aperture coupling terdiri atas dua buah substrat yang terpisahkan oleh sebuah ground plane seperti Gambar 2.8 [4]. Pada dasar substrat yang bawah terdapat sebuah mikrostrip line feed yang memiliki energi terkopel dengan patch melalui suatu slot pada ground plane yang memisahkan kedua substrat tersebut. patch Substrate 1 Ground plane Slot / aperture Saluran pencatu Substrate 2 Gambar 2.8 Antena mikrostrip dengan pencatuan aperture coupling 19
2.5 Antena Mikostrip Dual-band Antena mikrostrip dual-band merupakan suatu jenis antena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda. Terdapat tiga jenis teknik untuk mendapatkan antena mikrostrip dual-band, yaitu : a. Orthogonal mode dual-frequency patch antennas b. Multi-patch dual-frequency antennas c. Reactively-loaded dual-frequency patch antennas Orthogonal mode dual-frequency patch antennas adalah satu jenis antena mikrostrip yang dicatu oleh dua mode dominan yang orthogonal satu dengan lainnya. Sedangkan Multi-patch dual-frequency antennas adalah satu jenis antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masingmasing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda beda. Adapaun jenis yang ketiga adalah Reactively-loaded dual-frequency patch antennas, yaitu satu jenis antena mikrostrip yang diberi beban reaktif tambahan sehingga secara keseluruhan antena tersebut akan beresonansi pada dua frekuensi yang berbeda. 2.6 Rugi-rugi Saluran Mikrostrip Rugi-rugi pada saluran mikrostrip terjadi pada substrat dan elemen peradiasi antena yang dinyatakan dalam faktor pelemahan (α). Faktor pelemahan yang paling dominan pada antena mikrostrip tergantung pada faktor geometri, sifat dielektrik dari substrat dan kondukton, serta frekuensi yang digunakan. Ada 3 jenis rugi-rugi yang utama yaitu rugi-rugi dielektrik, rugi-rugi konduktor, dan rugi-rugi radiasi. 20
2.6.1 Rugi-rugi dielektrik Rugi-rugi dielektrik disebabkan oleh sifat konduktivitas dielektrik dan dinyatakan sebagai koefisien pelemahan dielektrik (αd). Besarnya rugi-rugi dielektrik pada saluran mikrostrip dinyatakan dengan Persamaan 2.15. dimana: α d = 4.34 σ d ( ε eff 1 ε eff ) μ o ( db ε r 1 ε 0 cm) (2.15) αd σd εeff εr εo : rugi-rugi dielektrik (db/cm) : konduktivitas dielektrik (mho/m) : permitivitas dilektrik relatif efektif (F/m) : permitivitas dielektrik relatif substrat (F/m) : permitivitas ruang hampa (8.854 10-12 F/m) µo : permeabilitas ruang hampa (4π 10-7 H/m) 2.6.2 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 2.16 dan 2.17 α c = 8.686 R w.z s ( db o cm) (2.16) R s = π.f.μ σ c (Ω) (2.17) dimana: αc Rs Zo : rugi-rugi konduktor (db/cm) : resistansi permukaan (Ω) : impedansi karakteristik saluran (Ω) 21
w : lebar saluran mikrostrip (mm) µ : permeabilitas bahan σc : konduktivitas konduktor (mho/cm) Berdasarkan persamaan diatas diperoleh besarnya koefisien pelemahan (α) merupakan penjumlahan antara rugi-rugi dielektrik (αd) dan rugi-rugi konduktor (αc) yang dinyatakan dengan Persamaan 2.18 [ ] dimana : α = α d + α c ( db cm) (2.18) α αd αc : koefisien pelemahan (db/cm) : rugi-rugi dielektrik (db/cm) : rugi-rugi konduktor (db/cm) 2.6.3 Rugi-rugi Radiasi Rugi-rugi radiasi sangat tergantung pada ketebalan dan konstanta dilektrik substrat. 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 2.19 dan 2.20 : P rad P t = 240.π2 Z o ( h ) 2 [ ε eff+1 ε eff 1 ln ( ε eff +1 λ o ε eff 2ε eff ε eff ε eff 1 )] (2.19) P rad P t = R r Z o (2.20) Dari substitusi persamaan diatas, diperoleh Persamaan 2.21: R r = 240. π 2 ( h ) 2 [ ε eff+1 ε eff 1 ln ( ε eff +1 )] (db cm ) (2.21) λ o ε eff 2ε eff ε eff ε eff 1 22
dimana : Rr Pt Prad λo h εeff : 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) 2.7 WiMAX WiMAX adalah singkatan dari Worldwide Interoperability for Microwave Access yang merupakan perkembangan dari teknologi WiFi. Salah satu kelebihan dari teknologi WiMAX adalah memiliki kapasitas yang tinggi sehingga mampu melayani banyak pengguna dengan jarak mencapai 50 km dan laju transmisi lebih dari 100 Mbps. Kesuksesan WiMAX sangat bergantung pada ketersediaan dan kesesuaian spektrum frekuensi. WiMAX Forum menetapkan 2 band frekuensi utama pada certication profile untuk Fixed WiMAX (band 3,5 GHz dan 5,8 GHz), sementara untuk Mobile WiMAX ditetapkan 4 band frekuensi pada sistem profile release-1, yaitu band 2,3 GHz, 2,5 GHz, 3,3 GHz dan 3,5 GHz. Sistem WiMAX terdiri atas 2 bagian yaitu : a. WiMAX Tower, memiliki konsep yang sama dengan tower telepon seluler. Menara WiMAX dapat terhubung secara langsung ke internet dengan mempergunakan koneksi kabel berkecepatan tinggi. 23
b. WiMAX receiver, perangkat receiver atau antena dapat berupa sebuah kotak kecil atau PCMCIA card, atau bisa juga build-in dalam laptop seperti WiFi access saat ini. Untuk mengakses jaringan WiMAX, maka setiap perangkat yang dimiliki costumer station harus dilengkapi peralatan yang disebut dengan Costumer Premises Equipment (CPE) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9. Perangkat CPE tersusun atas komponen sistem radio yang terdiri atas antena, filter, mixer, amplifier, dan alat modulator/demodulator. (a) (b) Gambar 2.9 (a) Indoor CPE (b) Outdoor CPE Agar dapat diintegrasikan pada perangkat CPE dengan mudah, maka dibutuhkan suatu struktur antena yang memiliki desain kompak dan memiliki performa yang baik seperti low-profile, berukuran kecil serta memiliki biaya produksi yang rendah. Antena mikrostrip dapat memenuhi persyaratan tersebut seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 [7]. Gambar 2.10 Penggunaan antena mikrostrip pada CPE WiMAX 24
2.8 Impedance Matching Impedance matching adalah teknik yang digunakan untuk menyesuaikan dua impedansi yang berbeda, yaitu impedansi karateristik saluran (Zo) dan impedansi beban (ZL). Beban dapat berupa antena atau rangkaian yang mempunyai impedansi ekivalen. Impedance matching mempunyai peranan penting untuk mengoptimalkan transfer daya dari sumber sinyal ke beban. Kondisi yang sesuai (match) antara impedansi karateristik saluran dengan beban akan menghasilkan transfer daya yang optimal, sebab redaman yang diakibatkan daya pantul akan diminimalkan. Ada beberapa teknik penyesuaian impedansi ini, diantaranya adalah balun (balance to unbalance) transformator, transformator λ/4, single stub tuner, double stub tuner, dan lumped circuit 2.9 Power Divider Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khusunya untuk antena mikrostrip array adalah power divider. Dalam hal ini metode Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 2.11 memperlihatkan power divider metode Wilkinson. Gambar 2.11 N-Way Wilkinson Combiner 25
Nilai impedansi Z diberikan dengan persamaan berikut : Z = Zo N (2.22) Dimana N adalah jumlah titik percabangan dan Zo adalah impedansi masukkan awal. 2.10 T-Junction 50 Ohm T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Terdapat dua jenis T-junction 50 Ohm yang dapat digunakan sebagai power divider seperti ditunjukkan pada Gambar 2.12 [5]. Gambar 2.12 T-Junction 50 Ohm 2.11 Ansoft High Frequency Structure Simulator v.10 HFSS ialah simulator yang digunakan untuk menghitung kinerja medan gelombang penuh elektromagnetik dalam bentuk pemodelan bangun ruang 3 dimensi. Ansoft HFSS menggunakan metode Finite Element Method (FEM), adaptive meshing, dan brilliant graphics untuk memberikan performa yang lebih baik dalam penyelesaian masalah gelombang elektromagnetik secara 3 dimensi. Ansoft dapat digunakan untuk menghitung parameter-parameter antena seperti S- parameters, resonant frequency, dan fields. 26
Tipe solusi yang digunakan pada simulator Ansoft HFSS 10.0 ada 3 yaitu driven modal, driven terminal, dan eigenmode. Untuk pemodelan tentang antena, saluran mikrostrip, dan waveguide, dipergunakan tipe solusi driven modal. Tipe ini dipergunakan karena merupakan tipe khusus untuk mengkalkulasi mode dasar parameter S untuk elemen pasif berstruktur frekuensi tinggi yang arus tegangannya dikendalikan oleh sumbergenerator. Sebelum proses simulasi pencarian solusi dilakukan maka harus diinisialisasikan parameter analisa terlebih dahulu (solution setup). Parameter ini meliputi: 1. Frekuensi unit. Parameter ini berfungsi untuk menentukan nilai frekuensi kerja mesh dalam proses pencarian solusi yang menggunakan sistem adaptive mesh. 2. Nilai maksimum jumlah siklus mesh. Nilai ini adalah kriteria nilai jumlah siklus mesh untuk menghentikan proses pencarian solusi adaptive. 27