BAB II ANTENA MIKROSTRIP

BAB II ANTENA MIKROSTRIP 2.1 Pengertian Antena Antena merupakan elemen penting yang terdapat dalam sistem telekomunikasi tanpa kabel (wireless). Pemilihan antena yang tepat, perancangan yang baik dan pemasangan yang benar menjamin kinerja (performansi) sistem tersebut. Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk dapat memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (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, seperti diilustrasikan pada Gambar 2.1 [1]. gelombang ruang bebas gelombang ruang bebas gelombang tertuntun gelombang tertuntun Gambar 2.1 Peran Antena Dalam Sistem Komunikasi Wireless 5

2.2 Antena Mikrostrip Salah satu jenis antena yang banyak digunakan saat ini adalah antena mikrostrip. Hal ini dikarenakan bentuk dan ukuran yang kecil serta massa yang ringan sehingga cocok dengan perangkat telekomunikasi khususnya pada perangkat mobile yang mempertimbangkan massa dan ukuran. 2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu micro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran yang sangat kecil [2]. ` Seperti terlihat pada Gambar 2.2 [3], secara umum antena mikrostrip terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu : a. Patch Patch merupakan lapisan konduktor yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik. b. Substrate Sebagai bahan dielektrik yang membatasi elemen peradiasi (patch) dengan elemen pentanahan (ground plane). c. Ground Plane Ground plane berfungsi sebagai pembumian bagi sistem antena mikrostrip. 6

Gambar 2.2 Antena Mikrostrip 2.2.2 Jenis-jenis Antena Mikrostrip Antena mikrostrip dikenal dalam beberapa bentuk sesuai dengan bentuk patch-nya. Seperti terlihat pada Gambar 2.3 [3], bentuk-bentuk patch antena mikrostrip antara lain: a. Antena mikrostrip patch persegi (square) b. Antena mikrostrip patch persegi panjang (rectangular) c. Antena mikrostrip patch dipole d. Antena mikrostrip patch lingkaran (circular) e. Antena mikrostrip patch elips (eliptical) f. Antena mikrostrip patch segitiga (triangular) g. Antena mikrostrip patch circular ring Gambar 2.3 Bentuk-bentuk Patch Antena Mikrostrip [3] 7

2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip Antena mikrostrip mengalami kenaikan popularitas dikarenakan memiliki beberapa keuntungan, diantaranya [4]: a. Dimensi antena yang kecil. b. Massa yang ringan c. Mudah dan murah dalam pembuatannya. d. Dapat bekerja dalam multi-frequency. e. Dapat langsung diintegrasikan pada Microwave Integrated Circuit (MIC). Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti [4]: a. Gain yang rendah. b. Bandwidth yang sempit. c. Kemampuan dalam menangani daya (power) yang rendah. d. Terdapat efek radiasi tambahan dari pencatu yang dapat mengganggu. 2.2.4 Teknik Pencatuan Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dapat dibagi dua, yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling). Teknik pencatuan langsung sering digunakan karena sangat sederhana dalam pencatuan. Tetapi disamping itu ada beberapa kekurangan yang terdapat pada teknik pencatuan ini, yaitu bandwidth yang sempit dan rumit untuk diaplikasikan pada array mikrostrip [2]. Oleh karena kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya dikenal pencatuan tidak langsung (electromagnetic coupling). Keuntungannya adalah dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi efek buruk akibat penyolderan [2]. 8

Beberapa teknik pencatuan pada antena mikrostrip yaitu: coaxial probe, microstip line, aperture coupled, dan proximity coupled seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4 [3]. (a) Microstrip line feed (b) Probe feed Gambar 2.4 Jenis-jenis Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip (c) Aperture-coupled feed feed (d) Proximity-coupled 2.3 Antena Mikrostrip Dipole Antena mikrostrip dipole adalah elemen planar yang terdiri dari sepasang bilah konduktor tipis yang terdapat pada permukaan dielektrik [5]. Mikrostrip dipole memiliki bentuk yang menyerupai mikrostrip patch, hanya saja ada sedikit perbedaan pada rasio panjang dan lebarnya, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.5 [4]. Antena mikrostrip persegi panjang dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori utama yang bergantung pada rasio panjang dan lebar masing-masing. 9

Sebuah antenna persegi panjang dengan bidang yang sempit (lebar bidang biasanya kurang dari 0,05 λ 0 ) dinamakan mikrostrip dipole, sedangkan antenna persegi panjang yang bidangnya lebih luas dinamakan mikrostrip patch [4]. Gambar 2.5 Antena Mikrostrip Dipole Dibandingkan dengan mikrostrip patch, mikrostrip dipole memiliki beberapa kelebihan, yaitu ukurannya yang lebih kecil dan bandwidth yang lebih lebar [4]. 2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip Performansi dari suatu antena sangat ditntukan oleh parameterparameternya. Terdapat banyak jenis parameter dari suatu antena. Berikut akan dijelaskan beberapa parameter tersebut. 2.4.1 Bandwidth Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai besar rentang frekuensi kerja dari suatu antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik diantaranya impedansi input, pola radiasi, dan polarisasi yang memenuhi standar [2]. Nilai bandwidth dapat diketahui dari nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas dari suatu antena telah diketahui sebelumnya. Frekuensi bawah adalah nilai frekuensi terendah dari frekuensi kerja antena, sedangkan frekuensi atas 10

merupakan nilai frekuensi tertinggi dari frekuensi kerja antena. Untuk mencari bandwidth dari suatu antena dapat menggunakan persamaan (2.1) dan (2.2) berikut [6]: BW f h f c f l 100% (2.1) f c f h 2 f l 100% (2.2) dimana: f h = frekuensi atas (Hz) f l = frekuensi bawah (Hz) f c = frekuensi tengah (Hz) Bandwidth dalam persen disebut juga dengan Fractional Bandwidth (FBW) yang mengukur seberapa lebar band yang dapat dicapai oleh antena. Nilai dari fractional bandwidth bervariasi antara 0 sampai 2 atau dalam persen antara 0% sampai 200%. Antena yang memiliki FBW sebesar 20% atau lebih disebut dengan antena wideband, sedangkan antena yang memiliki FBW lebih dari 50% disebut dengan antena ultra-wideband [6]. 2.4.2 Voltage Standing Wave Ratio (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 - ). Pebandingan tegangan 11

yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) pada persamaan (2.3) [3]: v v 0 0 Z Z L L Z Z 0 0 (2.3) Dimana Z L adalah impedansi beban (load) dan Z 0 adalah inpedansi saluran. Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah persamaan (2.4) [3]: VSWR V V max min 1 1 (2.4) Kondisi yang paling baik adalah ketika nilai VSWR sama dengan satu, yang berarti tidak ada refleksi atau saluran dalam keadaan matching sempurna, tetapi pada prakteknya sangat sulit untuk diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diizinkan dalam perancangan antena adalah maksimal 2. 2.4.3 Return Loss Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas (mismatched) di antara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena) [3]. Return loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.5) [3]: RL (db) 20log 10 (2.5) 12

Frekuensi kerja dari antena yang baik adalah ketika return loss bernilai 10 db sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang ditransmisikan, atau dengan kata lain saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan dalam melihat apakah suatu antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak. 2.4.4 Pola Radiasi Pola radiasi adalah fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang [3]. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Biasanya sifat dari radius yang sangat dipentingkan adalah persebaran secara tiga dimensi atau dua dimensi dari energi yang diradiasikan antena. Berikut merupakan contoh dari pola radiasi: a. Pola Isotropic, merupakan antena yang memiliki radiasi sama besar ke segala arah. b. Pola Directional, merupakan antena yang memiliki pola radiasi yang lebih efektif pada arah-arah tertentu saja. c. Pola Omnidirectional, merupakan antena yang memiliki pola radiasi yang sama hanya pada bidang tertentu. 13

Main lobe Side lobe Gambar 2.6 Pola Radiasi Antena Gambar 2.6 [3] merupakan presentasi bagian-bagian dari pola radiasi yang ditunjukkan sebagai lobe-lobe. Lobe-lobe tersebut dapat diklasifikasikan menjadi main (utama), side (samping), dan back (belakang). a. Main lobe, adalah lobe yang merupakan arah radiasi maksium. b. Side lobe, adalah lobe-lobe selain main lobe. c. Back lobe, adalah lobe yang arahnya berlawanan 180 o dengan main lobe. Side lobe dan back lobe merupakan minor lobe yang keberadaannya tidak diharapkan. 2.4.5 Direktivitas Direktivitas antena merupakan parameter yang menunjukkan kemampuan antena untuk memfokuskan energi pada arah tertentu dibandingkan ke arah yang lain. Direktivitas sebuah antena merupakan perbandingan intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Intensitas radiasi rata-rata senilai dengan total daya yang diradiasikan oleh antena 14

dibagi dengan 4π. Secara metematis untuk mendapatkan nilai direktivitas sebuah antena dapat ditentukan dengan persamaan (2.6) [3]: D U U 0 4U P rad (2.6) 2.4.6. Gain Gain adalah rasio antara intensitas radiasi suatu antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi dari antena isotropik yang senilai dengan daya masukan yang sama dibagi 4π. Secara matematis, gain dapat dituliskan dengan Persamaan (2.7) [3]: G Intensitas radiasi pada arahtertentu Intensitas radiasi isotropik U(, ) 4 P in (2.7) Gain dari suatu antena terkait dengan direktivitas dan efisiensinya. Hubungan antara gain dengan direktivitas adalah seperti pada persamaan (2.8) [7]: G k D (2.8) dimana k adalah efisiensi dan D adalah direktivitas. Terdapat dua jenis gain, yaitu: a. Absolute gain Didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas radiasi yang diterima antara suatu antena terhadap antena pembanding dengan input daya yang sama. Antena pembanding pada absolute gain berupa antena isotropik. 15

b. Relative gain Didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas radiasi yang diterima antara suatu antena terhadap antena pembanding dengan input daya yang sama. Antena pembanding pada relative gain biasanya berupa antena dipole ½ λ. 2.4.7 Impedansi Masukan Impedansi masukan adalah inpedansi yang direpresentasikan oleh antena pada terminalnya. Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang ada di sekitarnya, tetapi pada umumnya sebuah antena diasumsikan sudah terisolasi. Impedansi masukan antena terdiri dari bagian riil dan imajiner, yang dapat dinyatakan dengan persamaan (2.9) [3]: Z A R A jx A (2.9) Resistansi input (R A ) menyatakan tahanan disipasi. Reaktansi input (X A ) menyatakan daya yang tersimpan pada medan dekat antena. Dari persamaan Z A, daya real (R A ) yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui radiasi ataupun panas. Sedangkan komponen imajiner (X A ) mewakili reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan pada antena. 2.5 Dimensi Antena Mikrostrip Dipole Dalam perancangan antena mikrostrip dipole, terlebih dahulu harus dihitung dimensi antena yang akan dibuat, khususnya panjang dari lengan dipole tersebut. Untuk memperoleh dimensi antena mikrostrip dipole, harus diketahui 16

parameter-parameter dari bahan yang akan digunakan, yaitu tebal dielektrik (h), dan konstanta dielektrik (ε r ). Untuk menghitung panjang dari lengan mikrostrip dipole, terlebih dahulu harus dihitung konstanta dielektrik efektif (ε eff ) dari mikrostrip menggunakan persamaan (2.10) berikut [8]: eff r 1 r 1 2 2 1 112 d W (2.10) dimana: ε r = konstanta dielektrik d = tebal dielektrik (mm) W = lebar lengan dipole (mm) Sehingga diperoleh panjang total dari lengan mikrostrip dipole menggunakan persamaan (2.11) dan (2.12) berikut [8]: f c eff (2.11) dimana: λ = panjang gelombang (m) c = kecepatan cahaya f = frekuensi resonansi (Hz) L 2 (2.12) L = panjang total lengan dipole (m) 17

Selain panjang lengan mikrostrip dipole, hal lain yang perlu dilakukan perhitungan adalah lebar saluran pencatu (W f ). Saluran pencatu yang digunakan dalam perancangan memiliki impedansi 50 Ω. Lebar saluran pencatu dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.13) dan (2.14)[9]. W f 2h r 1 0,61 { B 1 ln (2B 1) [ ln ( B 1) 0,39 ]} 2 r r (2.13) dimana : B 377 2 Z 0 r (2.14) 2.6 Antena Mikrostrip Dual-band Frekuensi ganda atau disebut juga dengan dual-band antena mikrostrip merupakan suatu jenis anrena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda satu dengan lainnya tanpa memerlukan dua buah antena yang berbeda secara fisik. Terdapat tiga jenis teknik untuk mendapatkan antena dengan dua frekuensi resonansi yang berbeda, yaitu [10]: 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. Adapun jenis yang 18

ketiga adalah reactively loaded dual frequency patch antenna, yaitu satu jenis antena mikrostrip yang diberi beban reaktif (reactive load) tambahan sehingga secara keseluruhan antena tersebut akan beresonansi pada dua frekuensi yang berbeda. Gambar 2.7 menunjukkan metode-metode untuk memperoleh antena mikrostrip dual-band. Single-point probe slot Stubs coaxial microstrip slots EMC inset spur-line Dual-point Notches Stacked probe slot Pins and capacitor pins capacitors Co-planar dipoles cross-subarray Slot Slots and pins slots Gambar 2.7 Teknik Mendapatkan Antena Mikrostrip Dual-band 2.7 Regulasi Mengenai Broadband Wireless Access (BWA) Secara umum, Broadband Wireless Access (BWA) / Wireless Broadband dideskripsikan sebagai komunikasi data yang memiliki kecepatan tinggi, kapasitas tinggi dengan media wireless. Definisi rentang kecepatan layanan broadband bervariasi dari 200 Kbps s/d 100 Mbps. Mengacu pada Peraturan Menkominfo Nomor: 07/PER/M.KOMINFO/01/2009 tentang Penataan Pita Frekuensi Radio Untuk Keperluan Layanan Pita Lebar Nirkabel (Wireless Broadband), layanan pita lebar nirkabel (wireless broadband) adalah layanan telekomunikasi nirkabel yang kecepatan transmisi datanya sekurangkurangnya 256 kbps [11]. Mengingat frekuensi wireless broadband merupakan frekuensi yang strategis dan fundamental, maka diperlukan penataan dalam hal penggunaannya 19

yang diatur dalam Peraturan Menkominfo Nomor: 07/PER/M.KOMINFO/01/2009 tentang Penataan Pita Frekuensi Radio Untuk Keperluan Layanan Pita Lebar Nirkabel (Wireless Broadband). Dalam Peraturan Menteri tersebut, penataan Pita Frekuensi Radio Untuk Keperluan Layanan Pita Lebar Nirkabel (Wireless Broadband) telah ditetapkan pita frekuensi 300 MHz, 1.5 GHz, 2 GHz, 2.3 GHz, 3.3 GHz dan 10.5 GHz. Izin penggunaan frekuensi tersebut berdasarkan izin pita frekuensi radio. Sedangkan untuk pita frekuensi 2.4 GHz dan 5.8 GHz, izin penggunaan frekuensinya berdasarkan izin kelas [11]. Berdasarkan White Paper Penataan Frekuensi Radio Layanan Akses Pita Lebar Berbasis Nirkabel yang dikeluarkan oleh Ditjen Postel pada tahun 2006, rentang pita frekuensi radio untuk keperluan layanan BWA adalah sebagai berikut: a. Pita frekuensi radio 300 MHz memiliki rentang frekuensi 287-294 MHz dan 310-324 MHz. b. Pita frekuensi radio 1.5 GHz memiliki rentang frekuensi 1428-1452 MHz dan 1498-1522 MHz. c. Pita frekuensi radio 2 GHz memiliki rentang frekuensi 2053-2083 MHz. d. Pita frekuensi radio 2.3 GHz memiliki rentang frekuensi 2300 2390 MHz. e. Pita frekuensi radio 3.3 GHz memiliki rentang frekuensi 3300-3400 MHz. f. Pita frekuensi radio 5.8 GHz memiliki rentang frekuensi 5725-5825 MHz. g. Pita frekuensi radio 10.5 GHz memiliki rentang frekuensi 10150-10300 MHz berpasangan dengan 10500-10650 MHz. 20

2.8 Software Simulator Strutur Frekuensi Tinggi Simulator Strutur Frekuensi Tinggi adalah suatu simulator medan elektromagnetika untuk pemodelan tiga dimensi perangkat pasif berstruktur frekuensi tinggi yang memiliki kelebihan sangat mudah dan interaktif digunakan pada sistem operasi microsoft windows grafical user interface. Dalam simulatornya terintegrasi visualisasi, pemodelan volumetrik dan kemudahan dalam interaktif dimana solusi permasalahan pemodelan tiga dimensi diperoleh dengan cepat dan akurat. Simulator Strutur Frekuensi Tinggi dapat digunakan untuk mengkalkulasi beberapa parameter diantaranya parameter S, frekuensi resonan dan medan elektromagnetika. Simulator Strutur Frekuensi Tinggi menggunakan Finite Element Methode (FEM) untuk simulator gelombang elektromagnetik. Untuk aplikasi antena secara umum, FEM bisa memodelkan problem yang memiliki dielektrika yang beranekaragam. FEM mendiskritisasikan volume yang dimilikinya ke dalam volume yang kecil-kecil, biasanya digunakan tetrahedral. Setiap tetrahedral yang kecil ini dapat terdiri dari material yang berbeda-beda, tanpa memperkompleks problema yang harus disolusikan. Matriks yang terbentuk dengan FEM biasanya juga hanya terisi sedikit (disebut juga sparse matrix), yang relatif lebih efisien untuk diinversikan. FEM adalah metode yang bekerja pada problem tertutup. Sehingga untuk aplikasi antena, haruslah digunakan batasan fiktif, yang berfungsi untuk menutup ruangan yang akan diamati dan didiskritisasi. Permukaan penutup wilayah ini adalah bidang yang berbentuk lapisan-lapisan yang mampu menyerap gelombang. 21