Laboratorium Penelitian Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung – INDONESIA
Telp. 022 2501661 Fax. 022 2534134
E-mail: [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Pada makalah ini, kami menganalisa karakteristik salah satu bentuk material berbasis AMC yaitu patch heksagonal pada beberapa jenis substrat dielektrik yang berbeda sebagai basis aplikasi dari microwave radar absorber. Dalam analisa ini, kami mengunakan 3 jenis substrat dielektrik yaitu Taconic CER-10, FR4-Epoxy serta Roger RT/Duroid 5880. Dengan sifat-sifat dasar yang berbeda yang dimiliki oleh masing-masing substrat dielektrik hasil analisa yang diperoleh kemudian dibandingkan. Hasil dari analisa menunjukkan bahwa sifat- sifat dasar dari substrat dielektrik seperti: permitivitas, rugi-rugi tangent, dan tanggapan frekuensi akan mempengaruhi ukuran patch heksagonal yang dipakai, yang berarti akan mempengaruhi pula dimensi unit sel yang digunakan. Dengan demikian, dimensi microwave radar absorber yang diinginkan terutama yang terkait dengan ukuran substrat dapat diperhitungkan.
Kata kunci: frekuensi kerja, gelombang datang, gelombang pantul, artificial magnetic conductor, patch
heksagonal, substrat dielektrik
1. PENDAHULUAN
Dalam 10 tahun terakhir ini, penelitian yang terkait dengan aplikasi microwave radar absorber serta metode yang dipergunakan untuk menghasilkan material tersebut telah banyak dilakukan [1]. Salah satu metoda yang seringkali dipakai adalah Salisbury
screen [2]. Dalam metode ini, penyerapan (absorption)
oleh material didapatkan dengan menempatkan suatu lapisan material yang bersifat resistif pada jarak seperempat panjang gelombang (λ/4) di depan sebuah bidang konduktor untuk menyerap gelombang datang yang jatuh ke material. Secara prinsip, metoda ini cukup efektif untuk menyerap energi gelombang datang sehingga intensitas energi gelombang yang dipantulkan bisa ditekan. Namun, dengan adanya penempatan lapisan resistif sebagai komponen utama dalam proses penyerapan energi gelombang yang datang, material absorber yang dihasilkan akan mempunyai dimensi yang kurang kompak dan terkadang sulit untuk direalisasikan.
Untuk mengatasi masalah tersebut, sebuah teknologi yang berbasiskan artificial magnetic
conductor (AMC) untuk menghasilkan suatu bentuk
material telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir ini [3]. Pada dasarnya material AMC
merupakan sebuah konduktor magnetik yang
mempunyai sifat seperti perfect magnetic conductor
(PMC), akan tetapi dapat memantulkan gelombang yang datang tanpa adanya pembalikan fasa untuk suatu pita frekuensi yang sempit. Beberapa aplikasi dari material AMC ini antara lain dapat dijumpai pada
thin radar absorber dan planar reflector [4]–[6].
Sebagai kelanjutan dari penelitian sebelumnya dalam area microwave radar absorber yang menggunakan patch persegi [7], pada penelitian ini kami akan menganalisa karakteristik penggunaan
patch heksagonal sebagai salah satu bentuk material
AMC pada beberapa jenis substrat dielektrik dengan
karakteristik dasar yang berbeda yang akan
diaplikasikan untuk microwave radar absorber. Dengan menggunakan perangkat lunak 3 dimensi (3D), kami menganalisanya untuk 3 jenis substrat dielektrik. Dalam analisanya, kami menggunakan sebuah unit sel sebagai bentuk yang mewakili suatu susunan sel-sel yang tak berhingga untuk mengurangi penggunaan waktu. Dengan nilai permitivitas, rugi- rugi tangent dan tanggapan frekuensi yang berbeda, namun dengan tetap membuat ketebalan yang sama, karakteristik patch heksagonal yang meliputi ukuran
patch untuk menghasilkan rentang frekuensi kerja
2,5–2,7GHz serta tanggapan frekuensi atas gelombang datang dan gelombang pantul akan dianalisa dan menjadi fokus dalam penelitian ini.
38
Ztotal (Z0)
Zpatch
Zload
Zelements
Gambar 1. Unit sel dengan patch heksagonal Seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 1, sebuah unit sel sebagai bentuk yang mewakili suatu susunan sel-sel yang tak berhingga akan dianalisa secara numerik berbantuan perangkat lunak 3D. Setiap struktur unit sel terdiri dari sebuah patch metalik berupa tembaga berbentuk heksagonal dengan panjang setiap sisi w, yang terletak diatas sebuah substrat
dielektrik dengan ketebalan t1 dan memliki ground
plane yang juga tembaga pada bagian dasarnya. Patch
dan ground plane tersebut memiliki ketebalan t2. Pada
sumbu y, antar patch terdapat jarak sebesar g.
Untuk mengontrol impedansi permukaan struktur tersebut, elemen eksternal yang bersifat resistif diletakkan di tengah-tengah celah antar patch pada sumbu y dan menyatu dengan textured surface dari
patch heksagonal tersebut. Dalam analisa ini,
ketebalan tembaga (t1) yang digunakan sebagai patch
dan ground plane adalah 0,035mm. Adapun jarak antar patchnya (g) yaitu 2mm. Tiga jenis substrat dielektrik yang digunakan, yaitu Taconic CER-10, FR4-Epoxy serta Roger RT/Duroid 5880, mempunyai ketebalan yang sama yaitu 3,2mm. Supaya bisa menghasilkan rentang frekuensi kerja atau frekuensi resonansi yang sama sekitar 2,5–2,7GHz, ukuran
patch dan juga unit selnya diubah-ubah.
Untuk mengiluminasi struktur unit sel, sebuah gelombang datar dengan mode TE sederhana digunakan untuk gelombang datang, dengan arah medan listrik (E-field) searah sumbu-y. Adapun untuk
boundary conditions (kondisi batas) yang digunakan
dalam analisa numerik ini adalah perfect electric
conductor (PEC) pada sisi yang tegak lurus dengan
medan listrik, serta perfect magnetic conductor (PMC) pada sisi yang sejajarnya. Kondisi batas ini berfungsi untuk membuat kondisi yang (hampir) sama dengan
array tak berhingga dari unit sel tersebut.
serta rugi-rugi substrat dielektrik dan tembaga, nilai impedansi permukaan dari patch heksagonal yang diperlihatkan pada Gambar 1 berada pada kisaran kilo-
Ohm (kΩ). Karena gelombang datang yang jatuh pada
permukaan patch tersebut mempunyai impedansi yang
sama dengan impedansi karakteristik, 377, maka
akan terjadi pemantulan gelombang yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi, sehingga untuk mengurangi pantulan maka total impedansi permukaan
harus diubah agar sama dengan impedansi
karakteristik. Salah satu metoda untuk mengubah nilai
impedansi permukaan tersebut adalah dengan
menghubungkan elemen eksternal resistif antar patch pada sumbu yang searah dengan medan listrik dari gelombang datang, yaitu sumbu y. Metoda ini telah diterapkan pada penelitian sebelumnya untuk patch persegi dan mampu mengubah total impedansi permukaan secara proporsional terhadap nilai elemen eksternal resistif tanpa mengubah besar frekuensi resonansinya [7].
Perbedaan impedansi permukaan yang terjadi karena penambahan resistor dan tanpa resistor dapat digunakan untuk menghitung koefisien refleksi dari
patch tersebut dengan menggunakan persamaan
berikut : 0 0 Z Z Z Z L L (1)
dimana Z0 adalah impedansi karakteristik (377Ω) dan
ZL merupakan impedansi patch dengan atau tanpa
resistor.
Agar total impedansi permukaan dari patch sesuai dengan impedansi karakteristik, nilai elemen eksternal resistif tersebut harus dapat menurunkan impedansi permukaan yang tinggi. Hal ini berbeda jika menggunakan metoda Salisbury screen yang memang sudah mempunyai nilai resistansi pada
sekitar 377. Untuk menganalisa apa yang terjadi
pada impedansi permukaan, kita dapat menggunakan model saluran transmisi yang diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Model saluran transmisi untuk analisis
Pr osidi ng Semi nar Radar Nasi onal 2010., Yogyakart a, 28-29 Apr il 2010., I SSN : 1979-2921
39
Dari Gambar 2, Zpatch dapat dihitung dengan persamaan berikut: total elements total elements patch Z Z Z Z Z (2)
Dengan didapatkannya nilai Zpatch, maka nilai elemen
eksternal resistif yang diinginkan agar tidak terjadi pemantulan dapat dihitung atau dengan kata lain gelombang yang datang akan diteruskan ke struktur tersebut.
4. ANALISA KARAKTERISTIK PATCH
HEKSAGONAL PADA BEBERAPA JENIS SUBSTRAT DIELEKTRIK
Dalam analisa karakteristik patch heksagonal pada beberapa jenis substrat dielektrik yang berbeda untuk aplikasi microwave radar absorber ini, digunakan rentang frekuensi kerja 2,5-2,7 GHz. Tiga jenis substrat dielektrik yang akan dianalisa yaitu Taconic CER-10, FR4-Epoxy, dan Roger TR/Duroid 5880. Taconic CER-10 mempunyai nilai permitivitas paling tinggi yaitu 10 dan tanδ 0,0035, adapun FR4-
Epoxy mempunyai nilai permitivitas 4,04 dan tanδ
0,021, sedangkan Roger TR/Duroid 5880 mempunyai
nilai permitivitas paling rendah yaitu 2,2 dan tanδ
0,0009. Dari hasil simulasi yang telah dilakukan tanpa menggunakan resistor, untuk nilai frekuensi sekitar 2,66-2,69 GHz, didapatkan hasil seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil simulasi penggunaan 3 jenis substrat
dieletrik Jenis substrat dielektrik Frekuensi (GHz) w (mm) Ukuran substrat (mmxmm) S11 (dB) Taconic CER-10 2,69 9,815 30 x 34,33 -1,172 FR4- Epoxy 2,69 16,166 19 x 21,63 -6,470 Roger TR/Duroid 2,66 21,94 40 x 45,88 -0,358
Dengan menggunakan elemen eksternal resistif berupa resistor untuk memperoleh nilai minimum koefisien refleksi (S11), untuk subtsrat Taconic CER-
10 diperoleh nilai S11 sebesar -50,121 dB dengan nilai
resistansi yang digunakan sebesar 1,040 kΩ. Apabila
digunakan substrat Roger TR/Duroid 5880, nilai
minimum S11 yang didapat sebesar -38,224 dB untuk
1,080 kΩ nilai resistansi yang digunakan. Sedangkan
jika digunakan substrat FR4-Epoxy, nilai minimum koefisien refleksinya sebesar -31,539 dB dengan
menggunakan resistansi sebesar 1,516 kΩ. Plot hasil
simulasi untuk patch heksagonal untuk 3 buah jenis substrat dielektrik dengan dan tanpa elemen eksternal
resistif diperlihatkan masing-masing dalam Gambar 3 dan Gambar 4.
Dari data yang telah didapat, dapat dilihat bahwa besarnya nilai permitivitas dan rugi-rugi tangent yang
dimiliki oleh setiap substrat dielektrik akan
mempengaruhi besarnya patch yang berdampak pada dimensi unit sel tersebut. Dengan menggunakan pendekatan teoritis untuk patch persegi yang mempunyai lebar patch a, jarak antara patch g, periodisasi patch w, ketebalan substrat dielektrik t, dan
besar permitivitas 2 maka nilai induktansi (L) dan
kapasitansi (C) dari patch persegi dapat diaproksimasi menggunakan persamaan berikut [8],
g a w C 1 2 cosh 1 , (3) t L0 . (4)Selanjutnya dengan mengetahui nilai L dan C, maka frekuensi resonansi dari patch persegi tersebut dapat diketahui menggunakan persamaan
LC f 2 1 . (5)
Gambar 3. Hasil simulasi patch heksagonal untuk 3 buah
jenis substrat dielektrik (tanpa elemen eksternal resistif)
2 2.5 3 3.5 -8 -6 -4 -2 0 Taconic-CER10 FR4-Epoxy Roger RT/Duroid Frekuensi (GHz) G e lo m b a n g P a n tu l ( d B )
40
Gambar 4. Hasil simulasi patch heksagonal untuk 3 buah
jenis substrat dielektrik (dengan elemen eksternal resistif)
Dengan menggunakan pendekatan tersebut, terkait hasil simulasi di atas dapat disimpulkan bahwa semakin besar nilai permitivitas dari suatu substrat, dielektrik maka nilai frekuensi resonansi yang didapat akan semakin kecil. Untuk mendapatkan nilai frekuensi resonansi yang sama, maka ukuran patch harus diperkecil, sehingga dimensi unit selnya pun akan mengecil. Hal ini menunjukkan mengapa substrat Taconic CER-10 memiliki dimensi unit sel yang paling kompak bila dibandingkan dengan 2 substrat dielektrik yang lain.
5. KESIMPULAN
Karakteristik patch heksagonal pada beberapa jenis substrat dielektrik yang mempunyai sifat-sifat dasar yang berbeda untuk aplikasi microwave radar
absorber telah dianalisa secara numerik. Hasil analisa
menunjukkan bahwa substrat dielektrik dengan nilai permitivitas lebih besar akan memiliki dimensi yang lebih kompak untuk nilai frekuensi resonansi yang sama serta tebal yang sama. Hal ini berarti akan lebih baik untuk menggunakan substrat dielektrik yang memiliki nilai permitivitas yang cukup besar, sehingga dimensi dari unit sel dapat ditekan, yang berimbas pada berkurangnya dimensi total dari radar absorber yang akan dirancang. Untuk memvalidasi hasil analisa tersebut, dalam waktu dekat akan dibuat suatu prototipe microwave radar absorber yang terdiri atas susunan patch heksagonal yang akan direlasiasikan menggunakan bahan yang dapat diperoleh di pasaran untuk dikarakterisasi secara eksperimen.
6. ACKNOWLEDGEMENT
Penelitian ini disponsori oleh Hibah Riset Ikatan Alumni Institut Teknologi Bandung (HRIA-ITB) tahun 2009 (Nomor: 1700/K01.16/DN/2009).
7. DAFTAR REFERENSI
[2] R.L. Fante and M.T. McCormack, “Reflection
properties of the Salisbury screen,” IEEE Trans
Antennas and Propagat. vol. 36, Oct. 1988, pp.
1443–1454.
[3] D. Sievenpiper, L. Zhang, R.F. Jimenez, N.G.
Broas, N.G.Alexopolous, E. Yablonovitch,
“High-impedance elecromagnetic surfaces with a
forbidden frequency band,” IEEE Trans.
Microwave Theory and Tech., vol. 47, no. 11,
Nov. 1999, pp. 2059-2074.
[4] S. Simms and V. Fusco, “Thin radar absorber
using an artificial magnetic ground plane,”
Electronics Letter, Nov. 2005, pp. 1197–1198
[5] Munir and V. Fusco, “Characterization of
microwave anisotropic thin radar absorber using artificial magnetic ground plane,” Proc. of 2008
Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC),
December 2008, Hongkong, China, pp. 1–4
[6] V. Fusco, A. Munir, and M. Euler, “Planar two-
bit phase encoded transpolarising reflector using textured surface technology,” Proc. of 3rd
European Conf. on Antennas & Propagat. (EuCAP), March 2009, Berlin, Germany, pp.
1386-1389
[7] A. Munir, V. Fusco and Chairunnisa, “Return loss
enhancement of surface resistors loaded
microwave radar absorber,” Proc. of 2009 Asia-
Pacific Microwave Conf. (APMC), December
2009, Singapore, pp. 2629–2632
[8] D. Sievenpiper, “High-impedance
electromagnetic surfaces,” PhD Thesis, UCLA, 1999. 2 2.5 3 3.5 -50 -40 -30 -20 Taconic-CER10 FR4-Epoxy Roger RT/Duroid Frekuensi (GHz) G e lo m b a n g P a n tu l (
Pr osiding Semi nar Radar Nasional 2010., Yogyakart a, 28-29 April 2010., ISSN : 1979-2921
41