Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi Jl Cisitu 21/ 154D (Komplek LIPI Gd 20) Bandung 40135
Phone : 022 2504660 Fax : 022 2504659 Email: ash_egt@yahoo.com, sulis@ppet.lipi.go.id
ABSTRAK
Antena merupakan suatu perangkat yang memiliki peranan penting dalam sistem Radar. Antena patch array yang diaplikasikan untuk Radar merupakan salah satu bentuk antena yang dibuat dengan mencetak elemen- elemen sebagai radiator pada suatu lempengan substrat. Sumber utama radiasi ini adalah penyusuran medan- medan elektrik antara tepi-tepi elemen konduktor dan ground plane. Mekanisme medan elektromagnet yang dibangkitkan dalam peralatan elektronik ditransmisikan dalam antena patch array dan energi RF tersebut akan dipancarkan melalui antena patch array, dimana pancaran medan elektromagnetik dari antena patch array diperlukan suatu pengendalian pancaran atau pencegahan penerimaan dari energi RF yang tidak diinginkan. Dalam paper ini akan mengupas interaksi EMI (Electromagnetic Interference) pada antena patch, dimana EMI ini diperkirakan dapat mengganggu efisiensi radiasi dari antena patch array.
Kata kunci : Antena patch array, Radar, Electromagnetic Interference
1. PENDAHULUAN
Gangguan elektromagnetik (EMI/Electro Magnetic Interference) terjadi bila noise pancaran spektrum elektromagnetik yang dihasilkan dari peralatan atau sistem mengganggu sinyal spektrum yang ditimbulkan dari peralatan lain atau sistem lain. Sinyal RF yang dibangkitkan oleh sistem pemancar Radar merupakan energi elektromagnetik yang ditransmisikan ke dalam free space dengan menggunakan suatu antena. Antena patch array mempunyai 2 tipe dasar yaitu rectangular dan
circular. Antena microstrip patch yang terdiri dari lapisan patch mempunyai suatu lapisan dielectric
dan ground plane yang digunakan untuk
memancarkan energi dari arus yang terjadi oleh suatu pencatuan secara elektrik dari suatu pemancar Radar. Energi RF yang dipancarkan melalui antena patch array merupakan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang propagasi melalui free space dan arah propagasi dikenal sebagai
Transverse Electromagnetic Wave (TEM).
Dalam proses transmisi sinyal RF ada beberapa bentuk gangguan (interference) diantaranya suatu gangguan yang dikenal dengan nama EMI (Electromagnetic Interference). EMI yang terdiri dari sinyal yang tidak diinginkan yaitu
spurious, sinyal konduksi, sinyal radiasi yang asal mulanya elektrik dapat menyebabkan penurunan performance suatu sistem atau peralatan.
Pancaran radiasi yang dihasilkan antena patch array dalam hal ini sebagai contoh adalah rectangular pacth array, dapat dipengaruhi oleh EMI, dimana EMI dapat datang dari pancaran
komunikasi, Radar lain dan juga datang dari dalam sistem Radar itu sendiri. EMI yang timbul dari pancaran radiasi dominan diatas 30 MHz dan pancaran konduksi dibawah 30 MHz.
Pengaruh EMI pada antena patch array, akan berpengaruh terhadap efisiensi radiasi dan menurunkan gain dari antena patch array. Dari kondisi tersebut mengakibatkan penurunan performance suatu sistem Radar. Penggunaan antena array bertujuan untuk meningkatkan Emitted Radiated Power (ERP) dari sistem antena sehingga dapat menjangkau obyek-obyek yang berada pada jarak puluhan kilometer.
2. EMI DAN ANTENA PATCH ARRAY
Gangguan Electromagnetik (EMI) yaitu sinyal pancaran yang tidak diinginkan dari energi konduksi atau energi radiasi sebagai medan elektromagnetis. Pancaran konduksi berupa tegangan dan arus, adapun pancaran radiasi terdiri dari medan elektrik dan atau medan magnet. Spektrum sinyal EMI diidentifikasi dalam bentuk amplitudo yang merupakan kebalikan dengan frekuensi pancaran sinyal dari suatu sumber EMI. Amplitudo spektrum pancaran dapat berupa pancaran konduksi atau radiasi. Secara teori jenis pancaran EMI ada Broadband EMI, Narrowband EMI, Conducted EMI, dan Radiated EMI [1].
Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang mempunyai kelebihan dan kekurangan sebagai berikut :
1. Kelebihan
a Mempunyai bentuk yang tipis, ringan serta ukuran kecil
b Teknik fabrikasi yang mudah dan murah, dan diproduksi dengan menggunakan teknik
printed-circuit atau dengan teknik pemotongan biasa.
c Dapat diintegrasikan langsung
d Bisa menghasilkan polarisasi sirkular maupun linier
e Bisa dibuat compact sehingga cocok untuk komunikasi bergerak
f Bisa beroperasi pada single, dual, ataupun multi band
2. Kekurangan
a Bandwidth sempit, yaitu <1%
b Gain yang rendah, berkisar 3-10 dBi untuk satu
patch
c Membutuhkan substrate berkualitas baik (mahal)
d Efisiensi rendah
e Kecilnya alat mengakibatkan perlu ketelitian yang tinggi dalam perancangannya
Gambar 1: Gambaran Umum Antena Mikrostrip
Secara garis besar antena mikrostrip dibagi menjadi 3 bagian:
a. Patch, patch atau bisa kita sebut sebagai trace
adalah lapisan yang terbuat dari konduktor. Lapisan ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara, terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena.
b. Substrat dielektrik, terbuat dari bahan
dielektrik yang berfungsi sebagi media penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan menuju daerah dibawah patch. Substrat sangat berpengaruh pada besar parameter- parameter antena. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Semakin tebal substrat dan semakin kecil permetivitas relatif maka akan memperbesar bandwidth.
c. Groundplane, groundplane berfungsi sebagai
reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.
3. PANCARAN RADIASI PATCH ARRAY
Antena patch merupakan salah satu bentuk antena yang dibuat dengan cara mencetak elemen sebagai radiator pada suatu lempengan substrate. Bentuk rectangular patch yang terlihat dalam gambar 2: mempunyai parameter t (ketebalan), p
(panjang) dan l (lebar), dimana parameter tersebut akan mempengaruhi lebar bandwidth atau sinyal yang akan dipancarkan antena. Pencatuan dapat berupa koaksial atau stripline. Pencatuan saluran mikrostrip ada 2 bagian yang mengarahkan energi electromagnet dari sumber ke daerah patch.
Gambar 2 : Mekanisme Pancaran Radiasi
Keterangan Gambar : p = panjang patch.
l = lebar pacth.
t = tinggi substrate
Bentuk geometri dasar dari rectangular patch antena terdiri dari elemen konduktor yang melakukan radiasi, dimana elemen tersebut dapat dieksitasi saluran mikrostrip atau kopling electromagnet.
Mekanisme pancaran radiasi dari antena patch dapat dilihat seperti dalam gambar 2, dimana ini menunjukkan suatu konduktor rectangular- cross-section pada permukaan dielectric substrate
dengan suatu ground plane yang terletak pada bagian bawah subsrtrat, dan kondisi ini berhubungan dengan saluran transmisi.
Radiasi dari patch sejenis radiasi dari 2 slot, pada tepi kanan dan kiri dari patch. Slot adalah pemisah yang sempit antara patch dan ground plane. Patch dan ground plane berjarak t yang berisi substrat.
Analisa 2 saluran konduktor untuk menentukan arus pada konduktor dan tegangan antara 2 konduktor. Tegangan dan arus dari suatu saluran transmisi berhubungan dengan persamaan saluran transmisi. Struktur dasar dari medan electromagnet sekitar konduktor saluran transmisi merupakan struktur medan Transverse electromagnetic (TEM) yang mana vector intensitas medan listrik dan medan magnet pada point tersebut dalam ruang hampa (space) bukan komponen paralel terhadap saluran konduktor, tetapi vektor medan adalah transverse (garis melintang) atau tegak lurus terhadap sumbu. Gelombang yang propagasi sepanjang saluran
dinyatakan mode TEM yang propagasi dengan vector medan melintang terhadap arah propagasi.
Gambar 3: Susunan Pencatuan Antena Patch
Bentuk patch dapat dianalisa dengan aplikasi dari model cavity. Medan listrik dari mode resonan dalam cavity diberikan :[3]
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
l
y
n
p
x
m
E
Ez
ocos
π
π
... (1) m, n = 0,1,2. p = adalah panjang, l = adalah lebar Frekuensi resonansi :(
r)
mn mnk
cf
=
/
2π
ε
... (2) dimana : 2 2 2⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
l
n
p
m
mn
k
π
π
... (3) Untuk menghitung fringing field pada garis keliling patch, dapat digunakan dimensi efektif :2
t
p
p
e=
+
... (4)2
t
l
le=
+
... (5)(
+Δ)
=
1
1
0 1l
p
f
f
e e r r rε
ε
ε
... (6) dimana : ( ) ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − + + = Δ 1 0.882 0.1642 1 1 0.758 ln 1.88 t p x p r r r r πε ε ε ε ... (7)( )=
+
+
−
⎢⎣⎡ +
⎥⎦⎤
u
t
u
r r r10
1
2
1
2
1
ε
ε
ε
...
(8)f0 merupakan frekuensi resonansi yang diberikan
persamaan: 2
Karakteristik dasar dari antena patch rectangular mempunyai distribusi medan listrik dan arus magnetik permukaan pada sisi dinding adalah mode TM10,TM01 dan TM20.
- Untuk mode TM10, arus magnetik sepanjang l
bersifat konstan dan berada di dalam phase, sementara arus magnetik sepanjang p berubah secara sinusoidal diluar phase.Maka tepi l (lebar) dikenal sebagai tepi radiasi, karena pada saat itu sebagian besar pancaran kontribusi untuk radiasi. Tepi p dikenal sebagai tepi non radiasi.
- Untuk mode TM01, arus magnetik bersifat konstan
sepanjang p dan didalam phase, dan arus magnetic sepanjang l berubah-ubah secara sinusoidal diluar phase. Tepi p merupakan tepi radiasi untuk mode TM01.
Tiga mode tersebut mempunyai pattern radiasi
broadside.
Antena rectangular patch mempunyai efisiensi radiasi : T r
P
P
e=
...(9) PT(total) dari Mode TM10,TM01, sebagai fungsi darifrekuensi resonant. Directivity (D) dari antena didefinisikan sebagai perbandingan power density dan main beam terhadap power density rata-rata, kemudian Gain (G) adalah :
G= e D ...(10) Distribusi medan elektromagnetik dalam antenna patch yaitu sinyal yang berasal dari pemancar Radar ditransmisikan ke antena patch array. Distribusi medan gelombang elektromagnetik dalam patch array dipandu sepanjang stripline dan dipancarkan dibawah patch. Bila gelombang elektromagnetik mencapai batas patch maka sebagian gelombang direfleksikan dan beberapa gelombang diradiasikan dalam ruang terbuka.
Gambar 4 :
Gambar Distribusi Medan Elekromagnetik
4. IDENTIFIKASI EMI DALAM PANCARAN RADIASI PATCH ANTENA
Konfigurasi antena microstrip mempunyai cara eksitasi dari elemen radiasi diperlukan pertimbangan-pertimbangan dalam sistem pencatuan yang digunakan untuk mengkopel energi elektromagnetik. Pencatuan harus diperhatikan untuk mengurangi efek- efek yang merugikan pada kinerja (performance) antana patch array,
131
contohnya redaman conductor loss dan dielectric loss. Redaman tersebut akan mengurangi efisiensi juga gain dari antena pacth array.
Penurunan atau kenaikan impedance
transformer, pembengkokan, penyambungan,
pembagian, transisi, dan terminasi secara elektrik dan fisik pada antena patch array tidak berkesinambungan, maka dalam praktek jarang untuk mengeliminasi efek-efek elektrik secara sempurna dengan teknik matching yang normal. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya losses
reflection. Ketidak kesinambungan dalam
pencatuan microstrip akan menyababkan loss surface-wave dan radiasi spurious.
Pencatuan probe ke patch akan terjadi loss karena mentransfer energi dengan propagasi model paralel plat antara ground plane. Energi ini terkopel bebas dengan probe yang terdekat, hal ini merupakan dasar untuk menghasilkan radiasi
spurious. Pancaran spurious ini berbentuk sinyal narrowband dan pancaran spurious tercakup pada harmonic pada multipel dari frekuensi dasar.
5. ANALISA DAN PEMBAHASAN
Antena patch array yang terlihat dalam gambar 5, merupakan susunan dari elemen patch yang mempunyai distribusi medan elektromagnetik dan susunan dari antena patch tersebut diharapkan dapat menaikkan gain antena sesuai yang diinginkan. Dari susunan patch satu dengan yang lain akan terjadi cakap silang (crosstalk). Cakap silang antara 2 jalur tersebut merupakan kombinasi 3 faktor yaitu induktif, kapasitif dan route common
ground impedance. Perbaikan gain yangbesarnya
tidak sebenarnya, ini disebabkan pancaran arus balik meluas langsung dibawah jalur sinyal. Ground plane dapat juga mengurangi mutual inductance
coupling dengan menjamin bahwa loop arus kopel
tidak sebidang. Kopling kapasitif tidak langsung dipengaruhi oleh ground plane, tetapi impedansi terendah dari saluran akan mengurangi amplitudo cakap silang kapasitif. Keuntungan dari ground plane yaitu mengijinkan untuk area minimum dari loop radiasi. Ini menjamin pancaran differential-
mode minimum dari PCB.
Dengan melihat gambar 4, permukaan S atas terletak diluar patch dan permukaan bawah tepat terletak diluar ground plane. Permukaan vertikal S sesuai dengan medan magnet dari cavity.
Karena medan listrik pada permukaan atas dan bawah yaitu medan magnet tangensial pada permukaan vertikal adalah nol. Kontribusi untuk sumber yang sama merupakan tangensial medan listrik (E) pada permukaan vertikal dari cavity.
Losses dalam cavity dibawah patch terdiri dari dielectric loss (Pd), conductor loss(Pc), radiation loss (Pr) dan surface wave loss(Psw).
Dielectric loss dan conductor loss diperhitungkan dari medan listrik dibawah cavity dan bila radiation
loss diperhitungkan dari medan elektromagnetik
daerah medan jauh. Efisiensi radiasi (e) yang merupakan perbandingan power radiasi terhadap power input dapat diberikan dengan persamaan [3]
%
100
Pr
Pr
(%)
×
+
+
=
Pc
Pd
e
.(11) Gambar 5Distribusi Ez untuk 2 elemen patch 6. KESIMPULAN
Dalam komunikasi wireless seperti sistem Radar ini mempunyai medium efisiensi transmisi antara pemancar dan penerima. Medium transmisi dalam sistem Radar adalah suatu antena pemancar, saluran propagasi dan antena penerima. Untuk memfokuskan energi ke arah penerima, sifat antena ini dinamakan gain antena.
Dalam proses transmisi energi RF ada beberapa jenis EMI yang timbul dari bermacam- macam sumber yang dapat masuk melalui antena patch array dan dapat juga masuk melalui saluran internal yang masuk ke antena patch array, seperti
loss surface-wave dan pancaran spurious. EMI
yang timbul pada sistem pencatuan patch array ini, bila dilihat dari persamaan 11, maka dapat diperkirakan akan menurunkan efisiensi antena patch array dan berpengaruh terhadap gain antena.
DAFTAR REFERENSI
1. J.L. Norman Violette, Ph.D., Donald R. J. White, MSEE, Michael F. Violette,BSEE, Electromagnetic Compatibility Handbook, copyright 1987,Van Nostrand Reinhold Company Inc
2. Clayton R Paul, Electromagnetics for Engineers with Applications, copyright 2004, John Wiley & Sons
3. JR James & PS Hall, Handbook of Microstrip Antennas Volume, copyright 1989, Peter Peregrinus Ltd
4. Thomas Milligan, Modern Antenna Design, 1985,Mc Graw Hill Book Company
5. Clayton R Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, copyright 1992,John Wiley& Sons