ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP SUSUN 2 ELEMEN PATCH SEGIEMPAT DENGAN DEFECTED GROUND STRUCTURE BERBENTUK SEGIEMPAT
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1)
Pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Telekomunikasi
Disusun oleh
Rinesia Citra Amalia Bangun (120422032)
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Pada tugas akhir ini dilakukan perancangan antena mikrostrip susun 2
elemen pa tch segiempa t denga n defected ground structure berbentuk segiempa t
yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz - 3,4 GHz dengan frekuensi
tengah 3,35 GHz. Pada perancangan ini akan dirancang dua buah antena
mikrostrip yang disusun paralel pada sebuah substrat dan dengan penambahan
teknik defected ground structure yang diharapkan mampu meningkatkan kinerja
antena. Hal ini terukur melalui perbaikan nilai VSWR dan return loss,
peningkatan gain dan penekanan efek mutual coupling. Perancangan dilakukan
dengan menggunakan simulator AWR Microwave 2004. Adapun perancangan
antena optimal yang didesain dengan DGS berukuran (26x26) mm dan posisi
DGS (Y-4 mm). Hasil simulasi menunjukkan bahwa penggunaan DGS pada
antena mikrostrip 2 elemen memperbaiki nilai VSWR hingga 1,096 dan nilai
return loss berkisar -26,8 dB sedangkan antena tanpa DGS memiliki nilai VSWR
dan return loss masing-masing sebesar 1,371 dan -16,12 dB. Hal ini menunjukkan
penggunaan DGS memperbaiki kinerja antena.
Kata kunci : Antena Mikrostrip, Gelombang Permukaan, Defected Ground
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat
dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan
baik dan tepat waktu.
Tugas Akhir ini berjudul ”ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP SUSUN 2 ELEMEN PATCH SEGIEMPAT DENGAN DEFECTED GROUND
STRUCTURE BERBENTUK SEGIEMPAT”. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan pada Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini penulis tidak terlepas dari
perhatian dan dukungan keluarga oleh karena itupenulis mempersembahkan
Tugas Akhir ini kepada kedua orang tua tersayang Drs.Alexander Bangun, Almh.
Emsyahwati br Sitepu, Sulastri br Sitepu, K. Surbakti sebagai nenek serta kedua
abang Rizki A Roy Bangun, SE., Robert R Bangun, SE., adik -adik tercinta Rora
Ria S Bangun dan Rio Andhika Bangun. Dalam kesempatan ini juga penulis
menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar – besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku dosen pembimbing Tugas
Akhir atas bimbingan, dukungan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Ir. Raja Harahap,MT selaku Dosen Pembimbing Akademik selama
mengikuti perkuliahan.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Bapak Ir. Arman Sani, MT selaku dosen pembanding yang membantu
dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.
6. Bapak Emerson P. Sinulingga, ST, M.Sc, PhD selaku dosen pembanding
yang membantu dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.
7. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik
8. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro
Universitas Sumatera Utara.
9. Indra Gunawan Fiandi Mirza, S.Ked selaku pendamping yang setia
membantu dan menyemangati dalam proses pengerjaan Tugas Akhir ini.
10. Teman – teman Ekstensi Teknik Telekomunikasi angkatan 2012, Syarifah Assyura, Meinarty Sinurat, Debora Sinaga, Ummu Handasah dan semua
teman buat kebersamaan dalam mengikuti pendidikan, serta untuk semua
senior dan junior Ekstensi Teknik Telekomunikasi USU.
11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu oleh penulis, yang
selalu membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih sangat jauh dari sempurna,
baik dari segi materi maupun cara penyajiannya. Oleh karena itu, penulis
menerima saran dan kritik dari pembaca yang sifatnya membangun demi
kesempurnaan Tugas Akhir ini.Akhir kata, penulis berharap agar Tugas Akhir ini
dapat bermanfaat bagi pembaca dan penulis.
Medan, Maret 2015
Penulis,
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ... i
ABSTRAK ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penulisan ... 2
1.4 Batasan Masalah ... 3
1.5 Metodologi Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Antena... 5
2.2 Antena Mikrostrip ...5
2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip ... 6
2.3 Parameter Antena Mikrostrip... 8
2.3.2 Frekuensi Resonansi ... 9
2.3.12 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip ... 19
2.4 Jenis – Jenis Patch Antena Mikrostrip ... 19
2.4.1 Antena mikrostrip Patch Segiempat ... 21
2.5 Teknik Pencatuan Microstrip Line ... 21
2.5.1 Karakteristrik Saluran Mikrostrip W/h<1 ... 22
2.5.2 Karakteristrik Saluran Mikrostrip W/h>2 ... 22
2.6 Antena Array ... 23
2.6.1 Dua Elemen Array ... 24
2.7 Sistem Komunikasi Broadband 3,3 GHz – 3,4 GHz ... 25
2.7.1 Broadband Wireless Access ... 25
2.8 Gelombang Permukaan ... 26
2.9 Mutua l Coupling ... 27
2.10 Defected Ground Structure... 28
2.11.1 Proses Pencarian Solusi Simulator AWR ... 30
2.11.2 Spesifikasi Settingan Parameter SImulasi ... 30
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ANTENA DENGAN DAN TANPA DGS 3.1 Umum ... 34
3.2 Diagram Alir Perancangan Antena ... 36
3.3 Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS ... 37
3.4 Perancangan Antena………... 38
3.5 Perancangan DGS Segiempat Pada Antena Mikrostrip... 45
3.θ Variabel Yang Dianalisis ……….………..…….... 46
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum ...48
4.2 Analisis AntenaTanpa DGS ...48
4.3 Analisis Antena Dengan DGS ………...η0 4.3.1 Analisis Antena dengan DGS Berukuran (10x10) mm...50
4.3.2 Analisis Perbandingan Antena Tanpa dan Dengan DGS 10x10 mm2…………...………..η2 4.3.3 Analisis Antena Perubahan Ukuran DGS ...56
4.3.4 Analisis Antena Perubahan Posisi DGS ...59
4.4.1 VSWR ...62
4.4.2 Return Loss ...63
4.4.3 Gain ...64
4.4.4 Impedansi ………....θ5
4.5 Analisis Perbandingan Antena Dengan atau Tanpa DGS Optimal ...66
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ...,72
5.2 Saran ...73
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Struktur Antena Mikrostrip ... 6
Gambar 2.2 Rentang Frekuensi Mencari Bandwidth ………...………...….11
Gambar 2.3 Polarisasi Melingkar……...………..15
Gambar 2.4 Pola Radiasi Antena……….………...……...17
Gambar 2.5 Jenis – Jenis Patch Antena Mikrostrip ………...…...….20
Gambar 2.6 Antena Mikrostrip Patch Segiempat ……….……….…………21
Gambar 2.7 Geometri Saluran Mikrostrip …………...……….…..…..22
Gambar 2.8 Antena Array………...………23
Gambar 2.9 Gelombang Permukaan………..………...26
Gambar 2.10 Rangkaian RLC DGS……….………...……….28
Gambar 2.11 Tampilan Awal Simulator AWR……..…..……..…...….…....…..30
Gambar 2.12 Settingan Nilai Frekuensi Pada Simulator .………...…..31
Gambar 2.13 Settingan Pada Harmonic Balance …...………...…..32
Gambar 2.14 SettingContoh Model Simulasi Pada Spesifikasi Low Mesh.…....32
Gambar 2.15 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Normal Mesh…..…..33
Gambar 2.16 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi High Mesh..………..33
Gambar 3.2 Rancangan Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS ..……...37
Gambar 3.3 Pembuatan EM Structure Pada Simulator ………....….38
Gambar 3.4 Pengisian Enclosure Pada Simulator……...……..………....……...38
Gambar 3.5 Pengisian Dielectric Layers Pada Simulator…………...……….…39
Gambar 3.6 Pengisian Boundaries Pada Simulator ………...…………..39
Gambar 3.7 Pembuatan Patch Antena Pada Saluran Pencatu……….….….…...40
Gambar 3.8 Pengisian Port Eksitasi ……..………..………....40
Gambar 3.9 Pengisian Frekuensi Kerja………..……….………....……41
Gambar 3.10 Pengisian Spesifikasi Mesh...………....……...41
Gambar 3.11Pembuatan Grafik Keluaran………..,……...42
Gambar 3.12 Pembuatan Grafik Keluaran VSWR…….………….….….……..42
Gambar 3.13 Pembuatan Grafik Keluaran Return Loss...…………..….…..…..43
Gambar 3.14 Pembuatan Grafik Keluaran Gain……..……..…………..…..…..43
Gambar 3.15 Visualisasi 3D Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS...…....44
Gambar 3.16 Antena Mikrostrip 2 Elemen Dengan DGS…….………...44
Gambar 3.17 Visualisasi 3D Antena Mikrostrip 2 Elemen Dengan DGS……..45
Gambar 3.18 Antena Mikrostrip 2 Elemen Segiempat Dengan DGS....…...46
Gambar 3.20 Perubahan Posisi DGS………...…...47
Gambar 4.1 Nilai VSWR Tanpa DGS………...48
Gambar 4.2 Nilai Return Loss Tanpa DGS………...…...49
Gambar 4.3 Nilai Gain Tanpa DGS………...……..49
Gambar 4.4 Nilai Impedansi Tanpa DGS……...………...…...η0
Gambar 4.5 Nilai Simulasi VSWR DGS (10x10) mm ….………...η1
Gambar 4.6 Nilai Simulasi Return Loss DGS (10x10) mm ….………...η1
Gambar 4.7 Nilai Simulasi Gain DGS (10x10) mm ….……...…...…...η2
Gambar 4.8 Nilai Simulasi impedansi DGS (10x10) mm ….………...52
Gambar 4.9 Nilai VSWR Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm …...η3
Gambar 4.10 Nilai Return Loss Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm..54
Gambar 4.11 Nilai Gain Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm …...η4
Gambar 4.12 Nilai Impedansi Antena Tanpa dan Dengan DGS (10x10) mm...55
Gambar 4.13 Nilai VSWR Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS….…...η7
Gambar 4.14 Nilai Return Loss Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS...57
Gambar 4.15 Nilai Gain Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS……..…...η8
Gambar 4.16 Nilai Impedansi Hasil Simulasi Pengubahan Ukuran DGS.…...η8
Gambar 4.17 Nilai VSWR Hasil Simulasi Pengubahan Posisi DGS..…...θ0
Gambar 4.18 Nilai Return Loss Hasil Simulasi Pengubahan Posisi DGS.…...θ0
Gambar 4.20 Nilai Impedansi Hasil Simulasi Pengubahan Posisi DGS….…...θ1
Gambar 4.21 Antena Dengan Posisi DGS Optimal ………...θ2
Gambar 4.22 Nilai VSWR Hasil Simulasi DGS Optimal ...………...θ3
Gambar 4.23 Nilai Return Loss Hasil Simulasi DGS Optimal ………..…...θ4
Gambar 4.24 Nilai Gain Hasil Simulasi DGS Optimal ………..…….…..…...θ5
Gambar 4.25 Nilai Impedansi Hasil Simulasi DGS Optimal ………..……...65
Gambar 4.26 Perbandingan Nilai VSWR Antena Tanpa DGS dan Dengan
DGS Optimal ...66
Gambar 4.27 Perbandingan Nilai RL Antena Tanpa DGS dan Dengan
DGS Optimal ...67
Gambar 4.28 Perbandingan Nilai Gain Antena Tanpa DGS dan Dengan
DGS Optimal..……….………..……...…...θ8
Gambar 4.29 Perbandingan Nilai Impedansi Antena Tanpa DGS dan
Dengan DGS Optimal ……….…...………..69
Gambar 4.30 Perbandingan Nilai Mutual Coupling Antena Tanpa DGS dan
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Substrate………..………..34
Tabel 3.2 Dimensi Antena………...………37
Tabel 4.1 Hasil Simulasi Antena dengan Mengubah Ukuran DGS………..…η6
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Antena dengan Mengubah Posisi DGS……….59
Tabel 4.3 Perbandingan Nilai Parameter Antena Tanpa DGS Dan
Dengan DGS Optimal ….………..…...71
ABSTRAK
Pada tugas akhir ini dilakukan perancangan antena mikrostrip susun 2
elemen pa tch segiempa t denga n defected ground structure berbentuk segiempa t
yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz - 3,4 GHz dengan frekuensi
tengah 3,35 GHz. Pada perancangan ini akan dirancang dua buah antena
mikrostrip yang disusun paralel pada sebuah substrat dan dengan penambahan
teknik defected ground structure yang diharapkan mampu meningkatkan kinerja
antena. Hal ini terukur melalui perbaikan nilai VSWR dan return loss,
peningkatan gain dan penekanan efek mutual coupling. Perancangan dilakukan
dengan menggunakan simulator AWR Microwave 2004. Adapun perancangan
antena optimal yang didesain dengan DGS berukuran (26x26) mm dan posisi
DGS (Y-4 mm). Hasil simulasi menunjukkan bahwa penggunaan DGS pada
antena mikrostrip 2 elemen memperbaiki nilai VSWR hingga 1,096 dan nilai
return loss berkisar -26,8 dB sedangkan antena tanpa DGS memiliki nilai VSWR
dan return loss masing-masing sebesar 1,371 dan -16,12 dB. Hal ini menunjukkan
penggunaan DGS memperbaiki kinerja antena.
Kata kunci : Antena Mikrostrip, Gelombang Permukaan, Defected Ground
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar BelakangAntena sangat dibutuhkan dalam teknologi nirkabel baik untuk
komunikasi suara maupun untuk transmisi data. Antena adalah suatu alat yang
mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas
di udara, dan sebaliknya. Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena
sebagai pelepas energi elektromagnetik dari dan ke udara atau ruang bebas.
Pada tugas akhir ini akan dibahas mengenai antena mikrostrip. Struktur dari
antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian, yaitu elemen peradiasi atau patch antena,
substrat dan ground plane. Semakin tebal substrat, maka bandwidth akan
meningkat, tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan [1].
Gelombang permukaan adalah gelombang yang disebabkan adanya gelombang
yang terjebak di dalam substrat [1]. Gelombang permukaan pada antena
mikrostrip merupakan efek yang merugikan karena akan mengurangi sebagian
daya yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang
elektromagnetik ke arah yang diinginkan serta dapat menimbulkan efek mutual
coupling yang terjadi pada antena susun atau dua antena yang berdekatan [1].
Mutua l coupling adalah suatu fenomena yang terjadi pada array (susun)
dimana energi suatu antena bocor menuju antena lain sehingga mempengaruhi
kinerja antena. Efek mutual coupling ini berdampak negatif bagi antena karena
sebagian energi datang pada satu atau kedua elemen antena dapat dihamburkan
kembali ke arah yang berbeda seolah menjadi sebuah transmitter yang baru [2].
Selain itu efek mutual coupling berpengaruh terhadap parameter antena yang
diinginkan seperti Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), return loss, gain,
impedansi antena ,dan bandwidth pada antena susun atau dua antena yang
Oleh karena itu, untuk mengatasi efek mutual coupling ini adalah dengan
menggunakan teknik Defected Ground Structure (DGS). DGS adalah suatu cara
menekan gelombang permukaan dengan cara menghilangkan (etching) sebagian
bidang ground.
Pada Tugas Akhir ini akan dianalisis antena menggunakan DGS berbentuk
segi empat pada antena mikrostrip susun 2 elemen yang bekerja diantara rentang
frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz. Antena dengan DGS ini dirancang untuk menekan gelombang permukaan agar dapat mengurangi
efek mutual coupling yang terjadi antara elemen antena susun sehingga kinerja
antena dapat meningkat [3].
1.2
Rumusan MasalahUntuk mendapatkan hasil yang diinginkan, maka pada tugas akhir ini
ditetapkan rumusan masalah sebagai berikut :
1 Pengaruh mutual coupling terhadap kinerja antena mikrostrip susun 2 elemen
pa tch segi empat yang bekerja diantara rentang frekuensi 3,3 GHz – 3.4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz.
2 Teknik Defected Ground Structure (DGS) mengatasi pengaruh mutual
coupling pada antena mikrostrip 2 elemen patch segiempat yang bekerja
diantara rentang frekuensi 3,3 GHz – 3.4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz.
3 Analisis parameter-parameter antena mikrostrip susun 2 elemen patch
segiempat tanpa atau dengan DGS juga berbentuk segiempat yang telah
didesain.
1.3
Tujuan PenelitianAdapun tujuan yang diharapkan dari skripsi ini adalah untuk menghasilkan
desain antena yang optimum. Adapun parameter yang dianalisis untuk desain
1.4
Batasan MasalahPenulisan Tugas Akhir ini memiliki batasan masalah dan ruang lingkup
sebagai berikut :
a. Antena yang akan dibentuk pada tugas akhir ini adalah antena mikrostrip
pa tch segi empat dua elemen dengan defected ground structure (DGS)
berbentuk segi empat.
b. Simulator yang digunakan adalah simulator Applied Wave Research (AWR)
Microwa ve Office 2004.
c. Substrat yang digunakan dalam perancangan antena ini adalah epoxy fR4
(εr = 4,4) dengan ketebalan h= 1,6 mm.
1.5 Metodologi Penelitian
Adapun metode penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut :
a. Studi Literatur : membahas pengertian dan pengaplikasian DGS atau Defected
Ground Structure dalam menangani gelombang permukaan dan menekan
mutua l coupling pada antena mikrostrip dengan resensi dari beberapa
buku-buku yang terkait.
b. Desain DGS : Merancang antena mikrostrip susun 2 elemen patch segiempat
yang bekerja pada frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz dengan dan tanpa DGS berbentuk segiempat.
c. Simulasi : simulasi dilakukan untuk mendapatkan nilai parameter antena
mikrostip tanpa dan dengan DGS dengan simulator AWR. Pengukuran yang
dilakukan meliputi, pengukuran VSWR, gain, return loss, impedansi antena,
dan bandwidth.
d. Analisis : Membandingkan kelebihan yang didapat untuk antena dua elemen
menggunakan DGS segiempat terhadap antena tanpa DGS.
e. Optimasi desain berdasarkan perubahan ukuran DGS dan perubahan posisi
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memberikan gambaran mengenai tugas akhir ini, secara singkat
penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar
belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penulisan, batasan
masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan dari
Tugas Akhir ini.
BAB II DASAR TEORI
Bab ini berisi penjelasan tentang antena secara umum dan
penjelasan mengenai antena Mikrostrip, Wifi dan Teknik DGS
dalam memperbaiki kinerja antena mikrostrip.
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ANTENA DENGAN DAN
TANPA DGS
Bab ini membahas perancangan antena tanpa DGS dan antena
dengan DGS dengan simulator AWR Microwave Office 2004
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini membahas mengenai hasil dari perancangan antena
mikrostrip susun dua elemen patch segiempat tanpa atau dengan
teknik DGS berbentuk segiempat dan parameter – parameter hasil
simulasi antena mikrostrip tanpa atau dengan teknik DGS.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil pembahasan Tugas
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Pengertian Antena
Antena merupakan perangkat yang digunakan untuk merubah besaran
listrik dari saluran transmisi menjadi suatu gelombang elektromagnetik untuk
diradiasikan ke udara bebas. Sebaliknya antenna juga dapat menangkap
gelombang elektromagnetik dari udara bebas untuk kemudian dijadikan besaran
listrik kembali melalui saluran transmisi. Pemancaran merupakan satu proses
perpindahan gelombang radio atau elektromagnetik dari saluran transmisi ke
ruang bebas melalui antenna pemancar. Sedangkan penerimaan adalah satu proses
penerimaan gelombang radio atau elektromagnetik dari ruang bebas melalui
antena penerima. Karena merupakan perangkat perantara antara saluran transmisi
dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan
saluran pencatunya.
Pada saat proses transmisi, gelombang elektromagnetik akan
ditransmisikan sepanjang jalur transmisi dan menyebar ke udara. Jalur transmisi
ini dapat berupa kabel koaksial, terkadang juga ditambahkan dengan pipa untuk
memperluas jalur transmisi dan dikenal sebagai gelombang terbimbing
(waveguide) [4]. Perkembangan teknologi komunikasi yang saat ini berkembang
pesat menyebabkan pengembangan dan penelitian antena juga semakin pesat
seiring dengan kebutuhan teknologi saat ini.
2.2 Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip diusulkan pertama kalinya oleh Deschamps pada awal
tahun 1950 dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan
merupakan salah satu antenna gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator
pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini seperti : Personal
Communica tion System (PCS), Mobile Satelite Communications, Direct
Broa dca st Television (DBS), Radio Detection And Ranging (Radar) dan Global
kemampuan beroperasi antena mikrostrip diatur terutama oleh bentuk geometri
dari elemen peradiasi (patch) dari karakteristik material substrat [3].
2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu mikro
(sangat kecil/tipis) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat
didefenisikan sebagai salah satu antena yang berbentuk potongan atau bilah
dengan ukuran yang sangat kecil. Secara garis besar struktur dari antenna
mikrostrip atas 3 bagian, yaitu elemen peradiasi atau patch antena, substrat dan
ground pla ne. Pa tch terletak diatas subtrat dan ground plane terletak paling
bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 [3].
Gambar 2.1 Struktur Dasar Antena Mikrostrip [3]
Pada susunan ini, lapisan konduktor atas atau “patch” berfungsi sebagai
sumber radiasi dimana energi elektromagnetik menyusur tepian dan sisi patch ke
dalam substrat. Lapisan konduktor bawah bertindak sebagai bidang ground
pemantulan sempurna yang kemudian mengembalikan energi kembali melalui
substrat menuju udara bebas. Lapisan konduktor bawah dicetak pada satu atau
lebih dielektrik substrat. Patch (elemen peradiasi) terbuat dari bahan konduktor
tipis seperti tembaga atau emas yang mempunyai bentuk bermacam-macam.
segitiga, ataupun cincin. Patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang
elektromagnetik ke udara.
Substrat berfungsi sebagai bahan dialektrik dari antena mikrostrip yang
membatasi elemen peradiasi dengan elemen pertanahan. Bagian ini memiliki nilai konstanta dielektrik εr dimana nilai dari konstanta dielektrik ini mempengaruhi frekuensi kerja, efisiensi, dan juga bandwidth dari antena. Karakteristik substrat
sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pengaruh ketebalan
substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan
ketebalan substrat akan memperbesar bandwidth. Elemen ini memiliki jenis yang
bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dialektrik dan
ketebalannya. Ketebalan substrat jauh lebih besar daripada ketebalan konduktor
metal peradiasi. Semakin tebal substart maka bandwidth akan semakin meningkat,
tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave).
Gelombang permukaan pada antena mikrostrip merupakan efek yang merugikan
sebagian daya yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang
elektromagnetik kearah yang diinginkan.
Material substrat yang tersedia dapat digunakan untuk frekuensi-frekuensi
RF dan microwave. Pemilihannya berdasarkan karakteristik material yang
diinginkan untuk daya yang optimal pada suatu jarak frekuensi tertentu.
Spesifikasi umum termasuk nilai konstanta dielektrik, dielektrik loss tangent, dan
ketebalan. Nilai konstanta dielektrik antara 2,2 < εr< 12 digunakan untuk frekuensi operasi dari 1 hingga 100 GHz [3]. Konstanta dielektrik adalah
perbandingan energi listrik yang tersimpan pada suatu bahan substrat jika diberi
sebuah potensial, relatif terhadap ruang hampa [5]. Dielektrik loss tangent
merupakan rugi-rugi dielektrik.
Ketebalan substrat penting untuk diperhatikan ketika akan mendesain
antena mikrostrip. Kebanyakan substrat yang diinginkan untuk kehandalan suatu
antena dipilih yang tebal dengan konstanta dielektrik yang rendah. Hal ini
cenderung menghasilkan antenna dengan bandwith yang lebar dan efisiensi yang
tinggi akibat bebas dari loncatan medan tepi yang berasal dari patch dan
menjadi besar dan meningkatkan kemungkinan pembentukan gelombang
permukaan. Akan tetapi dengan substrat yang tipis dengan konstanta dielektrik
yang tinggi mengurangi ukuran antena. Namun akibat adanya disipasi faktor yang
lebih tinggi, menyebabkan efisiensinya menjadi rendah dan bandwith yang kecil
[3]. Oleh karena itu terdapat timbal balik yang menjadi dasar dalam pembuatan
antena mikrostrip yang harus diperhatikan.
Ground pla ne terbuat dari bahan konduktor. Ukurannya selebar dan
sepanjang substrat. Ground plane berfungsi sebagai ground antena (pembumian)
yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.
2.3 Parameter – Parameter Antena Mikrostrip
Ada beberapa parameter dari antena mikrostrip yang biasanya digunakan
dalam simulasi maupun pengukuran untuk mengetahui spesifikasi standar dari
antena yang dirancang. Parameter antena tersebut antara lain yaitu dimensi antena,
frekuensi resonansi, VSWR, bandwidth, axial ratio, gain antena, return
loss,pola risa si, impedansi masukan, pola radiasi, dan keterarahan (directivity).
2.3.1 Dimensi Antena Mikrostrip
Untuk mencari dimensi antena, yaitu lebar (W) dan panjang (L) maka
harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan, yaitu tebal
dialektrik (h), konstanta dialektrik (εr), tebal konduktor (t) dan rugi – rugi bahan. Panjang antena mikrostrip antena (L) 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.
Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip
dapat menggunakan persamaan (2.1) sebagai berikut [2] :
W= c
√ � + (2.1)
dimana :
W : lebar konduktor (mm)
c : kecepatan elektromagnetik diruang bebas (3 x 108 ) (m/s2)
fo : frekuensi kerja antena (Hz)
Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang L akibat adanya fringing effect. Pertambahan
panjang dari L (ΔL) tersebut dirumuskan dengan persamaan (2.2) sebagai berikut
dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat dan adalah konstanta
dielektrik relatif yang dirumuskan pada persamaan (2.3) berikut [2] :
= � + +� − (
√ + ℎ⁄ ) (2.3)
Panjang patch (L) dirumuskan pada persamaan (2.4) berikut [2] :
= − ∆ (2.4)
Frekuensi resonansi adalah frekuensi kerja dari suatu antena. Rentang
frekuensi kerja dari suatu antena dapat dilihat dari grafik VSWR dan grafik return
loss, sebagai contoh ketika nilai VSWR – nya lebih kecil atau sama dengan 2 dan ketika nilai return loss – nya bernilai sama dengan – 9,54 dB [1]. Dengan frekuensi resonansi yang dirumuskan pada persamaan (2.6) :
= √� [ � + ] / (2.6)
dengan m dan n adalah indeks mode pada arah x dan y, W dan L adalah lebar dan
sisinya, c adalah kecepatan cahaya 3x108 m/s2, dan εr adalah konstanta dielektrik relatif.
2.3.3 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) merupakan perbandingan antara
amplitudo gelombang berdiri maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min) [6].
Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan
yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Gelombang berdiri
terjadi akibat interferensi antara V0+ dan V0- .
Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang
dikirimkan disebut koefisien refleksi yang dinyatakan dengan simbol Г [7]. Harga koefisien pantul dapat bervariasi antar 0 sampai 1. Jika bernilai 0, artinya tidak
ada pantulan dan jika bernilai 1 artinya sinyal yang datang ke beban seluruhnya
dipantulkan kembali ke sumbernya. Dapat dinyatakan dengan persamaan (2.7)
sebagai berikut [8] :
Γ= −+ (2.7)
Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik dan impedansi beban
dapat dinyatakan seperti persamaan (2.8) berikut [8] :
Γ = −+= �−
�+ (2.8)
dimana :
ZL : impedansi beban (load)
Zo : impedansi saluran lossess
Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa
Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam
saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Secara
sederhana rumus untuk menentukan VSWR [8].
Kondisi VSWR yang ideal adalah bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi
atau pantulan ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Nilai dari VSWR
menjadi salah satu acuan untuk melihat, apakah antena sudah dapat bekerja pada
frekuensi yang diharapkan. Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang
dipantulkan semakin besar. Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR
bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaa n matching
sempurna [8]. Adapun rumusnya dapat dilihat pada persamaan (2.9).
= | | �
| | = +|Г|
−|Г| (2.9)
2.3.4 Bandwidth
Ba ndwidth suatu antena merupakan besar rentang frekuensi kerja dari
suatu antena dimana kinerjanya berhubungan dengan beberapa karakteristik
(seperti impedansi masukan, pola, bandwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR,
return loss, a xia l ra tio) memenuhi spesifikasi standar [8]. Nilai bandwidth dapat
diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas dari suatu antena sudah
diketahui, seperti yang terlihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Rentang Frekuensi Mencari Bandwidth [4]
Frekuensi bawah adalah nilai frekuensi awal dari frekuensi kerja antena,
sedangkan frekuensi atas merupakan nilai frekuensi akhir dari frekuensi kerja
antena.
Pada persamaan 2.10 berikut adalah rumus mencari nilai bandwidth [8] :
= − % (2.10)
Adapun beberapa jenis dari bandwidth yang berkaitan dengan antena
mikrostrip adalah sebagai berikut [8] :
a) Impeda nce bandwidth : yaitu rentang frekuensi dimana 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. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap
baik masing – masing adalah kurang dari -9.54 dB dan 2.
b) Pa ttern ba ndwidth : yaitu rentang frekuensi dimana bandwidth, sidelobe,
atau gain,yang bervariasi menurut freekuensi memenuhi nilai tertentu.
Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai
ba ndwidth dapat dicari.
c) Pola riza tion atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi dimana
polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk
polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.
2.3.5 Axial Ratio
Axia l ra tio (AR) merupakan perbandingan sumbu mayor terhadap sumbu
minor dalam suatu bentuk polarisasi, baik itu polarisasi melingkar atau elips.
Adapun rumus AR terlihat pada persamaan (2.11) [1] berikut :
= � = ; ≤ ≤ ∞ (2.11) Dimana:
= [ {⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ − (⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ cos ∆∅ ) / }] / (2.13)
Nilai axial ratio yang ideal adalah ≤ dB. Nilai 3 dB merupakan beda
atau selisih antara medan E dan medan H dari gelombang yang dipancarkan oleh
antena. Ini berarti antena tersebut memiliki polarisasi yang melingkar [1].
2.3.6 Gain Antena
Ga in antena atau penguatan adalah perbandingan antara intensitas radiasi
dari suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena
isotropik yang menggunakan sumber daya masukan yang sama Satuan yang
digunakan untuk gain, adalah besar suatu gain antena yang merupakan besaran
relatif terhadap acuan gain antena yang mudah dihitung. Dimana gain dapat
dirumuskan seperti persamaan (2.14) [2] berikut :
G = D . η (2.14) D adalah direktivitas dan adalah efisiensi antena. Ga in memiliki 2 jenis parameter, yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain adalah
perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang
diperoleh jika daya yang diterima oleh antena (Pin) teradiasi secara isotropik. Gain
juga dapat dicari seperti persamaan (2.15) sebagai berikut [2]:
� = �� � � � � � � � �ℎ � (2.15)
Sedangkan relatif gain adalah sebagai perbandingan antara perolehan daya pada
sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang
direferensikan juga. Daya masukan harus sama diantara kedua antena tersebut
yang dirumuskan seperti persamaan (2.16) berikut [2] :
� = � �,� (2.16)
Untuk menentukan dimensi elemen peradiasi, maka terlebih dahulu harus
ditentukan frekuensi kerja ( ) yang digunakan, untuk mencari panjang
� = (2.17)
Setelah nilai � diperoleh, maka � dapat dihitung. Dimana � merupakan
panjang gelombang pada bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan
persamaan (2.18) [2] :
� = √�� (2.18)
Ga in dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.19) [1] :
� = �
� ∙ (2.19)
dimana :
G = gain antena
� = panjang gelombang bahan dielektrik ∙ = Luas patch segiempat
2.3.7 Return Loss
Return loss merupakan perbandingan antara amplitude dari gelombang
yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Retur n loss
digambarkan sebagai peningkatan amplitude dari gelombang yang direflesikan
(V0-) sebanding dengan gelombang yang dikirim (V0+). Return loss dapat terjadi
akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan
beban. Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas
(misma tched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi dengan
menggunakan persamaan (2.20) [8] :
= log|Γ| (2.20)
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
matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan apakah antena sudah bekerja
S11 pada saat melakukan simulasi. Hal ini dikarenakan pada saat melakukan simulasi
terhadap return loss yang digunakan hanya 1 port saja pada antena array.
2.3.8 Polarisasi Lingkaran
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh
antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah
gain maksimum [1]. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefenisikan sebagai
suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo
vektor medan electric yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat
didefenisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada
suatu arah tertentu. Polarisasi yang terdapat pada antena mikrostrip dapat
diklasifikasikan sebagai polarisasi linear, polarisasi circular (melingkar), dan
polarisasi elliptical (elips).
Polarisasi melingkar terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut
waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik(atau magnet) pada titik
tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Polarisasi melingkar
terlihat seperti Gambar 2.3 berikut [1].
Gambar 2.3 Polarisasi Melingkar [9]
Untuk membangkitkan polarisasi melingkar pada antena mikrostrip dapat
dilakukan dengan 2 metode, yaitu pencatuan ganda (dual feed) dan pencatuan tunggal
(single feed). Polarisasi melingkar dapat dihasilkan dengan menggunakan pencatuan
diantara yang satu dengan yang lainnya. Untuk mendapatkannya dilakukan dengan
berbagai cara, seperti quadrature hybrid atau phase shifter. Selain itu, untuk dapat
memperoleh beda fasa sebesar 900 dapat dilakukan dengan cara mengatur saluran
catu sehingga selisihnya sebesar λ/4.
Selain dengan pencatuan ganda, polarisasi melingkar juga dapat dibangkitkan
dengan menggunakan pencatuan tunggal. Pada umumnya patch dengan saluran
tunggal akan menghasilkan polarisasi linier. Untuk menghasilkan polarisasi
melingkar maka perlu dibangkitkan dua mode arus yang tegak lurus dengan
amplitude yang sama dan berbeda phase 900, maka polarisasi melingkar akan di dapat
[8].
2.3.9 Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah perbandigan tegangan terhadap arus pada terminal
atau perbandingan dari komponen-komponen bersesuaian dari medan elektrik
terhadap medan magnetic pada suatu titik [10]. Impedansi masukan biasanya
dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang ada disekitarnya, tetapi pada umumnya
sebuah antena diasumsikan sudah terisolasi. Secara matematis impedansi masukan
dapat dirumuskan pada persamaan (2.21) sebagai berikut [1] :
Zin = (Rin + j Xin) Ω (2.21)
dimana :
Zin = impedansi masukan
Rin = tahanan terminal antena
Xin = reaktansi masukan
Dari persamaan Zin tersebut, komponen yang diharapkan adalah daya real
(Rin) yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui panas atau
radiasi. Komponen imajiner (Xin) mewakili reaktansi dari antena dan daya yang
tersimpan pada medan dekat antena. Adapun Zin untuk antena mikrostrip patch
Pola radiasi merupakan fungsi matematika atau representasi grafik dari
sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang. 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. Parameter pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan
jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional. Parameter pola radiasi
terdiri dari main lobe, side lobe, HPBW (Half Power Beamwidth), FNBW ( First
Null Bea mwidth ), SLL (Side Lobe Level), dan FBR ( Front to Back Ratio) seperti
terlihat pada Gambar 2.4 dibawah ini [1].
Gambar 2.4 Pola Radiasi Antena [11]
Defenisi dari istilah – istilah parameter pola radiasi adalah sebagai berikut [1] : a) Ma jor Lobe
Ma jor lobe disebut juga main lobe didefenisikan sebagai radiation lobe
yang berisi arah radiasi maksimum. Ma jor lobe merupakan daerah
pancaran terbesar sehingga dapat menentukan arah radiasi dan mempunyai
daya yang besar.
b) Side Lobe
Side Lobe terdiri dari :
1. first side lobe yaitu minor lobe yang posisinya paling dekat dengan
2. second side lobe yaitu minor lobe yang posisinya setelah first side
lobe.
3. ba ck lobe yaitu minor lobe yang posisinya berlawanan dengan main
lobe.
c) Ha lf Power Bea mwidth ( HPBW)
Ha lf Power Bea mwidth 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 Bea mwidth (FNBW)
First Null Bea mwidth adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada
ma in 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 Ba ck Ra tio (FBR)
Front to Ba ck Ra tio adalah perbandingan antara main lobe terhadap back
lobe.
Semakin besar sudut yang membentuk main lobe-nya maka keterarahan
antena semakin kecil, sedangkan lobe-lobe kecil didekat main lobe yang disebut
minor lobe merupakan berkas radiasi yang tidak terarah dan sebenarnya tidak
dibutuhkan [1].
2.3.11 Keterarahan (Directivity)
Pengarahan (directivity) merupakan perbandingan antara intensitas radiasi
sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua
arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Directivity dapat dirumuskan seperti pada Persamaan (2.23) berikut [1] :
= = �
� (2.23)
Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi
maksimum yang dapat dicari menggunakan Persamaan (2.24) berikut [1] :
= = � = � �
dimana :
D = keterarahan (directivity)
D0 = keteraharan maksimum
U = intensitas radiasi
Umax = intensitas radiasi maksimum
U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropik
Prad = daya total radiasi
2.3.12 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Antena Mikrostrip mengalami kenaikan popularitas khususnya pada
aplikasi wireless dikarenakan bentuknya yang kecil, mudah dibawa, sederhana,
dan proses pembuatannya tidak membutuhkan biaya yang sangat mahal. Selain
itu, antena ini juga kompatibel dan dapat diintegrasikan langsung dengan sirkuit
utamanya, seperti telepon genggam, missile, dan peralatan lainnya.
Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip antara lain [1] :
a) Dimensi antena yang kecil
b) Bentuknya sederhana memudahkan dalam proses perakitan
c) Dapat bekerja dalam dual-frequency dan triple frequency
d) Dapat diintegrasikan pada Microwa ve Integrated Circuit (MIC)
e) Tidak membutuhkan biaya yang sangat besar dalam proses pembuatannya.
Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti [1] :
a) Efisiensi yang rendah
b) Gain yang rendah
c) Memiliki daya (power) yang rendah
d) Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan
e) Ba ndwidth yang sempit
2.4 Jenis – Jenis Patch Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch seperti : bentuk
pa tch antena tersebut menggunakan metode cavity (modal rongga). Model cavity
adalah suatu model dimana geometri antena dikelilingi oleh medan radiasi dan
dinding-dinding medan radiasi tersebut memiliki kondisi batas tertentu. Medan
listrik dalam substrat hanya mempunyai arah komponen z, dan arah medan magnet memiliki arah x dan y. Karena ketebalan substrat dielektrik (h) << λ0 (wa velength), maka medan listrik tidak bervariasi sepanjang arah z, dan medan
dapat diasumsikan sebagai Transverse Magnetic (TM). Komponen arus yang
normal terhadap tepi antenna mikrostrip mendekati nol pada tepi tersebut, dan ini
menunjukkan bahwa komponen tangensial dari medan magnet pada tepi adalah
sangat kecil sehingga dapat diabaikan [1].
Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch, diantaranya:
1. Pa tch persegi (Square)
2. Pa tch segitiga (Triangular)
3. Pa tch lingkaran (Circular)
4. Pa tch persegi panjang (Rectangular)
5. Pa tch elips (Elliptical)
6. Pa tch cincin melingkar (Circular Ring)
7. Pa tch garis tipis (Dipole)
Bentuk patch antena mikrostrip ditunjukkan pada Gambar 2.5 berikut [1]:
2.4.1 Antena Mirkrostrip Patch Segiempat (Rectangular)
Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat yang
memiliki dimensi elemen peradiasi yang terdiri atas parameter lebar (W) dan
panjang (L). Antena mikrostrip patch segiempat ditunjukkan seperti Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Antena mikrostrip patch segiempat [11]
Dimana L adalah panjang dari patch antena dan W adalah lebar dari patch
antena.
2.5 Teknik Pencatuan Microstrip Line
Teknik pencatuan microstrip line merupakan metode yang paling mudah
digunakan. Saluran transmisi mikrostrip tersusun dari dua konduktor, yaitu sebuah
garis (strip) dengan lebar W dan bidang pentanahan, keduanya dipisahkan oleh suatu substrat yang memiliki permitivitas relatif εr dengan tinggi h seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. Parameter utama yang penting untuk diketahui
pada suatu saluran transmisi adalah impedansi karakteristik Z0. Impedansi
karakterisik Z0 dari saluran mikrostrip ditentukan oleh lebar strip (W) dan tinggi
substrat (h).
Pada teknik pencatuan microstrip line saluran pencatu berada pada lapisan
yang sama dengan elemen peradiasi. Saluran pencatu berada pada lapisan yang
sama dengan elemen peradiasi dan pada umumnya pencatu memiliki lebar yang
sempit dibandingkan elemen peradiasi. Keuntungan dari pencatuan microstr ip line
ini antara lain mudah untuk difabrikasi, matching mudah dilakukan hanya dengan
pencatuan ini juga menghemat bahan karena hanya menggunakan substrat saja,
yaitu substrat yang sama dengan substrat digunakan untuk meletakkan patch
dibandingkan dengan teknik pencatuan lain. Sedangkan kekurangan dari teknik
pencatuan ini adalah semakin tebal substrat yang digunakan maka akan
memperbesar radiasi dari saluran catu yang efeknya akan membatasi bandwidth
antena (2-5%) [1].
Gambar 2.7 Geometri Saluran Mikrostrip [11]
2.5.1 Karakteristik Saluran Mikrostrip (microstrip line) untuk W/h<1 Konstanta dielektrik efektif (εeff) dirumuskan pada persamaan (2.25) [1]:
= � + +� − [√ + ℎ/ + . − ℎ ] (2.25)
dan Karakteristik Impedansi dapat dirumuskan seperti persamaan (2.26) [1]:
=√� ln ℎ+ ℎ (2.26)
2.5.2 Karakteristik Saluran Mikrostrip (microstrip line) untuk W/h > 1 Konstanta dielektrik efektif (εeff) dirumuskan pada persamaan (2.27) [1]:
= � + +� − [
√ + ℎ/ ] (2.27)
dan karakteristik impedansi dirumuskan pada persamaan (2.28) [1]:
=� � /√� ℎ+ . + ln�ℎ+ .
2.6 Antena Array
Antena array (antena susun) adalah antena yang terdiri dari beberapa
elemen yang saling berhubungan dan diatur dalam struktur yang teratur untuk
dibentuk menjadi suatu antena. Antena array merupakan susunan dari beberapa
antena identik. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara array adalah
pada bagian patch. Gambar antena array terlihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Antena Array 4 Elemen [12]
Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari
medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal. Untuk membentuk pola yang
memiliki keterarahan tertentu, diperlukan medan dari setiap elemen array
berinterferensi secara konstruktif pada arah yang diinginkan dan berinterferensi
secara dekstruktif pada arah yang lain. Terdapat 5 kontrol yang dapat digunakan
untuk membentuk pola antena, yaitu [2]:
a. Konfigurasi geometri (linear, melingkar, rectangular, spherical, dll)
b. Pemindahan relatif antara elemen
c. Amplitudo eksitasi dari setiap elemen
d. Fasa eksitasi dari setiap elemen
e. Pola relatif dari setiap elemen
Ada beberapa macam konfigurasi antena array, diantaranya : linear,
linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit,
sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendali
arah pola radiasi. Pada penelitian ini dirancang antena linear array.
Pada antena array terdapat Array Factor (AF) yang merupakan vektor
pengali dari medan elektrik dari elemen tunggal. Array factor inilah yang
menentukan bagaimana pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang
diradiasikan oleh antena tersebut.
2.6.1 Dua Elemen Array
Antena susun dimisalkan sebagai susunan dari dipole horizontal
yang sangat kecil, adapun medan total (Et) yang diradiasikan oleh kedua elemen
tersebut terlihat pada Persamaan (2.29) berikut [2]:
Et = E1 + E2 = ̂ �
� {
− [ −(�)]
+ − [ −(�)] } (2.29)
Dimana β adalah perbedaan eksitasi fasa diantara elemen, k = 2π/λ , r1 dan r2 adalah jarak observasi. Magnitudo eksitasi pada radiator adalah identik. Jika
ditinjau dari sudut pandang medan jauh, maka :
θ1 = θ1 = θ1 r1 = r – d/2 cos θ r2 = r + d/2 cos θ
r1 ≈ r2 ≈ r
Sehingga persamaan (2.29) menjadi [2] :
Et = ̂ � −
Dari persamaan (2.30) terlihat bahwa medan total dari array adalah sama
dengan medan dari elemen tunggal dikalikan dengan faktor yang disebut sebagai
faktor array (AF). Untuk 2 elemen array, nilai array factor adalah [2]:
AF = [ cos + � ] (2.31)
Dan dinormalisasi menjadi :
Dengan d adalah jarak pisah antar elemen. Sehingga untuk mencari sudut null ( n), yaitu pada saat medan listrik total Et = 0, nilai AF diset menjadi nol, terlihat pada Persamaan (2.33) berikut [2]:
[ + � ] = ⟹ + � = ± ( + ) �
⟹ = − �
� [−� ± + �] (2.33)
n = 0,1,2,….
2.7 Sistem Komunikasi Broadband 3,3 GHz – 3,4 GHz
Frekuensi merupakan sumber daya (resource) yang sangat penting pada
Telekomunikasi nirkabel. Oleh karena itu, penggunaan frekuensi perlu ditata agar
dapat bermanfaat secara lebih efisien dan optimal. Adapun perangkat yang bekerja
pada rentang frekuensi 3,3 GHz – 3,4 GHz adalah wimax.
2.7.1 Broadband Wireless Access (BWA)
Broadband wireless access adalah sistem komunikasi yang bekerja pada
3,3 GHz – 3,4 GHz serta memiliki kemampuan transmisi nirkabel pada pita lebar, kapabilitas multi-layanan diferensiasi perlakuan sesuai prioritas trafik, jalinan
QoS dan mekanisme keamanan. Adapun contoh aplikasi BWA adalah WIMAX.
Kemampuan layanan sistem BWA ini mendukung jenis layanan-layanan
sebagai berikut :
a. Layanan real time : layanan yang membutuhkan jaminan delay minimal
dan jaminan jaminan kesediaan alokasi sumber daya tertentu VoIP, audio,
dan video streaming.
b. Layanan non-real time : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay
minimal namun membutuhkan jaminan ketersediaan alokasi sumber daya
agar layanan dapat berjalan dengan baik (FTP dengan bandwidth yang
besar)
c. Layanan Best Effort : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay
minimal maupun jaminan ketersediaaan alokasi sumber daya agar layanan
2.8 Gelombang Permukaan (Surface Wave)
Gelombang permukaan dibangkitkan pada antena mikrostrip ketika substrat memiliki konstanta dielektrik sebesar εr > 1. Selain radiasi end-fire, gelombang permukaan juga meningkatkan kopling diantara beberapa susunan
elemen [9]. Gelombang permukaan dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Gelombang Permukaan [3]
Ketika patch peradiasi dari antena mikrostrip meradiasikan gelombang ke
udara, maka juga ada gelombang yang terjebak di dalam substrat.
Gelombang-gelombang ini membentuk Gelombang-gelombang permukaan. Gelombang permukaan ini masuk ke substrat pada sudut elevasi c (yang besarnya c = Arc sin (1√ )) [13] lalu timbul pada bidang pentanahan kemudian direfleksikan ke perbatasan
udara-dielektrik yang juga kemudian merefleksikan gelombang itu. Jalur yang ditempuh
oleh gelombang permukaan ini menyerupai bentuk zigzag, dan akhirnya mencapai
batas dari struktur mikrostrip sehingga gelombang tersebut direfleksikan dan
dibelokkan kembali oleh ujung dan menyebabkan meningkatnya radiasi end-fire.
Jika terdapat antena yang dekat dengan antena ini (seperti antena susun), maka
gelombang permukaan ini membentuk gandengan (coupling). Karena gelombang
permukaan menurun sebanding dengan /√ , maka gandengan (coupling) juga
menurun ketika titik eksitasi semakin jauh [13].
Gelombang permukaan dikatakan sangat merugikan bagi antena mikrostrip
karena dapat mereduksi efisiensi ga in, membatasi bandwidth, meningkatkan
meningkatkan mutual coupling pada antena array, serta menurunkan efisiensi
antena[2]. Adapun rumus efisiensi antena [2] seperti yang terlihat pada Persamaan
2.34 :
Psw = daya dari gelombang permukaan
2.9 Mutual Coupling
Mutua l coupling adalah suatu efek yang menyebabkan terjadinya penurunan
kualitas parameter antena karena adanya interferensi elektromagnetik dari dua
antena atau lebih yang jaraknya terlalu berdekatan. Sebagian dari energi datang
pada satu atau kedua elemen antena array yang dapat dihamburkan kembali pada
arah yang berbeda seperti suatu transmiter yang baru[2]. Efek mutual coupling
berpengaruh terhadap meningkatnya standing wave, dan koefisien refleksi yang
otomatis menganggu kinerja parameter antena seperti VSWR dan return loss [2].
Besaran nilai efek mutual coupling biasanya diukur dari nilai S12 yang
terjadi pada antena array. Adapun S parameter dapat dilihat dari Persamaan (2.35)
[2] matriks :
= | | (2.35)
dimana :
S11 = return loss dari port 1
S22 = return loss dari port 2
S21 = mutual coupling dari port 1 ke port 2
S12 = mutual coupling dari port 2 ke port 1
b = mewakili amplitude tegangan gelombang reverse (mundur)
Mutua l coupling ini dapat merubah besaran arus, fase dan distribusi pada
tiap elemen sehingga pola radiasi keseluruhan antena berbeda dibandingkan yang
tidak mengalami coupling. Besar kecilnya dampak mutual coupling terhadap
performansi antena susun tergantung pada:
a. jenis antena dan parameter desainnya seperti impedansi elemen dan
koefisien refleksi
b. letak posisi elemen-elemen pada antena susunnya
c. pencatu dari antena susun.
2.10Defected Ground Structure (DGS)
DGS merupakan bentuk pola tersketsa pada bidang ground. Struktur DGS
biasanya digunakan pada rangkaian filter dalam microstrip line yang akan
menolak suatu frekuensi tertentu atau bandgap. Gangguan ini dapat mengubah
karakteristik transmisi mikrostrip karena unit DGS dapat direpresentasikan
dengan rangkaian ekivalen kapasitansi dan induktansi (LC) [3]. Dimensi fisik dari
unit DGS dapat mempengaruhi parameter-parameter ekivalen sirkit. Rangkaian
ekivalen slot DGS dapat diartikan sebagai berikut : R diartikan sebagai efek dari
radiasi, L atau induktansi diartikan sebagai fluks magnetic yang melewati
groundpla ne, sedangkan kapasitansi atau C, dapat diartikan sebagai besarnya gap
kapasitansi [3]. Adapun rangkaian ekivalen R, L, dan C dapat dilihat pada Gambar
2.10.
Metode DGS bersifat Electromagnetic Bandgap (EBG), dimana EBG
yang diaplikasikan pada DGS untuk menekan radiasi cross-polarized dari patch
antena [14] dan menekan harmonisasi [15].
Pada teknik DGS segiempat ini, dilakukan dengan cara meng-etch bagian ground
yang akan memberi beban pada substrat secara periodik sehingga pancaran
gelombang permukaan membentuk rentang frekuensi terlarang di sekitar frekuensi
operasi antena [13]. Oleh karena itu gelombang permukaan tidak dapat
berpropagasi disepanjang substrat, sejumlah besar daya yang teradiasi saling
menggandeng ke udara begitu juga dengan gelombang permukaan lain seperti
mutua l coupling antara elemen array juga berkurang [13]. Pola yang di etching
juga akan menganggu distribusi arus dan merubah impedansi antena.
2.11Applied Wave Research (AWR) Microwave 2004
Microwa ve office merupakan solusi perangkat lunak yang paling
komprehensif dalam merancang berbagai jenis rangkaian microwave dan Radio
Frekuensi (RF). Microwave office terkenal karena memiliki user interface yang
intutitif. Keunikan dari arsitekturnya membuat perangakat ini dapat berintegrasi
dengan produk AWR yamg lain, perangkat-perangkat terbaru, perangkat lunak
dengan aplikasi khusus dari perusahaan mitra dengan tujuan untuk memudahkan
dan mempercepat dalam menyelesaikan rancangan-rancangan pada frekuensi
tinggi. Adapun kemampuan dan aplikasi dari Microwave Office adalah sebagai
berikut :
1. Perancangan schematic/layout.
2. Simulasi rangkaian linier dan non linier.
3. Analisa EM
4. Sintesis, optimasi, dan analisis hasil
5. DRC/L vs skematik
6. Process designskits (PDKs) digunakan oleh berbagai perancangan aplikasi
yaitu :
a. Microwa ve Integra ted Circuits (MIC).
c. Rakitan microwave terpadu.
Adapun tampilan dari AWR Microwave 2004 terlihat pada Gambar 2.11 berikut:
Gambar 2.11 Tampilan Dekstop Simulator AWR Microwave 2004
2.11.1 Proses Pencarian Solusi Simulator AWR Microwave Office
AWR Microwa ve Office dapat mensimulasikan struktur berupa 3D planar
yang berbahan metal dan lapisan dielektrik. Simulator ini menggunakan metode
Galerkin moments (MoM) dalam domain spectral, metode yang sangat akurat
untuk menganalisa mikrostrip, stripline, struktur coplanar serta media yang
lainnya.
Berdasarkan proses pemberhentiannya, simulasi dibedakan menjadi 2
jenis, yaitu : terminating simulation dan non terminating simulation. Pada
simulasi ini sistem pemberhentian simulasi menggunakan nonterminating
simula tion. Simulasi ini akan berhenti berdasarkan absolute error dan r elative
error. Simulasi akan berhenti apabila error telah berada dibawah absolute error
dan relative error yang telah ditetapkan. Adapun besar dari absolute error dan
rela tive error adalah masing-masing sebesar 1 − dan 1 − (default).
2.11.2 Spesifikasi Setting Parameter Simulasi Untuk Pengambilan Data
Dalam menggunakan simulator diperlukan beberapa setting parameter
yang bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi yang mendekati hasil dari
pengukuran secara langsung. Adapun setting simulator yang digunakan dalam
1. Rentang frekuensi simulasi adalah 3,3 – 3,4 GHz dengan frekuensi resonansinya 3.35 GHz. Adapun cara untuk settingan nilai frekuensi
dijelaskan pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Settingan nilai frekuensi pada simulator
Untuk mendapatkan tab seperti pada Gambar 2.12 dapat dilakukan dengan
cara memilih Option>Project Option atau bisa juga dengan cara memilih
langsung dari Project Option. Dari Gambar 2.12 dapat diketahui bahwa
frekuensi pada simulasi dimulai pada 3,2 GHz dan berakhir pada 3,5 GHz
dengan frekuensi tingkatan 0.015 GHz.
2. Menggunakan fitur Harmonic Balance yang merupakan salah satu fitur pada
AWR Microwa ve Office yang berfungsi untuk meningkatkan akurasi dari hasil
simulasi yang diinginkan. Untuk mendapatkan settingan Harmonic Balance
dapat dilakukan dengan memilih Option>Default Circuit Option. Adapun cara
untuk melakukan settingan pada Harmonic Balance dijelaskan pada Gambar
Gambar 2.13 Settingan pada Harmonic Balance
Dari Gambar 2.13 dapat diketahui bahwa nilai default yang digunakan pada
a bsolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1 − dan 1 − dengan jumlah maksimum dari iterasinya adalah sebesar 25.
3. Dalam simulator AWR Microwave Office 2004 terdapat 3 spesifikasi mesh
yang ditawarkan dalam perancangan, yaitu : low, normal dan high. Spesifikasi
tersebut akan mempengaruhi keakuratan hasil simulasi yang didapatkan.
Gambar 2.13 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan
spesifikasi low mesh.
Gambar 2.14 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Low Mesh
Pada Gambar 2.14 dapat diketahui bahwa sebuah model simulasi yang
menggunakan spesifikasi low dalam perancangan akan akan memiliki ukuran
jaring yang lebih besar dan akan memiliki nilai akurasi yang lebih rendah.
Gambar 2.15 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan
Gambar 2.15 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi Normal Mesh
Dari Gambar 2.15 dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan
spesifikasi normal memiliki ukuran jaring yang lebih kecil dibandingkan dengan
spesifikasi low. Sedangkan hasil yang diperoleh akan memiliki nilai keakuratan
yang lebih baik dibandingkan dengan spesifikasi low mesh. Gambar 2.16
menunjukkan suatu model simulasi yang menggunakan spesifikasi high. Dari
gambar dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi
high memiliki ukuran jaring yang paling kecil dibandingkan dengan spesifikasi
low dan normal.
Gambar 2.16 Contoh Model Simulasi dengan Spesifikasi High Mesh
Pada perancangan ini, mesh yang digunakan (dipilih) adalah yang bertipe
high. Hal ini dikarenakan hasil simulasi yang diperoleh dengan menggunakan
spesifikasi high memiliki tingkat keakuratan yang paling baik dibandingkan
BAB III
METODOLOGI PERANCANGAN
3.1 Umum
Pada umumnya perkembangan teknologi saat ini sudah berkembang pesat
sehingga kebutuhan akan antena juga semakin meningkat. Oleh karena itu,
pengembangan terhadap antena juga terus dilakukan dari segi bentuk dan ukuran.
Contohnya seperti antena mikrostrip yang juga terus berkembang. Pada skripsi ini
akan membahas antena mikrostrip patch segiempat 2 elemen yang dilengkapi
dengan teknik defected ground structure berbentuk segiempat. Adapun alasan
utama perancangan antena mikrostrip susun ini adalah untuk membandingkan
beberapa nilai parameter, seperti VSWR, return loss, gain, impedansi dan
ba ndwidth antena mikrostrip tanpa dan dengan DGS guna memperoleh antena
mikrostrip yang lebih baik untuk sistem komunikasi yang bekerja diantara rentang
frekuensi 3,3 GHz - 3,4 GHz dengan frekuensi tengah 3,35 GHz.
Untuk menghasilkan antena mikrostrip susun 2 elemen patch segiempat
yang baik, maka terlebih dahulu kita mereduksi gelombang permukaan yang
menjadi penyebab menurunnya efisiensi antena serta timbulnya efek mutual
coupling dengan cara menggunakan teknik DGS. Namun, untuk membuktikan
teknik DGS mampu mereduksi gelombang permukaan, dilakukan simulasi
terhadap beberapa parameter antena. Adapun ukuran-ukuran antena mikrostrip
pa tch segiempat 2 elemen tanpa DGS diperoleh dari sebuah rancangan yang telah
ada berdasarkan penelitian Achmad Yustandi [12]. Dengan karakteristik substrat
yang digunakan seperti yang diperlihatkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi Substrat
Jenis substrat FR-4 epoxy
Konstanta Dielektrik relative ( ) 4,4
Dielektrik Loss Tangent ( tan ) 0,002
Adapun perangkat lunak yang membantu dalam pengerjaan tugas akhir ini adalah:
a. Perangkat lunak AWR Microwave Office 2004, perangkat yang digunakan
untuk mensimulasikan parameter - paramaeter antena.
b. TXLine 2003, digunakan untuk menentukan dimensi dari saluran pencatu
antena mikrostrip.
Sebelum perancangan antena, maka ditentukan terlebih dahulu spesifikasi
antena yang diinginkan. Antena mikrostrip patch segiempat pada frekuensi 3,3
GHz – 3,4 GHz yang akan dirancang memiliki spesifikasi teknik sebagai berikut :
Frekuensi kerja : 3,3 GHz – 3,4 GHz
VSWR : ≤ 1,η
return loss : < -15 dB
Impedansi terminal : η0 Ω
Ga in : ≥ 5 dBi
3.2 Diagram Alir Perancangan Antena
Dalam perancangan antena diperlukan tahap-tahap untuk membantu dalam
proses perancangan tersebut. Adapun perancangannya seperti yang terlihat pada
Gambar 3.1.
3.3 Antena Mikrostrip 2 Elemen Tanpa DGS
Pada tugas akhir ini, akan digunakan perancangan antena mikrostrippatch
segiempat 2 elemen yang sudah dilakukan oleh Achmad Yustandi [12]. Dimensi
dari rancangan tersebut ditunjukkan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Dimensi Antena
Adapun geometri dari rancangan antena tersebut diperlihatkan pada
Gambar 3.2.
![Gambar 2.3 Polarisasi Melingkar [9]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/608646.72785/30.595.300.361.487.617/gambar-polarisasi-melingkar.webp)
