BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Antena
Antena merupakan salah satu dari beberapa komponen yang paling kritis dalam sistem komunikasi tanpa kabel atau wireless. Perancangan antena yang baik akan mempertinggi performansi dari keseluruhan sistem tersebut.
Gambar 2.1 Antena sebagai pengirim dan penerima gelombang elektromagnetik
2.2 Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro (sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena Mikrostrip dapat didefinisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil.
Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik [2]. Konsep antena mikrostrip diperkenalkan pada awal tahun 1950an di USA oleh Deschamps dan Perancis oleh Gutton dan Baissinot, dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah system telekomunikasi modern saat ini. Beberapa kemajuan pada area penelitian ini mulai menghasilan perkembangan antena praktis untuk pertama kalinya. Bentuk paling sederhana dalam peralatan mikrostrip adalah berupa sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel yang dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. Konduktor bagian atas adalah potongan metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas) yang merupakan fraksi kecil dari suatu panjang gelombang. Konduktor bagian bawah adalah bidang pentanahan yang secara teori bernilai tak hingga. Keduanya dipisahkan oleh sebuah substrat dielektrik yang non magnetik. Antena mikrostrip merupakan antena yang memiliki massa ringan, mudah untuk difabrikasi, dengan sifatnya yang konformal sehingga dapat ditempatkan pada hampir semua jenis permukaan dan ukurannya kecil dibandingkan dengan antena jenis lain, karena sifat yang dimilikinya, antena mikrostrip sangat sesuai dengan kebutuhan saat ini, sehingga dapat diintegrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran kecil [2].
peradiasi
substrat
pentanahan
Gambar 2.2 Struktur dasar antena mikrostrip
Elemen peradiasi (radiator) atau biasa disebut sebagai patch, berfungsi untuk meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Jenis logam yang biasanya digunakan adalah tembaga (copper) dengan konduktifitas 5,8 x 107 Siemens/meter. Berdasarkan bentuknya, patch memiliki jenis yang bermacam-macam diantaranya bujur sangkar (square), persegi panjang (rectangular), garis tipis (dipole), lingkaran, elips, segitiga, dll. Gambar 2.3 memperlihatkan beberapa jenis patch dari antena mikrostrip [4][5].
Gambar 2.3 Beberapa bentuk patch
Bentuk patch bujur sangkar, persegi panjang, garis tipis, dan lingkaran adalah yang paling umum digunakan karena mudah untuk dibuat dan dianalisa, dan memiliki karakteristik radiasi yang menarik, serta memiliki tingkat radiasi polarisasi silang yang kecil.
mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat.Terdapat berbagai jenis substrat yang dapat digunakan dalam perancangan antena mikrostrip, dan biasanya yang memiliki rentang konstanta dielektrik 2,2 ≤ ≤ 12 . Substrat yang paling baik digunakan untuk menghasilkan performa antena yang baik adalah substrat yang tebal dan memiliki konstanta dielektrik yang kecil, karena akan menghasilkan efisiensi yang baik, bandwidth yang besar.
Sedangkan elemen pentanahan (ground) berfungsi sebagai pembumian bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga.
2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan antena lainnya, seperti secara fisik antena mikrostrip lebih tipis, lebih kecil, dan lebih ringan, biaya pembuatan yang murah, dapat dilakukan polarisasi linear dan lingkaran dengan pencatuan yang sederhana, dan sebagainya. Tetapi, antena mikrostrip juga memiliki keterbatasan dibandingkan dengan antena lainnya, diantaranya memiliki bandwidth yang sempit, gain yang rendah, dan memiliki efek gelombang permukaan (surface wave).
Karena memiliki bentuk dan ukuran yang ringkas, antena mikrostrip sangat berpotensi untuk digunakan pada berbagai macam aplikasi yang membutuhkan spesifikasi antena yang berdimensi kecil, dapat mudah dibawa (portable) dan dapat diintegrasikan dengan rangkaian elektronik lainnya (seperti IC, rangkaian aktif, dan rangkaian pasif).
2.4 Metode Pencatuan
coupling, dan proximity coupling. Adapun beberapa teknik tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Beberapa teknik pencatuan antena mikrostrip
Pencatuan microstrip line adalah pencatuan secara langsung, menggunakan penghantar berupa garis yang biasanya memiliki lebar yang lebih kecil dari lebar patch. Pencatuan dengan teknik microstrip line mudah untuk dibuat, tidak sulit untuk dicocokkan impedansinya dengan mengatur posisi inset dan mudah untuk dimodelkan. Namun, seiring bertambahnya ketebalan substrat, gelombang permukaan dan radiasi spurious feed meningkat, yang mengakibatkan terbatasnya bandwidth (sekitar 2-5%).
bidang pertanahan (ground plane), juga sering digunakan. Pencatuan secara coaxial probe juga mudah dibuat dan dicocokkan impedansinya, selain itu juga memiliki radiasi spurious yang kecil. Namun pencatuan dengan teknik ini menghasilkan bandwidth yang sempit dan susah untuk dimodelkan.
Kedua teknik pencatuan diatas memiliki radiasi polarisasi silang yang besar, untuk mengatasi masalah tersebut, maka diperkenalkanlah teknik pencatuan aperture-coupled. Teknik pencatuan aperture-coupled adalah yang paling sulit untuk dibuat diantara keempatnya dan juga memiliki bandwidth yang sempit. Namun, pencatuan dengan teknik ini cukup mudah untuk dimodelkan, dan memiliki radiasi spurious yang sedang. Pencatuan ini terdiri dari dua buah substart yang dipisahkan oleh bidang pertanahan (ground plane). Pada bagian bawah substrat bawah terdapat microstrip feed line yang energinya dikopling pada patch melalui sebuah celah pada bagian tanah yang memisahkan kedua substrat tersebut. Pengaturan ini memungkinkan untuk mengoptimalisasikan secara bebas baik mekanisme pencatuan ataupun elemen peradiasi.
Dari keempat teknik pencatuan, teknik pencatuan dengan kopling proximity memiliki bandwidth yang paling lebar (sebesar 13%), mudah untuk dimodelkan dan memiliki radiasi spurious yang kecil. Namun, proses pembuatan dengan teknik ini lebih sulit.
2.5 Parameter Umum Antena Mikrostrip
Unjuk kerja (performance) dari suatu antena mikrostrip dapat diamati dari parameternya. Beberapa parameter utama dari sebuah antena mikrostrip akan dijelaskan sebagai berikut.
2.5.1 Bandwidth
Gambar 2.5. Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth [6]
Bandwidth dapat dicari dengan menggunakan rumus berikut ini :
2 1 100%
c
f f
BW f −
= ×
(2-1) dimana : f2 = frekuensi tertinggi
f1 = frekuensi terendah fc = frekuensi tengah
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya [6]:
a.Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing-masing adalah kurang dari -9,54 dB dan 2.
b.Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana beamwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari.
c.Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.
2.5.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [8]:
Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka [8]:
• Γ = − 1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran
Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah [8]:
Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti
tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun
kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR
yang dianggap masih baik adalah VSWR ≤ 2. Sedangkan pada penelitian ini, nilai
VSWR yang diharapkan adalah 1,5 untuk memenuhi spesifikasi teknis aplikasi
2.5.3 Return Loss
Return Loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan [9]. Return Loss digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0-) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0+). Return Loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [7].
bahwa nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan
dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah
dapat dianggap matching. Nilai parameter ini dapat menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah mampu bekerja pada frekuensi yang
diharapkan atau tidak.
2.5.4 Polarisasi
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh
antena [9]. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada
arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi
mempunyai polarisasi yang berbeda.
Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu
keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo
vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga
dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena
Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips). Polarisasi linier (Gambar 2.6) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi [5]:
a.hanya ada satu komponen, atau
b.komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau 1800 atau kelipatannya
Gambar 2.6 Polarisasi linier
Polarisasi melingkar (Gambar 2.7) 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. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai jenis polarisasi ini adalah :
a.Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier b.Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama
c.Kedua komponen tersebut harus memiliki perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil 900.
Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular Polarization (LHCP) dan Right Hand Circular Polarization (RHCP). LHCP terjadi ketika δ = +π/ 2, sebaliknya RHCP terjadi ketika δ = −π/ 2
Polarisasi elips (Gambar 2.8) terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mendapatkan polarisasi ini adalah :
a.medan harus mempunyai dua komponen linier ortogonal
b.Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau berbeda
c.Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama, perbedaan fasa waktu antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 00 atau kelipatan 1800 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa di antara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 900 (karena akan menjadi lingkaran).
Gambar 2.8 Polarisasi Elips
2.5.5 Keterarahan (Directivity)
Keterarahan dari sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah [9]. Intensitas radiasi rata-rata-rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Jika arah tidak ditentukan, arah
intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud. Keterarahan ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut ini :
0 4
rad
U U
D
U P
π
= =
Umax = intensitas radiasi maksimum
U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropik Prad = daya total radiasi
2.5.6 Penguatan (Gain)
Ada dua jenis parameter penguatan (Gain) yaitu absolute gain dan relative gain [9]. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropik sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4π. Absolute gain ini dapat dihitung
dengan rumus [8]: perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama di antara kedua antena itu. Akan tetapi, antena referensi merupakan sumber isotropik yang lossless (Pin(lossless)). Secara rumus dapat dihubungkan sebagai berikut [8]:
Gt (dB) = (Pt(dBm) – Ps(dBm)) + Gs(dB) (2-10) Dimana :
Gt = Gain antena mikrostrip
Pt = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena mikrostrip Ps = Nilai level sinyal maksimum yang diterima USB modem EV-DO Gs = Gain USB modem EV-DO
2.6 Antena Mikrostrip Persegi Panjang
Patch berbentuk persegi panjang merupakan bentuk yang paling umum digunakan dan mudah untuk dianalisa. Berikut adalah beberapa perhitungan yang digunakan untuk merancang antena mikrostrip berbentuk persegi panjang [5][6]: Menentukan lebar patch (W) : substrat. Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ∆L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (∆L) tersebut dirumuskan dengan [5][6]:
Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan : 2.7 Antena Mikrostrip Array
Umumnya antena mikrostrip dengan patch elemen tunggal memiliki pola radiasi yang sangat lebar, dan menghasilkan keterarahan dan perolehan (gain) yang kurang baik [5]. Sedangkan pada beberapa aplikasinya diperlukan antena dengan keterarahan yang baik dan perolehan (gain) yang tinggi. Untuk memenuhi kebutuhan karakteristik tersebut, maka antena mikrostrip disusun dengan beberapa konfigurasi. Susunan antena ini sering disebut sebagai antena susun (array).
Antena array adalah susunan dari beberapa antena yang identik. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara array adalah bagian patch. 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 destruktif pada arah yang lain. Pada antena array dengan elemen yang identik, terdapat lima parameter yang dapat digunakan untuk membentuk pola antena, yaitu [5]:
a.konfigurasi geometri (linier, 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
perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi.
(a) Linear (b). Circular (c). Planar 4 x 4
Gambar 2.9 Antena array
2.8 TEKNIK PENCATUAN APERTURE COUPLED
Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Terdapat berbagai konfigurasi teknik yang telah dikembangkan yang masing-masingnya tentu memiliki kelebihan dan kekurangan. Salah satu teknik yang populer, sederhana dan mudah dipabrikasi adalah teknik line feed, tetapi teknik ini menghasilkan bandwidth yang tidak lebar (biasanya 2-5%)[5]. Untuk kebutuhan mendapatkan bandwidth yang lebar, salah satu teknik yang dapat digunakan adalah dengan teknik pencatuan aperture coupled. Arsitektur teknik pencatuan ini ditunjukkan pada Gambar 2.10 [13].
Gambar 2.10 Teknik pencatuan aperture coupled
Teknik pencatuan jenis ini pertama sekali dibuat pada tahun 1985 yang bertujuan untuk meningkatkan bandwidth dari antena mikrostrip. Dengan pengoptimalan beberapa parameter termasuk dimensi slot aperture, maka dapat dicapai bandwidth mendekati 70 % [10]. Untuk menentukan dimensi slotaperture dari teknik pencatuan ini dapat digunakan Persamaan (2-16) dan (2-17) [1].
Panjang slot aperture (La):
La =(0,1 0, 2)− λ0 (2-16) Lebar slot aperture (Wa):
Wa = 0,10La (2-17)
2.9 T-JUNCTION 50 OHM
Gambar 2.11 T-junction 50 ohm
2.10 EVDO (Evolution Data Optimized)
EVDO merupakan suatu standar telekomunikasi untuk mentansmisikan data secara nirkabel dengan menggunakan sinyal radio, biasanya untuk akses internet broadband. EVDO menggunakan teknik multiplexing, termasuk didalamnya CDMA (Code Division Multiple Access) dan TDM (Time Division Mutiplexing) untuk meningkatkan throughput dari masing-masing pengguna dan throughput dari keseluruhan sistem.
Di Indonesia, teknologi EVDO bekerja pada dua frekuensi, yaitu 800 MHz dan 1900 MHz.
2.11 Kecepatan EVDO
Protokol EVDO menggunakan komunikasi asimetris, dimana bandwidth yang disediakan untuk download lebih besar dari bandwidth untuk upload. Pada EVDO revisi 0, kecepatan transmisi data yang disediakan untuk download adalah 2,4 Mbps dan unutk upload adalah 0,15 Mbps
2.12 Mekasnisme Kerja EVDO
CDMA (Coded Division Multiple Access) menggunakan metode matematis untuk dapat melewatkan multiple wireless devices untuk mengirim data secara bersamaan pada frekuensi yang sama. Setiap perangkat, seperti telepon seluler, ditandai dengan tanda unik matematis. Tanda unik tersebut diterapkan pada sinyal asli dan dikirim sebagai sinyal modified. Penerima juga menerapkan invers tanda matematika dari sinyal kirim untuk mendapatkan sinyal asli. Jaringan nirkabel dulunya memanfaatkan sebuah penghalang antara pengirim dan penerima, seperti kebanyakan telepon tradisional. EVDO, sebagai penggantinya mengadopsi pendekatan yang sama untuk untuk internet. IP, Internet Protocol, memecah data pada pada pecahan kecil yang kemudian disebut paket. Tiap paket dikirim secara independen terhadap Paket yang lain. Tentu hal ini akan mengirit bandwidth yang memungkinkan dipakai oleh perangkat lain; ketika tak ada percakapan telepon pastinya juga tidak ada paket yang lewat karena tidak ada paket yang dikirim. atau ketika sebuah website diakses, tidak akan ada bandwidth yang dipakai sampai site tersebut mulai mengirim web pages.
Berdasarkan standard yang digunakan pada sistem EVDO, modulasi ditentukan oleh besar ukuran data physical bit dalam satu frame yaitu: 1024, 2048, 3072 dan 4096 bit, modulasi yang digunakan dalam sistem EVDO yaitu QPSK, 8-PSK, 16-QAM dengan code rate 1/3.
2.13 Keunggulan dan Kelemahan EVDO
Sebagai 3G-nya jaringan CDMA, teknologi EVDO memiliki beragam keunggulan yang bisa menjadi keuntungan bagi penggunanya. Berikut ini dapat dipaparkan beberapa keunggulan teknologi EVDO :
- Memiliki kecepatan akses data yang tinggi - Biaya upgrade murah
- Adanya Quality of Service (QoS) - Backward Compability
- Fleksibel
- Meningkatkan kinerja VoIP
Adapun kelemahan dari teknologi EVDO, yaitu : - Jangkauan masih terbatas.
- Tidak dapat melakukan panggilan, dan
![Gambar 2.5. Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth [6]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3794985.1828515/7.595.232.392.86.192/gambar-rentang-frekuensi-menjadi-bandwidth.webp)
