4
LANDASAN TEORI
Pada bagian ini menerangkan mengenai tinjauan pustaka atau teori dasar mengenai antena dan gambaran umum tentang jaringan wireless. Dalam bab ini penulis menjelaskan mengenai antena mikrostrip secara umum dan parameter antena.
2.1. Pengertian Antena
Antena adalah elemen penting yang ada pada setiap sistem telekomunikasi tanpa kabel (nirkabel/wireless). Antena berisikan struktur transisi antara jalur transmisi dan ruang kosong, dalam kata lain antena itu bertindak sebagai media perantara penyambung antara gelombang frekuensi radio dari suatu jalur ke dalam ruang bebas (udara). Selain itu antena juga bisa sebagai penerima yang merupakan media yang menangkap gelombang elektromagnetik dan menerjemahkan data yang ada pada gelombang radio menjadi gelombang listrik.
Banyak aplikasi-aplikasi yang menggunakan antena antara lain untuk
penyiaran radio dan televisi, telepon seluler, sistem radar dan banyak lagi
untuk aplikasi-aplikasi lainnya. Tipe-tipe antena yang disebutkan tadi
memiliki fitur yang unik sendiri-sendiri seperti impendasi, pola radiasi
gelombangnya, lebar pancaran gelombang serta polarisasi.
Pemilihan antena yang tepat, perancangan yang baik dan pemasangan yang benar akan menjamin kinerja (performasi) sistem tersebut.
2.2. Sejarah Antena
Sejarah antena kembali pada konsep yang dikembangkan oleh James Clerk Maxwell, yang menyatukan teori listrik dan magnet menjadi teori elektromagnetika yang dirangkumnya di dalam sebuah sistim persamaan yang kemudian dikenal dengan nama persamaan-persamaan Maxwell. Dengan persamaan yang diturunkan di tahun 1863 ini ia meramalkan adanya medan listrik dan magnet yang merambat di ruang bebas tanpa adanya kabel. Medan listrik dan magnet yang berubah dengan waktu ini dan juga merambat di udara, disebut juga gelombang elektromagnetik. Dengan bantuan persamaan ini juga Maxwell memprediksikan bahwa pada dasarnya cahaya juga merupakan gelombang elektromagnetika dan gelombang elektromagnetika merambat dengan kecepatan cahaya.
Sembilan tahun setelah kematian Maxwell, di tahun 1888 Hertz melakukan verifikasi terhadap prediksi Maxwell secara eksperimen. Dia membangun dua buah alat berbentuk permukaan silinder yang terpisah sekitar 1 meter (alat ini kemudian dikenal dengan nama antena reflektor silinder di gambar 2.1).
Dengan alat ini dia bisa membuktikan adanya induksi sinyal pada antena yang
satu akibat sumber yang dipasangkan pada antena yang lainnya. Peristiwa ini
merupakan momen kelahiran dari telekomunikasi tanpa kabel modern yang
gunanya bisa kita rasakan sekali dewasa ini. Atas dasar eksperimen ini Hertz
dikenal dengan nama Mr. Antenna.
Setahun setelah kematian Hertz, di 1895 Marconi berhasil merealisasikan telekomunikasi jarak jauh, dari Inggris ke benua Amerika, dengan menggunakan gelombang elektromagnetika. Antena yang dipergunakan adalah 50 buah antena pemancar yang vertikal, yang dilibatkan dengan bantuan kawat secara horizontal dengan 2 tonggak kayu yang berjarak 60 meter (gambar 2.2). Sebagai antena penerima dipergunakan sebuah kawat vertikal dengan panjang 200 m yang mengambang di udara dengan bantuan sebuah layang-layang.
Sejak saat itu perkembangan antena makin cepat, dan berkembang pula jenis- jenis antena sesuai dengan tuntutan padanya di setiap bidang aplikasi.
Gambar 2.1 Antena Reflektor Silinder yang Bekerja pada
Frekuensi 455 MHz
Gambar 2.2 Antena Vertikal yang Dipergunakan Marconi
pada Frekuensi 70 kHz
2.3. Jenis Antena
Ada beberapa jenis antena yang dibedakan menurut sifat pancarannya : 2.3.1. Antena Isotropis
Merupakan antena teoritis sebagai referensi yang memancarkan radiasinya ke segala arah dengan pola radiasi berbentuk bola.
2.3.2. Antena Dipol dan Monopol
Antena ini memiliki ukuran sebading dengan bagian panjang gelombangnya. Contohnya dipol λ/2, monopol λ/4. Pola radiasi berbentuk omnidireksional
.
2.3.3. Antena Directive
Merupakan antena yang memancarkan pola radiasinya lebih fokus mengarah ke suatu arah tertentu, contoh : antena horn, antena yagi dan antena parabola.
2.4. Konsep Dasar Antena
Untuk mengetahui bagaimana sebuah antena dapat bekerja, minimal kita harus tahu bagaimana konsep propagasi sebuah sinyal (gelombang elektromagnetik) ditransmisikan lewat media transmisi udara. Di bawah ini merupakan gambar dari sebuah proses sinyal propagasi.
Gambar 2.3 Model Proses Propagasi Sinyal Antena Pengirim dan Penerima
Dimana :
Transmitter : Antena Pemancar
P
t: Daya Pancar Antena Pemancar
G
t: Gain (Penguatan) Antena Pemancar
D : Jarak Antara Antena Pemancar dan
Penerima
P
r: Daya Terima Antena Penerima G
r: Gain (Penguatan) Antena Penerima Receiver : Antena Penerima
Pada gambar 2.1 di atas dapat dijelaskan bahwa antena pengirim berfungsi sebagai sumber informasi dimana antena pengirim tersebut sebagai pengubah elektromagnetis (transduser) gelombang tertuntun (gelombang pada saluran transmisi kabel) menjadi gelombang yang merambat ke udara dengan besar daya pancar sebesar (P
t) dan gain (penguatan) sebesar (G
t). Proses selanjutnya sinyal yang dipancarkan dari sebuah antena pengirim yang merambat di udara diterima antena penerima dengan jarak (d), dalam hal ini antena penerima mengolah sinyal dari antena pengirim menjadi gelombang tertuntun dan menguatkan sinyal tersebut setelah mengalami pelemahan daya pancar yang melewati media transmisi udara sebesar (G
r) dan hasilnya daya pancar yang diterima oleh antena sebesar (P
r). Jika nanti amati proses bagaimana gelombang frekuensi (radio) dipancarkan oleh antena pengirim melalui sebuah media transmisi yaitu udara dengan jarak tertentu dan antena penerima sehingga sebuah informasi dapat dikirimkan.
2.5. Antena Mikrostrip
Kebutuhan akan antena semakin hari semakin berkembang sehingga
menyebabkan teknologi perancangan juga semakin meningkat, antena yang
dibutuhkan semakin lama harus memiliki performa yang tinggi. Antena
mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang dapat memenuhi kebutuhan ini.
Antena mikrostrip hanyalah suatu konduktor metal yang menempel di atas
ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Ide atau konsep
antena mikrostrip ini diusulkan pertama kali oleh Deschamps pada awal tahun
1950 dan baru dibuat sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell. Teknologi
antena mikrostrip sampai sekarang masih merupakan salah satu topik yang
menarik di dalam berbagai aplikasi gelombang mikro, baik di bidang
akademis maupun industri. Antena mikrostrip merupakan antena yang
memiliki massa ringan, mudah dipabrikasi, dengan sifatnya yang konformal
sehingga dapat ditempatkan pada hampir semua jenis permukaan dan
ukurannya yang 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. Disamping itu antena mikrostrip juga mempunyai kelemahan
mendasar, yaitu bandwidth yang sempit, keterbatasan gain dan directivity
yang rendah. Namun banyak penelitian dilakukan untuk mengatasi hal
tersebut.Secara garis besar struktur antena mikrostrip terdiri dari tiga bagian,
yaitu elemen pe-radiasi atau patch antena, saluran transmisi dan bidang
pertanahan atau ground plane.
Gambar 2.4 Geometri Antena Mikrostrip
Keterangan :
h : Ketebalan Substrat w : Panjang Patch L : Lebar Patch
Untuk bentuk patch-nya pada dasarnya dapat bermacam-macam. Pada h yang merupakan tinggi substrate dari ground plane, pada W menunjukan panjang patch dan L menunjukan lebar patch, pada jarak W dan L ini bila mengalami perubahan akan mempengaruhi lebar bandwidth yang dihasilkan atau yang akan dipancarkan.
Selain itu pada dielektrik substrat terdapat juga terdapat parameter loss
tangent (tan δ) yang merupakan rugi-rugi dielektrik dan ε
ryang merupakan
konstanta dielektrik substrat, yang bersama ketebalan substrat (h) merupakan
parameter-paremeter yang sangat penting pada saat perancangan antena.
Pada prakteknya, bentuk segiempat (rectangular), segitiga (triangular) dan cincin (annular ring) merupakan bentuk yang umum digunakan. Pencatuan (feed) dapat berupa pencatuan koaksial (coaxial feed) atau pencatuan saluran mikrostrip tunggal (stripline feed) dan pencatuan saluran mikrostrip dua bagian (proximity coupling) yang mengarahkan energi elektromagnetik dari sumber ke daerah di bawah patch.
Antena mikrostrip mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan antena microwave convensional yaitu :
Berat yang ringan, volume yang kecil dan konfigurasi yang tipis
Biaya pabrikasi yang murah, sangat cocok diproduksi secara besar
Polarisasi linier dan circular adalah yang mungkin dengan feed sederhana
Dapat dengan mudah digabungkan dengan Microwave Integrated Circuits
Feed line dan Matching Network dapat difabrikasi bersama struktur antena
Sedangkan kekurangan antena mikrostrip yaitu :
Bandwidth yang sempit
Gain yang rendah
Kemampuan pengaturan daya yang rendah
2.6. Bentuk Antena Fractal Mikrostrip
Diantara berbagai bentuk dimensi dari antena mikrostrip, dapat berupa segiempat (rectangular), lingkaran (circular), segitiga (triangular) dan cincin (annular ring) telah banyak diteliti secara mendalam. Dan dimensi antena yang simple dan umum digunakan adalah bentuk rectangular yang menjadi bahan subjek penelitian. Bentuk geometri rectangular tersebut akan dimodifikasi dengan bentuk fractal menggunakan metode Sierpinski Carpet sehingga bentuk geometri antena tersebut seperti gambar di bawah ini.
Gambar 2.5 Bentuk Patch Antena Fractal Mikrostrip (1) Iterasi 0 (2) Iterasi 1 (3) Iterasi 2
2.7. Parameter antena mikrostrip
Dalam merancang sebuah antena, parameter antena merupakan hal yang
sangat penting yang perlu diperhatikan. Bahwa performasi dari suatu antena
dapat dilihat dari parameternya. Ada beberapa antena mikrostrip yang
biasanya digunakan dalam simulasi maupun pengukuran untuk mengetahui
spesifikasi standar dari antena yang dirancang.
2.7.1. Frekuensi Resonansi
Frekuensi resonansi merupakan frekuensi kerja dari suatu antena. Rentang frekuensi kerja dari suatu antena dapat dilihat dari grafik VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dan grafik return loss.
2.7.2. Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dan impendasi masukan beban (antena), sehingga tidak semua daya diradiasikan melainkan ada yang dipantulkan kembali. Perbadingan gelombang yang dipantulkan dengan gelombang yang dikirimkan biasa disebut dengan koofisien refleksi tegangan ( Г ) dan dapat dicari dengan persamaan berikut :
Γ= 𝑉
0−𝑉
0+= 𝑍
𝐿−𝑍
0𝑍
𝐿+ 𝑍
02.1
Dimana :
Г : koofisien refleksi tegangan
𝑉
0−: tegangan yang dipantulkan (Volt)
𝑉
0+: tegangan yang dikirimkan (Volt)
𝑍
𝐿: impendasi beban atau load (Ohm)
𝑍
0: impendasi saluran lossless (Ohm)
Harga koofisien refleksi ini dapat bervariasi antara 0 sampai 1, 0 yang berarti tanpa pantulan dan 1 yang berarti sinyal yang datang ke beban seluruhnya dipantulkan kembali ke sumber semula. Nilai dari return loss dapat dicari dengan cara memasukkan koofisien refleksi tegangan ke dalam persamaan berikut :
𝑅𝑒𝑡 𝑢𝑟 𝑛 𝐿𝑜𝑠 𝑠= 20 log Γ [2.2]
Nilai return loss yang baik adalah di bawah -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 dalam keadaan matching dan dengan demikian frekuensi kerja yang baik adalah ketika return loss-nya bernilai lebih kecil sama dengan -9,54 dB.
2.7.3. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|
max) dengan amplitudo gelombang berdiri (standing wave) minimum (|V|
min).Rumus yang digunakan untuk mencari nilai VSWR adalah :
𝑉𝑆𝑊𝑅= 𝑉
𝑚𝑎𝑥𝑉
𝑚𝑖𝑛= 1 + Γ
1 − Γ [2.3]
Hubungan antara VSWR dengan return loss adalah :
𝑅𝑒𝑡 𝑢𝑟 𝑛 𝐿𝑜𝑠 𝑠= 20 log VSWR−1
VSWR+ 1 [2.4]
Kondisi yang paling baik adalah ketika nilai VSWR sama dengan 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun pada prakteknya kondisi ini sulit didapatkan , oleh karena itu nilai standar VSWR yang dizinkan untuk simulasi dan pabrikasi antena mikrostrip adalah VSWR≤2.
2.7.4. Impendasi Masukan
Impendasi masukan adalah perbandingan antara tegangan dan arus.
Impendasi masukan suatu antena dapat dilihat sebagai impendasi antena tersebt pada terminalnya. Impendasi masukan (Z
in) terdiri bagian real (R
in) dan imajiner (X
in) dan dapat ditulis sebagai berikut:
𝑍
𝑖𝑛= 𝑅
𝑖𝑛+ 𝑗 𝑋
𝑖𝑛[2.6]
Dari persamaan tersebut di atas, komponen yang diharapkan adalah daya real (R
in) yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui panas atau radiasi. Komponen imajiner (X
in) mewakili reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan pada medan dekat antena.
2.7.5. Bandwidth
Bandwidth merupakan besar rentang frekuensi kerja dari suatu antena.
Nilai bandwidth dapat diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan
frekuensi atas dari suatu antena sudah diketahui. Pada rentang frekuensi
kerja tersebut antena dituntut harus dapat bekerja dengan efektif agar dapat
menerima atau memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu.
Pengertian harus dapat bekerja dengan efektif adalah bahwa distribusi arus dan impendasi dari antena pada range frekuensi tertentu benar-benar belum banyak mengalami perubahan yag berarti. Sehingga pola radiasi yang sudah direncanakan serta VSWR yang dihasilkannya masih belum keluar batas yang dizinkan.
Berikut ini merupakan rumus yang digunakan untuk mencari nilai bandwidth:
𝐵𝑊 = 𝑓
2−𝑓
1𝑓
𝑐× 100% [2.7]
Dimana :
𝑓
2: frekuensi atas (Hz) 𝑓
1: frekuensi bawah (Hz) 𝑓
𝑐: frekuensi tengah (Hz)
Pada antena mikrostrip ada beberapa jenis bandwidth yang biasanya digunakan dalam perancangan atau pengukuran yaitu:
Impendance bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana patch
antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal
ini terjadi karena impendasi dari elemen antena bervariasi nilainya
tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari
nilai return loss dan VSWR.
Patern Bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana beamwidth, sidelobe atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu.
Polarization atau axial ratio bandwidth, adalah rentang frekuensi dimana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah lebih kecil dari 3 dB.
2.7.6. Gain
Gain adalah perbandingan antara intensitas radiasi suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropic yang menggunakan sumber daya masukan yang sama, gain biasanya disebut penguatan dan berhubungan dengan directivity dan efisiensi antena.
𝐺= 𝐷.𝜂 [2.8]
Dimana :
𝐺 : Gain 𝐷 : Directivity
𝜂 : efisiensi antenna
Ada dua jenis parameter gain, yaitu absolute gain dan relative gain.
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 isotropic.
Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya antena (P
in) dibagi dengan 4π.
Absolute gain dapat dirumuskan :
𝐺= 𝐼 𝑛𝑡 𝑒𝑛𝑠 𝑖 𝑡 𝑎𝑠 𝑟 𝑎𝑑𝑖 𝑎𝑠 𝑖 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑟 𝑎 𝑡 𝑒𝑟 𝑡 𝑒𝑛𝑡 𝑢 𝐼 𝑛𝑡 𝑒𝑛𝑠 𝑖 𝑡 𝑎𝑠 𝑟 𝑎𝑑𝑖 𝑎𝑠 𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖 𝑡 𝑒𝑟 𝑖 𝑚𝑎
= 4𝜋 𝑈 𝜃,∅
𝑃
𝑖𝑛[2.9]
Relative gain didefinisikan sebagai perbadingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi dan pada arah yang direferensikan juga. Antena referensi merupakan sumber isotropic yang lossless (P
in(lossless)), yang dirumuskan sebagai berikut :
𝐺= 4𝜋𝑈 𝜃,∅
𝑃
𝑖𝑛𝑙 𝑜𝑠 𝑠 𝑙 𝑒𝑠 𝑠 [2.10]
2.7.7. Directivity (Keterarahan)
Directivity didefinisikan sebagai perbandingan 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 sebagai berikut:
𝐷= 𝑈
𝑈
0= 4𝜋𝑈
𝑚𝑎𝑥𝑃
𝑟𝑎𝑑[2.11]
Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang dapat dicari dengan rumus:
𝐷
𝑚𝑎𝑥= 𝐷
0= 𝑈
𝑚𝑎𝑥𝑈
0= 4𝜋𝑈
𝑚𝑎𝑥𝑃
𝑟𝑎𝑑[2.12]
Dimana :
𝐷 : Keterarahan
𝐷
0: keterarahan maksimum 𝑈 : intensitas radiasi
𝑈
𝑚𝑎𝑥: intensitas radiasi maksimum
𝑈
0: intensitas radiasi pada sumber isotropic 𝑃
𝑟𝑎𝑑: daya total radiasi
2.7.8. Pola Radiasi
Pola radiasi didefinisikan sebagai fungsi matematis atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang. Sifat radiasi tersebut meliputi flux, intensitas radiasi, kuat medan atau polarisasi. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukan sebuah fungsi koordinat direksional.
2.7.9. Polarisasi
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan
oleh antena. Jika arah tidak ditentukan, maka polarisasi merupakan
polarisasi arah gain maksimum. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang electromagnet yang menggambarkan arah dan magnitude vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu polarisasi dapat juga didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu.
Polarisasi yang terdapat pada antena mikrostrip dapat diklasifikasikan sebagai polarisasi linier (linier), polarisasi circular (melingkar) dan polarisasi elliptical (elips). Polarisasi linier (linier) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik atau magnet pada titik tersebut selalu ber- orientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. Polarisasi circular (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 elliptical (elips) terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang
2.7.10. Saluran Pencatu
Saluran pencatu pada antena mikrostrip dapat dibagi menjadi 2, yaitu
pencatu secara langsung (direct coupling) dan pencatu secara tidak
langsung (electromagnetic coupling).
2.7.10.1. Pencatuan secara langsung (direct coupling)
Pencatu secara langsung merupakan pencatu yang pertama kali digunakan sebagai pencatu pada antena mikrostrip. Keuntungan dari pencatu ini adalah sangat sederhana dalam teknik pencatuannya, dimana patch antena dan konektor dihubungkan secara langsung dengan menggunakan penyolderan pada bidang petanahannya (ground), namun ada kelemahan dari teknik pencatuan ini adalah bandwidth yang dihasilkan sangat sempit.
2.7.10.2. Pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling)
Dengan pencatuan ini tidak ada kontak langsung antara saluran transmisi dengan elemen peradiasinya.
2.7.11. Impendasi Matching
Perancangan antena tidak terlepas dari penyesuaian impendasi
(impendance matching). Suatu jalur transmisi dikatakan matched apabila
karakteristik impendasi 𝑍
0= 𝑍
𝐿atau dengan kata lain tidak ada refleksi
yang terjadi pada ujung saluran beban. 𝑍
0merupakan karakteristik
impendasi suatu saluran transmisi dan biasanya bernilai 50 Ω. 𝑍
𝐿merupakan impendasi beban, beban dapat berupa antena atau rangkaian
lain yang mempunyai impendasi ekuivalen 𝑍
𝐿. Karena kegunaan utama
saluran transmisi adalah untuk mentransfer daya secara sempurna, maka beban yang matched sangat diperlukan.
Metode pencatuan secara langsung sulit untuk mencapai kondisi matching, oleh karena itu dibutuhkan suatu cara untuk mendapatkan kondisi yang matching, yaitu denagn menambahkan transformator 𝜆4 , pemberian single stub dan double stub.
Gambar 2.6 Transformator 𝜆4
Transformator 𝜆4 adalah suatu teknik impendance matching dengan cara memberikan saluran transmisi dengan impendasi 𝑍
𝑇diantara dua saluran transmisi yang tidak match. Panjang saluran transmisi transformator 𝜆4 ini adalah sebesar 𝑙=
14
