BAB II
LANDASAN TEORI
2. 1 Umum
Antena adalah perangkat yang berfungsi untuk memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Sistem Telekomunikasi Radio terdiri dari perangkat transmitter dan receiver. Transmitter berfungsi membangkitkan sinyal Radio Frekuensi (RF ).
Setelah sinyal RF dibangkitkan selanjutnya diradiasikan melalui ruang bebas menuju receiver. Perangkat yang melakukan proses radiasi ini disebut Antena.
Energi RF dikirimkan melalui media udara dalam bentuk medan elektromagnetik. Medan elektromagnetik tersebut menuju antena penerima, dan selanjutnya menginduksikan tegangan pada antena ( berupa konduktor ) penerima.
Induksi tersebut diteruskan ke receiver dan dikembalikan ke dalam bentuk informasi. Dengan kata lain antena dapat didefinisikan sebagai suatu alat yang merubah sinyal gelombang tertuntun menjadi gelombang ruang bebas dan sebaliknya merubah sinyal gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun yang berfungsi sebagai pelepas gelombang elektromagnetik ke udara atau ruang bebas ( pada sisi pemancar ) dan berfungsi sebagai penerima gelombang elektromagnetik ( pada sisi penerima ).
Gambar 2.1 Diagram Dasar Antena Gelombang
Ruang Bebas
Gelombang Tertuntun
Waveguide Waveguide
Gelombang Tertuntun
Antena Pemancar Antena Penerima
2.2 Karakteristik Antena
Karakteristik dari sebuah antena merupakan bagian – bagian dari parameter antena yang mendefinisikan kinerja dari suatu antena. Karakteristik antena tersebut adalah :
1. Pola radiasi antena 2. Polarisasi antena 3. Gain Antena 4. Directivitas antena 5. Bandwidth antena
6. Voltage Standing Wave Ratio ( VSWR )
2.2.1 Pola Radiasi Antena
Pola radiasi ( radiation pattern ) merupakan salah satu parameter penting dari suatu antena. Parameter ini sering dijumpai dalam spesifikasi suatu antena, sehingga pembaca dapat membayangkan gambaran kekuatan pancaran atau penerimaan sinyal suatu antena dalam fungsi sudut. Radiasi dari suatu antena akan membentuk pola tertentu yang disebut pola radiasi. Pola radiasi dapat didefinisikan sebagai gambaran kekuatan pancaran / penerimaan sinyal suatu antena dalam fungsi sudut.
2.2.1.1 Pola Radiasi Omnidirectional
Pola radiasi omnidirectional adalah pola radiasi yang sama ke segala arah.
Bentuk pola radiasi omnidirectional memungkinkan pengguna menangkap sinyal di setiap penjuru antena pemancar sebagaimana antena yang digunakan pada broadcast ( siaran radio ) , atau pada telepon genggam. Kekurangan dari bentuk pola radiasi omnidirectional mempunyai jarak pancaran yang pendek sehingga daerah cakupannya kecil ( coverage area ).
Gambar 2. 2 Polaradiasi Omnidirectional
2.2.1.2 Pola Radiasi Unidirectional
Pola radiasi unidirectional yaitu pola radiasi antena yang pancaran dan penerimanya hanya satu tempat atau satu arah. Contoh antena yang mempunyai polaradiasi yang mempunyai satu arah adalah antena ( antena yang biasa di gunakan pada pesawat televisi ), antena array, antena helix. Dengan bentuk polaradiasi seperti ini, pancaran antena mampu mempunyai jarak yang lebih jauh dibandingkan dengan antena berpolaradiasi omnidirectional apabila diasumsikan daya pancar kedua antena sama.Tetapi pola radiasi ini hanya bisa melingkupi suatu daerah pada arah tertentu . Antena dengan pola radiasi unidirectional sering digunakan untuk komunikasi point to point.
Gambar 2.3 Polaradiasi Unidirectional
Pada praktek pemilihan pola radiasi disesuaikan dengan kebutuhan.
misalkan pada suatu wilayah dengan daerah berpenduduk dengan posisi memanjang, maka akan lebih tepat digunakan antena dengan pola radiasi dua arah dengan penempatan antena berada pada titik tengah wilayah tersebut. Contoh lain untuk pemancar wireles LAN yang diharapkan user dapat menerima sinyal di segala arah maka lebih tepat digunakan antena dengan pola omnidirectional. Jika penerima berada pada posisi yang tetap maka lebih tepat digunakan antena unidirectional seperti antena TV yang hanya perlu diarahkan pada stasiun relay.
Jangkauan atau coverage area dari satu antena ditentukan oleh daya pancar yang diberikan pada antena tersebut. Semakin besar daya yang diberikan maka jangkauan antena akan semakin jauh/luas. Contoh sebuah antena yang diberi daya pemancar 10 W akan mempunyai jangkauan yang lebih jauh/luas jika antena yang sama diberi daya sebesar 1 W.
Pengukuran pola radiasi antena dapat dilakukan dengan mengukur level terima dari satu antena dengan sudut antena pemancar bervariasi dari 0 sampai dengan 359º (jika pola yang akan diukur adalah antena pemancar ) dan mengambarkan setiap level pada fungsi sudut. Jika yang ingin diketahui adalah bentuk pancaran antena penerima maka antena penerima diputer dari 0 sampai 359º dan mengukur level terima untuk setiap sudut.
2.2.2 Polarisasi Antena
Polarisasi antena merupakan polarisasi gelombang yang diradiasikan oleh antena pada arah yang diberikan. Elemen aktif (Elemen yang tersambung pada feeder/saluran transmisi) antena pengirim harus berada pada posisi yang sama terhadap permukaan bumi. Polarisasi antena dibedakan atas tiga jenis yaitu :
2.2.2.1 Polarisasi Horisontal
Polarisasi horisontal dihasilkan jika element antena sejajar (pararel) dengan permukaan bumi. Antena dengan polarisasi horisontal mempunyai kemampuan yang lebih dibandingkan dengan antena perpolarisasi vertikal. Untuk
lintasan yang jauh, lebih efektif menghadapi noise lokal, karena noise elektrik umumya mempunyai polarisasi vertikal
Untuk lintasan yang jauh, lebih efektif dalam menghadapi noise lokal, karena noise elektrik umumnya mempunyai polarisasi vertikal.
2.2.2.2 Polarisasi Vertikal
Polarisasi vertikal dihasilkan jika antena diposisikan tegak lurus dengan permukaan bumi. Banyak digunakanuntuk komunikasi lokal atau jarak pendek dengan cakupan yang universal ( sama ke segala arah ).
Gambar 2.4 Polarisasi linier ( a. Vertikal dan b. Horizontal )
2.2.2.3 Polarisasi Melingkar ( Circular Polarization )
Jika kedua kutub dipole dibuat melingkar maka akan dihasilkan polarisasi gelombang melingkar. Antena dengan polarisasi melingkar akan dapat diterima secara maksimun jika antena penerima juga mempunyai polarisasi melingkar.
Tetapi antena dengan polarisasi melingkar tetap dapat menerima sinyal yang dikirimkan dengan antena polarisasi vertikal maupun horisontal. Tetapi terdapat kerugian sebesar 3dB bila dibandingkan penerimaan dengan antena dengan polarisasi melingkar. Contoh antena dengan polarisasi melingkar adalah antena spiral atau antena helix.
2.2.3 Gain Antena
Pada rangkaian elektronik, gain merupakan perbanding antara daya output dan daya input. Sedangkan Gain Antena adalah perbandingan daya pancar suatu antena ( P1(watt) ) terhadap daya pancar antena referensi ( P2(watt) ), atau pertambahan daya yang diradiasikan pada arah tertentu dari suatu antena dibandingkan dengan daya yang diradiasikan pada arah yang sama oleh suatu antena referensi.
Gambar 2.5 Pengukuran gain dengan Perbandingan Untuk mencari gain, digunakan rumus :
G = P1 / P2 ( Kali ) ……… (2.1) Gain antena juga dapat dihitung dengan persamaan :
G =10 log ( P1 / P2 ) ( dB )………. ( 2.2 )
Atau gain juga bisa ditentukan dengan persamaan :
G (dB) = P1 ( dBw ) – P2( dBw )…... ( 2.3 ) Apabila level terima diterima dalam level tegangan maka gain dapat dihitung dengan persamaan :
G = ( Vt / Vs )2 (kali ) ... ( 2.4 )
Dimana :
G = Gain Antena ( dB)
P1= Daya terima antena yang ditest (dBw) P2 = Daya terima antena referensi ( dBw ) Vs =Tegangan terima antena referensi ( dBv) Vt = Tegangan terima antena yang ditest (dBv)
2.2.4 Direktivitas Antena
Direktivitas adalah Kemampuan antena untuk memfokuskan energi ke arah tertentu dibandingkan dengan arah lain, pada saat memancarkan atau menerima sinyal. Dengan kemampuan itu,energi yang dipancarkan atau diterima dari arah tertentu akan lebih besar dari pada arah lainya.
Semakin besar direktivitas maka lebar berkas antena semakin sempit.
Dalam penggunaan praktis yang dimaksud directivity merupakan direktivitas maksimum yaitu pada arah sumbu pancar (pada arah pancaran maksimal).
Direktivitas suatu antena didefinisikan sebagai berikut :
2.2.5 Bandwidth Antena
Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemancar atau penerima selalu dibatasi oleh satu daerah frekuensi kerjanya. Bandwidth adalah lebar daerah operasi frekuensi dari spektrum radio untuk daerah narrow band, diperoleh persamaan :
BW = x100% f
f f
r t
h −
... ( 2. 5 ) Dimana :
BW = Bandwith/lebar jalur ( Hz ) fh = Batas sisi frekuensi tinggi ( Hz )
ft = Batas sisi frekuensi rendah ( Hz )
fr = Frekuensi resonansi / center ( Hz )
2.2.6 Voltage Standing Wave Ratio( VSWR )
Voltage Standing Wave Ratio ( VSWR ) merupakan perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum antena. Pengukuran VSWR berhubungan dengan koefisien refleksi dari antena tersebut. Koefisien refleksi merupakan perbandingan level tegangan yang kembali ke pemancar ( V- ) dan yang menuju
beban ( V+) ke sumbernya yang dinyatakan dengan simbol “ Γ “. Nilai koefisien refleksi juga dapat dihitung melalui hubungan impedansi karakteristik saluran ( Z0 ) dan impedansi beban antena ( Z1). Maka nilai Voltage Standing Wave Ratio dapat dihitung melalui persamaan ( 2.5 )
atau
Γ =
0 1
0 1
Z Z
Z Z
+
− ……… ( 2. 6 )
Γ dalam db :
Γ =
) (
) (
1 log1 20
z z
Γ
− Γ
+ ………... ( 2. 7 )
Dimana :
VSWR = Perbandingan Tegangan pantul Γ = Koefisiens Refleksi
Z1 = Impedansi antena ( Ώ ) Z0 = Impedansi saluran ( Ώ )
Harga koefisien refleksi ini dapat bervariasi antara 0 ( tanpa pantulan/match) sampai 1,yang berarti sinyal yang datang ke beban dipantulkan seluruhnya ke sumber semula.
Besaranya nilai Voltage Standing Wave Ratio ( VSWR ) yang ideal adalah 1 , yang berarti semua daya yang diradiasikan antena pemancar diterima oleh antena penerima atau disebut juga match. Semakin besar nilai VSWR menunjukan daya yang dipantulkan juga besar dan semakin tidak match.
Berbicara tentang sistem komunikasi wireless, peran antena sangatlah penting untuk mendapat perhatian khusus. Antena yang juga disebut sebagai areal, yaitu perangkat yang berfungsi untuk
memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya udara ke media kabel. Adapun syarat- syarat antena yang baik : Impedansi Input yang sesuai (matched) dengan impedansi karakteristik kabel pencatunya ( SWR < 2 ), dapat memancarkankan dan menerima energi gelombang radio dengan arah dan polarisasi yang sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan.
2. 3 Antena Mikrostrip
2.3.1 Umum
Antena Mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. 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 di-integrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang berukuran kecil, akan tetapi antena mikrostrip juga memiliki beberapa kekurangan yaitu: bandwidth yang sempit, gain dan directivity yang kecil, serta efisiensi rendah.
Antena Mikrostrip terdiri dari 3 bagian :
1. Conducting patch, patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara, terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena.
2. Substrat dielektrik, berfungsi sebagai media penyalur GEM dari catuan, dalam Tugas Akhir ini digunakan substrat dielektrik PCB FR4 Double Layer.
3. Groundplane, groundplane antena mikrostrip bisa terbuat dari bahan konduktor, dalam bahan alumunium dapat mencegah adanya back lobe.
Alumunium berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.
Bentuk konduktor bisa bermacam-macam tetapi yang pada umumnya digunakan berbentuk empat persegi panjang dan lingkaran karena bisa lebih mudah dianalisis
Gambar 2.6 Variasi Antena Mikrostrip Keuntungan dari antena mikrostrip :
- Mudah dalam desain - Ringan dan sangat tipis
- Mudah dintegrasikan dengan rangkaian planer yang lain - Antena dengan polarisasi circular
Kerugian dari antena mikrostrip :
- Daya rendah dan efisiensi rendah
- Jaringan feeder sering menimbulkan efek sirkurius / frekuensi bayangan - Bandwidth sempit
- Gelombang permukaan menimbulkan redaman besar.
2.3.2 Antena Mikrostrip Patch Segitiga
Dalam tugas akhir ini saya menggunakan patch bentuk segitiga,seperti gambar di bawah ini ( Gambar 2. 7 ) :
Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang sisi petak segitiga sama sisi a antena miksostrip, dapat ditentukan dengan persamaan 2.8 :
Sehingga panjang sisi patch segitiga samasisi diperoleh dengan persamaan 2. 9 :
Saat dilakukan perancangan panjang sisi segitiga dari hasil perhitungan harus dikurangi agar tercapai nilai effektif. Pengurangan nilai panjang sisi lebih dikarenakan adanya efek medan finging ( sisi tepi ) antara peradiasi ( patch ) dengan ground plane, efek ini dapat dihitung terhadap efektif relative permitivity
(εr.eff ) yang diformulasikan dengan persamaan :
aeff = a + h ( εr ) -1/2 ………... ( 2.10 ) dimana : aeff = panjang sisi efektif ( mm )
a = panjang sisi ( mm )
h = ketebalan substrace ( mm )
εr = Konstanta relatif dielektrikum substrace Apabila Z0 diketahui maka :
εr.eff = εr / 0.96 + εr ( 0.109 – 0.0044 εr ) {log ( 10 + Z0 ) – 1 } ……( 2.11 )
Gambar 2. 8 Patch Antena Segitiga Antena Microstrip
Gambar memperlihatkan suatu bentuk dari patch segitiga, dimana nilai a adalah panjang sisi alas segitiga dan b adalah panjang sisi miringnya. Penentuan letak sebuah feed loci yang efektif pada dua frekuensi untuk memperoleh polarisasi LHCP diletakkan pada ґ2 dan ґ3 sedangkan untuk RHCP ( Right Handed Circular Polarized ) pada ґ1 dan ґ4 .
2.3.2 Antena Mikrostrip Bowtie
Bentuk geometri elemen peradiasi pada antena mikrostrip dapat bermacam – macam. Bentuk Bowtie ( Dasi Kupu – kupu ) pada antena mikrostrip pada dasarnya sama dengan bentuk antena mikrostrip segitiga sama sisi, namun bentuk Bowtie mempunyai radiator yang lebih besar. Patch Bowtie digunakan untuk menghasilkan frekuensi kerja yang sama pada kedua polarisasinya. Bentuk dasar antena mikrostrip terdiri dari elemen konduktor peradiasi ( patch ) yang dicetak pada Printed Circuit Board ( PCB ), dan Mikrostrip Line yaitu konduktor yang dihubungkan secara langsung dengan alas patch antena. Fungsi dari pembuatan antena ini adalah untuk penerima sinyal wireless.
Bentuk geometri dasar antena mikrostrip terdiri dari elemen konduktor peradiasi (patch) yang dicetak pada substrat. Elemen peradiasi dapat dieksitasi oleh saluran transmisi koaksial, saluran mikrostrip, atau kopling elektromagnetik.
