BAB II DASAR TEORI. tipis dan mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Antena mikrostrip

(1)

Bab II Dasar Teori

6

BAB II DASAR TEORI

2.1 Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang berbentuk papan tipis dan mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Antena mikrostrip dibuat dari tiga lapis bahan, yaitu lapisan konduktor, substrat dielektrik, dan bidang bumi. Di bawah ini gambar dari komponen antena mikrostrip tampak atas dan tampak dari bawah.

a. Tampak Atas b. Tampak Bawah Gambar 2.1 Antena Mikrostrip

(2)

Bab II Dasar Teori 7

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan 2.1.1 Komponen Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip dibuat dengan menggunakan sebuah substrat yang mempunyai tiga buah lapisan struktur dari substrat.

Lapisan-lapisan pada substrat : a. Trace microstrip element/patch

Nama lain dari trace adalah patch, merupakan lapisan teratas dari substrat, lapisan ini biasanya terbuat dari konduktor. Pada lapisan ini akan dibentuk menjadi suatu bentuk tertentu untuk mendapatkan suatu pola radiasi seperti yang diinginkan.

Gambar 2.2 Bentuk Dasar Patch Antena ^[2]

b. Dielektrik

Bagian tengah dari substrat, pada lapisan ini digunakan bahan dielektrik dengan nilai permitivitas tertentu.

c. Groundplane

Lapisan paling bawah dari substrat, yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.

Berikut dapat dilihatkan dari elemen tunggal dari antena mikrostrip pada gambar 2.3 di bawah ini.

(3)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan

L

W

t

h Microstrip elemen

(patch)

Ground plane (metal)

Dielectric substrate

Gambar 2.3 Elemen Tunggal Antena Mikrostrip Keterangan Gambar :

W = Lebar patch antena mikrostrip L = Panjang patch antena mikrostrip h = Tebal substrat (dielektrik) t = Tebal patch

2.1.2 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan antena microwave convensional dan oleh karena itu beberapa aplikasi dapat bekerja pada frekuensi dengan range dari 100 MHz sampai 100 GHz. Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip adalah ^[4]:

Mempunyai bobot yang ringan, volume yang kecil dan konfigurasi yang tipis.

Biaya pabrikasi yang murah sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar.

Mendukung polarisasi linear dan sirkular dengan feed yang sederhana.

Dapat dengan mudah diintegarsikan dengan Microwave Integrated Circuits (MICs).

Kemampuan dalam dual frequency dan triple frequency.

(4)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Antena mikrostrip juga memiliki kekurangan dibandingkan dengan antena microwave convensional yaitu:

Bandwidth yang sempit.

Gain agak kecil (-6 dB).

Efisiensi yang rendah.

Memiliki rugi-rugi tambahan (ohmic loss) pada pencatuan antena array.

Timbulnya gelombang permukaan (surface wave).

2.1.3 Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip

Pencatuan antena merupakan suatu hal yang sangat penting dalam teknik merancang antena. Pencatuan antena akan berpengaruh pada karakteristik- karakteristik yang akan dihasilkan antena tersebut.

Ada beberapa teknik yang bisa digunakan dalam mencatu antena mikrostrip.

Teknik tersebut diantaranya:

a. Coaxial feed/probe coupling

Pada teknik pencatuan probe coaxial, konduktor pusat/probe dari konektor coaxial setelah melalui dielektrik langsung dihubungkan dengan patch antena.

posisi probe pada patch sangat menentukan fungsi penyepadan impedance.

Gambar 2.4 Pecatuan Menggunakan Coaxial Feed ^[4]

(5)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Kelebihan dari teknik ini adalah kopling catuan dengan patch bisa diminimalisasi dan lebih sederhana. Sedangkan kelemahan dari teknik ini adalah biasanya bandwidth antena sempit, serta sulitnya menentukan letak pencatuan secara tepat untuk mendapatkan matching impedance.

b. Microstrip Line

Pada teknik ini feedline dan patch dicetak pada substrat yang sama. Patch antena dicatu pada bagian tepinya sehingga yang harus diperhatikan adalah impedansi pada tepi patch harus matching dengan impedansi dari saluran agar terjadi transfer daya maksimum. Keuntungan dari teknik pencatuan ini adalah mudah dalam proses pabrikasi karena feedline dan elemen peradiasi dicetak pada substrat yang sama. Penyepadanan impedansi pada teknik ini juga lebih sederhana jika dibandingkan dengan teknik pencatuan yang lain.

Metode matching impedance yang digunakan biasanya menggunakan transformator λ/4.

Gambar 2.5 Pecatuan Menggunakan Microstrip Line

Dari gambar di atas dapat dilihatkan antena mikrostrip dengan menggunakan pencatuan microstrip line. Impedansi karakteristik dari suatu saluran mikrostrip

(6)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan ditentukan oleh besar kecilnya perbandingan antara lebar penampang, dengan tinggi substrat dielektrik (W/h).

Lebar Saluran Pencatu (W₀)^[7]

dengan A dan B :

(2.1)

Penyepadan pada saluran transmisi bisa dilakukan dengan banyak cara, misalkan dengan menggunakan transformator λ/4, stub paralel dan stub seri.

Penyepadan diperlukan jika impedansi beban tidak sama dengan impedansi saluran transmisi. Pada tugas akhir ini, penyepadan yang digunakan adalah dengan menggunakan transformator λ/4.

Gambar 2.6 Transformator λ/4

Syarat matching impedance adalah Zin = Zo, jika diasumsikan Zo lossless atau tanpa redaman, sedangkan ZL resistif murni, maka rumusnya adalah:

(2.2)

(7)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan 2.1.4 Fringing Effect

Pada dasarnya antena mikrostrip dapat dimodelkan sebagai suatu saluran yang terdiri dari 2 buah konduktor (patch dan groundplane) dan dipisahkan oleh substrat yang memiliki konstanta dielektrik εr. Konduktor pada saluran mikrostrip tidak bersifat perfectly magnetic conducting sehingga medan elektromagnetik yang timbul tidak sepenuhnya tegak lurus terhadap patch maupun groundplane.

Fenomena ini kemudian disebutdengan fringing effect.

d

W

_r

Gambar 2.7 Medan Listrik Pada Saluran Mikrostrip^[2]

Fringing effect ini menyebabkan sebagian medan elektromagnetik meradiasi ke udara dan sebagian lagi ke dalam substrat seperti yang ditunjukan pada gambar 2.7. Oleh karena itu terdapat 2 jenis dielektrik yang melingkupi saluran mikrostrip, yaitu dielektrik dengan bahan udara (ε_r=1) dan substrat yang memiliki dielektrik εr>1.

2.1.5 Antena Patch Rectangular^[2]

Salah satu yang paling mudah dan paling banyak digunakan dalam perancangan patch antena microstrip adalah bentuk rectangular patch. Karena ketebalan substrat jauh lebih tipis daripada panjang gelombang, maka rectangular patch dianggap sebagai bidang planar dua dimensi untuk lebih memudahkan dalam analisa.

(8)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Gambar 2.8 Rectangular Patch

Pada frekuensi kerja tertentu maka didapatkan dimensi dari antena patch fractal :

r f W C L

2

[4] (2.3)

dimana : L = W = Dimensi lempeng peradiasi C = Kecepatan cahaya 3 x 10⁸ m/detik f = Frekuensi kerja antena

εr = Konstanta dielektrik

2.2 Pola Radiasi Antena^[1]

Pola radiasi didefinisikan sebagai representasi grafis karakteristik radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang. Ada 3 jenis pola radiasi antena yaitu : a. Pola Isotropis

Merupakan pola antena referensi dimana pola radiasi seperti bola menyebar ke segala arah, dalam kenyataanya tidak dapat direalisasikan, tetapi pola radiasi idealnya sebagai standart.

b. Pola endfire (directional)

Merupakan pola radiasi antena dimana pola radiasi terkuatnya diarahkan ke suatu arah tertentu.

(9)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan c. Pola Broadside (omnidirectional)

Merupakan pola radiasi antena yang menyebar ke segala arah.

2.3 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)^[1]

VSWR adalah perbandingan antara tegangan maksimum dan minimum pada suatu gelombang berdiri akibat adanya pantulan gelombang yang disebabkan tidak matching-nya impedansi input antena dengan saluran feeder.

max min

1 ( )

V z

VSWR V z dimana ( )z adalah koefisien pantul.

Dengan 0 ( )z 1, sehingga nilai VSWR adalah 1 VSWR .

2.4 Sistem Antena Cerdas

Sistem antena cerdas merupakan suatu sistem antena yang memiliki kemampuan untuk menyesuaikan arah beam utamanya ke arah coverage target yang dituju dan secara otomatis dapat menyesuaikan pergerakan user dan kondisi kanal serta mampu mengarahkan null beam ke arah sinyal penginterferensi sehingga dapat meningkatkan performansi dari sistem komunikasi^[5].

2.4.1 Tipe Sistem Antena Cerdas ^[2]

Ada dua tipe sistem antena cerdas yang dapat diimplementasikan, yaitu switched beam dan adaptive array.

a) Switched Beam

Pada tipe ini sistem antena memiliki beberapa beam-beam yang sempit (narrow beam) yang sudah fix yang dapat di switch ke arah yang diinginkan.

Dibandingkan dengan sistem antena yang omnidirectional ataupun sectoral,

(10)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan pemakaian switched beam akan lebih meningkatkan kapasitas sistem. Ketika signal datang, base station menentukan beam yang potensial yang mengarah pada signal datang tersebut kemudian mengaktifkan beam tersebut sehingga user dapat berkomunikasi. Pemilihan beam yang potensial tersebut biasanya didasarkan pada level daya terima maksimum yang diterima oleh user.

Gambar 2.9 Bentuk Beam Dari Sistem Antena Switched Beam

Sistem switched beam pada base station terdiri dari banyak antenna array dimana tiap array mengcover arah tertentu, sistem ini dilengkapi dengan phase shifting network yang berfungsi untuk membentuk beam-beam dengan arah tertentu dan RF switch yang berfungsi untuk mengaktifkan beam yang dipilih sesuai arah yang diinginkan. Keputusan pemilihan beam yang tepat ini di kontrol oleh control logic yang berupa suatu algoritma tertentu. Algoritma ini akan menscan semua beam dan memutuskan satu beam berdasarkan signal yang terkuat yang diterima dan diukur pada detector. Pada gambar di bawah ini dapat dilihatkan blok diagram dari sistem switched beam pada antena.

(11)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Gambar 2.10 Blok Diagram dari Sistem Switched Beam

Ada beberapa metode yang dapat digunakan sebagai phase shifting network, diantaranya adalah :

Buttler Matrix Array Blass Array

Wullenweber Array Rotman Lens

Switched beam memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan, kelebihan dari switched beam diantaranya adalah lebih sederhana dan tidak terlalu rumit dibanding adaptive array, bisa meningkatkan coverage dan kapasitas sistem, lebih murah dibanding adaptive array, lebih mudah diterapkan pada sistem-sistem yang lama.

Tetapi switched beam juga memiliki kekurangan antara lain hanya cocok digunakan pada sistem yang tingkat interferensinya rendah. Jika user yang ingin dilayani tidak tepat pada arah beam maksimum dan signal penginterferensi tidak pada arah null beam maka S/N dari sistem tidak akan begitu bagus, jika sinyal yang akan dilayani dengan signal-signal penginterferensi berdekatan maka sistem tidak akan bisa bekerja dengan maksimal, jika user bergerak menjauhi sudut-sudut beam maka user tersebut bisa kehilangan service karena sebelum dilayani beam

(12)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan yang lain pada lokasi tertentu sudah tidak ada beam yang melayani user tersebut, terakhir, switched beam membutuhkan proses handover.

b) Adaptive Array

Perbedaan utama adaptive array dengan swtched beam adalah pada kemampuan mengubah arah beam berdasarkan perubahan RF environment secara dinamis. Perubahan RF environment ini didasarkan pada informasi yang diperoleh dari element array yang diproses lebih lanjut melalui signal prosessing.

Pemrosesan signal ini akan mengontrol beam (beam steering) kearah user yang ingin dilayani, mengikuti pergerakan user tersebut, dan secara bersamaan menekan level interference yang muncul dari user lain dengan mengarahkan null beam kearah signal penginterferensi tersebut. Berikut ini merupakan contoh dari sistem antena cerdas tipe adaptive array.

.

Gambar 2.11 Adaptive Array

Adaptive array merupakan sistem yang benar-benar cerdas. Istilah smart antenna sebenarnya lebih tepat dialamatkan pada sistem ini.

Seperti halnya pada switched beam, adaptive array juga memiliki kelebihan dan kekurangan. Kelebihan dari adaptive array adalah memiliki kemampuan menekan interferensi lebih baik dibanding switched beam, membutuhkan proses

(13)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan handover yang lebih sedikit daripada switched beam, dan bisa lebih memaksimalkan coverage, kapasitas, dan meningkatkan C/I.

Kekurangan dari sistem adaptive array adalah membutuhkan teknologi DSP dan algoritma adaptive yang lebih rumit, membutuhkan interaksi yang lebih intens antara base station dengan MS, lebih sulit untuk diimplementasikan pada sistem- sistem yang sudah ada.

2.4.2 Manfaat Sistem Antena Cerdas

Beberapa manfaat sistem antena cerdas diantaranya mengurangi co-chanel interference, menambah coverage, meningkatkan kapasitas sistem, mengurangi daya pancar, menghemat baterai MS, mengurangi frekuensi handover, dan mengatasi efek multipath.

2.5 Antena Fractal ^[3]

Istilah fractal, yang secara bahasa berarti patah (broken) merupakan suatu geometri yang tersusun dari pengulangan-pengulangan dari struktur dasar geometri tersebut dengan berbagai skala. Inspirasi awal dari perkembangan fractal berawal dari penelitian tentang pola-pola dari alam, dimana fractal dapat dipakai untuk memodelkan bentuk-bentuk alam yang cukup komplek seperti galaksi, awan, pegunungan, garis pantai, pohon, daun, dll.

Dalam perkembangannya fractal telah diaplikasikan dalam bermacam- macam cabang ilmu pengetahuan. Salah satu area penelitian yang sangat menjanjikan dari fractal ini adalah aplikasinya dalam teori dan desain antena.

(14)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Bidang penelitian yang memfokuskan penelitiannya pada antena fractal ini disebut “fractal antenna engineering”

Area utama dari “fractal antenna engineering” meliputi : Penelitian pada bentuk-bentuk fractal pada elemen antena.

Penelitian tentang penggunaan fractal dalam desain antena array.

2.5.1 Tipe dan Contoh Bentuk Fractal

Ada sejumlah bentuk fractal yang telah ditemukan, dipatenkan, dan digunakan dalam pengembangan dan inovasi desain antena. Berikut ini beberapa tipe pembentukan fractal dan contohnya yang telah diteliti dan di kembangkan : a) Self-similar fractal

Geometri dari tipe fractal ini terbentuk dari perpotongan (intersection) struktur utama dengan pengulangan struktur tersebut pada skala yang berbeda, dimana perpotongan tersebut bisa saling menghilangkan bisa juga saling menambahkan pada geometri susunannya.

Sierpinski gaskets dan carpets merupakan contoh bentuk fractal tipe ini yang geometrinya terbentuk dengan menghilangkan sebagian objek dari struktur dasar antena tersebut.

(a) (b)

Gambar 2.12 (a) Contoh Stage dari Sirpinski Gasket Fractal (b) Carpet Fractal ^[3]

(15)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan Sedangkan minkowski island merupakan contoh bentuk fractal yang geometrinya terbentuk dengan penambahan struktur-struktur pengulangan dari struktur utamanya dengan skala yang lebih kecil pada struktur utama tersebut.

Gambar 2.13 Beberapa Stage Minkowski Island ^[2]

b) Purely deterministic or random fractal tree

Geometri fractal pada tipe ini berbentuk cabang-cabang seperti ranting.

Disebut purely deterministic jika pengulangan cabang-cabang tersebut memiliki pola yang pasti, dan disebut random jika polanya tidak teratur. Contoh dari fractal tipe ini adalah ternary fractal tree.

Gambar 2.14 Ternary Fractal Tree stage 4 c) Space-filling fractal curve

Geometri fractal pada tipe ini terbentuk bukan dari perpotongan-perpotongan antar struktur penyusunnya karena tipe fractal ini tidak memiliki titik potong antar struktur. Contoh dari fractal tipe ini adalah hilbert curve dan von koch curve.

(16)

Perancangan Antena Patch Fractal Persegi Dengan Metode Switch Beam Menggunakan Multi Catuan

(a) (b)

Gambar 2.15 Beberapa stage dari pembentukan (a) hilbert curve (b) koch curve ^[3]

2.5.2 Manfaat Antena Fractal

Beberapa manfaat penggunaan antena fractal adalah sebagai berikut:

a) Multiband antenna, contoh : Sierpinski gasket monopole dan fractal tree b) Kandidat yang ideal untuk digunakan dalam reconfigurable antennas system