BAB II
ANTENA MIKROSTRIP 2.1 Pengertian Antena
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 ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai penerima energi itu dari ruang bebas.
Dapat juga dikatakan antena merupakan struktur transisi antara ruang bebas dengan alat pembimbing. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.1. Alat pembimbing atau saluran transmisi dapat berupa saluran koaxial ataupun pipa dan digunakan sebagai alat transportasi energi elektromagnetik dari sumber transmisi ke antena atau dari antena ke penerima [1] .
Dalam fungsinya sebagai pemancar dan penerima energi, sebuah antena pada sistem wireless harus dapat melakukan optimasi energi radiasi pada beberapa arah. . Antena juga harus dapat berperan sebagai alat direksional. Antena dapat berbentuk kabel yang berkonduksi, sebuah aperture, berupa patch, gabungan dari beberapa elemen (array), sebuah reflector dan lensa [1] .
2.2 Antena Mikrostrip
Salah satu antena yang paling populer saat ini adalah antena mikrostrip. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip sangat cocok digunakan untuk perangkat telekomunikasi yang sekarang ini sangat memperhatikan bentuk dan ukuran.
2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro
(sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil. Gambar 2.1 menunjukkan struktur dari sebuah antena mikrostrip [2]. Secara umum, antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian, yaitu patch, substrat, dan ground plane. Patch
terletak di atas substrat, sementara ground plane terletak pada bagian paling bawah.
Gambar 2.1 Struktur Antena Mikrostrip 2.2.2 Jenis-jenis antena mikrostrip
Berdasarkan bentuk patch-nya antena mikrostrip terbagi menjadi : Antena mikrostrip patch persegi panjang (rectangular) Antena mikrostrip patch persegi (square)
Antena mikrostrip patch lingkaran (circular) Antena mikrostrip patch elips (elliptical) Antena mikrostrip patch segitiga (triangular)
Patch Substrat Ground plane L W t h
Antena mikrostrip patchcircular ring
Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada Gambar 2.2 [3]
Gambar 2.2 Jenis-jenis patch antena mikrostrip 2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Bentuknya yang low profile membuat antena mikrostrip dapat diintegrasikan pada berbagai bidang permukaan, sederhana dan tidak mahal untuk diproduksi dengan menggunakan teknologi sirkuit modern, secara mekanik tangguh pada saat diintegrasikan pada permukaan yang kasar, dan sangat baik dalam frekuensi resonansi, polarisasi, bentuk dan impedansi. Jenis antena ini dapat diintegrasikan pada permukaan yang memerlukan performansi yang sangat tinggi seperti pada pesawat terbang, pesawat antariksa, satelit, misil, mobil bahkan pada telepon genggam. Secara garis besar antena mikrostrip memilki kelebihan yakni [3] :
1. Dimensi antena yang kecil
2. Bentuknya yang sederhana memudahkan proses perakitan 3. Tidak memakan biaya besar pada proses pembuatan
4. Kemampuan dalam dual frequency dan triple frequency
5. Dapat diintegrasikan pada microwave integrated circuit (MIC) Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti :
1. Efisiensi yang rendah 2. Gain yang rendah 3. Bandwidth yang sempit 4. Daya (power) yang rendah
5. Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan
2.2.4 Teknik Pencatuan
Antena mikrostrip dapat dicatu dengan beberapa metode. Metode-metode ini dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori, yaitu terhubung (contacting) dan tidak terhubung (non-contacting) [3]. Pada metode terhubung, daya RF dicatukan secara langsung ke patch radiator dengan menggunakan elemen penghubung. Pada metode tidak terhubung, dilakukan pengkopelan medan elektromagnetik untuk menyalurkan daya di antena saluran mikrostrip dengan patch. Beberapa teknik pencatuan yang sering digunakan, yaitu : teknik microstrip line, coaxial probe, aperture coupling dan proximity coupling.
2.3 Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Antena mikrostrip dalam perancangan ini menggunakan patch yang berbentuk segiempat. Patch segiempat lebih banyak digunakan karena kemudahan dalam analisis dan proses fabrikasi. Gambar 2.3 memperlihatkan bentuk geometri dari patch mikrostrip segiempat dimana W dan L adalah lebar dan panjang dari
patch, h adalah tebal substrat dan εr merupakan nilai konstanta dielektrik dari substrat. Gambar 2.4 memperlihatkan bentuk nyata dari patch mikrostrip segi empat [1] .
Gambar 2.3 Bentuk geometri patch mikrostrip segiempat
2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip
2.4.1 Dimensi Antena
Untuk mencari dimensi antena microstrip (W dan L), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan yaitu tebal dielektrik (h),
konstanta dielektrik (εr), tebal konduktor (t) dan rugi – rugi bahan. Panjang antena
microstrip 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
microstrip (W) impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena microstrip dapat menggunakan persamaan : W = 𝑐𝑐 2𝑓𝑓0�(𝜀𝜀𝑟𝑟2 +1) (2.1) Dimana : W : lebar konduktor εr
c : kecepatan cahaya di ruang bebas ( 3x10 : konstanta dielektrik
8
fo : frekuensi kerja antena
)
Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ΔL yang
merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect.
Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dirumuskan dengan [2] :
ΔL
= 0,412
h
�𝜀𝜀𝑟𝑟𝑟𝑟𝑓𝑓𝑓𝑓 +0,3�(𝑊𝑊
ℎ+0,624)
Dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat, dan 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑟𝑟𝑓𝑓𝑓𝑓 adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai :
𝜀𝜀
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑓𝑓𝑓𝑓=
𝜀𝜀𝑟𝑟2+1+
𝜀𝜀𝑟𝑟2−1�
1�1+12ℎ�𝑊𝑊
�
(2.3)Dengan panjang patch (L) dirumuskan oleh:
L = Leff Dimana L – 2ΔL (2.4) eff L
merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan :
eff
2.4.2 Frekuensi Resonansi = 𝑐𝑐
2𝑓𝑓0�𝜀𝜀𝑟𝑟𝑟𝑟𝑓𝑓𝑓𝑓 (2.5)
Frekuensi resonansi sebuah antena dapat diartikan sebagai frekuensi kerja antena di mana pada frekuensi tersebut seluruh daya dipancarkan secara maksimal. Pada umumnya frekuensi resonansi menjadi acuan frekuensi kerja antena. Frekuensi resonansi secara matematis dapat dirumuskan dalam bentuk fungsi berikut[1] :
𝑓𝑓
𝑟𝑟= 𝑣𝑣0 2𝐿𝐿√𝜖𝜖𝑟𝑟(2.6) Dimana : fr v = frekuensi resonansi 0 L = panjang antena
εr
2.4.3 Bandwidth
= kontanta dielektrik
Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR,
return loss) memenuhi spesifikasi standar. Bandwith dapat dicari dengan rumus [1] : 𝐵𝐵𝑊𝑊 =𝑓𝑓2𝑓𝑓− 𝑓𝑓1 𝑐𝑐 𝑥𝑥100% (2.7) Dimana : 𝑓𝑓2 = frekuensi tertinggi 𝑓𝑓1 = frekuensi terendah 𝑓𝑓𝑐𝑐 = frekuensi tengah
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :
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. Nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9,54 dB.
b. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana bandwidth, 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.
2.4.4 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0
-Γ= 𝑉𝑉𝑉𝑉0−
0+=
𝑍𝑍𝐿𝐿− 𝑍𝑍0 𝑍𝑍𝐿𝐿+𝑍𝑍0
). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [1] :
(2.8)
di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0
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 :
adalah impedansi saluran
lossless.
b. Γ= 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.
c. Γ= +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
Rumus untuk mencari nilai VSWR adalah :
𝑆𝑆= �𝑉𝑉��𝑚𝑚𝑚𝑚𝑥𝑥
�𝑉𝑉��𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =
1 + |Γ|
1−|Γ| (2.9)
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. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan untuk fabrikasi antena adalah VSWR≤2.
2.4.5 Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas di antara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi seperti yang ditunjukkan oleh [1] :
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙= 20𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙10|Γ| (2.10)
Nilai dari return loss yang baik adalah di bawah -9,54 dB, nilai ini diperoleh untuk nilai VSWR 2 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 untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.4.6 Pola Radiasi
Pola radiasi pada sebuah antena didefenisikan sebagai sebuah fungsi matematis atau sebuah gambaran grafis dari komponen-komponen radiasi sebuah antena. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional.
2.4.7 Penguatan (Gain)
Ada dua jenis penguatan (gain) pada antena, yaitu penguatan absolut (absolute gain) dan penguatan relatif (relative gain). Penguatan absolut pada sebuah antena didefenisikan 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 yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin
𝑙𝑙𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚= 4𝜋𝜋𝑈𝑈(𝑃𝑃𝜃𝜃,𝜙𝜙)
𝑚𝑚𝑚𝑚
) dibagi dengan 4π. Penguatan absolut ini dapat dihitung dengan rumus [1] :
(2.11)
Selain penguatan absolut, ada juga penguatan relatif. Penguatan relatif didefenisikan sebagai 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 isotropic yang lossless. Secara umum dapat dihubungkan [1] :
𝐺𝐺 =𝑑𝑑𝑃𝑃4𝜋𝜋𝑈𝑈(𝜃𝜃,𝜙𝜙)
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑟𝑟𝑙𝑙𝑙𝑙
(2.12)
Jika arah tidak ditentukan, maka perolehan daya biasanya diperoleh dari arah radiasi maksimum.
Pada umumnya gain diberikan dalam bentuk desibel. Secara matematis persamaan konversinya dapat ditulis [1]:
𝐺𝐺(𝑑𝑑𝐵𝐵) = 10 log10[𝑟𝑟𝑐𝑐𝑑𝑑𝐷𝐷0] (2.13)
Dimana : ecd
D
= efisiensi rata – rata
0
2.4.8 Impedansi Masukan
= direktivitas maksimum
Impedansi masukan ataupun input impedance (Zin) didefinisikan sebagai
impedansi yang direpresentasikan oleh suatu antena pada terminalnya atau rasio dari tegangan ke arus pada sepasang terminal ataupun rasio komponen yang sesuai dari medan elektrik ke medan magnetik pada sebuah titik. Gambar 2.5 menunjukkan antena pada mode transmisi yang memiliki terminal a dan b [1] .
Secara matematis persamaan impedansi antena pada terminal a dan b dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝑍𝑍𝑚𝑚 = 𝑅𝑅𝑚𝑚 +𝑗𝑗𝑋𝑋𝑚𝑚 (2.14)
Dimana :
Za
R
= impedansi antena pada terminal a-b
a
X
= tahanan antena pada terminal a-b
a
2.4.9 Polarisasi
= reaktansi antena pada terminal a-b
Energi yang diradiasikan oleh antena merupakan gelombang elektromagnetik yang terdiri dari medan listrik dan magnet yang saling tegak lurus dan masing-masing juga tegak lurus dengan arah propagasi. Medan listrik dari gelombang elektromagnetik ini digunakan untuk menggambarkan polarisasi dari antena.
Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), sirkular (melingkar), atau elliptical (elips).
a. Polarisasi Linier
Polarisasi linier (Gambar 2.6) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vector 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 :
a. Hanya ada satu komponen, atau
b. 2 komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau 180º atau kelipatannya.
Gambar 2.6. Polarisasi linier
b. Polarisasi Melingkar
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
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.
Gambar 2.7. Polarisasi melingkar
Polarisasi yang melingkar sifatnya berorientasi pada jalur lingkaran, artinya menerima gelombang tidak hanya satu arah saja tetapi juga sekitarnya. Polarisasi melingkar biasa digunakan pada komunikasi satelit karena antara satelit dan antena di bumi tidak memiliki keadaan yang selalu tetap. Komunikasi satelit juga membutuhkan sudut keterarahan (directivity) dari antena di bumi, karena orbit satelit dengan membentuk sudut elevasi (elevation angle) yang berguna untuk menghindari adanya rugi- rugi gelombang akibat adanya halangan bangunan atau gedung yang tinggi.
c. Polarisasi Elips
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 orthogonal.
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 0º atau kelipatan 180º (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 90º (karena akan menjadi lingkaran).
2.5 Simulator Ansoft HFSS 10.0
Dalam tugas akhir ini simulator yang digunakan adalah Ansoft HFSS 10.0. Pada HFSS, model geometri secara otomatis dibagi kedalam sejumlah besar
tetrahedron. HFSS adalah simulator gelombang elektromagnetik penuh dengan performa yang baik untuk pemodelan benda 3 dimensi yang memiliki volume yang berubah-ubah. HFSS ini menyatukan proses simulasi, visualisasi, dan proses pemodelan kedalam suatu bentuk yang mudah untuk dipelajari. Simulator ini dapat dimanfaatkan untuk menghitung parameter seperti S parameter, frekuensi resonansi, dan medan. Simulator ini khususnya digunakan pada bidang:
• Package Modeling BGA, QFP, Flip-Chip
• PCB Board Modeling Power/Ground planes, Mesh Grid
Grounds,Backplanes
• Silicon/GaAs Spiral Inductors, Transformers
• EMC/EMI Shield Enclosures, Coupling, Near- or Far-Field
Radiation
• Antennas/Mobile Communications Patches, Dipoles, Horns,
ConformalCell Phone Antennas, Quadrafilar Helix, Specific Absorption Rate(SAR), Infinite Arrays, Radar Cross Section(RCS), Frequency Selective Surfaces(FSS)
• Connectors – Coax, SFP/XFP, Backplane, Transitions
HFSS adalah simulator interaktif yang elemen dasar mesh-nya adalah tetrahedron. Hal ini membuat kita dapat menyelesaikan persoalan yang
berhubungan dengan bentuk geometri 3 dimensi yang berubah-ubah khususnya yang memilki bentuk dan kurva yang kompleks.
HFSS adalah kependekan dari High Frequency Structure Simulator. Ansoft merupakan software pelopor yang menggunakan Finite Element Method(FEM) untuk simulasi elektromagnetik dengan mengembangkan serta menerapkan teknologi seperti tangential vector finite elements, adaptive meshing,
dan Adaptive Lanczos-Pade Sweep (ALPS). Adapun tampilan dari HFSS dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Tampilan awal Ansoft HFSS v10.0. 2.6 Proses pencarian solusi simulator HFSS 10.0
Untuk mendapatkan hasil grafik, seperti VSWR dan Gain, pada antena rancangan terlebih dahulu diberi Boundaries dan Excitation. Kemudian dilakukan
setup terdiri dari frekuensi unit, nilai siklus mesh, dan Delta S. Frekuency sweep adalah memberikan nilai range frekuensi yang akan dijadikan frekuensi acuan. Skema proses pencarian solusi pada Ansoft dapat dilihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Proses pencarian solusi HFSS 10.0 Dari Gambar 2.10 dapat dijelaskan bahwa :
• Tipe solusi yang digunakan pada simulator Ansoft HFSS 10.0 ada 3 yaitu
driven modal, driven terminal, dan eigenmode. Untuk pemodelan tentang antena, saluran mikrostrip, dan waveguide, dipergunakan tipe solusi driven modal. Tipe ini dipergunakan karena merupakan tipe khusus untuk mengkalkulasi mode dasar parameter S untuk elemen pasif berstruktur frekuensi tinggi yang arus tegangannya dikendalikan oleh sumber generator.
• Parametric model adalah susunan yang terdiri dari bentuk geometri dan material yang tersusun didalamnya, yang akan membangun bentuk pemodelan simulasi. Pada tahap ini juga, kita memberikan pembatasaan lingkup pada device pemodelan (Boundaries) dan mendefinisikan letak pencatuan model (Excitation).
• Sebelum proses simulasi pencarian solusi dilakukan maka harus diinisialisasikan parameter analisa terlebih dahulu (solution setup). Parameter ini meliputi:
a. Frekuensi unit. Parameter ini berfungsi untuk menentukan nilai frekuensi kerja mesh dalam proses pencarian solusi yang menggunakan sistem adaptive mesh.
b. Nilai maksimum jumlah siklus mesh. Nilai ini adalah kriteria nilai jumlah siklus mesh untuk menghentikan proses pencarian solusi
adaptive.
c. Delta S. Nilai ini adalah nilai perubahan didalam magnituda parameter S antara dua lintasan yang saling berhubungan.
Pada tahap ini juga kita memberikan nilai range frekuensi (frequency sweep) yang merupakan range frekuensi yang akan dicari nilai solusinya.
