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
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)
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
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
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 :
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
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] :
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 =𝑓𝑓2 − 𝑓𝑓1
𝑓𝑓𝑐𝑐 𝑥𝑥100% (2.7)
Dimana :
𝑓𝑓2 = frekuensi tertinggi
𝑓𝑓1 = frekuensi terendah
𝑓𝑓𝑐𝑐 = frekuensi tengah
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :
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= 𝑉𝑉0 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
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(𝜃𝜃,𝜙𝜙)
𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚
) dibagi dengan 4π. Penguatan absolut ini dapat dihitung dengan rumus [1] :
(2.11)
𝐺𝐺 =𝑑𝑑 4𝜋𝜋𝑈𝑈(𝜃𝜃,𝜙𝜙)
𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑟𝑟𝑙𝑙𝑙𝑙 (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
= 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
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
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
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
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
• 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.
