BAB II TINJAUAN TEORITIS

(1)

Bab II Tinjauan Teoritis

BAB II

TINJAUAN TEORITIS

2.1 Pendahuluan

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Antena mikrostrip merupakan memiliki struktur yang sederhana, tetapi analisis terhadap mekanisme radiasi dan karakteristik antena itu sendiri tidak sesederhana strukturnya. Hal tersebut dikarenakan keberadaan bahan dielektrik di atas permukaan bidang tanah. Gambar 1 menunjukkan beberapa bentuk patch pada antena mikrostrip.

Gambar 1. Bentuk Patch Antena Mikrostrip

Kelebihan dan kekurangan antena mikrostrip dibandingkan dengan antena konvensional, antara lain sebagai berikut [15] :

1. Kelebihan :

a) Low-profile, ringan serta ukuran kecil dan compact.

b) Low-fabrication, fabrikasi mudah dan murahdan diproduksi dengan menggunakan teknik printed-circuit atau dengan teknik pemotongan biasa.

c) Bisa menghasilkan polarisasi sirkular maupun linier.

d) Bisa dibuat compact sehingga cocok untuk komunikasi bergerak. e) Bisa beroperasi pada single, dual, ataupun multi band.

2. Kekurangan

a) Bandwidth yang kecil, < 3% (dengan teknik pencatuan konvensional).

(2)

b) Gain yang rendah, berkisar 3-10 dBi untuk satu patch. c) Sistem pencatuan yang kompleks untuk array.

d) Efisiensi rendah.

Gambar 2 menunjukan struktur geometri antena mikrostrip persegi yang terdiri dari patch konduktor yang berfungsi sebagai radiator, substrat (bahan dielektrik) dengan permitivitas relatif εr dan ground plane yang terbuat dari konduktor.

Patch

Substrate

Groundplane

Gambar 2. Struktur Geometri Antena Mikrostrip Persegi Panjang Dari gambar 2 dapat dilihat bahwa antena mikrostrip terdiri 3 bagian,yaitu:

a. Conducting patch, patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara, terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena. Patch tebuat dari bahan konduktor, misal tembaga. Bentuk patch bisa bermacam-macam, lingkaran, persegi panjang, segitiga, ataupun bentuk cincin. Dalam Tugas Akhir ini bentuk yang digunakan adalah persegi panjang.

b. Substrat dielektrik, berfungsi sebagi media penyalur GEM dari catuan menuju daerah dibawah patch. Substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Semakin tebal substrat dan semakin kecil permitivitas relatif maka akan memperbesar bandwidth.

c. Ground plane, ground plane berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan. Ground plane antena mikrostrip biasanya terbuat dari bahan konduktor.

(3)

2.2 Tinjauan Pustaka

1. Zulkifli, Fitri Yuli. Studi Tentang Antena Mikrostrip dengan Defected Ground Structure. Universitas Indonesia. 2008.Laporan Tesis yang merealisasikan dan menganalisa antena mikrostrip susun 2 elemendengan patchsegitiga dengan berbagai macam bentuk Defected Ground Structure. 2. Amirullah, Lestari. Rancang Bangun Antena mikrostrip dengan Teknik

Defected Ground Structure (DGS) Bentuk Dumbbell Square Head pada Patch Segitiga Array Linier.Universitas Indonesia. 2008.Skripsi yang merealisasikan antena susun mikrostrip dengan patchSegitiga menggunakan DGS bentuk dumbbell square head.

3. Marlena, Desi. Rancang Bangun Defected Ground Structure (DGS) Pada Antena 2 Elemen Tripleband Wimax. Universitas Indonesia. 2008. Tesis yang merealisasikan antenna mikrostrip triple band 2 elemen dengan Defected Ground Structure (DGS).

4. Fahrazal, Muhammad. Rancang Bangun Antena Mikrostrip Tripleband Linier Array 4 Elemen Untuk Aplikasi Wimax.Universitas Indonesia. 2008. Tesis yang merealisasikan antenna mikrostrip triple band array 4 elemen dengan pencatuan EMC.

2.3 Parameter Antena Mikrostrip

2.3.1 Pola Radiasi Antena

Antena meradiasikan (menyebarkan) daya gelombang EM ke ruang bebas. Bentuk penyebarannya tergantung dari bentuk atau susunan antena, dan atau sistem pencatuannya. Bentuk penyebaran daya gelombang EM ini disebut pola radiasi. Dengan kata lain, pola radiasi adalah bentuk radiasi gelombang EM dari sebuah antena sebagai fungsi dari koordinat ruang. Sistem koordinat yang digunakan untuk masalah radiasi adalah koordinat bola Dalam sistem koordinat ini sebuah titik di dalam ruang (misal titik A) dalam gambar 3 dinyatakan oleh persamaan-1.       2 0 , 0 ) , , (     r A ...(1)

(4)



 r

y z

x

Gambar 3. Sistem Koordinat Bola

Pola radiasi antena dapat diukur dalam mode pancar atau mode terima. Pola radiasi ini ditentukan dalam daerah medan jauh (far–field region) untuk frekuensi dan jarak radial yang tetap, dan memiliki pola tiga dimensi. Tetapi, karena pola tiga dimensi ini tidak praktis untuk diukur, maka dilakukan pengukuran beberapa bidang pola dua dimensi. Pola dimensi dua dimensi ini disebut potongan pola (pattern cut) atau principal plane. Tampilan sebuah antena secara tipikal diuraikan dalam termin pola principal E – plane dan principal H – plane. Untuk antena dengan polarisasi linier, E – plane adalah bidang yang berisi vektor medan listrik dan arah radiasi maksimum, sedangkan H – plane adalah bidang yang berisi vektor medan magnet dan arah radiasi maksimum.

a. Pola Radiasi Direksional

Pola radiasi yang arah pancar-nya diarahkan pada suatu tempat saja. Gambar 4 merupakan bentuk pola radiasi dari antena reflektor sudut, sedangkan Gambar 5 memperlihatkan potongan pola-nya yang dilihat pada bidang x – y dan bidang x – z.

x

y z

Gambar 4. Pola Radiasi Direksional Antena Korner Reflektor

(5)

Bab II Tinjauan Teoritis  270    0    180    90  x y  0   90   90   180   0  x y (a) (b) Gambar 5. (a) Pola Azimuth, (b) Pola Elevasi

2.3.1.1 Parameter Pola Radiasi

Bentuk pola radiasi merupakan bentuk tiga dimensi. Secara umum pola ini berupa lobe-lobe seperti diperlihatkan pada Gambar 6 dalam koordinat polar. Pada pola radiasi ini bisa dianalisis parameter-parameter pola radiasi dari sebuah antena secara lengkap, pada gambar 6 [1].

Main Lobe Side Lobe Back Lobe HPBW FNBW

Gambar 6. Parameter Pola Radiasi

 Main (major) lobe

Lobe utama dimana terdapat radiasi maksimum.

 Side (minor) lobe

Lobe-lobe selain main lobe, yang merupakan merupakan energi bocoran.

 Back lobe

Side lobe yang muncul kearah yang berlawanan dengan main lobe.

 HPBW (Half Power Beamwidth)

Merupakan lebar sudut beam pada level setengah daya.

(6)

 FNBW (First Null Beamwidth)

Merupakan lebar sudut diantara dua titik nol pertama dari main lobe.

 SLL (Side Lobe Level)

Merupakan ukuran untuk menyatakan besaran dari side lobe pertama.

Lobe Main SideLobe SLL st 1  ………(2)

 FBR ( Front to Back Ratio )

Merupakan perbandingan dari level main lobe dan back lobe.

BackLobe MainLobe

FBR …….………...………...(3)

a. Directivity

Menurut definisi pengarahan (directivity) adalah perbandingan rapat daya radiasi maksimum yang dimiliki antena S

 

, _max dan rapat daya radiasi rata- rata yang dimiliki oleh antena tersebut S

 

, _av. Atau sederhananya directivity adalah nilai directive gain pada arah maksimum [3].

Directivity dituliskan dengan persamaan :

 

_A 4 n 4 d , P 4 D           ……… (4)

Dimana P_n

 

, dP

   

, /P, _max= pola daya yang ternormalisasi Sedangkan A 



Pn

 

, d

4



 = beam area antena b. Gain

Gain (penguatan) suatu antena merupakan perbandingan antara intensitas radiasi maksimum suatu antena terhadap intensitas radiasi maksimum suatu antena referensi dengan daya yang masuk pada kedua antena adalah sama.





4

, Intensitas radiasi

G

daya total input

    ……….(5)





4 , in U P    

(7)

Bab II Tinjauan Teoritis maka, 4 in Um G P   ………...(6)

dimana : Um = intensitas radiasi

Gain suatu antena memiliki keterkaitan dengan directivity yang dapat dihitung dengan nilai efisiensi suatu antena yang sama dengan kemampuan untuk mengarahkan yang dinyatakan pada persamaan berikut:

G =η.D...(7) dimana :

G = penguatan (Gain)

η = Efisiensi ( 0 – 1 atau 0 % - 100 %) D = pengarahan (directivity)

Jika efisiensi antena 100  atau 1, maka penguatan antena sama dengan pengarahannya.

Gain antena (Gt) juga dapat dihitung dengan menggunakan antena lain sebagai antena yang standard atau sudah memiliki gain yang standard (Gs). Dimanamembandingkan daya yang diterima antara antena standar (Ps) dan antena yang akan diukur (Pt) dari antena pemancar yang sama dan dengan daya yang sama.

………...………(8) Jika dirubah dalam satuan desibel maka menjadi:

………..(9)

2.3.2 Polarisasi Antena

Salah satu sifat penting dari gelombang elektromagnetik adalah polarisasi yang menggambarkan orientasi dari medan listrik E pada bidang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Sedangkan polarisasi antena berarti arah gerak medan listrik dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena pada lobe utamanya.

Secara umum bentuk polarisasi merupakan kasus dari polarisasi elips. Jika arah dari vektor medan listrik bergerak bolak-balik pada suatu garis lurus dikatakan berpolarisasi linier. Polarisasi ini bisa horizontal atau vertikal. Pada

(8)

polarisasi lingkaran besarnya medan listrik sama, tetapi dalam perjalanannya berputar membentuk lingkaran. Frekuensi putaran radian adalah  dan terjadi satu dari dua arah perputaran. Perputaran ada dua jenis, yaitu: searah jarum jam (left hand circulary polarization) dan berlawanan arah jarum jam (right hand circulary polarization). Gambar 7 memperlihatkan jenis polarisasi masing-masing linier vertikal, elips, dan lingkaran.

E E₂ E₁ x z y AR = 1.4 E₂ E₁ z x y AR = 1 y E₂ z x AR = ~ (a) (b) (c)

Gambar 7. Jenis Polarisasi [3]

(a) Polarisasi Linier, (b) Polarisasi Elips, (c) Polarisasi Lingkaran

2.3.3 Dimensi Patch Antena Persegi Panjang

Untuk mendapatkan dimensi patch antena mikrostrip maka harus diketahui spesifikasi bahan yang akan digunakan. Spesifikasi tersebut yaitu, tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr) dan tebal konduktor (t).

Gambar 8. Antena Mikrostrip dengan Pacth Persegi Lebar pacth ditentukan dengan rumus:

………(10)

(9)

Panjang pacth ditentukan dengan rumus:

……….(11) Dimana,

………(12)

…………...(13)

2.4 Saluran Mikrostrip

Konstruksi dari mikrostrip terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik (εr). Di atas strip adalah udara sehingga bila tanpa shielding sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang masuk kembali ke dalam substrat dielektrik. Jadi, terdapat dua dielektrik yang melingkupi strip yaitu udara dengan konstanta dielektrik satu dan substrat dengan konstanta dielektrik (εr) > 1. Dengan demikian saluran mikrostrip, secara keseluruhan, dapat kita pandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tetapi lebih kecil dari εr. Konstanta dielektrik ini disebut konstanta dielektrik efektif (effective dielectric constant) [8].

d

W

_r

Gambar 9. Pola Medan Listrik Pada Saluran Mikrostrip

Kita dapat mengetahui nilai konstanta dielektrik efektif (_e) dengan menggunakan persamaan (14):

(10)

                                          1 12 1 2 1 2 1 1 1 04 , 0 12 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 d W W d d W d W W d r r r r e      ……….(14)

Untuk keperluan perancangan, bila diketahui impedansi karakteristik Z0 dan konstanta dielektrik _r, lebar strip dapat dicari dengan persamaan [3]:

                               2 61 , 0 39 , 0 ) 1 ln( 2 1 ) 1 2 ln( 1 2 2 2 8 2 d W B B B d W e e d W r r r A A     ………..(15) dengan             r r r r Z A     0,11 23 , 0 1 1 2 1 60 0 _{………...(16)} r Z B   0 2 377  ………...(17) Bila pengaruh ketebalan konduktor diperhitungkan, maka lebar strip seolah-olah akan bertambah lebar, karena adanya medan limpahan (fringing field) yang tidak dapat diabaikan. Dengan demikian besaran W ddiganti dengan lebar efektif, We/d, yaitu [8]:                         



2 1 4 ln 1 25 , 1 2 1 2 ln 1 25 , 1 d W t W d t d W d W t d d t d W d W_e ………(18) 2.5 Teknik Pencatuan

Teknik pencatuan antena mikrostrip dapat dibedakan menjadi 4 [15], yaitu: 1. Mikrostrip Line

Teknik pencatuan mikrostrip line memiliki kemudahan dalam fabrikasi, matching impedance dan lebih mudah dalam pemodelan [15]. Teknik pencatuan mikrostrip line diperlihatkan pada gambar 10.

(11)

Gambar 10. Microstrip Line 2. Coaxial Probe

Teknik pencatuan coaxial probe memiliki kemudahan dalam fabrikasi, penyesuaian impedansi dan memiliki radiasi spurious yang rendah [15]. Teknik pencatuan coaxial probe feed diperlihatkan pada gambar 11.

Gambar 11. Coaxial Probe 3. Aperture Coupling

Teknik pencatuan aperture coupling merupakan teknik yang tersulit dari keempat teknik yang lain dalam hal pabrikasi, dan memiliki bandwidth yang sempit. Akan tetapi teknik ini lebih mudah dalam pemodelannya dan memiliki radiasi spurious yang tidak terlalu besar [15]. Teknik pancatuan aperture coupling diperlihatkan pada gambar 12.

Gambar 12. Aperture Coupling

(12)

4. Electromagnetic Coupling

Teknik pencatuan Electromagnetic coupling memiliki bandwidth yang terlebar dari keempat teknik pencatuan.Teknik ini memiliki kemudahan dalam pemodelan dan radiasi spurious yang rendah, akan tetapi pabrikasinya lebih sulit [15]. Teknik pencatuan electromagnetic coupling diperlihatkan pada gambar 13.

Gambar 13. Electromagnetic Coupling

2.6 Quarter Wave Transformer

Untuk menyesuaikan impedansi ZL riil ke Z0 (riil) dapat dilakukan dengan menggunakan transformator /4, saluran dengan impedansi karakteristik Z0,1 dan panjangnya seperempat panjang gelombang pada frekuensi rancangan. Gambar 14 memperlihatkan sebuah beban ZL yang dihubungkan ke saluran utama melalui transformator /4.

Z_L

/4 Z_0,1 Z₀

Gambar 14. Penyesuai Impedansi Transformator /4

Impedansi masukan pada transformator, Zin = Z0, karena sesuai. Untuk saluran

/4, impedansi masukan ini adalah

L L in Z Z Z Z Z Z Z ₀ ₀_,₁ ₀ 2 1 , 0 ,     ………..(19)

2.7 Teknik Teknik untuk Menghasilkan Antena Multi Frekuensi

1. Orthogonal-Mode-Multi-Frequency Antenna

Untuk menghasilkan lebih dari satu frekuensi resonansi menggunakan teknik ini yaitu dengan cara menempatkan pencatu pada satu buah patch

(13)

sedemikian rupa sehingga pada posisi tersebut mematchingkan dua buah frekuensi resonansi. Gambar 15 menunjukkan teknik-teknik Orthogonal-Mode-Multi-Frequency Antenna [16], dikutip dari [18].

Gambar 15. Orthogonal-Multi-Frequency Antenna 2. Multi-Patch-Multi-Frequency antenna

Untuk menghasilkan lebih dari satu frekuensi resonansi yaitu dengan menyusun patch dengan frekuensi resonansi yang berbeda beda secara di tumpuk (stacked) atau disusun secara linear dalam satu lapisan substrat Gambar 16 menunjukkan teknik-teknik Multi-Patch-Multi-Frequency Antenna [16], dikutip dari [18].

Gambar 16. Multi-Patch-Multi-Frequency Antenna 3. Reactive-Loaded-Multi-Frequency-Antenna

Pada teknik ini untuk menghasilkan antena yang lebih dari satu frekuensi yaitu dengan cara menambahkan beban pada antena (stub, pin, slot, slot dan pin, maupun kapasitor). Beban reaktif ini secara khusus ditambahkan pada tepi peradiasi (radiating edge). Untuk menghasilkan panjang resonansi yang lebih jauh, dimana panjang resonansi berkaitan dengan pembangkitan frekuensi resonansi lainnya. Gambar 17 adalah macam-macam teknik Reactive-Loaded-Multi-Frequency-Antenna [10], dikutip dari [18].

(14)

Gambar 17. Reactive-Loaded-Multi-Frequency Antenna

2.8 Gelombang Permukaan (Surface Wave)

Gelombang permukaan dibangkitkan pada antena mikrostrip yang memiliki konstanta dielektrik

> 1.

Selain radiasi end-fire, gelombang permukaan juga meningkatkan mutual coupling pada antena array [10], dikutip dari [18]. Gambar 18 menunjukkan arah gerak medan elektromagnetik pada antena mikrostrip single element yang dapat menyebabkan gelombang permukaan.

Gambar 18. Gelombang Permukaan

Ketika patch meradiasikan gelombang ke udara, ada juga gelombang yang diradiasikan ke bahan dielektik (surface wave). Gelombang permukaan ini menembus ke dalam substrat pada sudut elevasi θc (θc=Arcsin (1/ )) sampai ke bidang pertanahan lalu di refleksikan kembali diantara lapisan substrat-udara. Gelombang yang direfleksikan ini akan menyebabkan efek mutual coupling ketika ada patch antena lain yang berada didekat pacth antena tersebut (misal antena susun / array).

(15)

2.9 Efek Mutual Coupling

Mutual coupling adalah energi datang pada satu atau kedua elemen antena array yang dapat dihamburkan kembali pada arah yang berbeda seperti suatu transmitter baru [5], dikutip dari [18]. Hal ini menyebabkan kontribusi total ke daerah far-field tidak hanya tergantung dari eksitasi dari generator (pencatu) antena tetapi juga dari eksitasi yang merugikan karena mutual coupling. Efek ini berpengaruh terhadap meningkatnya nilai VSWR, koefisien refleksi, dan nilai transmisinya (S12).

Mutual coupling ini dapat merubah besaran arus, fase, dan distribusi tiap elemen sehingga pola radiasi keseluruhan antena berbeda dibandingkan tidak mengalami coupling. Pada umumnya, mutual coupling mengakibatkan nilai maksimum dan nulls dari pola radiasi antena bergeser dan mengisi nulls. Bila jarak antar elemen semakin berdekatan, efek mutual coupling akan semakin meningkat. Gambar 18 menunjukkan efek mutual Coupling yang dipengaruhi oleh masing-masing patch dalam satu lapisan substrat.

Gambar 19. Pengaruh Mutual Coupling Terhadap Antena Array

Besar kecilnya efek mutual coupling terhadap performansi antena susun tergantung pada :

a. Jenis antena dan parameter desainnya seperti impedansi elemen dan koefisien refleksi

b. Letak posisi elemen-elemen antena c. Pencatu dari antena susun

(16)

2.10 Defected Ground Structure (DGS)

Untuk menekan adanya efek mutual coupling pada antenna array atau pada antenna yang memiliki lebih dari satu patch peradiasi pada satu lapisan substrat, salah satu cara nya adalah dengan DGS. Metode DGS didasarkan dari PBG untuk merubah sifat dari gelombang dengan cara membuat satu atau lebih pola pencacatan dengan di etch pada bidang ground secara periodik ini menyerupai PBG. Sehingga dapat memperbaiki nilai VSWR dan koefisien refleksi dari suatu antena. Struktur DGS biasanya digunakan pada rangkaian filter dalam microstrip line yang akan menolak suatu frekuensi tertentu atau bandgapseperti halnya pada struktur PBG. Macam-macam bentuk DGS diantaranya Concentric Rings, Square Spiral, persegi panjang, dan bentuk Dumbbell dengan bentuk kepala yang berbeda.

Gambar 20. DGS Slot Dumbell Gambar 21. DGS Slot Trapesium

Pola yang di etching pada bidang ground akan mengganggu distribusi arus dan merubah impedansi antena. Gangguan ini dapat merubah karakteristik transmisi mikrostrip karena unit DGS dapat direpresentasikan sebagai rangkaian kapasitansi dan induktansi (LC). Rangkaian ekivalen slot DGS dapat diartikan sebagai berikut : R diartikan sebagai efek dari radiasi, L diartikan sebagai fluks magnetik yang melewati bidang ground, dan C diartikan sebagai besarnya gap kapasitansi. Performansi sirkuit R, L, C tersebut berkaitan erat dengan bentuk dan ukuran dari slot DGS.

Hal hal yang dapat mempengaruhi perubahan performansi suatu filter adalah dimensi dari kepala dumbbell tersebut, baik luas kepala dumbbell, panjang slot dumbbell, posisi slot antar elemen antena, lebar slot dumbbell, jarak antar masing-masing slot dumbbell, jumlah dari slot dumbbell. Berdasarkan [12], dikutip dari [18] semakin banyak jumlah slot dumbbell kurva S21 filter akan semakin tajam. Pada [6], dikutip dari [18] frekuensi resonansi filter akan menurun

(17)

secara liniear jika panjang slot antara kedua kepala dumbbell bertambah panjang. Selain itu frekuensi kerja filter dapat disesuaikan dengan mengubah-ubah luas dari kedua kepala dumbbell [11], dikutip dari [18]. Bagian unit DGS dapat membentuk frekuensi cutoff. Frekuensi cutoff yang dihasilkan berdasarkan luas slot, jarak antar slot, dan lebar penghubung slot. Gambar 22 memperlihatkan frekuensi cutoff yang terjadi dari grafik S11 dan S21. Selain diaplikasikan pada mikrostrip line dan rangkaian filter DGS juga dapat diaplikasikan pada antena mikrostrip

Gambar 22. Respon Frekuensi S11 dan S21 Pada Filter

Berbagai macam penelitian telah dilakukan untuk menemukan karakteristik dari berbagai bentuk DGS terhadap patch antena mikrostrip. Salah satunya bentuk DGS slot dumbbell [2], dan [14], dikutip dari [18]. Namun penelitian ini difokuskan untuk aplikasi filter. Pada DGS slot dumbbell, perubahan bentuk luas kepala dari dumbbell dan panjang slot (d) dapat mempengaruhi nilai induktansi sedangkan nilai kapasitansi dipengaruhi oleh lebar slot (s) antara kedua kepala dumbell. Gambar 23 merupakan rangkaian ekivalen R, L, C dari dumbbell bentuk kepala kota.

(18)

Z0 L C R ZL Zin

Gambar 23. Rangkaian Pengganti DGS Slot Dumbbell

Untuk mendapatkan nilai R, L, C maka dapat dilakukan rumus pendekatan sebagai berikut [14], dikutip dari [18].

……….