BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 ANTENA MIKROSTRIP
Konsep tentang antena mikrostrip pertama sekali diusulkan oleh Deschamps pada tahun 1953, dan mendapatkan hak patennya pada tahun 1955 atas nama Gutton dan Baissinot. Perkembangan yang pesat terhadap antena mikrostrip ini baru terjadi 20 tahun setelahnya yaitu sekitar tahun 1970an. Hal ini disebabkan adanya dukungan berupa ketersediaan bahan substrate yang baik dengan loss tangent yang kecil, kondisi parameter thermal dan mekanik yang menarik, adanya peningkatan di dalam teknik pencetakannya, dan bertambahnya teori tentang model-model antena mikrostrip (Garg et al, 2001).
Antena mikrostrip merupakan sebuah antena yang tersusun atas 4 elemen yaitu: elemen peradiasi (patch), elemen substrat (substrate) elemen saluran pencatu (feed line) dan elemen pentanahan (ground plane), seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1 (Rambe, 2012).
Patch
Substrate
Ground plane Feed line
Gambar 2.1 Konfigurasi dasar antena mikrostrip
Bentuk patch sangat bervariasi sesuai dengan rancangan yang diinginkan. Bentuk-bentuk yang umum dan sederhana dari patch sepertti segiempat, segitiga, strip (dipole) dan lingkaran dapat dilihat pada Gambar 2.2 (Balanis, 2005).
Gambar 2.2 Representatif Bentuk-Bentuk patch
Elemen substrat (substrate) merupakan bahan dielektrik yang memisahkan antara patch dan bidang pentanahan (ground plane). Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik (εr
Tabel 2.1 Konstanta Bahan Dielektrik
) dan loss tangent. Tabel 2.1 memperlihatkan nilai konstanta dielektrik dan loss tangent dari beberapa jenis bahan dielektrik (Garg et al, 2001).
Jenis Bahan (material) Konstanta
Dielektrik Loss Tangent
Udara 1 0
Foam 1,07 0,0009
Epoxy FR 4 4,4 0,01
RT/Duroid 5880 2,2 0,0009
Polysterene-quartz 2,6 0,0005
Teflon-ceramic 2,3 0,001
Polyolefin-ceramic 3 – 10 0,001
Polyester-ceramic 6 0,017
Silicon 3 – 25 0,0005
Ray (2003) membagi ke dalam 2 (dua) teknik pencatuan yang dikenal yaitu pencatuan langsung (excited directly) dan pencatuan tidak langsung (excited indirectly). Teknik pencatuan langsung yang umum digunakan adalah microstrip-line feed dan coaxial-microstrip-line feed. Sedangkan teknik pencatuan tidak langsang antara lain electromagnetically coupled, aperture coupled, dan coplanar waveguide (Rambe, 2012).
Elemen pentanahan (ground plane) merupakan pembumian bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi.
Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang mempunyai kelebihan dan kekurangan sebagai berikut (James dan Hall, 1989), (Garg et al, 2001),
1. Kelebihan, diantaranya : a Low-profile dan ringan.
b Low-fabrication : fabrikasi mudah dan murah, dan diproduksi dengan menggunakan teknik printed-circuit.
c Bisa menghasilkan polarisasi sirkular maupun linier.
d Bisa dibuat compact sehingga cocok untuk sistem komunikasi bergerak. e Bisa beropersai pada single, dual, ataupun multiband.
2. Kekurangan, diantaranya : a Bandwidth yang sempit. b Gain yang rendah.
c Struktur pencatuan yang kompleks untuk jenis array.
PCS (1850-1990 MHz), dan UMTS (1920-2170 MHz) ditunjukkan pada Gambar 2.3 (Park, G. et al, 2008). Rancangan antena mikrostrip tersebut mampu bekerja pada 4 band frekuensi sekaligus (multi band).
Gambar 2.3 Rancangan Antena Mikrostrip pada Handphone
Sebuah rancangan antena mikrostrip pada sebuah notebook diperlihatkan pada Gambar 2.4 (Huang, W. dan Kishk, A. A., 2008). Antena mikrostrip yang berbentuk L ini mampu bekerja untuk sistem Wireless Local Area Network (WLAN) pada frekuensi 2,4 GHz.
Gambar 2.4 Rancangan Antena Mikrostrip pada notebook
Gambar 2.5 Aplikasi Antena Mikrostrip pada Sistem RFID
Sebuah rancangan antena mikrostrip yang dapat bekerja pada 3 frekuensi WiMAX yaitu 2,3 GHz, 3,3 GHz dan 5,8 GHz diperlihatkan pada Gambar 2.6 (Zulkifli, F. Y. et al, 2008).
Gamabr 2.6 Antena Mikrostrip untuk Aplikasi WiMAX (2,3 GHz, 3,3 GHz dan 5,8 GHz)
Gambar 2.7 memperlihatkan sebuah rancangan antena mikrostrip yang dapat bekerja pada sistem UWB (ultra wideband) dengan rentang frekuensi 2 – 6 GHz (Lin, S.Y. et al, 2008). Antena ini bekerja dengan sistem MIMO 4 kanal.
Dari beberapa rancangan antena mikrostrip tersebut dapat dilihat bahwa antena mikrostrip memiliki keunikan yang cukup luas. Berbagai modifikasi baik pada patch, saluran pencatu, substrate dan ground plane dapat dilakukan untuk mendapatkan spesifikasi antena yang diinginkan.
2.2 PARAMETER KINERJA ANTENA MIKROSTRIP
Kinerja (performansi) dari sebuah antena mikrostrip dapat dilihat dari beberapa parameter utamanya yaitu frekuensi resonansi, impedansi input, VSWR (voltage standing wave ratio), return loss, bandwidth, pola radiasi dan gain.
2.2.1 Frekuensi Resonansi
Resonansi dapat diartikan dengan ikut bergetarnya sebuah benda akibat benda lain yang bergetar dengan frekuensi tertentu. Resonansi pada antena merupakan peristiwa ikut bergetarnya sebuah antena akibat adanya getaran (frekuensi radio) yang ada di sekitarnya. Frekuensi resonansi ini dapat disebut juga sebagai frekuensi kerja dari antena.
2.2.2 Impedansi Input
Impedansi input (Zin) adalah impedansi pada terminal masukan antena atau rasio tegangan terhadap arus pada terminal input atau perbandingan komponen-komponen bersesuaian dari medan elektrik terhadap medan magnetik pada sebuah titik. Impedansi masukan terdiri dari komponen real (Rin) dan komponen imajiner (Xin
in in in
Z =R + jX
). Impedansi masukan dituliskan sebagai berikut :
(Ohm) (2.1) Dimana: Zin
R
= impedansi antena
in
X
= resistansi antena
Kondisi matching terjadi ketika besar impedansi input antena sama dengan besar impedansi karakteristik saluran transmisi.
2.2.3 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan amplitudo tegangan antara gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dan minimum (|V|min
1 1 VSWR= + Γ
− Γ
). Secara khusus, VSWR dapat dinyatakan dengan persamaan (Wadell, 1991), (Volakis, 2007) :
(unitless) (2.2)
Dimana Γ merupakan koefisien rerfleksi tegangan yang memiliki nilai kompleks dan merepresentasikan besarnya magnitude dan fasa refleksi. Refleksi tegangan terjadi akibat tidak sesuainya impedansi saluran transmisi dan impedansi beban terminasi yang dinyatakan sebagai (Wadell, 1991) :
0
Di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0
•
adalah impedansi karakteristik saluran. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka (Wadell, 1991) :
Γ = − 1
•
: refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat (short circuit), VSWR = ∼ : 1.
Γ = 0
•
: tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan sesuai sempurna (perfect match), VSWR = 1 : 1.
Γ = + 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian
terbuka (open circuit), VSWR = ∼ : 1.
digunakan adalah < 2 yaitu pada saat | Γ| bernilai 1/3 atau pada saat ZL= 2 Z0. (Volakis, 2007).
2.2.4 Return Loss
Return loss merupakan koefisien refleksi dalam bentuk logaritmik yang menunjukkan daya yang hilang karena beban dan saluran transmisi tidak matching. Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara impedansi saluran transmisi dengan impedansi masukan beban. Sehingga tidak semua daya dapat diradiasikan dan terdapat daya yang dipantulkan balik. Return loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
10
Apabila nilai VSWR < 2, maka dengan menggunakan persamaan di atas akan didapatkan nilai return lossnya lebih kecil dari – 9,54 dB.
2.2.5 Bandwidth
Bandwidth didefenisikan sebagai rentang frekuensi kerja dari suatu antena. Nilai bandwidth dapat diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas sudah diketahui. Frekuensi bawah (fb) adalah nilai frekuensi awal dari frekuensi kerja antena, sedangkan frekuensi atas (fa
) merupakan nilai frekuensi akhir dari frekuensi kerja antena. Bandwidth secara umum dapat dinyatakan sebagai (Volakis, 2007) :
a b
bandwidth
= −
f
f
(Hz) (2.6)
0
2
a b
f
f
f
=
−
(Hz) (2.7)Bandwidth dapat juga dinyatakan dalam bentuk persentase yang dirumuskan sebagai berikut (Volakis, 2007) :
0
100% a b
f f bandwidth
f −
= × (%) (2.8)
dengan: fa f
= frekuensi atas dalam band (Hz)
b
f
= frekuensi bawah dalam band (Hz) 0
Gambar 2.8 mengilustrasikan sebuah bandwidth yang diperoleh berdasarkan grafik VSWR versus frekuensi dari nilai standar VSWR yaitu ≤ 2.
= frekuensi tengah dalam band (Hz),
Gambar 2.8 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth
2.2.6 Pola Radiasi
(a) Tampilan tiga dimensi (b) Tampilan dua dimensi
Gambar 2.9 Pola radiasi antena
Sebuah pola radiasi memiliki beberapa bagian yaitu main lobe (berkas pancaran utama), side lobe (berkas pancaran pada sisi-sisi) dan back lobe (berkas pancaran ke arah belakang). Besar arah pancaran radiasi maksimum dari sebuah antena dinyatakan sebagai HPBW (half power beamwidth) yaitu sudut di antara titik setengah daya (atau – 3dB) dari main lobe (Balanis, 2005).
2.2.7 Gain
Secara umum, gain merupakan perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena dengan intensitas radiasi maksimum antena referensi yang daya inputnya sama. Hal ini dapat dituliskan dengan rumus (Balanis, 2005) :
m mr U G
U
= (2.9)
dimana :
G = gain
Umr = intensitas radiasi maksimum antena referensi dengan daya input yang sama
Gain dapat dinyatakan sebagai perkalian dari efisiensi radiasi dan direkstivitas yaitu (Stutzman, 1981) :
G= ⋅e D (2.10)
Dimana direktivitas (D) merupakan keterarahan intensitas radiasi antena dan e merupakan efisiensi radiasi yang muncul akibat adanya rugi-rugi ohmic dari struktur antena.
Secara umum, hubungan antara direktivitas dan gain terhadap dimensi fisik dari antena dapat dinyatakan dengan (Stutzman, 1981), (Huang dan Boyle, 2008) :
= Aperture fisik antena
e ε
= Aperture efektif antena
ap = efisiensi aperture antena
2.3 ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGIEMPAT
Patch
Gambar 2.10 Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Panjang dan lebar dari patch segiempat ini merupakan parameter utama untuk mendapatkan frekuensi resonansi yang diinginkan. Dimana ukuran keduanya dipengaruhi oleh ketebalan (h) dan nilai konstanta dielektrik (εr
(
1)
substrate yang digunakan. Lebar patch dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (James dan Hall, 1989), (Balanis, 2005) :(2.14)
Dimana c adalah kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di ruang bebas yaitu sebesar 3x108 m/det, fr adalah frekuensi resonansi dari antena dan εr
adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat. Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) dirumuskan sebagai (James dan Hall, 1989), (Balanis, 2005):
2
eff
L=L − ∆L (2.15)
Dimana Leff
merupakan panjang patch efektif yang dapat ditentukan dengan (Balanis, 2005), (Hamad, 2012) :
2
adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai (Hamad, 2012) :
Persamaan-persamaan tersebut masih memiliki deviasi terhadap rancangan aktualnya. Hal ini disebabkan antara lain nilai toleransi konstanta dielektrik, keseragaman tebal bahan dielektrik dan ketidak-akuratan fabrikasi (etching) terhadap ukuran panjang dan lebar patch (Garg et al, 2001).
Impedansi input (Zin
) antena mikrostrip patch segiempat diaproksimasikan sebagai (Huang dan Boyle, 2008) :
2
Secara formula, bandwidth yang dapat dicapai oleh antena mikrostrip patch segiempat untuk VSWR < 2 adalah (Huang dan Boyle, 2008) :
2 2
Patil V. P. (2012) mengungkapkan bahwa aproksimasi perhitungan bandwidth antena mikrostrip patch segiempat dapat dihitung dengan :
% 180.
0
Gain antena mikrostrip patch segiempat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Dimana λ0 merupakan panjang gelombang pada frekuensi resonansi (fr).
2.4 TEKNIK PENCATUAN APERTURE COUPLED
Teknik pencatuan pada antena mikrostrip merupakan teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip. Terdapat berbagai konfigurasi teknik yang telah dikembangkan yang masing-masingnya tentu memiliki kelebihan dan kekurangan. Untuk mendapatkan bandwidth yang lebar, salah satu teknik yang dapat digunakan adalah dengan teknik pencatuan aperture coupled. Arsitektur teknik pencatuan ini ditunjukkan pada Gambar 2.11.
Slot
Pada konfigurasi teknik pencatuan aperture copled, terdapat sebuah slot pada ground plane yang untuk mengkopel patch dari saluran pencatu. Bentuk, ukuran, dan lokasi penempatan slot aperture dapat mempengaruhi pengkopelan tersebut, begitu juga dengan tinggi substrat yang digunakan dapat bervariasi dengan susunan yang berlapis-lapis (multilayer) (Kumar et al, 2003).
Teknik pencatuan jenis ini pertama sekali dibuat pada tahun 1985 yang bertujuan untuk meningkatkan bandwidth dari antena mikrostrip. Dengan pengoptimalan beberapa parameter termasuk dimensi slot aperture, maka dapat dicapai bandwidth mendekati 70 % (Kumar et al, 2003). Untuk menentukan dimensi slot aperture dari teknik pencatuan ini dapat digunakan Persamaan 2.24 dan 2.25 (Abdel-rahman, 2005).
Panjang slot aperture (La
):
0 (0,1 0, 2)
= −
a
L λ (2.24)
Lebar slot aperture (Wa
W ):
a = 0,10La (2.25)
2.5 MODEL ANALISIS
W
L
Ls
Lf La
Wa
Wf
Gambar 2.12 Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan pencatuan Aperture Coupled
Gr
Bopen Bopen
Gr
n1
1
L1 L2
Y0 , β Z1 Z2 Y0 , β
Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Model Saluran Transmisi dari Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan pencatuan Aperture Coupled
Pada rangkaian ekivalen tersebut, pengkoplingan patch oleh slot aperture dimodelkan sebagai sebuah transformator dengan nilai rasio lilitan n1
n
(Garg et al, 2001) :
1 = La Dimana L
/ W (2.26)
a adalah panjang slot aperture dan W adalah lebar patch. Adapun patch direpresentasikan sebagai 2 buah impedansi (Z1 dan Z2
Z
) karena slot aperture tepat berada ditengah patch. Impedansi patch dapat dinyatakan sebagai (Garg et al, 2001) :
Dimana Y1 dan Y2 merupakan admitansi dari impedansi Z1 dan Z2. Impedansi masukan (Zin
) dari saluran pencatu dinyatakan sebagai (Deb et al, 2011) : impedansi karakteristik dan konstanta fasa dari saluran pencatu. Ls merupakan panjang stub yaitu pertambahan panjang saluran pencatu. Sedangkan n2 adalah nilai rasio lilitan transformator yang merepresentasikan pengkoplingan patch oleh saluran pencatu yang dinyatakan sebagai (Garg et al, 2001) :
merupakan fungsi Bessel untuk order-nol, dan parameter lainnya dinyatakan sebagai (Garg et al, 2001) :
1 0 rf res ref Dimana εrf merupakan konstanta dielektrik dari substrate saluran pencatu (feed substrate), εref = konstanta dielektrik efektif feed substrate, εres = konstanta
dielektrik efektif stub. βs = konstanta redaman saluran stub dan βf
Admitansi aperture (Y
= konstanta redaman saluran feed.
(2.34)
(2.35)
Dimana Yos merupakan admitansi karakteristik stub dan La adalah panjang slot aperture. Z0 adalah impedansi karakteristik saluran pencatu.
2.6 SALURAN MIKROSTRIP
Saluran mikrostrip (microstrip line) merupakan saluran transmisi yang bentuk fisiknya bersifat kaku (rigid). Saluran jenis ini biasanya digunakan untuk bekerja pada daerah frekuensi gelombang mikro (orde GHz) dan digunakan untuk menghubungkan piranti-piranti elektronik yang berjarak dekat. Saluran mikrostrip biasanya dibuat dalam bentuk PCB dengan bahan khusus yang mempunyai rugi-rugi rendah pada frekuensi gelombang mikro. Bentuk fisik dan pola medannya dapat dilihat pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14 Konstruksi dan pola medan microstrip
Impedansi karakteristik dari saluran mikrostrip untuk lebar saluran yang sempit dengan w/h ≤ 2 dapat dinyatakan sebagai (Fooks dan Zakarevicius, 1990) :
dan untuk w/h ≥ 2 :
1
0 2
1 1
376, 7
0,8825 0,1645 1, 4516 ln 0,94
2 w = lebar konduktor mikrostrip [m] εr = konstanta bahan dielektrik
2.7 BAHAN DIELEKTRIK SUBSTRAT
Pada antena mikrostrip, bahan dielektrik substrat merupakan komponen yang cukup penting. Berbagai parameter antena mikrostrip seperti ukuran patch dan lebar saluran pencatu sangat bergantung dari nilai konstanta bahan dielektriknya. Salah satu perhitungan yang terkait padanya nilai konstanta bahan dielektrik adalah perhitungan nilai kapasitansi. Susunan antena mikrostrip yang berupa patch, substrat, dan ground plane merupakan sebuah kapasitor keping sejajar seperti dipelihatkan pada Gambar 2.15.
A
d
Pelat konduktor
ε
Gambar 2.15 Kapasitor Keeping Sejajar
Nilai kapasitansi dari keping sejajar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Hayt, 1989) :
C o rA
d ε ε
Dimana : εo = permitivitas udara = 8,854 x 10-12
ε
F/m
r
A = luas permukaan kepingan
= permitivitas relatif bahan (konstanta dielektrik bahan)
d = jarak antar kepingan
Susunan bahan dielektrik rangkap bertingkat seperti diperlihatkan pada Gambar 2.16 menghasilkan nilai kapasitansi dengan dua kapasitor yang dipasang seri.
A
d1
Pelat konduktor ε1
d2 ε2
Gambar 2.16 Kapasitor Keping Sejajar dengan Dua Jenis Bahan Dielektrik
Nilai kapasitansi dari dua kapasitor yang dipasang seri dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Hayt, 1989) :
1 2
1
1 1
C
C C
=
+ (2.39)
dimana C1 = ε1.A/d1 dan C2 = ε2.A/d2
