BAB II DASAR TEORI 2.1 Antena
Antena merupakan elemen penting yang terdapat dalam sistem telekomunikasi tanpa kabel (wireless). Pemilihan antena yang tepat, perancangan yang baik dan pemasangan yang benar menjamin kinerja (performansi) sistem tersebut [1].
Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah) elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam saluran transmisi menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi gelombang tertuntun, seperti terlihat pada Gambar 2.1 [1].
Gambar 2.1 Peran antena di sistem komunikasi nirkabel
2.2 Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip merupakan antena yang berbentuk papan (board) tipis dan mampu bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Secara fisik antena ini terlihat sederhana karena hanya berupa lempengan semacam PCB yang cukup dikenal dalam dunia elektronika. Dalam bentuknya yang paling dasar, sebuah antena mikrostrip terdiri dari sebuah bidang (patch) memancar disalah satu sisi lapisan (substrate) dielektrik yang memiliki bidang dasar (ground plane) di sisi lain.
Ɛr Substrate
Ground Plane Feedline
Patch
W L
h
CT
Gambar 2.2 Struktur dari Antena Mikrostrip
Gambar 2.2 menunjukkan struktur dari sebuah antena mikrostrip [2].
Secara umum, antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian, yaitu patch, substrate, dan ground plane. Patch terletak di atas substrat, sementara ground plane terletak pada bagian paling bawah. Pada umumnya, patch terbuat dari logam konduktor seperti tembaga atau emas dan mempunyai bentuk yang bermacam macam. Patch berfungsi sebagai pemancar (radiator). Bentuk patch antena mikrostrip yang sering dibuat, misalnya segi empat, segi tiga, lingkaran, dan lain-lain. Patch dan saluran pencatu biasanya terletak di atas substrate. Substrat merupakan bagian dielektrik yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan. Bagian
ini memiliki nilai konstanta dielektrik (Ɛr), faktor disipasi, dan ketebalan (h) tertentu. Ketiga hal tersebut mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth, dan juga efisiensi antena yang akan dibuat. Semakin tebal substrat maka bandwidth akan semakin meningkat tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan [3].
Antena Mikrostrip memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan antena konvensional gelombang mikro, diantaranya [4]:
1. Ringan, kecil, dan tipis;
2. Biaya fabrikasi yang murah;
3. Dengan pencatuan yang sederhana dapat menghasilkan polarisasi sirkular dan linear;
4. Mampu bekerja di dua frekuensi dan dapat menghasilkan dua polarisasi antena;
5. Dapat diintegrasikan dengan MIC (Microwave Integrated Circuit);
6. Feedline dan matching network dapat difabrikasi secara serempak dengan struktur antena.
Ada kelebihan, tentu juga ada kekurangan. Kekurangan dari antena mikrostrip dibandingkan dengan antena konvensional gelombang mikro adalah [4]:
1. Bandwidth yang sempit;
2. Gain yang rendah;
3. Rugi-rugi ohm yang besar pada struktur pencatuan;
4. Kemurnian polarisasi sulit untuk dicapai;
5. Timbulnya gelombang permukaan;
6. Antena mikrostrip yang difabrikasi pada substrat dengan konstanta dielektrik yang tinggi sangat mudah diintegrasikan dengan MIC. Akan tetapi, penggunaan substrat dengan konstanta dielektrik tinggi menghasilkan efisiensi yang rendah dan bandwidth yang sempit.
2.3 Parameter Umum Antena Mikrostrip
Kinerja suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena tersebut. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, Voltage Wave Standing Ratio (VSWR), return loss, bandwidth, keterarahan, penguatan, dan pola radiasi.
Sebagian parameter ini saling berhubungan satu dengan yang lainnya.
2.3.1 Impedansi Masukan
Impedansi masukan didefenisikan sebagai impedansi yang diberikan oleh antena kepada rangkaian di luar, pada suatu titik acuan tertentu . Saluran transmisi penghubung yang dipasangkan ke antena akan melihat antena tersebut sebagai beban dengan impedansi beban sebesar Zin. Secara matematis, Persamaan impedansi antena dapat dirumuskan pada Persamaan (2.1) [2] :
Zin = Rin + jXin (2.1) Dengan:
Zin = impedansi antena (Ω) Rin = resistansi antena (Ω) Xin = reaktansi antena (Ω)
2.3.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+
) dan tegangan yang direfleksikan (V0-
). Perbandingan tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) dirumuskan dalam Persamaan (2.2) [2] :
0
0 0
0
Z Z
Z Z V V
L L
(2.2)
di mana ZL = impedansi beban (load) Z0 = impedansi saluran.
Rumus untuk mencari VSWR diperlihatkan pada Persamaan (2.3) [2] :
VSWR =
1 1
~
~
min max
V V
(2.3)
VSWR yang bernilai 1 merupakan kondisi yang paling baik pada perancangan suatu antena yang mengartikan bahwa tidak ada refleksi ketika saluran berada dalam keadaan matching sempurna. Tetapi dalam prakteknya, kondisi ini sulit diterapkan sehingga nilai standar VSWR yang diijinkan boleh bernilai ≤ 2.
2.3.3 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). Perhitungan return loss dapat dilihat pada Persamaan (2.4) [5]:
return loss = 20 log10 |Γ|(dB) (2.4) Antena yang baik akan mempunyai nilai return loss dibawah -9,54 dB sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau saluran transmisi sudah berada dalam keadaan missmatched.
2.3.4 Lebar Pita (Bandwidth)
Bandwidth antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi kerja dari suatu antena dengan menunjukkan beberapa karakteristik yang sesuai pada standar yang ditentukan. Bandwidth dapat dipertimbangkan sebagai rentang frekuensi pada salah satu sisi dari frekuensi tengah dimana karekteristik antena dalam keadaan yang dapat diterima pada frekuensi tengah [4].
Untuk persamaan bandwidth dinyatakan sebagai [2]:
% 100
(%)
c l h broadband
f f
BW f (2.5)
2
l h c
f f f
(2.6)
l
h broadband
f BW f
(2.7)
dengan :
BWbroadband = bandwidth
fh = jangkauan frekuensi atas (Hz)
fl = jangkauan frekuensi bawah (Hz) 2.3.5 Keterarahan (Directivity)
Keterarahan dari suatu antena dapat didefenisikan sebagai perbandingan dari intensitas radiasi suatu antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata rata pada segala arah. Dengan kata lain, keterarahan dari sebuah sumber non isotropis sama dengan perbandingan dari intensitas radiasinya pada arah tertentu dengan sumber isotropisnya [2]. Keterarahan pada antena secara umum dinyatakan pada Persamaan (2.8) [6]:
rad
o P
D 4 Umax
log
10
(2.8)
dengan :
Do = directivity (dB)
Umax = intensitas radiasi maksimum (watt) Prad = daya radiasi total (watt)
2.3.6 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 [5]. Penguatan absolut dapat dihitung dengan Persamaan (2.9) [6]:
Pin
G U( , )
4
(2.9)
dengan: U(,) = intensitas radiasi
Pin = total daya masukan (daya yang diterima)
Penguatan relatif didefenisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang juga didefenisikan. Daya masukan harus sama untuk kedua antena itu. Antena referensi yang digunakan biasanya berupa antena dipole, horn, atau antena lainnya yang nilai gain-nya dapat dihitung maupun diketahui. Akan tetapi, dalam banyak keadaan antena referensi merupakan sumber isotropic yang loseless [5].
Penguatan relatif dapat dihitung dengan Persamaan (2.10) [6]:
( )
) , 4 (
lossless P
G U
in
(2.10)
2.3.7 Pola Radiasi
Pola radiasi merupakan gambaran secara grafik dari sifat – sifat radiasi suatu antena sebagai fungsi koordinat ruang. Dalam banyak keadaan, pola radiasi ditentukan pada pola daerah medan jauh dan digambarkan sebagai fungsi koordinat – koordinat arah sepanjang radius konstan, dan digambarkan pada koordinat ruang. Sifat – sifat radiasi ini mencakup intensitas radiasi, kekuatan medan (field strenght) dan polarisasi. Sedangkan untuk pola radiasi antena microstrip mempunyai fenomena yang sama dengan pola radiasi antena konvensional [4]. Medan radiasi antena terbagi menjadi medan jauh (far field) dan medan dekar (near field). Jarak minimum antara antena pemancar dengan antena penerima dirumuskan pada (4.1) sebagai [6]:
2 min
r 2D
(2.11)
dengan: rmin = jarak minimum pemancar dengan penerima (cm) D = dimensi terbesar dari antena (cm)
λ = panjang gelombang (cm) Pola radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.3 [6].
Gambar 2.3 Pola Radiasi Antena 2.3.8 Polarisasi
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum [4]. Polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda [3].
Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips).
Gambar 2.4 Polarisasi Linear
Polarisasi linier pada Gambar 2.4 terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu [3]. Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi:
a. Hanya ada satu komponen
b. Dua komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu 1800 atau kelipatannya.
Gambar 2.5 Polarisasi Melingkar
Polarisasi melingkar pada Gambar 2.5 terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik (medan
magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu [2].
Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai polarisasi ini:
a. Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus liner.
b. Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama.
c. Kedua komponen tersebut harus mempunyai perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil 900.
Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular Polarization (LHCP) dan Right Hand Circular Polarization (RHCP). LHCP terjadi ketika δ=+π/2, sedangkan RHCP terjadi ketika δ=-π/2.
Gambar 2.6 Polarisasi Elips
Polarisasi elips pada Gambar 2.6 terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vector medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang [3]. Kondisi yang harus dipenuhi untuk menciptakan 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 diantara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 00 atau kelipatan 1800 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa diantara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 900 (karena akan menjadi lingkaran).
2.3.9 Frekuensi Resonansi
Frekuensi resonansi merupakan frekuensi kerja dari sebuah antena. Rentang frekuensi kerja dari suatu antena dapat dilihat dari grafik Voltage standing Wave Ratio (VSWR) dan grafik return loss.
2.4 Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang
Patch berbentuk persegi panjang merupakan bentuk yang paling umum digunakan dan paling mudah untuk dianalisa. Perhitungan untuk menentukan ukuran patch persegi panjang adalah:
Menentukan lebar patch (W) [4]:
2 2 1
1 2 2
1 2 2
1 0
0
0
r r
r fo
c fr fr
W
(2.12)
dengan c adalah kecepatan cahaya di ruang bebas sebesar 3x108 m/s, fo adalah frekuensi kerja dari antena, dan Ɛr adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat.
Untuk menentukan panjang patch (L), diperlukan pertambahan panjang dari L
akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (ΔL) dirumuskan dengan Persamaan (2.13) [4].
8 . 0 ) 258 . 0 (
264 . 0 ) 3 . 0 ( 412 . 0
h W h W h
L
reff reff
(2.13)
Dimana h merupakan tinggi substrat dan Ɛreff adalah konstanta dielektrik relative yang dirumuskan pada Persamaan (2.14) [4].
W h
r r
reff
12 1
1 2
1 2
1
(2.14)
Sehingga panjang patch (L) dapat dihitung dengan Persamaan (2.15) [4].
L Leff 2L (2.15)
Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dirumuskan dengan [4]:
reff
eff f
L c
0
2 (2.16)
Hal yang mempengaruhi kerja antena selain lebar dan panjang patch peradiasi adalah lebar saluran pencatu (Wf). Saluran pencatu yang digunakan memiliki impedansi 50 ohm. Lebar saluran pencatu dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.17) dan (2.18) [7].
r r
r
f h B B B
W
61 , 39 0 , 0 ) 1 2 ln(
1 1 2 ln 2 1
(2.17)
dimana
B Z r
2 0
377
(2.18)
2.5 Teknik Pencatuan Proximity Coupled
Beberapa teknik pencatuan yang populer pada antena mikrostrip antara lain microstrip line, coaxial probe, aperture coupling, dan proximity coupling.
Karena antena meradiasi dari satu sisi substrat, maka akan lebih gampang untuk memberikan pencatuan di sisi lainnya (ground plane) atau dari sisi elemen.
Proximity coupling menggunakan dua substrat Ɛr1 dan Ɛr2. Patch berada diatas, ground plane berada dibawah dan saluran transmisi menghubungkan sumber daya dan berada diantara dua substrat seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7 [8]. Tipe ini dikenal juga sebagai “electromagnetically coupled microstrip feed”.
Gambar 2.7 Pencatuan Proximity Coupled
Keuntungan utama dari teknik pencatuan ini adalah menghilangkan radiasi feeding dan memberikan bandwidth yang lebar (bisa mencapai 13%), berkaitan dengan bertambah tebalnya antena mikrostrip. Pencatuan ini juga memberikan pilihan untuk memakai substrat yang berbeda antara substrat untuk patch dan substrat untuk feedline untuk mengoptimalkan performansinya. Matching dapat diperoleh dengan mengatur panjang feedline dan perbandingan lebar patch antena.
Kerugiannya adalah antena dengan pencatuan proximity coupled sulit difabrikasi karena dua substrat harus memiliki pensejajaran yang tepat. Perbedaan karakteristik antara masing-masing pencatuan terlihat pada Tabel 2.1 [2].
Tabel 2.1 Perbandingan karakteristik teknik pencatuan
Karakteristik
Pencatuan Mikrostrip
Line
Pencatuan Coaxial
Pencatuan Aperture
Coupled
Pencatuan Proximity
Coupled Radiasi feed Lebih Banyak Lebih Banyak Sedikit Minimum
Keandalan Lebih Baik
Buruk karena pengaruh penyolderan
Baik Baik
Fabrikasi Mudah
Dibutuhkan penyolderan
dan pengeboran
Cukup Rumit Cukup Rumit
Matching
Impedance Mudah Mudah Mudah Mudah
Bandwidth 2-5% 2-5% 2-5% 13%
2.6 Teknik Menghasilkan Dual Frekuensi
Frekuensi ganda atau dual frequency atau disebut juga dengan dualband antena mikrostrip merupakan suatu jenis antena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah frekuensi yang berbeda satu dengan lainnya tanpa memerlukan dua buah antena yang berbeda secara fisik.
Terdapat tiga jenis teknik untuk mendapatkan antena dengan dua frekuensi resonansi yang berbeda, yaitu [5]:
1. Orthogonal mode dual-frequency patch antennas 2. Multi-patch dual-frequency antennas
Orthogonal mode dual frequency patch antennas
jenis antena mikrostrip yang dicatu oleh dua mode dominan yang dengan lainnya [9].
sehingga menghasilkan dua buah frekuensi. Atau bisa juga dengan menggunakan pencatuan ganda.
Gambar 2.8
Sedangkan multi patch dual frequency antennas
jenis antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masing-masing elemen mempunyai frekuensi
Cara lain yang bisa dilakukan adalah dengan menyusun lapisan substrat.
Gambar
Adapun jenis yang ketiga adalah antenna (Gambar 2.10)
Orthogonal mode dual frequency patch antennas (Gambar 2.8) jenis antena mikrostrip yang dicatu oleh dua mode dominan yang
Pencatu diletakkan sedemikian rupa pada satu buah sehingga menghasilkan dua buah frekuensi. Atau bisa juga dengan menggunakan
Gambar 2.8 Orthogonal mode dual frequency patch antennas multi patch dual frequency antennas (Gambar 2.9)
jenis antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena masing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda Cara lain yang bisa dilakukan adalah dengan menyusun patch antena pada satu
Gambar 2.9 Multi-patch dual-frequency antennas
Adapun jenis yang ketiga adalah reactively loaded dual frequency patch (Gambar 2.10), yaitu satu jenis antena mikrostrip yang diberi beban (Gambar 2.8) adalah satu jenis antena mikrostrip yang dicatu oleh dua mode dominan yang orthogonal satu Pencatu diletakkan sedemikian rupa pada satu buah patch sehingga menghasilkan dua buah frekuensi. Atau bisa juga dengan menggunakan
Orthogonal mode dual frequency patch antennas
(Gambar 2.9) adalah satu jenis antena mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena resonansi yang berbeda [9].
antena pada satu
frequency antennas
reactively loaded dual frequency patch , yaitu satu jenis antena mikrostrip yang diberi beban
reaktif (reactive load) tambahan sehingga secara keseluruhan antena tersebut akan beresonansi pada dua frekuensi yang berbeda. Beban yang dimaksud bisa berupa slot, pin, stub, slot dan pin, ataupun kapasitor. Beban reaktif tersebut diletakkan pada tepi peradiasi untuk menghasilkan panjang resonansi yang lebih jauh, dimana panjang resonansi ini berkaitan dengan pembangkitan frekuensi lainnya [9].
Gambar 2.10 Reactively loaded dual frequency patch antenna
