BAB II
SALURAN TRANSMISI MIKROSTRIP
2.1 Umum
Suatu informasi dari suatu sumber informasi dapat diterima oleh penerima informasi dapat terwujud bila ada suatu sistem atau penghubung diantara keduanya. Sistem transmisi itu dapat terdiri atas satu atau lebih media transmisi.
Media transmisi yang digunakan dapat berupa media fisik maupun non-fisik (nirkabel).
Media transmisi fisik merupakan suatu media yang dapat dilihat atau dipegang dan dapat diukur besaran fisiknya. Jenis media fisik yang sering digunakan yaitu kawat terbuka, dan kabel (kabel koaksial,serat optik). Sedangkan media transmisi non-fisik merupakan suatu media yang tidak dapat dilihat fisiknya yaitu berupa udara atau ruang bebas (free space). Sistem transmisi dengan media non-fisik merupakan sistem transmisi yang menggunakan gelombang radio sebagai penyalur informasinya. Gelombang radio terdiri dari garis-garis gaya medan listrik dan garis-garis gaya medan magnet yang merambat diruang bebas dengan kecepatan cahaya yakni c = 3x108 m/s.
Meskipun gelombang yang merambat pada saluran transmisi berupa medan listrik dan medan magnet yang terdapat dikedua penghantarnya, tetapi saluran transmisi tersebut dapat dimodelkan sebagai suatu rangkaian listrik atau rangkaian ekivalen yang memiliki tegangan dan arus sehingga dapat dianalisis bagaimana gelombang yang merambat pada saluran transmisi tersebut[1].
2.2 Jenis Media Saluran Transmisi
Prinsip transmisi secara umum adalah memindahkan tenaga dari satu titik ke titik yang lain. Dalam hal ini tenaga tersebut berupa sinyal ataupun data informasi. Proses pemindahan sinyal atau data informasi ini dapat dilakukan dengan menggunakan berbagai jenis media transmisi, baik yang digunakan pada frekuensi tinggi maupun gelombang mikro. Pada umumnya saluran transmisi yang sering digunakan yaitu saluran transmisi dua kawat sejajar, kabel koaksial, bumbung gelombang, balanced shielded line, dan mikrostrip.
a. Saluran transmisi dua kawat sejajar (two-wire transmission lines) Mempunyai penampang depan dan arah medan magnet serta medan listrik seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Two wire line
Jenis saluran ini jarang digunakan pada frekuensi tinggi, diatas 100MHz, karena pada frekuensi tinggi saluran ini menghasilkan rugi-rugi radiasi yang tinggi. Saluran transmisi sepasang kawat sejajar mempunyai impedansi karakteristik sebesar 300 ohm.
Medan Listrik ………. Medan Magnet
b. Saluran transmisi koaksial
Kabel koaksial mempunyai penampang depan, serta arah medan magnet (garis lurus) dan medan listrik (garis putus-putus) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kabel Koaksial
Kabel ini tidak mudah dipengaruhi oleh medan elektromagnetik luar karena konduktor dalam (iner) ditahan ditengah oleh bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik tertentu. Karena keunggulan inilah, saluran ini banyak digunakan pada frekuensi tinggi atau frekuensi radio sampai 3000 MHz. Diatas frekuensi tersebut, redaman pada saluran akan semakin tinggi.
c. Bumbung gelombang (waveguides)
Bumbung gelombang digunakan pada frekuensi sangat tinggi (>3GHz).
Karena bila menggunakan saluran koaksial pada daerah frekuensi tersebut, saluran koaksial akan mengalami rugi-rugi daya yang semakin besar. Bumbung gelombang terdiri dari 2 jenis, yaitu rektangular yang mempunyai penampang segiempat dan sirkular yang mempunyai penampang melintang berbentuk lingkaran. Bumbung gelombang ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Waveguide (a) Rectangular, (b) Circular
d. Balanced Shielded Line
Balanced shieldid line adalah perpaduan antara two wire line dan koaksial.
Saluran ini mempunyai penghantar ketiga yang membungkus kedua penghantar yang lain seperti ditunjukkan Gambar 2.4. Penghantar ketiga ini berfungsi untuk mengatasi hamburan medan magnet dan medan listrik yang terjadi pada dua kawat sejajar.
Gambar 2.4 Shielded Pair
e. Microstrip dan Stripline
Merupakan saluran transmisi yang bentuk fisiknya berupa kabel yang bersifat kaku, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. Saluran transmisi jenis ini biasanya digunakan untuk bekerja pada daerah frekuensi gelombang mikro (orde
GHz) dan digunakan untuk menghubungkan piranti elektronik yang berjarak dekat. Saluran microstrip biasanya dibuat dalam bentuk Primed Cabling Board (PCB) dengan bahan khusus yang mempunyai rugi-rugi rendah pada frekuensi gelombang mikro[2][3][4].
Gambar 2.5 (a) Microstrip, (b) Stripline
2.3 Saluran Transmisi Mikrostrip
Saluran transmisi yang sering digunakan untuk aplikasi frekuensi radio, gelombang mikro, dan rangkaian digital kecepatan tinggi adalah saluran planar.
Saluran transmisi planar terdiri atas tiga jenis,yaitu Triplate, Mikrostrip, dan Coplanar Line.
Ditinjau dari strukturnya, saluran transmisi planar mempunyai struktur elektromagnetika yang sangat kompleks, karena pada bidang penampangnya terdapat tiga material, yaitu dielektrika, metal, dan udara.
Pada Triplate masih bisa didapat solusi TEM (Transverse Electric Magnetic), karena hanya ada dua material didalamnya, yaitu metal dan dielektrika, sedangkan pada saluran transmisi planar lainnya yang didapat adalah gelombang hybrid (bukan TE dan bukan TM). Gelombang hybrida adalah gelombang yang memiliki komponen H dan komponen E kearah perambatannya.
(b) (a)
Jika saluran transmisi planar jenis mikrostrip digunakan pada frekuensi yang cukup rendah maka gelombang yang merambat adalah gelombang kuasi- TEM (seolah-olah TEM). Gelombang kuasi-TEM adalah gelombang yang komponen axialnya E dan H sangat kecil dibandingkan dengan komponen transversalnya, sehingga dapat diabaikan. Sehingga dapat dikembangkan konsep impedansi, tegangan dan arus seperti halnya pada kabel koax. Jika frekuensi yang digunakan semakin besar, maka komponen axial E dan H akan semakin besar juga, dan semakin signifikan, sehingga asumsi diatas tidak bisa lagi dilakukan.
Akan muncul model lain seperti HE1, HE2, dan seterusnya.
Dalam prakteknya akan ada frekuensi batas kerja dari saluran mikrostrip ini, sehingga efek di atas masih bisa diabaikan (Gambar 2.6).
f pada h=0,635 mm
Gambar 2.6 Mode-mode ordo tinggi pada mikrostrip.
Untuk mengkarakteristikan sifat dispersi saluran transmisi mikrostrip digunakan permitivitas relative efektif yang dirumuskan dengan :
(2-1)
Keterangan :
εr,e = permitivitas relative efektif c = Kecepatan cahaya (3 x 108 m/s) Vp = Kecepatan phasa (m/s)
Pada Gambar 2.6 εr,eff merupakan fungsi dari frekuensi, dengan εr = 9,8 dan w/h = 4,72, h = 0,635 mm, maka wilayah aplikasi maksimal berada pada frekuensi 14 GHz, sebelum mode HE1 mulai signifikan[5].
2.4 Struktur Geometri Saluran Mikrostrip
Gambar 2.7 adalah struktur geometri saluran mikrostrip secara umum.
Sebuah konduktor strip dengan lebar, w, dan ketipisan strip konduktor, t, diletakkan pada sebuah substrat dengan ketebalan , H, dan permitivitas, ε = ε0 εr. Dielektrik substrat memiliki groundplate di bawahnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7[6].
Gambar 2.7 Struktur geometri saluran transmisi mikrostrip.
2.5 Parameter Saluran Transmisi Mikrostrip
Impedansi karakteristik saluran transmisi mikrostrip seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7, adalah sebagai berikut :
(2-2)
dimana : = Impedansi karakteristik saluran (Ω) εr = Permitivitas dielektrik
H = Tebal dielektrik (mm)
W’= Lebar efektif strip konduktor (mm)
Dimana w’ adalah lebar efektif dari strip konduktor, yang dirumuskan dengan
(2-3)
dimana : w = Lebar strip konduktor (mm) t = Ketebalan strip konduktor (mm)
Konstanta redaman saluran transmisi mikrostrip adalah :
(2-4)
Dimana : α = Konstanta redaman (Np/m)
(2-5)
(2-6)
dimana
(2-7)
dan
(2-8) dimana : δ = kedalaman kulit strip konduktor dari konduktivitas σ (m2/rad)
σ = Koduktivitas (S/m)
μ0 = Permeabilitas konduktor (12,56 x 10-7 H/m)
(2-9)
dimana : q = Filling factor
(2-11)
(2-12)
Panjang Gelombang dan Kecepatan Phasa.
Panjang gelombang saluran transmisi mikrostrip adalah :
(2-13)
dimana : λ1 = Panjang gelombang saluran mikrostrip (m) Z0 = Impedansi karakteristik (Ω)
λ0 = panjang gelombang (m)
Z01 = Impedansi karakteristik efektif mikrostrip (Ω) c = Kecepatan cahaya (3x108 m/s)
f = Frekuensi 2,4 GHz
Konstanta phasa saluran transmisi mikrostrip adalah:
(2-14) dimana : β = Konstanta phasa (rad/m)
Kecepatan phasa gelombang elektromagnetik saluran transmisi mikrostrip adalah [6][7] :
(2-15) dimana : vp = Kecepatan phasa gelombang elektromagnetik (m/s)
2.6 Rugi-rugi Saluran Mikrostrip
Komponen rugi-rugi pada saluran mikorstrip terdiri dari rugi-rugi konduktor, rugi-rugi dielektrik, dan rugi-rugi akibat pemancaran gelombang, sementara rugi-rugi magnetic hanya berperan untuk substrat magnetic seperti ferit.
Konstanta propagasi pada saluran transmisi tanpa rugi-rugi merupakan bilangan kompleks, yaitu , dimana bagian riil α (neper per satuan panjang) adalah konstanta redaman, yang merupakan jumlah dari konstanta redaman yang timbul dari masing-masing efek. Dalam prakteknya dapat dinyatakan dalam decibel (dB) per satuan panjang, yang dapat dirumuskan dengan:
1 Np ≡ 20 / ln(10) = 8.685889638 dB 1 dB ≡ ln(10) / 20 Np = 0.115129255 Np
Rumus sederhana untuk perhitungan redaman yang dihasilkan oleh rugi- rugi konduktor adalah :
(2-16)
Dimana : Zc = impedansi karakteristik saluran mikrostrip W = Lebar strip konduktor
Rs = Resistansi strip konduktor dan ground plane (ohm)
ω = frekuensi angular
Persamaan (2-16) hanya dapat digunakan untuk lebar strip yang besar karena persamaan tersebut mengasumsikan bahwa distribusi arus yang mengalir disepanjang saluran mikrostrip adalah seragam.
Redaman karena rugi-rugi dielektrik pada saluran mikorstrip dapat ditentukan dengan
(2-17) dimana tanδ adalah rugi-rugi tangensial dari substrat dielektrik[8].
2.7 Komponen-komponen Terbuat dari Mikrostrip
Adapun komponen-komponen yang terbuat dari mikrostrip adalah : 1. Pembagi Daya dan Pengkopel
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2.8 Rangkaian pembagi daya
Gambar 2.9 Rat-race coupler dan Parallel line coupler
Pada gambar 2.8 ditunjukkan beberapa pembagi daya yang dibuat berdasarkan teknologi mikrostrip. Dengan menggunakan teknologi mikrostrip, komponen tersebut sangat mudah dibuat, hanya dengan proses lithography dan etching, sudah didapatkan bentuk dari struktur di atas substrat.
Gambar 2.8(a) menunjukkan power divider hybrid ring, yang berfungsi untuk membagi daya menjadi 2 (3 dB) dengan pergeseran phasa dari sinyal keluaran sebesar 90o.
Gambar 2.8(b) menunjukkan rat-race couple, berfungsi untuk menghasilkan perbedaan phasa sebesar 180o. Gambar 2.8(c) ditunjukkan branch- line coupler yang berfungsi untuk membagi dua sinyal masukan yang saling tegak lurus (orthogonal). Gambar 2.8(d) ditunjukkan parallel line coupler, berfungsi untuk membagi daya yang mendimensikan amplitudonya dengan faktor k (faktor k tergantung pada seberapa jauh kedua saluran parallel terpisah, dan sepanjang apa keduanya diparalelkan). Parallel line coupler digunakan untuk mengukur atau memonitor suatu sinyal tertentu. Gambar 2.9 menunjukkan foto untuk pembagi daya.
2. Filter
Filter adalah suatu komponen elektronika yang berfungsi untuk memilih sinyal yang diinginkan dan membuang sinyal yang tidak diinginkan. Pada Gambar 2.10 ditunjukkan beberapa filter yang dibuat berdasarkan teknologi mikrostrip.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2.10 (a) Filter Butterworth (HPF), (b) Filter Chebychefs (LPF), (c) Band pass filter, (d) Band stop filter.
Pada Gambar 2.11 ditunjukkan dua foto filter yang dibuat berdasarkan teknologi mikrostrip[5].
.
Gambar 2.11 Foto dua filter dengan menggunakan teknologi mikrostrip.
2.8 Keunggulan dan Kelemahan Saluran Mikrostrip
Saluran mikrostrip memiliki beberapa keunggulan dari saluran transmisi lainnya, diantaranya :
1. Dapat bekerja pada daerah frekuensi tinggi 2. Mempunyai ukuran dimensi yang kecil
3. Biaya fabrikasinya murah sehingga dapat diproduksi dalam jumlah yang besar 4. Elemen rangkaian dapat dipasang diatas substrat
Adapun kelemahan dari saluran mikrostrip adalah : 1. Lebar pita yang kecil
2. Efisiensi yang rendah 3. Penguatannya kecil.
