ANALISIS PERBANDINGAN ANTARA SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED UNTUK ANTENA MIKROSTRIP PACTH SEGIEMPAT

ANALISIS PERBANDINGAN ANTARA SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED UNTUK ANTENA

MIKROSTRIP PACTH SEGIEMPAT

Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Teknik Telekomunikasi

Oleh

RAMANDO SINAGA NIM : 100422029

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2013

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR

ANALISIS PERBANDINGAN ANTARA SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED UNTUK ANTENA

MIKROSTRIP PACTH SEGIEMPAT Oleh :

RAMANDO SINAGA 100422029

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PPSE FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada Tanggal 09 Bulan Oktober Tahun 2013 di depan penguji : 1. Ketua Penguji : Maksum Pinem, ST.MT ………..

2. Anggota Penguji : Naemah Mubarakah, ST.MT ………..

Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir

Ali Hanafiah Rambe, ST.MT NIP. 197808262003121001

Diketahui Oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si NIP. 195405311986011002

ABSTRAK

Antena mikrostrip saat ini merupakan salah satu antena yang sangat pesat perkembangannya dalam sistem telekomunikasi. Sehingga banyak diaplikasikan pada peralatan-peralatan telekomunikasi modern saat ini. Antena mikrostrip mempunyai beberapa kelebihan yaitu memiliki bentuk yang kompak, dimensi kecil, mudah untuk dipabrikasi, dan mudah untuk dihubungkan dengan perangkat komunikasi nirkabel yang ada.

Pencatuan pada antena mikrostrip dapat dibedakan 2 jenis yaitu pencatuan langsung dan pencatuan tidak langsung. Pencatuan langsung merupakan teknik pertama sekali ditemukan dan memiliki susunan yang sederhana. Sedangkan pencatuan tidak langsung merupakan teknik yang dikembangkan untuk mendukung berbagai kelebihan antena miktrostrip.

Pada Tugas Akhir ini dianalisis perbandingan antara saluran pencatu feed line dan proximity coupled. Untuk membandingkan kedua saluran pencatu ini dengan menggunakan simulator Ansoft High Frequency Structure v10. Adapun parameter pencapaian yang akan dianalisis adalah bandwith, VSWR, gain, dan ukuran patch. Hasil yang didapat setelah dilakukan simulasi dan iterasi yaitu VSWR feed line = 1,22 sedangkan proximity coupled = 1,58, gain feed line = 1,48 dBi sedangkan proximity coupled = 2,57 dBi. Teknik pencatu proximity coupled dapat memperlebar bandwidth 100% dari pencatu feed line, serta besarnya nilai L dan W sangat memepengaruhi frekuensi kerja kedua saluran pencatu.

KATA PENGANTAR

Segala puji serta syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi segala cobaan dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah:

“ANALISIS PERBANDINGAN ANTARA SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED UNTUK ANTENA

MIKROSTRIP PACTH SEGIEMPAT”

Selama penulis menjalani masa pendidikan di kampus ini hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang dengan ikhlas dan sabar membimbing penulis hingga Tugas Akhir terselesaikan.

2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, MSi selaku Ketua Departemen Teknik Elekto Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Rahmat Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Dosen Pembanding yang membantu dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.

Universitas Sumatera Utara yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis selama menjalani perkuliahan.

6. Seluruh Karyawan di Dapartemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, khususnya buat Bang Martin dan Bang Divo terima kasih atas semua bantuannya.

7. Bapak dan Ibu tercinta serta seluruh keluarga tersayang atas dukungannya berupa motivasi, semangat dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

8. Sahabat-sahabat terbaik ektensi 010: Masta, Dedi, Ginda, Yolan, Uji, Astrid, Nata, Roland, Franklin, Bang Doni, Edu, Dontri, Eljas, Pak Iwan, Ijong, Nova, Ami, Reni, Gita, Winny, Bang Hatta, serta buat teman yang tak disebut namanya terima kasih atas kebaikan yang telah kalian berikan kepada penulis selama kuliah, semoga komunikasi kita terus terjaga.

9. Buat teman-teman Pemuda GKPS Padang Bulan dan teman satu kos Seruling 19, terimakasih untuk perhatian dan doanya.

10. Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan, baik dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu saran dan kritikan dengan tujuan penyempurnaan dan pengembangan penelitian dalam bidang ini sangat penulis harapkan.

Akhir kata penulis mengharapkan semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca sekalian terutama bagi penulis sendiri.

Medan, Oktober 2013 Penulis

Ramando Sinaga NIM. 100422029

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR. ... ii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penulisan Tugas Akhir ... 3

1.4 Batasan Masalah ... 3

1.5 Metodologi ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II DASAR TEORI ... 6

2.1 Antena ... 6

2.2 Antena Mikrostrip ... 7

2.3 Model Cavity ... 9

2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip ... 12

2.4.1 Bandwidth ... 12

2.4.2 Return Loss ... 13

2.4.3 Voltage Standing Wave Ratio(VSWR) ... 14

2.4.4 Polarisasi ... 15

2.4.5 Keterarahan (Directivity) ... 18

2.4.6 Penguatan (Gain) ... 19

2.4.7 Frekuensi Resonansi ... 20

2.4.8 Pola Radiasi ... 21

2.5 Antena Mikrostrip Patch Segiempat ... 21

2.6 Teknik Pencatuan... 24

2.6.1 Pencatuan Secara Langsung (Direct Coupling) ... 25

2.6.1.1 Pencatuan Saluran Mikrostrip (Feed Line) ... 25

2.6.1.2 Pencatuan Probe Koaksial ... 26

2.6.2 Pencatuan Secara Tidak Langsung (Electromagnetic Coupling) ... 26

2.6.2.1 Proximity Cuopling ... 26

2.6.2.2 Aperture Coupling ... 27

2.7 Ukuran Saluran Pencatu ... 28

2.8 Ansoft High Frequency Structure Simulator v10 ... 29

BAB III PERANCANGAN SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED ... 30

3.1 Umum ... 30

3.2 Jenis Substrate yang Digunakan ... 30

3.3 Perancangan Patch Segiempat Elemen Tunggal ... 31

3.3.1 Menentukan Frekuensi Antena ... 34

3.3.2 Perancangan Ukuran Patch ... 34

3.4 Perancangan Ukuran Pencatu Feed Line ... 36

3.5 Perancangan Ukuran Pencatu Proximity Coupled ... 37

BAB IV HASIL DAN ANALISIS PERBANDINGAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED ... 39

4.1 Hasil Rancangan Antena Patch Segiempat dengan Pencatu Feed Line ... 39 4.2 Hasil Rancangan Antena Patch Segiempat dengan Pencatu Proximity

Coupled ... 45 4.3 Analisis Perbandingan Pencatu Feed Line dan Proximity Coupled .... 51 4.3.1 Perbandingan VSWR Antena Mikrostrip Pencatu Feed Line dan

Proximity Coupled ... 52 4.3.2 Perbandingan Bandwith Antena Mikrostrip Pencatu Feed Line

dan Proximity Coupled ... 53 4.3.3 Perbandingan Gain Antena Mikrostrip Pencatu Feed Line dan

Proximity Coupled ... 54 4.3.4 Perbandingan Ukuran Pacth Antena Mikrostrip Pencatu Feed

Line dan Proximity Coupled ... 54 4.3.5 Analisis Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip Saluran

Pencatu Feedline dan Proximity coupled Serta Penggunaannya ... 55 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 57 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Contoh berbagai macam bentuk antena ... 7

Gambar 2.2 Stuktur antena mikrostrip ... 8

Gambar 2.3 Bentuk patch antena mikrostrip ... 9

Gambar 2.4 Distribusi muatan dan densitas arus yang terbentuk pada patch mikrostrip ... 10

Gambar 2.5 Rentang frekuensi yang menjadi bandwidth ... 12

Gambar 2.6 Polarisasi linier ... 16

Gambar 2.7 Polarisasi melingkar ... 17

Gambar 2.8 Polarisasi elips ... 18

Gambar 2.9 Pola radiasi antena ... 21

Gambar 2.10 Antena mikrostrip patch segiempat ... 22

Gambar 2.11 Teknik pencatuan dengan saluran mikrostrip (feed line) ... 25

Gambar 2.12 Teknik pencatuan metoda proximity coupled ... 27

Gambar 2.13 Aperture coupled ... 28

Gambar 3.1 Diagram alir perancangan antena mikrostrip patch elemen tunggal ... 33

Gambar 3.2 Model antena mikrostrip dengan teknik pencatu feed line ... 37

Gambar 3.3 Model antena mikrostrip dengan teknik pencatu proximity coupled ... 38

Gambar 4.1 Model antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal dengan teknik pencatu feed line ... 39

Gambar 4.2 VSWR yang dihasilkan dari perhitungan ... 40

Gambar 4.3 Nilai VSWR setelah proses iterasi antena mikrostrip patch

segiempat dengan teknik pencatu feed line ... 43 Gambar 4.4 Gain setelah proses iterasi antena mikrostrip patch segiempat

dengan teknik pencatu feed line ... 44 Gambar 4.5 Model antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal dengan

teknik pencatu proximity coupled ... 45 Gambar 4.6 VSWR yang dihasilkan dari perhitungan ... 46 Gambar 4.7 Nilai VSWR setelah proses iterasi antena mikrostrip patch

segiempat dengan teknik pencatu proximity coupled... 50 Gambar 4.8 Gain setelah proses iterasi antena mikrostrip patch segiempat

dengan teknik pencatu proximity coupled ... 51

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Spesifikasi substrate yang digunakan ... 31

Tabel 4.1 Hasil iterasi panjang patch pencatu feed line ... 40

Tabel 4.2 Hasil iterasi lebar patch pencatu feed line ... 41

Tabel 4.3 Hasil iterasi panjang pencatu feed line ... 42

Tabel 4.4 Hasil iterasi posisi pencatu feed line ... 42

Tabel 4.5 Hasil iterasi panjang patch pencatu proximity coupled ... 46

Tabel 4.6 Hasil iterasi lebar patch pencatu proximity coupled ... 48

Tabel 4.7 Hasil iterasi panjang pencatu proximity coupled ... 49

Tabel 4.8 Nilai VSWR antena mikrostrip pencatu feed line dan proximity coupled setelah proses iterasi ... 52

Tabel 4.9 Kelebihan dan kekurangan antena mikrostrip saluran pencatu Feedline dan Proximity coupled ... 55

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Teknologi antena mikrostrip sampai sekarang masih merupakan salah satu topik yang menarik di dalam berbagai aplikasi gelombang mikro, baik di bidang akademis, industri maupun penelitian. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip tersebut mempunyai bentuk yang sederhana, efisien, ekonomis, dan mudah pembuatannya. Namun demikian antena mikrostrip ini juga mempunyai kelemahan yang sangat mendasar yaitu: bandwith yang sempit, keterbatasan gain, dan daya yang rendah.

Secara garis besar saluran pencatu untuk antena mikrostrip dibagi menjadi 2 yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling). Pada awalnya pencatuan secara langsung banyak digunakan pada perancangan karena mempunyai kelebihan, yaitu sangat sederhana dalam proses pencatuannya tetapi di samping kelebihan tersebut ada beberapa kekurangan yang terdapat pada pencatuan ini, seperti sangat sulit jika antena mikrostrip disusun secara array dan antena mikrostrip mempunyai pita frekuensi atau bandwidth yang sempit.

Dengan kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya diperkenalkanlah apa yang disebut dengan pencatuan tidak langsung atau electromagnetic coupling. Keuntungan dari teknik pencatuan ini dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi proses penyolderan.

Dengan teknik pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling) tidak ada kontak langsung antara saluran transmisi dengan elemen peradiasinya. Ada 2 teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada pencatuan ini, yaitu proximity coupling yang diperkenalkan oleh Oltman dan Huebner pada tahun 1981 dan aperture coupling yang diperkenalkan oleh Pozar, Grunoa dan Wolf pada tahun 1986.

Berdasarakan penelitian Wira Indani pada antena mikrostrip patch segiempat planar array yang bekerja pada frekuensi 2,4 GHz - 2,5 GHz digunakan teknik pencatu proximity coupled, yang merupakan bagian dari pencatuan tak langsung (electromagnetic couple). Didapat nilai VSWR 1,22 dan nilai gain 7,38 [1].

Pada Tugas Akhir ini akan dibandingkan antara saluran pencatu feed line dan proximity coupled. Adapun parameter karakteristik yang dibandingkan adalah bandwith, VSWR, gain, dan ukuran patch. Untuk membandingkan saluran pencatu feed line dan proximity coupled maka dilakukan dengan perangkat simulator Ansoft HFSS v10.

1.2 Rumusan Masalah

Dari latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan pada Tugas Akhir ini yaitu:

1. Apa yang dimaksud dengan saluran pencatu?

2. Bagaimana teknik saluran pencatu feed line dan proximity coupled?

3. Bagaimana perbandingan antara saluran pencatu feed line dan proximity coupled?

4. Bagaimana memperoleh kinerja bandwith, VSWR, gain, dan ukuran patch?

1.3 Tujuan Penulisan Tugas Akhir

Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk membandingkan karakteristik antena mikrostrip segiempat dengan teknik pencatu feed line dan proximity coupled.

1.4 Batasan Masalah

Agar pembahasan lebih terarah, maka pembahasan dibatasi sebagai berikut:

1. Hanya membahas pencatu feed line dan proximity coupled.

2. Parameter yang dibahas hanya bandwith, VSWR, gain, dan ukuran pacth.

3. Perbandingan dilakukan berdasarkan teori dan bantuan software Ansoft HFSS v10.

1.5 Metodologi Penulisan

Metodologi penulisan yang dilakukan pada penulisan Tugas Akhir ini adalah:

1. Studi Literatur

Yaitu studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan lain yang terkait serta dari layanan internet berupa jurnal-jurnal penelitian.

2. Studi Simulasi

Yaitu melakukan simulasi menggunakan software Ansoft HFSS v10.

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut :

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini menguraikan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, serta sistematika penulisan.

BAB II: ANTENA MIKROSTRIP

Bab ini berisi penjelasan tentang antena mikrostrip secara umum dan penjelasan tentang antena mikrostrip patch segiempat secara khusus, teknik pencatu langsung (direct coupling) dan saluran pencatu proximity coupled feed.

BAB III : PERANCANGAN SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED

Bab ini berisi tentang perancangan antena mikrostrip patch segiempat dengan pencatu feed line dan proximity coupled pada software Ansoft HFFS v10.

BAB IV: HASIL DAN ANALISIS PERBANDINGAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED

Bab ini berisi tentang perbandingan antara pencatu feed line dan proximity coupled.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian Tugas Akhir.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Antena

Suatu antena dapat diartikan sebagai suatu tranduser antara saluran transmisi atau pandu gelombang dalam suatu saluran transmisi dan suatu medium yang tak terikat (zona bebas) tempat suatu gelombang elektromagnetik berpropagasi (biasanya udara) ataupun sebaliknya. Dalam aplikasinya, suatu antena dapat berfungsi selain sebagai media pemancar gelombang elektromagnetik, juga sebagai penerima gelombang elektromagnetik secara efisien dan berpolarisasi sesuai dengan struktur yang dimilikinya. Selain itu, untuk meminimalkan refleksi gelombang pada titik antara saluran transmisi dan titik catu antena, maka suatu antena harus mempunyai kesesuaian (matched) dengan saluran transmisi yang digunakan.

Saluran transmisi adalah alat yang berfungsi sebagai penghantar atau penyalur energi gelombang elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi yang tak berhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang uniform sepanjang saluran itu. Jika saluran ini dihubung singkat maka akan muncul gelombang berdiri yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan. Jika gelombang datang sama besar dengan gelombang yang dipantulkan akan dihasilkan gelombang berdiri murni. Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi listrik seluruhnya ke energi magnet total dua kali setiap periode gelombang itu.

Beberapa contoh antena dalam berbagai bentuk dapat dilihat pada Gambar 2.1. Pada aplikasinya, antena banyak digunakan pada penyiaran radio dan televisi, sistem komunikasi satelit, telepon selular, sistem radar dan sensor otomatis mobil anti tabrakan, dan masih banyak fungsi-fungsi yang lain.

Gambar 2.1 Contoh berbagai macam bentuk antena

2.2 Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang saat ini banyak digunakan karena antena mikrostrip berukuran kecil dan ringan. Hal tersebut merupakan salah satu pertimbangan dalam merancang antena saat ini [2].

Antena mikrostrip terdiri dari 3 bagian, yaitu [2]:

1. Patch, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke ruang bebas. Patch ini memiliki ketebalan yang bervariasi dan biasanya terbuat dari bahan tembaga.

2. Substrate dielektrik, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk menyalurkan gelombang elektromagnetik yang berasal dari patch. Bahan

substrate dielektrik beragam, diantaranya plastik, keramik, kristal tunggal, dan silikon.

3. Groundplane, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk memisahkan antara substrate dielektrik dengan benda lain yang dapat mengganggu radiasi sinyal.

Gambaran umum bentuk antena mikrostrip ini dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Struktur antena mikrostrip

Antena mikrostrip adalah antena yang terbuat dari suatu konduktor metal yang menempel di atas groundplane. Peralatan telekomunikasi khususnya antena, saat ini mengacu pada antena yang murah dalam pembuatan, memiliki massa yang ringan, mudah dalam proses integrasi dengan peralatan telekomunikasi lainnya.

Namun di samping kelebihan yang dimiliki, antena mikrostrip juga memiliki beberapa kelemahan, diantaranya memiliki bandwidth yang kecil, efisiensi yang rendah, gain yang kecil dan daya yang kecil. Adapun jenis-jenis antena mikrostrip terlihat seperti Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Bentuk patch antena mikrostrip

2.3 Model Cavity

Untuk dapat menganalisis sebuah antena mikrostrip, maka diperlukan sebuah pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena ke dalam sebuah kondisi persamaan yang dapat dianalisis secara akurat. Berbagai pemodelan untuk antena mikrostrip tersebut telah banyak dikembangkan dan satu diantaranya yang populer adalah model cavity. Pada model cavity, daerah interior yaitu ruang antara patch dan bidang pentanahan diasumsikan sebagai sebuah ruang (cavity) yang dilingkari oleh suatu dinding magnetik sepanjang tepinya, dan diapit oleh dinding elektrik dari atas dan bawah. Model cavity dari sebuah antena mikrostrip diperlihatkan pada Gambar 2.4. Beberapa asumsi model cavity berdasarkan observasi dari substrate tipis ( h<<λ0) [3] [4]:

a. Medan di daerah interior tidak bervariasi dengan z (/z0)karena substrate sangat tipis (h<<λ₀).

b. Medan elektrik hanya muncul dalam arah z, Ez saja, dan medan magnetis hanya ada komponen transversnya saja (H_x dan H_y ) di daerah yang dibatasi

oleh patch dan groundplane. Observasi ini juga memperhatikan dinding elektris atas bawah.

c. Patch arus listrik tidak mempunyai komponen normal pada ujung metal, yang termasuk komponen tangensial dari , sepanjang sisi diabaikan.

Model cavity ini menggunakan persamaan Maxwell [3] [5]. Adapun persamaan Maxwell untuk daerah dibawah patch adalah sebagai berikut:

∇ × E = −jωμ₀ H (2.1)

∇ × H = 𝑗𝜔𝜀𝐸 + 𝐽 (2.2)

∇. E = ρ/ε (2.3)

∇. H = 0 (2.4)

Dimana ε adalah permitivitas dari substrat, μ0 adalah permeabilitas ruang hampa, dan J adalah rapat arus.

Ketika suatu patch (elemen peradiasi) diberikan daya, maka akan terjadi distribusi muatan seperti yang terlihat pada bagian atas dan bawah dari permukaan elemen peradiasi dan pada bagian bidang pentanahan (Gambar 2.4).

Gambar 2.4 Distribusi muatan dan densitas arus yang terbentuk pada patch mikrostrip [5]

Distribusi muatan ini diatur dengan dua mekanisme yaitu mekanisme tarik-menarik dan mekanisme tolak-menolak. Mekanisme tarik-menarik terjadi antara dua muatan yang berlawanan yaitu antara muatan yang terdapat pada bagian bawah dari elemen peradiasi dengan muatan yang terdapat pada bidang pentanahan. Hal tersebut akan membantu menjaga agar konsentrasi muatan tetap ada pada bagian bawah elemen peradiasi. Mekanisme tolak-menolak terjadi antar muatan yang terdapat pada bagian bawah elemen peradiasi. Hal tersebut akan meyebabkan beberapa muatan terdorong dari bagian bawah patch ke bagian atas dari patch. Pergerakan muatan ini akan meyebabkan arus mengalir pada bagian bawah dan atas dari elemen peradiasi [6].

Model analisis cavity mengasumsikan bahwa perbandingan ketebalan dengan lebar (ketebalan substrate dan lebar elemen peradiasi) sangat kecil dan akibatnya, mekanisme tarik-menarik antar muatan akan mendominasi dan meyebabkan sebagian besar konsentrasi muatan dan arus akan terjadi pada bagian bawah dari permukaan patch. Ketika perbandingan height to width semakin menurun, arus yang berada pada bagian atas permukaan elemen peradiasi akan mendekati nol, sehingga tidak akan terbentuk komponen tangensial medan magnetik pada tepi elemen peradiasi. Empat dinding sisi antena dapat dimodelkan sebagai permukaan konduktor magnetik yang sempurna. Hal tersebut meyebabkan distribusi medan magnet dan medan listrik yang terdapat pada elemen peradiasi tidak terganggu. Akan tetapi pada tataran praktis, komponen tangensial dari medan magnetik tidak akan sama dengan nol tetapi memiliki nilai yang sangat kecil dan dinding sisi antena bukan merupakan konduktor magnetik yang sempurna. Karena dinding cavity (dalam hal ini merupakan material substrat)

lossless, cavity tidak akan beradiasi dan sifat dari impendansi masukannya akan murni reaktif [6].

2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip

Unjuk kerja (performance) dari suatu antena mikrostrip dapat diamati dari parameternya. Beberapa parameter utama dari sebuah antena mikrostrip akan dijelaskan sebagai berikut:

2.4.1 Bandwidth

Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, bandwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar. Pada Gambar 2.5 terlihat rentang frekeunsi yang menjadi bandwith [5].

Return loss

bandwith

-10dB

Gambar 2.5 Rentang frekuensi yang menjadi bandwith Bandwith dapat dicari dengan menggunakan rumus berikut ini :

BW= ^{f2 - f1}

fc x100% (2.5)

Dimana:

f1 = frekuensi terendah f2 = frekuensi tertinggi fc = frekuensi tengah

Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya [6]:

a. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada pada keadaan matching dengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing- masing adalah kurang dari -9,54 dBi dan 2.

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 dBi.

2.4.2 Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan [4]. Return loss digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0-) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0 +). Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi

masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [4].

Γ=V₀^-

V₀⁺= Z_L-Z₀

Z_L+Z₀ (2.6)

return loss=20log₁₀ Γ (2.7)

2.4.3 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-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [4]:

Γ= ^V0-

V0+ = ^{ZL- Z0}

ZL- Z0

(2.8) Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran lossless. 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 :

: refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched

sempurna

: refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka

Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah [5]:

VSWR= ^V _V ^max _min= ^{1+ Γ}

1- Γ (2.9)

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (VSWR =1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna.

Namun kondisi ini pada prakteknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah VSWR ≤ 2.

2.4.4 Polarisasi

Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antenna. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum. Pada prakteknya, polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda [6].

Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitude vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu [6].

Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linier (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips). Polarisasi linier (Gambar 2.6) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus

yang sama pada setiap waktu. Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi [6] :

a. Hanya ada satu komponen, atau

b. Ada 2 komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau 180 atau kelipatannya.

Gambar 2.6 Polarisasi linier

Polarisasi melingkar (Gambar 2.6) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik (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 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 , sebaliknya RHCP terjadi ketika δ = −π / 2

Gambar 2.7 Polarisasi melingkar

Polarisasi elips (Gambar 2.7) 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 [4] :

a. Medan harus mempunyai dua komponen linier ortogonal

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 00 atau kelipatan 180 (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 90 (karena akan menjadi lingkaran).

Gambar 2.8 Polarisasi elips

2.4.5 Keterarahan (Directivity)

Keterarahan dari sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah [5]. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud. Keterarahan ini dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.10 [6].

D=

^U

U₀

=

^4πU

P_rad (2.10)

Jika arah tidak ditentukan, keterahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.11 [4].

D

_max

=D

₀

=

^Umax

U₀

=

^4πUmax

P_rad (2.11)

Dimana :

D = keterarahan

D0 = keterarahan maksimum

Umax = intensitas radiasi maksimum

U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropic P_rad = daya total radiasi

Adapun cara lain untuk menghitung directivity single slot dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.12.

D=^4W

2π² λ02

I1

(2.12)

Dimana nilai 𝐼₁ dapat dihitungan dengan menggunakan Persamaan 2.13.

I₁= ^120W

2π²

90λ02 (2.13)

Setelah nilai directivity didapat maka nilai directivity susunnya dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.14.

D_susun=2D (2.14)

Setelah directivity ditentukan maka didapatlah nilai directivity total untuk menghitung besarnya directivity total dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.15.

D_total=D_susun× D_elemen (2.15) Dimana:

𝐷_{𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛} = banyak elemen yang akan dirancang

2.4.6 Penguatan (Gain)

Ada dua jenis parameter penguatan (gain) yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropik sama

dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan. Absolute gain ini dapat dihitung dengan Persamaaan 2.16 [6].

gain=4π

^U(θ,∅)

P_in (2.16)

Selain absolute gain juga ada relative gain. Relative gain didefinisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama di antara kedua antena itu.

Adapun cara lain untuk menghitung gain antena yaitu dengan menggunakan bantuan perangkat lunak tertentu. Perhitungan ini dilakukan berdasarkan pembacaan level penerimaan sinyal. Persamaan yang digunakan untuk menghitung gain dapat dilihat pada Persamaan 2.17.

Ga dB =Pa dBm -Ps dBm +Gs dB (2.17) Selanjutnya gain dapat juga dihitungan dengan menggunakan oleh Persamaan 2.18.

G=η ×D_total (2.18)

Adapun besar efisiensi (𝜂) antena mikrostrip yang digunakan biasanya berkisar 60% sampai 70%.

2.4.7 Frekuensi Resonansi

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 menjadi frekuensi kerja antena [6].

2.4.8 Pola Radiasi

Pola radiasi dapat diartikan sebagai fungsi matematis atau representasi grafis karakteristik radiasi antena dalam bentuk fungsi koordinat ruang. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan flux, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Biasanya sifat dari radiasi yang sangat penting adalah persebaran secara tiga dimensi atau dua dimensi dari energi yang diradiasikan antena.

Gambaran dari pola radiasi antena dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Pola radiasi antena

2.5 Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Bentuk dari patch antena mikrostrip sangat beragam. Patch ini dapat berbentuk persegi, persegi panjang, dipole, lingkaran, segitiga, elips dan lain sebagainya. Akan tetapi patch yang berbentuk segiempat dan lingkaran merupakan bentuk patch yang paling populer karena kemudahan dalam analisis, proses fabrikasi yang sederhana dan karakteristik radiasi yang atraktif.

Patch segiempat sejauh ini merupakan konfigurasi mikrostrip yang paling banyak digunakan. Patch segiempat lebih mudah dibuat karena bentuknya yang lebih sederhana. Hanya dengan menyisakan metal yang berbentuk segiempat pada proses etching dapat membuat antena ini. Bentuk dari antena mikrostrip patch segiempat dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Antena mikrostrip patch segiempat [7]

Untuk merancang sebuah antena mikrostrip patch segiempat, terlebih dahulu harus kita ketahui parameter bahan yang digunakan yaitu ketebalan dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr), dan dielektrik loss tangent (tan δ) sehingga dari nilai tersebut didapatlah dimensi antena mikrostrip (W dan L).

Panjang antena mikrostrip harus disesuaikan, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth akan menjadi kecil sedangkan apabila panjang antena terlalu panjang maka bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan semakin kecil. Dengan mengatur lebar dari antena mikrostrip impedansi juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat dicari menggunakan Persamaan 2.19 [5].

W= ^c

2f_o ^εr+1 2

(2.19)

Dimana:

W : lebar konduktor εr : konstanta dielektrik

c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x10⁸) fo : frekuensi kerja antena

Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter

∆L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect.

Pertambahan panjang dari L (∆L) tersebut dapat dihitungan menggunakan Persamaan 2.20 [5]:

∆L=0,412h ^εreff+0,3

W h+0,264

ε_reff-0,258 ^W_h+0,8 (2.20) Dimana h merupakan tinggi substrate atau tebal substrate, dan

𝜀

_{𝑟𝑒𝑓𝑓}^adalah

konstanta dielektrik relatif yang dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.21.

ε_reff=^εr+1

2 +^εr-1

2 1

1+12_W^h (2.21)

Dengan panjang patch (L) dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.22.

L=L_eff-2∆L (2.22)

Dimana 𝐿_𝑒𝑓𝑓 merupakan panjang patch efektif yang dapat hitung menggunakan Persamaan 2.23.

L_eff= ^c

2fo ε_reff (2.23)

Setelah mengetahui ukuran dimensi patch antena mikrostrip secara keseluruhan maka dari ukuran tersebut dapat diperoleh juga impedansi antena mikrostrip secara keseluruhan. Untuk mencari nilai impedansi beban dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.24 [5] [8].

Z_L=Z_in = ¹

Yin

(2.24)

Admintansi beban (𝑌_𝑖𝑛) didapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.25

Y_in=2×Y_S (2.25)

Selanjutnya untuk mencari besarnya nilai admintansi lebar patch (𝑌_𝑆) dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.26 sampai Persamaan 2.29.

Y_S=G+jB (2.26)

Dimana:

G= ^W

120λ0 1- ¹

24 2πh

λ0 2 1

Ω (2.27)

B= ^W

120λ0 1-0,636 ln ^2πh

λ0 2 1

Ω (2.28)

λ₀=^c

f (2.29)

2.6 Teknik Pencatuan

Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dapat dibagi menjadi 2, yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling). Pada awalnya pencatuan secara langsung banyak digunakan karena mempunyai kelebihan, yaitu sangat sederhana dalam pencatuan. Tetapi disamping kelebihan tersebut ada beberapa kekurangan yang terdapat pada pencatuan ini, seperti sangat sulit jika antena mikrostrip akan disusun secara array dan antena mikrostrip akan menghasilkan pita frekuensi atau bandwidth yang sempit sekitar 2%-5% [9] [6].

Dengan kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya diperkenalkan apa yang disebut pencatuan tidak langsung atau electromagnetic

coupling. Keuntungan dari teknik pencatuan ini adalah dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi proses penyolderan [9].

2.6.1 Pencatuan Secara Langsung (Direct Coupling)

Pencatuan secara langsung merupakan pencatuan yang pertama kali digunakan sebagai pencatu untuk antena mikrostrip. Adapun keuntungan dari pencatuan ini adalah sangat sederhana dalam teknik pencatuannya, dimana pacth antenna dan konektor dihubungkan secara langsung dengan melakukan penyolderan pada bidang pentanahannya (ground). Namun demikian memiliki juga beberapa kelemahan, seperti sangat sulit jika akan difabrikasi secara array dan bandwith yang dihasilkan sangat sempit. Pencatuan secara langsung dibagi menjadi dua bagian yaitu pencatuan saluran mikrostrip (feed line) dan pencatuan probe koaksial.

2.6.1.1 Pencatuan Saluran Mikrostrip (Feed Line)

Pada teknik pencatuan ini, potongan konduktor dihubungkan langsung ke tepi patch seperti pada Gambar 2.11

Gambar 2.11 Teknik pencatuan dengan saluran mikrostrip (feed line)

Teknik pencatuan ini mudah untuk dibuat dan untuk penyesuaian impedansi.

2.6.1.2 Pencatuan Probe Koaksial

Teknik pencatuan ini konduktor konektor koaksial dilewatkan melalui dielektrik dan disolder pada patch sedangkan konduktor luarnya dihubungkan ke ground plane. Keuntungan utama dari metode pencatuan ini adalah pencatuan dapat ditempatkan dimana saja sesuai dengan yang diinginkan pada patch untuk penyesuaian dengan impedansi masukan. Akan tetapi, metode ini memberikan bandwith yang sempit.

2.6.2 Pencatuan Secara Tidak Langsung (Electromagnetic Coupling)

Dengan teknik pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling) tidak ada kontak langsung antara saluran transmisi dengan elemen peradiasinya. Ada dua teknik teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada pencatuan ini, yaitu proximity coupling yang diperkenalkan oleh Oltman dan Huebner pada tahun 1981 dan aperture coupling yang diperkenalkan oleh Pozar, Grunoa dan Wolf pada tahun 1986 [9].

2.6.2.1 Proximity Coupling

Untuk rancang bangun antena mikrostrip ini digunakan teknik pencatuan proximity coupling. Pada teknik pencatuan ini saluran transmisi (feed line) diletakan pada posisi yang lebih rendah dari patch, lebih tepatnya di bawah patch, mekanisme penggandengan yang timbul akan terlihat seperti pada Gambar 2.12.

Pendekatan ini digunakan dua buah substrate, dimana patch pada substrate bagian

atas dengan bidang pentanahannya dihilangkan seluruhnya dan substrate yang berada pada bagian bawah merupakan saluran transmisinya (feed line) [9].

Konfigurasi dari teknik pencatuan ini adalah dengan menggunakan dua lapis substrat. Pada substrat lapis atas terdapat patch peradiasi antena, dan pada substrat lapisan ini tidak terdapat ground. Pada lapisam substrat bawah ini terdapat ground. Dengan menggunakan teknik pencatuan jenis ini maka elemen pencatu dan patch peradiasi akan terkopling secara elektromagnetik.

Parameter-parameter dari kedua lapisan substrat dapat dipilih untuk meningkatkan dari bandwith antena, dan untuk mengurangi radiasi elemen pencatu. Untuk keperluan ini tebal substrat bagian bawah harus tipis. Dengan meletakkan patch peradiasi diatas dua lapisan substrat maka akan menyebabkan dihasilkannya bandwith yang lebar. Hal ini dikarenakan dengan menggunakan dua lapisan maka ketebalan substrat yang digunakan menjadi lebih tebal [10].

Gambar 2.12 Teknik pencatuan metode proximity coupled

2.6.2.2 Aperture Coupling

Ada beberapa keuntungan yang diperoleh bila menggunakan penggandengan celah (aperture coupling), antara lain adalah bandwith lebih besar dan mempunyai tingkat isolasi antara antena dan saluran transmisi yang lebih

baik. Dengan teknik pencatuan ini, memungkinkan antena mikrostrip dan saluran transmisi dioptimasi secara terpisah dengan menggunakan bahan substrat yang berbeda. Konfigurasi dasar dari sebuah antena mikrostrip yang terhubung secara tergandeng celah (aperture coupling) seperti pada Gambar 2.13. Susunan antena terdiri atas dua buah atau lebih substrat dielektrik, dimana elemen peradiasi berada pada permukaan atas dari substrat dielektrik bagian atas sedangkan saluran transmisi berada pada permukaan bawah dari substrat dielektrik bagian bawah.

Elemen peradiasi dan saluran trasnmisi dipisahkan oleh bagian pentanahan dan digandeng (coupled) dengan sebuah celah (slot atau aperture) pada bidang pentanahan yang disispkan diantara keduanya. Impedansi matching dari antena dapat dicapai dengan mengontrol impedansi karakteristik saluran pencatu dan dengan mengatur dimensi dan posisi dari celah tersebut.

Gambar 2.13 Aperture coupled

2.7 Ukuran Saluran Pencatu

Setelah menghitung panjang dan lebar dari patch untuk substrat yang telah diberikan, langkah selanjutnya adalah menentukan lebar saluran pencatu dan

panjang saluran pencatu di mana dalam perancangan ini besarnya panjang pencatu sangat mempengaruhi nilai VSWR dan besarnya lebar saluran pencatu (W) sangat mempengaruhi nilai panjang pencatu, dapat ditulis dengan persamaan [7]:

𝑦_𝑓 =^𝑤₂ (2.30)

Untuk lebar pencatu sangat dipengaruhi dengan tinggi bahan substrat dan jenis bahan substrat yang digunakan. Dapat ditulis dalam persamaan [7]:

𝑤_𝑓 = 8 ℎ exp 𝐴

exp 2𝐴 −2 (2.31)

Dimana

𝐴 =^𝑍𝑜₆₀ ^ɛᵣ+1₂

12

+ ^{ɛᵣ− 1}_ɛᵣ+1 0,23 +^0,11_ɛᵣ (2.32)

2.8 Ansoft High Frequency Structure Simulator v10

Banyak perangkat lunak (software) simulasi yang digunakan dalam menganalisis karakteristik antena mikrostrip. Salah satunya adalah Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS) v10. Dalam Tugas Akhir penulis menggunakan Ansoft HFSS v10 untuk menganalisis karakteristik antena mikrostrip.

Ansoft HFSS v10 juga merupakan dasar dari perancangan desain yang menyarankan pemakai untuk mendesain model dan mensimulasikan secara analog, RF, aplikasi mixed-signal, membentuk papan sirkuit, dan memperformasikan sinyal tersebut. Dalam software ini terbentuk bentuk skematik dengan berbagai macam layout dan mempunyai bermacam bentuk visualisasi dan analisis data.

BAB III

PERANCANGAN SALURAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED

3.1 Umum

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan antena mikrostrip segiempat dengan menggunakan teknik pencatuan feed line dan proximity coupled. Teknik ini merupakan bagian dari teknik pencatuan langsung (direct coupling) dan teknik secara tidak langsung (electromagnetic coupled). Adapun perancangan antena ini menggunakan software Ansoft HFSS v 10.

Adapun tahapan awal dari perancangan antena dimulai dengan pemilihan jenis substrate yang digunakan untuk jenis antena yang akan dibuat, selanjutnya menghitung dimensi patch antena serta lebar saluran pencatu. Hasil dari perhitungan tersebut selanjutnya disimulasikan dengan menggunakan simulator Ansoft HFSS v10.

3.2 Jenis Substrate yang Digunakan

Dalam pemilihan jenis substrate sangat dibutuhkan pengetahuan tentang spesfikasi umum dari susbtrate tersebut, kualitasnya, ketersediannya, dan yang tidak kalah penting adalah harga atau biaya yang harus dikeluarkan untuk mendapatkannya, karena akan mempengaruhi nilai jual ketika akan difabrikasi secara massal untuk dipasarkan.

Pemilihan substrate untuk antena yang akan dirancang ini yaitu memilih bahan dielektrik yang cocok dengan menyesuaikan tingkat ketebalan (h) dan

rugi-rugi garis singgung. Pada dasarnya semakin tebal substrate, maka secara fisik akan terlihat lebih kuat dan kokoh, sehingga dapat meningkatkan daya radiasi, mengurangi rugi-rugi konduktor, dan dapat memperbaiki impedansi bandwith. Bagaimanapun hal ini akan dapat meningkatkan berat, rugi-rugi dielektrik, serta rugi-rugi gelombang permukaan. Begitu juga dengan fungsi konstanta dielektrik (𝜀_𝑟), nilai konstanta dielektrik (𝜀_𝑟) yang rendah akan meningkatkan kerja daerah pinggir dari keliling patch, sehingga akan dapat meradiasikan daya. Oleh karena itu nilai konstanta dielektrik (𝜀_𝑟) ≤ 2.5 lebih baik kecuali jika diinginkan ukuran patch yang lebih kecil. Meningkatkan ketebalan substrate akan memiliki dampak yang sama ketika menurunnya nilai konstanta dielektrik (𝜀_𝑟) dari karakteristik antena yang akan dibuat.

Adapun jenis substrate pada perancangan antena ini adalah dua buah substrate jenis fiber dengan ketebalan yang sama (h1 = h2). Adapun parameter substrate dapat dilihat pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Spesifikasi substrate yang digunakan Jenis Substrate FR-4 epoxy Konstanta Dielektrik Relatif (εr) 4,4 Dielektrik Loss Tangent (tan δ) 0,02 Ketebalan substrate (h) 1,6 mm

3.3 Perancangan Patch Segiempat Elemen Tunggal

Pada tahapan perancangan patch segiempat elemen tunggal ini terdapat beberapa tahapan, yang pertama dimulai dengan menentukan frekuensi kerja dari antena yang akan dirancang serta parameter yang akan dicapai. Selanjutnya

tahapan kedua menentukan jenis substrate yang akan digunakan. Dalam pemilihan jenis substrate haruslah mempertimbangkan kesesuaian antara karakteristik substrate dengan spesifikasi antena yang akan dirancang, hal ini bertujuan untuk mendukung di dalam mendapatkan hasil yang diinginkan.

Sebelum proses simulasi dilakukan, terlebih dahulu menentukan parameter- parameter dari antena dengan menggunakan peralatan bantu ataupun persamaan yang telah dibahas pada bab sebelumnya. Pada proses simulasi, dimungkinkan untuk memodifikasi beberapa parameter yang telah ditentukan untuk mendapatkan hasil yang dibutuhkan, diantaranya adalah dengan mengatur lebar patch, umumnya dengan mengatur lebar patch akan mempengaruhi frekuensi resonansi menjadi lebih tinggi atau lebih rendah. Sedangkan pengaturan lebar atau panjang saluran pencatu, umumnya dilakukan untuk mendapatkan nilai VSWR sesuai yang diinginkan.

Tujuan dari perancangan ini adalah untuk mendapatkan sebuah antena mikrostrip elemen tunggal dengan dimensi patch dan dimensi pencatu yang optimal yaitu mampu memberikan nilai VSWR ≤ 2, gain ≥ 2 d B i pada rentang frekuensi 2,4-2,5 GHz. D iagram alir perancangan antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal seperti yang terlihat pada Gambar 3.1.

Mulai

Masukan frekuensi kerja, nilai VSWR, gain serta jenis substrate yang digunakan

Menghitung dimensi patch elemen tunggal

Menghitung lebar dan panjang pencatu

Memodelkan rancangan fisik antena pada ansoft HFSS

v10

Simulasi dengan ansoft HFSS v10

Selesai

Gambar 3.1 Diagram alir perancangan antena mikrostrip patch elemen tunggal

3.3.1 Menentukan Frekuensi Antena

Pada perancangan antena mikrostrip ini, frekuensi kerja berada pada frekuensi 2,4-2,5 GHz. Hal ini berarti, frekuensi resonansinya adalah 2,4-2,5 GHz dengan frekuensi tengah 2,45 GHz. Frekuensi tengah resonansi ini, selanjutnya akan menjadi nilai parameter frekuensi dalam menentukan parameter-parameter lainnya seperti dimensi patch, lebar saluran pencatu. Pada rentang frekuensi kerja tersebut (2,4-2,5 GHz), diharapkan antena memiliki parameter VSWR ≤ 2 serta gain ≥ 2 dBi.

3.3.2 Perancangan Ukuran Patch

Antena yang akan dirancang pada Tugas Akhir ini adalah antena mikrostrip patch segiempat dengan frekuensi kerja 2,4-2,5 GHz. Untuk perancangan dimensi antena digunakan perhitungan pada antena mikrostrip dengan patch segiempat dengan menggunakan persamaan (2.14) sampai (2.18), maka didapat:

a. Menentukan lebar patch

Adapun hasil perhitungan lebar patch didapat menggunakan Persamaan 2.19, sehingga didapatlah lebar patch adalah

W= c

2f_o ^εr+1

2

= 3×10⁸ 2×2,45×10^{9 4.4+1}

2

=0,0372 m

= 3,726 cm

= 37,26 mm

b. Menentukan panjang patch

Adapun hasil perhitungan panjang patch didapat menggunakan Persamaan (2.20) sampai (2.23), sehingga didapatlah panjang patch adalah

ε_reff = ε_r+1 2 +ε_r-1

2

1 1+12^h

W

= 4,4+1

2 +4,4-1 2

1 1+12^0,16

3,726

= 4,0810202

∆L = 0,412h ε_reff+0,3 ^W

h +0,264 ε_reff-0,258 ^W

h +0,8

= 0,412×0,16

4,0810202+0,3 ^3,726

0,16 +0,264 4,0810202-0,258 ^3,726

0,16 +0,8

= 0,06592 × 1,12045 = 0,07386 cm

L_eff= ^c

2fo εreff

= ^{3 × 10}

8

2×2,45×10⁹ 4,0810202= 0,033=3,3 cm

= 0,033

= 3,3 𝑐𝑚

Dari nilai yang telah diketahui diatas, maka didapatlah panjang patch sebagai berikut:

L=L_eff-2∆L=3,3-2 0,07386 =3,15 cm=31,5mm

Dari nilai diatas didapatkanlah nilai lebar dan panjang adalah 37,26 mm dan 31,5 mm untuk memudahkan proses simulasi maka nilai lebar dan panjang dibulatkan menjadi 37 mm dan 32 mm.

3.4 Perancangan Ukuran Pencatu Feed Line

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan ini diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati masukan sebesar 50 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan Persamaan (2.32). Untuk nilai z0 = 50 Ω, εr = 4,4 dan h = 1.6 mm, maka :

𝐴 =𝑍𝑜 60

ɛᵣ+ 1 2

1 2

+ ɛᵣ− 1

ɛᵣ+ 1 0,23 +0,11 ɛᵣ 𝐴 =50

60

4,4 + 1 2

12

+ 4,4 − 1

4,4 + 1 0,23 +0,11 4,4

= 1,53

Dengan menggunakan Persamaan (2.31) maka:

𝑤_𝑓 = 8 ℎ exp⁡(𝐴) exp 2𝐴 − 2

𝑤_𝑓 = 8 (0,16) exp⁡(1,53) exp 2 𝑥 1,53 − 2

= 0,306 cm = 3,06 mm.

Untuk panjang saluran pencatu digunakan Persamaan (2.30). Sehingga didapat panjang saluran pencatunya adalah 18,63 mm.

𝑦_𝑓 = 37,26 2

= 18,63 mm

Dari hasil perhitungan didapatlah model antena mikrostrip dengan teknik pencatu feed line seperti tampak pada Gambar 3.1.

Gambar 3.2 Model antena mikrostrip dengan teknik pencatu feed line

3.5 Perancangan Ukuran Pencatu Proximity Coupled

Saluran pencatu yang digunakan pada perancangan ini diharapkan mempunyai atau paling tidak mendekati masukan sebesar 50 Ω. Untuk mendapatkan nilai impedansi tersebut dilakukan pengaturan lebar dari saluran pencatu dengan Persamaan (2.32). Untuk nilai z0 = 50 Ω, εr = 4,4 dan h = 1.6 mm, maka :

𝐴 =𝑍𝑜 60

ɛᵣ+ 1 2

1 2

+ ɛᵣ− 1

ɛᵣ+ 1 0,23 +0,11 ɛᵣ

𝐴 =50 60

4,4 + 1 2

12

+ 4,4 − 1

4,4 + 1 0,23 +0,11 4,4

= 1,53

Dengan menggunakan Persamaan (2.31) maka:

𝑤_𝑓 = 8 ℎ exp⁡(𝐴) exp 2𝐴 − 2

𝑤_𝑓 = 8 (0,16) exp⁡(1,53) exp 2 𝑥 1,53 − 2

= 0,306 cm = 3,06 mm.

37 mm

32 mm

18.63 mm 3 mm

Dari hasil perhitungan didapatlah model antena mikrostrip dengan teknik pencatu proximity coupled seperti tampak pada Gambar 3.2.

Gambar 3.3 Model antena mikrostrip dengan teknik pencatu proximity coupled

37 mm

32 mm

3 mm

BAB IV

HASIL DAN ANALISIS PERBANDINGAN PENCATU FEED LINE DAN PROXIMITY COUPLED

4.1 Hasil Rancangan Antena Patch Segiempat dengan Pencatu Feed Line Setelah semua langkah perancangan pada bab 3 telah dilakukan dengan menggunakan simulator Ansoft HFSS v10 maka didapatlah model antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal dengan teknik pencatu feed lineseperti yang tampak pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Model antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal dengan teknik pencatu feed line

Setelah model antena mikrostrip patch segiempat elemen tunggal dengan teknik pencatu feed line ini disimulasikan, maka didapatlah parameter yang diinginkan antara lain besar nilai VSWR dan gain. Dari hasil simulasi, didapatkan nilai VSWR seperti yang terlihat pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 VSWR yang dihasilkan dari perhitungan

Dari Gambar 4.2 didapatkan nilai VSWR pada saat frekuensi 2,45 GHz sebesar 17,22. Secara perhitungan nilai VSWR yang dihasilkan belum sesuai dengan yang diharapkan, sehingga diperlukan iterasi antena tersebut maka didapat nilai VSWR dan gain yang optimum. Banyak hal yang mempengaruhi nilai VSWR dan gain tersebut antara lain besaran dimensi patch baik itu panjang patch maupun lebar patch, serta panjang pencatu. Maka untuk tahap awal yang perlu diiterasi adalah panjang patch. Hasil iterasi panjang patch dapat dilihat pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Hasil iterasi panjang patch pencatu feed line

No

Dimensi patch VSWR

Gain saat F= 2,45 Ghz (dBi) Lebar Panjang

2,40 Ghz

2,45 Ghz

2,50 Ghz

1 37 32 16,59 17,22 18,27 0,91

2 37 31 9,67 12,06 11,75 1,05

Tabel 4.1 Hasil iterasi panjang patch pencatu feed line (Lanjutan dari hal. 39)

3 37 30 6,22 7,22 8,28 1,39

4 37 29 4,14 4,42 4,96 1,61

5 37 28 3,96 3,76 3,83 1,74

6 37 28,2 4,20 3,91 3,90 1,71

7 37 27 6,16 4,98 3,86 1,77

Dari Tabel 4.1 didapatlah hasil iterasi panjang patch dengan nilai VSWR yang telah turun, saat panjang patch diubah menjadi lebih kecil dari 32 mm maka nilai VSWR pun semakin menurun. Namun dalam hal ini perlu ada perbaikan nilai sehingga diperlukan kembali iterasi. Pada tahap kedua ini, bagian yang perlu diiterasi adalah lebar patch sehingga dengan mengubah nilai lebar patch akan membuat nilai VSWR semakin menurun. Hasil iterasi lebar patch dapat dilihat pada Tabel 4.2

Tabel 4.2 Hasil iterasi lebar patch pencatu feed line

No

Dimensi patch VSWR Gain saat

F= 2,45 Ghz (dBi) Lebar Panjang 2,40 Ghz 2,45 Ghz 2,50 Ghz

1 37 28,2 4,20 3,91 3,90 1.71

2 39 28,2 3,86 3,57 3,65 1,79

3 41 28,2 3,83 3,38 3,22 1,89

4 43 28,2 3,12 3,13 3,61 1,76

5 44 28,2 3,13 2,87 3,09 1,88

6 44,5 28,2 3,26 3,54 4,25 1,61

7 45 28,2 3,54 3,89 3,76 1,84

Dari Tabel 4.2 didapatlah nilai VSWR yang semakin turun, hal ini dilakukan dengan cara mengubah lebar patch. Dari Tabel 4.2, dapat dilihat bahwa nilai VSWR semakin menurun meskipun belum optimal.

Selanjutnya hal yang perlu diiterasi adalah panjang pencatu. Hasil iterasi panjang pencatu dapat ditunjukan pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Hasil iterasi panjang pencatu feed line

No

Dimensi pencatu VSWR Gain saat

F= 2,45 Ghz (dBi) Lebar Panjang 2,40 Ghz 2,45 Ghz 2,50 Ghz

1 3 19,5 2,42 1,65 2,42 1,74

2 3 19,7 2,40 1,64 2,38 1,77

3 3 20 2,38 1,62 2,34 1,78

4 3 21 2,40 1,67 2,40 1,77

Dari Tabel 4.3 dapat ketahuai bahwa nilai VSWR yang dihasilkan sudah semakin baik hal ini didapat dengan cara mengubah panjang pencatu dari 19,5 mm menurun hingga menjadi 21 mm sehingga dihasilkan nilai VSWR yang paling baik pada frekuensi antara 2.45 Ghz yaitu 1,62.

Selanjutnya hal perlu diiterasi adalah posisi pencatu. Hasil iterasi posisi pencatu dapat ditunjukan pada Tabel 4.4.

Tabel 4.4 Hasil iterasi posisi pencatu feed line

No

Posisi Pencatu (mm)

VSWR Gain saat

F= 2,45 Ghz (dBi) 2,40 Ghz 2,45 Ghz 2,50 Ghz

1 30 2.40 1.64 2,38 1,40

2 25 2,32 1,36 2,32 1,38

Tabel 4.4 Hasil iterasi posisi pencatu feed line (Lanjutan dari hal. 42)

3 20 2,39 1.49 2,30 1,43

4 15 2,37 1.32 2,22 1,45

5 12 2,02 1.22 2,27 1,47

6 10 2,42 1.53 2,13 1,43

Dari Tabel 4.4 dapat ketahui bahwa nilai VSWR yang dihasilkan sudah semakin baik hal ini didapat dengan cara mengubah posisi pencatu sehingga dihasilkan nilai VSWR yang paling baik. Nilai VSWR yang paling baik berada pada posisi 12 mm. Adapun grafik VSWR yang didapatkan dari proses iterasi ditunjukan pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3 Nilai VSWR setelah proses iterasi antena mikrostrip patch segiempat dengan teknik pencatu feed line

Dari Gambar 4.3, diketahui bahwa nilai VSWR yang dihasilkan setelah dilakukannya proses iterasi yaitu 2,02 pada frekuensi 2,45 Ghz, 1,22 pada frekuensi 2,40 Ghz, dan 2,27 pada frekeunsi 2,50 Ghz. VSWR yang dihasilkan sudah cukup baik. Untuk antena dengan patch elemen tunggal. Selanjutnya parameter lain yang harus diketahui adalah berapa besar gain yang didapat saat lebar pencatu berubah. Adapun gain yang dihasilkan setelah proses iterasi dilakukan seperti ditunjukan oleh Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Gain setelah proses iterasi antena mikrostrip patch segiempat dengan teknik pencatu feed line

Dari Gambar 4.4 besar gain yang dihasilkan pada saat frekuensi 2,45 Ghz adalah 1,47 dBi.