BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA dan LANDASAN TEORI
2.1 Pendahuluan
Secara umum, antena adalah sebuah perangkat yang mentransformasikan sinyal EM dari saluran transmisi kedalam bentuk sinyal radiasi gelombang EM dalam ruang bebas, dan juga menangkap dan mengumpulkan gelombang EM dari ruang bebas dan menstransformasikannya kedalam bentuk pada saluran transmisi.
Beberapa antena yang dapat kita kenal sehari-hari dan mudah terlihat adalah antena televisi. Jenis antena ini adalah antena yagi. Selain antena yagi terdapat juga banyak jenis antena lain, yaitu antena parabola, antena dipole, antena discone, antena heliks, antena mikrostrip dan antena yang lain. Dari beberapa antena yang dikenal sehari-hari, penulis memilih antena mikrostrip dengan kelebihannya yang low profile, compact, dan bisa beroperasi pada single, dual ataupun multi band [2].
Pada Tugas Akhir ini digunakan kuningan untuk plate dan alumunium untuk groundplane nya yang berbentuk persegi panjang dan menggunakan model L- Shaped Probe sebagai pencatunya yang merupakan metode EMC (Electromagnetically Coupled). Dengan demikian diharapkan antena yang dirancang bekerja sesuai dengan spesifikasi perancangan dan menghasilkan bandwidth yang lebar.
Pada Tugas Akhir sebelumnya milik Muhammad Ridwan Widyantara, 2008, Realisasi Antena Mikrostrip Rectangular Patch dengan Teknik Pencatuan EMC (Electromagnetically Coupled) untuk Aplikasi WiMax. Dalam laporan Tugas Akhir merealisasikan antena mikrostrip persegi panjang dengan menggunakan teknik pencatuan feed-line dan menggunakan metode EMC (Electromagnetically Coupled).
2.2 WLAN
Wireless Local Area Network (WLAN) merupakan sebuah sistem komunikasi data yang fleksibel yang dapat diaplikasikan sebagai alternatif pengganti untuk jaringan LAN kabel [9]. Teknologi WLAN ini pada prinsipnya sama dengan LAN
biasa, namun perbedaannya terletak pada media penghubungnya. LAN menggunakan media kabel, sedangkan WLAN menggunakan ruang bebas. Sistem komunikasi wireless tidak terlepas dari perangkat yang mampu mengubah energi atau signal dalam medium pemandu ke ruang bebas (udara). Perangkat tersebut dinamakan antena. Antena bekerja sebagai alat untuk mengirim atau menerima energi dan mengoptimalkan energi radiasi pada arah tertentu [10].
2.3 Antena Mikrostrip 2.3.1 Pendahuluan
Antena mikrostrip adalah antena yang saat ini popular untuk aplikasi mobile seperi WLAN, WiFi dan WiMax, karena memiliki keunggulan-keunggulan yang memenuhi permintaan akan antena yang kecil dan ringan sehingga kompatibel dan mudah diintegrasikan untuk aplikasi yang sifatnya mobile communication.
Secara fisik antena mikrostrip ini terlihat sangat sederhana karena hanya berupa lempengan PCB pada umumnya. Pada dasarnya antena mikrostrip terdiri dari tiga bagian yaitu patch, substrat, dan groundplane, ini terlihat pada Gambar 2.1
(a) Tampak Atas (b) Tampak Samping
Gambar 2.1 Konstruksi Antena Mikrostrip
a. Patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara, terletak paling atas dari keseluruhan sistem antena. Patch tebuat dari bahan konduktor, misal tembaga. Bentuk patch bisa bermacam- macam, circular (lingkaran), rectangular (persegi panjang), segitiga,
ataupun bentuk annular ring. Dalam Tugas Akhir ini bentuk yang digunakan adalah rectangular (persegi panjang).
b. Substrat dielektrik, berfungsi sebagi media penyalur GEM dari catuan menuju daerah dibawah patch. Substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Semakin tebal substrat dan semakin kecil permitivitas relatif maka akan memperbesar bandwidth.
c. Groundplane, groundplane berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan. Groundplane antena mikrostrip biasanya terbuat dari bahan konduktor.
Kelebihan dan kekurangan antena mikrostrip dibandingkan dengan antena konvensional, antara lain sebagai berikut :
1. Kelebihan :
a) Low-profile, ringan serta ukuran kecil dan compact.
b) Low-fabrication, fabrikasi mudah dan murah dan diproduksi dengan menggunakan teknik printed-circuit atau dengan teknik pemotongan biasa.
c) Bisa menghasilkan polarisasi sirkular maupun linier.
d) Bisa dibuat compact sehingga cocok untuk komunikasi bergerak.
e) Bisa beroperasi pada single, dual, ataupun multi band.
2. Kekurangan
a) Bandwidth yang kecil, <1% (dengan teknik pencatuan konvensional).
b) Gain yang rendah, berkisar 3-10 dBi untuk satu patch.
c) Membutuhkan substrat bekualitas baik (mahal).
d) Sistem pencatuan yang kompleks untuk array.
e) Efisiensi rendah.
2.3.2 RMSA (Rectangular Mikrostrip Antena)
Antena mikrostrip dengan patch berbentuk persegi panjang (rectangular) merupakan yang paling banyak digunakan konfigurasinya. Metode yang biasanya digunakan dalam menganalisis antena mikrostrip empat persegi panjang adalah model saluran transmisi. Dapat dilihat pada Gambar 2.1
2.3.3 Dimensi Fisik
Konstruksi dari mikrostrip terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik
( )
εr . Di atas strip adalah udara sehingga bila tanpa shielding sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang masuk kembali ke dalam substrat dielektrik[5]. Fenomena ini disebut fringing effect.
a) Tampak Atas b) Tampak Samping Gambar 2.2 Panjang efektif antena mikrostrip
Fringing effect menyebabkan dimensi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya[5]. Seperti terlihat pada Gambar 2.2, panjang antena mikrostrip bertambah sebesar 2𝜟L. Sehingga panjang efektif dari antena mikrostrip menjadi [5]:
𝐿𝑒𝑓𝑓= 𝐿 + 2𝛥𝐿 (2-1)
dengan :
𝛥𝐿
ℎ = 0.412 �𝜀𝑒𝑓𝑓+0.3��
𝑊 ℎ+0.624�
�𝜀𝑒𝑓𝑓−0.258��𝑊ℎ+0.8� (2-2)
dan : 𝑊 =2𝑓𝑣0
𝑟�𝜀𝑟2+1 (2-3)
2.3.4 Impedansi Input
Besarnya nilai impedansi input antena dihitung dengan terlebih dahulu menghitung admitansi pada slot#1 (admitansi input), yaitu dengan cara mentransfer admitansi pada slot#2 pada terminal output ke terminal input. Pada kondisi ideal, kedua slot dipisahkan oleh jarak sebesar λg/2. Akan tetapi karena adanya fringing effect maka panjang antena mikrostrip menjadi lebih lebar, oleh karena itu panjang antenna mikrostrip sesungguhnya kurang dari λg/2. Besarnya admitansi yang telah ditransformasi pada slot#2 menjadi [5] :
𝑌′2 = 𝐺′2+ 𝑗𝐵′2 = 𝐺1− 𝑗𝐵1 (2-4)
dengan : 𝐺1= 120𝜆𝑊
0�1 −241 (𝑘0ℎ)2� , untuk 𝜆ℎ
0 < 101 (2-5)
𝐵1 = 120𝜆𝑊
0[1 − 0.636 ln(𝑘0ℎ)] , untuk 𝜆ℎ
0 < 101 (2-6)
sehingga besarnya admitansi input menjadi :
𝑌𝑖𝑛 = 𝑌1+ 𝑌′2 = 2𝐺1 (2-7)
dan impedansi input antena menjadi : 𝑍𝑖𝑛 =𝑌1
𝑖𝑛 =2𝐺1
1 (2-8)
Selain besarnya konduktansi diri dari masing – masing slot, terdapat pula konduktasni mutual yang harus ikut diperhitungkan, sehingga besarnya resistansi input antenna mikrostrip ini menjadi :
𝑅𝑖𝑛 = 2(𝐺 1
1±𝐺12) (2-9)
dengan :
𝐺12 =120𝜋1 2∫ �0𝜋 sin�cos 𝜃𝐾0𝑊2 �� 𝐽0(𝐾0𝐿 sin 𝜃)(sin 𝜃) 3𝑑𝜃 (2-10)
Pada umumnya impedansi input terdiri dari bagian real dan imajiner dan berubah terhadap frekuensi. Nilai reaktansi dari antenna relatif jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan nilai resistansinya, oleh karena itu untuk alasan praktis nilai reaktansi dari antenna biasanya di abaikan [5].
Dengan mengetahui nilai impedansi input, selanjutnya dapat dihitung dimensi inset feed untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi, yaitu :
𝑅𝑖𝑛(𝑦 = 𝑦0) = 𝑅𝑖𝑛(𝑦 = 0) cos �𝜋𝐿𝑦0� (2-11)
Gambar 2.3. Antena Mikrostrip dengan inset feed
2.3.5 Saluran Mikrostrip
Konstruksi dari mikrostrip terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik
( )
εr . Di atas strip adalah udara sehingga bila tanpa shielding sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang masuk kembali ke dalam substrat dielektrik. Jadi, terdapat dua dielektrik yang melingkupi strip yaitu udara dengan konstanta dielektrik satu dan substrat dengan konstanta dielektrik( )
εr > . Dengan demikian saluran mikrostrip, secara 1 keseluruhan, dapat kita pandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tetapi lebih kecil dari εr. Konstanta dielektrik ini disebut konstanta dielektrik efektif (effective dielectric constant) [8].
W
εr d
Gambar 2.4 Pola medan listrik pada saluran mikrostrip
Kita dapat mengetahui nilai konstanta dielektrik efektif (εe) dengan menggunakan persamaan dibawah ini:
𝜀𝑒 = �𝜀𝑟2+1+𝜀𝑟2−1�1 + 12𝑊𝑜𝑑�
−1
2 + 0.41 �1 −𝑊𝑜𝑑�−2� , untuk 𝑊𝑜
𝑑 ≤ 1 (2-12)
𝜀𝑒 = �𝜀𝑟2+1+𝜀𝑟2−1� �1 + 12𝑊𝑜𝑑 �
−1
2 , untuk 𝑊𝑜
𝑑 > 1 (2-13)
Untuk keperluan perancangan, bila diketahui impedansi karakteristik Z0 dan konstanta dielektrik εr, lebar strip dapat dicari dengan persamaan [8]:
𝑊
𝑑 =𝑒8𝑒2𝐴−2𝐴 , untuk 𝑊𝑜
𝑑 < 2 (2-14)
𝑊
𝑑 =𝜋2�𝐵 − 1 − ln(2𝐵 − 1) +𝜀2𝜀𝑟−1𝑟 �ln(𝐵 − 1) + 0.39 −0.61𝜀𝑟 �� , untuk 𝑊𝑜
𝑑 > 2 (2-15) dengan
A =Z600�εr2+1+𝜀𝜀𝑟−1
𝑟+1�0.23 +0.11𝜀
𝑟 � (2-16)
𝐵 =2 𝑍377𝜋
0 √𝜀𝑟 (2-17)
Bila pengaruh ketebalan konduktor diperhitungkan, maka lebar strip seolah- olah akan bertambah lebar, karena adanya medan limpahan (fringing field) yang tidak dapat diabaikan. Dengan demikian besaran 𝑊 𝑑⁄ diganti dengan lebar efektif, 𝑊𝑒⁄𝑑, yaitu [8]:
𝑊𝑒
𝑑 = 𝑊𝑑 +1.25 𝑡𝜋𝑑 �1 + 𝑙𝑛2𝑑𝑡 � , untuk 𝑊
𝑑 ≥2𝜋1 (2-18)
𝑊𝑒
𝑑 = 𝑊𝑑 +1.25 𝑡𝜋𝑑 �1 + 𝑙𝑛4𝜋𝑊𝑡 � , untuk 𝑊
𝑑 <2𝜋1 (2-19)
Untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi dibutuhkan juga sebuah transformator 𝜆
4. Transformator 𝜆
4 merupakan sebuah saluran mikrostrip yang panjangnya 𝜆
4 dan besarnya :
Gambar 2.5 Tansformator 𝜆
4
𝑍0.1�𝑍0𝑍𝐿 (2-20)
2.4 Pola Radiasi Antena Mikrostrip
Pola radiasi merupakan bentuk radiasi gelombang elektromagnetik dari sebuah antena sebagai fungsi dari koordinat ruang. Pola radiasi atau bentuk penyebaran daya gelombang elektromagnetik tersebut bergantung pada bentuk atau susunan antena dan atau sistem pencatuan [2]. Sistem koordinat yang digunakan untuk masalah radiasi adalah koordinat bola (spherical coordinate).
Dalam sistem koordinat bola, sebuah titik dalam ruang (misal titik A) dinyatakan dalam persamaan[2]:
𝐴(𝑟, 𝜃, 𝜙) dimana 0 ≤ 𝜃 ≤ 𝜋, 0 ≤ 𝜙 ≤ 2𝜋 (2-21)
x
z
A r
Gambar 2.6 Sistem Koordinat Bola[11]
Pola radiasi dari antena mikrostrip persegi panjang di dapatkan dari persamaan berikut[11]:
E-plane :
𝐸𝜃(𝜃)|𝜃=0 = 𝐾𝑇sin�𝐾0ℎ sin 𝜃2 �
�𝐾0ℎ sin 𝜃2 � cos �𝐾0𝑊 sin 𝜃2 � , dengan 𝑘0=2𝜋
λ (2-22)
H-plane : 𝐸𝜙(𝜙)𝐼𝜙→𝜋
2 = 𝐾𝑇sin (𝑘0𝑏𝑠𝑖𝑛𝜃2 )
(𝑘0𝑏𝑠𝑖𝑛𝜃2 ) cos 𝜃 , dengan 𝑘0=2𝜋λ (2-23)
2.5 Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip
Teknik pencatuan pada antena mikrostrip persegi panjang dapat dilakukan secara langsung atau tidak langsung menggunakan kopling elektromagnetik, tidak adanya kontak metalik langsung antara feedline dan patch. Pemilihan teknik pencatuan akan mempengaruhi impedansi input dan karakteristik antena.
2.5.1 Teknik Pencatuan Langsung
Teknik pencatuan langsung ada dua jenis, yaitu : 1. Coaxial probe
Pada teknik ini, pencatuan dilakukan dengan melubangi patch untuk dihubungkan dengan elemen pencatu atau yang biasa disebut konektor.
Penentuan titik letak catu yang tepat menyebabkan antena ini tidak membutuhkan rangkaian penyepadan dalam pengaplikasiannya.
Gambar 2.7 Teknik Pencatuan Langsung Coaxial Probe
Kelebihan dari teknik pencatuan ini adalah pabrikasi yang mudah, radiasi spurious rendah, dan tidak perlunya penyepadan karena dapat dilakukan dengan menentukan titik catu yang tepat pada patch. Namun kekurangannya adalah bandwidth yang relatif sempit, sulit menemukan letak titik catu yang tepat, dan pemodelan yang sulit, terutama untuk substrat dengan ketebalan ℎ > 0.02 𝜆0.
2. Microstrip line
Pada teknik ini, pencatuan dilakukan dengan cara menghubungkan saluran pencatuan dengan patch, dimana patch dan saluran pencatu menggunakan bahan yang sama.
Gambar 2.8 Teknik Pencatuan Langsung Microstip Line
Teknik pencatuan microstrip line adalah teknik pencatuan yang paling sering dipakai karena memiliki kemudahan dalam pabrikasi, penyesuaian impedansi, dan pemodelannya. Namun akan muncul radiasi spurious dari saluran dan membutuhkan rangkaian penyepadan dalam pengaplikasiannya.
2.5.2 Teknik Pencatuan Tidak Langsung
Pada teknik ini, tidak ada kontak metallic antara patch dengan elemen lainnya, pencatuan pada patch dilakukan dengan cara kopling elektromagnetik dari elemen pencatunya. Teknik pencatuan tidak langsung ini disebut teknik pencatuan electromagnetically coupled (EMC).
Gambar 2.9 Teknik Pencatuan Tidak Langsung Electromagnetically Coupled
Kelebihan dari teknik pencatuan ini adalah bandwidth yang relative lebar, radiasi spurious yang rendah dan tidak diperlukannya rangkaian penyepadan dalam pengaplikasiannya. Namun pabrikasi dan pemodelan yang sulit menjadi kendalanya.
