BAB II
TINJAUAN TEORITIS
2.1 Tinjauan Pustaka
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 [4].
Beberapa realisasi antena yang menggunakan teknik pencatuan proximity coupling berhasil penulis temukan dalam literatur (Tugas/Proyek Akhir) di lingkungan Politeknik Negeri Bandung diantaranya:
1. Krishna Pretty Ekarina. 2010. Realisasi antena mikrostrip dengan menggunakan teknik pencatuan proximity coupling untuk aplikasi WIMAX.
Pada tugas akhir ini telah direalisasikan antena mikrostrip dengan elemen tunggal yang juga beroperasi pada frekuensi 2300MHz-2400MHz (WIMAX). Yang berbeda dari tugas akhir ini adalah dengan menggunakan teknik pencatuan proximity coupling, dimana bagian patch di couple oleh saluran pencatu pada substrat yang berbeda. Pada dasarnya dengan menggunakan teknik pencatuan tersebut, lebar bandwidth dapat di perlebar. Realisasi antena mikrostrip dengan teknik pencatuan proximity coupling ini menghasilkan bandwidth 88.3 MHz pada VSWR ≤ 2. Hal ini menunjukkan bahwa bandwidth yang dihasilkan tidak lebar dengan persentase bandwidth sebesar 3.76% [10].
2. Yuliana Siahaan. 2011. Realisasi Antena Mikrostrip Susun Dua Elemen dengan Teknik Pencatuan Proximity Coupling untuk Range Frekuensi 2.3- 2.4 GHz. Yang berbeda pada tugas akhir ini adalah dua elemen (array) yang beroperasi pada frekuensi 2300MHz-2400MHz (WIMAX). Pada dasarnya dengan menggunakan teknik pencatuan tersebut, lebar bandwidth dapat diperlebar. Realisasi antena mikrostrip dengan teknik pencatuan proximity coupling ini menghasilkan bandwidth 101.7 MHz pada VSWR ≤ 2 [11].
Proyek akhir yang penulis realisasikan mempunyai perbedaan dengan beberapa antena di atas, yaitu frekuensi kerja yang berbeda, teknik pencatuan proximity coupling dengan penambahan stub, dan jumlah elemen susunnya terdiri dari 2 elemen.
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 [1]. 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 [2].
2.3 Antena Mikrostrip 2.3.1 Karakteristik Dasar
Antena mikrostrip seperti yang ditunjukan pada gambar 1. terdiri dari tebal patch yang sangat tipis
t0
dimana 0 adalah panjang gelombang di ruang bebas . Patch tersebut ditempatkan diatas ground plane. Tebal substrat, h0( biasanya 0.0030 h0.050). Untuk patch persegi panjang L dari elemen
biasanya
0/ 3L
0/ 2 [5]. Patch dan ground plane dipisahkan oleh bahan dielektrik yang disebut substrat seperti yang ditunjukan pada gambar 1.a) Tampak Atas (b) Tampak Samping Gambar 1. Struktur antena mikrostrip [5]
Antena mikrostrip konvensional mempunyai kelebihan dan kekurangan, diantaranya [6]:
Kelebihan antena mikrostrip:
a. Mempunyai penampang yang tipis b. Massa yang ringan
c. Memudahkan pabrikasi yang jumlahnya sangat banyak d. Dapat di integrasikan langsung
e. Dapat dibuat untuk dual atau triple frekuensi Kekurangan antena mikrostrip :
a. Bandwidth yang sempit b. Gain yang rendah
c. Kecilnya alat mengakibatkan perlu ketelitian yang tinggi dalam perancangan.
2.3.2 Dimensi Fisik
Konstruksi dari mikrostrip terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik
r . 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 kemudian disebut sebagai fringing effect.
a) Tampak atas
b) Tampak Samping
Gambar 2. Panjang efektif antena mikrostrip
Fringing effect menyebabkan dimensi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya [5]. Seperti terlihat pada gambar 2, panjang antena mikrostrip bertambah sebesar 2ΔL. Sehingga panjang efektif dari antenna mikrostrip menjadi [5]:
= + 2 (1)
dengan :
= 0.412 . .
. . (2)
dan :
= (3)
2.3.3 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] :
′ = ′ + ′ = − (4)
sehingga besarnya admitansi input menjadi :
= + = 2 (5)
dan impedansi input antena menjadi :
= = (6)
Selain besarnya konduktansi diri dari masing – masing slot, terdapat pula konduktasni mutual yang harus ikut diperhitungkan, sehingga besarnya resistansi input antenna mikrostrip ini menjadi :
= ( ± ) (7)
dengan :
= ∫ ( sin ) (sin ) (8)
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 :
( = ) = ( = 0) cos (9)
Gambar 3. Antena Mikrostrip dengan inset feed
2.3.4 Saluran Mikrostrip
Konstruksi dari mikrostrip terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik
r . 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
r 1. Dengan demikian saluran mikrostrip, secara keseluruhan, dapat kita pandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tetapi lebih kecil dari
r. Konstanta dielektrik ini disebut konstanta dielektrik efektif (effective dielectric constant) [7].Gambar 4. Pola medan listrik pada saluran mikrostrip
Kita dapat mengetahui nilai konstanta dielektrik efektif (
e) dengan menggunakan persamaan dibawah ini:= + [1 + ] + 0.04[1 − ] , ≤ 1 (10)
= + [1 + ] / , > 1 (11)
Untuk keperluan perancangan, bila diketahui impedansi karakteristik Z0
dan konstanta dielektrik r, lebar strip dapat dicari dengan persamaan [7]:
= , < 2 (12)
= − 1 − ln(2 − 1) + ln( − 1) + 0.39 − . , > 2 (13)
dengan :
= + 0.23 + . (14)
= √ (15)
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 ddiganti dengan lebar efektif, We/d, yaitu [7]:
= + . 1 + , ≥ (16)
= + . 1 + , < (17)
Untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi dibutuhkan juga sebuah transformator . Transformator merupakan sebuah saluran mikrostrip yang panjangnya dan besarnya [7]:
Gambar 5. Tansformator
. (18)
2.4 Pola Radiasi Antena Mikrostrip Persegi
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 [4]. 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 [4]:
( , , ) dimana 0 ≤ ≤ , 0 ≤ ≤ 2 (19)
Gambar 6. Sistem Koordinat Bola [9]
Pola radiasi dari rectangular mikrostrip antena di dapatkan dari persamaan berikut [9]:
E-plane :
( )| = ( )
( ) cos , = (20)
H-plane :
( )| = ( )
( ) cos , = (21)
dimana :
= − (22)
2.5 Teknik Pencatuan Proximity Coupling
Ada berbagai macam teknik pencatuan yang dapat digunakan untuk antena mikrostrip yaitu mikrostripline, coaxial probe, aperture coupling dan proximity coupling [5]. Masing-masing dari teknik pencatuan menawarkan masing-masing kelebihan. Dalam proyek akhir ini dipilih teknik pencatuan proximity coupling, karena dapat menghindari adanya radiasi silang (cross polarization), radiasi yang rendah, dan dapat menghasilkan bandwidth yang relatif lebar [5].
Teknik pencatuan proximity coupling menggunakan elektromagnetik kopel dimana antara saluran dan elemen peradiasi secara fisik tidak terhubung langsung atau terhubung secara elektromagnetik dimana feedline pada layer pertama terdapat groundplane, sedangkan pada layer kedua terdapat bagian patch-nya.
Beberapa konfigurasi dapat dilakukan pada antena mikrostrip dengan dua layer ini, sama halnya dengan yang hanya menggunakan satu layer. Perbedaannya adalah bagian patch diletakkan pada layer pertama, sedangkan bagian pencatunya pada layer kedua sehingga antena mikrostrip dengan dua layer ini tidak mengakibatkan munculnya radiasi tersendiri. Gambar 7. menunjukkan antena mikrostrip dengan dua layer [6].
Gambar 7. Antena Mikrostrip dengan Teknik Pencatuan Proximity Coupling
Kekurangan dari teknik pencatuan ini yaitu : 1. Sulit dalam melakukan pabrikasi.
2. Diharuskan dengan pabrikasi multilayer.
2.6
Linear Array : Uniform Spacing and Amplitude 2.6.1 PendahuluanAntena memiliki beberapa kelemahan, diantaranya directivity yang rendah [5]. Pada beberapa aplikasi dibutuhkan antena dengan directivity yang tinggi, contohnya pada sistem komunikasi point to point. Salah satu cara untuk meningkatkan directivity adalah dengan menggunakan multielemen antena atau lebih dikenal dengan nama array atau antenna susun.
Terdapat beberapa jenis konfigurasi array, diantaranya linear, planar, sirkular, rectangular, dan spherical. Bentuk array yang paling sederhana adalah bentuk linear, yaitu dengan memposisikan setiap elemen pada satu garis lurus.
Gambar 8. Linear microstrip array
Pada umumnya elemen – elemen pada konfigurasi antenna array merupakan elemen yang identik karena lebih mudah, sederhana dan praktis dalam pembuatan maupun dalam analisisnya. Pada konfigurasi array dengan elemen yang identik, terdapat beberapa hal yang mempengruhi pola total dari antena, yaitu [5] :
Konfigurasi array (linear, sirkular, rectangular, spherical, dll)
Jarak antar elemen
Besarnya amplitudo dan fasa yang diberikan pada setiap elemen
Pola radiasi elemen
2.6.2 Array Faktor
Pola radiasi total dari suatu konfigurasi antena array linear merupakan hasil perkalian antara pola radiasi satu elemen antenna dengan faktor pengali yang disebut array faktor dari sumber isotropis.
( ) = [ ( )] × [ ]
Persamaan matematis dari array faktor dapat dituliskan sebagai berikut [5]:
( ) = (23)
dengan :
= cos + (24)
Teknik array ini dapat memperbaiki salah satu kelemahan antena single elemen, yaitu directivity yang rendah.
2.7 Teknik Penyesuai Impedansi dengan Stub
Sistem operasi antena melalui jarak suatu frekuensi tidak secara lengkap bergantung pada respon frekuensi dari elemen antena tersebut tetapi lebih pada karakteristik frekuensi dari kombinasi elemen saluran transmisi antena. Dalam praktek, impedansi karakteristik dari saluran transmisi adalah nyata dimana elemen antena komplek. Begitu pula variasi tiap fungsi frekuensi tidak sama.
Sehingga efisiensi jaringan penyesuaian kopling harus dirancang sedemikian rupa untuk mendapatkan jarak frekuensi yang diinginkan [8].
Gambar 9. Saluran Catu Menggunakan Stub Pendek
Banyak jaringan penyesuai kopling yang dapat digunakan untuk menghubungkan saluran transmisi terhadap elemen antena dan dapat dirancang untuk memberikan karakteristik frekuensi yang dapat diterima. Salah satunya adalah teknik penyesuai dengan stub. Dimana stub pendek, ls, dihubungkan secara shunt berjarak ds dari pinggir patch, seperti terlihat pada gambar 9. Saluran mikrostrip berbentuk segiempat dihubungkan secara shunt dengan stub pendek.
Dengan mengasumsikan karakteristik impedansi riil, panjang ds di kontrol untuk membuat bagian impedansi riil antena sama terhadap impedansi karakteristik.
Panjang ls saluran shunt diubah-ubah sampai susceptance stub sama dalam magnitudo tetapi berlawanan dalam phasa pada saluran masukan susceptance pada titik hubungan elemen saluran transmisi. Penggunaan stub ini dapat meningkatkan bandwidth [8].
