BAB II
DASAR TEORI
2.1 Pengertian Antena
Antena merupakan bagian penting dalam sistem komunikasi radio, karena
antena sebagai alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran tranmisi
menjadi gelombang bebas di udara dan sebaliknya. Antena berfungsi untuk
memancarkan gelombang elektromagnetik menuju ruang bebas atau sebaliknya
menangkap gelombang elektromegnetik dari ruang bebas. Energi listrik dari
pemancar dikonversi menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena
gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas kemudian pada penerima
gelombang elektromagnetik tersebut ditangkap lalu dikonversi menjadi energi
listrik dengan menggunakan antena.
Antena juga dapat dikatakan sebagai struktur transisi antara ruang bebas
dengan alat pembimbing. Alat pembimbing yang dimaksud dapat berupa saluran
koaksial ataupun pipa yang digunakan sebagai alat transportasi energi
elektromagnetik dari sumber transmisi ke antena atau dari antena ke penerima.
Pada sistem komunikasi radio, perancangan antena yang baik akan mempertinggi
unjuk kerja dari keseluruhan sistem tersebut. Antena juga memiliki sifat resonansi
artinya antena akan beroperasi pada daerah tertentu saja sesuai dengan frekuensi
kerjanya. Kekuatan dalam memfokuskan sinyal radio satuannya dalam antena
adalah dB. Semakin besar jumlah dBnya maka jangkauan jarak yang ditempuh
sistem yang akan kita bangun dan disesuaikan dengan kebutuhan penyebaran
sinyalnya.
2.2 Antena Mikrostrip
Salah satu antena yang terkenal saat ini adalah antena mikrostrip. Hal ini
dikarenakan bentuk dan ukuran yang kecil sehingga cocok dengan perangkat
telekomunikasi sekarang ini yang memperhatikan bentuk dan ukuran. Ukuran
antena yang kecil, massa yang ringan dan mudah difabrikasi menjadikan antena
ini sesuai dengan kebutuhan saat ini.
2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu mikro
(sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat
didefinisikan sebagai salah satu antena yang berbentuk potongan atau bilah
dengan ukuran yang sangat kecil. Secara umum, antena mikrostrip terdiri atas 3
bagian, yaitu patch, substrat, dan ground plane. Patch terletak diatas substrat dan
ground plane terletak paling bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1[1].
Patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik dan
terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Substrat
berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip yang membatasi elemen
peradiasi dengan elemen pentanahan, sedangkan ground plane berfungsi sebagai
reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan dan terletak dilapisan
paling bawah.
2.2.2 Jenis-Jenis Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip dikenal dalam beberapa bentuk sesuai dengan bentuk
patch-nya, diantaranya :
a) Antena mikrostrip patch persegi panjang (rectangular)
b) Antena mikrostrip patch persegi (square)
c) Antena mikrostrip patch elips (elliptical)
d) Antena mikrostrip patch segitiga (triangular)
e) Antena mikrostrip patch lingkaran (circular)
f) Antena mikrostrip patch cicular ring
Bentuk patch antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Jenis-Jenis Patch Antena Mikrostrip
Eliptical Square Circular
2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip mengalami kenaikan popularitas khususnya diaplikasi
wireless dikarenakan bentuknya yang kecil, mudah dibawa, sederhana, dan proses
pembuatannya tidak membutuhkan biaya yang sangat mahal. Selain itu, antena ini
juga kompatibel dan dapat diintegrasikan langsung dengan sirkuit utamanya,
seperti telepon genggam, missile, dan peralatan lainnya.
Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip adalah :
a) Dimensi antena yang kecil.
b) Bentuknya sederhana memudahkan dalam proses perakitan.
c) Dapat bekerja dalam dual-frekuency dan triple frekuency.
d) Dapat diintegrasikan pada Microwave Integrated Circuit (MIC).
e) Tidak membutuhkan biaya yang sangat besar dalam proses pembuatannya.
Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti :
a) Efisiensi yang rendah.
b) Gain yang rendah.
c) Memiliki daya (power) yang rendah.
d) Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan.
e) Bandwith yang sempit.
2.2.4 Teknik Pencatuan
Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dapat dibagi dua,
yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak
langsung (electromagnetic coupling). Awalnya teknik pencatuan langsung sering
digunakan karena sangat sederhana dalam pencatuan. Tetapi disamping itu ada
kesulitan jika disusun secara array dan antena mikrostrip akan menghasilkan pita
frekuensi atau bandwith yang sempit sekitar 2% - 5 %[2].
Oleh karena kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya
dikenalkan pencatuan tidak langsung (electromagnetic coupling). Keuntungannya
adalah dapat memperlebar bandwith dan dapat mengurangi proses penyolderan.
Beberapa teknik pencatuan yang sering digunakan, yaitu : coaxial probe, teknik
microstrip line, aperture coupling dan proximity coupling.
2.3 Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Antena mikrostrip dalam perancangan ini menggunakan patch segiempat.
Bentuk segiempat adalah bentuk antena mikrostrip yang paling banyak digunakan
karena bentuknya sederhana. Selain itu, patch segiempat mudah dalam analisis
dan proses fabrikasi. Gambar 2.3[3] menunjukkan bentuk geometri dari patch
mikrostrip segiempat dimana W dan L adalah lebar dan panjang dari patch, h
adalah tebal substrat dan
ɛ
r merupakan nilai konstanta dielektrik dari substrat.2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip
Unjuk kerja dari suatu antena mikrostrip dapat dilihat dari parameternya.
Beberapa parameter utama yang dimaksud adalah bandwith, gain antena, pola
radiasi, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dan Return Loss.
2.4.1 Bandwith
Bandwith (Gambar 2.4) suatu antena didefinisikan sebagai besar rentang
frekuensi kerja dari suatu antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik
(seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR,
return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar [4].
Gambar 2.4 Rentang Frekuensi yang menjadi Bandwith
Berikut adalah rumus yang digunakan untuk mencari nilai bandwith[4] :
BW = �2�−�1
� � 100% (2.1)
Dimana :
�2 = frekuensi atas (Hz)
�1 = frekuensi bawah (Hz)
2.4.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri
(standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min)[2]. 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)[2]:
Γ = �0
Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi
saluran. Sedangkan rumus untuk mencari nilai Voltage Standing Wave Ratio
adalah [2] :
�
=
|V|max|V|min
=
1+|Γ|1−|Γ| (2.3)
Kondisi yang paling baik adalah ketika nilai VSWR-nya sama dengan satu
atau S=1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam matching sempurna
tetapi pada prakteknya kondisi ini sulit didapatkan. Oleh karena itu, nilai standar
VSWR yang diizinkan untuk simulasi dan pabrikasi antena mikrostrip adalah
lebih kecil atau sama dengan 2.
2.4.3 Return Loss
Return Loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return Loss
digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan
Return Loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas diantara saluran
transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Besarnya return loss
bervariasi tergantung pada frekuensi [3].
Return Loss = 20 log10 |Γ | (2.4)
Nilai return loss yang baik adalah dibawah -9,54 dB, sehingga dikatakan
nilai gelombang yang dipantulkan tidak terlalu besar dibandingkan dengan
gelombang yang dikirimkan atau dengan kata lain saluran transmisi sudah dalam
keadaan matching. Nilai ini menjadi acuan apakah antena sudah bekerja pada
frekuensi yang diharapkan atau belum.
2.4.4 Pola Radiasi
Pola radiasi adalah fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat
radiasi antena sebagai fungsi ruang [2]. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan
fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Pola radiasi biasanya
digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat
direksional. Parameter pola radiasi terdiri dari main lobe, side lobe, HPBW (Half
Beamwidth), FNBW (First Null Beamwidth), SLL (Side Lobe Level) dan FBR
(front to back ratio) seperti terlihat pada Gambar 2.5.
Definisi dari istilah- istilah dari parameter pola radiasi adalah sebagai berikut :
a) Major Lobe
Major lobe disebut juga main lobe didefinisikan sebagai radiation lobe
yang berisi arah radiasi maksimum. Major lobe merupakan daerah
pancaran terbesar sehingga dapat menentukan arah radiasi dan mempunyai
daya yang besar.
b) Side Lobe
Side Lobe terdiri dari :
1. first side lobe yaitu minor lobe yang posisinya paling dekat dengan
main lobe.
2. second side lobe yaitu minor lobe yang posisinya setelah first side
lobe.
3. back lobe yaitu minor lobe yang posisinya berlawanan dengan main
lobe.
c) Half Power Beamwidth ( HPBW)
Half Power Beamwidth adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titik titik ½
daya atau -3 dB atau 0.707 dari medan maksimum pada lobe utama.
d) First Null Beamwidth (FNBW)
First Null Beamwidth adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada
main lobe yang intensitas radiasinya nol.
e) Side Lobe Level (SLL)
Side Lobe Level adalah perbandingan antara first lobe dan main lobe. Side
f) Front to Back Ratio (FBR)
Front to Back Ratio adalah perbandingan antara main lobe terhadap back
lobe.
Semakin besar sudut yang membentuk main lobe-nya maka keterarahan
antena semakin kecil, sedangkan lobe-lobe kecil didekat main lobe yang disebut
minor lobe merupakan berkas radiasi yang tidak terarah dan sebenarnya tidak
dibutuhkan.
2.4.5 Direktivitas Antena
Direktivitas antena merupakan parameter yang menunjukkan kemampuan
antena untuk memfokuskan energi kearah tertentu dibandingkan ke arah yang
lain. Keterarahan sebuah antena merupakan perbandingan intensitas radiasi
sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua
arah. Direktivitas antena dapat dituliskan dalam persamaan berikut [2] :
�
=
��0
=
4��
���� (2.4)
Dimana :
D = keterarahan
U = Intensitas Radiasi
U0 = Intensitas radiasi pada sumber isotropik
Prad = daya total radiasi
Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan
2.4.6 Gain
Gain menunjukkan seberapa efisien sebuah antena dapat mentransformasi
daya yang ada pada terminal masukan menjadi daya yang teradiasi pada arah
tertentu[2]. Gain antena mikrostrip patch segiempat dapat menggunakan
Persamaan 2.5[5].
Dimana λ0merupakan panjang gelombang pada frekuensi resonansi
( )
fr .2.4.7 Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah impedansi yang dipresentasikan oleh antena
pada terminalnya. Terminal yang sesuai sangat dibutuhkan untuk sebuah antena.
Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang ada
disekitarnya, tetapi pada umumnya sebuah antena diasumsikan sudah terisolasi.
Secara matematis impedansi masukan dapat dirumuskan sebagai berikut [2]:
Zin = (Rin + j Xin) Ω (2.7)
Dimana :
Zin = impedansi masukan
Rin = tahanan terminal antena
Xin = reaktansi masukan
Dari persamaan Zin tersebut diatas, komponen yang diharapkan adalah
atau radiasi. Komponen imajiner (Xin) mewakili reaktansi dari antena dan daya
yang tersimpan pada medan dekat antena. Adapun Zin untuk antena mikrostrip
patch segiempat untuk nilai VSWR ≤ 2 dapat dirumuskan sebagai[5].
Dalam perancangan antena mikrostrip terlebih dahulu kita harus
menghitung dimensi antena yang akan dibuat yang meliputi panjang dan lebar
patch-nya. Untuk mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L), harus diketahui
terlebih dahulu parameter bahan yang akan digunakan yaitu tebal dielektrik (h),
konstanta dielektrik (εr), tebal konduktor (t) dan rugi-rugi bahan (rugi-rugi
tangensial). Persamaan yang dapat digunakan untuk mencari lebar dan panjang
antena mikrostrip adalah sebagai berikut[2] :
Lebar patch
f = frekuensi resonansi (Hz)
�r = konstanta dielektrik relative
c = kecepatan cahaya (m2/s)
Sedangkan untuk mencari nilai Panjang patch diperlukan parameter ΔL yang
Δ�=0,412 ℎ
Panjang elemen peradiasi efektif dirumuskan sebagai :
L = L eff – 2 ΔL (2.11)
Jika dihubungkan dengan frekuensi resonansi adalah :
Leff =
�
2�� �εeff
(2.12)
Dengan nilai konstanta dielektrik efektif adalah Persamaan 2.13.
εeff = ��+1
ε = konstanta dielektrik relatif
eff
ε = konstanta dielektrik efektif
2.6 Antena Susun Mikrostrip
Antena susun mikrostrip (array)adalah susunan dari beberapa antena yang
identik. Antena mikrostrip array dapat berbentuk seri, paralel, atau gabungan dari
keduanya. Dalam antena mikrostrip array, yang disusun secara array adalah
bagian patch. Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor
Untuk membentuk pola yang memiliki keterarahan tertentu, diperlukan
medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruksi pada arah yang
diinginkan dan berinterferensi secara destruktif pada arah yang lain. Ada beberapa
macam konfigurasi antena array, di antaranya: linear, planar, dan circular,
seperti terlihat pada Gambar 2.6[4].
Antena array linear adalah array dengan titik pusat elemen array berada
pada satu garis lurus. Antena array planar adalah array dengan susunan elemen
array membentuk sebuah area yang berbentuk kotak. Antena array circular
adalah array dengan elemen array terletak pada suatu lingkaran dengan radius
tertentu. Masing-masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya linear array
memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan planar
array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola
radiasi[4].
2.7 Antena Susun Mikrostrip Dual -Band
Antena susun mikrostrip dual-band adalah antena yang patchnya disusun
dengan teknik array supaya antena dapat bekerja di dua frekuensi berbeda. Pada
Tugas Akhir ini, dirancang sebuah antena yang dapat bekerja pada frekuensi 2,45
GHz dan frekuensi 3,35 GHz.
2.8 Impedance Matching
Impedance Matching merupakan cara atau teknik yang dipakai untuk
menyesuaikan dua impedansi yang tidak sama, yaitu impedansi karakteristik
saluran (Z0) dan impedansi beban (ZL). Beban dapat berupa antena atau
rangkaian lain yang mempunyai impedansi ekivalen [2]. Impedance Matching
mempunyai peranan yang sangat penting untuk memaksimalkan transfer daya dari
sumber sinyal ke beban. Kondisi yang sesuai (match) antara impedansi
karakteristik saluran dengan beban akan menghasilkan transfer daya yang
maksimal, karena redaman yang disebabkan daya pantul akan diminimalkan.
Pada prinsipnya, untuk menyesuaikan impedansi saluran dengan
impedansi beban dilakukan dengan menyisipkan suatu “transformator impedansi”
yang berfungsi mengubah impedansi beban sama dengan impedansi karakteristik
saluran. Ada beberapa bentuk atau model teknik penyesuaian impedansi ini,
diantaranya adalah, transformator �/4, single stub tuner, double stub tuner, dan
lumped circuit. Pada Tugas Akhir ini digunakan teknik transformator �/4 untuk
Gambar 2.7 Transformator λ/4
Transformator �/4 adalah suatu teknik impedance matching dengan cara
memberikan saluran transmisi dengan impedansi ZT di antara dua saluran
transmisi yang tidak match. Panjang saluran transformator �/4 ini adalah sebesar
l= ¼ �g. Nilai impedansi ZT dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan
2.14[4].
��=��1�3 (2.14)
2.9 Power Divider
Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada
saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider
(combiner). Dalam hal ini, metode Wilkinson merupakan teknik yang umum
digunakan. Gambar 2.8 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson [4].
Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan Persamaan 2.15
berikut [4].
�= �0√� (2.15)
Dimana N adalah jumlah titik pencabangan.
2.10 T-Junction 50 Ohm
T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan
pada konfigurasi antena array. Jenis T-junction 50 Ohm yang dapat digunakan
sebagai power divider terlihat pada Gambar 2.9[4]. Pada Tugas Akhir ini
T-junction yang digunakan adalah yang memiliki impedansi 70,7 ohm.
Gambar 2.9 T-Junction Untuk Antena Mikrostrip
2.11 Perangkat Lunak AWR Microwave Office
Microwave Office merupakan solusi perangkat lunak yang paling
komprehensif dalam merancang berbagai jenis rangkaian microwave dan RF.
Microwave office terkenalkarena memiliki user interface yang intutitif. Keunikan
dari arsitekturnya membuat perangakat ini dapat berintegrasi dengan produk
AWR yang lain, perangkat-perangkat terbaru, perangkat lunak dengan aplikasi
khusus dari perusahaan mitra dengan tujuan untuk memudahkan dan
mempercepat dalam menyelesaikan rancangan-rancangan pada frekuensi tinggi.
Kemampuan :
• Perancangan schematic/layout.
• Simulasi rangkaian linier dan non linier.
• Analisa EM
• Sintesis, optimasi, dan analisis hasil
• DRC/L vs skematik
• Process designs kits (PDKs) dari berbagai perancangan
Aplikasi :
• Microwave Integrated Circuits (MIC).
• Papan cetak perancangan RF (PCB).
• Rakitan microwave terpadu.
2.12 Proses Pencarian Solusi Simulator AWR Microwave Office
AWR Microwave Office dapat mensimulasikan struktur berupa 3D planar
yang berbahan metal dan lapisan dielektrik. Simulator ini menggunakan metode
Galerkin moments (MoM) dalam domain spectral, metode yang sangat akurat
untuk menganalisa mikrostrip, stripline, struktur coplanar serta media yang
lainnya.
Berdasarkan proses pemberhentiannya, simulasi dibedakan menjadi 2
jenis, yaitu : terminating simulation dan non terminating simulation. Pada
simulasi ini sistem pemberhentian simulasi menggunakan non terminating
simulation. Simulasi ini akan berhenti berdasarkan absolute error dan relative
error. Simulasi akan berhenti apabila error telah berada dibawah absolute error
dan relative error yang telah ditetapkan. Adapun besar dari absolute error dan
2.13 Spesifikasi Setting Parameter Simulasi Untuk Pengambilan Data
Dalam menggunakan simulator diperlukan beberapa setting parameter
yang bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi yang mendekati hasil dari
pengukuran secara langsung. Adapun setting simulator yang digunakan dalam
menjalankan simulasi adalah sebagai berikut.
1. Rentang frekuensi simulasi adalah 2.2-2.6 GHz dengan frekuensi
resonansinya sebesar 2.45 GHz. Adapun cara untuk settingan nilai
frekuensi dijelaskan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Settingan Nilai Frekuensi Pada Simulator
Untuk mendapatkan tab seperti pada Gambar 2.10 dapat dilakukan dengan
cara memilih Option > Project Option atau bisa juga dengan cara memilih
langsung dari Project Option. Dari Gambar 2.10 dapat diketahui bahwa
frekuensi pada simulasi dimulai pada 2.3 GHz dan berakhir pada 2.6 GHz
dengan frekuensi tingkatan 0.01 GHz.
2. Menggunakan fitur Harmonic Balance yang merupakan salah satu fitur
dari hasil simulasi yang diinginkan. Untuk mendapatkan settingan
Harmonic Balance dapat dilakukan dengan memilih Option > Default
Circuit Option. Adapun cara untuk melakukan settingan pada Harmonic
Balance dijelaskan pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Settingan Pada Harmonic Balance
Dari Gambar 2.11 dapat diketahui bahwa nilai default yang digunakan
pada absolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1�−9
dan 1�−5 dengan jumlah maksimum dari iterasinya adalah sebesar 25.
3. Dalam simulator AWR Microwave Office 2004 terdapat 3 spesifikasi
mesh yang ditawarkan dalam perancangan, yaitu : low, normal dan high.
Spesifikasi tersebut akan mempengaruhi keakuratan hasil simulasi yang
didapatkan. Gambar 2.12 menunjukkan contoh model simulasi dengan
Gambar 2.12 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi Low Mesh
Dari Gambar 2.12 dapat diketahui bahwa sebuah model simulasi yang
menggunakan spesifikasi low dalam perancangan akan akan memiliki ukuran
jaring yang lebih besar dan akan memiliki nilai akurasi yang lebih rendah.
Gambar 2.13 menunjukkan contoh model simulasi dengan menggunakan
spesifikasi normal mesh.
Gambar 2.13 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi Normal Mesh
Dari gambar 2.13 dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan
spesifikasi normal memiliki ukuran jaring yang lebih kecil dibandingkan dengan
yang lebih baik dibandingkan dengan spesifikasi low mesh. Gambar 2.14
menunjukkan suatu model simulasi yang menggunakan spesifikasi high. Dari
gambar dapat dilihat bahwa sebuah model simulasi yang menggunakan spesifikasi
high memiliki ukuran jaring yang paling kecil dibandingkan dengan spesifikasi
low dan normal.
Gambar 2.14 Contoh Model Simulasi Dengan Spesifikasi High Mesh
Pada perancangan ini, mesh yang digunakan (dipilih) adalah yang bertipe high.
Hal ini dikarenakan hasil simulasi yang diperoleh dengan menggunakan
spesifikasi high memiliki tingkat keakuratan yang paling baik dibandingkan
