Rancang Bangun Antena Mikrostrip Patch Segiempat Dengan Tipe Polarisasi Melingkar Menggunakan Metode Slot Diagonal

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas bidang pentanahan (ground plane) yang diantaranya terdapat bahan substrat dielektrik (dielectric substrate). Elemen antena mikrostip terpancar secara efisien sebagai alat pada papan tercetak mikrostrip [6]. Bentuk umum antena mikrostrip terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Bentuk Umum Antena Mikrostrip [Balanis] Bagian antena mikrostrip terdiri dari:

1. Radiating patch (patch antena elemen peradiasi), bagian yang terletak paling atas dari antena dan terbuat dari bahan konduktor ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara; patch dapat berbentuk lingkaran, persegi panjang, segitiga.

2. Dielectric substrate (substrat dielektrik), berfungsi sebagai media penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan. Ketebalan substrat berpengaruh pada bandwidth dari antena.

3. Ground plane (bidang pentanahan), yaitu lapisan paling bawah yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan [7].

Dielektric substrate (εr)

Ground Plane

Patch L

W

Antena mikrostrip dalam perancangan ini menggunakan patch yang berbentuk segiempat. Patch segiempat lebih banyak digunakan karena kemudahan dalam analisis dan proses fabrikasi. Untuk mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik (�_�) dan rugi–rugi bahan. Panjang antena mikrostrip harus disesuaikan, karena impedansi input dapat berubah.

Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan Persamaan (2.1) dan Persamaan (2.2) [5].

�= �

2�₀�(��+1) 2

(2.1)

�=���� −2∆� (2.2)

Sementara untuk mencari nilai Leff mengunakan Persamaan (2.3). ���� =_2� �

0������

(2.3)

Untuk mencari nilai �_���� digunakan Persamaan (2.4).

����� =��

Akibat adanya fringing effect, penampang pada patch mikrostrip terlihat lebih besar secara elektrik daripada penampang fisiknya. Ukuran dari panjang penampang bertambah pada setiap sisi dengan suatu jarak yang dinyatakan dengan ΔL.

Δ�= 0,412ℎ

(�_���� + 0.3) ��_ℎ + 0.264�

(�_���� − 0.258 ) ��_ℎ − 0.8�

(2.5)

(a) Tampak atas

(b) Tampak samping

Gambar 2.2 Bentuk Fisik dan Panjang Efektif Patch Antena Mikrostrip [11] Keterangan :

W : Lebar patch L : Panjang patch

�� : Konstanta dielektrik

� : Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di ruang bebas ( 3x108)m/s

�0 : Frekuensi kerja antena Leff : Panjang patch efektif

∆L : Perbedaan panjang antara L dan Leff yang disebabkan karena adanya

fringing efects (efek medan tepi)

εreff : Konstanta dielektrik relatif

Antena mikrostrip pertama kali diperkenalkan pada tahun 1950, dan perkembangannya dilakukan secara serius pada tahun 1970. Melalui beberapa dekade penelitian, diketahui bahwa kemampuan beroperasi antena mikrostrip diatur oleh bentuknya. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang

h

Patch

εr

Δ� L Δ�

paling populer saat ini. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip sangat cocok digunakan untuk perangkat telekomunikasi yang sekarang ini memperhatikan bentuk dan ukuran[8].

Adapun beberapa keuntungan antena mikrostrip adalah sebagai berikut[9]: 1. Memiliki beban yang ringan dan bentuk yang kecil

2. Memiliki biaya fabrikasi yang rendah maka dapat diproduksi dalam jumlah yang banyak

3. Mendukung adanya linear serta polarisasi sirkular 4. Mampu beroperasi pada dua atau tiga frekuensi kerja

5. Memiliki mekanik kuat ketika dipasang pada permukaan kaku.

Sedangkan beberapa kelemahan antena mikrostrip adalah sebagai berikut: 1. Memiliki lebar pita yang sempit

2. Memiliki efisiensi yang rendah 3. Memiliki perolehan gain yang rendah 4. Terdapat radiasi asing dari penyambungan 5. Memiliki kapasitas pengaturan daya rendah.

2.2 Parameter Antena

Parameter antena merupakan suatu bagian yang penting dalam mendeskripsikan suatu antena. Dalam perancangan sebuah antena, ada beberapa parameter yang harus dipahami. Diantaranya adalah VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), return loss, axial ratio dan gain. Nilai-nilai parameter dapat dihitung

dari S-Parameter (Scattering Parameter).

2.2.1 S-Parameter

S-Parameter (Scattering Parameter) merupakan suatu konsep magnitude

dan phase gelombang berjalan dan juga dasar alat karakterisasi n-port networks[13]. Jaringan n-port linear dikarakterisasi oleh sejumlah parameter

Gambar 2.3 Two-Port Network [14]

Berdasarkan Gambar 2.3 transfer matrix dari 2-port network juga dikenal sebagai maktriks ABCD, menghubungkan tegangan dan arus pada port 1 kepada port 2 sebaliknya impedance matrix menghubungkan kedua tegangan V1, V2 ke

transmisi (gain)[14]. Dan untuk port yang lebih dari 2 dapat dibuat ke persamaan matriks

2.2.2 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

VSWR adalah kemampuan suatu antena untuk bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR berhubungan dengan pengukuran koefisien refleksi dari antena tersebut (Γ). Nilai VSWR merupakan representasi dari peristiwa standing wave. Peristiwa standing wave terjadi jika terdapat dua gelombang yang merambat pada arah berlawanan dalam media yang sama dan frekuensi antara gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan besarnya sama. Nilai VSWR antara 1 sampai tak hingga, apabila VSWR bernilai 1 berarti tidak ada pantulan di dalam mikrostrip. Suatu antena dikatakan bekerja baik jika VSWR bernilai antara 1 sampai dengan 2[5]. Persamaan matematis mencari nilai koefisien tegangan refleksi (Γ) dapat dilihat pada Persamaan (2.12).

Γ= �0 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 :

• Γ = − 1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat,

• Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna, • Γ = + 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.

Adapun rumus untuk mencari nilai VSWR adalah terdapat pada Persamaan (2.13)

����= |�|��� |�|_��� =

1 + |Γ|

1− |Γ| (2.13)

2.2.3 Return Loss (S11)

Return loss adalah besaran yang menunjukkan nilai loss (rugi) dari power input terhadap power refleksi dari suatu antena. Nilai return loss diperoleh dari hasil pengukuran pada alat vector network analyzer. Nilai return loss dinyatakan dalam satuan dB berkisar antara -∞ sampai 0 dB. Suatu antena dikatakan bekerja baik jika S11≤ -9,54 dB [2]. Hubungan return loss dengan daya yang dipantulkan

(Pr) dan daya yang datang (Pi) dapat dilihat pada Persamaan (2.14).

S11 (��) = 10 ���₁₀Γ (2.14)

2.2.4 Polarisasi

Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi

dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda.

Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo 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. Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips)[1].

a. Polarisasi Linier

Gambar 2.4 Polarisasi Linier [1]

Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi :

• Hanya ada satu komponen

• Dua komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau 1800 atau kelipatannya.

b. Polarisasi Melingkar

Polarisasi melingkar (Gambar 2.5) 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 :

• medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier

• kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama

Gambar 2.5 Polarisasi Melingkar [1] c. Polarisasi Elips

Polarisasi elips (Gambar 2.6) 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 :

• Medan harus mempunyai dua komponen linier ortogonal

• Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau berbeda

• Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama perbedaan fasa waktu antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 00 atau kelipatan 1800 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama makan perbedaan fasa diantara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 900 (karena akan menjadi lingkaran).

2.2.5 Axial ratio

Axial ratio merupakan bagian dari parameter antena yaitu polarisasi yang

merupakan penggambaran arah medan listrik. Axial ratio adalah perbandingan magnitudo mayor dengan magnitudo minor, yang dirumuskan pada Persamaan

(2.15).

���������� = E(minor)

E(mayor) (2.15)

Untuk mendapatkan polarisasi circular, axial ratio tidak boleh lebih dari 3 dB. Nilai 3 dB didapat dari adanya faktor rugi polarisasi dari adanya rugi-rugi daya yang terekstrak dikarenakan gelombang datang tidak sejajar dengan polarisasi antena. Axial ratio selalu dijadikan ukuran kualitas pada sebuah antena ketika polarisasi antena yang diinginkan adalah polarisasi melingkar. Axial ratio adalah rasio dari sumbu mayor dan sumbu minor pada polarisasi elips. Sebagai catatan bahwa polarisisasi melingkar dan linier adalah kasus khusus dari polarisasi elips. Arah propagasi dan arah rotasi polarisasi elips dapat dilihat pada Gambar

Gambar 2.7 Arah propagasi polarisasi elips

Rumus axial ratio secara teoritis dapat dilihat pada Persamaan (2.16)[5].

�� (��) = 20 ��� major axis

minor axis = 20 ��� ΟA

ΟB (2.16)

Daerah polarisasi melingkar terdiri dari dua komponen orthogonal medan E pada amplitude yang sama dan memiliki perbedaan fasa sebesar 900. Karena komponennya memiliki magnitude yang sama, maka pada polarisasi melingkar axial ratio-nya adalah 1 (atau 0 dB). Namun pada sebagian besar aplikasi antena

mikrostrip axial ratio sebesar 3 dB sudah dianggap cukup untuk menggambarkan polarisasi melingkar antena.

2.2.6 Gain

Gain (directive gain) adalah perbandingan antara intensitas radiasi suatu

diterima oleh antena �_�� dibagi dengan 4π. Persamaan matematisnya dapat dilihat pada Persamaan (2.17).

���� =�������������������������ℎ��������

�����������������������������

���� = 4� �(�,∅)

��� (2.17)

Sedangkan relative gain didefinisikan sebagai perbandingan intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Untuk menentukan dimensi elemen peradiasi, maka terlebih dahulu harus ditentukan frekuensi kerja (f0) yang digunakan untuk mencari panjang

gelombang diruang bebas (

λ

₀

)

dirumuskan seperti Persamaan (2.18).

λ0 =

� �0

(2.18)

Setelah nilai �0 diperoleh, maka

λ

� merupakan panjang gelombang pada

bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan Persamaan (2.19).

λ_� = λ0

√�� (2.19)

Gain antena mikrostrip patch segiempat dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.20).

� =4� λ�2

(��) (2.20)

dimana :

G = Gain antena

�� = Panjang gelombang bahan dielektrik

2.3 Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip

Ada banyak konfigurasi yang dapat digunakan untuk mencatu antena mikrostrip. Ada 4 yang paling popular, diantaranya microstrip line, coaxial probe, aperture coupling dan proximity coupling [11]. Dalam hal ini perancangan dilakukan dengan teknik pencatu mikrostrip line. Bentuk dari antena ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan Slot Diagonal [11] Antena mikrostrip ini memiliki bentuk patch segiempat, memiliki panjang (L) dan lebar (W). Bentuknya juga sederhana dengan slot tipis menyilang pada tengah patch-nya, seperti yang terlihat pada Gambar 2.8. Pada bagian tengah patch dipotong secara diagonal sehingga membentuk sebuah slot diagonal.

Pemilihan saluran pencatu dengan saluran mikrostrip adalah karena kemudahan dalam hal fabrikasi dan penentuan matching dari saluran mikrostrip dapat dengan mudah dilakukan. Untuk mematchingkan antena, hal yang perlu dilakukan cukup dengan mengubah-ubah panjang dari elemen pencatu atau dengan memberikan stub dan mengubah-ubah posisinya.

W

2.3.1 Perhitungan Lebar Saluran Mikrostrip

Lebar saluran mikrostrip (W) tergantung dari impedansi karakteristik (Zo)

yang diinginkan. Adapun rumus untuk menghitung lebar saluran mikrostrip dapat dilihat pada Persamaan (2.21)

Dengan �_� adalah konstanta dielektrik relative, dan nilai B dapat diketahui dari Persamaan (2.22)

�= 60� 2

�0√��

(2.22)

2.3.2 Karakteristik Saluran Mikrostrip (Microstrip Line) untuk W/h < 1

Konstanta dielektrik efektif (εreff) dapat dilihat pada Persamaan (2.23)

����� =��

Dan karakteristrik impedansi dapat dilihat pada Persamaan (2.24)

�0 =

2.3.3 Karakteristik Saluran Mikrostrip (Microstrip Line) untuk W/h > 1

Konstanta dielektrik efektif εreff dapat dilihat pada Persamaan (2.4)

sebelumnya. Dan karakteristik impedansi dapat dilihat pada Persamaan (2.25).

2.4 Sistem GPS (Global Positioning System)

Global Positioning System merupakan bidang aplikasi yang sangat luas

digunakan pada saat ini. Di darat digunakan berupa paparan rute-rute jalan dan keberadaan posisi pemakai secara real time. Di laut berupa posisi kapal berada dan di udara berupa posisi kapal terbang yang sedang melintas dan juga berfungsi membantu penerbangan mode otomatis tanpa ditangani pilot secara langsung. sedangkan dari pemakaian militer, bidang ini justru sangat menonjol karena berkaitan dengan pengarahan senjata secara akurat dan juga mengarahkan secara otomatis senjata ke sasaran tanpa campur tangan operator dengan ketelitian yang luar biasa bahkan di bawah jarak meter.

Sinyal yang ditransmisikan satelit-satelit GPS sekarang mengirim sinyal-sinyal L1 dan L2 dengan frekuensi tengah 1575.42 MHz untuk L1 dan 1227.6 MHz untuk L2. Dalam menjalankan fungsinya, sistem GPS dibagi menjadi 3 segmen yaitu segmen luar angkasa (space segment), segmen darat (ground segment) dan segmen pengguna.

Segmen ruang angkasa GPS dibangun dengan 24 satelit yang didistribusikan pada 6 bidang orbit yang membutuhkan 12 jam untuk mengorbit bumi, selama itu satelit telah melintasi jarak 20.200 km, berarti sekali mengelilingi bumi tiap harinya atau tiap satelit akan melewati titik yang sama sekali tiap hari normalnya, 5 satelit selalu berada pada jarak pemakai setiap saat. Segmen darat terdiri dari stasiun yang menyebar ke seluruh dunia. Induknya adalah di Colorado (USA) yang mengendalikan segmen ruang angkasa. Data yang dikumpulkan oleh stasiun monitor digunakan untuk menghitung koreksi posisi bagi satelit. Proses ini menjamin sinkronisasi satelit-satelit dan keakuratan sinyal yang dikirim ke bumi [3].

2.5 Applied Wave Research (AWR) Microwave 2004

Microwave Office 2004, simulator linier, keseimbangan harmonik simulator canggih, 3D-planar EM simulator yang menampilkan output dalam berbagai grafis bentuk berdasarkan analisis kebutuhan, dapat menyesuaikan atau mengoptimalkan perancangan dan perubahan secara otomatis dan langsung tercermin dalam tata letak. Adapun tampilan dari AWR Microwave Office 2004 adalah seperti terlihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Tampilan awal AWR Microwave 2004

dilakukan untuk mendapatkan hasil perancangan antena mikrostrip patch segitiga array menggunakan simulator AWR Microwave Office 2004, adalah:

1. Menyediakan layout baru untuk meracang antena, seperti terlihat pada Gambar 2.9.

2. Membuat struktur EM. Dalam perancangan struktur EM tersebut, hal yang perlu diperlu diperhatikan adalah melengkapi enclouser pada EM structure, untuk mendapatkan ukuran substrat, patch bounderies dari antena yang akan dirancang. Setelah setiap elemen dilengkapi, perancangan antena mikrostrip segitiga dapat dirancang pada lembar kerja EM sturktur yang tersedia.

3. Setelah perancangan selesai dilakukan, simulator AWR akan memperoleh hasil simulasi parameter yang ingin dihasilkan, yaitu frekuensi, VSWR, pola radiasi dari menu graph.