BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
Spektrum frekuensi radio merupakan sumber daya alam terbatas yang tersedia di setiap Negara di dunia. Seiring berkembangnya zaman, kebutuhan akan spektrum frekuensi semakin bertambah namun ketersediaan spektrum tidak bertambah. Pemanfaatan spektrum frekuensi memberikan dampak yang signifikan terhadap pertumbuhan ekonomi bangsa, oleh karena itu diperlukan pengelolaan spektrum frekuensi yang efektif dan efisien untuk memberikan dampak yang lebih besar dalam pembangunan setiap Negara, termasuk juga Indonesia[2].
2.2 Penggolongan Pita Frekuensi
ITU menggolongkan spektrum frekuensi radio secara berkesinambungan dari frekuensi 3 KHz sampai denga 3000 GHz dan membaginya menjadi 9 rentang pita frekuensi. Tabel 2.1 menunjukkan bagaimana penggolongan pita frekuensi berdasarkan ITU[3].
Tabel 2.1 Frekuensi dan Panjang Gelombang.
No . Pit a Simbol Rentang Frekuensi (batas bawah tidak termasuk, batas atas
termasuk) Pembagian Panjang Gelombang yang bersesuaian Singkat an Panjang Gelomb ang
4 VLF 3 s/d 30 KHz Gelombang Myriametrik B.Mam
5 LF 30 s/d 300 KHz Gelombang Kilometrik B.Km
6 MF 300 s/d 3000 KHz Gelombang Hectometrik B.hm
8 VHF 30 s/d 300 MHz Gelombang Metrik B.m
9 UHF 300 s/d 3000 MHz Gelombang Desimetrik B.dm
10 SHF 3 s/d 30 GHz Gelombang Sentimetrik B.cm
11 EHF 30 s/d 300 MHz Gelombang Milimetrik B.mm
12 300 s/d 3000 GHz Gelombang Desilimetrik
2.3 Prospek Penggunaan Pita Frekuensi 60 GHz
Seiring meningkatnya kebutuhan pelayanan telekomunikasi memberikan dampak pada ketersediaan pita frekuenssi yang akan digunakan. Oleh karena itu, diperlukan band frekuensi yang tepat untuk menunjang kebutuhan yang meningkat tersebut. Solusi yang ada saat ini adalah melakukan research pada band 60 GHz. Secara khusus, untuk dense local communica-tions, band 60 GHz memiliki ketertarikan khusus karena karakteristik redaman spesifik pada atmosfer dari 10 sampai 15 dB / km. Daerah 10-15 dB / km membuat band 60 GHz tidak cocok untuk komunikasi jarak jauh (> 2 km) sehingga dapat didedikasikan sepenuhnya untuk komunikasi jarak pendek (<1 km).
Pada lingkungan indoor (<50 m) 10 sampai 15 dB / km redaman tidak memiliki dampak yang signifikan. Redaman spesifik lebih dari 10 dB / km terjadi di sebuah band-lebar sekitar 8 GHz berpusat di sekitar 60 GHz. Dengan demikian, dari sudut pandang fisik, ada sekitar 8 GHz bandwidth yang tersedia untuk dense wireless local communica-tions. Hal ini membuat band 60 GHz dinilai cocok untuk band yang akan digunakan pada masa yang akan datang [1].
Berbagai penelitian mengenai perancangan antena mikrostrip yang bekerja disekitar band 60 GHz telah banyak dilakukan. Tabel 2.2 menunjukkan jurnal penelitian-penelitian tersebut diberbagai lembaga-lembaga maupun universitas di dunia.
Tabel 2.2 Berbagai Jurnal Penelitian Antena Mikrostrip yang Bekerja pada Frekuensi 60 Ghz.
No Judul Penelitian Nama
peneliti/tahun
Spesifikasi Antena 1 A Circularly-Polarized
Microstrip Grid Array Antena for 60 GHz Radios[4]
Bing Zhang dan Yue Ping Zhang (2010) - Patch : Sirkular -Volume : 17 mm -Ketebalan : 0.5 mm -Gain maximum : 15.5 dBi. 2 A Compact 4 by 1 Patch Array Antena-in-Package for 60 GHz Applications[5] Mohammad Fakharzadeh(2012) -Antena mikrostrip array 4 patch -Ukuran patch : 5 mm x 12 mm
-Gain maximum : 12 dBi 3 A Wideband Microstrip
Patch Antena for 60 GHz Wireless Aplications[6] M. S. Alam, M. T. Islam, N. Misran dan J. S. Mandeep (2013) -Patch : persegi -Ketebalan : 1.575 mm -Substrat : RT / Duroid 5880 -Gain maximum : 9.52 dBi
4 High Gain and Wide-Band Aperture-Coupled Microstrip Patch Antena with Mounted Horn Integrated on FR4 for 60 GHz Communication Systems[7] Waleed Tariq Sethi, Hamsakutty Vettikalladi, Babar Kaleem Minha, dan Majeed A.
Alkanhal(2013)
-Substrat : RT Duroid 5880
-Total tinggi antena : 4 mm
-Gain maximum : 12.51 dBi
5 High Gain Active Microstrip Antena for 60-GHz WLAN/WPAN Applications[8]
Camilla Kärnfel, Paul Hallbjörner, Herbert Zirath dan Arne Alping (2006)
-Gain antena : 12-13 dBi -Gain amplifier : 18 Db -Direktivitas 1 array : 13 dbi
-Direktivitas 2 array : 14.6 dbi
6 High gain microstrip antena based on double superstrate layer for 600Hz
communication[9]
Abbou Djamel, Touhami Rachida dan Gaoua Said (2014)
-Antena memiliki 2 layer superstrat
-Gain : 16.88 dBi -Direktivitas : 16.97
2.4 Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip adalah jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil. Secara umum, antena mikrostrip terdiri dari 3 bagian, yaitu patch, substrat, dan groud plane. Gambar 2.1 menunjukkan struktur dari sebuah antena mikrostrip.
Gambar 2.1 Struktur Dasar Antena Mikrostrip
Elemen peradiasi (patch), berfungsi untuk meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang memiliki ketebalan tertentu. Jenis logam yang biasanya digunakan adalah tembaga (copper) dengan konduktifitas 5,8 x 107 Siemens/meter. Elemen substrat (substrate) berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip yang memlhihbatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan. Elemen pentanahan (ground) berfungsi sebagai pembumian bagi sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga[10].
Antena mikrostrip memiliki banyak kelebihan dengan antena jenis lain. Diantaranya adalah, mempunyai bobot yang ringan dan volume yang kecil, biaya fabrikasi yang murah, dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave
integrated ciccuits (MICs), dan kemampuan dalam dual frequency dan triple
frequency. Adapun beberapa kelemahan antena mikrostrip antara lain, penguatan yang rendah, memiliki rugi-rugi hambatan (ohmic loss) pada pencatuan antena array, memiliki daya (power) yang rendah dan timbulnya gelombang permukaan (surface wave).
Berdasarkan bentuk patchnya, antena memiliki jenis yang bermacam-macam diantaranya bujur sangkar (square), lingkaran (circular), persegi panjang (rectangular), segitiga (triangular), elips (elliptical) dan lain lain[11].
2.5 Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Patch segiempat merupakan bentuk patch yang sederhana dan mudah untuk difabrikasi. Patch ini merupakan salah satu bentuk patch yang banyak digunakan karena kemudahan dalam hal analisis dan memiliki konfigurasi yang sederhana. Contoh bentuk antena mikrostrip dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Ada beberapa parameter antena yang perlu diketahui untuk merancang antena mikrostrip patch segi empat. Antara lain, ketebalan substrat dielektrik (h), konstanta dielektrik (εr), dan loss tangent (tan δ). Dengan mengetahui parameter tersebut maka akan diketahui dimensi antena mikrostrip (W dan L). untuk menentukan lebar antena mikrostrip dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 2.1[12].
√ (2.1) Dimana : W : lebar konduktor εr : konstanta dielektrik
c : kecepatan cahaya di ruang bebas : frekuensi kerja antena
Untuk menetukan panjang antena mikrostrip diperlukan parameter yang merupakan pertambahan panjang akibat dari adanya frigging effect dan parameter
(patch efektif) . dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 2.2[12].
(2.2)
merupakan konstanta dielektrik efektif yang dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.3[12].
(
√
)
Sedangkan patch efektif dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 2.4[12].
√
(2.4)
Sehingga panjang patch dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.5[12].
(2.5)
2.6 Parameter Antena
Antena memiliki beberapa parameter yang mempengaruhi kinerja antena seperti, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), bandwith, impedansi input, return
loss, dan lain lain.
a. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan dari nilai maksimum (Vmax) dengan nilai minimum (Vmin) yang terbentuk dari kedua gelombang tersebut. VSWR juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan dari amplitudo maksimum terhadap amplitudo minimum dari kuat medan elektrik (Emax/Emin). Dalam Persamaan matematis, VSWR dapat dijelaskan seperti pada Persamaan 2.6[13].
1 | | | | 1 min max V V VSWR (2.6)
Dimana merupakan koefisien refleksi. memiliki nilai kompleks dan dapat mempresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Pada beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari adalah nol, maka
= 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna,
= +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
b. Return Loss
Return loss memilki hubungan dengan daya sinyal yang dipantulkan pada
sambungan sistem transmisi.. return loss umumnya dinyatakan sebagai perbandingan dalam satuan desibel (dB) dalam tanda negatif. Hubungan return
loss (RL) dengan daya yang dipantulkan (Pr) dan daya yang datang (Pi). Dalam Persamaan matematis, return loss dapat dijelaskan seperti pada Persamaan 2.7[13]. i r P P dB RL( )10log10 (2.7)
Hubungan antara return loss antena dengan koefisien refleksi antena dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.8[14]
(2.8)
c. Impedansi Input
Impedansi input merupakan impedansi yang dihasilkan pada antena pada terminal atau perbandingan antara tegangan dan arus pada pasangan terminal atau rasio yang sesuai dari komponen medan listrik dan komponen medan magnetik pada suatu titik. Dalam Persamaan matematis, impedansi input dapat dijelaskan seperti pada Persamaan 2.9[13].
d. Bandwidth
Bandwidth merupakan selisih batas frekuensi dalam kinerja suatu
perangkat, berhubungan dengan karakteristiknya dalam batas tertentu. Dalam Persamaan matematis, bandwidth dapat dijelaskan seperti pada Persamaan 2.10[13]. % 100 x f f f Bandwidth c l u (2.10)
Dimana fu merupakan frekuensi tertinggi, fl adalah frekuensi terendah dan fc merupakan frekuensi tengah. Standar bandwidth yang banyak digunakan adalah nilai RL di bawah -10 dB. Hal tersebut menunjukkan daya sinyal yang diterima atau dipancarkan antena mencapai 90% dari daya yang datang[13].
2.7 Mikrostrip dalam Array
Antena mikrostrip konvensional memiliki beberapa kelemahan, seperti
bandwith yang sempit, keterbatasan gain, dan daya yang rendah. Untuk
meningkatkan performa dari antena mikrostrip tersebut atau mengatasi kelemahan antena mikrostrip maka kita dapat menambah pacth secara array.
Antena mikrostrip dalam array merupakan antena yg terdiri dari susunan beberapa antena yang identik. Ada bebrapa macam konfigurasi yang dapat digunakan untuk membuat antena mikrostrip array, diantaranya linear, planar,
circular. Masing-masing konfigurasi memiliki kelebihan dan kekurangan tertentu.
Pada antena array, yang disusun secara array adalah bagian patch. Penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal dapat menentukan medan total dari antena array. Medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruksi pada arah yang diinginkan dan berinterferensi secara destruktrif pada arah yang lain. Hal ini diperlukan untuk membentuk pola yang memiliki keterarahan tertentu. Pada antena mikrostrip array juga terdapat
Array Faktor (AF) yang merupakan vector pengali dari medan elektrik dari
elemen tunggal. Besar tingkat daya yang diradiasikan oleh suatu antena mikrostrip ditentukan oleh AF.
Antena mikrostrip dalam array memiliki beberapa kelebihan dan juga kekurangan dibandingkan dengan antena mikrostrip konvensional. Kelebihannya yaitu memiliki bandwith dan gain yang lebih besar daripada anten mikrostrip konvensional. Sedangkan kekurangannya yaitu mmbutuhkan suatu jalur transisi/pencatu antara elemen peradiasi dan input connector untuk mengurangi rugi-rugi sehingga mengurangi efisiensi antna[15].
2.8 Teknik Pencatuan Antena dan Penyesuaian Impedansi
Terdapat berbagai konfigurasi teknik pencatuan elektromagnetik pada antena mikrostrip. Salah satu teknik pencatuan yang sederhana adalah teknil feed
line. Pada teknik pencatuan feed line, Persamaan yang digunakan untuk mencari
dimensi saluran transmisi mikrostrip dapat digunakan Persaman 2.11[11]. [ ] (2.11) Dimana nilai A dan B dari persamaan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.12 dan Persamaan 2.13[11].
(2.12) √ (2.13) Sedangkan panjang saluran transmisi dihitung dengan Persamaan 2.14[11].
L = (2.14) Dimana dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.15[11].
√ (2.15)
Penyesuaian impedansi atau matching impedance dilakukan agar dapat menyesuaiakan dua impedansi yang tidak sama, yaitu karakteristik saluran (Zo) dan impedansi beban (Zin). Penyesuaian impedasi merupakan hal yang penting karena kondisi yang sesuai (match) antara impedansi karakteristik saluran dengan beban akan menghasilkan transfer daya yang maksimal, karena redaman yang disebabkan daya pantul akan diminimalkan. Salah satu teknik matching
impedance yang sering digunakan adalah transformator λ/4.
Transformator λ/4 adalah suatu teknik impedance matching dengan cara memberikan saluran transmisi dengan impedansi Zt diantara dua saluran transmisi yang tidak match. Nilai impedansi Zt dapat dihitumg dengan menggunakan Persamaan 2.16[12].
√ (2.16) Dimana Z1 dan Z2 merupakan dua saluran transmisi yang tidak match[12].
