ANTENA MIKROSTRIP

1. Pendahuluan

Ide atau konsep antena mikrostrip diusulkan oleh Deschamps pada awal

tahun 1950 dan baru dibuat untuk pertama kalinya pada sekitar tahun 1970 oleh

Munson dan Howell, dan merupakan salah satu antena gelombang mikro yang

digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini

seperti : Personal Communications System ( PCS ), mobile satellite communications,

Direct Broadcast Television ( DBS ), Radio Detection And Ranging ( Radar ) dan

Global Positioning System ( GPS ).

Teknologi antena mikrostrip ini sampai sekarang masih merupakan salah satu

topik yang menarik di dalam berbagai aplikasi gelombang mikro, baik di bidang

akademis, industri maupun penelitian. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip

tersebut mempunyai bentuk yang sederhana, kecil dan ringan, efisien, ekonomis dan

mudah pembuatannya. Geometri dari antena mikrostrip ini dapat dilihat pada

Gambar 1. Disamping kelebihan yang ada, antenna mikrostrip tersebut juga

mempunyai kelemahan yang mendasar yaitu lebar pita atau bandwidth yang sempit,

keterbatasan penguatan atau gain dan kapabilitas penanganan daya yang rendah.

Teknik atau metode yang digunakan untuk mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut

antara lain dengan : mengintegrasikan rangkaian aktif, membuat komposisi elemen-

elemen peradiasi dalam bentuk susun atau array dan dapat juga disusun secara

bertumpuk atau stacked.

1

Gambar 1 Geometri Antena Mikrostrip

Dengan h adalah ketebalan sunbstrat dan εr adalah konstanta dielektrik substrat dan

satu lagi parameter yang harus diperhatikan adalah rugi-rugi tangensial atau tan

2. Cavity Model

Untuk menganalisa antena mikrostrip, salah satu pendekatan yang dapat

digunakan adalah dengan model rongga atau cavity model, dengan pertimbangan

bahwa model ini ternyata lebih sederhana dan mudah diterima dalam perancangan

karena kesalahan yang dihasilkan masih bisa ditoleransi. Model cavity memodelkan

daerah antara dua bidang konduktor yang sejajar, yaitu patch radiator dan bidang

pentanahan, sebagai suatu rongga yang dibatasi oleh dinding magnetik sepanjang

batas luar patch. Medan listrik E dalam substrat hanya mempunyai arah komponen z

dan medan magnet H hanya mempunyai sebuah komponen yang melintang pada

ruang cavity. Karena ketebalan substrat dielektrik ( h ) << panjang gelombang ( λ0 ),

maka pada ruang cavity tidak bergantung pada z. Komponen tangensial dari medan

magnet H pada tepi sangatlah kecil sehingga dapat diabaikan. Memperhitungkan

adanya medan pinggir ( fringing fields ) antara pinggir konduktor antena dan bidang

pentanahannya.

2

3. Elemen Peradiasi

Ada beberapa tipe elemen peradiasi atau patch dari antena mikrostrip, seperti

bentuk : rectangular, square, circular, ring, triangular dan pentagonal.

3.1. Bentuk rectangular

Bentuk rectangular merupakan bentuk yang sangat sederhana, seperti yang

terlihat pada Gambar 2. Dengan menggunakan model cavity, frekuensi resonansi

dapat dituliskan sebagai berikut :

dengan :

εr = konstanta dielektrik substrat

c = kecepatan cahaya

a = panjang dari sisi

aeff = panjang dari sisi setelah memasukkan efek pinggir

h = ketebalan dari substrat

Gambar 2 Geometri antena mikrostrip bentuk segiempat

3

3.2. Bentuk circular ( lingkaran )

Bentuk yang lain adalah lingkaran seperti terlihat pada Gambar 3. Frekuensi

resonansinya adalah :

dengan :

aeff = jari-jari lingkaran setelah memasukkan efek pinggir

χmn = kmnaeff adalah akar dari J'm(kmna) = 0

Gambar 3 Geometri antena mikrostrip bentuk lingkaran

3.3. Bentuk ring ( cincin )

Bentuk cincin ini dapat dilihat ada Gambar 4. Ring ratio ( β ) = b/a , dengan

a adalah jari-jari lingkaran luar dan b adalah jari-jari lingkaran dalam. Frekuensi

resonansi dapat dituliskan sebagai berikut :

dengan :

4

mn = kmnaeff adalah akar dari persamaaan karakteristik :

J|m(kmna)Y|

m(kmnb) – Y|m(kmna)J|

m(kmnb) = 0

Gambar 4 Geometri antena mikrostrip bentuk cincin

3.4. Bentuk triangular ( segitiga sama sisi )

Bantuk segitiga sama sisi ini dapat dilihat pada Gambar 5, dengan frekuensi

resonansinya akan terkait dengan mode yang ditentukan :

( 3.4.1 )

dengan :

c = kecepatan cahaya di ruang bebas

r = konstanta dielektrik relatif

5

kmn = bilangan gelombang =

Frekuensi resonan orde TM10 menjadi :

( 3.4.2 )

Persamaan di atas masih belum mengikutsertakan pengaruh dari efek medan

pinggir. Untuk mendapatkan frekuensi resonan yang lebih akurat maka εr pada

persamaan ( 3.4.1 ) atau pada persamaan ( 3.4.2 ) diganti dengan konstanta dielektrik

efektif ( ) yang dihitung dari nilai rata-rata konstanta dielektrik efektif untuk

panjang elemen radiator sama dengan a :

( 3.4.3 )

Efek medan pinggir masuk ke dalam perhitungan dengan memasukkan aeff. Nilai

yang mendekati aeff diberikan oleh :

( 3.4.4 )

Dengan demikian persamaan terakhir untuk frekuensi resonan orde TM10 menjadi :

( 3.4.5 )

6

Gambar 5 Geometri dari antena mikrostrip segitiga sama sisidengan pencatuan koaksial

4. Saluran Pencatu

Secara garis besar ada dua macam teknik pencatuan, yaitu :

4.1. Pencatuan secara langsung ( Koaksial )

Terjadi kontak langsung antara patch antena dengan saluran pencatu, seperti

terlihat pada Gambar 6. Pencatuan secara langsung lebih sederhana, tetapi juga

mempunyai kelemahan seperti : sangat sulit jika antena akan dipabrikasi dalam

bentuk array dan bandwidth-nya sangat sempit.

7

4.2. Pencatuan secara elektromagnetik kopling

Dengan pencatuan secara elektromagnetik kopling tidak terjadi kontak

langsung antara patch antena dengan saluran pencatunya sehingga proses matching

dapat dilakukan secara terpisah dan independen. Adapun kelebihan dari pencatuan

secara elektromagnetik kopling antara lain adalah : mengurangi proses penyolderan

dan dapat meningkatkan bandwidth.

Ada dua macam teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada

pencatuan secara elektromagnetik kopling ini, yaitu :

4.2.1. Proximity Coupled

Pada pengkopelan ini digunakan dua buah substrat, dimana patch diletakkan

pada substrat bagian atas dengan bidang pentanahannya dihilangkan seluruhnya.

Saluran mikrostrip diletakkan pada substrat bagian bawah dan tetap memiliki bidang

pentanahan. Saluran mikrostrip diletakkan di tengah-tengah dari lebar patch dan

berjarak s dari tepi patch, seperti terlihat pada Gambar 7.

Besar penggandengan tergantung dari dua faktor, yaitu jarak s dan lebar patch

W. Penggandengan akan meningkat ketika jarak s bertambah dan mencapai nilai

maksimum ketika s = L/2.

8

Gambar 7 Geometri antena mikrostrip dengan teknik pengkopelan secara proximity 4.2.2. Aperture Coupled

Geometri antena mikrostrip yang tergandeng celah ( aperture coupled ) dapat

dilihat pada Gambar 8. Susunan antena dapat terdiri atas dua atau lebih substrat,

dengan patch antena berada pada permukaan atas dari substrat dan saluran transmisi

diletakkan pada permukaan bawah dari substrat. Patch antena dan saluran transmisi

dipisahkan oleh bidang pentanahan dan digandeng ( coupled ) melalui sebuah celah (

slot/aperture ) pada bidang pentanahan yang disisipkan diantara keduanya.

Impedansi matching dari antena dapat dicapai dengan mengontrol impedansi

karakteristik saluran transmisi dan dengan mengatur dimensi serta posisi dari celah

tersebut.

Pada antena mikrostrip yang digandeng melalui celah ( aperture ), maka

celah tersebut dapat dirancang berbentuk slot rectangular yang diletakkan pada

bidang pentanahan dibawah patch antena. Slot tersebut ditempatkan ditengah-tengah

patch dengan posisi menyilang terhadap saluran transmisi dan saluran transmisi

berada pada substrat lainnya. Dalam proses perancangan ada parameter tambahan

yang harus diperhatikan, yaitu : panjang dari aperture, lebar dari aperture dan

panjang tambahan ( stub ) dari saluran transmisi.

Saluran transmisi yang biasanya digunakan sebagai saluran pencatu pada

pencatuan secara elektromagnetik kopling ada dua macam, yaitu :

4.2.3. Saluran Mikrostrip

Saluran transmisi mikrostrip tersusun dari dua konduktor, yaitu sebuah garis

(strip) dengan lebar w dan bidang pentanahan, keduanya dipisahkan oleh suatu

substrat yang memiliki konstanta dielektrik relatif r dengan tinggi h seperti terlihat

pada Gambar 9. Parameter utama yang penting untuk diketahui pada suatu saluran

transmisi adalah impedansi karakteristiknya Z0. Impedansi karakteristik Z0 dari

saluran mikrostrip ditentukan oleh lebar strip (w) dan tinggi substrat ( t ).

9

Gambar 9 Geometri saluran mikrostrip.

Karakteristik Saluran Mikrostrip Untuk w/h <1

Konstanta dielektrik efektif

Impedansi karakteristik

Karakteristik Saluran Mikrostrip Untuk w/h >1

Konstanta dielektrik efektif

Impedansi karakteristik

4.2.4. Saluran Coplanar Waveguide

Saluran Coplanar waveguide (CPW) merupakan salah satu jenis saluran

transmisi yang dapat dipakai untuk mencatu antena mikrostrip. Tidak seperti saluran

transmisi lainnya, CPW ini mempunyai keunggulan, yaitu kemudahan untuk

merealisasikan hubungan seri maupun paralel baik pada komponen pasif maupun

10

komponen aktif. Disamping itu karakteristik impedansinya dapat dikontrol dengan

mengkombinasikan line width ( lebar konduktor = w ) dan gap width ( lebar celah =

s ) dari saluran CPW tersebut. Dengan cara ini rugi-rugi ohmic dari saluran CPW

dapat dikurangi secara proposional. Gambar 10 memperlihatkan struktur dasar dari

saluran CPW, yang terdiri atas satu strip konduktor yang berada ditengah dan dua

bidang pentanahan yang masing-masing berada disisi strip konduktor dengan jarak

sebesar w.

Gambar 10 Struktur CPW

Karakteristik penting dari CPW sebagai saluran transmisi adalah impedansi

karakteristik ( Z0 ) dan konstanta dielektrik effektif ( ) dari substrat CPW yang

diekspresikan sebagai berikut :

11

Bidang Pentanahan

s

Konduktor Tengah

h

w

h

dengan :

K(k) adalah bentuk pertama integral elliptik dari argumen k, sedangkan

, w adalah lebar jalur konduktor dan s adalah lebar celah serta h adalah tebal

substrat.

Sedangkan untuk panjang saluran pada CPW dapat diperoleh dari persamaan

kecepatan phasa gelombang pada CPW yang dirumuskan sebagai :

dengan :

C = kecepatan gelombang elektromagnetik pada ruang bebas.

VCPW = kecepatan phasa gelombang pada CPW

Dengan mengganti VCPW = lCPW.. f dan C = l0. f, maka persamaan panjang

saluran CPW dapat diekspresikan sebagai berikut :

dengan :

f = frekuensi kerja,

lCPW = panjang gelombang saluran CPW

l0 = panjang gelombang di ruang bebas

5. Parameter Antena Mikrostrip

5.1. Bandwidth ( BW )

Bandwidth merupakan rentang frekuensi kerja antena dan pada rentang

tersebut VSWR yang dihasilkan 2, dimana nilai VSWR tersebut masih dapat

12

ditoleransi. Bandwidth dinyatakan dalam bentuk presentase bandwidth karena

sifatnya konstan relatif terhadap frekuensi. Persen bandwidth (BW) dapat

didefinisikan sebagai :

dengan: fh = frekuensi tertinggi dalam band (GHz)

fl = frekuensi terendah dalam band (GHz)

fc = frekuensi tengah dalam band (GHz),

5.2. Voltage Standing Wave Ratio ( VSWR )

VSWR merupakan perbandingan dari tegangan maksimum dengan tegangan

minimumnya.

Harga VSWR akan optimal ketika harga dari = 0 atau harga VSWR berarti = 1.

Ini berarti bahwa semua daya dapat dipancarkan ke antena dan tidak ada yang

dikembalikan. Biasanya harga VSWR masih dapat ditolerir jika VSWR ≤ 2.

5.3. Faktor Kualitas (QT)

Total faktor kualitas QT elemen peradiasi merupakan penjumlahan dari

perbandingan kualitas faktor radiasi Qr, rugi-rugi konduktor Qc dan rugi-rugi

dielektrik Qd :

dengan :

13

WT =

Qr adalah rugi-rugi radiasi, Qc adalah rugi-rugi konduktor dan Qd adalah rugi-rugi

dielektrik, sedangkan Pr adalah daya radiasi.

5.4. Efisiensi

Efisiensi antena didefinisikan sebagai perbandingan antara daya yang

diradiasikan terhadap daya masukan yang dapat dinyatakan dengan persamaan :

dengan Pin adalah input daya

5.5. Penguatan

Penguatan Gd pada antena mikrostrip dapat dihitung dengan

mengintegrasikan pola radiasi atau medan jauh pada permukaan tertutup dari antena

tersebut. Persamaannya dapat ditulis sebagai berikut :

dengan :

14

dan nilai-nilai medan jauh dan diperoleh dari persamaan dimana digunakan

bentuk patch antenanya

15