15
4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip terdiri dari tiga bagian, yaitu conducting patch, substrat dielektrik, dan ground plane. Bagian-bagian tersebut dapat dilihat seperti gambar1 berikut ini [2]. W L Fideline Patch h Ɛ r=4.4 Substrate Ground Plane Gambar 2.1 Antena Mikrostrip a. Conducting Patch, patch ini terbuat dari logam konduktor seperti tembaga atau emas, dengan ketebalan tertentu. Patch terletak diatas substrat yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara. Patch memiliki berbagai macam jenis, diantaranya bujur sangkar (square), persegi panjang (rectangular), segitiga, dan sebagainya. b. Substrat Dielektrik, berfungsi sebagai penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan menuju daerah dibawah patch. Bagian ini menggunakan bahan dielektrik dengan dengan permitivitas relatif tertentu. Semakin tebal substrat maka bandwidth akan semakin meningkat tetapi akan berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave). c. Groundplane, berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan dan terletak pada bagian paling bawah. Ground plane memiliki jenis yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam Universitas Sumatera Utara

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip terdiri dari tiga bagian, yaitu conducting patch, substrat

dielektrik, dan ground plane. Bagian-bagian tersebut dapat dilihat seperti

gambar1 berikut ini [2].

W

L

Fideline

Patch

h Ɛr=4.4

Substrate

Ground Plane

Gambar 2.1 Antena Mikrostrip

a. Conducting Patch, patch ini terbuat dari logam konduktor seperti tembaga

atau emas, dengan ketebalan tertentu. Patch terletak diatas substrat yang

berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara. Patch

memiliki berbagai macam jenis, diantaranya bujur sangkar (square), persegi

panjang (rectangular), segitiga, dan sebagainya.

b. Substrat Dielektrik, berfungsi sebagai penyalur gelombang elektromagnetik

dari catuan menuju daerah dibawah patch. Bagian ini menggunakan bahan

dielektrik dengan dengan permitivitas relatif tertentu. Semakin tebal substrat

maka bandwidth akan semakin meningkat tetapi akan berpengaruh terhadap

timbulnya gelombang permukaan (surface wave).

c. Groundplane, berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang

tidak diinginkan dan terletak pada bagian paling bawah. Ground plane

memiliki jenis yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam

Universitas Sumatera Utara

Page 2: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

5

konduktor seperti tembaga. Kelebihan dari antena mikrostrip adalah bentuk

fisiknya yang low-profile sehingga dapat dimontasikan hampir pada seluruh

tempat, low-fabrication sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar, dapat

menghasilkan polarisasi sirkular maupun linear dengan feed yang sederhana,

dapat beroperasi pada single maupun dual band. Disamping kelebihan antena

mikrostrip tersebut, antena jenis ini juga memiliki kekurangan yaitu, memiliki

bandwidth yang kecil, gain yang dicapai kecil, dan timbulnya gelombang

permukaan (surface wave)

2.2 Parameter Antena Mikrostrip

Kinerja suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena

tersebut. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk

menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, Voltage Wave Standing

Ratio (VSWR), return loss, bandwidth, keterarahan, penguatan, dan pola radiasi.

Sebagian parameter ini saling berhubungan satu dengan yang lainnya.

2.2.1 Bandwidth

Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi di mana

kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti

impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi,

VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar. Bandwitdh dapat dicari

dengan rumus berikut ini [4].

BW = cf

ff 12

x 100 %

Keterangan :

f1 = frekuensi terendah

f2 = frekuensi tertinggi

fc = frekuensi tengah

Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :

Universitas Sumatera Utara

Page 3: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

6

a. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada

pada keadaan matchingdengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi

dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi.

Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Nilai return loss dan

VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9,54 dB.

b. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana bandwidth, sidelobe,

atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai

tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar

nilai bandwidth dapat dicari.

c. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana

polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi

melingkar adalah kurang dari 3 dB.

2.2.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah kemampuan suatu antena

untuk bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR berhubungan

dengan pengukuran koefisien refleksi dari antena tersebut. Perbandingan level

tegangan yang kembali ke pemancar (V-) dan yang datang menuju beban (V+) ke

sumbernya lazim disebut koefisien pantul atau koefisien refleksi yang dinyatakan

dengan simbol “ ”[3].

=

V

V (3)

Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik saluran (Zo) dan

impedansi beban/ antena (Zl) dapat ditulis :

=ol

ol

ZZ

ZZ

(4)

Harga koefisien refleksi ini dapat bervariasi antara 0 (tanpa pantulan/match)

sampai 1, yang berarti sinyal yang datang ke beban seluuhnya dipantulkan

kembali ke sumbernya semula. Maka untuk pengukuran Voltage Standing Wave

Ratio (VSWR), dinyatakan sebagai berikut :

Universitas Sumatera Utara

Page 4: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

7

VSWR =

1

1 (5)

Besarnya VSWR yang ideal adalah 1, yang berarti semua daya yang

diradiasikan antena pemancar diterima oleh antena penerima (match). Semakin

besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan juga semakin besar dan

semakin tidak match. Dalam prakteknya VSWR harus bernilai lebih kecil dari 2

(dua).

2.2.3 Return Loss

Return loss merupakan besaran daya pantul (faktor refleksi) yang

disebabkan oleh tidak matchnya beban dengan transmission line dalam dB.

Besarnya return loss sangat tergantung faktor refleksi yaitu perbandingan

antara tegangan yang dipantulkan dengan tegangan yang datang dari sumber [3].

|

|

(6)

= simbol dari faktor refleksi.

= tegangan yang dipantulkan

= tegangan yang datang dari sumber

Besar dari koefisien pantul antara -1 dan +1, -1 menunjukkan bahwa

beban dalam keadaan short circuit dan +1 menunjukkan dalam keadaan open

circuit. Jika 0 maka sistem dalam keadaan match. Hubungan antara return

loss dengan faktor refleksi dapat dituliskan secara matematis sebagai berikut :

| | (7)

2.2.4 Gain

Gain adalah penguatan atau kemampuan pada antena yang berhubungan

dengan directivity dan efisiensi antena. power gain didefinisikan sebagai 4π kali

rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan

dengan [3] :

Universitas Sumatera Utara

Page 5: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

8

G(θ, )= 4π

mP

U . (8)

Definisi ini tidak termasuk losses yang disebabkan oleh ketidaksesuaian

impedansi (impedance missmatch ) atau polarisasi. Harga maksimum dari gain

adalah harga maksimum dari intensitas radiasi atau harga maksimum dari

persamaan (2.8), sehingga dapat dinyatakan kembali :

G = 4 πm

m

P

U (9)

Jadi gain dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi dari θ dan , dan juga dapat

dnyatakan sebagai suatu harga pada suatu arah tertentu. Jika tidak ada arah yang

ditentukan dan harga power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari θ dan

, diasumsikan sebagai gain maksimum.

Direktivatas dapat ditulis sebagai

D = HPHP

00

4

(10)

Direktivitas dapat menyatakan gain suatu antena jika seluruh daya input

menjadi daya radiasi. Dan hal ini tidak mungkin terjadi karena adanya losses pada

daya input. Bagian daya input (Pin) yang tidak muncul sebagai daya radiasi

diserap oleh antena dan struktur yang dekat dengannya. Hal tersebut

menimbulkan suatu definisi baru, yaitu yang disebut dengan efisiensi radiasi,

dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :

e = m

r

P

P (11)

dengan catatan bahwa harga e diantara nol dan satu ( 0 <e< 1) atau ( 0 <e<

100%).

Sehingga gain maksimum suatu antena sama dengan direktivitas dikalikan

dengan efisiensi dari antena, yang dapat dinyatakan sebagai berikut :

G= e D (12)

Universitas Sumatera Utara

Page 6: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

9

2.2.5 Pola Radiasi

Pola radiasi merupakan gambaran secara grafik dari sifat – sifat radiasi

suatu antena sebagai fungsi koordinat ruang. Dalam banyak keadaan, pola radiasi

ditentukan pada pola daerah medan jauh dan digambarkan sebagai fungsi

koordinat – koordinat arah sepanjang radius konstan, dan digambarkan pada

koordinat ruang. Sifat – sifat radiasi ini mencakup intensitas radiasi, kekuatan

medan (field strenght) dan polarisasi. Sedangkan untuk pola radiasi antena

microstrip mempunyai fenomena yang sama dengan pola radiasi antena

konvensional [5]. Medan radiasi antena terbagi menjadi medan jauh (far field) dan

medan dekar (near field). Jarak minimum antara antena pemancar dengan antena

penerima dirumuskan pada (4.1) sebagai [6]:

2

min

2Dr

(2.11)

dengan: rmin = jarak minimum pemancar dengan penerima (cm)

D = dimensi terbesar dari antena (cm)

λ = panjang gelombang (cm) Pola radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.2 Pola Radiasi Antena [6]

Universitas Sumatera Utara

Page 7: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

10

2.2.6 Polarisasi

Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan

oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada

arah gain maksimum [5]. Polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan

arah dari tengah antena sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai

polarisasi yang berbeda [7].

Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular

(melingkar), atau elliptical (elips). Polarisasi linier (Gambar 2.4) terjadi jika suatu

gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor

me dan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis

lurus yang sama pada setiap waktu [7]. Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik

maupun magnet) memenuhi:

a. Hanya ada satu komponen

b. Dua komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada

perbedaan fasa waktu 1800 atau kelipatannya.

Gambar 2.3 Polarisasi Linear

Polarisasi melingkar (Gambar 2.5) terjadi jika suatu gelombang yang

berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik (medan

magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu [2].

Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai polarisasi ini:

a. Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus liner.

b. Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama.

Universitas Sumatera Utara

Page 8: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

11

c. Kedua komponen tersebut harus mempunyai perbedaan fasa waktu pada

kelipatan ganjil 900.

Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular

Polarization (LHCP) dan Right Hand Circular Polarization (RHCP). LHCP

terjadi ketika δ=+π/2, sedangkan RHCP terjadi ketika δ=-π/2.

Gambar 2.4 Polarisasi Melingkar

Polarisasi elips terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu

memiliki vector medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips

pada ruang [7]. Kondisi yang harus dipenuhi untuk menciptakan polarisasi ini

adalah:

a. Medan harus mempunyai dua komponen linier orthogonal.

b. Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau

berbeda.

c. Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama,

perbedaan fasa waktu diantara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai

00 atau kelipatan 180

0 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen

berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa diantara kedua

komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 900

(karena

akan menjadi lingkaran).

Universitas Sumatera Utara

Page 9: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

12

Gambar 2.5 Polarisasi Elips

2.3 DGS (Defected ground Structure) dan Mutual Coupling

Defected Ground Structure (DGS) adalah salah satu teknik pengembangan

dari EBG (Electromagnetic Bandgap) untuk menekan gelombang permukaan yang

sering dipakai pada antena mikrostrip. Teknik DGS dilakukan dengan cara

menghilangkan (etch) sebagian bidang ground. Dengan kata lain, pada bagian

ground dari antena mikrostrip dibuat slot. Ada berbagai bentuk DGS seperti

bentuk spiral head, arrowhead-slot, “H”shape slots, dumbbell, interdigital DGS,

segitiga, segi empat dan masih banyak lagi yang sedang diteliti dan dibahas.

Teknik DGS ini diharapkan dapat menekan efek mutual coupling yang

timbul pada antena mikrostrip. Mutual coupling adalah suatu efek gandengan

yang terjadi pada antena array. Salah satu penyebabnya adalah gelombang

permukaan, sebagian energi datang pada satu atau kedua elemen antena array

yang dapat dihamburkan kembali ke arah berbeda seperti suatu transmiter yang

baru. Hal ini menyebabkan kontribusi total ke daerah farfield tidak hanya

tergantung pada eksitasi masing-masing generator (pencatu) antena tapi juga dari

eksitasi yang merugikan (parasit) karena mutual coupling. Efek ini berpengaruh

pada semakin meningkatnya nilai standing wave dan koefisien refleksi [2].

Universitas Sumatera Utara

Page 10: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

13

2.3.1 Defected Ground Struktur

DGS adalah konfigurasi yang ada periodik atau non-periodik menempati di

area ground dari saluran transmisi planar (misalnya, microstrip, Coplanar dan

konduktor didukung panduan gelombang coplanar) yang mengganggu pelindung

distribusi arus di ground. Gangguan ini akan mengubah karakteristik transmisi

baris seperti garis kapasitansi dan induktansi. Singkatnya, setiap defect/cacat yang

terukir di bidang ground microstrip dapat menimbulkan peningkatan kapasitansi

efektif dan induktansi.

Gambar 2.6 Unit DGS pertama: (a) Unit Dumbbell DGS, (b) Simulasi S-

parameter untuk dumbbell Unit DGS.

a) Struktur dan Transmisi dasar Karakteristik

Dumbbell DGS terdiri dari dua a × b zona defect/cacat bentuk persegi

panjang , g × w jarak perantara yang menghubungkan ke slot sempit terukir di

daerah belakang ground logam seperti ditunjukkan pada Gambar. 1 (a). Ini adalah

yang pertama DGS [8]. Gambar. 1 (b) menunjukkan S-parameter dari simulasi

EM dari dumbbell DGS.

Pada skripsi ini lebih lanjut akan membahas bentuk DGS segitiga sama sisi,

seperti yang di tampilkan pada gambar berikut

Universitas Sumatera Utara

Page 11: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

14

DGS segitiga sama sisi

Ground plane (lapisan 3)

Subtracte patch (lapisan 2)

d

Gambar 2.7 Patch mikrostrip segiempat dengan DGS segitiga samasisi

b) Rangkaian Setara DGS

Desain dan analisis dua tantangan untuk DGS. Pada bagian EM structure

yang tersedia di simulator menjadi sumber utama untuk merancang dan

menganalisa DGS. Untuk menerapkan bagian DGS yang diusulkan untuk desain

sirkuit sederhana misalnya, perlu untuk mengekstrak parameter rangkaian

ekuivalen. Dalam rangka memperoleh parameter rangkaian ekivalen unit DGS di

pesawat referensi, S-parameter harus dihitung dengan gelombang penuh

elektromagnetik (EM) -simulator untuk menjelaskan cutoff dan karakteristik

bagian DGS. Sirkuit parameter untuk rangkaian ekuivalen berasal dari ekstraksi

hasil simulasi yang cocok untuk satu-tiang Butterworth- prinsip operasi DGS.

c) Persamaan dengan rangkaian LC dan RLC

Rangkaian setara dengan DGS dan satu-tiang Butterworth prototipe dari

LPF diberikan pada Gambar. 5. Bagian-bagian persegi panjang DGS

meningkatkan panjang rute arus dan inductance.Progress efektif Dalam

Electromagnetics Penelitian B, Vol. 7, 2008 179

Universitas Sumatera Utara

Page 12: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

15

Gambar 2.8 . Desain dan analisis metode konvensional DGS.

Bagian yang dikikis di daerah ground meningkatkan nilai kapasitif yang

efektif dari garis microstrip. Selanjutnya daerah DGS menghubungkan Slot sesuai

dengan induktansi ekuivalen ditambahkan (L) dan kapasitansi (C), masing-

masing. Oleh karena itu, resonansi terjadi pada frekuensi tertentu karena sirkuit

LC paralel. Hal ini mengindikasikan bahwa rangkaian ekuivalen termasuk

sepasang paralel induktor-kapasitor membentuk fenomena resonansi di S-

parameter. Pada bagian DGS seri efektif Peningkatan induktansi dan

meningkatnya induktansi seri menimbulkan frekuensi cutoff rendah. Ketika

meningkat jarak kesenjangan terukir, yang kapasitansi efektif menurun sehingga

lokasi tiang redaman bergerak naik ke frekuensi yang lebih tinggi.

AC

R1L1

C1

L2

C2R2

Ground

Z1 Z2

(a)

Universitas Sumatera Utara

Page 13: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

16

AC

R1L1

C1

L

C

R

L2

C2

R2

Ground

Z1 Z2

Z(Ekuivalen

DGS)

(b)

Gambar 2.9 LC setara sirkuit: (a) rangkaian antena tanpa DGS

Sirkuit DGS, (b) rangkaian ekivalen DGS

Dalam rangka untuk mencocokkan DGS ke Butterworth low-pass filter

reaktansi nilai kedua sirkuit yang sama pada frekuensi cutoff. Jadi L dan C berasal

sebagai berikut:

di mana, ω0 adalah resonansi frekuensi sudut dari paralel LC

resonator.

di mana f0 dan fc adalah resonansi (pole atenuasi) dan frekuensi cutoff yang

dapat diperoleh dari hasil simulasi EM. Karakteristik sebagian besar DGS mirip

dengan dumbbell DGS, sehingga mereka bisa dibahas oleh satu tiang Butterworth

low-pass filter juga. Selain itu, radiasi efek yang lebih atau kurang diabaikan. Unit

Universitas Sumatera Utara

Page 14: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

17

DGS dapat dimodelkan sebagian efisien oleh R, L, dan C resonan paralel

terhubung ke hak gadai transmisi di kedua sisinya seperti ditunjukkan pada

Gambar. 6. perlawanan ini sesuai dengan kerugian radiasi, konduktor dan

dielektrik di cacat. Dari simulasi EM atau pengukuran untuk DGS diberikan,

setara nilai R, L, dan C yang diperoleh dari ekspresi dalam [10].

Gambar 10. RLC Rangkaian ekuivalen untuk unit DGS.

2.4 Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang

Patch berbentuk persegi panjang merupakan bentuk yang paling umum

digunakan dan paling mudah untuk dianalisa. Perhitungan untuk menentukan

ukuran patch persegi panjang adalah:

Menentukan lebar patch (W) [8]:

2

12

1

2

21

2

2

1 0

00

rrr fo

c

frfrW

(2.12)

dengan c adalah kecepatan cahaya di ruang bebas sebesar 3x108 m/s, fo adalah

frekuensi kerja dari antena, dan Ɛr adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat.

Untuk menentukan panjang patch (L), diperlukan pertambahan panjang dari L

Universitas Sumatera Utara

Page 15: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Antena mikrostrip

18

akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (ΔL) dirumuskan

dengan [8]:

8.0)258.0(

264.0)3.0(

412.0

h

W

h

W

hL

reff

reff

(2.13)

Dimana h merupakan tinggi substrat dan Ɛreff adalah konstanta dielektrik relative

yang dirumuskan [8]:

W

h

rrreff

121

1

2

1

2

1

(2.14)

Sehingga panjang patch (L) dapat dihitung dengan [8]:

LLL eff 2 (2.15)

Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dirumuskan dengan[8]:

reff

efff

cL

02

(2.16)

Hal yang mempengaruhi kerja antena selain lebar dan panjang patch

peradiasi adalah lebar saluran pencatu (Wf). Saluran pencatu yang digunakan

memiliki impedansi 50 ohm. Lebar saluran pencatu dapat diperoleh dengan

menggunakan Persamaan (2.17) dan (2.18) [13]:

rr

rf BBB

hW

61,039,0)1ln(

2

112ln1

2

(2.17)

dimana

rZB

02

377

(2.18)

Universitas Sumatera Utara