BAB II DASAR TEORI
2.1 Umum
Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai
penerima energi itu dari ruang bebas. Antena merupakan bagian yang penting dalam sistem komunikasi sehari-hari. Pada Bab ini akan dibahas antena
mikrostrip secara umum, karakteristik saluran transmisi, dan persamaan umum saluran transmisi.
2.2 Pengertian Antena
Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya. Saluran
transmisi adalah alat yang berfungsi sebagai penghantar atau penyalur energi gelombang elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran
transmisi yang tak berhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang uniform sepanjang saluran itu. Jika saluran ini dihubung singkat maka akan
muncul gelombang berdiri yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan. Jika gelombang datang sama besar dengan
gelombang yang dipantulkan akan dihasilkan gelombang berdiri murni. Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi
listrik seluruhnya ke energi maknit total dua kali setiap periode gelombang itu.
Gambar 2.1 memperlihatkan sumber atau pemancar yang dihubungkan dengan saluran transmisi AB ke antena [1]. Jika saluran transmisi disesuaikan
dengan impedansi antena, maka hanya ada gelombang berjalan ke arah B saja. Pada A ada saluran transmisi yang dihubungkan singkat dan merupakan
resonator. Di daerah antena energi diteruskan ke ruang bebas sehingga daerah ini merupakan transisi antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas [1].
Gambar 2.1 Antena Sebagai Peralatan Transmisi
2.3 Parameter Antena
sumber sal. transmisi
antena Gel. ruang bebas teradiasi
A B
Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter- parameter antena tersebut [2]. Beberapa dari parameter tersebut saling
berhubungan satu sama lain. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, koefisien
refleksi tegangan, Voltage Wave Standing Ratio VSWR, return loss, bandwidth, keterarahan dan penguatan. Namun, parameter yang akan dibahas pada bab ini
ialah impedansi masukan, koefisien refleksi tegangan, dan VSWR Voltage Standing Wave Ratio.
2.3.1 Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah perbandingan rasio antara tegangan dan arus. Impedansi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu [2] seperti yang
dirumuskan pada Persamaan 2.1 �
��
� =
��� �̃�
=
�
+
[ �
−���
+Γ�
���
] �
+
[ �
−���
−Γ�
���
]
� =
� �
1+Γ�
�2��
1−Γ�
�2��
� 2.1
di mana Z
in
merupakan perbandingan antara jumlah tegangan tegangan masuk dan tegangan refleksi V terhadap jumlah arus I pada setiap titik z pada
saluran, berbeda dengan karakteristik impedansi saluran Z yang berhubungan
dengan tegangan dan arus pada setiap gelombang. Pada saluran transmisi, nilai z diganti dengan nilai
– �� = −�, sehingga Persamaan 2.1 dapat dirumuskan pada
Persamaan 2.2 [2]:
�
��
� =
��� �̃�
=
�
+
[ �
���
+Γ�
−���
] �
+
[ �
���
−Γ�
−���
]
� =
� �
1+Γ�
−�2��
1−Γ�
−�2��
� = � �
�
�
�����+�� �����
� �����+��
�
�����
� 2.2
2.3.2 Koefisien Refleksi Tegangan
Koefisien refleksi tegangan yaitu perbandingan gelombang pantul terhadap gelombang datang. Pada impedansi, koefisien refleksi tegangan
merupakan perbandingan hasil pengurangan impedansi beban dan impedansi saluran terhadap hasil penjumlahan impedansi beban dan impedansi saluran.
Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa
kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari adalah nol, maka : a.
Γ = −1
: refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat b.
Γ = 0
: tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.
c.
Γ = +1
: refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan seperti yang dirumuskan pada
Persamaan 2.3 [3]:
Γ =
�
−
�
+
=
�
�
−� �
�
+�
2.3
di mana Z
L
adalah impedansi beban load dan Z adalah impedansi saluran
lossless.
2.3.3 VSWR Voltage Standing Wave Ratio
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri standing wave maksimum |V|
max
dengan minimum |V|
min
. Pada saluran
transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan V
+
dan tegangan yang direfleksikan V
-
Rumus untuk mencari nilai VSWR seperti yang dirumuskan pada Persamaan 2.4 [3] :
.
V
��� =
| ��|
���
| ��|
���
=
1+|Γ| 1−|Γ|
2.4
2.4 Antena Mikrostrip
Salah satu antena yang paling populer saat ini adalah antena mikrostrip. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip sangat cocok digunakan untuk
perangkat telekomunikasi yang sekarang ini sangat memperhatikan bentuk dan ukuran.
2.4.1 Pengertian Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro sangat tipiskecil dan strip bilahpotongan. Antena mikrostrip dapat
didefenisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilahpotongan yang mempunyai ukuran sangat tipiskecil. Gambar 2.2
menunjukkan sruktur antena mikrostrip [2]
Gambar 2.2 Struktur Antena Mikrostrip
Patch
Substrat Ground plane
L
W t
h
Secara umum, antena mikrostrip terdiri atas 3 bagian, yaitu patch, substrat, dan ground plane. Patch terletak di atas substrat, sementara ground
plane terletak pada bagian paling bawah. Pada umumnya, patch terbuat dari logam konduktor seperti tembaga
atau emas dan mempunyai bentuk yang bermacam-macam. Bentuk patch antena mikrostrip yang sering dibuat, misalnya segi empat, segi tiga, lingkaran, dan
lain-lain. Patch berfungsi sebagai pemancar radiator. Patch dan saluran pencatu biasanya terletak di atas substrat. Tebal patch dibuat sangat tipis
� ≪ � ;
t=ketebalan patch. Substrat terbuat dari bahan-bahan dielektrik. Substrat biasanya mempunyai tinggi h
antara 0,003 λ –
0,05λ
Tabel 2.1 Nilai Konstanta Dielektrik Beberapa Bahan Dielektrik
[1]. Tabel 2.1 menunjukkan nilai permeativitas relatif bahan dielektrik yang sering digunakan
untuk membuat substrat antena mikrostrip.
Bahan dielektrik Nilai konstanta dielektrik ε
r
Alumina 9,8
Material sintetik – Teflon 2,08
Material komposit – Duroid 2,2 – 10,8
Ferimagnetik – Ferrite 9 – 16
Semikonduktor – Silikon 11,9
Fiberglass 4,882
FR4_epoxy 4,4
Tampak bahwa semikonduktor silikon memiliki nilai ε
r
yang lebih tinggi dan teflon
memiliki nilai ε
r
yang lebih rendah.
Antena mikrostrip mempunyai nilai radiasi yang paling kuat terutama pada daerah pinggiran di antara tepi patch. Untuk performa antena yang baik,
biasanya substrat dibuat tebal dengan konstanta dielektrik yang rendah. Hal ini akan menghasilkan efisiensi dan radiasi yang lebih baik serta bandwidth yang
lebih lebar, namun akan menambah ukuran dari antena itu sendiri. Oleh sebab itu, kejelian dalam menetapkan spesifikasi, ukuran dan performa akan menghasilkan
antena mikrostrip yang mempunyai ukuran yang kompak dengan performa yang masih dalam batas toleransi.
2.4.2 Kelebihan dan kekurangan Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip mengalami peningkatan popularitas terutama dalam aplikasi wireless karena strukturnya yang low profile. Selain itu, antena
mikrostrip juga kompatibel dan dapat diintegrasikan langsung dengan sirkuit utamanya, seperti pada handphone, missile dan peralatan lainnya. Pada zaman
sekarang, pemakaian antena mikrostrip menjadi semakin berkembang. Hampir semua peralatan telekomunikasi wireless yang ada tidak menunjukkan sebuah
fisik antena. Hal ini karena peralatan telekomunikasi tersebut menggunakan antena mikrostrip yang dapat diintegrasikan langsung dengan MIC
microwave integrated circuits
-nya. Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip adalah [3] : 1. Mempunyai bobot yang ringan dan volume yang kecil.
2. Konfigurasi yang low profile sehingga bentuknya dapat disesuaikan dengan perangkat utamanya.
3. Biaya fabrikasi yang murah sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar.
4. Mendukung polarisasi linear dan sirkular. 5. Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave integrated circuits
MICs 6. Kemampuan dalam dual frequency dan triple frequency.
7. Tidak memerlukan catuan tambahan. Namun, antena mikrostrip juga mempunyai beberapa kelemahan, yaitu :
1. Bandwidth yang sempit 2. Efisiensi yang rendah
3. Penguatan yang rendah 4. Memiliki rugi-rugi hambatan ohmic loss pada pencatuan antena array
5. Memiliki daya power yang rendah 6. Timbulnya gelombang permukaan surface wave
2.4.3 Teknik pencatuan
Antena mikrostrip dapat dicatu dengan beberapa metode. Metode-metode ini dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori, yaitu terhubung contacting dan
tidak terhubung non-contacting [3]. Pada metode terhubung, daya RF dicatukan secara langsung ke patch radiator dengan menggunakan elemen penghubung.
Pada metode tidak terhubung, dilakukan pengkopelan medan elektromagnetik untuk menyalurkan daya di antena saluran mikrostrip dengan patch. Beberapa
teknik pencatuan yang sering digunakan, yaitu : teknik microstrip line, coaxial probe, aperture coupling dan proximity coupling.
2.4.4 Jenis-jenis antena mikrostrip
Berdasarkan bentuk patch-nya antena mikrostrip terbagi menjadi : a. Antena mikrostrip patch persegi panjang rectangular
b. Antena mikrostrip patch persegi square c. Antena mikrostrip patch lingkaran circular
d. Antena mikrostrip patch elips elliptical e. Antena mikrostrip patch segitiga triangular
f. Antena mikrostrip patch circular ring
Gambar 2.3 menunjukkan jenis-jenis patch antena mikrostrip
Gambar 2.3 Jenis-Jenis Patch Antena Mikrostrip
2.5 Karakteristik Saluran Transmisi
Karakteristik listrik pada saluran transmisi berbeda dengan karakteristik dari rangkaian listrik biasa. Karakteristik listrik suatu saluran transmisi sangat
bergantung pada konstruksi dan dimensi fisiknya[4]. Ketika hubungan antara sumber sinyal dengan beban sedang berlangsung,
maka sinyal akan merambat pada pasangan kawat penghantar saluran transmisi menuju ke ujung yang lain dengan kecepatan tertentu. Semakin panjang saluran
transmisi, maka waktu tempuh dari rambatan sinyal itu akan semakin lama. Arus yang mengalir di sepanjang saluran akan membangkitkan suatu medan magnet
yang menyelimuti kawat penghantar dan ada kalanya saling berimpit dengan medan magnet lain yang berasal dari kawat penghantar lain di sekitarnya. Medan
magnet yang dibangkitkan oleh kawat penghantar berarus listrik, merupakan suatu timbunan energi yang tersimpan dalam kawat penghantar tersebut sehingga
dapat dianggap bahwa kawat penghantar bersifat induktif atau memiliki induktansi[4].
Tegangan yang ada di antara dua kawat penghantar akan membangkitkan medan listrik. Medan listrik ini juga merupakan timbunan energi yang mungkin
juga saling berimpit dengan medan listrik lain di sekitarnya, sehingga akan timbul kapasitansi di antara dua kawat penghantar. Untuk saluran yang panjang,
induktansi dan kapasitansi itu akan menyebar secara merata pada sepanjang saluran dan besarnya tergantung pada frekuensi sinyal atau gelombang yang
merambat di dalamnya[4,6]. Setiap jenis saluran transmisi dua kawat juga mempunyai suatu nilai
konduktansi yakni nilai yang merepresentasikan kemungkinan banyaknya
elektron yang mengalir arus melewati atau menembus bahan dielektrik saluran. Jika saluran dianggap seragam uniform, di mana semua nilai besaran-besaran
tersebut sama di sepanjang saluran, maka potongan kecil saluran dapat dianggap merepresentasikan panjang keseluruhan[4,6].
Tiga hal inilah yang menjadi alasan bahwa saluran transmisi berbeda dari rangkaian-rangkaian listrik pada umumnya, sehingga karakteristik salurasn
transmisi dapat dibedakan atas Lumped Constant dan Distributed Constant[4,6].
2.5.1 Lumped Constant
Saluran transmisi juga memiliki besaran atau konstanta seperti induktansi, kapasitansi dan resistansi sebagaimana seperti pada rangkaian listrik pada
umumnya, akan tetapi pada rangkaian listrik konstanta-konstanta yang ada dalam rangkaian bertumpuk di dalam piranti rangkaian itu sendiri, maka besaran atau
konstanta yang demikian disebut dengan lumped constant[4,6].
2.5.2 Distributed Constant
Idealnya saluran transmisi juga memiliki nilai induktansi, kapasitansi dan resistansi yang bersifat bertumpuk lumped, namun tidak demikian halnya,
karena saluran transmisi memiliki besaran atau konstanta dengan nilai yang terdistribusi di sepanjang saluran dan masing-masing tidak dapat dipisahkan satu
dengan lainnya, maka besaran yang demikian disebut distributed constant, yang artinya nilainya terdistribusi di sepanjang saluran, diameter penghantar, jarak
antar penghantar dan jenis bahan dielektrik yang memisahkan kedua penghantar. Maka ini berarti nilai-nilai konstanta ini akan berubah bila panjang saluran
diubah. Adapun macam-macam distributed constant [4,6], antara lain:
1. Induktansi Saluran Sewaktu arus mengalir pada kawat penghantar saluran transmisi, maka di
sekeliling penghantar akan timbul garis gaya magnet dalam arah tertentu seperti Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Distributed Inductance
Garis gaya ini mempunyai intentitas dan arah yang bervariasi sesuai dengan variasi dari perubahan besar dan arah arus dalam penghantar. Energi yang
dihasilkan oleh garis gaya magnet yang tersimpan dalam kawat penghantar dapat dipandang merepresentasikan sekumpulan induktansi di sepanjang saluran
dengan satuan µHsatuan panjang.
2. Kapasitansi Saluran Sewaktu saluran transmisi dihubungkan ke sumber sinyal, maka tegangan di
antara kedua penghantar menimbulkan medan listrik, yang tersimpan di antara kedua penghantar di sepanjang saluran, seperti Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Distributed Capacitance
Adapun besar kapasitansi ini dinyatakan dengan satuan pikofarad per satuan panjang pFsatuan panjang.
3. Resistansi Saluran Lawat penghantar saluran transmisi dengan panjang tertentu memiliki besar
tahanan tertentu juga. Hal ini direpresentasikan oleh besar arus yang semakin lama semakin kecil di ujung saluran, bila saluran ini dihubungkan dengan sumber
sinyal. Resistansi ini juga terdistribusi di sepanjang saluran dapat dilihat pada Gambar 2.6 dengan satuan Ohm persatuan panjang
Ωsatuan panjang.
Gambar 2.6. Distributed Resistance
Distributed Capacitance
Electric field
+
- +
-
Distributed Resistance
4. Arus Bocor dan Konduktansi Saluran Akibat tidak sempurnanya sifat bahan dielektrik yang memisahkan kedua
kawat penghantar saluran transmisi, maka timbul arus bocor yang mengalir di antara kedua penghantar arus yang mengalir kecil sekali, arus ini
merepresentasikan sifat konduktivitas dari bahan dielektrik yang seakan-akan seperti suatu resistansi yang terhubung di antara kedua kawat penghantar dapat
dilihat pada Gambar 2.7 . Hal ini dikenal sebagai konduktansi saluran dengan satuan picomho persatuan panjang p
satuan panjang atau siemens S.
Gambar 2.7. Distributed Conductance
2.6 Impedansi Saluran Transmisi
Besaran-besaran terdistribusi seperti induktansi, kapasitansi, resistansi dan konduktansi merupakan parameter primer suatu saluran transmisi yang terdapat
dalam semua jenis saluran, terlepas apakah pada saat itu saluran tersebut dihubungkan atau tidak dengan sumber sinyal. Tetapi ada juga parameter yang
penting dari saluran transmisi yang disebut “impedansi saluran” Gelombang yangn merambat pada saluran transmisi yang panjangnya tak
berhingga, tidak akan mempengaruhi apa yang ada di ujung saluran. Perbandingan antara tegangan dan arus di ujung masukan saluran sesungguhnya
dapat dianggap sama dengan perbandingan antara tegangan dan arus setelah [4,6].
Distributed Conductance Leakage Current
in Transmission Line
mencapai ujung lainnya. Dapat diartikan bahwa arus dan tegangan di antara kedua kawat penghantar saluran itu memandang saluran transmisi sebagai suatu
impedansi. Impedansi inilah yang disebut “impedansi saluran Zo”
forward arus
forward tegangan
Z
o
=
[4,6]. …………………………………………2.5
Jadi dapat dikatakan bahwa impedansi saluran adalah impedansi yang diukur di ujung saluran transmisi yang panjangnya tak berhingga. Bila daya dirambatkan
pada saluran transmisi dengan panjang tak berhingga, maka daya itu akan diserap seluruhnya di sepanjang saluran. Tegangan dan arus akan menurun di sepanjang
saluran sebagai akibat bocornya arus pada kapasitansi antar penghantar dan hilangnya tegangan pada induktansi saluran[1].
Gambar 2.8. Pengukuran Impedansi Saluran
Pada Gambar 2.8, diperlihatkan bahwa impedansi yang dipandang pada titik 1’-2’ jarak titik 1’-2’ ke 1-2 berhingga ke arah kanan adalah sebesar Zo juga,
tetapi dengan tingkat tegangan dan arus yang lebih kecil dibandingkan dengan tegangan pada titik 1-2. Sehingga bila impedansi pada titik 1’-2’ digantikan
dengan impedansi beban sebesar Zo, maka impedansi di titik 1-2 akan sebesar Zo juga[4,6].
Zo = VI V
Zo V’
Zo I
1 1
2 2
Zo = V’I’ I’
Zo
2 2
1 1
Zo
Impedansi karakteristik saluran tanpa rugi-rugi loseless-line dapat dituliskan sebagai [4]:
C L
Zo =
[ Ωm] …………………………………………………..2.6
di mana: L = induktansi total kedua kawat penghantar sepanjang saluran l Henry
C = kapasitansi antar kedua kawat penghantar dalutan sepanjang l Farad Besar impedansi karakteristik suatu saluran transmisi maupun bumbung
gelombang berbeda-beda dan nilainya ditentukan oleh ukuran fisik penampang dan bahan dielektrik yang digunakan sebagai isolator. Adapun impedansi
karakteristik saluran transmisi dapat dilihat pada Tabel 2.2 [4] :
Tabel 2.2. Impedansi Karakteristik Saluran Transmisi Jenis Saluran
Zo [ Ω]
L [Hm] C [Fm]
Twin Lead d
D k
2 ln
120
d D
2 ln
π µ
d D
2 ln
µε
Coaxial d
D k
ln 60
d D
ln 2
π µ
d D
ln 2
µε
Balanced Shielded
+
−
2 2
1 1
2 ln
120 σ
σ v
k v=hd σ =hD
MicrostripStrip line
W T
e
t
377
di mana: D = jarak antar konduktor pada twist pair atau diameter konduktor outer pada
coaxial dan balanced shielded meter d
= diameter konduktor inner meter
h =
jarak antar konduktor pada balanced shielded meter k
= konstanta dielektrik bahan isolator
ε = permitivitas
µ =
permeabilitas e
t
T =
ketebalan dari PCB =
konstanta dielektrik relatif pada PCB printed cabling board
W = lebar dari konduktor stripline atau microstrip
2.7 Persamaan Umum Saluran Transmisi
Kategori