BAB II ANTENA MIKROSTRIP
2.1 Pengertian Antena
Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara, dan sebaliknya.
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.
Dapat juga dikatakan antena merupakan struktur transisi antara ruang bebas dengan alat pembimbing. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.1. Alat
pembimbing atau saluran transmisi dapat berupa saluran koaxial ataupun pipa dan digunakan sebagai alat transportasi energi elektromagnetik dari sumber transmisi
ke antena atau dari antena ke penerima [1] . Dalam fungsinya sebagai pemancar dan penerima energi, sebuah antena
pada sistem wireless harus dapat melakukan optimasi energi radiasi pada beberapa arah.
. Antena juga harus dapat berperan sebagai alat direksional. Antena dapat berbentuk kabel yang berkonduksi, sebuah aperture, berupa patch,
gabungan dari beberapa elemen array, sebuah reflector dan lensa [1] .
2.2 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.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.2.1 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 2.1
menunjukkan struktur dari sebuah antena mikrostrip [2]. 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.
Gambar 2.1
Struktur Antena Mikrostrip
2.2.2 Jenis-jenis antena mikrostrip Berdasarkan bentuk patch-nya antena mikrostrip terbagi menjadi :
Antena mikrostrip patch persegi panjang rectangular
Antena mikrostrip patch persegi square
Antena mikrostrip patch lingkaran circular
Antena mikrostrip patch elips elliptical
Antena mikrostrip patch segitiga triangular
Patch
Substrat Ground plane
L
W t
h
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Antena mikrostrip patch circular ring
Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada Gambar 2.2 [3]
Gambar 2.2 Jenis-jenis patch antena mikrostrip
2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Bentuknya yang low profile membuat antena mikrostrip dapat diintegrasikan pada berbagai bidang permukaan, sederhana dan tidak mahal untuk
diproduksi dengan menggunakan teknologi sirkuit modern, secara mekanik tangguh pada saat diintegrasikan pada permukaan yang kasar, dan sangat baik
dalam frekuensi resonansi, polarisasi, bentuk dan impedansi. Jenis antena ini dapat diintegrasikan pada permukaan yang memerlukan performansi yang sangat
tinggi seperti pada pesawat terbang, pesawat antariksa, satelit, misil, mobil bahkan pada telepon genggam. Secara garis besar antena mikrostrip memilki kelebihan
yakni [3] :
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
1. Dimensi antena yang kecil
2. Bentuknya yang sederhana memudahkan proses perakitan
3. Tidak memakan biaya besar pada proses pembuatan
4. Kemampuan dalam dual frequency dan triple frequency
5. Dapat diintegrasikan pada microwave integrated circuit MIC
Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti : 1.
Efisiensi yang rendah 2.
Gain yang rendah 3.
Bandwidth yang sempit 4.
Daya power yang rendah 5.
Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan
2.2.4 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.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.3 Antena Mikrostrip
Patch Segiempat
Antena mikrostrip dalam perancangan ini menggunakan patch yang berbentuk segiempat. Patch segiempat lebih banyak digunakan karena kemudahan
dalam analisis dan proses fabrikasi. Gambar 2.3 memperlihatkan bentuk geometri dari patch mikrostrip segiempat dimana W dan L adalah lebar dan panjang dari
patch, h adalah tebal substrat dan ε
r
merupakan nilai konstanta dielektrik dari substrat. Gambar 2.4 memperlihatkan bentuk nyata dari patch mikrostrip segi
empat [1] .
Gambar 2.3 Bentuk geometri patch mikrostrip segiempat
Gambar 2.4 Bentuk nyata patch mikrostrip segiempat
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip 2.4.1 Dimensi Antena
Untuk mencari dimensi antena microstrip W dan L, harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan yaitu tebal dielektrik h,
konstanta dielektrik εr, tebal konduktor t dan rugi – rugi bahan. Panjang antena microstrip harus disesuaikan, karena apabila terlalu pendek maka bandwidth akan
sempit sedangkan apabila terlalu panjang bandwidth akan menjadi lebih lebar tetapi efisiensi radiasi akan menjadi kecil. Dengan mengatur lebar dari antena
microstrip W impedansi input juga akan berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena microstrip dapat menggunakan
persamaan : W =
� 2
� �
�� +1 2
2.1
Dimana : W : lebar konduktor
ε
r
c : kecepatan cahaya di ruang bebas 3x10 : konstanta dielektrik
8
fo : frekuensi kerja antena
Sedangkan untuk menentukan panjang patch L diperlukan parameter ΔL yang
merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L ΔL tersebut dirumuskan dengan [2]
:
ΔL = 0,412h
��
����
+0,3 �
� ℎ
+0,624 ��
����
−0,258�
� ℎ
+0,8
2.2
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat, dan �
����
adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai :
�
����
=
�
�
+1 2
+
�
�
−1 2
�
1 �1+12ℎ �
�
�
2.3
Dengan panjang patch L dirumuskan oleh:
L = L
eff
Dimana L – 2
ΔL 2.4
eff
L merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan :
eff
2.4.2 Frekuensi Resonansi
=
� 2
� ��
����
2.5
Frekuensi resonansi sebuah antena dapat diartikan sebagai frekuensi kerja antena di mana pada frekuensi tersebut seluruh daya dipancarkan secara
maksimal. Pada umumnya frekuensi resonansi menjadi acuan frekuensi kerja antena. Frekuensi resonansi secara matematis dapat dirumuskan dalam bentuk
fungsi berikut[1] :
�
�=
�0 2
� √��
2.6
Dimana : f
r
v =
frekuensi resonansi
L =
panjang antena =
kecepatan cahaya di ruang bebas
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
ε
r
2.4.3 Bandwidth
= kontanta dielektrik
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. Bandwith dapat dicari dengan rumus
[1] :
�� = �
2
− �
1
�
�
�100 2.7
Dimana : �
2
= frekuensi tertinggi �
1
= frekuensi terendah �
�
= frekuensi tengah Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :
a. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena
berada pada keadaan matching dengan 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.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
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.
2.4.4 Voltage Standing Wave Ratio VSWR
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
-
Γ = �
−
�
+
= �
�
− � �
�
+ �
. Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien
refleksi tegangan Γ [1] :
2.8
di mana Z
L
adalah impedansi beban load dan Z
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 : adalah impedansi saluran
lossless.
a. Γ = −1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
b. Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.
c. Γ = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.
Rumus untuk mencari nilai VSWR adalah :
� = ����
���
����
���
= 1 + |
Γ| 1
− |Γ| 2.9
Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 S=1 yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna.
Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan untuk fabrikasi antena adalah VSWR
≤2.
2.4.5 Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat
terjadi karena adanya diskontinuitas di antara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban antena. Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki
diskontinuitas mismatched, besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi seperti yang ditunjukkan oleh [1] :
������ ���� = 20���
10
| Γ|
2.10 Nilai dari return loss yang baik adalah di bawah -9,54 dB, nilai ini
diperoleh untuk nilai VSWR 2 sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan
atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.4.6 Pola Radias i
Pola radiasi pada sebuah antena didefenisikan sebagai sebuah fungsi matematis atau sebuah gambaran grafis dari komponen-komponen radiasi sebuah
antena. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional.
2.4.7 Penguatan Gain
Ada dua jenis penguatan gain pada antena, yaitu penguatan absolut absolute gain dan penguatan relatif relative gain. Penguatan absolut pada
sebuah antena didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh
antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena
P
in
���� = 4� ��, �
�
��
dibagi dengan 4π. Penguatan absolut ini dapat dihitung dengan rumus [1] :
2.11
Selain penguatan absolut, ada juga penguatan relatif. Penguatan relatif didefenisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah
dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama di antara kedua antena itu. Akan tetapi, antena
referensi merupakan sumber isotropic yang lossless. Secara umum dapat dihubungkan [1] :
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
� = � 4
���, � �
��
�������� 2.12
Jika arah tidak ditentukan, maka perolehan daya biasanya diperoleh dari arah radiasi maksimum.
Pada umumnya gain diberikan dalam bentuk desibel. Secara matematis persamaan konversinya dapat ditulis [1]:
��� = 10 log
10
[ �
��
� ]
2.13 Dimana :
e
cd
D =
efisiensi rata – rata
2.4.8 Impedansi Masukan
= direktivitas maksimum
Impedansi masukan ataupun input impedance Z
in
didefinisikan sebagai impedansi yang direpresentasikan oleh suatu antena pada terminalnya atau rasio
dari tegangan ke arus pada sepasang terminal ataupun rasio komponen yang sesuai dari medan elektrik ke medan magnetik pada sebuah titik. Gambar 2.5
menunjukkan antena pada mode transmisi yang memiliki terminal a dan b [1] .
Gambar 2.5 Antena pada mode transmisi
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Secara matematis persamaan impedansi antena pada terminal a dan b dapat dirumuskan sebagai berikut:
�
�
= �
�
+ ��
�
2.14 Dimana :
Z
a
R =
impedansi antena pada terminal a-b
a
X =
tahanan antena pada terminal a-b
a
2.4.9 Polarisasi
= reaktansi antena pada terminal a-b
Energi yang diradiasikan oleh antena merupakan gelombang elektromagnetik yang terdiri dari medan listrik dan magnet yang saling tegak
lurus dan masing-masing juga tegak lurus dengan arah propagasi. Medan listrik dari gelombang elektromagnetik ini digunakan untuk menggambarkan polarisasi
dari antena. Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear linier, sirkular
melingkar, atau elliptical elips. a.
Polarisasi Linier
Polarisasi linier Gambar 2.6 terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vector medan elektrik atau
magnet pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. Hal ini dapat terjadi jika vektor elektrik maupun magnet
memenuhi :
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
a. Hanya ada satu komponen, atau
b.
2 komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau 180º atau kelipatannya.
Gambar 2.6 . Polarisasi linier
b. Polarisasi Melingkar
Polarisasi melingkar Gambar 2.7 terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik atau
magnet pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai jenis polarisasi ini adalah :
a. Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier b. Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama
c. Kedua komponen tersebut harus memiliki perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil 90º.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular Polarization LHCP dan Right Hand Circular Polarization RHCP. LHCP terjadi
ketika δ = +π 2 , sebaliknya RHCP terjadi ketika δ = −π 2.
Gambar 2.7 . Polarisasi melingkar
Polarisasi yang melingkar sifatnya berorientasi pada jalur lingkaran, artinya menerima gelombang tidak hanya satu arah saja tetapi juga sekitarnya.
Polarisasi melingkar biasa digunakan pada komunikasi satelit karena antara satelit dan antena di bumi tidak memiliki keadaan yang selalu tetap. Komunikasi satelit
juga membutuhkan sudut keterarahan directivity dari antena di bumi, karena orbit satelit dengan membentuk sudut elevasi elevation angle yang berguna
untuk menghindari adanya rugi- rugi gelombang akibat adanya halangan bangunan atau gedung yang tinggi.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
c. Polarisasi Elips
Polarisasi elips Gambar 2.8 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 :
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 antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai
0º atau kelipatan 180º karena akan menjadi linier. Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa di antara kedua
komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 90º karena akan menjadi lingkaran.
Gambar 2.8 . Polarisasi Elips
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.5 Simulator Ansoft HFSS 10.0
Dalam tugas akhir ini simulator yang digunakan adalah Ansoft HFSS 10.0. Pada HFSS, model geometri secara otomatis dibagi kedalam sejumlah besar
tetrahedron. HFSS adalah simulator gelombang elektromagnetik penuh dengan performa yang baik untuk pemodelan benda 3 dimensi yang memiliki volume
yang berubah-ubah. HFSS ini menyatukan proses simulasi, visualisasi, dan proses pemodelan kedalam suatu bentuk yang mudah untuk dipelajari. Simulator ini
dapat dimanfaatkan untuk menghitung parameter seperti S parameter, frekuensi resonansi, dan medan. Simulator ini khususnya digunakan pada bidang:
• Package Modeling BGA, QFP, Flip-Chip • PCB Board Modeling PowerGround planes, Mesh Grid
Grounds,Backplanes • SiliconGaAs Spiral Inductors, Transformers
• EMCEMI Shield Enclosures, Coupling, Near- or Far-Field Radiation
• AntennasMobile Communications Patches, Dipoles, Horns, ConformalCell Phone Antennas, Quadrafilar Helix, Specific
Absorption RateSAR, Infinite Arrays, Radar Cross SectionRCS, Frequency Selective SurfacesFSS
• Connectors – Coax, SFPXFP, Backplane, Transitions
HFSS adalah simulator interaktif yang elemen dasar mesh-nya adalah tetrahedron. Hal ini membuat kita dapat menyelesaikan persoalan yang
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
berhubungan dengan bentuk geometri 3 dimensi yang berubah-ubah khususnya yang memilki bentuk dan kurva yang kompleks.
HFSS adalah kependekan dari High Frequency Structure Simulator. Ansoft merupakan software pelopor yang menggunakan Finite Element
MethodFEM untuk simulasi elektromagnetik dengan mengembangkan serta menerapkan teknologi seperti tangential vector finite elements, adaptive meshing,
dan Adaptive Lanczos-Pade Sweep ALPS. Adapun tampilan dari HFSS dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Tampilan awal Ansoft HFSS v10.0.
2.6 Proses pencarian solusi simulator HFSS 10.0
Kategori