Analisis VSWR Antena Mikrostrip Patch Segi Empat Dengan Model Saluran Transmisi Sederhana

(1)

TUGAS AKHIR

ANALISIS VSWR ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI

EMPAT DENGAN MODEL SALURAN TRANSMISI

SEDERHANA

Oleh :

080402081

PARULIAN SIBARANI

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ANALISIS VSWR ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI

EMPAT DENGAN MODEL SALURAN TRANSMISI

SEDERHANA

Oleh :

080402081

PARULIAN SIBARANI

Disetujui oleh:

Pembimbing,

197808262003121001

Ali Hanafiah Rambe, ST., MT.

Diketahui oleh:

Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,

Ir. SURYA TARMIZI KASIM, M.Si

NIP. 19540531 198601 1002

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(3)

ABSTRAK

Antena Mikrostrip Patch Segi Empat adalah jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah / lembaran segi empat yang sangat tipis. Antena mikrostrip patch segi empat terdiri atas tiga bagian yaitu patch, substrat dan ground.

Tugas Akhir ini menganalisis VSWR antena mikrostrip patch segi empat. Parameter-parameter yang akan dihitung terlebih dahulu adalah lebar saluran pencatu, dimensi (ukuran) patch, impedansi antena dan koefisien refleksi tegangan antena mikrostrip patch segi empat. Sedangkan parameter pendukungnya adalah nilai permitivitas relatif (εr

Dari hasil analisis diperoleh nilai VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) sebuah antena mikrostrip patch segi empat. Dengan bertambahnya frekuensi dalam range frekuensi kerja Wi-Fi dapat meningkatkan nilai VSWR (Voltage Standing Wave Ratio).

), jenis substrat, tinggi substrat, frekuensi kerja Wi-Fi (2,4GHz – 2,5GHz). Metode analisis yang digunakan adalah model saluran transmisi sederhana.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa, atas berkat dan rahmatNya sehingga penulis diberikan kemampuan untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini berjudul: “ANALISIS VSWR ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT MODEL SALURAN TRANSMISI SEDERHANA “. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Penulis menyampaikan rasa hormat, bangga dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada kedua orangtua saya, Ayahanda M. Sibarani dan Ibunda Dra.M. br Sihombing (Alm) / E. br Sihombing yang telah membesarkan, mendidik dan selalu mendoakan saya serta rasa sayang kepada saudara-saudara saya Faber Zufrianton Sibarani, Westhyma br Sibarani, Lionel Teguh Sibarani, Keluarga Abang Sari Simanungkalit, Keluarga Opung Sibarani Perumnas Lingkar Timur Bengkulu, Keluarga Besar Sibarani Sipultak, Keluarga Besar Opung Sotarduga Sihombing, Keluarga Besar Opung Sihombing Pasar Lama Lintong Ni Huta, Keluarga Tulang Johannes Sihombing Lingkar Barat Bengkulu, Keluarga Bapatua Rolando Aritonang Bengkulu dan Keluarga Abang Deta Siringo-ringo Bengkulu.

Dalam kesempatan ini juga penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

(5)

1. Bapak Ali Hanafiah Rambe, ST, MT selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang dengan ikhlas dan sabar memberikan masukan, dukungan, bimbingan dan motivasi dalam penulisan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir.Eddy Warman, selaku Dosen Pembimbing Akademik selama saya mengikuti perkuliahan.

3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Dosen Pembanding yang membantu dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.

6. Seluruh staf pengajar di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, yang telah memberikan bekal ilmu kepada saya selama mengikuti perkuliahan.

7. Seluruh karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

8. Keluarga Abang dr. Josua Partogi Saing, Sp.BB / Kakak dr. Margaret Nelly Olynca Sibarani, M.Ked, Sp.KK atas perhatian, resep obat dan sharingnya selama saya di Medan serta Keluarga Ir.Jamso Haryono Pangaribuan, MM / br.Silitonga.

9. Rekan rekan Laboratorium Elektronika Dasar, Bang Marthin Luther Tarigan, Teman teman, Basten Hutajulu, Esosia Benjamin Sibuea, Christian D. Simanjuntak, Elischa F. br Hutasoit, Darminton Y. Sinulingga, Risky Ferdinand Karo-Karo, Wenly Andalenta Sinulingga,

(6)

Eykel Boy S.Ginting, Bayu Perdana P. Karo-Karo, Army F. Tampubolon, William Sijabat, Wilvian, Jhonson Tanadi, Antonius Siswanto dan Seluruh Elektro USU Angkatan 2008.

10. Kawan-kawan lama, Iren V.Sipayung, Nazrul Munir, Hamid Silitonga dan Chrislisias Purba

11. Seluruh Junior Elektro USU Angkatan 2009 - 2011

12. Keluarga The Blessed Family dan HKBP Sudirman Medan. 13. Keluarga Besar Sibarani – Sipartano Naiborngin Se-Dunia. 14. Rekan-Rekan Kosan Pembangunan 122 USU

15. Teman-teman mahasiswa dan semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih sangat jauh dari sempurna, baik dari segi materi maupun cara penyajiannya. Oleh karena itu, penulis siap menerima saran dan kritik dari pembaca yang sifatnya membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.

Akhir kata, penulis berharap agar Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan penulis.

Medan, Juli 2012 Penulis

(7)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ……… i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... ix

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Masalah ... 1

I.2 Rumusan Masalah ……….... 2

I.3 Tujuan Penulisan ………...2

I.4 Batasan Masalah ………...3

I.5 Metode Penulisan ………...3

I.6 Sistematika Penulisan ...4

BAB II DASAR TEORI 2.1 Umum ……….6

2.2 Pengertian Antena ...6

2.3 Parameter Antena ...7

2.3.1 Impedansi Masukan ………. ……… 8

2.3.2 Koefisien Refleksi Tegangan...8

2.3.3 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)...9

(8)

2.4.1 Pengertian Antena Mikrostrip...9

2.4.2 Kelebihan dan kekurangan Antena Mikrostrip Patch Segi Empat... 11

2.4.3 Teknik Pencatuan... 12

2.4.4 Jenis-Jenis Antena Mikrostrip... 13

2.5 Karateristik Saluran Transmisi...14

2.5.1 Lumped Constant...15

2.5.2 Distributed Constant...15

2.6 Impedansi Saluran Transmisi...18

2.7 Persamaan Umum Saluran Transmisi...21

BAB III ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT MODEL SALURAN TRANSMISI SEDERHANA 3.1 Umum ...24

3.2 Model Saluran Transmisi Sederhana Antena Mikrostrip Patch Segi Empat...25

3.2.1 Lebar Saluran Pencatu...26

3.2.2 Dimensi Patch Antena Mikrostrip...27

3.3 Admitansi Karakteristik Saluran (Y0 Impedansi Karakteristik Saluran (Z ) Dan 0 3.4 Admitansi Panjang Patch (Yp)...29

)...27

3.5 Admitansi Lebar Patch (Ys) Dan Impedansi Beban (ZL 3.6 Penggunaan Antena Mikrostrip Patch Segi Empat...30

)... 29

(9)

BAB IV ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT MODEL SALURAN TRANSMISI SEDERHANA

4.1 Umum ...31

4.2 Parameter Asumsi ...31

4.3 Perhitungan Lebar Saluran Pencatu dan Ukuran Patch Antena Mikrostrip Patch Segi Empat dengan Model Saluran Transmisi Sederhana...32

4.3.1 Perhitungan Lebar Saluran Pencatu...32

4.3.2 Perhitungan Dimensi Patch ...32

4.4 Perhitungan Impedansi Antena Mikrostrip Segi Empat ...33

4.5 Perhitungan Koefisien Refleksi Tegangan...35

4.6 Analisis VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)...36

4.7 Analisis Perbandingan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)...37

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...40

5.2 Saran ...41

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Antena Sebagai Peralatan Transmisi……….... 7

Gambar 2.2. Struktur Antena Mikrostrip ………... 10

Gambar 2.3. Jenis-Jenis Patch Antena Mikrostrip... 13

Gambar 2.4. Distributed Inductance... 16

Gambar 2.5 Distributed Capacitance...16

Gambar 2.6 Distributed Resistance ………...17

Gambar 2.7 Distributed Conductance ……….17

Gambar 2.8 Pengukuran Impedansi Saluran………...18

Gambar 2.9 Potongan Elemen Saluran Transmisi Sepanjang Δx ………21

Gambar 3.1 Struktur Antena Mikrostrip Patch Segi Empat………...24

Gambar 3.2 Sketsa Antena Mikrostrip Dengan Model Saluran Transmisi Sederhana...25

Gambar 4.1 Desain Antena Mikrostrip Patch Segi Empat Dengan Simulator Ansoft HFSS v.10…...36

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Hasil VSWR Perhitungan Model Saluran Transmisi Sederhana dan Hasil VSWR Simulator Ansoft HFSS v.10...38

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Nilai Konstanta Dielektrik Beberapa Bahan Dielektrik... 11

Tabel 2.2 Impedansi Karakteristik Saluran Transmisi... 20

Tabel 4.1 Impedansi Antena Mikrostrip Patch Segi Empat... 33

Tabel 4.2 Koefisien Refleksi Tegangan... 34

Tabel 4.3 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)...35

Tabel 4.4 Spesifikasi Desain Antena Mikrostrip Patch Segi Empat Dengan Simulator Ansoft HFSS v.10...37

Tabel 4.5 Perbandingan Hasil VSWR Perhitungan Model Saluran Transmisi Dan Hasil VSWR Simulator Ansoft HFSS v.10...37

(12)

ABSTRAK

), jenis substrat, tinggi substrat, frekuensi kerja Wi-Fi (2,4GHz – 2,5GHz). Metode analisis yang digunakan adalah model saluran transmisi sederhana.

(13)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Antena merupakan sebuah bagian yang menjadi ciri khas dari sistem komunikasi radio. Berbagai jenis antena telah banyak diciptakan dan dikembangkan untuk beragam aplikasi seperti radar, telemetri, biomedik, radio bergerak, penginderaan jauh dan komunikasi satelit. Untuk dapat mendukung teknologi WLAN, antena ini harus compatible, kecil dan mampu bekerja pada pita frekuensi lebar (broadband). Antena mikrostrip adalah sebuah kandidat yang mampu memberikan kebutuhan tersebut.

Antena mikrostrip merupakan salah satu jenis antena yang pengembangannya dimulai sejak tahun 1970an dan hingga kini masih menjadi jenis antena yang terus dikembangkan. Berbagai aplikasi komunikasi radio tidak luput dari penggunaan antena ini. Hal yang menjadi alasan dalam pemilihan antena mikrostrip pada berbagai aplikasi adalah bahannya yang sederhana dan murah tetapi mampu memberikan unjuk kerja (performance) yang cukup baik. Mikrostrip merupakan saluran transmisi yang bentuk fisiknya tidak berupa kabel yang berupa lentur akan tetapi bersifat kaku. Jenis saluran transmisi ini umumnya dipergunakan untuk bekerja pada daerah frekuensi gelombang mikro (GHz) dan digunakan untuk menghubungkan piranti-piranti elektronika yang berjarak cukup dekat.

(14)

Ada berbagai jenis pendekatan dan model dalam menganalisis antena mikrostrip patch segi empat antara lain model saluran transmisi, model saluran transmisi sederhana, model saluran transmisi dengan coupling bersama, model umum saluran transmisi, model aperture admittance, model rugi rugi saluran transmisi dan lain sebagainya.

Pada Tugas Akhir ini akan dianalisis VSWR antena mikrostrip patch segi empat dengan model saluran transmisi sederhana dengan parameter dimensi patch segi empat antena mikrostrip dan impedansi antena mikrostrip segi empat sebagai impedansi beban.

1.2 Rumusan Masalah

Dari latar belakang, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan yaitu:

1. Bagaimana model saluran transmisi sederhana antena mikrostrip patch segi empat ?

2. Bagaimana memperoleh nilai lebar saluran pencatu antena mikrostrip patch segi empat, dimensi patch (ukuran) antena mikrostrip dan impedansi antena mikrostrip patch segi empat menggunakan model saluran transmisi sederhana dengan impedansi saluran eksitasi, jenis substrat, ketebalan substrat, konstanta dielektrik substrat dan frekuensi yang telah diketahui ?

3. Bagaimana memperoleh nilai VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dari nilai patch dan koefisien refleksi tegangan pada antena mikrostrip segi empat ?

(15)

1.3 Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah memperoleh nilai VSWR antena mikrostrip pacth segi empat dengan model saluran transmisi sederhana.

1.4 Batasan Masalah

Untuk mendapatkan hasil pembahasan yang maksimal, maka penulis perlu membatasi masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah :

1. Membahas antena mikrostrip patch segi empat.

2. Membahas model saluran transmisi sederhana antena mikrostrip patch segi empat.

3. Parameter yang digunakan adalah lebar saluran pencatu antena mikrostrip patch segi empat, dimensi patch (ukuran) antena mikrostrip dan impedansi antena mikrostrip patch segi empat.

4. Tidak membahas perubahan posisi saluran pencatu antena mikrostrip patch segi empat. Posisi saluran pencatu ditengah-tengah patch antena mikrostrip.

5. Membahas koefisien refleksi tegangan dan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio).

6. Frekuensi yang digunakan ialah frekuensi pada penggunaan teknologi Wi-Fi (fr = 2,4GHz – 2,5GHz).

(16)

7. εr = konstanta relatif bahan dielektrik antena mikrostrip segi empat yang

dianalisis yaitu FR4_epoxy (εr

1.5 Metodologi Penulisan

= 4,4)

Metode penulisan yang dilakukan pada penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Studi literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku buku dan tulisan tulisan lain yang terkait serta dari layanan internet berupa jurnal jurnal.

2. Studi pengumpulan data

Berupa studi mengumpulkan data dari hasil pendekatan menggunakan model, rumus dan perhitungan.

3. Studi analisis

Berupa studi analisis dari kumpulan data hasil pendekatan menggunakan model, rumus dan perhitungan.

1.6 Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menguraikan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, serta sistematika penulisan.

(17)

Bab ini berisi konsep antena, parameter antena ((impedansi

masukan, koefisien refleksi tegangan, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)) antena mikrostrip patch segi empat, karateristik saluran transmisi, dan persamaan umum saluran transmisi

BAB III MODEL SALURAN TRANSMISI SEDERHANA ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT

Bab ini berisi tentang Model saluran transmisi sederhana, lebar saluran pencatu, dimensi antena dan impedansi antena mikrostrip patch segi empat

BAB IV ANALISIS VSWR ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT DENGAN MODEL SALURAN TRANSMISI

SEDERHANA

Bab ini menampilkan perhitungan lebar saluran pencatu, dimensi patch, impedansi antena, koefisien refleksi tegangan, analisis VSWR sebagai hasil perhitungan model saluran transmisi sederhana dan hasil VSWR menggunakan Ansoft HFSS v.10 .

BAB V PENUTUP

Berisi kesimpulan dan saran dari hasil pembahasan-pembahasan sebelumnya

(18)

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.

(19)

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

(20)

Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena tersebut [2]. Beberapa dari parameter-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

��(�) =��_�̃₍(_��₎)= �0

+_[_�−��_+Γ��_]

�₀+[�−��−Γ��]�0 = �0�

1+Γ��2��

1−Γ��2�� (2.1)

di mana Zin 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 (Z0) 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]:

��(�) =��_�̃₍(_��₎) =�0

+_[_��_+Γ�−��_]

�0+[��−Γ�−��]�0 =�0�

1+Γ�−�2��

1−Γ�−�2��= �0�

��+��0��

�0��+�� (2.2)

(21)

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=�0− �0+=

��−�0

��+�0 (2.3)

di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 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

(22)

transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0

-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 tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefenisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil. Gambar 2.2 menunjukkan sruktur antena mikrostrip [2]

Gambar 2.2 Struktur Antena Mikrostrip

Patch

Substrat Ground plane L

W t

(23)

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 (� ≪ �₀; t=ketebalan patch). Substrat terbuat dari bahan-bahan dielektrik. Substrat biasanya mempunyai tinggi (h) antara 0,003 λ0 – 0,05λ0

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 (εr)

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 εr yang lebih

(24)

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.

(25)

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.

(26)

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 patchcircular ring

Gambar 2.3 menunjukkan jenis-jenis patch antena mikrostrip

(27)

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

(28)

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:

(29)

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 µH/satuan 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.

(30)

Gambar 2.5. Distributed Capacitance

Adapun besar kapasitansi ini dinyatakan dengan satuan pikofarad per satuan panjang (pF/satuan 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 (Ω/satuan panjang).

Gambar 2.6. Distributed Resistance

Distributed Capacitance

Electric field +

(31)

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

(32)

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

Zo =

[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 = V/I

V Zo V’ Zo

1 1'

2 2'

Zo = V’/I’ I’

2 2'

1 1'

(33)

Impedansi karakteristik saluran tanpa rugi-rugi (loseless-line) dapat dituliskan sebagai [4]:

C L

Zo= [Ω/m] ………..(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 [H/m] C [F/m]

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 2π µ d D ln 2µε Balanced Shielded       + − 2 2 1 1 2 ln 120 σ σ v k

v=h/d σ =h/D

Microstrip/Strip line       W T e_t 377

(34)

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 et

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

Agar dapat menentukan atau mencari distribusi tegangan dan arus di sepanjang saluran transmisi, maka terlebih dahulu kita harus dapat menggambarkan sifat sifat atau karakteristik listrik saluran transmisi dalam bentuk sebuah model atau rangkaian ekivalennya. Bila kita potong suatu elemen kecil dari saluran transmisi yaitu sepanjang Δx yang mengandung resistansi sebesar R.Δx ohm, induktansi L.Δx,kapasitansi C.Δx faraddan G.Δx, maka akan diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9[6]

(35)

i(x,t) _R._Δ_x

L.Δx

i(x+Δx,t)

G.Δx C.Δx

V(x,t)

Δx

V(x+Δx,t)

Gambar 2.9 Potongan Elemen Saluran Transmisi Sepanjang Δx

Dengan menggunakan aturan Hukum Kirchoff Voltage (KVL) dan Hukum Kirchoff Current, kita dapat menuliskan [6] :

v(x, t)−R.∆x. i(x, t)−L.∆x∂i(x,t)

∂i −v(x +∆x, t) = 0 (2.7)

i(x, t)−G.∆x. v(x +∆x, t)−C.∆x∂v(x+∆x_∂t ,t)−i(x +∆x, t) = 0 (2.8)

Dengan membagi Persamaan (2.7) dan Persamaan (2.8) terhadap Δx dan membuat limit Δx →0 maka kita dapat menuliskan kembali kedua persamaan tersebut menjadi :

∂v(x,t)

∂x = −R. i(x, t)−L ∂i(x,t)

∂t (2.9)

∂v(x,t)

∂x =−G. v(x, t)−C ∂i(x,t)

∂t (2.10)

Kedua persamaan ini merupakan persamaan saluran transmisi dalam kawasan waktu (time domain). Untuk kondisi steady state sinusoidal, kedua persamaan ini dapat dituliskan menjadi [6] :

��(�)

�� =−�(�). (�+��) (2.11) ��(�)

(36)

Bila R+jωL = Z dan G+jωC = Y maka Persamaan (2.11) dan Persamaan (2.12) dapat ditulis menjadi :

��(�)

�� =−�.�(�) (2.13) ��(�)

�� = −�.�(�) (2.14)

Untuk memperoleh bentuk bentuk tegangan dan arus sepanjang saluran, kita harus menyelesaikan Persamaan Differensial Persamaan (2.13) dan Persamaan (2.14). Hal ini dilakukan dengan cara mengeliminasi I(x) dari Persamaan (2.13) yaitu dengan mendifferensialkan Persamaan (2.13) kemudian mensubstitusikan Persamaan (2.14) kedalamnya sehingga diperoleh :

�2_�₍_�₎

�2_� =−��.�(�) (2.15)

Penyelesaian dari Persamaan (2.15) memiliki penyelesaian dalam bentuk fungsi eksponensial seperti berikut ini :

�(�) =�.�−�√�� + �.��√�� (2.16)

Persamaan (2.16) di atas merupakan persamaan bentuk tegangan sepanjang saluran transmisi di mana A dan B merupakan suatu konstanta yang merepresentasikan amplitudo tegangan. Untuk memperoleh persamaan arus sepanjang saluran, dilakukan dengan mensubstitusikan Persamaan (2.16) ke dalam Persamaan (2.13) sehingga [6] :

�(�) =−��(�)

�� (2.17)

Differensiasi Persamaan (2.16) adalah :

��(�)

(37)

Dengan mensubstitusikan Persamaan (2.18) ke dalam Persamaan (2.17) diperoleh Persamaan arus sepanjang saluran sebagai berikut :

�(�) =−��(�)

�� = √��.�−�√�� − �.��√��

�(�) = 1

�� .�

−�√�� ₋ _�_._��√��_�_(2.19)

Persamaan (2.19) merupakan persamaan umum dari arus suatu gelombang yang merambat di sepanjang saluran transmisi, di mana A dan B merupakan konstanta yang merepresentasikan amplitudo tegangan dari gelombang. Besaran √�� pada Persamaan (2.16) dan Persamaan (2.19) di atas dinamakan “konstanta propagasi” yang disimbolkan dengan “γ” (dibaca : gamma). Konstanta propagasi ini menunjukkan adanya perubahan phasa tegangan dan arus terhadap perubahan posisi x pada saluran. Bentuk γ biasanya berupa bilangan kompleks yaitu [6] :

(38)

BAB III

ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT DENGAN MODEL SALURAN TRANSMISI SEDERHANA

3.1 Umum

Antena Mikrostrip Patch Segi Empat merupakan salah satu dari jenis-jenis antena mikrostrip dengan berbagai macam bentuk dan ukuran patch. Karena bentuk patch segi empat, maka diharapkan parameter-parameter antena mikrostrip yang digunakan menghasilkan nilai maksimum[8]. Hal inilah yang menjadi dasar penggunaan model saluran transmisi sederhana sebagai sebuah model yang dapat memperkirakan kinerja antena mikrostrip patch segi empat yang diharapkan akan menghasilkan nilai maksimum dari parameter-parameter yang di analisis. Gambar 3.1 menunjukkan Struktur Lengkap Antena Mikrostrip Patch Segi Empat

W L

Lp Wp

tg = Ketebalan Konduktansi Groundplane Ketebalan Substrat = h

Konduktansi Path

Substrat Dielektrik

Konduktansi Groundplane εr

Lp = Panjang Path L = Panjang Feedline

Wp = Lebar Path W = Lebar Feedline

εr = Permitivitas Relatif Substrat

(39)

Saluran transmisi antena mikrostrip patch mempunyai karakteristik sendiri yang mempengaruhinya, seperti lebar patch, impedansi saluran pencatu, impedansi patch, koefisien refleksi tegangan, dan VSWR yang dibahas pada bab ini.

3.2 Model Saluran Transmisi Sederhana Antena Mikrostrip Patch Segi Empat

Untuk menggunakan Model Saluran Transmisi Sederhana Antena Mikrostrip Patch Segi Empat, terlebih dahulu akan ditunjukkan Gambar 3.2 antena mikrostrip patch segi empat dengan rangkaian pengganti yaitu saluran transmisi sederhana[8].

W L

Wp Ys

Y0 γ0

Yin

Gambar 3.2 Sketsa Antena Mikrostrip Dengan Model Saluran Transmisi Sederhana

(40)

Pada Gambar 3.2 tampak bahwa sketsa antena mikrostrip menggunakan model saluran transmisi sederhana diganti dengan besaran-besaran admitansi dan konstanta karakteristik saluran transmisi. Besaran-besaran admitansi dan konstanta karakteristik saluran transmisi dijelaskan terlebih dahulu.

3.2.1 Lebar Saluran Pencatu (W) Antena Mikrostrip Patch Segi Empat Pada dasarnya, saluran transmisi antena mikrostrip patch segi empat memiliki impedansi pencatu. Impedansi pencatu [8] dapat dihitung dengan menganggap bahwa medan EM pada saluran merupakan quasi transverse-EM (TEM), konduktivitas yang sempurna, bahan dielektrik tipis dan lebar trace yang relatif kecil.

Untuk mengetahui impedansi antena mikrostrip patch segi empat, terlebih dahulu dihitung lebar saluran pencatu yang dirumuskan pada Persamaan 3.1

� =�ℎ��0 √��

�0

ℎ�√�� −1� (3.1)

Untuk rumus �_�_,_�� dapat dituliskan pada Persamaan 3.2 sebagai berikut [9] :

�

�,��

=

��₂+1

+

��₂−1

�

1 +

10_�

�

−�.�

;

� = �

ℎ

(3.2)

dengan a dan b dapat dirumuskan :

� = 1 + 1

49�� 4_+��

52� 2 �4₊₀_,₄₃₂�+

18,7�� 1 +� � 18,1�

�

�= 0,564��−0,9

��+3� 0,053

Untuk 1 < u < 15, a ≈ 1. Untuk �_� > 1, b ≈ 0,54 sehingga wilayah yang diberikan dirumuskan pada Persamaan 3.3 [8] :

(41)

��,�� =��₂+1+��₂−1�1 +10_�� −0,54

(3.3)

di mana:

h = Ketebalan bahan dielektrik (mm), w = Lebar strip konduktor (mm), εr

= Konstanta bahan dielektrik, eff = Konstanta efektif bahan dielektrik

3.2.2 Dimensi Patch Segi Empat Antena Mikrostrip

` Antena mikrostrip segi empat akan diumpan (feed) dengan mikrostrip penghubung ini. Dimensi dari antena mikrostrip segi empat ini adalah Lp x Wp

�� =_2��_��_�_� 2 ,��+1

(3.4)

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2, lebar dari patch bisa dihitung pada Persamaan 3.4 dan panjang efektif patch pada Persamaan 3.5 [8] :

��,�=_2� �

��,�� (3.5)

Di ujng awal dan ujung patch diasumsikan saluran transmisi yang dalam kondisi terbuka (open) yaitu pada posisi x = 0 dan x = Lp

Di sini pengaruh kapasitansi diganti dengan perpanjangan patch secara fiktif sebesar ΔL

medan listrik akan melebar keluar (fringe) yang secara elektromagnetis bisa dimodelkan dengan kapasitansi (Gambar 3.2). Dengan digunakannya panjang efektif ini, medan listrik di kedua ujung saluran transmisi yang terbuka (open) bisa dianggap lurus (tidak melengkung) dari patch ke ground atau kebalikannya.

(42)

∆��= 0,412ℎ . ��,��+0,3

��,��−0,258 .

�′ +0,262

�′₊₀_,₈₁₃ (3.6)

Sehingga total panjang efektif patch yang dirumuskan dari Persamaan 3.6 pada Persamaan 3.7 menjadi :

��=�_��_,_�−2∆�� (3.7)

3.3 Admitansi Karakteristik Saluran (Y0) Dan Impedansi Karakteristik

Saluran (Z0

Konstanta karakteristik saluran � dan impedansi gelombang Z )

� = �(�+��)(� +��) atau �= α+jβ (3.8) bisa dihitung dengan Persamaan 3.8[9]

Untuk memisahkan komponen riil dan imaginernya, Persamaan 3.8 dikuadratkan �2_{− �}2₊_�₂_��₌ _{�� − �}2_��₊_��₍_��₊_��₎ _(3.9)

komponen riil pada Persamaan 3.9 adalah

�2_{− �}2₊_�₂_��₌ _{�� − �}2_�� _(3.10)

dan nilai mutlak dari konstanta karakteristik saluran pada Persamaan 3.8 adalah �2₊_�2 ₌ _�₍_�2 ₊_�2_�2₎₍_�2₊_�2_�2₎ _(3.11)

Jika Persamaan 3.10 dan Persamaan 3.11 dijumlahkan maka diperoleh

� =�1

2�� − �2��+�(�2+�2�2)(�2+�2�2) � (3.12)

dan hasil pengurangan Persamaan 3.10 dan Persamaan 3.11 maka diperoleh persamaan untuk menghitung konstanta phasa

�= �1

2�−��+�2��+�(�2+�2�2)(�2 +�2�2) �

(43)

tanϑ= �

�� dan tan� =

�

�� (3.14)

Maka �′ =�+�� =��(tanϑ+�) = ��

cosϑ .��

�

2−ϑ� dan�′=� +�� =

�� cos � .�

��₂−��

Konstanta karakteristik saluran menjadi

�0 =_√cos�√��_ϑ_{cos �}��(�−ϑ−�)/2 (3.15) konstanta atenuasi dan konstanta phasa menjadi

� = �√��

√cosϑcos�sin

ϑ+�

2 dan � =

�√��

√cosϑcos�cos

ϑ+� 2

Admitansi karakteristik saluran (Y0) dan impedansi karakteristik saluran

(Z0

�0 =��′_�′ =_��(�−1ϑ)/2�

� cosϑ

� cos � dan �0 =�

�′

�′ =�

� cos �

� cosϑ ��(�−ϑ)/2 (3.17)

) menjadi

Untuk frekuensi tinggi ( �� ≫ � dan �� ≫ � ) maka

�0 =�_�� (3.18)

Untuk standar saluran transmisi pada antena mikrostrip maka impedansi karakteristik saluran dapat dirumuskan pada Persamaan 3.19[9]

�0=377_√_�_��_�ℎ� (3.19)

dengan w >> h.

(44)

Setelah mengetahi dimensi patch antena mikrostrip dengan model saluran transmisi sederhana maka diperoleh admitansi panjang patch antena mikrostrip patch secara keseluruhan. Sisi dari antena mikrostrip segi empat dimodelkan oleh admitansi �_� (Gambar 3.2) yang dapat dirumuskan pada Persamaan 3.20 [8] :

Y_p = G + jB (3.20)

�0 =_��₀ ; � = 3 � 108�/�

� = ��

120�0�1− � 2�ℎ 576�0�

�1_Ω

�= ��

120�₀�1−0,6367 �� 2�ℎ

�0 � 2

�1

Ω

di mana G dan B berlaku hubungan h < 0,1 �₀

3.5 Admitansi Lebar Patch (Ys) Dan Impedansi Beban (ZL

Setelah mengetahi dimensi patch antena mikrostrip dengan model saluran transmisi sederhana maka diperoleh impedansi antena mikrostrip patch secara keseluruhan.

)

Sisi terbuka (open) dari antena mikrostrip segi empat dimodelkan oleh admitansi �_� (Gambar 3.2) yang dapat dirumuskan pada Persamaan 3.21 :

Y_s = G + jB (3.21)

G dan B (berlaku h < 0,1 �₀) dapat dirumuskan pada Persamaan 3.23 dan Persamaan 3.24 [8]:

�0 =_��₀ ; � = 3 � 108�/� (3.22)

� = ��

120�0�1− 1 24�

2�ℎ �0 �

(45)

�=_120��

0�1−0,636 �� 2�ℎ

�0 � 2

�_Ω1

(3.24)

Pada Smith Chart terjadi perputaran sejauh φ = 1800 .

�� = �0 / ��,�� . Apabila hasil dari φ ≈ 360

4�_��_,_� / �_�� di mana

maka kedua Ys tidak berubah dan diparalelkan untuk mendapatkan nilai total

Dengan demikian impedansi beban dapat diketahui pada Persamaan 3.26:

= 2 x Ys (3.25)

Z

= Z

_in

=

Yin (3.26)

3.6 Penggunaan Antena Mikrostrip Patch Segi Empat

Adapun penggunaan mikrostrip yang ada di lapangan, digunakan pada satelit, komunikasi penerbangan, sistem EW (perangkat perang elektronik) yang membutuhkan ukuran yang kecil, berat yang ringan, komponen pasif gelombang mikro yang sedikit, komunikasi tanpa kabel (selular, jaringan lokal tanpa kabel (WLAN)) [8] . Saluran mikrostrip sebagai dasar dari penyaring, pengubah impedansi, pembagi atau penggabung daya, saluran tundaan, dan antena yang digunakan secara luas dalam sistem gelombang mikro. Untuk dapat mendukung teknologi WLAN, antena ini harus compatible, kecil dan mampu bekerja pada pita frekuensi lebar (broadband). Antena mikrostrip adalah sebuah kandidat yang mampu memberikan kebutuhan tersebut.

(46)

BAB IV

ANALISIS ANTENA MIKROSTRIP PATCH SEGI EMPAT DENGAN MODEL SALURAN TRANSMISI SEDERHANA

4.1 Umum

Dalam mentransmisikan sinyal pada antena mikrostrip segi empat memerlukan saluran transmisi. Masing masing jenis saluran transmisi memiliki model dalam perhitungan antena mikrostrip segi empat. Dengan menggunakan model saluran transmisi sederhana diperhitungkan ukuran antena mikrostrip segi empat. Ada beberapa parameter yang dihitung dengan menggunakan model saluran transmisi sederhana yaitu impedansi beban, koefisien refleksi tegangan, dan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). Diperlukannya analisis perhitungan dengan model saluran transmisi sederhana agar diketahui bagaimana hasil impedansi beban, koefisien refleksi tegangan, dan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) untuk mengetahui kinerja model saluran transmisi sederhana.

4.2 Parameter Asumsi

Beberapa parameter yang diasumsikan pada analisa antena mikrostrip patch segi empat adalah sebagai berikut :

a. jenis substrat yang digunakan adalah jenis FR4_epoxy dengan : - tinggi substrat (h) = 1,6 mm

- konstanta relatif bahan dielektrik = 4,4

(47)

c. frekuensi tengah (f0

(2,4GHz – 2,5GHz)

) yang digunakan yaitu 2,45 GHz dari frekuensi kerja Wi-Fi

d. kecepatan cahaya yang digunakan (c) yaitu 3 x 108

4.3 Perhitungan Lebar Saluran Pencatu dan Ukuran Patch Antena Mikrostrip Segi Empat dengan Model Saluran Transmisi Sederhana

m/s

Untuk menganalisis antena mikrostrip patch segi empat dengan menggunakan model saluran transmisi sederhana, terlebih dahulu diketahui perhitungan lebar saluran pencatu antena mikrostrip patch segi empat dan dimensi (ukuran) patch antena mikrostrip segi empat.

4.3.1 Perhitungan Lebar Saluran Pencatu

Pada bagian ini akan dihitung besarnya lebar saluran pencatu antena mikrostrip patch segi empat dengan menggunakan rumus Persamaan 3.1

�0 =_�� 0=

3 � 108

2,45 � 109 = 122,4 ��

�=�1,6 � 122,4

√4,4 ��

122,4

1,6 �√4,4 � −1�= 24,92 ��

Dengan demikian, lebar saluran pencatu antena mikrostrip patch segi empat pada frekuensi tengah 2,45GHz sebesar 24,92 mm

4.3.2 Perhitungan Dimensi Patch

Dimensi patch merupakan ukuran lebar dan panjang dari patch antena mikrostrip. Untuk mendapatkan dimensi patch, terlebih dahulu harus diketahui nilai permitivitas efektif (�_�_,_��) sebagai fungsi permitivitas relatif substrat (εr)

(48)

dan perbandingan lebar saluran pencatu (w) terhadap tinggi substrat (h). Nilai permitivitas efektif dapat dihitung dengan Persamaan 3.3

�=�

ℎ =

24,92

1,6 = 15,6 ��,��=

4,4 + 1

2 +

4,4−1 2 �1 +

10 15,6�

−0,54

= 4

Setelah mengetahui nilai permitivitas efektif, maka lebar dan panjang dimensi antena mikrostrip patch segi empat dapat diperoleh melalui Persamaan 3.4 hingga Persamaan 3.7

��=

3 � 108 2 � 2,45 � 109�

4 + 1= 38,72 ��

��,�=

3 � 108

2 � 2,45 � 109√4= 30,6 ��

�′₌��

ℎ =

38,72

1,6 = 24,2 ∆��= 0,412 � 1,6 . 4 + 0,3

4−0,258 .

24,2 + 0,262

24,2 + 0,813 = 0,741 ��= 30,6 �� −2 � 0,741��= 29,118 ��

Dari hasil perhitungan dimensi patch diperoleh panjang (Wp) dan lebar (Lp) patch segi empat antena mikrostrip dengan frekuensi 2,45GHz adalah 38,72 mm dan 29,118 mm.

(49)

Pada bagian ini akan dianalisis impedansi antena mikrostrip patch segi empat dengan menggunakan model saluran transmisi sederhana. Nilai impedansi yang dihasilkan dari antena tersebut untuk frekuensi kerja 2,4GHz; 2,425GHz; 2,45GHz; 2,475GHz; 2,5GHz dapat diperoleh melalui Persamaan 3.8 hingga Persamaan 3.12

Untuk memperoleh nilai panjang gelombang dengan frekuensi 2,4 GHz, dapat menggunakan Persamaan 3.9

�= 3 � 10 8

2,4 � 109= 125 ��

Untuk memperoleh nilai admitansi dengan frekuensi 2,4 GHz, dapat menggunakan Persamaan 3.8, Persamaan 3.10, dan Persamaan 3.11

�= 38,72 120 � 125�1−

1 24�

6,28 � 1,6 125 �

�= 2,58 �� = 38,72

120 � 125�1−0,636 ��

6,28 � 1,6 125 �

�= 10,85 �� Y_s= (2,58 + j10,85) ��

Untuk memperoleh nilai impedansi patch antena mikrostrip patch segi empat dengan frekuensi 2,4 GHz, dapat menggunakan Persamaan 3.12 dan Persamaan 3.13

�� = 125

√4 = 62,5 φ= 1800.4 x 30,6

62,5 ≈360 0

��= 2 � (2,58 + j10,85) = (5,16 +�21,16) �� Z_L = 1000

5,16 +�21,16=

1000 ∠ 0�

21,83 ∠ 76,3� = 45,8 ∠ 283,7

� _{= 45,8}_��283,70_Ω

Dari hasil perhitungan menggunakan model saluran transmisi sederhana, maka impedansi patch antena mikrostrip patch segi empat dengan frekuensi 2,4 GHz diperoleh sebesar 45,8 ��283,70_ohm.

(50)

Dengan cara yang sama, nilai impedansi antena mikrostrip patch segi empat dengan model saluran transmisi sederhana dapat ditunjukkan pada Tabel 4.1

Tabel 4.1 Impedansi Antena Mikrostrip Patch Segi Empat

Dari Tabel 4.1 tersebut dapat diketahui bawah semakin besar frekuensi maka impedansi antena mikrostrip patch segi empat semakin kecil.

4.4 Perhitungan Koefisien Refleksi Tegangan

Koefisien refleksi tegangan merupakan perbandingan hasil pengurangan dan penjumlahan antara impedansi beban (ZL) dengan impedansi saluran (Z0

Frekuensi

). Nilai Koefisien refleksi tegangan yang terjadi dari antena mikrostrip patch segi

( f )

Impedansi Antena Mikrostrip Patch Segi Empat (ZL)

2,4 GHz 45,8 ��283,70 Ω

2,425 GHz 44,52 ��282,640Ω

2,45 GHz 44,51 ��281,580 Ω

2,475 GHz 44,50 ��280,700 Ω

(51)

empat dapat diperoleh melalui Persamaan 2.3 dengan frekuensi 2,4GHz; 2,425GHz; 2,45GHz; 2,475GHz; 2,5GHz

Untuk frekuensi 2,4 GHz dapat menggunakan Persamaan 2.3 sebagai berikut

Γ=(10,87− �44,6)−50 (10,87− �44,6) + 50=

−39,13− �44,6 60,87− �44,6 =

59,33 ∠ 48,73� 75,64 ∠−36,23� Γ= 0,78 ∠ 84,96�= 0,78��84,960

Dari hasil perhitungan, maka nilai koefisien refleksi tegangan yang terjadi pada frekuensi 2,4 GHz adalah 0,78 ∠ 84,96�= 0,78��84,960.

Dengan cara yang sama, nilai koefisien refleksi tegangan yang terjadi untuk frekuensi 2,4GHz; 2,425GHz; 2,45GHz; 2,475GHz; 2,5GHz ditunjukkan pada Tabel 4.2

Tabel 4.2 Koefisien Refleksi Tegangan Frekuensi

(f)

Koefisien Refleksi Tegangan (�)

(52)

2,4 GHz 0,78 ��84,960

2,425 GHz 0,8106 ��83,330

2,45 GHz 0,84 ��83,570

2,475 GHz 0,863 ��83,730

2,5 GHz 0,887 ��83,820

Dari Tabel 4.2 dapat diketahui bahwa semakin besar frekuensi maka koefisien refleksi tegangan semakin besar.

4.5 Analisis VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

VSWR merupakan perbandingan hasil penjumlahan harga mutlak koefisien refleksi tegangan terhadap hasil pengurangan harga mutlak koefisien refleksi tegangan. Nilai VSWR dapat diperoleh melalui Persamaan 2.4 dengan frekuensi 2,4GHz; 2,425GHz; 2,45GHz; 2,475GHz; 2,5GHz

Untuk frekuensi 2,4 GHz, dapat menggunakan Persamaan 2.3

��=1 +�0,78�

�84,₉₆0_�

1− �0,78��84,960�=

1,78 0,22 �� = 8,09

Dari hasil perhitungan, maka nilai VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

yang terjadi pada frekuensi 2,4 GHz adalah 8,09.

Dengan cara yang sama, nilai VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) untuk frekuensi 2,4GHz; 2,425GHz; 2,45GHz; 2,475GHz; 2,5GHz ditunjukkan pada Tabel 4.3

(53)

Tabel 4.3 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Frekuensi

(f)

Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

2,4 GHz 8,09

2,425 GHz 9,55

2,45 GHz 11,5

2,475 GHz 13,6

2,5 GHz 16,69

Dari Tabel 4.3 dapat diketahui bahwa semakin besar frekuensi maka VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) semakin besar.

4.6 Analisis Perbandingan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

Untuk mengetahui kesesuaian analisis model saluran transmisi sederhana, penulis menggunakan simulator Ansoft HFSS v.10 sebagai perbandingan nilai VSWR hasil perhitungan model saluran transmisi sederhana dengan nilai VSWR hasil simulasi menggunakan simulator Ansoft HFSS v.10. Untuk itu dirancang sebuah model antena mikrostrip patch segi empat pada simulator Ansoft HFSS v.10 dengan data spesifikasi antena yang sama dari model saluran transmisi sederhana. Gambar 4.1 dan Tabel 4.4 menunjukkan desain antena mikrostrip

(54)

patch segi empat dan data spesifikasi antena menggunakan simulator Ansoft HFSS v.10.

Gambar 4.1 Desain Antena Mikrostrip Patch Segi Empat Dengan Simulator Ansoft HFSS v.10

Tabel 4.4 Spesifikasi Desain Antena Mikrostrip Patch Segi Empat dengan Simulator Ansoft HFSS v.10

Nama Posisi (x;y;z) Panjang (x) Lebar (y) Tinggi (z) Material εr

Boundary 0;0;0 58,72 mm 49,118 mm 10 mm Udara 1,0006

Patch 10;10;0 38,72 mm 29,118 mm 0,01 mm Perfect conductor

(55)

Tabel 4.5 Perbandingan Hasil VSWR Perhitungan Model Saluran Transmisi Sederhana dan Hasil VSWR Simulator Ansoft HFSS v.10

Frekuensi (GHz) Hasil VSWR Model Saluran Transmisi

Sederhana

Hasil VSWR Simulator Ansoft

HFSS v.10

Selisih Hasil VSWR (%)

2,4 8,09 7 13,47

2,425 9,55 8,62 9,73

2,45 11,5 10,55 8,26

2,475 13,6 12,77 6,103

2,5 16,69 15,29 8,33

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Hasil VSWR Perhitungan Model Saluran Transmisi Sederhana dan Hasil VSWR Simulator Ansoft HFSS v.10 0

5 10 15 20

2,38 2,4 2,42 2,44 2,46 2,48 2,5 2,52

Frekuensi (GHz)

Hasil VSWR Model Saluran Transmisi Sederhana Hasil VSWR Ansoft HFSS v.10

Feedline 16,9;0;0 24,92 mm 10 mm 0,01 mm Perfect conductor

Substrat 0;0;0 58,72 mm 49,118 mm 1,6 mm FR4_epoxy 4,4

Groundplane 0;0;-1,601 58,72 mm 49,118 mm 0,01 mm Perfect conductor

(56)

Dari Tabel 4.5 dan Gambar 4.2 dapat dilihat bahwa ada kemiripan kurva VSWR hasil perhitungan model saluran transmisi sederhana dan VSWR hasil simulator Ansoft HFSS v.10. Kemiripan kurva ini menunjukkan bahwa perhitungan dengan model saluran transmisi sederhana dapat digunakan untuk mengetahui nilai lebar patch antena mikrostrip patch segi empat, impedansi patch antena mikrostrip patch segi empat, koefisien refleksi tegangan dan VSWR. Perbedaan antara hasil VSWR model saluran transmisi sederhana dan hasil VSWR simulator Ansoft HFSS v.10 adalah perhitungan dengan model saluran transmisi sederhana tidak memperhitungkan jenis boundary, ukuran boundary, tidak memperhitungkan distribusi arus dan tegangan di sekitar antena tersebut.

(57)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil analisis yang dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin besar frekuensi yang diberikan pada antena mikrostrip patch segi empat

menggunakan model saluran transmisi sederhana maka impedansi antena mikrostrip patch segi empat yang dihasilkan semakin kecil. Selain dipengaruhi oleh frekuensi, impedansi antena mikrostrip patch segi empat dipengaruhi oleh tinggi substrat dan jenis substrat.

2. Semakin besar frekuensi yang diberikan pada antena mikrostrip patch segi empat menggunakan model saluran transmisi sederhana maka koefisien refleksi tegangan yang dihasilkan semakin besar. Selain dipengaruhi oleh frekuensi, koefisien refleksi tegangan dipengaruhi oleh impedansi antena mikrostrip patch

segi empat.

3. Selisih hasil VSWR perhitungan Model Saluran Transmisi Sederhana dengan hasil VSWR menggunakan simulator Ansoft HFSS v.10 terjadi karena beberapa faktor yaitu tidak memperhitungkan jenis dan ukuran boundary, tidak memperhitungkan distribusi arus dan tegangan pada Model Saluran Transmisi Sederhana. Sedangkan pada simulasi menggunakan simulator Ansoft HFSS v.10, faktor-faktor tersebut terlibat.

4. Semakin besar frekuensi yang diberikan pada antena mikrostrip patch segi empat menggunakan model saluran transmisi sederhana maka VSWR (Voltage

(58)

5.2 Saran

Saran yang dapat penulis berikan:

1. Untuk mendapatkan hasil analisis VSWR yang lebih baik, dapat dilakukan dengan mengubah-ubah tinggi substrat dan frekuensi kerja 2. Perhitungan model dapat juga dilakukan untuk jenis material yang

berbeda.

(59)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Balanis, Constantine A, 2005, Antena Theory Analysis and Design, third edition, Willey inc, Hal. 1,2

[2] Wadel, Brian C. 1991. Transmission Line Design Handbook, Artech House, Inc., Norwood, Hal 19-25,30,93-99.

[3] Garg Ramesh. 2000. Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, hal. 2-3.

[4] Siregar, Yandi A. 2004. Teknik Transmisi 1: Diktat Kuliah. Pekan Baru. Hal 2-15,22-23.

[5] Hammerstad, Erik O. 1975. Equation for Microstrip Circuit Design. Proceedings of The European Microwave Conference. Hamburg. Germany. Hal 268-272.

[6] Rambe, Ali Hanafiah. 2010. Diktat Kuliah Teknik Elektro Telekomunikasi Modul Ke- 6 Saluran Transmisi. Medan : USU

[7] Maloratsky, Leo G.2000. Microwave and RF. Reviewing The Basics of Microstrip Lines. Melbourne. Hal.79,82,84,86.

[8] Alaydrus, Mudrik . 2011. Antena, Prinsip dan Aplikasi. Jakarta : Graha Ilmu. Hal 187 – 210.

[9] Alaydrus, Mudrik . 2009. Saluran Transmisi Telekomunikasi. Jakarta : Graha Ilmu. Hal 260 – 269.

[10] Gupta, K.C. dkk. 1996. Microstrip Lines and Slotlines. Edisi Kedua. Artech House. Boston, London. Hal. 122.

(60)

(61)

(1)

(2)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil analisis yang dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin besar frekuensi yang diberikan pada antena mikrostrip patch segi empat

4. Semakin besar frekuensi yang diberikan pada antena mikrostrip patch segi empat menggunakan model saluran transmisi sederhana maka VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) yang dihasilkan semakin besar.