Rancang Bangun Matching Impedance L Network untuk RF Energy Harvesting pada Frekuensi 2.4 GHz
BAB II
DASAR TEORI
2.1
RF Energi Harvesting
Pengertian dari energy harvesting merupakan suatu proses dimana energi
dari berbagai macam sumber yang ada ditangkap dan dipanen. Sistem energy
harvesting ini dapat diaplikasikan untuk catudaya bagi perangkat berkebutuhan
daya rendah. Dalam aplikasinya, system energy harvesting dapat digunakan untuk
menyuplai perangkat berkebutuhan daya rendah secara kontinyu dikarenakan
terdapat banyak sekali sumber energi yang tersedia untuk dipanen.
Teknologi energy harvesting adalah teknologi yang diciptakan untuk
menghasilkan tenaga listrik melalui proses pemanenan energy yang diperoleh dari
lingkungan sekitar yang berupa sinyal RF yang berbentuk gelombang
elektromagnetik. Energy yang tadi telah dipanen diubah menjadi energi listrik DC
(Direct Current), Gambar 2.1 menunjukkan diagram blog dasar sistem konversi
RF DC [3].
Gambar 2.1. Diagram blog dasar dari RF energy harvesting.
Pada RF energy harvesting antena adalah kunci utama dari system yang
berfungsi untuk menangkap radiasi energi RF, ada beberapa antena yang
mencapai kinerja yang baik di gain dan bandwidth seperti antena microstrip,
dipole,planar, dan antena uniplanar [4].
4
Universitas Sumatera Utara
2.2
Gelombang Elektromagnetik
Gelombang didefinisikan sebagai getaran atau gangguan yang merambat.
Elektromagnetik adalah gejala listrik yang diakibatkan oleh gerak mekanik
magnet. Magnet adalah benda yang dapat menghasilkan gaya tarik atau gaya tolak
terhadap benda lain (yang mungkin juga bersifat magnet).
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik
dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari
gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang
elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang
elektromagnetik ditemukan oleh Heinrich Hertz .Gelombang dikarakteristikkan
oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki
hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada
Persamaan 2.1 .
�
λ=�
Dimana :
(2.1)
λ = panjang gelombang (m)
c = cepat rambat cahaya (m/s)
ƒ = frekuensi (Hz)
2.3
Antena
Antena adalah alat yang berfungsi memancarkan atau menerima gelombang
radio dengan kata lain antenna adalah struktur transisi antara ruang bebas dan
perangkat pembimbing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Perangkat
pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk garis koaksial atau pipa
berlubang
(waveguide)
dan
digunakan
untuk
mengangkut
gelombang
elektromagnetik dari pemancar ke penerima [5].
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Antena sebagai perangkat transisi
Antena juga tergolong sebagai Transduser karena dapat mengubah suatu
bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Kinerja dari suatu antena depengaruhi
oleh beberapa parameter, antara lain:
2.3.1 Pola Radiasi
Pola radiasi adalah penggambaran pancaran energi antena sebagai fungsi
koordinasi ruang. Pola radiasi dibentuk dari pancaran medan jauh pada antena.
Pancaran energi yang dimaksud adalah intensitas medan listrik . Berdasarkan pola
radiasinya, antena dikelompokan menjadi 2 yaitu[6] :
1) Antena terarah (directional antenna), yaitu Antena yang mampu memancarkan
atau menerima gelombang elektromagnetik pada arah tertentu saja.
2) Antena tidak terarah (omnidirectional antenna), yaitu antena yang mampu
memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik ke segala.
6
Universitas Sumatera Utara
2.3.2 Keterarahan (Directivity)
Keterarahan (Directivity) merupakan penggambaran dari arah pancar atau
terima gelombang elektromagnetik dari suatu antena. Jika daya radiasi sama baik
pada semua arah atau Pn (θ,Φ) = 1 untuk semua θ dan Φ maka ΩA = 4π, sehingga
diperoleh D = 1. Nilai tersebut adalah keterarahan untuk sumber isotropis dan
merupakan nilai terkecil yang mampu dimiliki antena. Maka ΩA harus selalu
sama dengan atau lebih kecil dari 4π, sedangkan keterarahan harus selalu sama
atau lebih besar dari 1 [7].
2.3.3 Gain
Penguatan (gain) merupakan besaran nilai yang menunjukkan adanya
penambahan tingkat sinyal dari sinyal masukan menjadi sinyal keluaran.
Penguatan bergantung pada keterarahan dan efisiensi. Semakin tinggi keterarahan
maka semakin besar pula penguatannya. Seperti yang ditunjukkan pada
Persamaan 2.2 [7].
dimana:
=
.� �
�.
��
��
(2.2)
G = gain antena (Db)
Um = intensitas radiasi antena (watt)
Pin = daya input total yang diterima oleh antena (watt)
2.3.4 Polarisasi (Polarization)
Polarization dapat diartikan sebagai arah rambat dari medan listrik atau
penyebaran antena medan listrik. Polarisasi Antena yang dimaksud disini adalah
orientasi medan listrik dari gelombang radio yang berhubungan dengan
permukaan bumi dan kecocokan struktur fisik antena dengan orientasinya.
Mengenali Polarisasi bermanfaat untuk mendapatkan efisiensi maksimum pada
transmisi sinyal [7].
7
Universitas Sumatera Utara
2.3.5
Impedansi masukan
Impedansi masukan adalah perbandingan rasio impedansi pada bagian
terminal antena atau perbandingan antara tegangan dan arus listrik pada terminal
antena. Impedensi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu. Seperti yang
ditunjukkan pada Persamaan 2.3 [7].
dimana:
�� =
�
+ �
(2.3)
�
ZA = impedansi antena (Ω)
RA = resistansi antena (Ω)
XA = reaktansi antena (Ω)
2.3.6
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR adalah perbandingan antara ampiltudo gelombang berdiri (standing
wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Koefisien refleksi
tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya
magnitude dan fasa dari refleksi. Seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.4
[7].
=
2.3.7
��
�
=
+[г]
−[г]
(2.4)
Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat
8
Universitas Sumatera Utara
terjadi karena adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedensi
masukan beban (antena) seperti Persamaan 2.5[7].
�=
log Γ
(2.5)
Untuk koefisien pantul dapat dinyatakan dengan Persamaan 2.6:
Γ=
dimana:
2.3.8
�
(2.6)
�
г
= koefisien pantul
Vr
= tegangan gelombang pantul (reflected wave)
Vi
= tegangan gelombang maju (incident wave)
RL
= return loss (dB)
Lebar Pita (Bandwidth)
Bandwidth antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi antena dengan
beberapa karakteristik sesuai dengan standar yang telah ditentukan. Bandwidth
dapat dipertimbangkan sebagai range frekuensi, dibagian lain dijadikan sebagai
frekuensi tengah dimana karakteristik antena bisa diterima menjadi nilai frekuensi
tengah. Untuk antena Broadband, bandwidth dinyatakan sebagai perbandingan
frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower)[5].
Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”range frekuensi antena dengan
beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan”. Untuk
Broadband antena, lebar bidang dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi
operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower). Sedangkan untuk
Narrowband antena, maka lebar bidang antena dinyatakan sebagai persentase dari
selisih frekuensi di atas frekuensi tengah dari lebar bidang .Untuk persamaan
bandwidth dalam persen (Bp) atau sebagai bandwidth rasio (Br).
Bandwidth dapat dihitung dengan Persamaan 2.7 – 2.9 [8].
Bp
fu fl
100%
fc
(2.7)
fc
fu fl
2
(2.8)
9
Universitas Sumatera Utara
Br
fu
fl
(2.9)
dengan :
Bp
= bandwidth dalam persen (%)
Br
= bandwidth rasio
fu
= jangkauan frekuensi atas (Hz)
fl
= jangkauan frekuensi bawah
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :
1. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana 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 -9,54dB.
2. 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.
3. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi
dimana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial
ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.
2.4
Matching Impedance ( Penyesuai Impedansi )
Perancangan suatu saluran transmisi tidak terlepas dari penyesuaian
impedansi (impedance matching). Suatu jalur atau saluran transmisi dikatakan
matched apabila karakteristik impedansi � = �� , atau dengan kata lain tidak ada
refleksi yang terjadi pada ujung saluran beban. �
merupakan karakteristik
impedansi suatu saluran transmisi dan biasanya bernilai 50 ohm, �� merupakan
impedansi beban. Beban dapat berupa antena atau rangkaian lain yang mempunyai
10
Universitas Sumatera Utara
impedansi ekivalen �� . Karena kegunaan utama saluran transmisi adalah untuk
mentransfer daya secara sempurna, maka beban yang matched sangat diperlukan.
Pada banyak sekali aplikasi, diinginkan kondisi tak adanya refleksi pada
sambungan saluran transmisi. Oleh sebab itu untuk mengeliminasi refleksi akibat
perbedaan impedansi beban dengan impedansi gelombang, dipakai teknik
penyamaan/penyesuaian impedansi (impedance matching techniques). Prinsip
kerjanya adalah menyisipkan sebuah rangkaian matching di antara beban dan
saluran transmisi yang akan dipasangkan seperti pada Gambar 2.3[6].
Gambar 2.3 Prinsip teknik rangkaian matching
2.4.1 L Matching Network
Untuk meningkatkan efisiensi konversi, sirkuit yang dirancang harus
beresonansi pada frekuensi yang ditargetkan. Rangkaian yang cocok dirancang
agar sesuai dengan impedansi rangkaian pengali dengan antena standar 50 Ω
secara berurutan untuk memungkinkan transfer daya maksimum dari antena ke
sirkuit. L Matching Network dapat ditunjukan pada Gambar 2.4[9].
(a)
(b)
Gambar 2.4 L matching konfigurasi (a) �� kurang dari �� (B) �� lebih besar dari
��
11
Universitas Sumatera Utara
Untuk menjaga kerugian di sirkuit seminimal mungkin, matching L
diterapkan karena hanya memiliki dua elemen disejajarkan pada rangkaian
pencocokan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Konfigurasi pada Gambar 2.4
(a) adalah untuk input Impedansi (�� ) lebih rendah dari impedansi beban (�� )
dan Gambar 2.4 (b) adalah untuk �� lebih besar dari �� . Elemen ja dan jb di
rangkaian merupakan komponen reaktif, bisa jadi induktor atau kapasitor.
2.4.2
T Matching Network
Penyesuai impedansi yang sering dipakai yaitu bentuk L, bentuk Pi dan
bentuk T dikarenakan bentuk dari rangkaiannya yang sederhana, bandwidth,
kelayakan manufaktur, dan kemudahan penyetelan. Sebenarnya ada 3 tipe dalam
penyesuaian impedansi, salah satunya adalah LC Matching dan terbagi lagi ke
dalam beberapa tipe lagi yaitu bentuk L, bentuk T, bentuk Pi, dan bentuk Q
dimana, induktor dan kapasitor digunakan untuk menghasilkan transformasi
impedansinya. LC Matching merupakan penyesuaian impedansi yang mudah
dalam penyetelan sesuai dengan variasi perangkat yang kita inginkan apakah ingin
bandpass, lowpass, ataupun highpass. T Matching Network ditunjukkan pada
Gambar 2.5[10].
Gambar 2.5 T Matching Network
Gambar 2.5 merupakan penyesuai impedansi bentuk Low Pass T Network
dimana, sangat bagus digunakan untuk penyesuai impedansi keluaran untuk
sebuah power amplifier stage, dimana amplifiernya disambungkan dengan sebuah
antena. Rangkaian T Matching memiliki rangkaian induktor sebagai elemen yang
terhubung ke perangkat yang akan menghasilkan rangkaian terbuka ke arus
12
Universitas Sumatera Utara
harmonisa kedua, arus yang dihasilkan berkurang melalui transistor dan
menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi [10].
2.4.3
PI Matching Network
Pi Matching Network sangat berguna untuk mencocokkan sumber
impedansi hingga 50 beban. Pi Matching Network biasanya digunakan pada
amplifier katup. Gambar 2.6 menunjukkan jaringan Pi yang digunakan untuk
penyesuaian impedansi[10].
Gambar 2.6 Pi Matching Network
Untuk mendapatkan nilai komponen, pertama-tama dengan menentukan
nilai impedansi sumber dan menentukan nilai impedansi beban dan dimatchingkan
dengan menggunakan bantuan smitchat [10].
2.5
Smith Chart
Smith Chart adalah alat grafis yang canggih yang dapat memecahkan
masalah saluran transmisi, salah satu aplikasi yang lebih sederhana adalah untuk
menentukan impedansi feed-point dari sebuah antena berdasarkan pengukuran
impedansi pada input dari panjang jalur transmisi, dengan menggunakan bagan
smith chart pengukuran impedansi dapat dilakukan dengan menempatkan antena
disebuah tiang atau empat yang tinggi, dan tidak perlu untuk memotong garis ke
kelipatan yang tepat dari setengah panjang gelombang. Smith Chart dapat
digunakan untuk tujuan lain juga, seperti desain rangkaian penyesuai impedansi
dengan bantuan smith chart seorang pemula dapat dengan mudah memcahkan
13
Universitas Sumatera Utara
masalah yang ingin inginkan yang berhubungan dengan elektronikas atau teknik
listrik. Smitchart ditunjukkan pada Gambar 2.7[11].
Gambar 2.7 Smith chart.
2.6
Advanced Design System (ADS)
Advanced Design System atau biasa disebut ADS merupakan perangkat
lunak yang paling terkemuka di dunia untuk bidang desain elektronik pada bidang
RF, microwave, dan aplikasi digital berkecepatan tinggi. Karena interface nya
yang kuat dan mudah digunakan, menyebabkan ADS menjadi teknologi yang
paling inovatif dan sukses secara komersial. Banyak perusahaan besar yang
bergerak dalam bidang telekomunikasi dan jaringan menggunakan X-parameters
dan 3D EM simulators yang ada pada software ini untuk simulasi WIMAX, LTE,
multi-gigabit per second data links, radar, dan aplikasi satelit.
14
Universitas Sumatera Utara
Adapun kemampuan atau keunggulan dari aplikasi ADS ini adalah sebagai
berikut:
1. Kemampuan untuk langsung membuat S-Paramater model dari layout
PCB Allegro.
2.
Untuk mencampur teknologi pemodelan dalam simulasi tunggal, misalnya
pada Touchstone, IBIS, dan HSPICE.
3. Library komponen yang khusus untuk pemodelan aplikasi frekuensi tinggi.
4. Kemampuan untuk dengan cepat menganalisa ciri kanal, dan dapat
menjalan jutaan bit data dalam hanya beberapa menit.
15
Universitas Sumatera Utara
DASAR TEORI
2.1
RF Energi Harvesting
Pengertian dari energy harvesting merupakan suatu proses dimana energi
dari berbagai macam sumber yang ada ditangkap dan dipanen. Sistem energy
harvesting ini dapat diaplikasikan untuk catudaya bagi perangkat berkebutuhan
daya rendah. Dalam aplikasinya, system energy harvesting dapat digunakan untuk
menyuplai perangkat berkebutuhan daya rendah secara kontinyu dikarenakan
terdapat banyak sekali sumber energi yang tersedia untuk dipanen.
Teknologi energy harvesting adalah teknologi yang diciptakan untuk
menghasilkan tenaga listrik melalui proses pemanenan energy yang diperoleh dari
lingkungan sekitar yang berupa sinyal RF yang berbentuk gelombang
elektromagnetik. Energy yang tadi telah dipanen diubah menjadi energi listrik DC
(Direct Current), Gambar 2.1 menunjukkan diagram blog dasar sistem konversi
RF DC [3].
Gambar 2.1. Diagram blog dasar dari RF energy harvesting.
Pada RF energy harvesting antena adalah kunci utama dari system yang
berfungsi untuk menangkap radiasi energi RF, ada beberapa antena yang
mencapai kinerja yang baik di gain dan bandwidth seperti antena microstrip,
dipole,planar, dan antena uniplanar [4].
4
Universitas Sumatera Utara
2.2
Gelombang Elektromagnetik
Gelombang didefinisikan sebagai getaran atau gangguan yang merambat.
Elektromagnetik adalah gejala listrik yang diakibatkan oleh gerak mekanik
magnet. Magnet adalah benda yang dapat menghasilkan gaya tarik atau gaya tolak
terhadap benda lain (yang mungkin juga bersifat magnet).
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik
dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari
gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang
elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang
elektromagnetik ditemukan oleh Heinrich Hertz .Gelombang dikarakteristikkan
oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki
hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada
Persamaan 2.1 .
�
λ=�
Dimana :
(2.1)
λ = panjang gelombang (m)
c = cepat rambat cahaya (m/s)
ƒ = frekuensi (Hz)
2.3
Antena
Antena adalah alat yang berfungsi memancarkan atau menerima gelombang
radio dengan kata lain antenna adalah struktur transisi antara ruang bebas dan
perangkat pembimbing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Perangkat
pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk garis koaksial atau pipa
berlubang
(waveguide)
dan
digunakan
untuk
mengangkut
gelombang
elektromagnetik dari pemancar ke penerima [5].
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Antena sebagai perangkat transisi
Antena juga tergolong sebagai Transduser karena dapat mengubah suatu
bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Kinerja dari suatu antena depengaruhi
oleh beberapa parameter, antara lain:
2.3.1 Pola Radiasi
Pola radiasi adalah penggambaran pancaran energi antena sebagai fungsi
koordinasi ruang. Pola radiasi dibentuk dari pancaran medan jauh pada antena.
Pancaran energi yang dimaksud adalah intensitas medan listrik . Berdasarkan pola
radiasinya, antena dikelompokan menjadi 2 yaitu[6] :
1) Antena terarah (directional antenna), yaitu Antena yang mampu memancarkan
atau menerima gelombang elektromagnetik pada arah tertentu saja.
2) Antena tidak terarah (omnidirectional antenna), yaitu antena yang mampu
memancarkan atau menerima gelombang elektromagnetik ke segala.
6
Universitas Sumatera Utara
2.3.2 Keterarahan (Directivity)
Keterarahan (Directivity) merupakan penggambaran dari arah pancar atau
terima gelombang elektromagnetik dari suatu antena. Jika daya radiasi sama baik
pada semua arah atau Pn (θ,Φ) = 1 untuk semua θ dan Φ maka ΩA = 4π, sehingga
diperoleh D = 1. Nilai tersebut adalah keterarahan untuk sumber isotropis dan
merupakan nilai terkecil yang mampu dimiliki antena. Maka ΩA harus selalu
sama dengan atau lebih kecil dari 4π, sedangkan keterarahan harus selalu sama
atau lebih besar dari 1 [7].
2.3.3 Gain
Penguatan (gain) merupakan besaran nilai yang menunjukkan adanya
penambahan tingkat sinyal dari sinyal masukan menjadi sinyal keluaran.
Penguatan bergantung pada keterarahan dan efisiensi. Semakin tinggi keterarahan
maka semakin besar pula penguatannya. Seperti yang ditunjukkan pada
Persamaan 2.2 [7].
dimana:
=
.� �
�.
��
��
(2.2)
G = gain antena (Db)
Um = intensitas radiasi antena (watt)
Pin = daya input total yang diterima oleh antena (watt)
2.3.4 Polarisasi (Polarization)
Polarization dapat diartikan sebagai arah rambat dari medan listrik atau
penyebaran antena medan listrik. Polarisasi Antena yang dimaksud disini adalah
orientasi medan listrik dari gelombang radio yang berhubungan dengan
permukaan bumi dan kecocokan struktur fisik antena dengan orientasinya.
Mengenali Polarisasi bermanfaat untuk mendapatkan efisiensi maksimum pada
transmisi sinyal [7].
7
Universitas Sumatera Utara
2.3.5
Impedansi masukan
Impedansi masukan adalah perbandingan rasio impedansi pada bagian
terminal antena atau perbandingan antara tegangan dan arus listrik pada terminal
antena. Impedensi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu. Seperti yang
ditunjukkan pada Persamaan 2.3 [7].
dimana:
�� =
�
+ �
(2.3)
�
ZA = impedansi antena (Ω)
RA = resistansi antena (Ω)
XA = reaktansi antena (Ω)
2.3.6
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
VSWR adalah perbandingan antara ampiltudo gelombang berdiri (standing
wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Koefisien refleksi
tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya
magnitude dan fasa dari refleksi. Seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.4
[7].
=
2.3.7
��
�
=
+[г]
−[г]
(2.4)
Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat
8
Universitas Sumatera Utara
terjadi karena adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedensi
masukan beban (antena) seperti Persamaan 2.5[7].
�=
log Γ
(2.5)
Untuk koefisien pantul dapat dinyatakan dengan Persamaan 2.6:
Γ=
dimana:
2.3.8
�
(2.6)
�
г
= koefisien pantul
Vr
= tegangan gelombang pantul (reflected wave)
Vi
= tegangan gelombang maju (incident wave)
RL
= return loss (dB)
Lebar Pita (Bandwidth)
Bandwidth antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi antena dengan
beberapa karakteristik sesuai dengan standar yang telah ditentukan. Bandwidth
dapat dipertimbangkan sebagai range frekuensi, dibagian lain dijadikan sebagai
frekuensi tengah dimana karakteristik antena bisa diterima menjadi nilai frekuensi
tengah. Untuk antena Broadband, bandwidth dinyatakan sebagai perbandingan
frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower)[5].
Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”range frekuensi antena dengan
beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan”. Untuk
Broadband antena, lebar bidang dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi
operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower). Sedangkan untuk
Narrowband antena, maka lebar bidang antena dinyatakan sebagai persentase dari
selisih frekuensi di atas frekuensi tengah dari lebar bidang .Untuk persamaan
bandwidth dalam persen (Bp) atau sebagai bandwidth rasio (Br).
Bandwidth dapat dihitung dengan Persamaan 2.7 – 2.9 [8].
Bp
fu fl
100%
fc
(2.7)
fc
fu fl
2
(2.8)
9
Universitas Sumatera Utara
Br
fu
fl
(2.9)
dengan :
Bp
= bandwidth dalam persen (%)
Br
= bandwidth rasio
fu
= jangkauan frekuensi atas (Hz)
fl
= jangkauan frekuensi bawah
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :
1. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi dimana 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 -9,54dB.
2. 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.
3. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi
dimana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial
ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.
2.4
Matching Impedance ( Penyesuai Impedansi )
Perancangan suatu saluran transmisi tidak terlepas dari penyesuaian
impedansi (impedance matching). Suatu jalur atau saluran transmisi dikatakan
matched apabila karakteristik impedansi � = �� , atau dengan kata lain tidak ada
refleksi yang terjadi pada ujung saluran beban. �
merupakan karakteristik
impedansi suatu saluran transmisi dan biasanya bernilai 50 ohm, �� merupakan
impedansi beban. Beban dapat berupa antena atau rangkaian lain yang mempunyai
10
Universitas Sumatera Utara
impedansi ekivalen �� . Karena kegunaan utama saluran transmisi adalah untuk
mentransfer daya secara sempurna, maka beban yang matched sangat diperlukan.
Pada banyak sekali aplikasi, diinginkan kondisi tak adanya refleksi pada
sambungan saluran transmisi. Oleh sebab itu untuk mengeliminasi refleksi akibat
perbedaan impedansi beban dengan impedansi gelombang, dipakai teknik
penyamaan/penyesuaian impedansi (impedance matching techniques). Prinsip
kerjanya adalah menyisipkan sebuah rangkaian matching di antara beban dan
saluran transmisi yang akan dipasangkan seperti pada Gambar 2.3[6].
Gambar 2.3 Prinsip teknik rangkaian matching
2.4.1 L Matching Network
Untuk meningkatkan efisiensi konversi, sirkuit yang dirancang harus
beresonansi pada frekuensi yang ditargetkan. Rangkaian yang cocok dirancang
agar sesuai dengan impedansi rangkaian pengali dengan antena standar 50 Ω
secara berurutan untuk memungkinkan transfer daya maksimum dari antena ke
sirkuit. L Matching Network dapat ditunjukan pada Gambar 2.4[9].
(a)
(b)
Gambar 2.4 L matching konfigurasi (a) �� kurang dari �� (B) �� lebih besar dari
��
11
Universitas Sumatera Utara
Untuk menjaga kerugian di sirkuit seminimal mungkin, matching L
diterapkan karena hanya memiliki dua elemen disejajarkan pada rangkaian
pencocokan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Konfigurasi pada Gambar 2.4
(a) adalah untuk input Impedansi (�� ) lebih rendah dari impedansi beban (�� )
dan Gambar 2.4 (b) adalah untuk �� lebih besar dari �� . Elemen ja dan jb di
rangkaian merupakan komponen reaktif, bisa jadi induktor atau kapasitor.
2.4.2
T Matching Network
Penyesuai impedansi yang sering dipakai yaitu bentuk L, bentuk Pi dan
bentuk T dikarenakan bentuk dari rangkaiannya yang sederhana, bandwidth,
kelayakan manufaktur, dan kemudahan penyetelan. Sebenarnya ada 3 tipe dalam
penyesuaian impedansi, salah satunya adalah LC Matching dan terbagi lagi ke
dalam beberapa tipe lagi yaitu bentuk L, bentuk T, bentuk Pi, dan bentuk Q
dimana, induktor dan kapasitor digunakan untuk menghasilkan transformasi
impedansinya. LC Matching merupakan penyesuaian impedansi yang mudah
dalam penyetelan sesuai dengan variasi perangkat yang kita inginkan apakah ingin
bandpass, lowpass, ataupun highpass. T Matching Network ditunjukkan pada
Gambar 2.5[10].
Gambar 2.5 T Matching Network
Gambar 2.5 merupakan penyesuai impedansi bentuk Low Pass T Network
dimana, sangat bagus digunakan untuk penyesuai impedansi keluaran untuk
sebuah power amplifier stage, dimana amplifiernya disambungkan dengan sebuah
antena. Rangkaian T Matching memiliki rangkaian induktor sebagai elemen yang
terhubung ke perangkat yang akan menghasilkan rangkaian terbuka ke arus
12
Universitas Sumatera Utara
harmonisa kedua, arus yang dihasilkan berkurang melalui transistor dan
menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi [10].
2.4.3
PI Matching Network
Pi Matching Network sangat berguna untuk mencocokkan sumber
impedansi hingga 50 beban. Pi Matching Network biasanya digunakan pada
amplifier katup. Gambar 2.6 menunjukkan jaringan Pi yang digunakan untuk
penyesuaian impedansi[10].
Gambar 2.6 Pi Matching Network
Untuk mendapatkan nilai komponen, pertama-tama dengan menentukan
nilai impedansi sumber dan menentukan nilai impedansi beban dan dimatchingkan
dengan menggunakan bantuan smitchat [10].
2.5
Smith Chart
Smith Chart adalah alat grafis yang canggih yang dapat memecahkan
masalah saluran transmisi, salah satu aplikasi yang lebih sederhana adalah untuk
menentukan impedansi feed-point dari sebuah antena berdasarkan pengukuran
impedansi pada input dari panjang jalur transmisi, dengan menggunakan bagan
smith chart pengukuran impedansi dapat dilakukan dengan menempatkan antena
disebuah tiang atau empat yang tinggi, dan tidak perlu untuk memotong garis ke
kelipatan yang tepat dari setengah panjang gelombang. Smith Chart dapat
digunakan untuk tujuan lain juga, seperti desain rangkaian penyesuai impedansi
dengan bantuan smith chart seorang pemula dapat dengan mudah memcahkan
13
Universitas Sumatera Utara
masalah yang ingin inginkan yang berhubungan dengan elektronikas atau teknik
listrik. Smitchart ditunjukkan pada Gambar 2.7[11].
Gambar 2.7 Smith chart.
2.6
Advanced Design System (ADS)
Advanced Design System atau biasa disebut ADS merupakan perangkat
lunak yang paling terkemuka di dunia untuk bidang desain elektronik pada bidang
RF, microwave, dan aplikasi digital berkecepatan tinggi. Karena interface nya
yang kuat dan mudah digunakan, menyebabkan ADS menjadi teknologi yang
paling inovatif dan sukses secara komersial. Banyak perusahaan besar yang
bergerak dalam bidang telekomunikasi dan jaringan menggunakan X-parameters
dan 3D EM simulators yang ada pada software ini untuk simulasi WIMAX, LTE,
multi-gigabit per second data links, radar, dan aplikasi satelit.
14
Universitas Sumatera Utara
Adapun kemampuan atau keunggulan dari aplikasi ADS ini adalah sebagai
berikut:
1. Kemampuan untuk langsung membuat S-Paramater model dari layout
PCB Allegro.
2.
Untuk mencampur teknologi pemodelan dalam simulasi tunggal, misalnya
pada Touchstone, IBIS, dan HSPICE.
3. Library komponen yang khusus untuk pemodelan aplikasi frekuensi tinggi.
4. Kemampuan untuk dengan cepat menganalisa ciri kanal, dan dapat
menjalan jutaan bit data dalam hanya beberapa menit.
15
Universitas Sumatera Utara