5
BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengertian Antena
Antena merupakan perangkat yang digunakan untuk merubah besaran listrik dari saluran transmisi menjadi suatu gelombang elektromagnetik untuk
diradiasikan ke udara bebas. Sebaliknya antenna juga dapat menangkap gelombang elektromagnetik dari udara bebas untuk kemudian dijadikan besaran
listrik kembali melalui saluran transmisi. Pemancaran merupakan satu proses perpindahan gelombang radio atau elektromagnetik dari saluran transmisi ke
ruang bebas melalui antenna pemancar. Sedangkan penerimaan adalah satu proses penerimaan gelombang radio atau elektromagnetik dari ruang bebas melalui
antena penerima. Karena merupakan perangkat perantara antara saluran transmisi dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai match dengan
saluran pencatunya. Pada
saat proses
transmisi, gelombang
elektromagnetik akan
ditransmisikan sepanjang jalur transmisi dan menyebar ke udara. Jalur transmisi ini dapat berupa kabel koaksial, terkadang juga ditambahkan dengan pipa untuk
memperluas jalur transmisi dan dikenal sebagai gelombang terbimbing waveguide [4]. Perkembangan teknologi komunikasi yang saat ini berkembang
pesat menyebabkan pengembangan dan penelitian antena juga semakin pesat seiring dengan kebutuhan teknologi saat ini.
2.2 Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip diusulkan pertama kalinya oleh Deschamps pada awal tahun 1950 dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan Howell, dan
merupakan salah satu antenna gelombang mikro yang digunakan sebagai radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini seperti : Personal
Communication System PCS, Mobile Satelite Communications, Direct Broadcast Television DBS, Radio Detection And Ranging Radar dan Global
Positioning System GPS. Melalui beberapa penelitiannya, diketahui bahwa
Universitas Sumatera Utara
6 kemampuan beroperasi antena mikrostrip diatur terutama oleh bentuk geometri
dari elemen peradiasi patch dari karakteristik material substrat [3].
2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu mikro sangat keciltipis dan strip bilahpotongan. Antena mikrostrip dapat
didefenisikan sebagai salah satu antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran yang sangat kecil. Secara garis besar struktur dari antenna
mikrostrip atas 3 bagian, yaitu elemen peradiasi atau patch antena, substrat dan ground plane. Patch terletak diatas subtrat dan ground plane terletak paling
bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 [3].
Gambar 2.1 Struktur Dasar Antena Mikrostrip [3]
Pada susunan ini, lapisan konduktor atas atau “patch” berfungsi sebagai
sumber radiasi dimana energi elektromagnetik menyusur tepian dan sisi patch ke dalam substrat. Lapisan konduktor bawah bertindak sebagai bidang ground
pemantulan sempurna yang kemudian mengembalikan energi kembali melalui substrat menuju udara bebas. Lapisan konduktor bawah dicetak pada satu atau
lebih dielektrik substrat. Patch elemen peradiasi terbuat dari bahan konduktor tipis seperti tembaga atau emas yang mempunyai bentuk bermacam-macam.
Bentuk patch ini bermacam-macam seperti : lingkaran, persegi, persegi panjang,
Universitas Sumatera Utara
7 segitiga, ataupun cincin. Patch berfungsi untuk meradiasikan gelombang
elektromagnetik ke udara. Substrat berfungsi sebagai bahan dialektrik dari antena mikrostrip yang
membatasi elemen peradiasi dengan elemen pertanahan. Bagian ini memiliki nilai konstanta dielektrik ε
r
dimana nilai dari konstanta dielektrik ini mempengaruhi frekuensi kerja, efisiensi, dan juga bandwidth dari antena. Karakteristik substrat
sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan
ketebalan substrat akan memperbesar bandwidth. Elemen ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta dialektrik dan
ketebalannya. Ketebalan substrat jauh lebih besar daripada ketebalan konduktor metal peradiasi. Semakin tebal substart maka bandwidth akan semakin meningkat,
tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan surface wave. Gelombang permukaan pada antena mikrostrip merupakan efek yang merugikan
sebagian daya yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik kearah yang diinginkan.
Material substrat yang tersedia dapat digunakan untuk frekuensi-frekuensi RF dan microwave. Pemilihannya berdasarkan karakteristik material yang
diinginkan untuk daya yang optimal pada suatu jarak frekuensi tertentu. Spesifikasi umum termasuk nilai konstanta dielektrik, dielektrik loss tangent, dan
ketebalan. Nilai konstanta dielektrik antara 2,2 ε
r
12 digunakan untuk frekuensi operasi dari 1 hingga 100 GHz [3]. Konstanta dielektrik adalah
perbandingan energi listrik yang tersimpan pada suatu bahan substrat jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap ruang hampa [5]. Dielektrik loss tangent
merupakan rugi-rugi dielektrik. Ketebalan substrat penting untuk diperhatikan ketika akan mendesain
antena mikrostrip. Kebanyakan substrat yang diinginkan untuk kehandalan suatu antena dipilih yang tebal dengan konstanta dielektrik yang rendah. Hal ini
cenderung menghasilkan antenna dengan bandwith yang lebar dan efisiensi yang tinggi akibat bebas dari loncatan medan tepi yang berasal dari patch dan
berpropagasi kedalam substrat. Namun hal ini menyebabkan volume antena
Universitas Sumatera Utara
8 menjadi besar dan meningkatkan kemungkinan pembentukan gelombang
permukaan. Akan tetapi dengan substrat yang tipis dengan konstanta dielektrik yang tinggi mengurangi ukuran antena. Namun akibat adanya disipasi faktor yang
lebih tinggi, menyebabkan efisiensinya menjadi rendah dan bandwith yang kecil [3]. Oleh karena itu terdapat timbal balik yang menjadi dasar dalam pembuatan
antena mikrostrip yang harus diperhatikan. Ground plane terbuat dari bahan konduktor. Ukurannya selebar dan
sepanjang substrat. Ground plane berfungsi sebagai ground antena pembumian yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan.
2.3 Parameter – Parameter Antena Mikrostrip
Ada beberapa parameter dari antena mikrostrip yang biasanya digunakan dalam simulasi maupun pengukuran untuk mengetahui spesifikasi standar dari
antena yang dirancang. Parameter antena tersebut antara lain yaitu dimensi antena, frekuensi resonansi, VSWR, bandwidth, axial ratio, gain antena, return
loss,polarisasi, impedansi masukan, pola radiasi, dan keterarahan directivity.
2.3.1 Dimensi Antena Mikrostrip
Untuk mencari dimensi antena, yaitu lebar W dan panjang L maka harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan, yaitu tebal
dialektrik h, konstanta dialektrik ε
r
, tebal konduktor t dan rugi – rugi bahan.
Panjang antena mikrostrip antena L 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 mikrostrip W impedansi input juga akan berubah.
Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan persamaan 2.1 sebagai berikut [2] :
W=
c √
� +
2.1
dimana : W
: lebar konduktor mm : konstanta dialektrik
Universitas Sumatera Utara
9 c
: kecepatan elektromagnetik diruang bebas 3 x 10
8
ms
2
fo : frekuensi kerja antena Hz
Sedangkan untuk menentukan panjang patch L diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan panjang L akibat adanya fringing effect. Pertambahan
panjang dari L ΔL tersebut dirumuskan dengan persamaan 2.2 sebagai berikut
[2] : ΔL = 0,412h
� ℎ
+ , �
− ,
� ℎ
+ ,
2.2 dimana h merupakan tinggi substrat atau tebal substrat dan
adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan pada persamaan 2.3 berikut [2] :
=
� +
+
� − √ + ℎ⁄
2.3
Panjang patch L dirumuskan pada persamaan 2.4 berikut [2] : =
− ∆ 2.4 dimana L
eff
merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan pada persamaan 2.5 berikut [2] :
=
√�
2.5
2.3.2 Frekuensi Resonansi
Frekuensi resonansi adalah frekuensi kerja dari suatu antena. Rentang frekuensi kerja dari suatu antena dapat dilihat dari grafik VSWR dan grafik return
loss, sebagai contoh ketika nilai VSWR – nya lebih kecil atau sama dengan 2 dan
ketika nilai return loss – nya bernilai sama dengan – 9,54 dB [1]. Dengan
frekuensi resonansi yang dirumuskan pada persamaan 2.6 : =
√�
[
�
+ ]
2.6 dengan m dan n adalah indeks mode pada arah x dan y, W dan L adalah lebar dan
panjang patch antena persegi panjang namun pada segi empat adalah panjang
Universitas Sumatera Utara
10 sisinya, c adalah kecepatan cahaya 3x10
8
ms
2
, dan ε
r
adalah konstanta dielektrik relatif.
2.3.3 VSWR Voltage Standing Wave Ratio
VSWR Voltage Standing Wave Ratio merupakan perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri maksimum |V|max dengan minimum |V|min [6].
Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan V
+
dan tegangan yang direfleksikan V
-
. Gelombang berdiri terjadi akibat interferensi antara V
+
dan V
-
. Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang
dikirimkan disebut koefisien refleksi ya ng dinyatakan dengan simbol Г [7]. Harga
koefisien pantul dapat bervariasi antar 0 sampai 1. Jika bernilai 0, artinya tidak ada pantulan dan jika bernilai 1 artinya sinyal yang datang ke beban seluruhnya
dipantulkan kembali ke sumbernya. Dapat dinyatakan dengan persamaan 2.7 sebagai berikut [8] :
Γ =
− +
2.7 Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik dan impedansi beban
dapat dinyatakan seperti persamaan 2.8 berikut [8] : Γ =
− +
=
�
−
�
+
2.8 dimana :
Z
L
: impedansi beban load Z
o
: impedansi saluran lossess
Koefisien refleksi tegangan memiliki nilai kompleks, untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner
dari Г adalah nol, maka: Г = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat,
Г = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna, Г = +1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka,
Universitas Sumatera Utara
11 Gelombang berdiri memiliki tegangan maksimum dan minimum dalam
saluran yang besarnya tergantung pada tegangan maupun arus pantul. Secara sederhana rumus untuk menentukan VSWR [8].
Kondisi VSWR yang ideal adalah bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi atau pantulan ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Nilai dari VSWR
menjadi salah satu acuan untuk melihat, apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan. Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang
dipantulkan semakin besar. Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaa n matching
sempurna [8]. Adapun rumusnya dapat dilihat pada persamaan 2.9.
=
| |
�
| |
=
+|Г| −|Г|
2.9
2.3.4 Bandwidth
Bandwidth suatu antena merupakan besar rentang frekuensi kerja dari suatu antena dimana kinerjanya berhubungan dengan beberapa karakteristik
seperti impedansi masukan, pola, bandwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio memenuhi spesifikasi standar [8]. Nilai bandwidth dapat
diketahui apabila nilai frekuensi bawah dan frekuensi atas dari suatu antena sudah diketahui, seperti yang terlihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Rentang Frekuensi Mencari Bandwidth [4]
Frekuensi bawah adalah nilai frekuensi awal dari frekuensi kerja antena, sedangkan frekuensi atas merupakan nilai frekuensi akhir dari frekuensi kerja
antena. Pada persamaan 2.10 berikut adalah rumus mencari nilai bandwidth [8] :
bandwidth
f
1
f
2
f
c -10dB
-20dB return loss
minimum
Universitas Sumatera Utara
12 =
−
2.10
dimana : BW = bandwidth
f
2
= frekuensi tertinggi Hz f
1
= frekuensi terendah Hz f
c
= frekuensi tengah Hz Adapun beberapa jenis dari bandwidth yang berkaitan dengan antena
mikrostrip adalah sebagai berikut [8] : a
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. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing
– masing adalah kurang dari -9.54 dB dan 2. b
Pattern bandwidth : yaitu rentang frekuensi dimana bandwidth, sidelobe, atau gain,yang bervariasi menurut freekuensi 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 dimana
polarisasi linier atau melingkar masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.
2.3.5 Axial Ratio
Axial ratio AR merupakan perbandingan sumbu mayor terhadap sumbu minor dalam suatu bentuk polarisasi, baik itu polarisasi melingkar atau elips.
Adapun rumus AR terlihat pada persamaan 2.11 [1] berikut : =
�
= ; ≤
≤ ∞ 2.11 Dimana:
= [ {⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ cos ∆∅ }]
2.12
Universitas Sumatera Utara
13 = [ {⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ − ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ cos ∆∅
}] 2.13
Nilai axial ratio yang ideal adalah ≤ dB. Nilai 3 dB merupakan beda
atau selisih antara medan E dan medan H dari gelombang yang dipancarkan oleh antena. Ini berarti antena tersebut memiliki polarisasi yang melingkar [1].
2.3.6 Gain Antena
Gain antena atau penguatan adalah perbandingan antara intensitas radiasi dari suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena
isotropik yang menggunakan sumber daya masukan yang sama Satuan yang digunakan untuk gain, adalah besar suatu gain antena yang merupakan besaran
relatif terhadap acuan gain antena yang mudah dihitung. Dimana gain dapat dirumuskan seperti persamaan 2.14 [2] berikut :
G = D . η 2.14
D adalah direktivitas dan adalah efisiensi antena. Gain memiliki 2 jenis parameter, yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain adalah
perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena P
in
teradiasi secara isotropik. Gain juga dapat dicari seperti persamaan 2.15 sebagai berikut [2]:
� = �
� �
� � ℎ
� �
� � � �
2.15
Sedangkan relatif gain adalah sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang
direferensikan juga. Daya masukan harus sama diantara kedua antena tersebut yang dirumuskan seperti persamaan 2.16 berikut [2] :
� = �
�,�
2.16 Untuk menentukan dimensi elemen peradiasi, maka terlebih dahulu harus
ditentukan frekuensi kerja yang digunakan, untuk mencari panjang gelombang diruang bebas
� dirumuskan seperti persaman 2.17 [2] :
Universitas Sumatera Utara
14 � = 2.17
Setelah nilai � diperoleh, maka � dapat dihitung. Dimana � merupakan
panjang gelombang pada bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan persamaan 2.18 [2] :
� =
� √�
2.18 Gain dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan 2.19 [1] :
� =
� �
∙ 2.19
dimana : G
= gain antena �
= panjang gelombang bahan dielektrik ∙
= Luas patch segiempat
2.3.7 Return Loss
Return loss merupakan perbandingan antara amplitude dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitude gelombang yang dikirim. Return loss
digambarkan sebagai peningkatan amplitude dari gelombang yang direflesikan V
0-
sebanding dengan gelombang yang dikirim V
0+
. Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan
beban. Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas mismatched, besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi dengan
menggunakan persamaan 2.20 [8] : =
log|Γ| 2.20 Nilai return loss yang baik adalah dibawah -9.54 dB, 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 menjadi salah satu acuan apakah antena sudah bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak. Besaran nilai return loss diukur dari nilai
Universitas Sumatera Utara
15 S
11
pada saat melakukan simulasi. Hal ini dikarenakan pada saat melakukan simulasi terhadap return loss yang digunakan hanya 1 port saja pada antena array.
2.3.8 Polarisasi Lingkaran
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah
gain maksimum [1]. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefenisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo
vektor medan electric yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefenisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada
suatu arah tertentu. Polarisasi yang terdapat pada antena mikrostrip dapat diklasifikasikan sebagai polarisasi linear, polarisasi circular melingkar, dan
polarisasi elliptical elips. Polarisasi melingkar terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut
waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrikatau magnet pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Polarisasi melingkar
terlihat seperti Gambar 2.3 berikut [1].
Gambar 2.3 Polarisasi Melingkar [9]
Untuk membangkitkan polarisasi melingkar pada antena mikrostrip dapat dilakukan dengan 2 metode, yaitu pencatuan ganda dual feed dan pencatuan tunggal
single feed. Polarisasi melingkar dapat dihasilkan dengan menggunakan pencatuan ganda yang saling tegak lurus dual orthogonal feed atau memiliki beda fasa 90
Universitas Sumatera Utara
16 diantara yang satu dengan yang lainnya. Untuk mendapatkannya dilakukan dengan
berbagai cara, seperti quadrature hybrid atau phase shifter. Selain itu, untuk dapat memperoleh beda fasa sebesar 90
dapat dilakukan dengan cara mengatur saluran c
atu sehingga selisihnya sebesar λ4. Selain dengan pencatuan ganda, polarisasi melingkar juga dapat dibangkitkan
dengan menggunakan pencatuan tunggal. Pada umumnya patch dengan saluran tunggal akan menghasilkan polarisasi linier. Untuk menghasilkan polarisasi
melingkar maka perlu dibangkitkan dua mode arus yang tegak lurus dengan amplitude yang sama dan berbeda phase 90
, maka polarisasi melingkar akan di dapat [8].
2.3.9 Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah perbandigan tegangan terhadap arus pada terminal atau perbandingan dari komponen-komponen bersesuaian dari medan elektrik
terhadap medan magnetic pada suatu titik [10]. Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau objek yang ada disekitarnya, tetapi pada umumnya
sebuah antena diasumsikan sudah terisolasi. Secara matematis impedansi masukan dapat dirumuskan pada persamaan 2.21 sebagai berikut [1] :
Z
in
= R
in
+ j X
in
Ω 2.21 dimana :
Z
in
= impedansi masukan R
in
= tahanan terminal antena X
in
= reaktansi masukan Dari persamaan Z
in
tersebut, komponen yang diharapkan adalah daya real R
in
yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui panas atau radiasi. Komponen imajiner X
in
mewakili reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan pada medan dekat antena. Adapun Z
in
untuk antena mikrostrip patch segiempat untuk nilai
VSWR ≤ 2 dapat dirumuskan pada persamaan 2.22 sebagai berikut [10] :
Universitas Sumatera Utara
17
2 2
1 90
W L
Z
r r
in
ohm 2.22
2.3.10 Pola Radiasi
Pola radiasi merupakan fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang. Sifat radiasi tersebut meliputi kerapatan
fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat
direksional. Parameter pola radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi koordinat direksional. Parameter pola radiasi
terdiri dari main lobe, side lobe, HPBW Half Power Beamwidth, FNBW First Null Beamwidth , SLL Side Lobe Level, dan FBR Front to Back Ratio seperti
terlihat pada Gambar 2.4 dibawah ini [1].
Gambar 2.4 Pola Radiasi Antena [11]
Defenisi dari istilah – istilah parameter pola radiasi adalah sebagai berikut [1] :
a Major Lobe
Major lobe disebut juga main lobe didefenisikan sebagai radiation lobe yang berisi arah radiasi maksimum. Major lobe merupakan daerah
pancaran terbesar sehingga dapat menentukan arah radiasi dan mempunyai daya yang besar.
b Side Lobe
Side Lobe terdiri dari : 1.
first side lobe yaitu minor lobe yang posisinya paling dekat dengan main lobe.
Universitas Sumatera Utara
18 2.
second side lobe yaitu minor lobe yang posisinya setelah first side lobe.
3. back lobe yaitu minor lobe yang posisinya berlawanan dengan main
lobe. c
Half Power Beamwidth HPBW Half Power Beamwidth adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titik titik ½
daya atau -3 dB atau 0.707 dari medan maksimum pada lobe utama. d
First Null Beamwidth FNBW First Null Beamwidth adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada
main lobe yang intensitas radiasinya nol. e
Side Lobe Level SLL Side Lobe Level adalah perbandingan antara first lobe dan main lobe. Side
Lobe Level menyatakan besar dari side lobe. f
Front to Back Ratio FBR Front to Back Ratio adalah perbandingan antara main lobe terhadap back
lobe. Semakin besar sudut yang membentuk main lobe-nya maka keterarahan
antena semakin kecil, sedangkan lobe-lobe kecil didekat main lobe yang disebut minor lobe merupakan berkas radiasi yang tidak terarah dan sebenarnya tidak
dibutuhkan [1].
2.3.11 Keterarahan Directivity
Pengarahan directivity merupakan perbandingan antara intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua
arah. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan 4π. Directivity dapat dirumuskan seperti pada Persamaan
2.23 berikut [1] : =
=
�
�
2.23 Jika arah tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi
maksimum yang dapat dicari menggunakan Persamaan 2.24 berikut [1] : =
=
�
=
�
� �
2.24
Universitas Sumatera Utara
19 dimana :
D = keterarahan directivity D
= keteraharan maksimum U = intensitas radiasi
U
max
= intensitas radiasi maksimum U
= intensitas radiasi pada sumber isotropik P
rad
= daya total radiasi
2.3.12 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Antena Mikrostrip mengalami kenaikan popularitas khususnya pada aplikasi wireless dikarenakan bentuknya yang kecil, mudah dibawa, sederhana,
dan proses pembuatannya tidak membutuhkan biaya yang sangat mahal. Selain itu, antena ini juga kompatibel dan dapat diintegrasikan langsung dengan sirkuit
utamanya, seperti telepon genggam, missile, dan peralatan lainnya. Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip antara lain [1] :
a Dimensi antena yang kecil
b Bentuknya sederhana memudahkan dalam proses perakitan
c Dapat bekerja dalam dual-frequency dan triple frequency
d Dapat diintegrasikan pada Microwave Integrated Circuit MIC
e Tidak membutuhkan biaya yang sangat besar dalam proses pembuatannya.
Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti [1] : a
Efisiensi yang rendah b
Gain yang rendah c
Memiliki daya power yang rendah d
Radiasi yang berlebih pada proses pencatuan e
Bandwidth yang sempit
2.4 Jenis – Jenis Patch Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch seperti : bentuk segiempat, lingkaran, cincin dan segitiga samasisi. Analisis untuk bentuk-bentuk
Universitas Sumatera Utara
20 patch antena tersebut menggunakan metode cavity modal rongga. Model cavity
adalah suatu model dimana geometri antena dikelilingi oleh medan radiasi dan dinding-dinding medan radiasi tersebut memiliki kondisi batas tertentu. Medan
listrik dalam substrat hanya mempunyai arah komponen z, dan arah medan magnet memiliki arah x dan y. Karena ketebalan substrat dielektrik h λ
wavelength, maka medan listrik tidak bervariasi sepanjang arah z, dan medan
dapat diasumsikan sebagai Transverse Magnetic TM. Komponen arus yang normal terhadap tepi antenna mikrostrip mendekati nol pada tepi tersebut, dan ini
menunjukkan bahwa komponen tangensial dari medan magnet pada tepi adalah sangat kecil sehingga dapat diabaikan [1].
Antena mikrostrip memiliki beberapa bentuk patch, diantaranya: 1.
Patch persegi Square 2.
Patch segitiga Triangular 3.
Patch lingkaran Circular 4.
Patch persegi panjang Rectangular 5.
Patch elips Elliptical 6.
Patch cincin melingkar Circular Ring 7.
Patch garis tipis Dipole Bentuk patch antena mikrostrip ditunjukkan pada Gambar 2.5 berikut [1]:
Gambar 2.5 Bentuk-bentuk Patch Antena Mikrostrip [8]
Universitas Sumatera Utara
21
2.4.1 Antena Mirkrostrip Patch Segiempat Rectangular
Pada skripsi ini akan dirancang antena mikrostrip patch segiempat yang memiliki dimensi elemen peradiasi yang terdiri atas parameter lebar W dan
panjang L. Antena mikrostrip patch segiempat ditunjukkan seperti Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Antena mikrostrip patch segiempat [11]
Dimana L adalah panjang dari patch antena dan W adalah lebar dari patch
antena.
2.5 Teknik Pencatuan Microstrip Line
Teknik pencatuan microstrip line merupakan metode yang paling mudah
digunakan. Saluran transmisi mikrostrip tersusun dari dua konduktor, yaitu sebuah
garis strip dengan lebar W dan bidang pentanahan, keduanya dipisahkan oleh suatu substrat yang memiliki permitivitas relatif ε
r
dengan tinggi h seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. Parameter utama yang penting untuk diketahui
pada suatu saluran transmisi adalah impedansi karakteristik Z . Impedansi
karakterisik Z dari saluran mikrostrip ditentukan oleh lebar strip W dan tinggi
substrat h. Pada teknik pencatuan microstrip line saluran pencatu berada pada lapisan
yang sama dengan elemen peradiasi. Saluran pencatu berada pada lapisan yang sama dengan elemen peradiasi dan pada umumnya pencatu memiliki lebar yang
sempit dibandingkan elemen peradiasi. Keuntungan dari pencatuan microstrip line ini antara lain mudah untuk difabrikasi, matching mudah dilakukan hanya dengan
mengubah letak inset, dan memiliki bentuk yang sederhana. Selain itu teknik
Universitas Sumatera Utara
22 pencatuan ini juga menghemat bahan karena hanya menggunakan substrat saja,
yaitu substrat yang sama dengan substrat digunakan untuk meletakkan patch dibandingkan dengan teknik pencatuan lain. Sedangkan kekurangan dari teknik
pencatuan ini adalah semakin tebal substrat yang digunakan maka akan memperbesar radiasi dari saluran catu yang efeknya akan membatasi bandwidth
antena 2-5 [1].
Gambar 2.7 Geometri Saluran Mikrostrip [11]
2.5.1 Karakteristik Saluran Mikrostrip microstrip line untuk Wh1
Konstanta dielektrik efektif ε
eff
dirumuskan pada persamaan 2.25 [1]: =
� +
+
� −
[
√ + ℎ
+ . −
ℎ
] 2.25
dan Karakteristik Impedansi dapat dirumuskan seperti persamaan 2.26 [1]: =
√�
ln
ℎ
+
ℎ
2.26
2.5.2 Karakteristik Saluran Mikrostrip microstrip line untuk Wh 1
Konstanta dielektrik efektif ε
eff
dirumuskan pada persamaan 2.27 [1]: =
� +
+
�
−
[
√ + ℎ
] 2.27
dan karakteristik impedansi dirumuskan pada persamaan 2.28 [1]:
=
� √�
� ℎ
+ . + ln
� ℎ
+ .
2.28
Universitas Sumatera Utara
23
2.6 Antena
Array
Antena array antena susun adalah antena yang terdiri dari beberapa elemen yang saling berhubungan dan diatur dalam struktur yang teratur untuk
dibentuk menjadi suatu antena. Antena array merupakan susunan dari beberapa antena identik. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara array adalah
pada bagian patch. Gambar antena array terlihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Antena Array 4 Elemen [12]
Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal. Untuk membentuk pola yang
memiliki keterarahan tertentu, diperlukan medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruktif pada arah yang diinginkan dan berinterferensi
secara dekstruktif pada arah yang lain. Terdapat 5 kontrol yang dapat digunakan untuk membentuk pola antena, yaitu [2]:
a. Konfigurasi geometri linear, melingkar, rectangular, spherical, dll
b. Pemindahan relatif antara elemen
c. Amplitudo eksitasi dari setiap elemen
d. Fasa eksitasi dari setiap elemen
e. Pola relatif dari setiap elemen
Ada beberapa macam konfigurasi antena array, diantaranya : linear, planar, dan circular. Masing-masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya
Universitas Sumatera Utara
24 linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit,
sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendali arah pola radiasi. Pada penelitian ini dirancang antena linear array.
Pada antena array terdapat Array Factor AF yang merupakan vektor pengali dari medan elektrik dari elemen tunggal. Array factor inilah yang
menentukan bagaimana pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang diradiasikan oleh antena tersebut.
2.6.1 Dua Elemen Array
Antena susun dimisalkan sebagai susunan dari dipole horizontal yang sangat kecil, adapun medan total E
t
yang diradiasikan oleh kedua elemen tersebut terlihat pada Persamaan 2.29 berikut [2]:
E
t
= E
1
+ E
2
= ̂
� �
{
− [ −�]
+
− [ −�]
} 2.29
Dimana β adalah perbedaan eksitasi fasa diantara elemen, k = 2πλ , r
1
dan r
2
adalah jarak observasi. Magnitudo eksitasi pada radiator adalah identik. Jika ditinjau dari sudut pandang medan jauh, maka :
θ
1
= θ
1
= θ
1
r
1
= r – d2 cos θ
r
2
= r + d2 cos θ
r
1
≈ r
2
≈ r Sehingga persamaan 2.29 menjadi [2] :
E
t
= ̂
�
−
�
[
�+�
+
− �+�
] E
t
= ̂
�
−
�
cos [
+ � ] 2.30
Dari persamaan 2.30 terlihat bahwa medan total dari array adalah sama dengan medan dari elemen tunggal dikalikan dengan faktor yang disebut sebagai
faktor array AF. Untuk 2 elemen array, nilai array factor adalah [2]: AF =
[ cos + � ]
2.31 Dan dinormalisasi menjadi :
AF
n
= [
cos + � ] 2.32
Universitas Sumatera Utara
25 Dengan d adalah jarak pisah antar elemen. Sehingga untuk mencari sudut null
n
, yaitu pada saat medan listrik total E
t
= 0, nilai AF diset menjadi nol, terlihat pada Persamaan 2.33 berikut [2]:
[ + � ] = ⟹
+ � = ± +
� ⟹
=
− �
�
[−� ± + �] 2.33
n = 0,1,2,….
2.7 Sistem Komunikasi Broadband 3,3 GHz – 3,4 GHz
Frekuensi merupakan sumber daya resource yang sangat penting pada Telekomunikasi nirkabel. Oleh karena itu, penggunaan frekuensi perlu ditata agar
dapat bermanfaat secara lebih efisien dan optimal. Adapun perangkat yang bekerja pada rentang frekuensi 3,3 GHz
– 3,4 GHz adalah wimax.
2.7.1 Broadband Wireless Access BWA
Broadband wireless access adalah sistem komunikasi yang bekerja pada 3,3 GHz
– 3,4 GHz serta memiliki kemampuan transmisi nirkabel pada pita lebar, kapabilitas multi-layanan diferensiasi perlakuan sesuai prioritas trafik, jalinan
QoS dan mekanisme keamanan. Adapun contoh aplikasi BWA adalah WIMAX. Kemampuan layanan sistem BWA ini mendukung jenis layanan-layanan
sebagai berikut : a.
Layanan real time : layanan yang membutuhkan jaminan delay minimal dan jaminan jaminan kesediaan alokasi sumber daya tertentu VoIP, audio,
dan video streaming. b.
Layanan non-real time : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay minimal namun membutuhkan jaminan ketersediaan alokasi sumber daya
agar layanan dapat berjalan dengan baik FTP dengan bandwidth yang besar
c. Layanan Best Effort : Layanan yang tidak membutuhkan jaminan delay
minimal maupun jaminan ketersediaaan alokasi sumber daya agar layanan dapat berjalan dengan baik web browsing dan email.
Universitas Sumatera Utara
26
2.8 Gelombang Permukaan
Surface Wave
Gelombang permukaan dibangkitkan pada antena mikrostrip ketika substrat memiliki konstanta dielektrik sebesar ε
r
1. Selain radiasi end-fire, gelombang permukaan juga meningkatkan kopling diantara beberapa susunan
elemen [9]. Gelombang permukaan dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Gelombang Permukaan [3]
Ketika patch peradiasi dari antena mikrostrip meradiasikan gelombang ke udara, maka juga ada gelombang yang terjebak di dalam substrat. Gelombang-
gelombang ini membentuk gelombang permukaan. Gelombang permukaan ini masuk ke substrat pada sudut elevasi
c
yang besarnya
c
= Arc sin 1 √ [13]
lalu timbul pada bidang pentanahan kemudian direfleksikan ke perbatasan udara- dielektrik yang juga kemudian merefleksikan gelombang itu. Jalur yang ditempuh
oleh gelombang permukaan ini menyerupai bentuk zigzag, dan akhirnya mencapai batas dari struktur mikrostrip sehingga gelombang tersebut direfleksikan dan
dibelokkan kembali oleh ujung dan menyebabkan meningkatnya radiasi end-fire. Jika terdapat antena yang dekat dengan antena ini seperti antena susun, maka
gelombang permukaan ini membentuk gandengan coupling. Karena gelombang permukaan menurun sebanding dengan
√ , maka gandengan coupling juga menurun ketika titik eksitasi semakin jauh [13].
Gelombang permukaan dikatakan sangat merugikan bagi antena mikrostrip karena dapat mereduksi efisiensi gain, membatasi bandwidth, meningkatkan
radiasi end-fire, meningkatkan cross-polarization, membatasi rentang frekuensi,
Universitas Sumatera Utara
27 meningkatkan mutual coupling pada antena array, serta menurunkan efisiensi
antena[2]. Adapun rumus efisiensi antena [2] seperti yang terlihat pada Persamaan 2.34 :
= ∙ ……………………………………….……………2.34
e
r
= efisiensi refleksi = 1-| Г|
2
e
cd
= efisiensi radiasi =
+
� �
P
r
= daya radiasi P
sw
= daya dari gelombang permukaan
2.9 Mutual Coupling