BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip - Perbandingan Kinerja Antena Mikrostrip Susun Dua Elemen Patch Segi Empat Menggunakan Teknik DGS (Defected Ground Structure) dan Tanpa DGS Berbentuk Segitiga Sama Sisi
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip terdiri dari tiga bagian, yaitu conducting patch, substrat dielektrik, dan ground plane. Bagian-bagian tersebut dapat dilihat seperti gambar1 berikut ini [2]. W
Ground Plane L Patch h Substrate Fideline Ɛ r=4.4
Gambar 2.1 Antena Mikrostrip a.Conducting Patch, patch ini terbuat dari logam konduktor seperti tembaga atau emas, dengan ketebalan tertentu. Patch terletak diatas substrat yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara. Patch memiliki berbagai macam jenis, diantaranya bujur sangkar (square), persegi panjang (rectangular), segitiga, dan sebagainya.
b.
Substrat Dielektrik, berfungsi sebagai penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan menuju daerah dibawah patch. Bagian ini menggunakan bahan dielektrik dengan dengan permitivitas relatif tertentu. Semakin tebal substrat maka bandwidth akan semakin meningkat tetapi akan berpengaruh terhadap timbulnya gelombang permukaan (surface wave).
c.
Groundplane, berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan dan terletak pada bagian paling bawah. Ground plane memiliki jenis yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam konduktor seperti tembaga. Kelebihan dari antena mikrostrip adalah bentuk fisiknya yang low-profile sehingga dapat dimontasikan hampir pada seluruh tempat, low-fabrication sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar, dapat menghasilkan polarisasi sirkular maupun linear dengan feed yang sederhana, dapat beroperasi pada single maupun dual band. Disamping kelebihan antena mikrostrip tersebut, antena jenis ini juga memiliki kekurangan yaitu, memiliki bandwidth yang kecil, gain yang dicapai kecil, dan timbulnya gelombang permukaan (surface wave)
2.2 Parameter Antena Mikrostrip
Kinerja suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter antena tersebut. Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena adalah impedansi masukan, Voltage Wave Standing Ratio (VSWR), return loss, bandwidth, keterarahan, penguatan, dan pola radiasi. Sebagian parameter ini saling berhubungan satu dengan yang lainnya.
2.2.1 Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, polarisasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi,
VSWR, return loss) memenuhi spesifikasi standar. Bandwitdh dapat dicari dengan rumus berikut ini [4].
f f 2 1 f c
BW = x 100 % Keterangan : f
1 = frekuensi terendah
f
2 = frekuensi tertinggi
f = frekuensi tengah
c
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya : a. Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada pada keadaan matchingdengan saluran pencatu. Hal ini terjadi karena impedansi dari elemen antena bervariasi nilainya tergantung dari nilai frekuensi. Nilai matching ini dapat dilihat dari return loss dan VSWR. Nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik adalah kurang dari -9,54 dB.
b. Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana bandwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari.
c. Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di mana polarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dB.
2.2.2 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah kemampuan suatu antena untuk bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR berhubungan dengan pengukuran koefisien refleksi dari antena tersebut. Perbandingan level tegangan yang kembali ke pemancar (V ) dan yang datang menuju beban (V ) ke + - sumbernya lazim disebut koefisien pantul atau koefisien refleksi yang dinyatakan
dengan simbol “ ”[3].
V
=
(3)
V
Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik saluran (Z o ) dan impedansi beban/ antena (Z ) dapat ditulis :
l Z Z l o
(4)
= Z Z l o
Harga koefisien refleksi ini dapat bervariasi antara 0 (tanpa pantulan/match) sampai 1, yang berarti sinyal yang datang ke beban seluuhnya dipantulkan kembali ke sumbernya semula. Maka untuk pengukuran Voltage Standing Wave
Ratio (VSWR) , dinyatakan sebagai berikut :
1
VSWR =
(5) 1 Besarnya VSWR yang ideal adalah 1, yang berarti semua daya yang diradiasikan antena pemancar diterima oleh antena penerima (match). Semakin besar nilai VSWR menunjukkan daya yang dipantulkan juga semakin besar dan semakin tidak match. Dalam prakteknya VSWR harus bernilai lebih kecil dari 2 (dua).
2.2.3 Return Loss
Return loss merupakan besaran daya pantul (faktor refleksi) yang disebabkan oleh tidak matchnya beban dengan transmission line dalam dB. Besarnya return loss sangat tergantung faktor refleksi yaitu perbandingan antara tegangan yang dipantulkan dengan tegangan yang datang dari sumber [3].
| | (6) = simbol dari faktor refleksi.
= tegangan yang dipantulkan = tegangan yang datang dari sumber
Besar dari koefisien pantul antara -1 dan +1, -1 menunjukkan bahwa beban dalam keadaan short circuit dan +1 menunjukkan dalam keadaan open circuit. Jika 0 maka sistem dalam keadaan match. Hubungan antara return loss dengan faktor refleksi dapat dituliskan secara matematis sebagai berikut :
(7) | |
2.2.4 Gain Gain adalah penguatan atau kemampuan pada antena yang berhubungan
dengan directivity dan efisiensi antena. power gain didefinisikan sebagai 4 π kali rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan dengan [3] :
U
.
G(
(8)
θ, )= 4π P m
Definisi ini tidak termasuk losses yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi (impedance missmatch ) atau polarisasi. Harga maksimum dari gain adalah harga maksimum dari intensitas radiasi atau harga maksimum dari persamaan (2.8), sehingga dapat dinyatakan kembali :
U m G = 4
(9)
π P m
Jadi gain dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi dari
θ dan , dan juga dapat
dnyatakan sebagai suatu harga pada suatu arah tertentu. Jika tidak ada arah yang ditentukan dan harga power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari
θ dan , diasumsikan sebagai gain maksimum.
Direktivatas dapat ditulis sebagai
4 D = (10) HP HP
Direktivitas dapat menyatakan gain suatu antena jika seluruh daya input menjadi daya radiasi. Dan hal ini tidak mungkin terjadi karena adanya losses pada daya input. Bagian daya input (P in ) yang tidak muncul sebagai daya radiasi diserap oleh antena dan struktur yang dekat dengannya. Hal tersebut menimbulkan suatu definisi baru, yaitu yang disebut dengan efisiensi radiasi, dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :
P r e =
(11)
P m
dengan catatan bahwa harga e diantara nol dan satu ( 0 <e< 1) atau ( 0 <e< 100%).
Sehingga gain maksimum suatu antena sama dengan direktivitas dikalikan dengan efisiensi dari antena, yang dapat dinyatakan sebagai berikut :
G= e D
(12)
2.2.5 Pola Radiasi
Pola radiasi merupakan gambaran secara grafik dari sifat
- – sifat radiasi suatu antena sebagai fungsi koordinat ruang. Dalam banyak keadaan, pola radiasi ditentukan pada pola daerah medan jauh dan digambarkan sebagai fungsi koordinat
- – koordinat arah sepanjang radius konstan, dan digambarkan pada koordinat ruang. Sifat – sifat radiasi ini mencakup intensitas radiasi, kekuatan medan (field strenght) dan polarisasi. Sedangkan untuk pola radiasi antena
microstrip mempunyai fenomena yang sama dengan pola radiasi antena
konvensional [5]. Medan radiasi antena terbagi menjadi medan jauh (far field) dan medan dekar (near field). Jarak minimum antara antena pemancar dengan antena penerima dirumuskan pada (4.1) sebagai [6]: 2
2D r (2.11) min
dengan: r = jarak minimum pemancar dengan penerima (cm)
min
D = dimensi terbesar dari antena (cm) panjang gelombang (cm) λ = Pola radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.2 Pola Radiasi Antena [6]2.2.6 Polarisasi
Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum [5]. Polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda [7].
Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips). Polarisasi linier (Gambar 2.4) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor me dan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu [7]. Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi: a.
Hanya ada satu komponen b. Dua komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu 180 atau kelipatannya.
Gambar 2.3 Polarisasi LinearPolarisasi melingkar (Gambar 2.5) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik (medan magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu [2]. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai polarisasi ini: a.
Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus liner.
b.
Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama. c.
Kedua komponen tersebut harus mempunyai perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil 90 .
Polarisasi melingkar dibagi menjadi dua, yaitu Left Hand Circular
Polarization (LHCP) dan Right Hand Circular Polarization (RHCP). LHCP
terjadi ketika δ=+π/2, sedangkan RHCP terjadi ketika δ=-π/2.
Gambar 2.4 Polarisasi MelingkarPolarisasi elips terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vector medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang [7]. Kondisi yang harus dipenuhi untuk menciptakan polarisasi ini adalah: a.
Medan harus mempunyai dua komponen linier orthogonal.
b.
Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau berbeda.
c.
Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama, perbedaan fasa waktu diantara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai atau kelipatan 180 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa diantara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 90 (karena akan menjadi lingkaran).
Gambar 2.5 Polarisasi Elips2.3 DGS (Defected ground Structure) dan Mutual Coupling
Defected Ground Structure (DGS) adalah salah satu teknik pengembangan
dari EBG (Electromagnetic Bandgap) untuk menekan gelombang permukaan yang sering dipakai pada antena mikrostrip. Teknik DGS dilakukan dengan cara menghilangkan (etch) sebagian bidang ground. Dengan kata lain, pada bagian ground dari antena mikrostrip dibuat slot. Ada berbagai bentuk DGS seperti bentuk spiral head, arrowhead-slot
, “H”shape slots, dumbbell, interdigital DGS, segitiga, segi empat dan masih banyak lagi yang sedang diteliti dan dibahas.
Teknik DGS ini diharapkan dapat menekan efek mutual coupling yang timbul pada antena mikrostrip. Mutual coupling adalah suatu efek gandengan yang terjadi pada antena array. Salah satu penyebabnya adalah gelombang permukaan, sebagian energi datang pada satu atau kedua elemen antena array yang dapat dihamburkan kembali ke arah berbeda seperti suatu transmiter yang baru. Hal ini menyebabkan kontribusi total ke daerah farfield tidak hanya tergantung pada eksitasi masing-masing generator (pencatu) antena tapi juga dari eksitasi yang merugikan (parasit) karena mutual coupling. Efek ini berpengaruh pada semakin meningkatnya nilai standing wave dan koefisien refleksi [2].
2.3.1 Defected Ground Struktur
DGS adalah konfigurasi yang ada periodik atau non-periodik menempati di area ground dari saluran transmisi planar (misalnya, microstrip, Coplanar dan konduktor didukung panduan gelombang coplanar) yang mengganggu pelindung distribusi arus di ground. Gangguan ini akan mengubah karakteristik transmisi baris seperti garis kapasitansi dan induktansi. Singkatnya, setiap defect/cacat yang terukir di bidang ground microstrip dapat menimbulkan peningkatan kapasitansi efektif dan induktansi.
Gambar 2.6 Unit DGS pertama: (a) Unit Dumbbell DGS, (b) Simulasi S- parameter untuk dumbbell Unit DGS.a) Struktur dan Transmisi dasar Karakteristik
Dumbbell DGS terdiri dari dua a × b zona defect/cacat bentuk persegi panjang , g × w jarak perantara yang menghubungkan ke slot sempit terukir di daerah belakang ground logam seperti ditunjukkan pada Gambar. 1 (a). Ini adalah yang pertama DGS [8]. Gambar. 1 (b) menunjukkan S-parameter dari simulasi EM dari dumbbell DGS.
Pada skripsi ini lebih lanjut akan membahas bentuk DGS segitiga sama sisi, seperti yang di tampilkan pada gambar berikut d Ground plane (lapisan 3)
Subtracte patch DGS segitiga sama sisi (lapisan 2)
Gambar 2.7 Patch mikrostrip segiempat dengan DGS segitiga samasisib) Rangkaian Setara DGS
Desain dan analisis dua tantangan untuk DGS. Pada bagian EM structure yang tersedia di simulator menjadi sumber utama untuk merancang dan menganalisa DGS. Untuk menerapkan bagian DGS yang diusulkan untuk desain sirkuit sederhana misalnya, perlu untuk mengekstrak parameter rangkaian ekuivalen. Dalam rangka memperoleh parameter rangkaian ekivalen unit DGS di pesawat referensi, S-parameter harus dihitung dengan gelombang penuh elektromagnetik (EM) -simulator untuk menjelaskan cutoff dan karakteristik bagian DGS. Sirkuit parameter untuk rangkaian ekuivalen berasal dari ekstraksi hasil simulasi yang cocok untuk satu-tiang Butterworth- prinsip operasi DGS.
c) Persamaan dengan rangkaian LC dan RLC
Rangkaian setara dengan DGS dan satu-tiang Butterworth prototipe dari LPF diberikan pada Gambar. 5. Bagian-bagian persegi panjang DGS meningkatkan panjang rute arus dan inductance.Progress efektif Dalam Electromagnetics Penelitian B, Vol. 7, 2008 179
Gambar 2.8 . Desain dan analisis metode konvensional DGS.Bagian yang dikikis di daerah ground meningkatkan nilai kapasitif yang efektif dari garis microstrip. Selanjutnya daerah DGS menghubungkan Slot sesuai dengan induktansi ekuivalen ditambahkan (L) dan kapasitansi (C), masing- masing. Oleh karena itu, resonansi terjadi pada frekuensi tertentu karena sirkuit LC paralel. Hal ini mengindikasikan bahwa rangkaian ekuivalen termasuk sepasang paralel induktor-kapasitor membentuk fenomena resonansi di S- parameter. Pada bagian DGS seri efektif Peningkatan induktansi dan meningkatnya induktansi seri menimbulkan frekuensi cutoff rendah. Ketika meningkat jarak kesenjangan terukir, yang kapasitansi efektif menurun sehingga lokasi tiang redaman bergerak naik ke frekuensi yang lebih tinggi.
Z1 Z2
L1 L2
R1 R2C1 C2
AC Ground(a)
Z (Ekuivalen DGS) Z1 Z2
L
L1 L2
C R2 R1 C1 C2 R AC Ground
(b)
Gambar 2.9 LC setara sirkuit: (a) rangkaian antena tanpa DGSSirkuit DGS, (b) rangkaian ekivalen DGS Dalam rangka untuk mencocokkan DGS ke Butterworth low-pass filter reaktansi nilai kedua sirkuit yang sama pada frekuensi cutoff. Jadi L dan C berasal sebagai berikut: di mana, ω0 adalah resonansi frekuensi sudut dari paralel LC resonator. di mana f0 dan fc adalah resonansi (pole atenuasi) dan frekuensi cutoff yang dapat diperoleh dari hasil simulasi EM. Karakteristik sebagian besar DGS mirip dengan dumbbell DGS, sehingga mereka bisa dibahas oleh satu tiang Butterworth low-pass filter juga. Selain itu, radiasi efek yang lebih atau kurang diabaikan. Unit DGS dapat dimodelkan sebagian efisien oleh R, L, dan C resonan paralel terhubung ke hak gadai transmisi di kedua sisinya seperti ditunjukkan pada Gambar. 6. perlawanan ini sesuai dengan kerugian radiasi, konduktor dan dielektrik di cacat. Dari simulasi EM atau pengukuran untuk DGS diberikan, setara nilai R, L, dan C yang diperoleh dari ekspresi dalam [10].
Gambar 10. RLC Rangkaian ekuivalen untuk unit DGS.
2.4 Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang
berbentuk persegi panjang merupakan bentuk yang paling umum
Patch
digunakan dan paling mudah untuk dianalisa. Perhitungan untuk menentukan ukuran patch persegi panjang adalah: Menentukan lebar patch (W) [8]:
1 2 2 c
(2.12)
W
1 2 fr
1 2 fr r r r
1 2 fo
2
8
dengan c adalah kecepatan cahaya di ruang bebas sebesar 3x10 m/s, f o adalah frekuensi kerja dari antena, dan adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat.
Ɛ r
Untuk menentukan panjang patch (L), diperlukan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect . Pertambahan panjang dari L (ΔL) dirumuskan dengan [8]:
W ( . 3 ) . 264 reff h
(2.13)
L . 412 h
W ( . 258 ) . reff 8 h
Dimana h merupakan tinggi substrat dan reff adalah konstanta dielektrik relative
Ɛ
yang dirumuskan [8]:
1
1
1 r r
(2.14) reff
2
2 h
1
12 W
Sehingga panjang patch (L) dapat dihitung dengan [8]:
L L eff 2 L (2.15)
Dimana L eff merupakan panjang patch efektif yang dirumuskan dengan[8]:
c
L eff2 f reff (2.16)
Hal yang mempengaruhi kerja antena selain lebar dan panjang patch peradiasi adalah lebar saluran pencatu (W ). Saluran pencatu yang digunakan
f
memiliki impedansi 50 ohm. Lebar saluran pencatu dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.17) dan (2.18) [13]:
2 h 1 ,
61
r
1 ln2 1 ln( 1 ) , 39 (2.17) W B B B f
2 r r
dimana 377
B
(2.18)
2 Z
r