Studi Perancangan Antena Mikrostrip Dipole Dual-Band Frekuensi 2,3 GHz dan 3,3 GHz Untuk Aplikasi Broadband Wireless Access

BAB II
ANTENA MIKROSTRIP

2.1 Pengertian Antena
Antena merupakan elemen penting yang terdapat dalam sistem
telekomunikasi tanpa kabel (wireless). Pemilihan antena yang tepat, perancangan
yang baik dan pemasangan yang benar menjamin kinerja (performansi) sistem
tersebut.
Antena

adalah sebuah komponen yang dirancang untuk dapat

memancarkan dan atau menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai
alat pemancar (transmitting antenna) adalah sebuah transduser (pengubah)
elektromagnetis, yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam
saluran transmisi menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, dan sebagai
alat penerima (receiving antenna) mengubah gelombang ruang bebas menjadi
gelombang tertuntun, seperti diilustrasikan pada Gambar 2.1 [1].

gelombang
ruang bebas

gelombang
ruang bebas

gelombang
tertuntun

gelombang
tertuntun

Gambar 2.1 Peran Antena Dalam Sistem Komunikasi Wireless

5
Universitas Sumatera Utara

2.2 Antena Mikrostrip
Salah satu jenis antena yang banyak digunakan saat ini adalah antena
mikrostrip. Hal ini dikarenakan bentuk dan ukuran yang kecil serta massa yang
ringan sehingga cocok dengan perangkat telekomunikasi khususnya pada
perangkat mobile yang mempertimbangkan massa dan ukuran.

2.2.1 Pengertian Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu micro
(sangat tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat
didefenisikan sebagai antena yang berbentuk potongan atau bilah dengan ukuran
yang sangat kecil [2].
`

Seperti terlihat pada Gambar 2.2 [3], secara umum antena mikrostrip

terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu :
a. Patch
Patch merupakan lapisan konduktor yang berfungsi untuk meradiasikan
gelombang elektromagnetik.
b. Substrate
Sebagai bahan dielektrik yang membatasi elemen peradiasi (patch) dengan
elemen pentanahan (ground plane).
c. Ground Plane
Ground plane berfungsi sebagai pembumian bagi sistem antena mikrostrip.

6

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Antena Mikrostrip
2.2.2 Jenis-jenis Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip dikenal dalam beberapa bentuk sesuai dengan bentuk
patch-nya. Seperti terlihat pada Gambar 2.3 [3], bentuk-bentuk patch antena
mikrostrip antara lain:
a.

Antena mikrostrip patch persegi (square)

b.

Antena mikrostrip patch persegi panjang (rectangular)

c.

Antena mikrostrip patch dipole

d.

Antena mikrostrip patch lingkaran (circular)

e.

Antena mikrostrip patch elips (eliptical)

f.

Antena mikrostrip patch segitiga (triangular)

g.

Antena mikrostrip patch circular ring

Gambar 2.3 Bentuk-bentuk Patch Antena Mikrostrip [3]

7
Universitas Sumatera Utara

2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip mengalami kenaikan popularitas dikarenakan memiliki
beberapa keuntungan, diantaranya [4]:
a.

Dimensi antena yang kecil.

b.

Massa yang ringan

c.

Mudah dan murah dalam pembuatannya.

d.

Dapat bekerja dalam multi-frequency.

e.

Dapat langsung diintegrasikan pada Microwave Integrated Circuit (MIC) .

Namun demikian, antena mikrostrip juga memiliki kekurangan seperti [4]:
a. Gain yang rendah.
b. Bandwidth yang sempit.
c. Kemampuan dalam menangani daya (power) yang rendah.
d. Terdapat efek radiasi tambahan dari pencatu yang dapat mengganggu.
2.2.4 Teknik Pencatuan
Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dapat dibagi dua,
yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak
langsung (electromagnetic coupling). Teknik pencatuan langsung sering
digunakan karena sangat sederhana dalam pencatuan. Tetapi disamping itu ada
beberapa kekurangan yang terdapat pada teknik pencatuan ini, yaitu bandwidth
yang sempit dan rumit untuk diaplikasikan pada array mikrostrip [2].
Oleh karena kekurangan ini maka dalam perkembangan selanjutnya
dikenal pencatuan tidak langsung (electromagnetic coupling). Keuntungannya
adalah dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi efek buruk akibat
penyolderan [2].

8
Universitas Sumatera Utara

Beberapa teknik pencatuan pada antena mikrostrip yaitu: coaxial probe,
microstip line, aperture coupled, dan proximity coupled seperti diperlihatkan pada
Gambar 2.4 [3].

(a) Microstrip line feed

(b) Probe feed

Gambar 2.4 Jenis-jenis Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip

(c) Aperture-coupled feed
feed

(d) Proximity-coupled

2.3 Antena Mikrostrip Dipole
Antena mikrostrip dipole adalah elemen planar yang terdiri dari sepasang

bilah konduktor tipis yang terdapat pada permukaan dielektrik [5]. Mikrostrip
dipole memiliki bentuk yang menyerupai mikrostrip patch, hanya saja ada sedikit
perbedaan pada rasio panjang dan lebarnya, seperti diperlihatkan pada
Gambar 2.5 [4].
Antena mikrostrip persegi panjang dapat diklasifikasikan ke dalam dua
kategori utama yang bergantung pada rasio panjang dan lebar masing-masing.

9
Universitas Sumatera Utara

Sebuah antenna persegi panjang dengan bidang yang sempit (lebar bidang
biasanya kurang dari 0,05 λ0) dinamakan mikrostrip dipole, sedangkan antenna
persegi panjang yang bidangnya lebih luas dinamakan mikrostrip patch [4].

Gambar 2.5 Antena Mikrostrip Dipole
Dibandingkan dengan mikrostrip patch, mikrostrip dipole memiliki
beberapa kelebihan, yaitu ukurannya yang lebih kecil dan bandwidth yang lebih
lebar [4].
2.4 Parameter Umum Antena Mikrostrip
Performansi dari suatu antena sangat ditntukan oleh parameterparameternya. Terdapat banyak jenis parameter dari suatu antena. Berikut akan

dijelaskan beberapa parameter tersebut.
2.4.1 Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai besar rentang frekuensi
kerja dari suatu antena yang berhubungan dengan

beberapa karakteristik

diantaranya impedansi input, pola radiasi, dan polarisasi yang memenuhi
standar [2].
Nilai bandwidth dapat diketahui dari nilai frekuensi bawah dan frekuensi
atas dari suatu antena telah diketahui sebelumnya. Frekuensi bawah adalah nilai
frekuensi terendah dari frekuensi kerja antena, sedangkan frekuensi atas

10
Universitas Sumatera Utara

merupakan nilai frekuensi tertinggi dari frekuensi kerja antena. Untuk mencari
bandwidth dari suatu antena dapat menggunakan persamaan (2.1) dan (2.2)
berikut [6]:

BW 

fc 

f h  fl
fc

fh  fl
2

100%

 100%

(2.1)

(2.2)

dimana:
fh = frekuensi atas (Hz)

fl = frekuensi bawah (Hz)
fc = frekuensi tengah (Hz)
Bandwidth dalam persen disebut juga dengan Fractional Bandwidth
(FBW) yang mengukur seberapa lebar band yang dapat dicapai oleh antena. Nilai
dari fractional bandwidth bervariasi antara 0 sampai 2 atau dalam persen antara
0% sampai 200%. Antena yang memiliki FBW sebesar 20% atau lebih disebut
dengan antena wideband, sedangkan antena yang memiliki FBW lebih dari 50%
disebut dengan antena ultra-wideband [6].
2.4.2 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri
(standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran
transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang
dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Pebandingan tegangan

11
Universitas Sumatera Utara

yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi
tegangan (Γ) pada persamaan (2.3) [3]:



v0
v0






ZL  Z0
ZL  Z0

(2.3)

Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah inpedansi saluran.

Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah persamaan (2.4) [3]:

VSWR 

V
V

max
min



1 
1 

(2.4)

Kondisi yang paling baik adalah ketika nilai VSWR sama dengan satu,
yang berarti tidak ada refleksi atau saluran dalam keadaan matching sempurna,
tetapi pada prakteknya sangat sulit untuk diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar
VSWR yang diizinkan dalam perancangan antena adalah maksimal 2.
2.4.3 Return Loss
Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang
direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat
terjadi karena adanya diskontinuitas (mismatched) di antara saluran transmisi
dengan impedansi masukan beban (antena) [3]. Return loss dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan (2.5) [3]:

RL (dB)  20 log 10 

(2.5)

12
Universitas Sumatera Utara

Frekuensi kerja dari antena yang baik adalah ketika return loss
bernilai ≤ 10 dB sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan
tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang ditransmisikan, atau
dengan kata lain saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi
salah satu acuan dalam melihat apakah suatu antena sudah dapat bekerja pada
frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.4.4 Pola Radiasi
Pola radiasi adalah fungsi matematika atau representasi grafik dari sifat
radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang [3]. Sifat radiasi tersebut meliputi
kerapatan fluks, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Biasanya sifat dari
radius yang sangat dipentingkan adalah persebaran secara tiga dimensi atau dua
dimensi dari energi yang diradiasikan antena. Berikut merupakan contoh dari pola
radiasi:
a.

Pola Isotropic, merupakan antena yang memiliki radiasi sama besar ke
segala arah.

b.

Pola Directional, merupakan antena yang memiliki pola radiasi yang lebih
efektif pada arah-arah tertentu saja.

c.

Pola Omnidirectional, merupakan antena yang memiliki pola radiasi yang
sama hanya pada bidang tertentu.

13
Universitas Sumatera Utara

Main
lobe

Side lobe

Gambar 2.6 Pola Radiasi Antena
Gambar 2.6 [3] merupakan presentasi bagian-bagian dari pola radiasi yang
ditunjukkan sebagai lobe-lobe. Lobe-lobe tersebut dapat diklasifikasikan menjadi
main (utama), side (samping), dan back (belakang).
a.

Main lobe, adalah lobe yang merupakan arah radiasi maksium.

b.

Side lobe, adalah lobe-lobe selain main lobe.

c.

Back lobe, adalah lobe yang arahnya berlawanan 180o dengan main lobe.
Side lobe dan back lobe merupakan minor lobe yang keberadaannya tidak
diharapkan.

2.4.5 Direktivitas
Direktivitas antena merupakan parameter yang menunjukkan kemampuan
antena untuk memfokuskan energi pada arah tertentu dibandingkan ke arah yang
lain. Direktivitas sebuah antena merupakan perbandingan intensitas radiasi sebuah
antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah.
Intensitas radiasi rata-rata senilai dengan total daya yang diradiasikan oleh antena

14
Universitas Sumatera Utara

dibagi dengan 4π. Secara metematis untuk mendapatkan nilai direktivitas sebuah
antena dapat ditentukan dengan persamaan (2.6) [3]:

D

4U
U

U0
Prad

(2.6)

2.4.6. Gain
Gain adalah rasio antara intensitas radiasi suatu antena pada arah tertentu
dengan intensitas radiasi dari antena isotropik yang senilai dengan daya masukan
yang sama dibagi 4π. Secara matematis, gain dapat dituliskan dengan
Persamaan (2.7) [3]:

G

Intensitas radiasi pada arah tertentu
U ( ,  )
 4
Intensitas radiasi isotropik
Pin

(2.7)

Gain dari suatu antena terkait dengan direktivitas dan efisiensinya.
Hubungan antara gain dengan direktivitas adalah seperti pada persamaan (2.8) [7]:
G  kD

(2.8)

dimana k adalah efisiensi dan D adalah direktivitas.
Terdapat dua jenis gain, yaitu:
a.

Absolute gain
Didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas radiasi yang diterima
antara suatu antena terhadap antena pembanding dengan input daya yang
sama. Antena pembanding pada absolute gain berupa antena isotropik.

15
Universitas Sumatera Utara

b.

Relative gain
Didefenisikan sebagai perbandingan antara intensitas radiasi yang diterima
antara suatu antena terhadap antena pembanding dengan input daya yang
sama. Antena pembanding pada relative gain biasanya berupa antena dipole
½ λ.

2.4.7 Impedansi Masukan
Impedansi masukan adalah inpedansi yang direpresentasikan oleh antena
pada terminalnya. Impedansi masukan biasanya dipengaruhi oleh antena lain atau
objek yang ada di sekitarnya, tetapi pada umumnya sebuah antena diasumsikan
sudah terisolasi. Impedansi masukan antena terdiri dari bagian riil dan imajiner,
yang dapat dinyatakan dengan persamaan (2.9) [3]:

Z A  RA  jX A 

(2.9)

Resistansi input (RA) menyatakan tahanan disipasi. Reaktansi input (X A)
menyatakan daya yang tersimpan pada medan dekat antena. Dari persamaan ZA,
daya real (RA) yang menggambarkan banyaknya daya yang hilang melalui radiasi
ataupun panas. Sedangkan komponen imajiner (XA) mewakili reaktansi dari
antena dan daya yang tersimpan pada antena.
2.5 Dimensi Antena Mikrostrip Dipole
Dalam perancangan antena mikrostrip dipole, terlebih dahulu harus
dihitung dimensi antena yang akan dibuat, khususnya panjang dari lengan dipole
tersebut. Untuk memperoleh dimensi antena mikrostrip dipole, harus diketahui

16
Universitas Sumatera Utara

parameter-parameter dari bahan yang akan digunakan, yaitu tebal dielektrik (h),
dan konstanta dielektrik ( r).
Untuk menghitung panjang dari lengan mikrostrip dipole, terlebih dahulu
harus dihitung konstanta dielektrik efektif (

eff)

dari mikrostrip menggunakan

persamaan (2.10) berikut [8]:

 eff



 r 1  r 1
1



2
2
d
 1  12
W









(2.10)

dimana:
r

= konstanta dielektrik

d = tebal dielektrik (mm)
W = lebar lengan dipole (mm)
Sehingga diperoleh panjang total dari lengan mikrostrip dipole menggunakan
persamaan (2.11) dan (2.12) berikut [8]:



L

c
f  eff



(2.11)

(2.12)

2

dimana:
λ = panjang gelombang (m)
c = kecepatan cahaya
f = frekuensi resonansi (Hz)
L = panjang total lengan dipole (m)

17
Universitas Sumatera Utara

Selain panjang lengan mikrostrip dipole, hal lain yang perlu dilakukan
perhitungan adalah lebar saluran pencatu (Wf). Saluran pencatu yang digunakan
dalam perancangan memiliki impedansi 50 Ω. Lebar saluran pencatu dapat
diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.13) dan (2.14)[9].
Wf 

2h



{ B  1  ln (2 B  1) 

r 1
0,61
[ ln ( B  1)  0,39 
]}
r
2 r

(2.13)

dimana :

B

377 
2 Z0

r

(2.14)

2.6 Antena Mikrostrip Dual-band
Frekuensi ganda atau disebut juga dengan dual-band antena mikrostrip
merupakan suatu jenis anrena mikrostrip yang dapat bekerja pada dua buah
frekuensi yang berbeda satu dengan lainnya tanpa memerlukan dua buah antena
yang berbeda secara fisik.
Terdapat tiga jenis teknik untuk mendapatkan antena dengan dua frekuensi
resonansi yang berbeda, yaitu [10]:
a.

Orthogonal mode dual-frequency patch antennas

b.

Multi-patch dual-frequency antennas

c.

Reactively-loaded dual-frequency patch antennas
Orthogonal mode dual frequency patch antennas adalah satu jenis antena

mikrostrip yang dicatu oleh dua mode dominan yang orthogonal satu dengan
lainnya. Sedangkan multi patch dual frequency antennas adalah satu jenis antena
mikrostrip yang mempergunakan lebih dari satu elemen antena dimana masingmasing elemen mempunyai frekuensi resonansi yang berbeda. Adapun jenis yang

18
Universitas Sumatera Utara

ketiga adalah reactively loaded dual frequency patch antenna, yaitu satu jenis
antena mikrostrip yang diberi beban reaktif (reactive load) tambahan sehingga
secara keseluruhan antena tersebut akan beresonansi pada dua frekuensi yang
berbeda. Gambar 2.7 menunjukkan metode-metode untuk memperoleh antena
mikrostrip dual-band.

probe

slot

coaxial

microstrip

inset

spur-line

pins

capacitors

Stubs

Single-point
slots

EMC

Dual-point

Notches

probe

slot

Pins and
capacitor

Stacked
dipoles

cross-subarray

Slots and pins

Co-planar

slots

Slot

Gambar 2.7 Teknik Mendapatkan Antena Mikrostrip Dual-band
2.7 Regulasi Mengenai Broadband Wireless Access (BWA)
Secara umum, Broadband Wireless Access (BWA) / Wireless Broadband
dideskripsikan sebagai komunikasi data yang memiliki kecepatan tinggi, kapasitas
tinggi dengan media wireless. Definisi rentang kecepatan layanan broadband
bervariasi dari 200 Kbps s/d 100 Mbps. Mengacu pada Peraturan Menkominfo
Nomor: 07/PER/M.KOMINFO/01/2009 tentang Penataan Pita Frekuensi Radio
Untuk Keperluan Layanan Pita Lebar Nirkabel (Wireless Broadband), layanan
pita lebar nirkabel (wireless broadband) adalah layanan telekomunikasi nirkabel
yang kecepatan transmisi datanya sekurangkurangnya 256 kbps [11].
Mengingat frekuensi wireless broadband merupakan frekuensi yang
strategis dan fundamental, maka diperlukan penataan dalam hal penggunaannya

19
Universitas Sumatera Utara

yang

diatur

dalam

Peraturan

Menkominfo

Nomor:

07/PER/M.KOMINFO/01/2009 tentang Penataan Pita Frekuensi Radio Untuk
Keperluan Layanan Pita Lebar Nirkabel (Wireless Broadband). Dalam Peraturan
Menteri tersebut, penataan Pita Frekuensi Radio Untuk Keperluan Layanan Pita
Lebar Nirkabel (Wireless Broadband) telah ditetapkan pita frekuensi 300 MHz,
1.5 GHz, 2 GHz, 2.3 GHz, 3.3 GHz dan 10.5 GHz. Izin penggunaan frekuensi
tersebut berdasarkan izin pita frekuensi radio. Sedangkan untuk pita frekuensi 2.4
GHz dan 5.8 GHz, izin penggunaan frekuensinya berdasarkan izin kelas [11].
Berdasarkan White Paper “Penataan Frekuensi Radio Layanan Akses Pita
Lebar Berbasis Nirkabel” yang dikeluarkan oleh Ditjen Postel pada tahun 2006,
rentang

pita

frekuensi

radio

untuk

keperluan

layanan

BWA

adalah

sebagai berikut:
a.

Pita frekuensi radio 300 MHz memiliki rentang frekuensi 287 - 294 MHz
dan 310 - 324 MHz.

b.

Pita frekuensi radio 1.5 GHz memiliki rentang frekuensi 1428 - 1452 MHz
dan 1498 - 1522 MHz.

c.

Pita frekuensi radio 2 GHz memiliki rentang frekuensi 2053 - 2083 MHz.

d.

Pita frekuensi radio 2.3 GHz memiliki rentang frekuensi 2300 – 2390 MHz.

e.

Pita frekuensi radio 3.3 GHz memiliki rentang frekuensi 3300 - 3400 MHz.

f.

Pita frekuensi radio 5.8 GHz memiliki rentang frekuensi 5725 - 5825 MHz.

g.

Pita frekuensi radio 10.5 GHz memiliki rentang frekuensi 10150 10300 MHz berpasangan dengan 10500 - 10650 MHz.

20
Universitas Sumatera Utara

2.8 Software Simulator Strutur Frekuensi Tinggi

Simulator Strutur Frekuensi Tinggi adalah suatu simulator medan
elektromagnetika untuk pemodelan tiga dimensi perangkat pasif berstruktur
frekuensi tinggi yang memiliki kelebihan sangat mudah dan interaktif digunakan
pada sistem operasi microsoft windows grafical user interface. Dalam
simulatornya terintegrasi visualisasi, pemodelan volumetrik dan kemudahan
dalam interaktif dimana solusi permasalahan pemodelan tiga dimensi diperoleh
dengan cepat dan akurat. Simulator Strutur Frekuensi Tinggi dapat digunakan
untuk mengkalkulasi beberapa parameter diantaranya parameter S, frekuensi
resonan dan medan elektromagnetika.
Simulator Strutur Frekuensi Tinggi menggunakan Finite Element Methode
(FEM) untuk simulator gelombang elektromagnetik. Untuk aplikasi antena secara
umum, FEM bisa memodelkan problem yang memiliki dielektrika yang beranekaragam. FEM mendiskritisasikan volume yang dimilikinya ke dalam volume yang
kecil-kecil, biasanya digunakan tetrahedral. Setiap tetrahedral yang kecil ini dapat
terdiri dari material yang berbeda-beda, tanpa memperkompleks problema yang
harus disolusikan. Matriks yang terbentuk dengan FEM biasanya juga hanya terisi
sedikit (disebut juga sparse matrix), yang relatif lebih efisien untuk diinversikan.
FEM adalah metode yang bekerja pada problem tertutup. Sehingga untuk
aplikasi antena, haruslah digunakan batasan fiktif, yang berfungsi untuk menutup
ruangan yang akan diamati dan didiskritisasi. Permukaan penutup wilayah ini
adalah bidang yang berbentuk lapisan-lapisan yang mampu menyerap gelombang.

21
Universitas Sumatera Utara