Rancang Bangun Antena Mikrostrip Spiral Archimedean Untuk Aplikasi Ultra Wideband (UWB) Pada Daerah Pita Frekuensi UltraTinggi (UHF)

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Ultra Wideband
Ultra Wideband (UWB) adalah sistem komunikasi jarak pendek yang
mempunyai bandwidth yang sangat lebar, agar dapat dikategorikan sebagai
komunikasi UWB syarat lebar bandwidth fraksionalnya 20% dari frekuensi
tengahnya. UWB merupakan sebuah palform frekuensi radio yang dapat digunakan
oleh personal area network untuk berkomunikasi secara wireless dalam jarak pendek
namun dengan kecepatan tinggi. UWB memancarkan semburan begitu banyak RF
(radio frequency) dimana radiasinya terpancar secara wideband mentransmisikan
melalui begitu banyak frekuensi secara simultan. Hal inilah yang memungkin kan
kecepatan transfer data yang sangat tinggi [2].
UWB merupakan sistem berspektrum tersebar yang artinya data di encode
menjadi gelombang yang diksiarkan pada frekuensi berjangkauan luas. Keuntungan
dari UWB adalah kecilnya interferensi karena transmisi disebarkan melalui spektrum
radio dan tersebarnya sinyal membuat transmisi lebih sulit dihambat [2].

2.2 Antena Mikrostrip
Berdasarkan asal katanya, mikrostrip terdiri atas dua kata, yaitu micro (sangat
tipis/kecil) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip dapat didefinisikan sebagai

6

Universitas Sumatera Utara

salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk seperti bilah/potongan yang
mempunyai ukuran sangat tipis/kecil [3].
Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas
ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik. Konsep antena mikrostrip
diperkenalkan pada awal tahun 1950an di USA oleh Deschamps dan Perancis oleh
Gutton dan Baissinot, dan baru dibuat pada sekitar tahun 1970 oleh Munson dan
Howell, dan merupakan salah satu antena gelombang mikro yang digunakan sebagai
radiator pada sejumlah sistem telekomunikasi modern saat ini [3].
Beberapa kemajuan pada area penelitian ini mulai menghasilan perkembangan
antena praktis untuk pertama kalinya. Bentuk paling sederhana dalam peralatan
mikrostrip adalah berupa sisipan dua buah lapisan konduktif yang saling paralel yang
dipisahkan oleh suatu substrat dielektrik. Konduktor bagian atas adalah potongan
metal yang tipis (biasanya tembaga atau emas) yang merupakan fraksi kecil dari suatu
panjang gelombang. Konduktor bagian bawah adalah bidang pentanahan yang secara
teori bernilai tak hingga. Keduanya dipisahkan oleh sebuah substrat dielektrik yang

non magnetik. Antena mikrostrip merupakan antena yang memiliki massa ringan,
mudah untuk difabrikasi, dengan sifatnya yang konformal sehingga dapat
ditempatkan pada hampir semua jenis permukaan dan ukurannya kecil dibandingkan
dengan antena jenis lain, karena sifat yang dimilikinya, antena mikrostrip sangat
sesuai dengan kebutuhan saat ini, sehingga dapat diintegrasikan dengan peralatan
telekomunikasi lain yang berukuran kecil [3].

7

Universitas Sumatera Utara

Antena mikrostrip mempunyai struktur yang terdiri dari 3 lapisan seperti yang
diperlihatkan pada Gambar 2.1 yaitu elemen peradiasi (radiator), elemen substrat
(substrate), dan elemen pentanahan (ground) [4].

Gambar 2.1 Struktur dasar antena mikrostrip
Elemen peradiasi (radiator) atau biasa disebut sebagai patch, berfungsi untuk
meradiasi gelombang elektromagnetik dan terbuat dari lapisan logam (metal) yang
memiliki ketebalan tertentu. Jenis logam yang biasanya digunakan adalah tembaga
(copper) dengan konduktifitas 5,8 x 107 Siemens/meter. Berdasarkan bentuknya,

patch memiliki jenis yang bermacam-macam diantaranya bujur sangkar (square),
persegi panjang (rectangular), garis tipis (dipole), lingkaran, elips, segitiga, dll.
Gambar 2.2 memperlihatkan beberapa jenis patch dari antena mikrostrip [5].

Gambar 2.2 Beberapa bentuk patch antena mikrostrip
8

Universitas Sumatera Utara

Bentuk patch bujur sangkar, persegi panjang, garis tipis, dan lingkaran adalah
yang paling umum digunakan karena mudah untuk dibuat dan dianalisa, dan memiliki
karakteristik radiasi yang menarik, serta memiliki tingkat radiasi polarisasi silang
yang kecil [5].
Elemen substrat (substrate) berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena
mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan. Elemen ini
memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai konstanta
dielektrik (εr) dan ketebalannya (h). Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi
kerja, bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat. Terdapat berbagai
jenis substrat yang dapat digunakan dalam perancangan antena mikrostrip dan
biasanya yang memiliki rentang konstanta dielektrik 2,2 ≤ єr ≤ 12 . Substrat yang

paling baik digunakan untuk menghasilkan performa antena yang baik adalah substrat
yang tebal dan memiliki konstanta dielektrik yang kecil, karena akan menghasilkan
efisiensi yang baik dan bandwidth yang besar [5].
Sedangkan elemen pentanahan (ground) berfungsi sebagai pembumian bagi
sistem antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan
yang sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga [5].

2.3 Parameter Antena
Beberapa parameter antena yang perlu diperhatikan dalam merancang antena
adalah sebagai:

9

Universitas Sumatera Utara

1. Return Loss
Return loss (RL) adalah kehilangan sejumlah daya yang dipantulkan kembali
ke sumber diakibatkan karena gangguan transmisi atau rangkian yang tidak matching.
Parameter ini memilki hubungan dengan daya sinyal yang dipantulkan pada
sambungan sistem transmisi. Sambungan dapat menyebabkan ketidaksesuaian antara

sistem dengan perangkat yang dihubungkan. Parameter ini umumnya dinyatakan
sebagai perbandingan dalam satuan desibel (dB) dalam tanda negatif. Nilai RL harus
sekecil mungkin, jika dalam dB berarti harus bernilai negatif sebesar mungkin.
Hubungan return loss (RL) dengan daya yang dipantulkan (Pr) dan daya yang datang
(Pi) dapat dilihat pada Persamaan 2.1 [6].

RL(dB) = 10 log 10

Pr
Pi

(2.1)

RL memilki hubungan dengan standing wave ratio (SWR) dan koefisien
refleksi. Peningkatan RL menyebabkan menurunnya nilai SWR. Dalam aplikasi
modern, RL digunakan sebagai acuan untuk SWR karena mempunyai resolusi yang
lebih baik untuk nilai kecil dari sinyal yang dipantulkan. RL dapat dinyatakan sebagai
negatif dari magnitud koefisien refleksi ( Γ ). Daya yang dinyatakan dalam RL dapat
dinyatakan sebagai kuadrat dari tegangan yang dinyatakan koefisien refleksi.
Hubungan koefisien refleksi dengan RL dapat dilihat pada Persamaan 2.1 dan 2.3 [6].

Γ=

Vr
Vi

(2.2)

10

Universitas Sumatera Utara

RL(dB) = −20 log10 | Γ |

(2.3)

2. Standing Wave Ratio (SWR)
SWR dapat dinyatakan dalam Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) atau
Power Standing Wave Ratio (PSWR). Tegangan memilki hubungan dengan daya
dimana daya merupakan kuadrat tegangan. Umumnya yang banyak digunakan dalam

aplikasi adalah VSWR [6].
Tegangan yang timbul akibat adanya ketidaksesuaian impedansi disebabkan
pengaruh dari tegangan yang datang dan tegangan yang dipantulkan. Dibeberapa
bagian kedua gelombang tersebut saling mengganggu. VSWR merupakan
perbandingan dari nilai maksimum (Vmax) dengan nilai minimum (Vmin) yang
terbentuk dari kedua gelombang tersebut. Dalam persamaan matematisnya dapat
dilihat pada Persamaan 2.4 [6].

VSWR =

Vmax 1+ | Γ |
=
Vmin 1− | Γ |

(2.4)

Rentang nilai koefisien refleksi adalah -1 hingga 1. Dalam hubungannya
dengan VSWR rentangnya menjadi 0 hingga 1, sehingga rentang nilai VSWR lebih
besar sama dengan 1. VSWR juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan dari
amplitudo maksimum terhadap amplitudo minimum dari kuat medan elektrik

(Emax/Emin) [6].

11

Universitas Sumatera Utara

3. Impedansi Input
Impedansi input didefenisikan sebagai impedansi yang dihasilkan pada antena
pada terminal atau perbandingan antara tegangan dan arus pada pasangan terminal
atau rasio yang sesuai dari komponen medan listrik dan komponen medan magnetic
pada suatu titik. Impedansi antena (ZA) terdiri dari komponen real (RA) dan
komponen imajiner (XA) seperti terlihat pada Persamaan 2.5 [6].
ZA = RA + XA

(2.5)

Komponen real terdiri dari impedansi antena merupakan komponen
resistif sedangkan komponen imajiner merupakan komponen reaktif. Impedansi
antena merupakan fungsi dari komponen frekuensi. Nilainya bergantung pada
frekuensi kerja antena. Frekuensi resonansi terjadi ketika komponen reaktif saling

meniadakan. Nilai impedansi mempengaruhi kesesuaian impedeansi antara antena
dengan saluran yang digunakan. Komponen reaktif terdiri dari komponen induktansi
yang bernilai positif dan komponen kapasitansi yang bernilai negatif [6].
4. Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefenisikan sebagai selisih batas frekuensi dalam
kinerja suatu perangkat, berhubungan dengan karakteristiknya dalam batas tertentu.
Umumnya yang digunakan adalah karakteristik nilai RL dari antena. Perhitungan
bandwidth dapat dilihat pada Persamaan 2.6 [6].

Bandwidth =

fu − fl
x100%
fc

(2.6)
12

Universitas Sumatera Utara

Dimana fu merupakan frekuensi tertinggi, fi adalah frekuensi terendah dan fc
merupakan frekuensi tengah. Standar bandwidth yang banyak digunakan adalah nilai
RL di bawah -10 dB. Hal tersebut menunjukkan daya sinyal yang diterima atau
dipancarkan antena mencapai 90% dari daya yang datang [6].

2.4 Antena Spiral Archimedean

Struktur antena spiral archimedean bertujuan untuk mendapatkan broadband
yang stabil. Pada penelitian lebih lanjut membuktikan bahwa spiral archimedean
bukan merupakan suatu struktur antena yang bebas frekuensi karena jarak diantara
kedua lengannya adalah konstan dan bukan merupakan suatu sudut [7].
Secara umum spiral archimedean menggunakan feed yang seimbang pada
pusat permukaan spiral dan daerah radiasi utama difokuskan pada rata-rata lingkar
dari suatu rentang panjang gelombang dan juga diketahui sebagai zona radiasi efektif.
Ketika frekuensi berubah maka zona radiasinya juga berubah tetapi pola dasarnya
tidak berubah. Bahkan ketika zona radiasi efektif berada pada daerah terluar
sementara frekuensinya berada pada frekuensi pengeoperasian terkecil [8].
Pada setiap lengan dari antena Spiral Archimedean secara linear sepadan
dengan sudut φ dan dijelaskan hubungannya pada Persamaan 2.7 [9].
r = ro φ + r1 dan r = ro ( φ -π) + r1

(2.7)

dimana

r1

adalah jari-jari sebelah dalam dari spiral. Kesepadanan yang konstan ini ditentukan
dari lebar setiap lengan w dan jarak antara setiap putaran s, dimana keseimbangan
spiralnya ditunjukkan pada Gambar 2.3.
13

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.3 Geometri antena spiral archimedean
Persamaan lengan spiralnya terdapat pada Persamaan 2.8 [9].

ro =

s+w

π

=

2w

(2.8)

π

Lebar bidang setiap lengan dapat dicari dari Persamaan 2.9 [9].

s=

r2 − r1
−w=w
2N

(2.9)

dengan mengasumsikan bahwa Persamaan 2.9 sebagai keseimbangan spiralnya maka
jarak atau lebar dapat ditulis pada Persamaan 2.10 [9].

14

Universitas Sumatera Utara

r2 − r1
4N

s=w=

(2.10)

dimana r2 adalah radius terluar spiral dan N adalah jumlah putaran. Persamaan di atas
digunakan untuk menghitung dua lengan spiral archimedean, tetapi dalam beberapa
permasalahan empat lengan spiral lebar lengannya menjadi [9]:

w4− arm =

r2 − r1
8N

(2.11)

dan

ro , 4−arm =

4w

(2.12)

π

Titik operasi frekuensi rendah spiral ditentukan secara teori oleh radius terluar
dan itu ditentukan oleh Persamaan 2.13 [9].

f low =

c
2πr2

(2.13)

dimana c adalah kecepatan cahaya. Dengan cara yang sama titik operasi frekuensi
tinggi didasarkan pada radius terdalam yang diberikan oleh Persamaan 2.14 [9].

f high =

c
2πr1

(2.14)

Pada prakteknya, titik frekuensi rendah akan lebih besar dari pada hasil
perhitungan Persamaan 2.13 karena refleksi dari akhir spiral. Refleksi bisa diperkecil
15

Universitas Sumatera Utara

dengan menggunakan hambatan pada akhir setiap lengan atau denagn cara
penambahan rugi konduktifitas pada beberapa bagian luar putaran setiap lengan.
Batas frekuensi tinggi memungkinkan lebih kecil dari hasil yang didapat dari
Persamaan 2.14 karena dampak dari daerah feed spiral [9].

2.5 Aplikasi-aplikasi Telekomunikasi pada Level UHF
Terdapat beberapa aplikasi pada level UHF yaitu pendeteksian partial
discharge, televisi, GPS, CDMA, GSM, WiMAX, WiFi dan high frequency detector
(HFD).
Partial discharge (PD) merupakan local breakdown yang terjadi pada isolasi
tegangan tinggi. Isolasi sulfur hexafluoride (SF6) pada gas insulation substation
(GIS) memiliki karakteristik pulsa dengan waktu naik (rise time) dalam orde nano
hingga piko detik. Hal ini meyebabkan gelombang elektromagnetik yang dihasilkan
dalam rentang UHF yaitu 300MHz – 3GHz. PD menghasilkan pulsa arus dalam orde
nanodetik. Terbentuknya pulsa diikuti dengan perubahan medan listrik. Jika
perubahan ini terjadi secara kontinu maka akan terbentuk gelombang elektromagnetik
yang merambat ke segala arah. Perambatan gelombang elektromagnetik sangat
dipengaruhi oleh media rambat dan bentuk geometri lingkungan sekitar [6].
PD menghasilkan pulsa arus dalam orde nanodetik. Terbentuknya pulsa arus
diikuti dengan perubahan medan listrik. Jika perubahan ini terjadi secara kontinu
maka akan terbentuk gelombang elektromagnetik yang merambat ke segala arah.
Perambatan (propagasi) gelombang elektromagnetik sangat dipengaruhi oleh media
16

Universitas Sumatera Utara

rambat dan bentuk geometri lingkungan sekitar. Pada GIS propagasi gelombang
elektromagnetik dapat dimodelkan seperti kabel koaksial. Pada Gambar 2.4 dapat
dilihat skema gelombang elektromagnetik pada GIS [6].

Gambar 2.4 Gelombang Elektromagnetik pada GIS
Gelombang elektromagnetik yang dihasilkan PD pada GIS normalnya terjadi
pada pecahan kecil dari jarak antara dua konduktor. Pada eksperimen yang telah
banyak dilakukan menggunakan jarum yang diletakan pada konduktor GIS. Pulsa PD
yang dihasilkan dapat menyebabkan timbulnya gelombang elektromagnetik. Bentuk
pulsa arus i(t) pada sumber PD sangat penting untuk menentukan karakteristik dari
sinyal UHF. Cacat yang terjadi pada isolasi atau konduktor pada GIS mempengaruhi
bentuk dari pulsa arus tersebut. Energi yang diradiasikan dalam rentang UHF sangat
bergantung pada laju dari perubahan arus PD. dapat disimpulkan untuk bentuk pulsa
yang didapatkan amplitudo sinyal UHF memiliki hubungan linear terhadap arus yang
mengalir pada sumber PD [6].
Untuk kerusakan kecil, ampiltudo sinyal proposional dengan hasil dari
perkalian muatan yang terkandung pada sumber PD dengan jarak muatan tersebut

17

Universitas Sumatera Utara

mengalir ketika bentuk pulsa tetap. Posisi dari sumber PD juga mempengaruhi sinyal
UHF yang dihasilkan. Hal ini disebabkan koefisien kopling dari jalur gelombang
yang berbeda untuk setiap bagian dari GIS [6].
Televisi adalah alat pengangkap siaran bergambar. Kata televisi berasal dari
kata tele dan vision yang mempunyai arti masing-masing jauh dan tampak. Saluran
televisi menggunakan frekuensi 700 MHz [10].
GPS atau global positioning system merupakan sistem radio navigasi dan
penentuan posisi dengan menggunakan satelit yang dimiliki dan dikelola oleh
Departemen Pertahanan dan Keamanan Amerika Serikat. GPS menggunakan
frekuensi 1,5 GHz dan terdapat di setiap permukaan bumi. Setiap titik dipermukaan
bumi akan dicakup oleh minimal 3 satelit [11].
GSM (global system for mobile) dan CDMA (code division multiple access)
merupakan teknologi telekomunikasi di bidang seluler. Frekuensi GSM berada pada
pita 900 dan 1800 MHz dan CDMA berada pada pita frekuensi 800 dan 1900 MHz
sehingga masih dalam cakupan frekuensi UHF [12,13].
WiMAX oleh WiMAX forum didefenisikan sebagai standar teknologi yang
memungkinkan akses broadband wireless last mile sebagai alternatif broadband
kabel dan DSL. Berdasarkan panduan penataan frekuensi radio yang dikeluarkan oleh
Ditjen Pos dan Telekomunikasi Depkominfo selaku regulator, WiMAX di Indonesia
dialokasikan pada frekuensi 2,3 GHz yaitu diantara frekuensi 2300 – 2390 MHz [14].
WiFi merupakan singkatan dari wireless fidelity yaitu sekumpulan standar
yang digunakan untuk jaringan lokal nirkabel (wireless local area network) Di

18

Universitas Sumatera Utara

Indonesia standar ini didasari pada spesifikasi IEEE 802.11. Standar IEEE 802.11
sendiri memilki 2 macam frekuensi range yaitu 5 GHz dan 2,4 GHz [15].

Bluetooth adalah sebuah teknologi komunikasi wireless (tanpa kabel) yang
beroperasi dalam pita frekuensi 2,4 GHz unlicensed ISM (Industrial, Scientific and
Medical) dengan menggunakan sebuah frequency hopping tranceiver yang mampu
menyediakan layanan komunikasi data dan suara secara real-time antara host-host
bluetooth dengan jarak jangkauan layanan yang terbatas [16].
HFD adalah perangkat yang berfungsi untuk memantau dan mengambil
sampel daya frekuensi radio pada rangkaian atau perangkat yang menghasilkan
medan elektromagnetik. Penggunaan HFD sendiri sangat penting dalam mengukur
sinyal radio frekuensi karena sinyal radio frekuensi merupakan faktor utama dalam
sistem telekomunikasi [17].

19

Universitas Sumatera Utara