Upload
dangkhuong
View
266
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
4
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
L
Fideline
Patch
h Ɛr=4.4
Substrate
Ground Plane
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
Universitas Sumatera Utara
5
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].
BW = cf
ff 12
x 100 %
Keterangan :
f1 = frekuensi terendah
f2 = frekuensi tertinggi
fc = frekuensi tengah
Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya :
Universitas Sumatera Utara
6
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
V (3)
Hubungan antara koefisien refleksi, impedansi karakteristik saluran (Zo) dan
impedansi beban/ antena (Zl) dapat ditulis :
=ol
ol
ZZ
ZZ
(4)
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 :
Universitas Sumatera Utara
7
VSWR =
1
1 (5)
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 4π kali
rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan
dengan [3] :
Universitas Sumatera Utara
8
G(θ, )= 4π
mP
U . (8)
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 :
G = 4 πm
m
P
U (9)
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
D = HPHP
00
4
(10)
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 (Pin) 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 :
e = m
r
P
P (11)
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)
Universitas Sumatera Utara
9
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
min
2Dr
(2.11)
dengan: rmin = jarak minimum pemancar dengan penerima (cm)
D = dimensi terbesar dari antena (cm)
λ = panjang gelombang (cm) Pola radiasi dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.2 Pola Radiasi Antena [6]
Universitas Sumatera Utara
10
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 1800 atau kelipatannya.
Gambar 2.3 Polarisasi Linear
Polarisasi 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.
Universitas Sumatera Utara
11
c. Kedua komponen tersebut harus mempunyai perbedaan fasa waktu pada
kelipatan ganjil 900.
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 Melingkar
Polarisasi 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
00 atau kelipatan 180
0 (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 900
(karena
akan menjadi lingkaran).
Universitas Sumatera Utara
12
Gambar 2.5 Polarisasi Elips
2.3 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].
Universitas Sumatera Utara
13
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
Universitas Sumatera Utara
14
DGS segitiga sama sisi
Ground plane (lapisan 3)
Subtracte patch (lapisan 2)
d
Gambar 2.7 Patch mikrostrip segiempat dengan DGS segitiga samasisi
b) 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
Universitas Sumatera Utara
15
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.
AC
R1L1
C1
L2
C2R2
Ground
Z1 Z2
(a)
Universitas Sumatera Utara
16
AC
R1L1
C1
L
C
R
L2
C2
R2
Ground
Z1 Z2
Z(Ekuivalen
DGS)
(b)
Gambar 2.9 LC setara sirkuit: (a) rangkaian antena tanpa DGS
Sirkuit 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
Universitas Sumatera Utara
17
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
Patch berbentuk persegi panjang merupakan bentuk yang paling umum
digunakan dan paling mudah untuk dianalisa. Perhitungan untuk menentukan
ukuran patch persegi panjang adalah:
Menentukan lebar patch (W) [8]:
2
12
1
2
21
2
2
1 0
00
rrr fo
c
frfrW
(2.12)
dengan c adalah kecepatan cahaya di ruang bebas sebesar 3x108 m/s, fo adalah
frekuensi kerja dari antena, dan Ɛr adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat.
Untuk menentukan panjang patch (L), diperlukan pertambahan panjang dari L
Universitas Sumatera Utara
18
akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (ΔL) dirumuskan
dengan [8]:
8.0)258.0(
264.0)3.0(
412.0
h
W
h
W
hL
reff
reff
(2.13)
Dimana h merupakan tinggi substrat dan Ɛreff adalah konstanta dielektrik relative
yang dirumuskan [8]:
W
h
rrreff
121
1
2
1
2
1
(2.14)
Sehingga panjang patch (L) dapat dihitung dengan [8]:
LLL eff 2 (2.15)
Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dirumuskan dengan[8]:
reff
efff
cL
02
(2.16)
Hal yang mempengaruhi kerja antena selain lebar dan panjang patch
peradiasi adalah lebar saluran pencatu (Wf). Saluran pencatu yang digunakan
memiliki impedansi 50 ohm. Lebar saluran pencatu dapat diperoleh dengan
menggunakan Persamaan (2.17) dan (2.18) [13]:
rr
rf BBB
hW
61,039,0)1ln(
2
112ln1
2
(2.17)
dimana
rZB
02
377
(2.18)
Universitas Sumatera Utara