BAB II Tinjauan Teoritis

BAB II Tinjauan Teoritis

BAB II

Tinjauan Teoritis

2.1

Antena Mikrostrip

Karakteristik Dasar 2.1.1

Antena mikrostrip terdiri dari suatu lapisan logam yang sangat tipis ( t <<

λ0 , dimana λ0 merupakan panjang gelombang di udara ) dan biasa disebut patch. Patch tersebut diletakan di atas ground plane dengan jarak h << λ0 (0.003 λ0 ≤ h ≤

0.05 λ0). Patch dan ground plane dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik yang disebut substrat [3].

a) Tampak atas

b) Tampak samping

Gambar 1. Konstruksi Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip memiliki beberapa keunggulan bila dibandingkan dengan antena konvensional lainnya [5]. Keunggulan – keunggulan dari antena mikrostrip diantaranya : 1. Ringan dan memiliki penampang yang tipis 2. Biaya pabrikasi yang murah karena menggunakan PCB 3. Dapat menghasilkan polarisasi linear maupun sirkular 4. Mudah untuk di integrasikan 5. Dapat memiliki dua atau lebih frekuensi kerja Selain memiliki keunggulan – keunggulan di atas, antena mikrostrip juga memiliki beberapa kelemahan [5], yaitu : 1. Bandwidth yang sempit (1 – 5 %) 2. Gain yang rendah

Dafit Bagus, 091331005 Laporan Proyek Akhir Tahun 2012

4


2.1.2 Dimensi Patch

Konstruksi dari mikrostrip terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah

konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan konstanta dielektrik   r  . Di atas strip adalah udara sehingga bila tanpa shielding sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang masuk

kembali ke dalam substrat dielektrik[6]. Fenomena ini kemudian disebut sebagai fringing effect.

a) Tampak atas

b) Tampak samping Gambar 2. Panjang efektif antena mikrostrip

Fringing effect menyebabkan dimensi antena mikrostrip terlihat lebih besar dari dimensi fisiknya [3]. Seperti terlihat pada gambar 2, panjang antena mikrostrip bertambah sebesar 2ΔL. Sehingga panjang efektif dari antenna mikrostrip menjadi :

dengan :

dan :

ℎ

= 0.412

=

+2 + 0.3

− 0.258


(1)

ℎ

+ 0.624 ℎ

+ 0.8

(2)

5


=

2 +1

2

(3)

2.1.3 Saluran Mikrostrip

Seperti yang disebutkan sebelumnya, konstruksi dari mikrostrip terdiri dari

konduktor strip (line) dan sebuah konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh

medium dielektrik dengan konstanta dielektrik   r  . Di atas strip adalah udara sehingga bila tanpa shielding sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi,

dan sebagian lagi ada yang masuk kembali ke dalam substrat dielektrik. Jadi,

terdapat dua dielektrik yang melingkupi strip yaitu udara dengan konstanta dielektrik satu dan substrat dengan konstanta dielektrik

 r   1 .

Dengan

demikian saluran mikrostrip, secara keseluruhan, dapat kita pandang sebagai sebuah saluran dengan dielektrik homogen yang lebih besar dari satu tetapi lebih kecil dari  r . Konstanta dielektrik ini disebut konstanta dielektrik efektif (effective dielectric constant) [6].

Gambar 3. Pola medan listrik pada saluran mikrostrip

Kita dapat mengetahui nilai konstanta dielektrik efektif (  e ) dengan menggunakan persamaan dibawah ini: 2    1   1   12d  1 2  W   r  1    0.04 1  r  d   2   W   2  e   1 2   r  1  r  1  12d   1  2  W   2


W d 1

( 4)

W d 1

6


Untuk keperluan perancangan, bila diketahui impedansi karakteristik Z0

dan konstanta dielektrik  r , lebar strip dapat dicari dengan persamaan [6]:

 8eA  2A W e  2  r 1 d 2  0,61 ln(B 1)  0.39  B 1 ln(2B 1)     r  2r   

W d 2

(5) W d 2

Dengan

A

B

2.2

Z0  r  1  r  1  0,11    0.23   r 1  r  60 2

(6)

377 2Z0  r

(7)

Konduktansi Untuk menghitung besarnya konduktansi dari suatu antenna mikrostrip

persegi, antenna mikrostrip tersebut direpresentasikan sebagai 2 buah slot (slot#1 dan slot#2) yang identik dan memiliki admitansi sebesar Y ( terdiri dari konduktansi G dan Suseptansi B)[3] seperti yang digambarkan pada gambar 4.

a)

Antena mikrostrip persegi

b) Rangkaian pengganti

Gambar 4. Antena mikrostrip persegi dan rangkaian penggantinya

Dari gambar diatas dapat diketahui besarnya Y adalah : =

+


(8)

7


Karena slot#1 dan slot#2 merupakan slot yang identik, maka :

=

=

Besarnya nilai konduktansi kemudian didapatkan dari persamaan :

=

2.3

sin

=

120

2 cos cos

=

(9)

sin

(10)

Impedansi Input Dalam perancangan antena, mengetahui besarnya impedansi input

merupakan hal yang cukup penting, terutama pada saat proses penyesuaian impedansi antena ke saluran catu, teknik penyesuaian impedansi ini dapat dilakukan menggunakan dengan mengontrol posisi inset feed. Besarnya nilai impedansi input antenna dihitung dengan terlebih dahulu menghitung admitansi pada slot#1 (admitansi input), yaitu dengan cara mentransfer admitansi pada slot#2 pada terminal output ke terminal input. Pada kondisi ideal, kedua slot dipisahkan oleh jarak sebesar λg/2. Akan tetapi karena adanya fringing effect maka panjang antenna mikrostrip menjadi lebih lebar, oleh

karena itu panjang antenna mikrostrip sesungguhnya kurang dari λg/2. Besarnya admitansi yang telah ditransformasi pada slot#2 menjadi [3]: =

+

=

−

(11)

sehingga besarnya admitansi input menjadi : =

+

=2

(12)

dan impedansi input antenna menjadi :


8


=

1

=

1 2

(13)

Selain besarnya konduktansi diri dari masing – masing slot, terdapat pula

konduktansi mutual yang harus ikut diperhitungkan, sehingga besarnya resistansi

input antenna mikrostrip ini menjadi :

=

dengan :

1 ±

2(

(14)

)

=

sin

1 120

cos

2

(

sin ) (sin )

(15)

Pada umumnya impedansi input terdiri dari bagian real dan imajiner dan

berubah terhadap frekuensi. Nilai reaktansi dari antenna relatif jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan nilai resistansinya, oleh karena itu untuk alasan praktis nilai reaktansi dari antenna biasanya di abaikan [3]. Dengan mengetahui nilai impedansi input, selanjutnya dapat dihitung dimensi inset feed untuk mempermudah proses penyesuaian impedansi, yaitu :

( =

)=

( = 0) cos

(16)

Gambar 5. Antena mikrostrip dengan inset feed


9


2.4

Gain Gain dari sebuah antena merupakan perbandingan direktivitas maksimum

suatu antena terhadap direktivitas maksimum antena isotropis, dengan syarat daya yang masuk ke kedua antena sama besar[4].

Gain antena (G) sebanding dengan directivity, yaitu selalu menyangkut

rugi-rugi daya (losses) di dalam antena, juga kemampuan pengarahannya. Rugirugi daya ini menyangkut rugi-rugi konduksi dan rugi-rugi dielektrik.

G  eD

(17)

0  e 1

(18)

dimana e = efisiensi antena

D = pengarahan (direktivitas) Gain diukur pada medan jauh dengan membandingkan antena yang diukur dengan antena standar yang gainnya sudah terkalibrasi. G  10 log10

4

2

Ae

(19)

dimana G = gain antena dalam dB

  panjang gelombang kerja dalam meter Ae  apertur efektif dalam meter kuadrat 2.5

Pola Radiasi Pola radiasi merupakan bentuk radiasi gelombang elektromagnetik dari

sebuah antena sebagai fungsi dari koordinat ruang. Pola radiasi atau bentuk penyebaran daya gelombang elektromagnetik tersebut bergantung pada bentuk atau susunan antena dan atau sistem pencatuan. Sistem koordinat yang digunakan untuk masalah radiasi adalah koordinat bola (spherical coordinate)[4]. Tampilan sebuah antena secara tipikal diuraikan dalam termin pola principal E–plane dan principal H –plane. Untuk antena dengan polarisasi linier, E–plane adalah bidang yang berisi vektor medan listrik dan arah radiasi


10


maksimum, sedangkan H–plane adalah bidang yang berisi vektor medan magnet

dan arah radiasi maksimum[4]. Pola radiasi E –plane dan H–plane diperoleh dari

persamaan sebagai berikut :

E-plane :

( )

→

H-plane : ( )

→

=

(

(

=

(

)

(

)

)

cos (

)

(20)

)

(21)

cos

a) E – Plane

b) H – Plane

Gambar 6. Plot pola radiasi menggunakan Mathlab

2.6

Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip Antena mikrostrip dapat dicatu dengan beberapa metode, yaitu dengan

pencatuan langsung dan pencatuan tidak langsung. Pada pencatuan langsung, daya RF dicatu langsung ke patch menggunakan elemen penghubung seperti coaxial probe maupun dengan microstrip line. Sedangkan pada pencatuan tidak langsung, daya di transfer menggunakan kopling elektromagnetik antara microstrip line dan patch[3]. Setiap metode baik langsung maupun tidak langsung memiliki kelebihan dan kekurangan.


11


2.6.1

Microstrip Line Feed Pada teknik ini patch dicatu dengan saluran transmisi yang dapat di

etching pada permukaan substrat yang sama, jadi strukturnya tetap planar. Teknik pencatuan ini mudah untuk dibuat serta lebih sederhana untuk penyesuaian impedansi. Namun terdapat rugi-rugi dielektrik yang timbul akibat adanya saluran

transmisi pada substrat[5].

Gambar 7. Microstrip Line Feed

2.6.2

Coaxial Probe Feed Teknik ini paling banyak digunakan pada antena mikrostrip karena

pencatuan ini mempunyai kelebihan yaitu dapat ditempatkan dilokasi manapun pada patch untuk mendapatkan nilai impedansi yang sesuai dengan impedansi input. Konduktor bagian dalam konektor coaxial dilewatkan melalui substrat dan disolder pada patch, sedangkan konduktor bagian luar dihubungkan pada ground plane. Namun ada kekurangannya, untuk menempatkannya diperlukan membuat lubang pada substrat. Sehingga pencatuan seperti ini membuat dimensi antena tidak planar, dan membuat konfigurasi antena menjadi tidak simetris[5].

Gambar 8. Coaxial probe Feed


12


2.6.3

Proximity Coupling Feed Pada teknik ini saluran transmisi terletak diantara patch dan ground plane,

yang dipisahkan oleh dua medium dielektril. Patch yang berada di bagian paling atas dicatu dengan kopling medan dekat dari saluran pencatu tersebut. kelebihan teknik ini adalah tidak adanya radiasi yang timbul dari feeding network. Teknik

ini juga dapat meningkatkan bandwidth seiring dengan meningkatnya tebal substrat dielektrik antena mikrostrip secara keseluruhan. Namun teknik pencatuan ini sulit untuk dibuat karena perlu penyesuaian antara dua lapisan dielektrik[5].

Gambar 9. Proximity Coupling

2.6.4 Aperture Coupled Microstrip Antenna Pada teknik ini, patch dan saluran pencatu dipisahkan oleh ground plane. Kopling antara patch dan saluran pencatu dibuat melalui slot atau apertur pada ground plane. Kopling apertur biasanya berada di tengah, tepat di bawah patch agar polarisasi silang lebih rendah karena bentuknya yang simetris. Seperti pada teknik proximity coupled, dua dielektrik dapat dipilih untuk meningkatkan performansi. Teknik ini paling sulit direalisasikan diantara teknik yang lain karena banyak lapisan (layer)[5].

Gambar 10. Aperture Coupled


13


2.6.5 Parameter Perancangan Antena Mikrostrip Aperture Coupled

Kinerja sebuah aperture coupled microstrip antena tergantung pada

berbagai parameter, termasuk dimensi patch, bentuk apertur, dimensi apertur, lokasi apertur, konstanta dielektrik dan ketebalan dua lapisan, dan dimensi dari pencatuan. Berikut adalah ringkasan mengenai hubungan dari parameter

parameter yang telah disebutkan di atas menurut [7]: 1.

Konstanta dielektrik substrat

Konstanta dielektrik suatu antena mempengaruhi bandwidth dan efisiensi

2.

radiasi antena, dengan permitivitas lebih rendah akan memberikan

bandwidth yang lebih lebar. Ketebalan substrat Ketebalan substrat mempengaruhi bandwidth dan level kopling. Substrat yang lebih tebal menghasilkan bandwidth yang lebih lebar, tapi level kopling yang kecil untuk ukuran apertur yang diberikan.

3.

Panjang patch Panjang patch menentukan frekuensi resonansi antena.

4.

Lebar patch Lebar patch mempengaruhi resistensi resonansi antena, dengan patch yang lebih lebar memberikan level cross polarization yang tinggi dengan demikian harus dihindari kecuali diperlukan polarisasi ganda atau lingkaran.

5.

Tebal substrat pencatu Substrat yang tipis menghasilkan spurious radiation yang kecil dari feed line, tetapi kerugian yang lebih tinggi.

6.

Panjang slot Level kopling sangat ditentukan oleh panjang slot, begitu juga dengan back radiation level. Oleh karena itu, ukuran slot harus dibuat tidak lebih besar dari yang dibutuhkan untuk matching impedance.

7.

Lebar slot Lebar slot juga mempengaruhi level kopling, tetapi tidak sebesar pengaruh yang disebabkan oleh panjang slot. Perbandingan panjang slot dengan lebar biasanya 1 banding 10.


14


8.

Lebar feed line Selain mengendalikan impedansi karakteristik feed line, lebar feed line juga mempengaruhi kopling untuk slot. Untuk ukuran tertentu, feed line

9.

yang tidak terlalu lebar akan memeberikan kopling yang lebih kuat ke slot. Posisi feed line relatif terhadap slot Untuk kopling maksimum, feed line harus diposisikan di sudut yang tepat

ke tengah slot. Feed line yang tidak simetris terhadap slot akan

mengurangi kopling. 10.

Posisi patch relatif terhadap slot Mengubah posisi patch relatif terhadap slot ke arah H-plane memiliki pengaruh yang kecil, sementara mengubah posisi patch relatif terhadap

slot pada bidang E-plane (resonansi) akan menurunkan level kopling.

2.7

Stub Stub adalah saluran dengan ujung tertutup (short circuit) atau terbuka

(open circuit), untuk mendapatkan impedansi/admitansi imajiner, yang dipasang secara paralel atau seri dengan saluran utama. Jumlah stub dapat berjumlah satu (tunggal), dua (double), atau tiga (triple). Untuk realisasi stub dengan menggunakan saluran strip atau saluran mikrostrip, stub ujung terbuka lebih disukai karena akan sulit membuat hubung singkat dari saluran ke bidang tanah (ground plane) [6]. Realisasi stub dengan menggunakan saluran strip atau mikrostrip yang banyak digunakan adalah dipasang secara paralel dengan ujung terbuka. Besar ukuran stub diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut :

d  12 [  cos 1 ( L )],

l s  cot 1 ( 12 tan(2d   ))

(22)

Gambar 11. Penyesuai Impedansi Stub Paralel


15

BAB II Tinjauan Teoritis

Recommend Documents