BAB II DASAR TEORI. antena dapat berfungsi selain sebagai media pemancar gelombang

BAB II DASAR TEORI 2.1 Antena Suatu antena dapat diartikan sebagai suatu tranduser antara saluran transmisi atau pandu gelombang dalam suatu saluran transmisi dan suatu medium yang tak terikat (zona bebas) tempat suatu gelombang elektromagnetik berpropagasi (biasanya udara), ataupun sebaliknya. Dalam aplikasinya, suatu antena

dapat

berfungsi

selain

sebagai

media

pemancar

gelombang

elektromagnetik, juga sebagai penerima gelombang elektromagnetik secara efisien dan berpolarisasi sesuai dengan struktur yang dimilikinya. Selain itu, untuk meminimalkan refleksi gelombang pada titik antara saluran transmisi dan titik catu antena, maka suatu antena harus mempunyai kesesuaian (matched) dengan saluran transmisi yang digunakan. Saluran transmisi adalah alat yang berfungsi sebagai penghantar atau penyalur energi gelombang elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi yang tak berhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang uniform sepanjang saluran itu. Jika saluran ini dihubung singkat maka akan muncul gelombang berdiri yang disebabkan oleh interferensi gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan. Jika gelombang datang sama besar dengan gelombang yang dipantulkan akan dihasilkan gelombang berdiri murni. Konsentrasi-konsentrasi energi pada gelombang berdiri ini berosilasi dari energi listrik seluruhnya ke energi magnet total dua kali setiap periode gelombang itu. Beberapa contoh antena dalam berbagai bentuk dapat dilihat pada Gambar 2.1. Dan aplikasinya, antena banyak digunakan pada penyiaran radio dan televisi, sistem komunikasi satelit, telepon selular, sistem radar dan sensor otomatis mobil

Universitas Sumatera Utara

anti tabrakan, dan masih banyak fungsi-fungsi yang lain.

Gambar 2.1 Contoh berbagai macam bentuk antena 2.2

Antena Mikrostrip Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang saat ini banyak

digunakan karena antena mikrostrip berukuran kecil dan ringan. Hal tersebut merupakan salah satu pertimbangan dalam merancang antena saat ini [1]. Antena mikrostrip terdiri dari 3 bagian, yaitu [1]: 1. Patch, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk meradiasikan

gelombang elektromagnetik ke ruang bebas. Patch ini

memiliki ketebalan yang bervariasi dan biasanya terbuat dari bahan tembaga. 2. Substrate dielektrik, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk menyalurkan gelombang elektromagnetik yang berasal dari patch. Bahan substrate dielektrik beragam, diantaranya plastik, keramik, kristal tunggal, dan silikon.


3. Groundplane, merupakan bagian dari antena mikrostrip yang berfungsi untuk memisahkan antara substrate dielektrik dengan benda lain yang dapat mengganggu radiasi sinyal. Gambaran umum bentuk antena mikrostrip ini dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.2 Struktur antena mikrostrip Antena mikrostrip adalah antena yang terbuat dari suatu konduktor metal yang menempel di atas groundplane. Peralatan telekomunikasi khususnya antena, saat ini mengacu pada antena yang murah dalam pembuatan, memiliki massa yang ringan, mudah dalam proses integrasi dengan peralatan telekomunikasi lainnya. Namun disamping kelebihan yang dimiliki, antena mikrostrip juga memiliki beberapa kelemahan, diantaranya memiliki bandwidth yang kecil, efisiensi yang rendah, gain yang kecil dan daya yang kecil. Adapun jenis-jenis antena mikrostrip terlihat seperti Gambar 2.3.


Gambar 2.3 Bentuk patch antena mikrostrip 2.3

Model Cavity Untuk dapat menganalisis sebuah antena mikrostrip, maka diperlukan

sebuah pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena ke dalam sebuah kondisi persamaan yang dapat dianalisis secara akurat. Berbagai pemodelan untuk antena mikrostrip tersebut telah banyak dikembangkan dan satu diantaranya yang populer adalah model cavity. Pada model cavity, daerah interior yaitu ruang antara patch dan bidang pentanahan diasumsikan sebagai sebuah ruang (cavity) yang dilingkari oleh suatu dinding magnetik sepanjang tepinya, dan diapit oleh dinding elektrik dari atas dan bawah. Model cavity dari sebuah antena mikrostrip diperlihatkan pada Gambar 2.4. Beberapa asumsi model cavity berdasarkan observasi dari substrate tipis ( h<< λ0)[ 2][4]]: a. Medan di daerah interior tidak bervariasi dengan z (  / z  0) karena substrate sangat tipis (h<< λ0). b. Medan elektrik hanya muncul dalam arah z, Ez saja, dan medan magnetis hanya ada komponen transversnya saja (Hx dan Hy ) di daerah yang dibatasi


oleh patch dan ground plane. Observasi ini juga memperhatikan dinding elektris atas bawah. c. Patch arus listrik tidak mempunyai komponen normal pada ujung metal, yang termasuk komponen tangensial dari  ,  sepanjang sisi diabaikan. Model cavity ini menggunakan persamaan Maxwell [2][6]. Adapun persamaan Maxwell untuk daerah dibawah Patch adalah sebagai berikut: 𝛁 × 𝐄 = −𝐣𝛚𝛍0 H

(2.1)

𝛁 × 𝐇 = 𝒋𝝎𝜺𝑬 + 𝑱 (2.2) 𝛁. 𝐄 = 𝛒/𝛆 (2.3) 𝛁. 𝐇 = 𝟎 (2.4) Dimana ε adalah permitivitas dari substrat, μ0 adalah permeabilitas ruang hampa, dan J adalah rapat arus.

Gambar 2.4 Distribusi muatan dan densitas arus yang terbentuk pada patch mikrostrip [6] Ketika suatu patch (elemen peradiasi) diberikan daya, maka akan terjadi distribusi muatan seperti yang terlihat pada bagian atas dan bawah dari permukaan elemen peradiasi dan pada bagian bidang pentanahan (Gambar 2.4). Distribusi muatan ini diatur dengan dua mekanisme yaitu mekanisme tarik-menarik dan mekanisme tolak-menolak. Mekanisme tarik-menarik terjadi antara dua muatan


yang berlawanan yaitu antara muatan yang terdapat pada bagian bawah dari elemen peradiasi dengan muatan yang terdapat pada bidang pentanahan. Hal tersebut akan membantu menjaga agar konsentrasi muatan tetap ada pada bagian bawah elemen peradiasi. Mekanisme tolak-menolak terjadi antar muatan yang terdapat pada bagian bawah elemen peradiasi. Hal tersebut akan meyebabkan beberapa muatan terdorong dari bagian bawah patch ke bagian atas dari patch. Pergerakan muatan ini akan meyebabkan arus mengalir pada bagian bawah dan atas dari elemen peradiasi [3]. Model analisis cavity mengasumsikan bahwa perbandingan ketebalan dengan lebar (ketebalan substrate dan lebar elemen peradiasi) sangat kecil dan akibatnya, mekanisme tarik-menarik antar muatan akan mendominasi dan meyebabkan sebagian besar konsentrasi muatan dan arus akan terjadi pada bagian bawah dari permukaan patch. Ketika perbandingan height to width semakin menurun, arus yang berada pada bagian atas permukaan elemen peradiasi akan mendekati nol, sehingga tidak akan terbentuk komponen tangensial medan magnetik pada tepi elemen peradiasi. Empat dinding sisi antena dapat dimodelkan sebagai permukaan konduktor magnetik yang sempurna. Hal tersebut meyebabkan distribusi medan magnet dan medan listrik yang terdapat pada elemen peradiasi tidak terganggu. Akan tetapi pada tataran praktis, komponen tangensial dari medan magnetik tidak akan sama dengan nol tetapi memiliki nilai yang sangat kecil dan dinding sisi antena bukan merupakan konduktor magnetik yang sempurna. Karena dinding cavity (dalam hal ini merupakan material substrat) lossless, cavity tidak akan beradiasi dan sifat dari impendansi masukannya akan murni reaktif [3].


2.4

Parameter Umum Antena Mikrostrip Unjuk kerja (performance) dari suatu antena mikrostrip dapat diamati dari

parameternya. Beberapa parameter utama dari sebuah antena mikrostrip akan dijelaskan sebagai berikut: 2.4.1 Bandwidth Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar. Pada Gambar 2.5 terlihat rentang frekeunsi yang menjadi bandwith [3].

bandwith

-10dB

Return loss

Gambar 2.5 Rentang frekuensi yang menjadi bandwith Bandwith dapat dicari dengan menggunakan rumus berikut ini :

BW=

Dimana

f2 - f1 fc

x100%

(2.5)

f1 = frekuensi terendah f2 = frekuensi tertinggi fc = frekuensi tengah


Ada beberapa jenis bandwidth di antaranya [3]: 

Impedance bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana patch antena berada pada keadaan matching dengan 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. Pada umumnya nilai return loss dan VSWR yang masih dianggap baik masing-masing adalah kurang dari -9,54 dBi dan 2.



Pattern bandwidth, yaitu rentang frekuensi di mana beamwidth, sidelobe, atau gain, yang bervariasi menurut frekuensi memenuhi nilai tertentu. Nilai tersebut harus ditentukan pada awal perancangan antena agar nilai bandwidth dapat dicari.



Polarization atau axial ratio bandwidth adalah rentang frekuensi di manapolarisasi (linier atau melingkar) masih terjadi. Nilai axial ratio untuk polarisasi melingkar adalah kurang dari 3 dBi.

2.4.2 Return Loss Return Loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan [4]. Return Loss digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan (V0-) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0 +). Return Loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [4]. (2.6)


Γ=

V-0 ZL -Z0 = V+0 ZL +Z0

return loss=20log10 |Γ|

(2.7)

2.4.3 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-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ ) [4]: Γ=

-

V0

V+0

=

Z L - Z0

(2.8)

Z L - Z0

Dimana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka : : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka Sedangkan rumus untuk mencari nilai VSWR adalah [4]: VSWR=

̃ |max |V 1+ |Γ| = |Γ| ̃ |V|min 1-

(2.9)

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (VSWR =1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna.


Namun kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Pada umumnya nilai VSWR yang dianggap masih baik adalah VSWR ≤ 2. 2.4.4 Polarisasi Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antenna. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda [3]. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitude vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu [3]. Polarisasi

dapat

diklasifikasikan

sebagai

linier

(linier),

circular

(melingkar), atau elliptical (elips). Polarisasi linier (Gambar 2.6) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu. Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi [3] : a. hanya ada satu komponen, atau b. 2 komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau 180 0 atau kelipatannya


Gambar 2.6 Polarisasi linier Polarisasi melingkar (Gambar 2.7) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik (atau magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai jenis polarisasi ini adalah : a. Medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier b. Kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama c. Kedua komponen tersebut harus memiliki 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 , sebaliknya RHCP terjadi ketika δ = −π / 2


Gambar 2.7 Polarisasi melingkar Polarisasi elips (Gambar 2.8) terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mendapatkan polarisasi ini adalah [3] : a. medan harus mempunyai dua komponen linier ortogonal 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 antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 00 atau kelipatan 180 (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama maka perbedaan fasa di antara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 90 (karena akan menjadi lingkaran).


Gambar 2.8 Polarisasi elips 2.4.5 Keterarahan (Directivity) Keterarahan dari sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi ratarata pada semua arah [6]. Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh antena dibagi dengan. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi maksimum merupakan arah yang dimaksud. Keterarahan ini dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.10[3].

D=

U U0

=

4πU

(2.10)

Prad

Dan jika arah tidak ditentukan, keterahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum yang dapat dihitungan dengan menggunakan Persamaan 2.11[4].

Dmax = D0 =

Umax U0

=

4πUmax Prad

(2.11)

Dimana : D = keterarahan D0 = keterarahan maksimum U = intensitas radiasi maksimum Umax = intensitas radiasi maksimum U0 = intensitas radiasi pada sumber isotropic Prad = daya total radiasi


Adapun cara lain untuk menghitung directivity single slot dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.12. D=

4W2 π2 λ0 2 I1

(2.12)

Dimana nilai 𝐼1 dapat dihitungan dengan menggunakan Persamaan 2.13. 120W2 π2

I 1 =√

90λ0 2

(2.13)

Setelah nilai directivity didapat maka nilai directivity susunnya dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.14. Dsusun =2D

(2.14)

Setelah directivity ditentukan maka didapatlah nilai directivity total untuk menghitung besarnya directivity total dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.15. Dtotal =Dsusun × Delemen

(2.15)

Keterangan: 𝐷𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛 = banyak elemen yang akan dirancang 2.4.6 Penguatan (Gain) Ada dua jenis parameter penguatan (gain) yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropik sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan. Absolute gain ini dapat dihitung dengan Persamaaan 2.16[3].


gain = 4π

U(θ,∅) Pin

(2.16)

Selain absolute gain juga ada relative gain. Relative gain didefinisikan sebagai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan harus sama di antara kedua antena itu. Adapun cara lain untuk menghitung gain antena yaitu dengan menggunakan bantuan perangkat lunak tertentu. Perhitungan ini dilakukan berdasarkan pembacaan level penerimaan sinyal. Persamaan yang digunakan untuk menghitung gain dapat dilihat pada Persamaan 2.17. Ga(dB)=Pa(dBm)-Ps(dBm)+Gs(dB) Selanjutnya gain dapat juga dihitungan dengan

( 2.17) menggunakan oleh

Persamaan 2.18. G=η ×Dtotal

(2.18)

Adapun besar efisiensi (𝜂) antena mikrostrip yang digunakan biasanya berkisar 60% sampai 70%. 2.4.7 Frekuensi Resonansi Frekuensi resonansi sebuah antena dapat diartikan sebagai frekuensi kerja antena di mana pada frekuensi tersebut seluruh daya dipancarkan secara maksimal. Pada umumnya frekuensi resonansi menjadi acuan menjadi frekuensi kerja antena[3].




W=

c

(2.19)

(ε +1) 2fo √ r 2

Dimana : W : lebar konduktor εr : konstanta dielektrik c : kecepatan cahaya di ruang bebas (3x108 ) fo : frekuensi kerja antena Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan parameter ∆L yang merupakan pertambahan panjang dari L akibat adanya fringing effect. Pertambahan panjang dari L (∆L) tersebut dapat dihitungan menggunakan Persamaan 2.20[6]:

W +0,264) h ∆L=0,412h W (εreff -0,258) ( +0,8) h (εreff +0,3) (

(2.20)

Dimana h merupakan tinggi substrate atau tebal substrate, dan 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 adalah konstanta dielektrik relatif yang dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.21. εreff =

εr +1 εr -1 + 2 2

1

(2.21)

h √ ( 1+12 W)

Dengan panjang patch (L) dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.22. L=Leff -2∆L

(2.22)

Dimana 𝐿𝑒𝑓𝑓 merupakan panjang patch efektif yang dapat hitung menggunakan Persamaan 2.23.


Leff =

c

(2.23)

2fo √εreff

Setelah mengetahui ukuran dimensi patch antena mikrostrip secara keseluruhan maka dari ukuran tersebut dapat diperoleh juga impedansi antena mikrostrip secara keseluruhan. Untuk mencari nilai impedansi beban dapat dihitungan menggunakan Persamaan 2.24[6][8]. ZL =Zin =

1 Yin

(2.24)

Admintansi beban(𝑌𝑖𝑛 ) didapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.25. Yin =2×YS

(2.25)

Selanjutnya untuk mencari besarnya nilai admintansi lebar patch(𝑌𝑆 ) dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 2.26 sampai Persamaan 2.29. YS =G+jB

(2.26)

Dimana: W 1 2πh 2 1 G= [1- ( )] 120λ0 24 λ0 Ω

(2.27)

W 2πh 2 1 B= [1-0,636 ln ( )] 120λ0 λ0 Ω

(2.28)

λ0 =

c f

(2.29)


2.6

Teknik Array Antena mikrostrip memiliki beberapa kelebihan seperti memiliki bentuk

yang sederhana, efisien, ekonomis, dan mudah pembuatannya. Namun demikian antena mikrostrip ini juga memiliki kelemahan yang sangat mendasar, yaitu bandwidth yang sempit, keterbatasan gain, dan daya yang rendah. Hal ini dapat diatasi dengan menambah patch secara array. Antena mikrostrip array merupakan gabungan dari beberapa elemen peradiasi yang membentuk suatu jaringan. Antena mikrostrip array dapat berbentuk seri, paralel, atau gabungan keduanya. Dalam antena mikrostrip patch, yang disusun secara array adalah bagian patch. Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan yang diradiasikan oleh elemen tunggal. Untuk membentuk pola yang memiliki keterarahan tertentu, diperlukan medan dari setiap elemen array berinterferensi secara konstruktif pada arah yang diinginkan dan berinterferensi secara destruktif pada arah lain. Ada beberapa macam konfigurasi antena array, diantaranya linear, planar, dan circular. Masing masing konfigurasi memiliki keuntungan, misalnya linear array memiliki kelebihan dalam perhitungan yang tidak terlalu rumit, sedangkan planar array memiliki kelebihan dalam pengaturan dan pengendalian arah pola radiasi. Antena mikrostrip bentuk array memiliki beberapa kelebihan dibanding dengan antena mikrostrip konvensional. Kelebihannya yaitu memiliki bandwidth dan gain yang lebih besar. Disamping memiliki kelebihan, antena jenis ini juga memiliki kelemahan, yaitu membutuhkan suatu jalur transmisi / pencatu antara elemen peradiasi dan input connector untuk mengurangi rugi-rugi sehingga mengurangi efisiensi antena.


Pada antena array terdapat Array Factor (AF) yang merupakan pengali dari medan elektrik dari elemen tunggal. Array Factor inilah yang menentukan bagaimana pola radiasi dan seberapa besar tingkat daya yang diradiasikan oleh antena tersebut. Gambar 2.11 menunjukkan antena mikrostrip dengan teknik array.

Teknik linear

Teknik planar

Teknik circular

Gambar 2.11 Antena mikrostrip dengan teknik array 2.7

Teknik Pencatuan Pada dasarnya saluran pencatu untuk antena mikrostrip dapat dibagi

menjadi 2, yaitu pencatuan secara langsung (direct coupling) dan pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic coupling). Pada awalnya pencatuan secara langsung banyak digunakan karena mempunyai kelebihan, yaitu sangat sederhana dalam pencatuan. Tetapi disamping kelebihan tersebut ada beberapa kekurangan yang terdapat pada pencatuan ini, seperti sangat sulit jika antena mikrostrip akan disusun secara array dan antena mikrostrip akan menghasilkan pita frekuensi atau bandwidth yang sempit sekitar 2%-5% [5][6]. Dengan

kekurangan

ini

maka

dalam

perkembangan

selanjutnya

diperkenalkan apa yang disebut pencatuan tidak langsung atau electromagnetic


coupling. Keuntungan dari teknik pencatuan ini adalah dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi proses penyolderan[5]. Dengan

teknik pencatuan secara tidak langsung (electromagnetic

coupling) tidak ada kontak langsung antara saluran transmisi dengan elemen peradiasinya. Ada dua teknik teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada pencatuan ini, yaitu proximity coupling yang diperkenalkan oleh Oltman dan Huebner pada tahun 1981 dan aperture coupling yang diperkenalkan oleh Pozar, Grunoa dan Wolf pada tahun 1986[5]. Untuk rancang bangun antena mikrostrip ini digunakan teknik pencatuan proximity coupling. Pada teknik pencatuan ini saluran transmisi (feed line) diletakan pada posisi yang lebih rendah dari patch, lebih tepatnya dibawah patch, mekanisme penggadengan yang akan timbul akan, terlihat seperti pada Gambar 2.12. Pendekatan ini digunakan dua buah substrate, dimana patch pada substrate bagian atas dengan bidang pentanahannya dihilangkan seluruhnya dan substrate yang berada pada bagian bawah merupakan saluran transmisinya(feed line)[5].

Gambar 2.12 Teknik pencatuan metoda proximity coupled


2.8

Impedance Matching Impedance matching merupakan cara atau teknik yang dipakai untuk

menyesuaikan dua impedansi yang tidak sama, yaitu impedansi karakteristik saluran (Zo) dan impedansi beban(𝑍𝐿 ). Beban dapat berupa antena atau rangkaian lain yang mempunyai impedansi ekivalen. Impedance matching mempunyai peranan yang sangat penting untuk memaksimalkan transfer daya dari sumber sinyal ke beban. Kondisi yang sesuai (match) antara impedansi karakteristik saluran dengan beban akan menghasilkan transfer daya yang maksimal, karena redaman yang disebabkan daya pantul akan diminimalkan. Pada prinsipnya, untuk menyesuaikan impedansi saluran dengan impedansi beban dilakukan dengan menyisipkan suatu “transformator impedansi” yang berfungsi mengubah impedansi beban sama dengan impedansi karakteristik saluran. Ada beberapa bentuk atau model teknik penyesuaian impedansi ini, diantaranya adalah, transformator λ/4 , single stub tuner, double stub tuner, dan lumped circuit[3]. Transformator λ/4 adalah suatu teknik impedance matching dengan cara memberikan saluran transmisi dengan impedansi ZT di antara dua saluran transmisi yang tidak match. Panjang saluran transformator ini λ/4 adalah sebesar l=1/4λg dimana λg merupakan panjang gelombang pada bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan Persamaan 2.30[3]. 𝜆𝑔 =

𝜆0 √𝜀𝑒𝑓𝑓

(2.30)

dimana λ0 adalah panjang gelombang pada ruang bebas. Nilai impedansi 𝑍𝑇 dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.31[3]. 𝑍𝑇 = √𝑍1 𝑍3

(2.31)


2.9

Power Divider Salah satu teknik yang dapat mendukung impedance matching pada

saluran transmisi khususnya untuk antena mikrostrip array adalah power divider (combiner). Dalam hal ini, metoda Wilkinson merupakan teknik yang umum digunakan. Gambar 2.13 memperlihatkan power divider metoda Wilkinson [3].

1

Z

R R = Z0

Z

Z0

Z

2

R

3

R

1

R N

Z

Gambar 2.13 N-way wilkinson combiner Pada metoda Wilkinson, nilai impedansi Z diberikan dengan Persamaan 2.32 berikut [3]. 𝑍 = 𝑍0 √𝑁 (2.32) dimana N adalah jumlah titik pencabangan. 2.10 T-Junction 50 Ohm T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada konfigurasi antena array. Terdapat dua jenis T-junction 50 Ohm yang dapat digunakan sebagai power divider seperti ditunjukkan pada Gambar 2.14 [3].


50Ω

50Ω

70Ω

50Ω

50Ω

35,355Ω 50Ω 50Ω

Gambar 2.14 T-junction 50 ohm 2.11 Wireless Local Area Network (WLAN) Wireless Local Area Network (WLAN) merupakan salah satu aplikasi pengembangan dari wireless yang digunakan untuk komunikasi data. Sesuai dengan namanya, wireless yang artinya tanpa kabel, WLAN adalah jaringan lokal yang meliputi daerah satu gedung, satu kantor, satu wilayah, dan sebagainya, yang tidak menggunakan kabel. Sistem koneksi WLAN adalah dengan menggunakan gelombang elektromagnetik untuk mengirim dan menerima data lewat media udara. Dengan komunikasi jaringan yang menggunakan media tanpa kabel, maka diharapkan WLAN dapat meminimalisasikan kebutuhan untuk komunikasi menggunakan kabel, walaupun penggunaan kabel masih tetap ada dalam mendukung aplikasi WLAN. Penggunaan WLAN tidak akan mengurangi keuntungan yang telah diperoleh dari aplikasi yang lebih tradisional yaitu LAN dengan menggunakan kabel. Hanya saja pada WLAN ini, cara melihat suatu jaringan LAN harus didefinisikan kembali. Konektivitas antar para pengguna tidak lagi mempengaruhi pada saat penginstalasian.


Dengan adanya WLAN ini, maka biaya pengeluaran yang digunakan untuk membuat suatu infrastruktur jaringan dapat ditekan menjadi lebih rendah dan mendukung suatu aplikasi jaringan mobile yang menawarkan berbagai keuntungan dalam hal efisiensi proses, akurasi, dan biaya pengeluaran[2]. 2.11.1 Topologi Jaringan WLAN Topologi adalah istilah yang digunakan untuk menguraikan cara bagaimana komputer terhubung dalam suatu jaringan. Topologi ini biasanya dibedakan dari dua sisi, yaitu topologi fisik dan topologi logika. Topologi fisik menguraikan layout perangkat keras jaringan sedangkan topologi logika menguraikan perilaku komputer jaringan dari sudut pandang operator. Ada tiga jenis topologi yang biasa digunakan pada WLAN yaitu bus, cincin (ring), bintang (star), dan pohon (tree)[2]. 2.11.2 Standar WLAN 802.11 Seiring dengan perkembangan yang semakin pesat, beberapa pabrikan RF wireless mempunyai metode berbeda dalam mengembangkan frekuensi, skema encoding, jenis antena, dan protokol jaringan wireless. Banyaknya variasi jenis tentu saja tidak menguntungkan bagi para pengguna. Untuk itu pada jaringan wireless ditetapkan standarisasi peralatan wireless yang disebut standarisasi IEEE 802.11. Dengan berkembangnya waktu, implementasi dari standar ini semakin populer dan meluas. Penambahan ekstensi di belakang 802.11 dipergunakan untuk mengenali beberapa perbaikan dan tambahan fitur dari standar yang telah ditentukan oleh 802.11. Dari sekian banyak standar, ada empat jenis standar yang sering digunakan dan paling dikenal yaitu standar awal 802.11, 802.11a, 802.11b, dan 802.11g. Tabel 2.1 menunjukkan standar – standar WLAN 802.11[2].


Tabel 2.1 Standar – standar WLAN 802.11[8] 802.11 802.11a 802.11b 802.11e

Standar dasar WLAN yang mendukung transmisi data 1 Mbps hingga 2 Mbps Standar High Speed WLAN untuk 5 GHz band yang mendukung hingga 54 Mbps Standar WLAN untuk 2,4 GHz band yang mendukung hingga 11 Mbps atau disebut Wi-Fi Perbaikan dari QoS (Quality of Service) pada semua interface radio IEEE WLAN Mendefinisikan komunikasi inter-access point untuk

802.11f 802.11g 802.11h

memfasilitasi beberapa vendor yang mendistribusikan WLAN Menetapkan teknik modulasi tambahan untuk 2,4 GHz band, yang dimasukkan untuk menyediakan kecepatan hingga 54 Mbps Mendefinisikan pengaturan spektrum 5 GHz band yang digunakan di Eropa dan Asia Pasifik Menyediakan keamanan yang lebih baik. Penentuan alamat

802.11i

dimana terdapat kelemahan keamanan pada protokol Autentifikasi dan Enkripsi

802.11j

Penambahan pengalamatan pada kanal 4,9 GHz hingga 5 GHz untuk standar 802.11a di Jepang

2.11.3 Standar Awal 802.11

Standar ini merupakan standar awal untuk WLAN yang diperkenalkan pada tahun 1997 oleh IEEE. Standar ini beroperasi pada layer fisik yang menggunakan teknologi penyebaran spektrum Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) dan Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) yang beroperasi pada pita 2,4 GHz dan data rate hingga 2 Mbps. Karena versi ini hanya mempunyai data rate maksimum 2 Mbps, versi ini tidak banyal dipergunakan pada WLAN indoor [2]. 802.11 merupakan standar dasar WLAN yang mendukung transmisi data 1


Mbps hingga 2 Mbps. 802.11a merupakan standar High Speed WLAN untuk 5 GHz band yang mendukung hingga 54 Mbps. 802.11b merupakan standar WLAN untuk 2,4 GHz band yang mendukung hingga 11 Mbps atau disebut Wi-Fi. 802.11e merupakan perbaikan dari QoS (Quality of Service) pada semua interface radio IEEE WLAN. 802.11f mendefinisikan komunikasi inter-access point untuk memfasilitasi

beberapa

vendor

yang

mendistribusikan WLAN.

802.11g

menetapkan teknik modulasi tambahan untuk 2,4 GHz band, yang dimaksudkan untuk menyediakan kecepatan hingga 54 Mbps. 802.11h mendefinisikan pengaturan spektrum 5 GHz band yang digunakan di Eropa dan Asia Pasifik. 802.11i menyediakan keamanan yang lebih baik. Penentuan alamat dimana terdapat kelemahan keamanan pada protokol autentifikasi dan enkripsi. 802.11j merupakan penambahan pengalamatan pada channel 4,9 GHz hingga 5 GHz untuk standar 802.11a di Jepang[2]. 2.11.4 Standar 802.11a Pada tahun 1999, IEEE mengeluarkan standar 802.11a yang beroperasi pada pita 5 GHz. Standar ini menggunakan skema modulasi yang disebut Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) dengan kecepatan transmisi data mencapai 54 Mbps. Keuntungan utama dari standar ini adalah kapasitasnya yang cukup tinggi yang menjadikan standar ini sebagai pilihan yang tepat untuk mendukung aplikasi yang membutuhkan performa tinggi, seperti streaming video. Kekurangan dari standar ini adalah terbatasnya cakupan area pancarnya karena menggunakan pita frekuensi 5 GHz. Pita ini hanya dapat mencakup area tidak lebih dari 50 meter pada berbagai fasilitas. Akibatnya standar ini memerlukan AP yang lebih banyak[2].


2.11.5 Standar 802.11b Pada tahun yang sama ketika IEEE mengeluarkan standar 802.11a, IEEE juga mengeluarkan standar 802.11b, tepatnya pada bulan Juli 1999. Standar ini beroperasi pada frekuensi radio dengan bandwidth 97 MHz (frekuensi 2,4 GHz 2,497 GHz). Standar ini menggunakan metode modulasi DSSS dengan kecepatan transmisi datanya mencapai 11 Mbps. Keuntungan utama dari standar 802.11b adalah range yang relatif panjang hingga 100 meter pada fasilitas di dalam gedung. Range ini sangat efektif dipergunakan untuk mengembangkan LAN secara wireless dibandingkan dengan standar sebelumnya[2]. Kerugian dari standar ini adalah terbatasnya penggunaan kanal pada pita frekuensi 2,4 GHz. Standar ini hanya menggunakan tiga buah kanal bila dibandingkan dengan standar 802.11 yang menggunakan 11 kanal untuk melakukan konfigurasi AP. Pembatasan ini membuat dukungan standar 802.11b terhadap performa aplikasi menengah seperti e-mail atau web surfing menjadi lebih baik. Kerugian lain dari standar ini adalah terdapatnya kemungkinan interferensi RF dengan peralatan radio yang lain yang dapat mengurangi performa dari standar[2]. 2.11.6 Standar 802.11g Standar 802.11g dikeluarkan oleh IEEE pada bulan Juni 2003. Standar ini beroperasi pada frekuensi yang sama seperti pada standar 802.11b yaitu pada pita 2,4 GHz hingga 2,497 GHz. Tetapi standar ini menggunakan teknik modulasi OFDM yang digunakan pada standar 802.11a. Kombinasi dari fitur ini menghasilkan infrastruktur yang lebih cepat, lebih murah, serta koneksi yang lebih luas[2]. Keunggulan dari standar ini adalah memiliki kompatibilitas dengan


standar 802.11b, dimana kita hanya perlu meng-upgrade AP pada jaringan 802.11b ke standar 802.11g. Tetapi peralatan pada standar 802.11b tidak memahami transmisi pada peralatan 802.11g karena perbedaan teknik modulasi pada kedua standar. Sehingga saat peralatan jaringan 802.11b digunakan pada lingkungan standar 802.11g terdapat berbagai keterbatasan. Kerugian lainnya dari standar ini adalah adanya interferensi RF karena standar ini menggunakan frekuensi 2,4 GHz yang sarat dengan interferensi stasiun yang dapat menyebabkan seluruh jaringan terganggu. Hal ini dapat diatasi dengan menggunakan cincin (ring) ganda dengan salah satu cincin back-up seperti yang dipakai pada jaringan ring berteknologi FDDI[2]. 2.11.7 Teknik Transmisi WLAN WLAN umumnya dikategorikan menurut teknik – teknik transmisi yang digunakan. Produk LAN yang ada pada saat ini memiliki teknik transmisi yang termasuk ke dalam salah satu kategori berikut ini[2]. 2.11.7.1 LAN Infrared (IR) LAN infrared menggunakan sinyal infrared untuk mengirimkan data. Teknologi ini sama seperti yang digunakan pada produk remote control untuk televisi dan VCR. LAN infrared dapat diatur menggunakan konfigurasi point-topoint. Keuntungan LAN infrared adalah mampu membawa bandwidth yang tinggi. Akan tetapi kelemahannya ialah tidak dapat melewati benda padat[2]. 2.11.7.2 LAN Spread Spectrum Spread spectrum adalah teknik transmisi yang paling sering digunakan untuk teknologi WLAN. Perkembangan spread spectrum diawali dari tipe pertama yaitu frequency hopping spread spectrum (FHSS), dimana lewat teknik ini paket data akan dipecah – pecah dan dikirimkan menggunakan frekuensi yang berbeda –


beda. Satu pecahan bersisian dengan lainnya, sehingga seluruh data dikirimkan dan diterima oleh komputer yang dituju. Kecepatan sinyal frekuensi ini sangat tinggi. Dengan pemecahan paket data, sistem ini memberikan keamanan yang dibutuhkan dalam satu jaringan. Tipe selanjutnya dari spread spectrum disebut direct sequence spread spectrum (DSSS). Sebuah metode dimana sebuah frekuensi radio dibagi menjadi tiga bagian yang sama dan menyebarkan seluruh paket melalui salah satu bagian frekuensi ini. Metode ini paling banyak digunakan. Frequency hopping spread spectrum (FHSS) menggunakan daya yang lebih rendah daripada direct sequence spread spectrum (DSSS) dan biayanya pun lebih murah[2] 2.11.7.3 Wireless Channel Jaringan wireless menggunakan konsep yang sama dengan stasiun radio, dimana saat ini terdapat dua alokasi frekuensi yang digunakan yaitu 2,4 GHz dan 5 GHz yang bisa dianalogikan sebagai frekuensi radio AM dan FM. Frekuensi 2,4 GHz yang digunakan oleh 802.11b/g juga dibagi menjadi channel – channel seperti pembagian frekuensi untuk stasiun radio[2]. Organisasi internasional ITU (International Telecomunication Union) yang bermarkas di Genewa membaginya menjadi 14 channel namun setiap negara mempunyai kebijakan tertentu terhadap channel ini. Amerika hanya mengijinkan penggunakan channel 1-11, Eropa hanya menggunakan 1-13, sedangkan di Jepang diperbolehkan menggunakan semua channel yang tersedia yaitu 1-14. Frekuensi channel dapat dilihat pada Tabel 2.2[2].


Tabel 2.2 WiFi Channel[2]

2.12 Ansoft High Frequency Structure Simulator v10 Banyak perangkat lunak (Software) simulasi yang digunakan dalam menganalisis karakteristik antena mikrostrip. Salah satunya adalah Ansoft High Frequency Structure Simulator v10(HFSS). Dalam Tugas Akhir penulis menggunakan Ansoft HFSS v10 untuk menganalisis karakteristik antena mikrostrip yang penulis buat dalam tugas akhir ini. Ansoft HFSS v10 juga merupakan dasar dari perancangan desain yang menyarankan pemakai untuk mendesain model dan mensimulasikan secara analog,

RF,

aplikasi

mixed-signal,

membentuk

papan

sirkuit,

dan

memperformasikan sinyak tersebut. Dalam software ini terbentuk-bentuk skematik dengan berbagai macam layout, dan mempunyai bermacam bentuk visualisasi dan analisis data.


BAB II DASAR TEORI. antena dapat berfungsi selain sebagai media pemancar gelombang

Recommend Documents