bab ii baru.docx

7/21/2019 BAB II BARU.docx

http://slidepdf.com/reader/full/bab-ii-barudocx-56da4654af251 1/23

BAB II

TEORI DASAR

2.1 Antena

Antena dalam perangkat dalam komunikasi nirkabel berfungsi mengubah

sinyal listrik (volt – ampere) menjadi medan listrik dan magnet yang dapat

merambat di udara sehingga dapat menerima gelombang radio kemudian

meradiasikannya ke ruang bebas ( free space) atau sebaliknya.

Berdasarkan IEEE Standard Definitions of Terms for Antenna (IEEE Std

1!"1#$%)& antena didefinisikan sebagai sesuatu untuk meradiasikan atau

menerima gelombang radio '1%. Antena merupakan terminal akhir pada sisi

transmitter sebagai perangkat yang berfungsi meradiasikan sinyal informasi dari

sumber dalam bentuk gelombang * ( Radio Frequency) dan merupakan terminal

pertama yang menerima gelombang * yang memba+a sinyal informasi di

dalamnya pada sisi penerima (receiver ).

,lot medan elektromagnetik yang diradiasikan oleh antena akan dijelaskan

pada gambar -.1 '1!

5



6

/ambar -.1 ,lot 0edan Elektromagnetik yang iradiasikan oleh Antena

Antena memiliki beberapa parameter yang menentukan performansi kerja

dari antena tersebut. ,arameter"parameter tersebut antara lain frekuensi kerja&

bandwith& impedansi masukan& return loss& pola radiasi& beamwidth& gain& dan

directivity.

2.2 Parameter Antena

Antena bekerja dengan normal pada daerah medan jauh dari antena

tersebut& karena pada daerah ini hanya terdapat energi radiasi dari antena tanpa

dipengaruhi medan reaktif dari antena yang nilainya relatif terhadap jarak seperti

pada gambar -.- '1



7

/ambar -.- aerah adiasi Antena

aerah medan jauh ini dapat dinyatakan dengan persamaan -.1 di ba+ah

'1

R - λ

D

.......................................................................................................... (-.1)

imana adalah dimensi terbesar dari antena& dan 2 adalah panjang

gelombang dari antena.

adiasi yang dihasilkan antena akan memiliki pola tertentu dan pola ini

akan berbeda untuk jenis antena yang berbeda. ,ola radiasi antena didefinisikan

sebagai fungsi matematis atau sebuah representasi grafik dari radiasi antena

sebagai sebuah fungsi dari koordinat ruang.

,ada umumnya& pola radiasi ditentukan pada daerah far!field dan

direpresentasikan sebagai suatu fungsi koordinat arah. ,ola radiasi ini ditunjukkan

dengan lobes dimana terdapat bagian yang disebut sebagai main"ma#or (utama)&

side (samping)& serta bac$ (belakang) '13.



8

%eamwidth& atau yang lebih sering digunakan yaitu half power beamwidth

(4,B5) yaitu sudut dimana amplitudo dari &a#or lobe berkurang separuhnya.

&ain6ma#or lobe adalah radiasi yang memiliki arah radiasi maksimum sedangkan

side lobe dan bac$ lobe merupakan bagian dari minor lobe yang keberadaannya

tidak diharapkan. ,ola radiasi ini menunjukkan medan radiasi antena yang terdiri

dari medan listrik dan medan magnetik. epresentasi pola radiasi dapat dilihat

pada gambar -.% '17

/ambar -.% epresentasi ,ola adiasi

. ,ola radiasi dapat dibedakan menjadi tiga yaitu



9

1. ,ola Isotropik

Antena Isotropik disebut sebagai antena tanpa rugi"rugi yang mempunyai

radiasi sama besar ke setiap arah. /ambar -. menunjukkan pola radiasi

isotropik '-#

/ambar -. ,ola adiasi Isotropik

-. ,ola ire8tional

Antena yang memiliki pola radiasi directional atau searah dapat menerima

radiasi elektromagnetik se8ara efektif pada arah"arah tertentu saja. ,ola

radiasi directional dapat dilihat pada gambar -.! berikut '-#

/ambar -.! ,ola adiasi ireksional



10

%. ,ola 9mnidire8tional

,ola radiasi ini dibentuk dengan penggabungan pola dari dua bidang yang

saling orthogonal dimana pola pada salah satu bidang tidak terarah

sedangkan pola pada bidang lainnya merupakan pola terarah. ,ada gambar

-.3 menunjukkan pola radiasi omnidirectional '-#

/ambar -.3 ,ola adiasi 9mnidireksional

,engarahan (directivity) dari antena didefinisikan sebagai perbandingan

(rasio) intensitas radiasi pada sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas

radiasi rata"rata pada semua arah. :eterarahan ini dapat dihitung menggunakan

persamaan -.- di ba+ah ini '1$

rad ' (

(

D

π

; == .........................................................................................(-.-)

imana

:eterarahan (dB)

( Intensitas adiasi (rad)

( ) Intensitas adiasi pada sumber isotropik (rad)

' rad aya total radiasi (rad)



11

:eterarahan dapat diartikan sebagai pengukuran dari intensitas radiasi dari

antena sebagai fungsi arah '1. *ain merupakan nilai perbandingan dari daya

yang diradiasikan oleh antena dibandingkan dengan daya yang masuk ke antena

'1& atau dapat dinyatakan sebagai hasil perkalian antara directivity dengan

efisiensi dari antena& dengan menggunakan persamaan -.% '1

--

<

<λ

π η

λ

π η

eff

eff eff

A D* ===

.............................................................................(-.%)

imana

/ *ain antena (dB)

A Area dari permukaan antena (meter)

+eff Efisiensi radiasi dari antena

Aeff Area efektif dari antena (meter)

=ilai gain akan selalu lebih ke8il dari nilai directivty& karena pada antena

terdapat rugi"rugi transmisi dan ketidaksesuaian impedansi antara saluran pen8atu

dan antena yang menyebabkan tidak semua daya yang masuk ke antena dapat

diradiasikan.

=ilai efisiensi dari antena dapat dinyatakan dengan menggunakan

persamaan -. '1

l r

r eff

R R

R

+=η

.....................................................................................................(-.)

imana

Rr >ahanan radiasi (?)

Rl >ahanan rugi (?)



12

Agar daya yang diradiasikan oleh antena dapat optimal& maka impedansi

sumber harus sama dengan impedansi dari antena. @ika impedansi dari antena

dengan sumber isotropik tidak sesuai maka sebagian dari daya yang akan

dipantulkan kembali akan membentuk gelombang berdiri& nilai dari gelombang

berdiri yang terbentuk dapat dihitung dengan menggunakan koefisien refleksi ()&

yang dapat dinyatakan seperti pada persamaan -.! '1

;

;

, ,

, ,

-

-

+

−

=Γ .......................................................................................................(-.!)

imana

, - Impedansi beban (Antena) (?)

, ) Impedansi karakteristik (?)

S5 (Standing .ave Ratio) adalah perbandingan antara amplitude

gelombang berdiri ( standing wave) maksimum ( maCDBD

) dengan minimum (

minDBD

). S5 tersebut juga memiliki korelasi dengan koefisien refleksi. 4al ini

dapat dilihat pada persamaan untuk memperoleh S5& yaitu '1

S5 /

Γ −Γ +

=1

1

B

B

min

maC

......................................................................................(-.3)

,ada prakteknya& kondisi matched sulit sekali di8apai. :ondisi tidak

matched ini menyebabkan tidak semua daya dari sumber ( generator ) diterima oleh

beban& sehingga ada daya yang dikembalikan6dipantulkan. Adanya rugi"rugi yang

dihasilkan ini disebut sebagai Return -oss dan dirumuskan menggunakan

persamaan -.7



13

R- "-; 1;Fog DD

...............................................................................................(-.7)

=ilai return loss yang sering dijadikan a8uan adalah – 1; dB sehingga

S5 G - atau dapat diartikan bah+a daya yang dipantulkan tidak terlalu besar

dibandingkan daya yang dikirimkan atau terjadi kesesuaian antara antena dan

saluran transmisi (matching ).

%andwidth pada suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi

dimana performa antena sesuai dengan standar yang ditetapkan. Hntuk

menentukan frekuensi kerja yaitu dengan impedance bandwidth dimana frekuensi

kerja berdasarkan karakteristik impedansi atau return loss sehingga rentang

frekuensi kerja didapatkan ketika memiliki nilai return loss di ba+ah – 1; dB.

entang frekuensi yang menjadi bandwidth akan dijelaskan pada gambar -.7 '1#

/ambar -.7 entang *rekuensi Band+idth

engan melihat gambar -.7 bandwidth yang dapat di8ari dengan

menggunakan persamaan -.$ di ba+ah ini '1#



14

%. f - " f 1 .........................................................................................................

(-.$)

imana

f - *rekuensi tertinggi (4)

f 1 *rekuensi terendah (4)

f 8 *rekuensi tengah (4)

2.3 Miniaturisasi Antena

,erkembangan komunikasi bergerak de+asa ini menuntut perangkat

dengan dimensi yang ke8il& ringan& dan kompak. Sehingga diperlukan

miniaturisasi perangkat untuk memenuhi kebutuhan tersebut. ,ada umumnya&

miniaturisasi dimensi antena planar dilakukan dengan menggunakan material

substrat yang memiliki permitiJitas dielektrik yang tinggi. =amun& penggunaan

material dengan permitiJitas dielektrik yang tinggi mengakibatkan meningkatnya

gelombang permukaan pada material yang dapat menurunkan kinerja parameter

antena& di antaranya return loss& gain& dan pola radiasi. Salah satu 8ara untuk

miniaturisasi dimensi antena adalah menggunakan bahan metamaterial.

0etamaterial merupakan material yang tidak tersedia di alam yang

memiliki sifat permitiJitas )(ε dan atau permeabilitas )( µ negatif tetapi

dapat direkayasa. =ilai permitiJitas yang terdapat di ruang bebas)( ;ε

bernilai $&$! C 1;"1- ( F 6m) '-%. ,erbandingan antara permitiJitas pada material



15

dengan permitiJitas ruang hampa menghasilkan konstanta dielektrik relatif

)( r ε .

Sedangkan pada permeabilitas disebut sebagai ukuran dari parameter

magnet yang terjadi pada sebuah material sebagai respons yang ditimbulkan

terhadap medan magnet yang mengenainya. i dalam teori elektromagnetik

medan magnet dinamai dengan ( 0 ) yang merupakan representasi adanya pengaruh

fluks magnet ( %) terhadap perpindahan dipol dan perubahan arah pada dipol

magnet.

4ubungan antara medan magnet dan fluks magnet disebut permeabilitas

yang dinyatakan sebagai perbandingan antara medan magnet ( 0 ) dengan fluks

magnet ( %). ,ermeabilitas yang terdapat pada ruang hampa)( ; µ

memiliki nilai

K C 1;"7 0 6m. ,erbandingan antara permeabilitas sebuah material terhadap

permeabilitas ruang hampa menghasilkan permeabilitas relatif )( r µ .

Sebagian besar material yang tersedia di alam memiliki nilai permitiJitas

dan permeabilitas positif yang disebut double positive (,S)& sebaliknya jika

keduanya memiliki nilai negatif disebut double negative (=/). Bahan"bahan

tersebut kemudian dibagi lagi ke dalam beberapa kategori yaitu mu negative

(0=/) dan epsilon negative (E=/). /ambar -.$ dijelaskan berupa klasifikasi

material yang dipengaruhi oleh permitiJitas dan permeabilitas '-



16

/ambar -.$ :lasifikasi 0aterial

,ada kuadran I& ( ; dan L ;)& yaitu material double positive (,S)

yang memiliki nilai permitiJitas dan permeabilitas positif yang merupakan jenis

material yang tersedia di alam sebagai dielektrik.

,ada kuadran II& (ε 1; dan L ;) material jenis epsilon negative (E=/)

dengan permitiJitas kurang dari nol dan permeabilitas lebih dari nol. @enis dari

material ini adalah plasma.

Sedangkan kuadaran III& (M 1; dan L 1;) material double negative (=/)

material jenis ini tidak tersedia di alam dengan nilai permitiJitas dan permeabilitas

kurang dari nol.

:uadran I yaitu mu negative (0=/) (M ; dan L 1;) material ini

menunjukkan magnetic plasma yang memiliki permitiJitas lebih besar dari nol

dan permeabilitas kurang dari nol.



17

ari keempat kuadran yang diterangkan pada gambar -.$& (E=/)& (=/)&

dan (0=/) merupakan bagian dari metamaterial yang tidak tersedia di alam.

i ba+ah ini dijelaskan rambatan dari suatu gelombang elektromagnetik

seperti pada gambar -.# di ba+ah ini '-!

/ambar -.# /elombang Elektromagnetik

,ada gelombang elektromagnetik terdapat arah medan magnet dan medan

listrik yang terpolarisasi pada sudut yang berhubungan dengan arah propagasi.

:etika gelombang tersebut memasuki suatu bahan material& yang terjadi

adalah medan"medan gelombang saling berinteraksi dengan muatan"muatan dari

atom dan molekul yang mengubah struktur material dan mengakibatkan bergerak.

@enis material yang digunakan pada penelitian ini adalah material (0=/)

karena memiliki permeabilitas yang tinggi pada frekuensi kerja tertentu serta tidak

menyerap gelombang permukaan yang menurunkan efisiensi dari parameter

antena seperti gain dan bandwidth.

Sifat pada material (0=/) sangat diperlukan karena dapat mereduksi

dimensi dan mampu menekan gelombang permukaan sehingga diperoleh



18

perbaikan gain dan bandwidth. 0=/ memiliki beberapa jenis struktur& antara lain

Split Ring Resonator (S) dan Spiral Resonator (S) seperti yang ditunjukkan

oleh gambar -.1; '1;

/ambar -.1; Struktur 0=/ (a) Struktur Split ing esonator (S)N (b)

Struktur Spiral esonator (S)

,ada penelitian ini yang digunakan adalah struktur Spiral Resonator (S).

Struktur patch (S) sebagai inklusi magnetik tiruan karena memiliki faktor

reduksi dimensi antena yang lebih besar '%1.

2.4 Antena Planar

Antena planar merupakan salah satu jenis antena yang mempunyai bentuk

seperti bilah atau potongan yang mempunyau ukuran yang sangat tipis6ke8il. ,ada

gambar -.11 menjelaskan bentuk antena planar '17



circular

19

/ambar -.11 ,ola asar Antena ,lanar

alam bentuk dasar& seperti yang digambarkan pada /ambar -.11 antena

planar terdiri atas tiga lapisan& yaitu patch pada bagian paling atas dimana pada

/ambar -.11 digambarkan dengan +arna kuning& substrat dielektrik digambarkan

dengan +arna putih& dan ground plane pada bagian dasar antena.

a. Oondu8ting ,at8h

'atch terbuat dari bahan logam metal yang memiliki ketebalan tertentu.

@enis logam yang digunakan adalah bahan tembaga atau copper dengan

konduktiJitas sebesar !&$ C 1;7 S6m. Elemen patch berfungsi dalam meradiasi

gelombang radio yang nantinya dipan8arkan kembali ke udara bebas. Besar&

panjang& lebar& maupun radius dapat mempengaruhi frekuensi kerja antena.

Elemen patch (peradiasi) dapat dibuat dalam berbagai bentuk seperti

persegi panjang (rectangular )& persegi& ( square)& circular & elips& segitiga& dan

circularring . ,ada gambar -.1- di ba+ah memperlihatkan jenis patch dari antena

planar '17



20

/ambar -.1- @enis ,at8h pada Antena ,lanar

b. Substrat dielektrik

Substrat merupakan bahan dielektrik yang membatasi antara patch

(peradiasi) dengan ground (pentanahan). Substrat dapat digolongkan berdasarkan

$onstanta diele$tri$)( r ε

dan ketebalan (h) yang dapat mempengaruhi kinerja dari

antena seperti bandwidth& gain& return loss& dan pola radiasi.

,enggunaan bahan dielektrik yang berbeda akan mempengaruhi

perhitungan pada pengukuran antena se8ara keseluruhan. Bahan dielektrik yang

digunakan memiliki nilai konstanta dielektrik %&7# G r ε G 1- '1$. Semakin tebal

suatu substrat maka bandwidth yang dihasilkan akan semakin meningkat& namun

dapat mengakibatkan terjadinya gelombang permukaan ( surface wave) dan

mengurangi daya masukan yang diterima oleh sebuah antena dalam meradiasikan

gelombang elektromagnetik ke udara bebas ( free space) sesuai arah yang

ditentukan.

8. /round plane



21

*round atau pentanahan berfungsi sebagai reflector dari gelombang

elektromagnetik. Bahan dari ground sama"sama menggunakan logam tembaga

seperti pada elemen patch.

2.5 Dimensi Antena

alam men8ari bentuk dimensi antena terlebih dahulu harus mengetahui

parameter bahan yang digunakan seperti tebal substrat (h)& konstanta dielektrik 6

r ε & tebal konduktor (t)& dan rugi"rugi yang dimiliki oleh bahan.

Setelah parameter bahan ditentukan selanjutnya menghitung panjang

antena planar untuk mengetahui nilai bandwidth agar sesuai.

@ika panjang antena terlalu pendek maka berpengaruh terhadap nilai

bandwidth yang sempit. @ika terlalu panjang maka bandwidth semakin lebar&

namun berakibat terhadap efisiensi radiasi menjadi lebih ke8il.

engan mengatur lebar dari antena (w2& maka nilai impedansi masukan

juga akan berubah. Hntuk mengetahui panjang dan lebar antena planar dapat

menggunakan persamaan -.# berikut '17

w -1- ;

+r f

c

ε

............................................................................................(-.#)

imana

w Febar konduktor (mm)



22

r ε :onstanta dielektrik relatif (6m)

c :e8epatan 8ahaya di ruang bebas (% C 1;$ m6s)

f ; *rekuensi kerja antena (04)

Sedangkan untuk menentukan panjang patch antena ( -) diperlukan

parameter 3- yang merupakan pertambahan panjang dari - ( 3-) akibat adanya

fringing effect . ,ertambahan panjang dari - ( 3-) tersebut dirumuskan dengan

persamaan -.1; '17

-∆ ;&1- h

( )

( ) $&;-!$&;

-3&;%&;

++

++

h

w

h

w

eff

eff

r

r

ε

ε

.................................................................. (-.1;)

imana h merupakan tebal substrat dan)(

eff r ε adalah konstanta

dielektrik efektif yang dirumuskan menggunakan persamaan -.11 yaitu '17

eff r ε

+

−+

+

w

hr r

1-1

1

-

)1(

-

)1( ε ε

...................................................................(-.11)

imana

eff r ε

:onstanta dielektrik relatif efektif bahan substrat (6m)


h >ebal substrat (mm)

w Febar konduktor (mm)

engan panjang pat8h ( -) menggunakan persamaan -.1- '17



23

- -eff " - -∆ ...................................................................................................

(-.1-)

dimana -eff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan

persamaan -.1% berikut '17

-eff eff r f

c

ε ;-

P.........................................................................................(-.1%)

Hntuk menghitung nilai dari saluran pen8atu dilakukan dengan

menghitung lebar dan panjang inset feed . Febar saluran pen8atu (w;) untuk w; G -

menggunakan persamaan -.1 '-;

-N-

$ ;

-; <−

=h

w

e

ew

A

A

.............................................................................

.......(-.1)

Sedangkan untuk ;w Q -& persamaan -.1! adalah '-;

;w

−+−

−+−−− )

31&;%#&;)1(ln(

-

1)1-ln(1

r r

r % % %h

ε ε

ε

π ....................(-.1!)

engan nilai A dan B didapat dengan persamaan -.13 dan -.17 yaitu '-;

A r r

r r ,

ε ε

ε ε 11&;-%&;(1

1

-

1

3;

; ++−+

....................................................................(-.13)



24

%

r , ε

π

;-

%77

..................................................................................................(-.17)

imana

, ; Impedansi karakteristik (!; ?)


2.6 Teni Pen!atuan Saluran Mir"stri#

>eknik pen8atuan digunakan untuk menghasilkan radiasi baik se8ara

kontak langsung maupun tidak langsung.

>erdapat dua jenis metode pen8atuan& yaitu 4ontacting (direct feeding )

dan 5on!contacting ( Electro!magnetically 4oupled ) atau biasa disebut 'ro6imity

coupled feeding .

Saluran mikrostrip ini dibuat menggunakan dua tumpukan substrat

dielektrik. ,ada patch peradiasi terletak dengan posisi sebidang dengan substrat

paling atas (layer pertama) dan untuk feeding atau pengumpan terletak sebidang

dengan substrat pada layer kedua. ,en8atuan ini dikopel se8ara elektromagnetis

yang juga se8ara tidak langsung dibatasi oleh substrat dielektrik

>eknik pen8atuan Electro!magnetically 4oupled (E0O) bertujuan untuk

mengurangi radiasi yang tidak diinginkan serta memperbaiki bandwidth tanpa

rangkaian matching tambahan '-1.



25

Selain memiliki kelebihan dengan memperluas bandwidth& pen8atuan ini

memiliki kelemahan yaitu dibutuhkan ketepatan saat mendesain bagian atas dan

ba+ah pada layer agar dapat terkopel dengan baik '--. /ambar -.1; merupakan

pen8atuan dengan 'ro6imity coupled feeding seperti diba+ah ini '1#

/ambar -.1% ,roCimity Ooupled *eeding

2.$ Antena Planar Arra%

Salah satu teknik untuk meningkatkan performansi dari antena planar yaitu

dengan mendesain antena array. Antena array biasanya didesain untuk men8apai

spesifikasi yang tidak dapat di8apai menggunakan antena satu elemen seperti

bentuk pola radiasi tertentu& besar gain7 dan lainnya. Selain itu antena array juga

biasa digunakan jika antena membutuhkan pergeseran beam ke arah tertentu.

Salah satu masalah pada antena array yaitu mutual coupling & adanya

mutual coupling antar elemen dari antena dapat mengurangi effisiensi dari antena

yang akan berimbas pada menurunnya gain absolut dari antena. ,engurangan

effisiensi dari antena ini terjadi karena adanya gelombang permukaan yang terjadi

antar elemen yang mengakibatkan hilangnya sebagian daya dari antena. Oara



26

untuk mengurangi mutual coupling yaitu dengan mengatur jarak antar elemen

sebesar setengah lamda '-7& selain itu dapat juga digunakan metamaterial dan

Defeat *round System (/S) yang dibentuk dan diletakkan sedemikian rupa di

antara elemen"elemen array '-$.

,ola radiasi antena array lebih besar pada arah tertentu dan lebih ke8il

pada arah yang lain. ,ola radiasi dari antena *(R) dari suatu antena array

merupakan perkalian antara faktor dari tiap elemen

*e

(R) dan array faktor dari

antena *a (R)& seperti dinyatakan pada persamaan -.1$ '1$

)(*)(*)*( e θ θ θ a×=PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP...-.1$

Sedangkan nilai array factor (A*) dapat dihitung sebagai berikut '1$

ψ 1)"eCp(j(nAA* =

1n 1"n∑ ==

PPPPPPPPPPPPPPPPPPP...-.1#

β θ ψ += 8oskd PPPPPPPPPPPPPPPPPPP.....................-.-;

;

-k

λ

π =

PPPPPPPPPPPPPPPPPPP....................................-.-1

imana

phase eksitasi pada masing"masing single elemen

1"nA nilai amplitude yang digunakan pada tiap"tiap elemen

Hntuk nilai 1A n = & medan radiasi dapat dinormalisasi sebagai berikut

'1$

)-sin(

)-

=sin(

=

1

e1

e1

=

1A*

j

j=

n ψ

ψ

ψ

ψ

⋅=−

−⋅=

PPPPPPPPPPPPPPPPP-.--



27

&ain lobe yang dihasilkan dari antena array terjadi saat ;=ψ sedangkan

grating lobe terjadi saat π ψ n-±= grating lobe dari antena array harus

dihilangkan karena dapat menghasilkan sinyal yang diterima pada arah yang

diinginkan. =ilai dari jarak antar elemen (d) agar grating lobe dapat dinyatakan

sebagai berikut '1$

DsinD1

1d

maC&;

θ λ +<

PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP..-.-%

imana maC&;sin θ adalah arah sudut maksimum dari main beam dari antena.

bab ii baru.docx

Documents