Download - ANTENA MIKROSTRIP
ANTENA MIKROSTRIP
1. Pendahuluan
Ide atau konsep antena mikrostrip diusulkan oleh Deschamps pada awal
tahun 1950 dan baru dibuat untuk pertama kalinya 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
seperti : Personal Communications System ( PCS ), mobile satellite communications,
Direct Broadcast Television ( DBS ), Radio Detection And Ranging ( Radar ) dan
Global Positioning System ( GPS ).
Teknologi antena mikrostrip ini sampai sekarang masih merupakan salah satu
topik yang menarik di dalam berbagai aplikasi gelombang mikro, baik di bidang
akademis, industri maupun penelitian. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip
tersebut mempunyai bentuk yang sederhana, kecil dan ringan, efisien, ekonomis dan
mudah pembuatannya. Geometri dari antena mikrostrip ini dapat dilihat pada
Gambar 1. Disamping kelebihan yang ada, antenna mikrostrip tersebut juga
mempunyai kelemahan yang mendasar yaitu lebar pita atau bandwidth yang sempit,
keterbatasan penguatan atau gain dan kapabilitas penanganan daya yang rendah.
Teknik atau metode yang digunakan untuk mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut
antara lain dengan : mengintegrasikan rangkaian aktif, membuat komposisi elemen-
elemen peradiasi dalam bentuk susun atau array dan dapat juga disusun secara
bertumpuk atau stacked.
1
Gambar 1 Geometri Antena Mikrostrip
Dengan h adalah ketebalan sunbstrat dan εr adalah konstanta dielektrik substrat dan
satu lagi parameter yang harus diperhatikan adalah rugi-rugi tangensial atau tan
2. Cavity Model
Untuk menganalisa antena mikrostrip, salah satu pendekatan yang dapat
digunakan adalah dengan model rongga atau cavity model, dengan pertimbangan
bahwa model ini ternyata lebih sederhana dan mudah diterima dalam perancangan
karena kesalahan yang dihasilkan masih bisa ditoleransi. Model cavity memodelkan
daerah antara dua bidang konduktor yang sejajar, yaitu patch radiator dan bidang
pentanahan, sebagai suatu rongga yang dibatasi oleh dinding magnetik sepanjang
batas luar patch. Medan listrik E dalam substrat hanya mempunyai arah komponen z
dan medan magnet H hanya mempunyai sebuah komponen yang melintang pada
ruang cavity. Karena ketebalan substrat dielektrik ( h ) << panjang gelombang ( λ0 ),
maka pada ruang cavity tidak bergantung pada z. Komponen tangensial dari medan
magnet H pada tepi sangatlah kecil sehingga dapat diabaikan. Memperhitungkan
adanya medan pinggir ( fringing fields ) antara pinggir konduktor antena dan bidang
pentanahannya.
2
3. Elemen Peradiasi
Ada beberapa tipe elemen peradiasi atau patch dari antena mikrostrip, seperti
bentuk : rectangular, square, circular, ring, triangular dan pentagonal.
3.1. Bentuk rectangular
Bentuk rectangular merupakan bentuk yang sangat sederhana, seperti yang
terlihat pada Gambar 2. Dengan menggunakan model cavity, frekuensi resonansi
dapat dituliskan sebagai berikut :
dengan :
εr = konstanta dielektrik substrat
c = kecepatan cahaya
a = panjang dari sisi
aeff = panjang dari sisi setelah memasukkan efek pinggir
h = ketebalan dari substrat
Gambar 2 Geometri antena mikrostrip bentuk segiempat
3
3.2. Bentuk circular ( lingkaran )
Bentuk yang lain adalah lingkaran seperti terlihat pada Gambar 3. Frekuensi
resonansinya adalah :
dengan :
aeff = jari-jari lingkaran setelah memasukkan efek pinggir
χmn = kmnaeff adalah akar dari J'm(kmna) = 0
Gambar 3 Geometri antena mikrostrip bentuk lingkaran
3.3. Bentuk ring ( cincin )
Bentuk cincin ini dapat dilihat ada Gambar 4. Ring ratio ( β ) = b/a , dengan
a adalah jari-jari lingkaran luar dan b adalah jari-jari lingkaran dalam. Frekuensi
resonansi dapat dituliskan sebagai berikut :
dengan :
4
mn = kmnaeff adalah akar dari persamaaan karakteristik :
J|m(kmna)Y|
m(kmnb) – Y|m(kmna)J|
m(kmnb) = 0
Gambar 4 Geometri antena mikrostrip bentuk cincin
3.4. Bentuk triangular ( segitiga sama sisi )
Bantuk segitiga sama sisi ini dapat dilihat pada Gambar 5, dengan frekuensi
resonansinya akan terkait dengan mode yang ditentukan :
( 3.4.1 )
dengan :
c = kecepatan cahaya di ruang bebas
r = konstanta dielektrik relatif
5
kmn = bilangan gelombang =
Frekuensi resonan orde TM10 menjadi :
( 3.4.2 )
Persamaan di atas masih belum mengikutsertakan pengaruh dari efek medan
pinggir. Untuk mendapatkan frekuensi resonan yang lebih akurat maka εr pada
persamaan ( 3.4.1 ) atau pada persamaan ( 3.4.2 ) diganti dengan konstanta dielektrik
efektif ( ) yang dihitung dari nilai rata-rata konstanta dielektrik efektif untuk
panjang elemen radiator sama dengan a :
( 3.4.3 )
Efek medan pinggir masuk ke dalam perhitungan dengan memasukkan aeff. Nilai
yang mendekati aeff diberikan oleh :
( 3.4.4 )
Dengan demikian persamaan terakhir untuk frekuensi resonan orde TM10 menjadi :
( 3.4.5 )
6
Gambar 5 Geometri dari antena mikrostrip segitiga sama sisidengan pencatuan koaksial
4. Saluran Pencatu
Secara garis besar ada dua macam teknik pencatuan, yaitu :
4.1. Pencatuan secara langsung ( Koaksial )
Terjadi kontak langsung antara patch antena dengan saluran pencatu, seperti
terlihat pada Gambar 6. Pencatuan secara langsung lebih sederhana, tetapi juga
mempunyai kelemahan seperti : sangat sulit jika antena akan dipabrikasi dalam
bentuk array dan bandwidth-nya sangat sempit.
7
4.2. Pencatuan secara elektromagnetik kopling
Dengan pencatuan secara elektromagnetik kopling tidak terjadi kontak
langsung antara patch antena dengan saluran pencatunya sehingga proses matching
dapat dilakukan secara terpisah dan independen. Adapun kelebihan dari pencatuan
secara elektromagnetik kopling antara lain adalah : mengurangi proses penyolderan
dan dapat meningkatkan bandwidth.
Ada dua macam teknik pengkopelan yang biasanya digunakan pada
pencatuan secara elektromagnetik kopling ini, yaitu :
4.2.1. Proximity Coupled
Pada pengkopelan ini digunakan dua buah substrat, dimana patch diletakkan
pada substrat bagian atas dengan bidang pentanahannya dihilangkan seluruhnya.
Saluran mikrostrip diletakkan pada substrat bagian bawah dan tetap memiliki bidang
pentanahan. Saluran mikrostrip diletakkan di tengah-tengah dari lebar patch dan
berjarak s dari tepi patch, seperti terlihat pada Gambar 7.
Besar penggandengan tergantung dari dua faktor, yaitu jarak s dan lebar patch
W. Penggandengan akan meningkat ketika jarak s bertambah dan mencapai nilai
maksimum ketika s = L/2.
8
Gambar 7 Geometri antena mikrostrip dengan teknik pengkopelan secara proximity 4.2.2. Aperture Coupled
Geometri antena mikrostrip yang tergandeng celah ( aperture coupled ) dapat
dilihat pada Gambar 8. Susunan antena dapat terdiri atas dua atau lebih substrat,
dengan patch antena berada pada permukaan atas dari substrat dan saluran transmisi
diletakkan pada permukaan bawah dari substrat. Patch antena dan saluran transmisi
dipisahkan oleh bidang pentanahan dan digandeng ( coupled ) melalui sebuah celah (
slot/aperture ) pada bidang pentanahan yang disisipkan diantara keduanya.
Impedansi matching dari antena dapat dicapai dengan mengontrol impedansi
karakteristik saluran transmisi dan dengan mengatur dimensi serta posisi dari celah
tersebut.
Pada antena mikrostrip yang digandeng melalui celah ( aperture ), maka
celah tersebut dapat dirancang berbentuk slot rectangular yang diletakkan pada
bidang pentanahan dibawah patch antena. Slot tersebut ditempatkan ditengah-tengah
patch dengan posisi menyilang terhadap saluran transmisi dan saluran transmisi
berada pada substrat lainnya. Dalam proses perancangan ada parameter tambahan
yang harus diperhatikan, yaitu : panjang dari aperture, lebar dari aperture dan
panjang tambahan ( stub ) dari saluran transmisi.
Saluran transmisi yang biasanya digunakan sebagai saluran pencatu pada
pencatuan secara elektromagnetik kopling ada dua macam, yaitu :
4.2.3. Saluran Mikrostrip
Saluran transmisi mikrostrip tersusun dari dua konduktor, yaitu sebuah garis
(strip) dengan lebar w dan bidang pentanahan, keduanya dipisahkan oleh suatu
substrat yang memiliki konstanta dielektrik relatif r dengan tinggi h seperti terlihat
pada Gambar 9. Parameter utama yang penting untuk diketahui pada suatu saluran
transmisi adalah impedansi karakteristiknya Z0. Impedansi karakteristik Z0 dari
saluran mikrostrip ditentukan oleh lebar strip (w) dan tinggi substrat ( t ).
9
Gambar 9 Geometri saluran mikrostrip.
Karakteristik Saluran Mikrostrip Untuk w/h <1
Konstanta dielektrik efektif
Impedansi karakteristik
Karakteristik Saluran Mikrostrip Untuk w/h >1
Konstanta dielektrik efektif
Impedansi karakteristik
4.2.4. Saluran Coplanar Waveguide
Saluran Coplanar waveguide (CPW) merupakan salah satu jenis saluran
transmisi yang dapat dipakai untuk mencatu antena mikrostrip. Tidak seperti saluran
transmisi lainnya, CPW ini mempunyai keunggulan, yaitu kemudahan untuk
merealisasikan hubungan seri maupun paralel baik pada komponen pasif maupun
10
komponen aktif. Disamping itu karakteristik impedansinya dapat dikontrol dengan
mengkombinasikan line width ( lebar konduktor = w ) dan gap width ( lebar celah =
s ) dari saluran CPW tersebut. Dengan cara ini rugi-rugi ohmic dari saluran CPW
dapat dikurangi secara proposional. Gambar 10 memperlihatkan struktur dasar dari
saluran CPW, yang terdiri atas satu strip konduktor yang berada ditengah dan dua
bidang pentanahan yang masing-masing berada disisi strip konduktor dengan jarak
sebesar w.
Gambar 10 Struktur CPW
Karakteristik penting dari CPW sebagai saluran transmisi adalah impedansi
karakteristik ( Z0 ) dan konstanta dielektrik effektif ( ) dari substrat CPW yang
diekspresikan sebagai berikut :
11
Bidang Pentanahan
s
Konduktor Tengah
h
w
h
dengan :
K(k) adalah bentuk pertama integral elliptik dari argumen k, sedangkan
, w adalah lebar jalur konduktor dan s adalah lebar celah serta h adalah tebal
substrat.
Sedangkan untuk panjang saluran pada CPW dapat diperoleh dari persamaan
kecepatan phasa gelombang pada CPW yang dirumuskan sebagai :
dengan :
C = kecepatan gelombang elektromagnetik pada ruang bebas.
VCPW = kecepatan phasa gelombang pada CPW
Dengan mengganti VCPW = lCPW.. f dan C = l0. f, maka persamaan panjang
saluran CPW dapat diekspresikan sebagai berikut :
dengan :
f = frekuensi kerja,
lCPW = panjang gelombang saluran CPW
l0 = panjang gelombang di ruang bebas
5. Parameter Antena Mikrostrip
5.1. Bandwidth ( BW )
Bandwidth merupakan rentang frekuensi kerja antena dan pada rentang
tersebut VSWR yang dihasilkan 2, dimana nilai VSWR tersebut masih dapat
12
ditoleransi. Bandwidth dinyatakan dalam bentuk presentase bandwidth karena
sifatnya konstan relatif terhadap frekuensi. Persen bandwidth (BW) dapat
didefinisikan sebagai :
dengan: fh = frekuensi tertinggi dalam band (GHz)
fl = frekuensi terendah dalam band (GHz)
fc = frekuensi tengah dalam band (GHz),
5.2. Voltage Standing Wave Ratio ( VSWR )
VSWR merupakan perbandingan dari tegangan maksimum dengan tegangan
minimumnya.
Harga VSWR akan optimal ketika harga dari = 0 atau harga VSWR berarti = 1.
Ini berarti bahwa semua daya dapat dipancarkan ke antena dan tidak ada yang
dikembalikan. Biasanya harga VSWR masih dapat ditolerir jika VSWR ≤ 2.
5.3. Faktor Kualitas (QT)
Total faktor kualitas QT elemen peradiasi merupakan penjumlahan dari
perbandingan kualitas faktor radiasi Qr, rugi-rugi konduktor Qc dan rugi-rugi
dielektrik Qd :
dengan :
13
WT =
Qr adalah rugi-rugi radiasi, Qc adalah rugi-rugi konduktor dan Qd adalah rugi-rugi
dielektrik, sedangkan Pr adalah daya radiasi.
5.4. Efisiensi
Efisiensi antena didefinisikan sebagai perbandingan antara daya yang
diradiasikan terhadap daya masukan yang dapat dinyatakan dengan persamaan :
dengan Pin adalah input daya
5.5. Penguatan
Penguatan Gd pada antena mikrostrip dapat dihitung dengan
mengintegrasikan pola radiasi atau medan jauh pada permukaan tertutup dari antena
tersebut. Persamaannya dapat ditulis sebagai berikut :
dengan :
14
dan nilai-nilai medan jauh dan diperoleh dari persamaan dimana digunakan
bentuk patch antenanya
15