13101050 5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Antena Mikrostrip

Antena merupakan suatu alat yang digunakan untuk melepaskan

gelombang elektromagnetik ke ruang bebas, dan sebaliknya menerima

gelombang elektromagnetik dari ruang bebas [3]. Fungsi antena adalah untuk

mengubah sinyal listrik menjadi sinyal elektromagnetik, lalu meradiasikannya

(Pelepasan energi elektromagnetik ke udara atau ke ruang bebas). Dan

sebaliknya, antena juga dapat berfungsi untuk menerima sinyal elektromagnetik

(Penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas) dan mengubahnya menjadi

sinyal listrik. Gambar 2.1 memperlihatkan antena transceiver [3].

Gambar 2.1 Antena Sebagai Pengirim dan Penerima [3]

Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel diatas

ground plane yang diantaranya terdapat bahan dielektrik seperti yang terlihat

pada gambar 2.2. Antena mikrostrip merupakan antena yang memiliki massa

ringan, mudah difabrikasi, dan dapat ditempatkan pada hampir semua jenis

permukaan dan ukurannya kecil jika dibandingkan dengan antena jenis lain.

Karena sifat yang dimilikinya, antena mikrostrip sangat sesuai dengan kebutuhan

saat ini sehingga dapat diintegrasikan dengan peralatan telekomunikasi lain yang

berukuran kecil, akan tetapi antena mikrostrip juga memiliki beberapa

kekurangan yaitu: bandwidth yang sempit, gain dan directivity yang kecil, serta

efisiensi yang rendah [4].

Gambar 2.2 Struktur Dasar Antena Mikrostrip [4]

13101050 6

Dengan : t = Tinggi patch atau tebal patch

W = Panjang patch

L = Lebar patch

h = Tinggi substrat atau tebal substrat

ɛr = Substrat dielektrik

Antena mikrostrip terdiri dari tiga lapisan. Lapisan tersebut adalah

patch, substrat dielektrik, dan ground plane. Adapun fungsi dari masing-masing

bagian dari antena mikrostrip adalah [4]:

a. Patch

Patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik

ke udara, terletak di paling atas dari keseluruhan sistem antena. Patch terbuat

dari bahan konduktor seperti tembaga. Bentuk patch bisa bermacam-macam

misalnya lingkaran (circular), persegi (square), persegi panjang

(rectangular), segitiga (triangular), oval (elliptical), dan cincin (circular

ring) [4].

b. Substrat Dielektrik

Substrat berfungsi sebagai bahan dielektrik dari antena mikrostrip

yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan. Elemen ini

memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai

konstanta dielektrik (ɛr) dan ketebalannya (h). Kedua nilai tersebut

mempengaruhi frekuensi kerja, bandwidth dan juga efisiensi dari antena yang

akan dibuat. Ketebalan substrat jauh lebih besar dari pada ketebalan

konduktor metal peradiasi. Semakin tebal substrat maka bandwidth akan

semakin meningkat, tetapi berpengaruh terhadap timbulnya gelombang

permukaan (surface wave). Gelombang permukaan pada antena mikrostrip

merupakan efek yang merugikan karena akan mengurangi sebagian daya

yang seharusnya dapat digunakan untuk meradiasikan gelombang

elektromagnetik ke arah yang diinginkan.

Tabel 2.1 Nilai Konstanta Dielektrik Antena Mikrostrip [4]

Bahan dielektrik Nilai kontanta dielektrik (ɛ𝒓)

Alumunium 9,8

Material Sintetik Teflon 2,08

Material Komposit-Duroid 2,2-10,8

Ferimagnetik-Ferrite 9-16

Semikonduktor-Silikon 11,9

Fiberglass 4,882

13101050 7

Pada tabel 2.1 menunjukan beberapa bahan dielektrik dengan nilai

permitivitas yang sering digunakan untuk membuat substrat antena

mikrostrip. Dari tabel tersebut terlihat bahwa semikonduktor-silikon

memiliki nilai ɛr yang paling tinggi dan teflon memiliki ɛr yang paling rendah.

Antena mikrostrip memiliki nilai radiasi paling tinggi didaerah tepian patch.

Untuk menghasilkan efisiensi dan radiasi yang baik dalam artian ingin

memiliki bandwidth yang lebih besar maka bisa digunakan substrat yang

dibuat tebal dengan nilai konstanta dielektrik yang rendah [4].

c. Ground Plane

Ground plane berfungsi sebagai ground bagi sistem antena

mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang

sama dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga dan berfungsi

untuk memantulkan sinyal yang tidak diinginkan [4].

2.1.1 Kelebihan Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip ini mempunyai beberapa keuntungan apabila

dibandingkan dengan antena konvesial lainnya, yaitu [3]:

a. Memiliki ukuran yang kecil dan ringan.

b. Dual polarisasi dan dual frekuensi dapat dengan mudah dibuat.

c. Mudah difabrikasi dan tidak memakan biaya yang besar.

d. Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan gelombang mikro sirkuit

terpadu.

2.1.2 Kelemahan Antena Mikrostrip

Akan tetapi selain kelebihan-kelebihan yang telah diuraikan diatas,

antena mikrostrip juga mempunyai bebrapa keterbatasan, yaitu [4]:

a. Mempunyai gain yang rendah.

b. Memiliki bandwidth yang sempit.

c. Mempunyai efisiensi yang rendah.

d. Dapat terjadi radiasi yang tidak diinginkan pada feed line-nya.

e. Timbulnya surface wave atau gelombang permukaan.

2.2 Teknik Pencatuan

Dalam perancangan antena, teknik pencatuan merupakan hal yang

sangat penting karena salah satu syarat antena yang baik ialah apabila impedansi

input sesuai (matched) dengan impedansi karakteristik kabel pencatunya serta

dapat memancarkan dan menerima energi gelombang radio dengan arah

polarisasi yang sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan. Teknik pencatuan yang

digunakan pada antena mikrostrip diklasifikasikan menjadi dua yaitu pencatuan

13101050 8

secara langsung (direct coupled) dan secara tidak langsung (proximity coupled).

Pada teknik pencatuan langsung (direct coupled), power RF (Radio Frequency)

langsung dicatu ke patch menggunakan elemen penghubung pada jalur

mikrostrip tersebut. Kelebihan pencatuan secara langsung adalah sangat

sederhana dalam proses pencatuannya tetapi sulit jika antena mikrostrip disusun

secara array dan bandwidth yang dihasilkan sempit. Dengan kekurangan ini

maka dalam perkembangan selanjutnya diperkenalkan pencatuan tidak langsung

atau electromagnetic coupled. Keuntungan dari teknik pencatuan ini adalah

dapat memperlebar bandwidth dan dapat mengurangi proses penyolderan. Ada 4

macam teknik pencatuan yang paling populer digunakan, yakni proximity

coupled, microstrip line, coaxial probe, dan aperture coupled [3].

2.2.1 Proximity Coupled [5]

Proximity coupled seperti yang terlihat pada Gambar 2.3 merupakan

teknik pencatuan yang memiliki keunggulan pada bandwidth yang dihasilkan

paling besar dan radiasi tambahan (spurious radiation) yang kecil.

Gambar 2.3 Antena Mikrostrip Dengan Pencatuan Proximity Coupled [5]

Untuk dapat menganalisis sebuah antena mikrostrip, maka diperlukan

sebuah pemodelan yang dapat menggambarkan kondisi antena kedalam sebuah

kondisi persamaan yang dapat dianalisis secara akurat. Berbagai pemodelan

untuk antena mikrostrip tersebut telah banyak dikembangkan dan satu

diantaranya yang popular adalah model cavity.

Pada model cavity, daerah interior yaitu ruang antara patch dan ground

plane 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.

13101050 9

Gambar 2.4 Model Cavity Untuk Pencatuan Proximity Coupled [5]

Beberapa asumsi model cavity berdasarkan observasi dari substrat tipis

(h < λo) :

a. Medan elektrik hanya terdiri atas komponen transverse di dalam daerah yang

dibatasi oleh patch dan ground plane.

b. Medan-medan dalam daerah ini tidak berubah-ubah (bebas) terhadap

koordinat z untuk semua frekuensi yang digunakan.

c. Komponen tangensial H sepanjang tepi diabaikan.

d. Memasukkan medan tepi (fringing field) dalam perhitungan dengan sedikit

memperlebar tepi-tepi.

2.3 Parameter Antena Mikrostrip

2.3.1 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

VSWR adalah perbandingan antara tegangan maksimum (|V|max)

dengan tegangan minimum (|V|min) pada suatu gelombang berdiri yang muncul

akibat terjadinya pantulan gelombang yang disebabkan oleh impedansi masukan

yang tidak match dengan saluran pencatu [4]. Perbandingan ini dapat dinyatakan

menggunakan persamaan (2-1) [4]:

Γ = V0−

V0+ =

ZL−Z0

ZL+Z0 (2-1)

Dengan : Γ = Koefisien refleksi pantul (return loss).

V0− = Tegangan yang direfleksikan.

V0+ = Tegangan yang dikirimkan.

ZL = Impedansi beban.

Z0 = Impedansi saluran.

Sedangkan untuk mencari nilai VSWR adalah [4]:

VSWR = |V|max

|V|min =

|1+Γ|

|1−Γ| (2-2)

Dengan : Γ = Koefisien refleksi pantul (return loss).

|V|max = Tegangan maksimum.

|V|min = Tegangan minimum.

13101050 10

Tegangan koefisien refleksi memiliki nilai kompleks, yang

menunjukkan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa

permasalahan yang sederhana, bagian imajiner dari Г diabaikan, maka [4]:

Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna.

Γ = -1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat.

Γ = 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka.

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 yang berarti

tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun

kondisi ini pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Karena desain antena untuk

kondisi multipath. Maka dari itu pada penelitian ini, nilai VSWR yang

diharapkan adalah kurang dari 2.

2.3.2 Bandwidth

Bandwidth sebuah antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi

dimana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik, seperti

impedansi masukan, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi, VSWR,

return loss dan axial ratio memenuhi spesifikasi standar [6]. Pada pembuatan

antena yang dilakukan kali ini rentang frekuensi yang digunakan adalah dari 2,3

GHz - 2,4 GHz dengan nilai frekuensi tengahnya (center) pada frekuensi 2,35

GHz.

Pada umumnya kriteria bandwidth antena adalah besarnya perubahan

impedansi antena tersebut terhadap perubahan frekuensi kerja dari frekuensi

tengahnya. Perubahan impedansi antena biasanya ditunjukkan oleh perubahan

nilai VSWR maupun return loss. Jadi, bandwidth antena dapat diartikan sebagai

lebar bidang frekuensi untuk VSWR atau return loss dibawah suatu nilai tertentu.

Bandwidth dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2-3) [7]:

BW = f2−f1

fcΧ 100 % (2-3)

Dengan : f2 = frekuensi tertinggi yang digunakan (GHz).

f1 = frekuensi terendah yang digunakan (GHz).

fc = frekuensi tengah yang digunakan (GHz).

Gambar 2.5 Lebar Bandwidth [7]

13101050 11

2.3.3 Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang

direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss

digambarkan sebagai peningkatan amplitudo dari gelombang yang direfleksikan

(V0−) dibanding dengan gelombang yang dikirim (V0

+). Return loss dapat terjadi

akibat adanya ketidak sesuaian impedansi (mismatched) antara saluran transmisi

dengan impedansi masukan beban (antena). Rumus untuk mencari nilai return

loss adalah sebagai berikut [4]:

Γ =V0−

V0+ =

ZL−Z0

ZL+Z0=

VSWR−1

VSWR+1 (2-4)

Return loss = 20 log10 | Γ | (2-5)

Karena perancangan dan realisasi antena mikrostip array patch persegi panjang

MIMO ini menggunakan nilai VSWR ≤ 2, maka berdasarkan persamaan (2-5)

dapat diperoleh nilai return loss yang dibutuhkan adalah di bawah -9.6 dB.

2.3.4 Polarisasi

Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan

oleh antena. Definisi lain adalah arah gerak medan listrik dari gelombang

elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena pada lobe utamanya [8]. Jika arah

tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain

maksimum. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu

keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitude

vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Polarisasi merupakan

orientasi perambatan radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh

suatu antena dimana arah elemen antena terhadap permukaan bumi sebagai

referensi lain atau polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena.

Dengan mempertimbangkan jarak, right angle ke arah dimana gelombang

tersebut dipancarkan. Pada gambar 2.6 menunjukkan polarisasi antena.

Gambar 2.6 Polarisasi Antena [8]

Polariasi diklasifikasikan menjadi tiga yaitu, polarisasi liniar (linear), melingkar

(circular) dan elips (elliptical).

13101050 12

a. Polarisasi Linear

Polarisasi ini bisa dikatakan linear jika medan listrik pada arah y dan

axial ratio (AR) = ~. AR merupakan perbandingan antara sumbu mayor

dengan sumbu minor. Gambar 2.7 merupakan gambar dari polarisasi linear.

Gambar 2.7 Polarisasi Linear [8]

Polarisasi linear terbagi menjadi dua jenis yaitu polarisasi horizontal

dan vertical. Polarisasi horizontal merupakan polarisasi yang arah rambat

gelombangnya ke arah horizontal terhadap permukaan bumi. Sedangkan

polarisasi vertical merupakan polarisasi yang arah rambat gelombang ke arah

vertical terhadap permukaan bumi.

b. Polarisasi Circular

Polarisasi ini bisa dikatan circular jika sumbu mayor sama dengan

sumbu minor dan axial ratio (AR) = 1. Pada polarisasi circular besar medan

listrik sama dan berputar dalam lintasan berbentuk lingkaran seperti di

tunjukkan gambar 2.8.

Gambar 2.8 Polarisasi Circular [8]

c. Polarisasi Elliptical

Polarisasi ini bisa dikatan ellips jika sumbu mayor sama dengan

sumbu minor dan axial ratio (AR) ≠ 1 dan ≠ ~. Polarisasi ini berputar dalam

lintasan berbentuk ellips seperti di tunjukkan gambar 2.9.

13101050 13

Gambar 2.9 Polarisasi Elliptical [8]

2.3.5 Gain

Gain antena berkaitan erat dengan direktivitas, merupakan besaran yang

memperhitungkan efisiensi antena dan kemampuan direksionalnya. Gain suatu

antena merupakan perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena

terhadap intensitas radiasi antena referensi. Persamaan untuk menyatakan gain

dinyatakan pada persaman (2-6) [4]:

G = η × D (2-6)

Dengan : η = Faktor efisiensi antena (0 ≤ η ≤ 1)

D = Direktivitas

Ada dua jenis parameter penguatan gain yaitu absolute gain dan relative

gain [7]. 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 isotropic.

Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan

secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan

4π. Absolute gain ini dapat dihitung dengan persamaan [4]:

Gain = 4π xIntensitas Radiasi

Total Daya Masukan= 4π x

U(θ,ϕ)

Pin (2-7)

Dengan : U(θ, ϕ) = Intensitas radiasi.

Pin = Total daya yang diterima oleh antena.

Selain absolute gain juga ada relative gain. Relative gain didefinisikan

sebgai perbandingan antara perolehan daya pada sebuah arah dengan perolehan

daya pada antena referensi pada arah yang direferensikan juga. Daya masukan

harus sama diantara kedua antena itu. Akan tetapi, antena referensi merupakan

sumber isotropic yang lossless (Pin (lossless)). Secara umum dapat dihubungkan

seperti pada persamaan (2-8) [4]:

Gain = 4π U (θ,ϕ)

Pin(lossess) (2-8)

13101050 14

2.3.6 Pola Radiasi Antena [9]

Pola radiasi merupakan suatu gambaran grafis dari sifat pancaran antena

yang dihasilkan sebagai fungsi dari parameter koordinat ruang. Pada umumnya,

pola radiasi ditentukan pada pola daerah medan jauh dan digambarkan sebagai

fungsi koordinat arah sepanjang radius tetap. Gambar pola radiasi ditunjukkan

pada gambar 2.10.

Gambar 2.10 Pola Radiasi [9]

Main lobe atau major merupakan daerah yang pola pancarnya paling

besar. Side lobe atau dikategorikan menjadi first side lobe dan second side lobe.

First side lobe merupakan minor lobe yang paling dekat dengan side lobe dan

second side lobe merupakan minor lobe yang terjauh dari minor lobe. Sedangkan

back lobe merupakan minor lobe yang berlawanan dengan main lobe.

a. Pola Radiasi Uni-directional

Pola radiasi uni-directional adalah pola radiasi yang memiliki arah

pancaran terkuat pada satu arah tertentu dibanding dengan arah lain. Pola uni-

directional ditunjukkan pada gambar 2.11.

Gambar 2.11 Pola Radiasi Uni-directional [9]

13101050 15

b. Pola Radiasi Omni-directional

Pola radiasi omni-directional adalah pola yang terbentuk ketika

antena mempunyai arah pancaran ke segala arah sama atau memiliki pola

radiasinya 360⁰ pada saat menerima dan memancarkan gelombang

elektromagnetik. Gambar 2.12 merupakan bentuk pola radiasi omni-

directional.

Gambar 2.12 Pola Radiasi Omni-directional [9]

c. Pola Radiasi Bidirectional

Pola radiasi biderctional adalah pola yang memiliki radiasi yang

sama besar ke dua titik arah pada saat menerima dan memancarkan

gelombang elektromagentik. Gambar 2.13 merupakan bentuk pola

bidirectional.

Gambar 2.13 Pola Radiasi bidirectional [9]

2.3.7 Directivitas [4]

Directivitas berfungsi untuk pembanding antara intensitas radiasi

dengan intensitas radiasi dari antena referensi isotropis. Keterarahan dari sebuah

antena didefinisikan sebagai perbandingan (rasio) intensitas radiasi sebuah

antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah.

13101050 16

Intensitas radiasi rata-rata sama dengan jumlah daya yang diradiasikan oleh

antena dibagi dengan 4π. Jika arah tidak ditentukan, arah intensitas radiasi

maksimum merupakan arah yang dimaksud. Secara umum, keterarahan pada

antena dinyatakan pada persamaan (2-9) [4].

D =U

U0=

4𝜋U

Prad (2-9)

Dan jika arah tidak ditentukan, keterahan terjadi pada intensitas radiasi

maksimum yang dapat dihitungan dengan menggunakan persamaan (2-10) [4].

Dmax = D0 =Umax

U0=

4πUmax

Prad (2-10)

Dengan : D = Directivity (dB)

D0 = Directivity maksimum (dB)

U = Intensitas radiasi (watt)

Umax = Intensitas radiasi maksimum (watt)

U0 = Intensitas radiasi pada sumber isotropic (watt)

Prad = Total daya radiasi (watt) 2.3.8 Impedansi Antena [4]

Impedansi antena sangat menentukan transfer daya maksimum antara

saluran transmisi dengan antena. Transfer daya maksimum disini berarti energi

yang disalurkan bisa sampai ke penerima dengan maksimal, tidak ada energi

yang dipantulkan. Jika impedansi antena ini matching dengan impedansi saluran

transmisi, maka transfer daya maksimum bisa tercapai. Bila impedansi antara

saluran transmisi dengan impedansi antena tidak sama maka akan terjadi

gelombang pantul yang merambat balik kearah sumber gelombang, yang

mengakibatkan kinerja antena juga berkurang.

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.

13101050 17

2.3.9 Koefisien Korelasi

Koefisien korelasi (ρ) pada antena mikrostrip MIMO (Multiple Input

Mulitple Output) berkaitan dengan hubungan antara nilai pada S-Parameter.

Antena MIMO bekerja dengan menggunakan multiple antena, antena yang

independen yang optimal adalah antena memiliki nilai cross correlation antar

antena maksimal 0,2. Dimana dengan nilai cross correlation mendekati 0 maka

semakin identik pola sinyalnya dan semakin mendekati 1 maka semakin tidak

ada korelasi [10]. Untuk mengetahui nilai koefisien korelasi pada antena

mikrostrip dengan menggunakan persamaan (2-11) [10].

ρ =|S11∗S12+ S21∗S22|

2

(1−(|S11|2 + |S21|

2))(1−(|S22|2 + |S12|

2)) (2-11)

Nilai S-Parameter yang digunakan pada persamaan di atas adalah dalam

bentuk numerik. Nilai S11 dan S22 idealnya bernilai 0, artinya arus yang mengalir

pada masing-masing port diteruskan seluruhnya dan tidak ada yang dipantulkan.

Nilai S12 dan S21 pun idealnya bernilai 0 sehingga nilai korelasi antenna MIMO

idealnya pun bernilai 0. Pada hasil pengukuran antena didapat nilai S11, S12, S21,

dan S22 sehingga didapat nilai korelasi antena MIMO dengan menggunakan nilai-

nilai tersebut.

2.3.10 Perhitungan Dimensi Patch Bentuk Persegi Panjang

Pada antena mikrostrip, penggunaan patch yang paling umum adalah

patch berbentuk persegi panjang (rectangular) karena mudah untuk dianalisa.

Berikut adalah beberapa perhitungan yang digunakan untuk merancang antena

mikrostrip berbentuk persegi panjang. Menetukan lebar patch (W) [11][12]:

w =C

2 ƒc√ɛr + 1

2

(2-12)

Dengan : C = Kecepatan cahaya di ruang bebas yaitu 3×108 m/s

ƒc = Frekuensi kerja dari antena

ɛr = Konstanta dielektrik dari bahan substrat

Dan ɛeff adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai

[11][12]:

ɛeff = ɛr+1

2+

ɛr−1

2 (|1 +

12 h

w|−1

2) (2-13)

Dimana h merupakan tinggi substrat. Sedangkan untuk menentukan

panjang patch (L) diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan

panjang dari L. Pertambahan panjang dari L (ΔL) tersebut dirumuskan dengan

[11][12]:

13101050 18

∆L = 0.412 h (ɛ eff+0.3)(

W

h +0.264)

(ɛ eff−0.258)(W

h +0.8)

(2-14)

Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan

[11][12]:

Leff =C

2fc√εeff (2-15)

Dengan demikian panjang patch (L) diberikan oleh [11][12]:

L = Leff − 2∆L (2-16)

Antena mikrsostrip dirancang dengan disertai saluran pencatu. Saluran

pencatu dirancang dengan memperhatikan panjang, lebar dan impedansi dari

antena. Perancangan saluran pencatu, menggunakan bahan yang sama dengan

patch, pada pencatuan saluran pencatu pada satu sisi akan disatukan. Saluran

pencatu yang dirancang yang akan dihubungkan dengan menggunakan port

untuk digunakan sebagi media transmisi. Dimensi dari saluran pencatu dihitung

dengan ketentuan yang berkaitan dengan impedansi dari perancangan antena.

Perancangan saluran pencatu yaitu dengan menentukan lebar dari saluran

pencatu, dengan menggunakan persamaan (2-18). Sebelumnya harus

menentukan nilai Impedansi saluran yaitu dengan menggunakan persamaan (2-

17) [4]:

B = 60π2

Z0√ɛr (2-17)

Dengan : Z0 : Impedansi beban antena (Ω)

B : Impedansi saluran (Ω)

Wst = 2h

π B − 1 − ln(2B − 1) +

ɛr−1

2ɛr[ln(B − 1) + 0.39 −

0.61

ɛr] (2-18)

Maka dapat dicari karakteristik saluran mikrostrip dengan ada dua

kondisi, seperti yang ditunjukkan pada persamaan (2-19) dan (2-20).

1. Karakteristik saluran pencatu untuk Wst/h < 1, [6]:

Konstanta dielektrik relatif:

ɛr relatif = ɛr+1

2+ɛr−1

2 [

1

√1+12h

w

+ 0.04 (1 −w

h)2

] (2-19)

2. Karakteristik saluran pencatu untuk Wst/h > 1, [6]:

Konstanta dielektrik relatif:

ɛr relatif = ɛr+1

2+ɛr−1

2 [

1

√1+12h

w

] (2-20)

13101050 19

Agar memiliki kondisi matching dapat dilakukan dengan cara

menambah transformator λ/4. Transformator λ/4 merupakan suatu teknik

impedance matching dengan cara memberikan saluran transmisi dengan

impedansi ZT diantara dua saluran transmisi yang tidak match. Dengan

menentukan panjang gelombang di ruang bebas pada persamaan (2-21) untuk

menghitung panjang saluran transmisi (Lst) transformator λ/4 [6]:

λ0 = c

fc (2-21)

Dimana λg (m) merupakan panjang gelombang untuk penggunaan

bahan dielektrik seperti pada persamaan (2-22) [6]:

λg = λ0

√ɛr relatif (2-22)

Panjang saluran transmisi (Lst) transformator λ/4 ini seperti pada

persamaan (2-23) [6]:

Lst = λg

4 (2-23)

2.4 Gelombang Sinusoidal [13]

Gelombang sinusoidal merupakan gelombang dasar dari tegangan.

Gambar 2.14 menunjukkan bentuk umum dari gelombang sinus dapat berupa

tegangan atau arus bolak balik. Tegangan dinyatakan sebagai sumbu vertikal dan

waktu dinyatakan sebagai sumbu horizontal. Tegangan berubah terhadap waktu.

Poalritas gelombang sinus adalah antara nilai positif dan nilai negatif.

Gambar 2.14 Gelombang sinusoidal [13]

Apabila sumber tegangan sinusoidal dihubungkan pada rangkaian

resisif maka akan mengahsilkan arus bolak balik. Jika polaritas tegangan

berubah, maka arus yang dihasilkan akan mengikuti perubahan. Periode dalam

gelombang sinusoidal merupakan waktu yang diperlukan untuk satu siklus penuh

dari gelombang sinus. Gelombang sinus secara terus menerus berulang kembali

ke bentuk awal. Karena semua siklus perputaran gelombang sinus adalah sama

maka periode menjadi tetap.

13101050 20

Frekuensi dalam gelombang sinus adalah banyaknya siklus yang terjadi

dalam satuan detik. Bila dalam satu detik terjadi beberapa siklus maka dapat

dikatakan gelombang tersebut memiliki frekuensi yang tinggi.

Pembangkitan tegangan sinusoidal dapat dilakukan secara

elektromagnetik dan elektronik. Secara elektromagnetik gelombang sinus

dibangkitkan melalui generator AC, dan secara elektronik gelombang sinus

dibangkitkan melalui rangkaian osilator. Perumusan gelombang sinusoidal

dalam kuantitas listrik sebagai tegangan dan arus ditunjukkan pada persamaan

(2-24) dan (2-25) [13]:

I = Im sint (2-24)

V = Vm sint (2-25)

Dengan : I = arus (Ampere)

V = tegangan (Volt)

Im dan Vm = nilai puncak dari bentuk gelombang

t = phasa

2.5 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Pada Saluran Transmisi [14]

Amplitudo maksimum terjadi ketika ada constructive interference

gelombang pantul pada phasa, dan amplitudo minimum terjadi ketika ada

destruvtive interference yang berlawanan dengan phasa. Sama dengan proses

terjadinya gelombang berdiri, tegangan dan arus sepanjang jalur transmisi juga

mengalami hal yang sama jika terdapat pantulan di sepanjang saluran transmisi.

Dengan asumsi adanya pantulan, rumusan umum untuk menentukan tegangan

ditunjukkan pada persamaan (2-26) [14]:

V (Z) = Vm+e−ϳβz + Vm

−eϳβz + Vm−e−ϳβz + Vm

−e−ϳβz (2-26)

Dimana persamaan Vm+e−ϳβz telah ditambahkan dan dikurangi dari rumusan

umum tegangan. Persamaan (2-26) disusun ulang menjadi persamaan (2-27)

[14]:

V (Z) = Vm+ (1 + Γ)e−ϳβz⏟ Traveling wave

+ 2 ϳΓ sin βz⏟ standing wave

(2-27)

Dengan : =𝑉𝑚−

𝑉𝑚+

Pada persamaan (2-27) gelombang dari amplitudo Vm+ (1 + Γ) dan

gelombang sepanjang arah z, dan persamaan kedua menunjukkan gelombang

berdiri dari amplitudo. Ilustrasi untuk proses pembentukan gelombang berdiri

yaitu:

13101050 21

1. = 0, tanpa ada pantulan pada saluran transmisi, tegangan pada saluran

transmisi dirumuskan dengan persamaan (2-28) [14]:

𝑣(𝑧, 𝑡) = 𝑉𝑚+cos (𝑡 − 𝛽𝑧 + ∅+) (2.28)

2. = −1, terjadi short circuit pada terminasi saluran transmisi dengan

rumusan tegangan dengan persamaan (2-29) [14]:

𝑣(𝑧, 𝑡) = 𝑉𝑚+ sin 𝛽𝑧 sin(𝑡 + ∅+) (2.29)

2.6 T-Junction

T-junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum

digunakan pada konfigurasi antena array. Power divider adalah salah satu teknik

yang dapat mendukung impedance matching pada saluran transmisi khususnya

untuk antena mikrostrip array [15].

Untuk mendesain antena mikrostrip array maka dibutuhkan suatu

saluran yang dapat menghubungkan patch yang ada. Bentuk awal dari saluran

tersebut berupa T-junction yang merupakan saluran pencatu yang memiliki

percabangan, dimana Z0 merupakan impedansi karakteristik dan Z adalah

impedansi transformer ¼ λ. Nilai dari Z dapat dihitung dengan menggunakan

metode wilkinson, hasil perhitungannya adalah sebagai berikut [16]:

Z = Z0√𝑁 = 50√2 = 70,7106 Ω (2-30)

Gambar saluran pencatu T-junction dapat dilihat pada gambar 2.15.

Gambar 2.15 T-Junction Untuk Mikrostrip [15]

2.7 Antena Mikrostrip Array [11]

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.

50 Ω 50 Ω

50 Ω

70,71 Ω

13101050 22

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 AF (Array Factor) 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 2.16 menunjukkan antena mikrostrip

dengan teknik array.

Gambar 2.16 Antena Mikrostrip Dengan Teknik Array (A) Teknik Planar, (B) Teknik

Linear, (C) Teknik Circular [11]

2.8 Multiple Input Mulitple Output (MIMO) [17]

Teknologi LTE menggunakan Multiple Input Multiple Output (MIMO)

yang merupakan teknologi multi antena yang terdapat pada pengirim dan

penerima. MIMO berfungsi untuk menanggulangi efek negatif dari multipath

fading. Teknologi MIMO dapat menghasilkan frekuensi yang lebih efisien yaitu

A

B

C

13101050 23

dengan mengirimkan informasi yang sama dari dua atau lebih pemancar ke

penerima, sehingga mengurangi kemungkinan informasi yang hilang dibanding

dengan menggunakan pemancar tunggal.

Gambar 2.17 Konfigurasi MIMO (A) Spatial Multiplexing dan (B) Transmit Diversity [18]

Pada umumnya teknik MIMO terdiri atas teknik spatial multiplexing

dan transmit diversity seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.17. Teknik spatial

multiplexing mengirim dua data yang berbeda pada masing-masing antena

pemancar seperti ditunjukkan pada gambar 2.17 (A), sedangkan teknik transmit

diversity mengirim dua data yang sama pada masing-masing antena pemancar

seperti pada gambar 2.17 (B). Masing-masing teknik ini memiliki keuntungan

tersendiri tergantung dari scenario yang ada. Misalnya, pada beban jarigan yang

tinggi atau pada tepi sel lebih cocok menggunakan teknik transmit diversity. Dan

pada kondisi sel kecil dengan kondisi SNR tinggi, special multiplexing lebih baik

digunakan untuk memberikan bit rate yang tinggi.

2.9 Long Term Evolution (LTE) [17]

LTE adalah sebuah teknologi komunikasi wireless data berkecepatan

tinggi untuk ponsel dan terminal data. Standar ini dikembangkan oleh 3rd

Generation Partnership Project (3GPP), sebuah organisasi penerbit standar

untuk teknologi Global System for Mobile Communications (GSM). Pada

awalnya LTE dikembangkan untuk meningkatkan kapasitas dan kecepatan

jaringan GSM/ High-Speed Packet Access (HSPA), namun pada

perkembangannya LTE juga juga menjadi evolusi untuk jarngan Code Division

Multiple Access (CDMA). Tujuan dari LTE adalah untuk menyediakan mobile

broadband wireless access yang mendukung handover dengan kecepatan tinggi

A

B

13101050 24

[10]. Beberapa persyaratan LTE yang ditetapkan oleh 3GPP adalah sebgai

berikut:

1. Kapasitas throughput downlink melebihi 100 Mbps dan Uplink 50 Mbps.

2. Dibanding dengan High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Release

6:

a. LTE memiliki efisiensi spektrum yang lebih baik 3-4 kali pada

downlink, dan 2-3 kali pada uplink.

b. LTE memiliki bit rate sel rata-rata yang lebih baik 3-4 kali pada

downlink, dan 2-3 kali pada uplink.

3. Mendukung bandwidth yang fleksibel: 20 MHz, 15 MHz, 5MHz, 3 MHz

dan 1,4 MHz.

4. Round Trip Time (RTT) 10 ms dan waktu transisi dari kondisi idle 100 ms.

5. Mendukunng mode kerja baik pita frekuensi yang berpasangan maupun

dengan pita frekuensi tunggal.

6. Mobility user:

a. Optimasi untuk low speed (<15 km/jam).

b. Performansi yang tinggi pada kecepatan sampai 120 km/jam.

c. Pemeliharaan hubungan pada kecepatan hingga 350 km/jam.

7. Cakupan atau jangkauan:

a. Full performance sampai 5 km.

b. sedikit penurunan kinerja pada 5 km-30 km.

c. Operasi sampai 100 km tidak harus dihalangi oleh standard.

2.10 Arsitektur Jaringan Dan Teknologi Pendukung LTE [18]

Arsitektur jaringan LTE memiliki struktur jaringan yang dirancang

sesederhana mungkin dengan tujuan mendukung trafik Packet Switching (PS)

dengan mobilitas tinggi, Quality Of Service (QoS), dan waktu tempuh (latency)

yang kecil. Pendekatan packet switching ini memperbolehkan semua layanan

termasuk layanan voice menggunakan koneksi paket (voice over IP). Arsitektur jaringan LTE memiliki access sendiri yang bernama Evolved

Universal Terresterial Radio Access Network (E-UTRAN) dan menggunakan

eNodeB untuk menghubungkannya dengan User Equipment (UE). eNodeB dapat

dianalogikan sebaai Base Transceiver Station (BTS) pada jaringan GSM dan

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), namun eNodeB

memiliki fungsi tambahan, yaitu melakukan fungsi Radio Network Controller

(RNC) ataupun Base Station Controller (BSC) yang terdapat pada jaringan

13101050 25

terdahulunya (General Packet Radio Service (GPRS) / UMTS). LTE merupakan

jaringan akses radio keluaran dari 3GPP dengan kriteria sebagai berikut:

1. Kecepatan downlink data mencapai 100 Mbps saat pengguna bergerak cepat

dan 1 Gbps saat bergerak pelan atau diam. Sedangkan untuk uplink

kecepatan akses mencapai 50 Mbps.

2. Sistem tunda berkurang hingga 10 ms.

3. Meningkatkan layanan broadcast.

4. Menggunakan penyambungan IP Packet Switch.

5. Penggunaan bandwidth tersedia mulai dari 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10

MHz, 15 MHz, dan 20 MHz.

LTE merupakan rangkaian jaringan dengan System Architecture

Evolution (SAE) yang merupakan generasi keempat menurut standard 3GPP.

LTE juga dikenal sebagai E-UTRAN sedangkan SAE sendiri memiliki nama lain

Evolved Packet Core (EPC). EPC bekerja berdasarkan prinsip Packet Switch.

Arsitektur jaringan LTE dapat dilihat pada gambar 2.18.

Gambar 2.18 Arsitektur LTE [18]

Arsitektur LTE terdiri dari 2 bagian utama yaitu LTE atau E-UTRAN

dan SAE atau EPC. Fungsi dari perangkat yang ada pada bagian LTE yaitu:

1. User Equipment (UE) merupakan perangkat komunikasi. Perangkat ini

dapat berupa telepon genggam, tablet, komputer ataupun perangkat yang

dapat terhubung langsung dengan jaringan internet.

2. Evolved NodeB (enodeB) merupakan antarmuka jaringan LTE dengan

pengguna.

Pada bagian SAE setiap perangkat juga memiliki fungsi masing-masing

yaitu:

13101050 26

1. Serving Gateway (S-GW) berfungsi untuk mengatur jalur dan meneruskan

paket data dari UE.

2. Packet Data Network Gateway (PG-W) berfungsi mengatur koneksi

jaringan data antara UE dengan jaringan paket data lain di luar 3GPP seperti

Wireless Local Area Network (WLAN) dan Worldwide Interoperability for

Microwave Access (Wimax).

3. Mobility Management Entity (MME) merupakan pengatur utama dari setiap

perangkat pada jaringan LTE.

4. Policy And Charging Rules Function (PCRF) berfungsi untuk menentukan

QoS dan charging untuk setiap UE.

5. Home Subscriber Server (HSS) merupakan sistem database yang bertugas

untuk membantu Mobility Management Entity (MME) dalam melakukan

manajemen pelanggan dan pengamanan.