4

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai

acuan dalam merancang bangun antena. Teori-teori yang digunakan dalam membuat

skripsi ini adalah WLAN, teori umum mengenai antena, parameter antena, antena

mikrostrip, antena mikrostrip patch persegi panjang, teknik pencatuan, antena

mikrostrip array, penyesuaian impedansi, dan T-Junction 50 Ohm.

2.1. WLAN

Sistem komunikasi wireless merupakan sistem komunikasi yang menggunakan

media udara sebagai jalur komunikasi untuk mengirimkan sinyal pada setiap tujuannya.

Sistem wireless menggunakan suatu gelombang radio atau gelombang elektromagnetik

sebagai jalur komunikasinya.

Perkembangan teknologi telekomunikasi yang cepat dipengaruhi perkembangan

karakteristik masyarakat yang memiliki mobilitas tinggi, mencari pelayanan yang

fleksibel, mudah dan memuaskan serta mengejar efisiensi di segala aspek. Maka

industri menawarkan jaringan Local Area Network (LAN). Local Area Network (LAN)

adalah sejumlah komputer yang saling dihubungkan bersama di dalam satu area tertentu

yang tidak begitu luas, seperti di dalam satu kantor atau gedung. Jaringan komputer

adalah sekelompok komputer otonom yang saling berhubungan antara satu dengan yang

lainnya menggunakan protokol komunikasi melalui media komunikasi sehingga dapat

berbagi informasi, program-program, penggunaan bersama perangkat keras seperti

printer, hard disk, dan sebagainya. Tetapi LAN yang ada masih menggunakan media

transmisi berupa kabel, maka semakin berkembangnya teknologi digunakan teknologi

wireless pada teknologi LAN.

Wireless Local Area Network (WLAN) merupakan salah satu aplikasi

pengembangan dari sistem komunikasi nirkabel yang digunakan untuk komunikasi data.

Sistem koneksi WLAN adalah dengan menggunakan gelombang elektromagnetik untuk

mengirim dan menerima data lewat media udara. WLAN adalah jaringan lokal yang

meliputi daerah satu gedung, satu kantor, satu wilayah, dan sebagainya, yang tidak

menggunakan media transmisi kabel. Dengan komunikasi jaringan yang menggunakan

media tanpa kabel, maka diharapkan WLAN dapat meminimalkan kebutuhan untuk

5

komunikasi menggunakan kabel. WLAN dapat mengkombinasikan proses komunikasi

antar pengguna data yang aktif bergerak.

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 digunakan

oleh 802.11b/g merupakan standar dari protokol IEEE 802.11b untuk wireless fidelity

(wifi). Organisasi internasional International Telecomunication Union (ITU) membagi

wifi menjadi 14 saluran [1]. Frekuensi saluran dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Saluran wifi [1]

Channel

Number

Lower Frequency

(MHz)

Center Frequency

(MHz)

Upper Frequency

(MHz)

1 2401 2412 2423

2 2406 2417 2428

3 2411 2422 2433

4 2416 2427 2438

5 2421 2432 2443

6 2426 2437 2448

7 2431 2442 2453

8 2436 2447 2458

9 2441 2452 2463

10 2446 2457 2468

11 2451 2462 2473

12 2456 2467 2478

13 2461 2472 2483

14 2473 2484 2495

2.2. Antena

Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pemancar

energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai penerima

energi itu dari ruang bebas. Antena adalah sebuah komponen yang dirancang untuk bisa

memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetik. Antena sebagai pemancar

(transmitting antenna) adalah sebuah pengubah gelombang teruntun di dalam saluran

transmisi menjadi gelombang elektromagnetik yang merambat di ruang bebas.

6

Sedangkan sebagai alat penerima (receiving antenna), antena berfungsi mengubah

gelombang elekromagnetik di ruang bebas menjadi gelombang teruntun di dalam

saluran transmisi. Karena merupakan perangkat perantara antara saluran transmisi dan

udara, maka antena harus memiliki sifat yang sesuai (matching) dengan saluran

pencatunya. Antena juga dianggap berfungsi secara resiprokal, artinya karakteristik dari

antena adalah sama saat dipakai sebagai antena pemancar ataupun saat dipakai sebagai

antena penerima [3].

Saluran transmisi adalah media yang berfungsi merambatkan energi gelombang

elektromagnetik. Suatu sumber yang dihubungkan dengan saluran transmisi yang tak

berhingga panjangnya menimbulkan gelombang berjalan yang seragam sepanjang

saluran itu. Jika saluran ini dihubungsingkat 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.

2.3. Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip didefinisikan sebagai salah satu jenis antena yang mempunyai

bentuk seperti bilah/potongan yang mempunyai ukuran sangat tipis/kecil.

Gambar 2.1. Struktur dari sebuah antena mikrostrip

Struktur dasar antena mikrostrip terdiri atas patch peradiasi, dielektrik substrat

dan ground plane seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Masing-masing bagian

mempunyai fungsi sebagai berikut.

7

a. Patch

Elemen peradiasi (patch) terbuat dari logam dan memiliki ketebalan tertentu dan

berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik. Patch terletak paling atas

dari keseluruhan sistem antena. Jenis logam yang biasa digunakan adalah tembaga

dengan konduktivitas 5,8 x 107 S/m. Bentuk patch bisa bermacam-macam, lingkaran,

persegi, persegi panjang, segitiga, ataupun cincin seperti Gambar 2.2 [2].

Gambar 2.2. Bentuk Patch [2]

b. Dielektrik substrat

Elemen substrat (substrate) berfungsi sebagai bahan dielektrikum dari antena

mikrostrip yang membatasi elemen peradiasi dengan elemen pentanahan. Elemen ini

memiliki jenis yang bervariasi yang dapat digolongkan berdasarkan nilai permitivitas

relatif 𝜀𝑟 dan ketebalan 𝑕 . Kedua nilai tersebut mempengaruhi frekuensi kerja,

bandwidth, dan juga efisiensi dari antena yang akan dibuat. Ketebalan substrat jauh

lebih besar daripada ketebalan logam peradiasi. Semakin tebal substrat maka bandwidth

akan semakin meningkat tetapi akan berpengaruh terhadap timbulnya gelombang

permukaan (surface wave) [2]. Beberapa bahan dielektrik ditunjukkan pada Tabel 2.2.

8

Tabel 2.2. Nilai Permitivitas Relatif Beberapa Bahan Dielektrik

Bahan Dielektrik Nilai Permitivitas Relatif (εr)

Epoxy 4,1 – 4,4

Alumunia 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

c. Ground plane

Bidang pentanahan (ground plane) berfungsi sebagai pembumian bagi sistem

antena mikrostrip. Elemen pentanahan ini umumnya memiliki jenis bahan yang sama

dengan elemen peradiasi yaitu berupa logam tembaga.

Untuk kinerja antena yang baik, biasanya substrat dibuat tebal dengan

permitivitas relatif yang rendah. Hal ini akan menghasilkan efisiensi dan radiasi yang

lebih baik serta bandwidth yang lebih lebar, namun akan menambah ukuran dari antena

itu sendiri. Oleh sebab itu, kejelian dalam menetapkan spesifikasi, ukuran, dan unjuk

kerja akan menghasilkan antena mikrostrip yang mempunyai ukuran yang sesuai

dengan unjuk kerja yang masih dalam batas toleransi.

Beberapa keuntungan dari antena mikrostrip adalah [4] :

1. Mempunyai bobot yang ringan dan volume yang kecil.

2. Konfigurasi yang low profile sehingga bentuknya dapat disesuaikan dengan

perangkat utamanya.

3. Biaya fabrikasi yang murah sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar.

4. Mendukung polarisasi linear dan sirkular.

5. Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave integrated circuits

(MICs).

6. Kemampuan dalam menyediakan dual frequency dan triple frequency.

9

Namun, antena mikrostrip juga mempunyai beberapa kelemahan, yaitu [4] :

1. Bandwidth yang sempit.

2. Efisiensi yang rendah.

3. Penguatan yang rendah.

4. Memiliki rugi – rugi hambatan (ohmic loss) pada pencatuan antena array.

5. Memiliki daya (power) yang rendah.

6. Timbulnya gelombang permukaan (surface wave).

2.4. Model Cavity

Untuk analisis antena mikrostrip digunakan metode cavity. Metode ini

merepresentasikan ruang antara patch dengan bidang pentanahan sebagai cavity yang

dibatasi oleh konduktor elektrik (pada bidang atas dan bawah) dan dinding magnetik

(pada sisi-sisinya). Ketika mikrostrip diberi energi gelombang elektromagnetik, maka

akan terjadi distribusi muatan seperti yang terlihat pada bagian atas dan bawah dari

permukaan elemen peradiasi (patch) dan pada bagian atas bidang pentanahan (ground

plane). Distribusi muatan ini diatur dengan dua mekanisme yaitu mekanisme aktraktif

dan mekanisme repulsif [4]. Mekanisme aktraktif mengendalikan distribusi muatan

pada bagian di antara patch dan bidang pentanahan, atau dengan kata lain mengatur

konsentrasi distribusi muatan di bagian bawah patch. Mekanisme repulsif terjadi antara

muatan yang terdapat pada bagian bawah patch yang memberikan aksi untuk menekan

sebagian muatan dari bagian bawah patch menuju ke sekeliling bagian patch dan

terakhir sampai ke bagian patch peradiasi. Proses perpindahan muatan tersebut

menimbulkan kerapatan arus di bagian atas 𝐽𝑡 dan bawah 𝐽𝑏 patch, seperti yang

diilustrasikan Gambar 2.3 berikut [4].

Gambar 2.3. Distribusi muatan dan densitas arus pada patch mikrostrip [4]

10

Semakin kecil nilai height-to-weight ratio 𝑕 𝑊 , maka mekanisme atraktif

mendominasi. Sehingga mengakibatkan arus yang mengalir dari bawah patch menuju

ke tepi patch yang berakhir di permukaan patch semakin berkurang. Dapat diasumsikan

bahwa besarnya arus yang mengalir ke atas permukaan patch adalah nol, sehingga tidak

menyebabkan adanya medan magnetik tangensial pada sisi-sisi patch. Keempat sisi-sisi

antena dapat dimodelkan menyerupai permukaan konduktor yang sempurna. Sehingga

distribusi medan magnetik dan medan listrik yang terdapat pada patch peradiasi tidak

terganggu. Akan tetapi pada praktiknya, komponen tangensial dari medan magnetik

tidak akan nol tetapi memiliki nilai yang sangat kecil dan dinding sisi antena bukan

merupakan konduktor magnetik yang sempurna melainkan berupa material substrat.

Sekecil apapun nilai height-to-weight ratio 𝑕 𝑊 , dengan metode cavity maka

diharapkan masih ada arus yang mengalir dipermukaan patch. Saat timbul arus ini,

maka pada bagian sisi patch akan timbul medan tambahan yang dapat dianalisis sebagai

perluasan patch peradiasi (fringing effect).

2.5. Parameter Umum Antena Mikrostrip

Kinerja dan daya guna suatu antena dapat dilihat dari nilai parameter-parameter

antena tersebut. Beberapa dari parameter tersebut saling berhubungan satu sama lain.

Parameter-parameter antena yang biasanya digunakan untuk menganalisis suatu antena

adalah impedansi masukan, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), return loss,

bandwidth, keterarahan, dan penguatan.

2.5.1. Impedansi Masukan

Impedansi masukan adalah perbandingan antara tegangan dan arus pada terminal

masukan pada ranah frekuensi. Impedansi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi

tertentu. Impedansi masukan antena dapat dirumuskan dengan Persamaan (2.1) sebagai

berikut [2] :

𝑍𝐴 = 𝑅𝐴 + 𝑗𝑋𝐴 2.1

Dengan 𝑍𝐴 adalah impedansi antena, 𝑅𝐴 adalah resistansi antena dan 𝑋𝐴 adalah

reaktansi antena. Nilai resistansi antena ditunjukkan dengan Persamaan (2.2) sebagai

berikut :

𝑅𝐴 = 𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 (2.2)

11

Nilai resistansi antena (𝑅𝐴) terbagi menjadi dua komponen, yaitu resistansi radiasi

antena (𝑅𝑟) dan loss resistance (𝑅𝐿).

Resistansi radiasi antena menunjukkan resistansi yang digunakan untuk

meradiasikan gelombang elektromagnetik, sedangkan loss resistance menunjukkan

resistansi rugi-rugi antena. Loss resistance antena menyebabkan berkurangnya daya

gelombang teradiasi akibat adanya panas. Loss resistance tidak diinginkan pada desain

antena. Kondisi matching terjadi ketika besar impedansi masukan antena sama dengan

impedansi karakteristik saluran transmisi.

2.5.2. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)

VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave)

maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min), yang terjadi pada saluran karena tidak

matching. Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu

tegangan yang dikirimkan 𝑉0+ dan tegangan yang direfleksikan 𝑉0

− [5].

Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut

sebagai koefisien refleksi tegangan Γ , ditunjukkan pada Persamaan (2.3) sebagai

berikut :

𝛤 = 𝑉0

−

𝑉0+ =

𝑍1 − 𝑍2

𝑍1 + 𝑍2 (2.3)

Dengan 𝑍1 adalah impedansi beban (load) dan 𝑍2 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 :

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

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

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

Untuk mencari nilai VSWR dengan Persamaan (2.4) sebagai berikut :

𝑆 = 𝑉 𝑚𝑎𝑥

𝑉 𝑚𝑖𝑛

=1 + 𝛤

1 − 𝛤 (2.4)

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 𝑆 = 1 yang berarti

tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun kondisi ini

pada praktiknya sulit untuk didapatkan. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang

diijinkan untuk fabrikasi antena adalah VSWR ≤ 2.

12

2.5.3. Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara amplitudo dari gelombang yang

direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi

karena tidak adanya kesesuaian di antara saluran transmisi dengan impedansi masukan

beban antena. Sehingga tidak semua daya diradiasikan melainkan ada yang dipantulkan

kembali. Return loss dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.5) sebagai

berikut :

𝑅𝑒𝑡𝑢𝑟𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠 = 20 𝑙𝑜𝑔 𝛤 (2.5)

Nilai dari return loss yang baik adalah di bawah -9,54 dB, nilai ini diperoleh

untuk nilai VSWR ≤ 2 sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang direfleksikan

tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan atau dengan kata

lain, saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini menjadi salah satu acuan

untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau

tidak. Hubungan antara parameter VSWR dan return loss tersebut ditunjukkan pada

Persamaan (2.6) sehingga return loss dapat dicari sebagai berikut :

𝛤 =−𝑆 + 1

−𝑆 − 1 (2.6)

2.5.4. Bandwidth

Pada umumnya antena dirancang untuk dapat bekerja pada sekitar frekuensi

resonan yang diinginkan. Berarti ada bandwidth yang terbatas dimana rancangan antena

dapat beroperasi. Bandwidth antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi di mana

kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi

masukan, polarisasi, beamwidth, gain, efisiensi, VSWR, return loss) memenuhi

spesifikasi standar yang ditentukan [2]. Gambar 2.4 menunjukkan rentang frekuensi

yang menjadi bandwidth antena.

13

Gambar 2.4. Rentang Frekuensi yang menjadi bandwidth

Besarnya bandwidth dapat dinyatakan dalam nilai presentase dengan

menggunakan Persamaan (2.7) sebagai berikut :

𝐵𝑊 = 𝑓𝐻 − 𝑓𝐿

𝑓𝐶× 100% 2.7

Dengan :

𝑓𝐻 = frekuensi tertinggi

𝑓𝐿 = frekuensi terendah

𝑓𝐶 = frekuensi tengah

2.5.5. Keterarahan (Directivity)

Keterarahan dari sebuah antena dapat didefinisikan sebagai perbandingan

intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata

pada semua arah. 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. Keterarahan ini dapat dihitung

dengan menggunakan Persamaan (2.8) berikut ini [2] :

𝐷 = 𝑈

𝑈0=

4𝜋𝑈

𝑃𝑟𝑎𝑑 2.8

Dan jika arah ini tidak ditentukan, keterarahan terjadi pada intensitas radiasi maksimum

yang didapat dengan Persamaan 2.9 berikut :

𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐷0 =𝑈𝑚𝑎𝑥

𝑈0=

4𝜋𝑈𝑚𝑎𝑥

𝑃𝑚𝑎𝑥 2.9

14

Dengan :

D = keterarahan

𝐷𝑚𝑎𝑥 = keterarahan maksimum

U = intensitas radiasi

𝑈𝑚𝑎𝑥 = intensitas radiasi maksimum

𝑈0 = intensitas radiasi pada sumber isotropic

𝑃𝑟𝑎𝑑 = daya total radiasi

2.5.6. Penguatan (Gain)

Penguatan atau gain antena berkaitan dengan keterarahan atau directivity, yaitu

merupakan suatu besaran yang berhubungan dengan efisiensi dari antena dan

kemampuan direksionalnya [2].

Ada dua jenis penguatan pada antena, yaitu penguatan absolut (absolute gain)

dan penguatan relatif (relative gain). Penguatan absolut pada sebuah antena

didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas radiasi pada arah tertentu terhadap

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 dibagi dengan 4π. Penguatan

absolut dapat dihitung dengan Persamaan (2.10) [2] :

𝐺𝑎𝑖𝑛 = 4𝜋𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑠𝑖

𝑑𝑎𝑦𝑎 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= 4𝜋

𝑈(𝜃, ∅)

𝑃𝑖𝑛 (2.10)

Penguatan relatif 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. Akan tetapi, antena referensi

merupakan sumber isotropik dan lossless 𝑃𝑖𝑛 𝑙𝑜𝑠𝑠𝑙𝑒𝑠𝑠 . Antena referensi biasanya

berbentuk dipole, horn atau lainnya yang gain-nya dapat dihitung atau telah diketahui.

Secara umum dapat dihubungkan sebagai berikut [2] :

𝐺 =4𝜋𝑈(𝜃, ∅)

𝑃𝑖𝑛 𝑙𝑜𝑠𝑠𝑙𝑒𝑠𝑠 (2.11)

15

2.5.7. Pola Radiasi

Pola radiasi pada sebuah antena didefinisikan sebagai sebuah fungsi matematis

atau sebuah gambaran grafis dari komponen-komponen radiasi sebuah antena. Pola

radiasi biasanya digambarkan dalam daerah medan jauh dan ditunjukkan sebuah fungsi

koordinat direksional. Pola radiasi (radiation pattern) menggambarkan kuat medan

yang dipancarkan di berbagai arah dari antena, pada jarak yang konstan. Pola radiasi

adalah pola penerimaan antena. Ada beberapa macam pola radiasi [2] :

Pola Isotropik

Antena isotropik didefinisikan sebagai sebuah antena tanpa rugi-rugi secara

hipotesis yang mempunyai radiasi sama besar ke setiap arah.

Pola Directional

Antena yang mempunyai pola radiasi atau pola menerima gelombang

elektromagnetik yang lebih efektif pada arah-arah tertentu saja.

Pola Radiasi Lobe

Bagian-bagian dari pola radiasi ditunjukkan sebagai lobe-lobe yang bisa

diklasifikasikan menjadi main lobe, side lobe, back lobe. Main lobe adalah lobe

yang memiliki arah radiasi maksimum. Side lobe adalah lobe selain main lobe,

sedangkan back lobe adalah lobe yang arahnya 1800 dengan main lobe. Side lobe

dan back lobe merupakan minor lobe yang keberadaannya tidak diharapkan.

Gambar 2.5. Bidang Pola Radiasi Antena [2]

16

2.5.8. 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.

2.6. Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang

Patch berbentuk persegi panjang adalah bentuk yang paling banyak dipakai.

Bentuk ini bentuk yang paling mudah dianalisis. Berikut ini adalah perhitungan untuk

merancang antena mikrostrip berbentuk patch persegi panjang [2].

Untuk menentukan lebar patch 𝑊 digunakan Persamaan (2.12) :

𝑊 =𝑐

2𝑓𝑜

2

𝜀𝑟 + 1 (2.12)

𝑊 merupakan lebar patch, 𝑐 adalah kecepatan cahaya di ruang bebas yaitu

sebesar 3×108 m/s, 𝑓𝑜 adalah frekuensi resonansi antena, dan 𝜀𝑟 adalah permitivitas

relatif bahan substrat. Untuk menentukan panjang patch 𝐿 diperlukan parameter ∆𝐿

yang merupakan pertambahan panjang patch akibat adanya fringing effect. Pertambahan

panjang ∆𝐿 tersebut dirumuskan dengan Persamaan (2.13) [2] :

∆𝐿 = 0,412 ∙ 𝑕 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 + 0,3

𝑊𝑕

+ 0,264

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 − 0,258 𝑊𝑕

+ 0,8 (2.13)

Dengan 𝑕 adalah tebal substrat, dan 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 adalah permitivitas relatif efektif yang

dirumuskan dengan Persamaan (2.14) [2] :

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 =𝜀𝑟 + 1

2+

𝜀𝑟 − 1

2

1

1 + 12𝑕𝑊

(2.14)

Dan panjang patch efektif yang dapat dirumuskan dengan Persamaan (2.15) :

𝐿𝑒𝑓𝑓 =𝑐

2𝑓𝑜 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓

(2.15)

Maka panjang patch 𝐿 diberikan oleh Persamaan (2.16) :

𝐿 = 𝐿𝑒𝑓𝑓 − 2∆𝐿 (2.16)

Metode cavity yang digunakan akan menyebabkan pertambahan panjang patch

akibat adanya fringing effect yang ditunjukkan pada Persamaan (2.13). Dilihat dari

17

Persamaan (2.12) dan (2.15) nilai dari frekuensi resonansi berbanding terbalik dengan

nilai panjang dan lebar patch. Sehingga untuk mendapatkan frekuensi kerja yang tinggi

dibutuhkan luas elemen peradiasi yang lebih kecil.

Perbandingan lebar saluran mikrostrip dengan ketebalan substrat 𝑊 𝑕

merupakan parameter yang berkaitan langsung dengan parameter impedansi

karakteristik dan permitivitas relatif. Salah satu parameter yang menjadi persyaratan

dalam merancang suatu antena adalah impedansi karakteristik 𝑍𝑜 . Hal ini terkait

dengan impedance matching antara saluran mikrostrip tersebut dengan saluran

pencatunya. Dalam rangka memenuhi kesesuaian dengan parameter yang ada, perlu

dilakukan perhitungan untuk parameter terkait.

Apabila diketahui dimensi saluran mikrostrip, nilai 𝑍𝑜 dapat dihitung dengan

cara [5] :

𝑍𝑜 =

60

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓

ln 8𝑕

𝑊+

4𝑕

𝑊 𝑊 𝑕 ≤ 1

120𝜋

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 𝑊𝑕

+ 1,393 + 0,667 ln 𝑊𝑕

+ 1,44 𝑊 𝑕 ≥ 1

(2.17)

Dengan 𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 adalah permitivitas relatif efektif. Sedangkan apabila impedansi

karakteristik yang diinginkan maupun permitivitas relatif telah diketahui, perhitungan

dimensi saluran mikrostripnya adalah sebagai berikut [5] :

𝑊

𝑕=

8𝑒𝐴

𝑒2𝐴 − 2

𝑊

𝑕< 2

2

𝜋 𝐵 − 1 − ln 2𝐵 − 1 +

𝜀𝑟 − 1

𝜀𝑟 ln 𝐵 − 1 + 0,39 −

0,61

𝜀𝑟

𝑊

𝑕> 2

(2.18)

Dengan 𝜀𝑟 adalah permitivitas relatif, 𝑊 adalah lebar substrat dan 𝑕 adalah tebal

substrat [5] :

𝐴 =𝑍𝑜

60

𝜀𝑟 + 1

2+

𝜀𝑟 − 1

𝜀𝑟 + 1 0,23 +

0,11

𝜀𝑟 (2.19)

𝐵 = 60𝜋2

𝑍𝑜 𝜀𝑟

(2.20)

18

Sedangkan untuk menentukan panjang saluran pencatu 𝐿𝑓 dari panjang

gelombang 𝜆𝑜 dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

𝜆𝑜 =𝑐

𝑓𝑜 (2.21)

Dengan 𝜆𝑜 merupakan panjang gelombang di ruang bebas, dan 𝜆𝑔 adalah panjang

gelombang pada bahan.

𝜆𝑔 =𝜆𝑜

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓

(2.22)

Maka panjang saluran pencatu 𝐿𝑓 dapat dihitung dengan Persamaan (2.23) sebagai

berikut :

𝐿𝑓 =𝜆𝑔

4 (2.23)

Untuk mendapatkan nilai impedansi masukan yang kita inginkan, dapat digunakan

insert feed pada saluran pencatuan. Perhitungan untuk mendapatkan panjang insert feed

dapat disederhanakan dalam bentuk Persamaan (2.24). Persamaan ini valid untuk nilai

𝜀𝑟 dari 2 sampai 10 [7].

𝑌𝑜 = 10−4 0,001699𝜀𝑟7 + 0,13761𝜀𝑟

6 − 6,1783𝜀𝑟5 + 93,187𝜀𝑟

4 − 682,69𝜀𝑟3

+ 2561,9𝜀𝑟2 − 4043𝜀𝑟 + 6697

𝐿

2 (2.24)

2.7. Teknik Pencatuan

Teknik feed atau pencatuan adalah teknik yang digunakan untuk

menghubungkan mikrostrip dengan saluran transmisi lainnya, umumnya yang

dihubungkan adalah bagian patch antena. Patch dapat dicatu dengan berbagai macam

metode. Ada beberapa metode antara lain metode kontak langsung (contacting method)

dan metode kontak tak langsung (non-contacting method). Dalam contacting method

daya dicatu secara langsung ke patch peradiasi menggunakan elemen penghubung

seperti saluran mikrostrip. Sedangkan non-contacting method, kopling medan

elektromagnetik dilakukan untuk mentransfer daya antar saluran mikrostrip dan patch

peradiasi.

Metode-metode tersebut mempunyai beberapa teknik dalam pencatuan.

Contacting method dilakukan dengan teknik microstrip line dan coaxial feed. Non-

contacting method dilakukan dengan teknik aperture coupling dan proximity coupling.

19

2.7.1. Microstrip Line Feed

Pada microstrip line feed konduktor disambungkan langsung dengan bagian tepi

patch, yaitu pada strip konduktor. Lebar dari strip konduktor lebih kecil dari lebar patch

peradiasi. Cara realisasi tipe pencatuan ini adalah bagian konduktor dihubungkan secara

langsung dengan bagian tepi patch mikrostrip. Tipe pengaturan pencatuan semacam ini

mempunyai keuntungan yaitu pencatuan dapat diberikan pada substrat yang sama.

Tujuan memberikan potongan menjorok (inset) ke dalam patch adalah untuk

menyesuaikan impedansi saluran dengan patch tanpa memerlukan elemen penyesuai

tambahan. Hal ini dapat diperoleh melalui pengaturan posisi inset yang benar. Dari

penjelasan tersebut maka dapat lebih jelasnya dilihat pada Gambar 2.6. Metode ini

menawarkan skema pencatuan yang mudah selain kemudahan dalam proses fabrikasi

dan pemodelan untuk mendapatkan kesesuaian impedansi.

Gambar 2.6. Microstrip Line Feed [2]

2.7.2. Coaxial Feed

Coaxial feed atau probe feed adalah teknik yang dilakukan dengan cara

menghubungkan konduktor bagian dalam dari kabel koaksial dihubungkan dengan

elemen peradiasi, dan konduktor bagian luar dari kabel koaksial dihubungkan dengan

bidang pentanahan (ground plane) seperti terlihat pada Gambar 2.7.

Kelebihan metode pencatuan seperti ini adalah pencatuan dapat diletakkan pada

setiap lokasi di dalam patch yang diinginkan untuk mendapatkan matching impedansi

dari antena. Akan tetapi metode ini mempunyai kekurangan yaitu bandwidth yang

sempit dan kesulitan dalam pemodelan.

20

Gambar 2.7. Coaxial feed [2]

2.7.3. Aperture Coupling

Pada tipe pencatuan ini elemen peradiasi dan bagian pencatu terpisah dengan

bidang pentanahan (ground plane) seperti pada Gambar 2.8. Kopling antara elemen

peradiasi antena (patch) dan saluran pencatu (line feed) dibuat melalui slot atau

aperture.

Gambar 2.8. Aperture Coupling [2]

Celah kopling biasanya diposisikan di tengah pada bagian bawah patch,

sehingga mengurangi cross-polarization yang disebabkan struktur yang simetris. Untuk

mengoptimalkan radiasi dari patch, biasanya digunakan bahan dengan permitivitas

relatif yang berbeda untuk lapisan/substrat bagian atas dan bawah. Kekurangan dari

metode ini terletak pada teknik pencatuan yang sulit untuk difabrikasi dikarenakan

lapisan ganda (multiple layer) yang tentunya juga menambah ketebalan antena.

21

2.7.4. Proximity Coupling

Metode pencatuan semacam ini disebut juga skema kopling elektromagnetik.

Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9 dua bahan dielektrik digunakan sehingga saluran

pencatu berada di antara kedua substrat dan bagian elemen peradiasi berada di substrat

bagian atas. Kelebihan dari metode ini adalah bandwidth yang lebih lebar daripada

teknik pencatuan yang lain. Untuk optimasi antena dapat digunakan media dielektrik

yang berbeda.

Gambar 2.9. Proximity Coupling [2]

Matching dapat diperoleh dengan mengatur panjang saluran pencatu dan

perbandingan lebar saluran pencatu trerhadap lebar elemen peradiasi. Adapun

kekurangan yang paling mendasar dari metode ini adalah kesulitan dalam hal

fabrikasinya, dikarenakan penggunaan dua lapisan dielektrik yang betul-betul

memerlukan ketelitian dalam penyusunannya.

2.8. Antena Mikrostrip Array

Pada umumnya antena mikrostrip dengan patch elemen tunggal memiliki pola

radiasi yang sangat lebar, dan menghasilkan keterarahan dan gain yang kurang baik.

Sedangkan pada beberapa aplikasinya diperlukan antena dengan keterarahan yang baik

dan gain yang tinggi. Untuk memenuhi kebutuhan karakteristik tersebut, maka antena

mikrostrip disusun dengan beberapa konfigurasi. Susunan antena ini sering disebut

antena susun (array) [2].

Antena mikrostrip array adalah antena yang tersusun dari beberapa patch yang

identik. Medan total dari antena array ditentukan oleh penjumlahan vektor dari medan

yang diradiasikan oleh elemen tunggal. Ada beberapa konfigurasi antena array, antara

22

lain linear, circular dan planar. Antena array linear adalah antena array dengan titik

pusat array berada pada satu garis lurus. Antena array circular adalah antena array

dengan elemen array terletak pada suatu lingkaran dengan radius tertentu. Antena array

planar adalah antena array dengan susunan elemen array membentuk sebuah area yang

berbentuk kotak. Masing masing memiliki keuntungan, misal antena array linear

memilki kelebihan dalam hal perhitungan dan tidak terlalu rumit dalam teknik

pencatuan sedangkan antena array planar memiliki kelebihan dalam pengaturan dan

pengendalian pola radiasi. Gambar 2.10 menunjukkan bentuk susunan antena array.

Gambar 2.10. Antena array (a). Linear (b). Circular (c). Planar

23

2.9. Penyesuaian Impedansi (Impedance Matching)

Dalam perrancangan dibutuhkan penyesuaian impedansi (impedance matching).

Suatu jalur dikatakan matching jika karakteristik impedansi 𝑍𝑜 = 𝑍𝐿 atau dengan kata

lain tidak ada refleksi yang terjadi pada ujung saluran beban. 𝑍𝑜 merupakan

karakteristik impedansi beban. Beban berupa antena atau rangkaian yang mempunyai

impedansi ekuivalen 𝑍𝐿. Saat kondisi matching, salauran transmisi dapat mentransfer

daya secara sempurna, dan daya yang hilang pada saluran minimum, serta dapat

mengurangi amplitude dan phase error [5].

Metode pencatuan secara langsung sulit untuk mencapai kondisi matching. Oleh

karena itu dibutuhkan suatu cara untuk mendapatkan kondisi yang matching, yaitu

dengan cara menambahkan transformator 𝜆 4 , pemberian single stub dan double stub.

Gambar 2.11 menunjukkan bentuk susunan transformator 𝜆 4 untuk memperoleh

impedance matching.

Gambar 2.11. Pemberian transformator 𝜆 4 untuk memperoleh impedance matching

Transformator 𝜆 4 adalah teknik impedance matching dengan cara memberikan

saluran transmisi dengan impedansi 𝑍𝑇 di antara dua saluran yang tidak matched.

Panjang saluran transmisi transformatot 𝑍𝑇 sebesar 𝐿𝑓 =1

4 𝜆𝑔 , dengan 𝜆𝑔 adalah

panjang gelombang pada bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan

Persamaaan (2.25).

𝜆𝑔 =𝜆0

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓

(2.25)

Dengan adalah panjang gelombang pada ruang bebas. Nilai impedansi 𝑍𝑇 dapat

dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.26).

𝑍𝑇 = 𝑍𝑜 𝑍𝐿 (2.26)

24

2.10. T-Junction 50 Ohm

T-Junction merupakan sebuah teknik power divider yang umum digunakan pada

konfigurasi antena array [2]. Gambar 2.12 menunjukkan bentuk T-Junction yang umum

digunakan pada konfigurasi antena array.

Gambar 2.12. T-Junction 50 Ohm

Pada proses perancangan antena, untuk mendapatkan impedansi masukan 50 Ω

dari saluran sebesar 50 Ω digunakan T-Junction 50 Ω yang dapat meminimalisasi

jumlah transformasi.

2.11. Prosedur Pengukuran Antena

Untuk mengetahui parameter-parameter antena, perlu dilakukan pengukuran.

Pengukuran dilakukan untuk mengetahui nilai VSWR, return loss, gain dan pola radiasi

dari antena yang telah dirancang. Pada skripsi ini digunakan network analyzer, spectrum

analyzer dan function generator untuk mengetahui hasil pengukuran parameter antena.

2.11.1. Pengukuran Port Tunggal

Pengukuran port tunggal adalah metode pengukuran antena uji tanpa melibatkan

antena lain. Sehingga hanya satu antena uji yang diukur dengan network analyzer. Cara

untuk pengukuran port tunggal adalah dengan memasang antena pada salah satu port,

port 1 maupun port 2. Parameter-parameter antena yang dapat diukur dengan metode

pengukuran port tunggal antara lain VSWR, return loss, frekuensi resonansi, bandwidth

dan impedansi masukan. Konfigurasi pengukuran port tunggal ditunjukkan pada

Gambar 2.13.

25

Gambar 2.13. Konfigurasi Pengukuran Port Tunggal

2.11.2. Pengukuran Pola Radiasi

Pola radiasi merupakan visualisasi radiasi dan penerimaan antena. Secara umum

pola radiasi digambarkan dalam daerah medan jauh, karena pada medan jauh distribusi

medan angular tidak tergantung pada besarnya jarak antena. Jarak minimum medan jauh

antara antena pengirim dan penerima dinyatakan sebagai berikut [3]:

𝑟𝑚𝑖𝑛 ≥ 2𝐷2

𝜆𝑜 (2.27)

Pengukuran pola radiasi dilakukan dengan menggunakan alat ukur spectrum

analyzer dan function generator dengan mengacu pada jarak minimum pengukuran.

Pengukuran dilakukan dengan cara menempatkan antena uji pada spectrum analyzer

untuk melihat besar daya yang diterima dari daya yang dipancarkan oleh function

generator. Antena pemancar menggunakan antena yang memiliki frekuensi kerja yang

sama dengan antena hasil perancangan. Sudut penerima diubah-ubah dari 0º hingga

360º dengan interval 10º. Pengukuran dilakukan pada frekuensi resonan antena.

Konfigurasi peralatan ditunjukkan pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14. Rangkaian peralatan pada pengukuran pola radiasi

26

2.11.3. Pengukuran Gain

Pengukuran gain dilakukan pada frekuensi resonan antena uji. Dengan

tersedianya antena dengan gain yang terstandar (antena referensi), maka dapat

dilakukan pengukuran perbandingan untuk menentukan gain dari antena lain. Metode

ini disebut metode perbandingan gain. Konfigurasi peralatan ditunjukkan pada Gambar

2.15.

Gambar 2.15. Rangkain peralatan pada pengukuran gain antena

Antena hasil fabrikasi digunakan sebagai antena pemancar (transmiter) maupun

sebagai antena penerima (receiver). Karena daya terima berbanding lurus dengan gain,

atau dengan perhitungan logaritma [3].

𝑃𝑟 𝑑𝐵𝑚 = 𝐺 𝑑𝐵 + 𝐾 (2.28)

Maka

𝑃𝑟1 𝑑𝐵𝑚 = 𝐺1 𝑑𝐵 + 𝐾 (2.29)

𝐾 = 𝑃𝑟1 𝑑𝐵𝑚 − 𝐺1 𝑑𝐵 (2.30)

Pada pengukuran kedua

𝑃𝑟2 𝑑𝐵𝑚 = 𝐺2 𝑑𝐵 + 𝐾 (2.31)

𝐺2 𝑑𝐵 = 𝑃𝑟2 𝑑𝐵𝑚 − 𝐾 (2.32)

Sehingga didapatkan rumus untuk mendapatkan gain antena uji pada Persamaan (2.33)

sebagai berikut :

𝐺2 𝑑𝐵 = 𝑃𝑟2 𝑑𝐵𝑚 − 𝑃𝑟1 𝑑𝐵𝑚 + 𝐺1 𝑑𝐵 (2.33)

Dengan :

𝐺2 = Gain antena uji (dB)

𝐺1 = Gain antena standar/antena referensi (dB)

𝑃𝑟2 = Daya yang diterima antena uji (dBm)

𝑃𝑟1 = Daya yang diterima antena referensi (dBm)