Antena Mikrostrip

A. Pengertian Antena

            Antena adalah suatu alat yang mengubah gelombang terbimbing dari saluran transmisi menjadi gelombang bebas di udara dan sebaliknya. Pada sistem komunikasi radio diperlukan adanya antena sebagai pelepas energi elektromagnetik ke udara atau ruang bebas, atau sebaliknya sebagai penerima energi itu dari ruang bebas.

            Dapat juga dikatakan bahwa antena merupakan struktur transisi antara ruang bebas dan alat terbimbing. Alat pembimbing atau saluran transmisi dapat berupa saluran koaksial ataupun pipa yang digunakan sebagai alat transportasi energi elektromagnetik dari sumber transmisi ke antena atau dari antena ke penerima.

B. Antena Mikrostrip

            Antena mikrostrip pertama kali diperkenalkan pada tahun 1950, dan perkembangannya dilakukan secara serius pada tahun 1970. Melalui beberapa dekade penelitian, diketahui bahwa kemampuan beroperasi antena mikrostrip diatur oleh bentuknya. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang paling populer saat ini. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip sangat cocok digunakan untuk perangkat telekomunikasi yang sekarang ini memperhatikan bentuk dan ukuran.

1. Karakteristik Dasar Antena Mikrostrip

Berdasarkan asal katanya mikrostrip terdiri dari dua kata, yaitu micro (sangat kecil/tipis) dan strip (bilah/potongan). Antena mikrostrip secara umum terbagi menjadi tiga bagian yaitu:

a.       Patch

Pada umumnya patch terbuat dari bahan konduktor seperti tembaga atau emas yang mempunyai bentuk bermacam-macam. Bentuk patch ini bisa bermacam-macam, lingkaran, persegi, persegi panjang, segitiga, ataupun annular ring. Patch ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara. Patch dan saluran pencatu biasanya terletak diatas substrat. Tebal patch dibuat sangat tipis (t <<  λ₀; t = ketebalan patch).

b.      Substrate dielectric

Substrat terbuat dari bahan-bahan dielektrik. Substrat biasanya mempunyai tinggi (h) antara 0,002λ₀ – 0,005λ_0. Berfungsi sebagai media penyalur GEM dari catuan. Karakteristik substrat sangat berpengaruh pada besar parameter-parameter antena. Pengaruh ketebalan substrat dielektrik terhadap parameter antena adalah pada bandwidth. Penambahan ketebalan substrat akan memperbesar bandwidth. 

Adapun jenis-jenis substrate sebagai berikut :

Ɛr	Bahan	Supplier
1.0	Aeroweb (honeycomb)	Ciba Geigy, Bonded Structures Div., Duxford,  Cambridge, CB2 4QD
1.06	Eccofoam PP-4 (flexible low-loss plastic foam sheet)	Emerson & Cumming Inc, Canton, Massachusetts, USA (Colville Road, Acton, London. W3 8BU, UK)
1.4	Thermoset microwave foam material	Rogers Corp., Bo 700, Chandler, AZ 85224, USA. (Mektron Circuit  Systems Ltd., 119 Kingston Road, Leatherhead, Surrey, UK)
2.1	RT Duroid 5880 (microfiber Teflon glass laminate)	Rogers Corp
2.32	Polyguide 165 (polyolefin)	Electronized  Chemical Corp., Burlington, MA 01803, USA
2.52	Fluorglas 6001 1 (PTFE impregnated glass cloth)	Atlantic Laminates, Oak Materials Group, 174 N. Main St., Franklin, MH 0323, USA. (Walmore Defence Components, Laser House, 1321140 Goswell Road, London, EClV 7LE)
2.62	Rexolite 200  (cross-linked styrene copolymer)	Atlantic Laminates
3.20	Schaefer Dielectric Material, PT (polystyrene  with titania filler)	Marconi Electronic Devices Ltd., Radford Crescent, Billericay, Essex, CM12 ODN, UK
3.5	Kapton film (copper clad)	Dupont (Fortin Laminating Ltd.,  Unit 3, Brookfield Industrial Estate, Glossop, Derbyshire, UK)
3.75	Quartz (fuzed silica)	A & D Lee Co. Ltd., Unit 19, Marlissa Drive, Midland Oak Trading Estate, Lythalls Lane, Coventry, U
6.0	RT Duroid 6006 (ceramic-loaded PTFE)	Rogers corp,.
9.9	Alumina	Omni Spectra Inc, 24600 Hallwood Ct. Farmington, Michigan, 48024, US Omni Spectra, 50 Milford Road, eading, Berks, RGI 8LJ, UK)
10.2	RT Duroid 6010 (ceramic-loaded PTFE)	Rogers Corp.,
11	Sapphire	Tyco Saphikin (A & D Lee Co Ltd.,  Unit 19, Marlissa Drive, Midland Oak Trading Estate,  Lythalls Lane, Coventry, UK)

Tabel 2.1 Jenis-jenis Substrat

c.   Ground Plane

Ground plane bisa terbuat dari bahan konduktor. Ukurannaya selebar dan sepanjang substrat. Fungsi ground plane adalah sebagai ground antenna.

Gambar 2.1 Bentuk umum antena microstrip

2. Kelebihan dan Kekurangan Antena Mikrostrip

Beberapa keuntungan antena mikrostrip adalah sebagai berikut :

a)      Mempunyai bobot yang ringan dan ukuran yang kecil

b)      Konfigurasi yang low profile sehhingga bentuknya dapat disesuaikan denga perangkat utamanya

c)      Biaya pabrikasi yang murah sehingga dapat dibuat dalam jumlah yang besar

d)     Mendukung polaritas linear dan sirkular

e)      Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave integrated circuits (MICs)

f)       Kemampuan dalam dual frequency

g)      Tidak memerlukan catuan tambahan

Namun, antena mikrostrip juga mempunyai beberapa kelemahan, yaitu :

a)      Bandwidth yang sempit

b)      Efisiensi yang rendah

c)      Penguatan yang rendah

d)     Memiliki rugi-rugi hambatan (ohmic loss) pada pencatuan antena array

e)      Memiliki daya (power) yang rendah

f)       Timbulnya gelombang permukaan (surface wave)

3. Aplikasi Antena Mikrostrip

Antena mikrostrip terkenal dengan kinerja dan desainnya yang kuat, cara pembuatannya, dan kegunannya luas. Keuntungan dari antena mikrostrip yaitu mudah untuk dirancang, ringan dan sebagainya. Antena mikrostrip digunakan diberbagai bidang seperti kesehatan, satelit, dan juga militer. Berikut adalah beberapa aplikasi dari antena mikrostrip :

·      Mobile and satellite communication application

·      Aplikasi GPS

·      RFID

·      WiMax

·      WLAN

·      Bandpass Filter

·      Radar

·      Aplikasi Telemedicine

4. Parameter Umum Antena Mikrostrip

Seperti bentuk antena-antena yang lain, antena mikrostrip mempunyai parameter-parameter yang digunakan untuk dilihat performance yaitu :

a. Penguatan (Gain)

Penguatan (G) pada antena mikrostrip merupakan perbandingan intensitas radiasi pada arah tertentu terhadap intensitas radiasi yang diterima jika daya yang diterima berasal dari antena isotropik . Gain dirumuskan :

b. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)

VSWR merupakan perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V_max|) dengan minimum (|V_min|). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V₀⁺) dan tegangan yang direfleksikan (V₀^-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan tegangan yang dikirimkan disebut koefisien refleksi tegangan (Γ).

Dimana Z_L adalah impedansi beban (load) dan Z₀ adalah impedansi saluran lossless.

Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks yang merepersentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk dari beberapa kasus sederhana , ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol maka :

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

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

·          Γ=+1 : refleksi positif maksimum ketika saluran dan rangkaian terbuka.

Rumus untuk mencari nilai VSWR adalah :

Kondisi yang paling baik adalah ketika VSWR bernilai 1 (S=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran berada dalam keadaan matching sempurna. Namun pada kenyataannya nilai tersebut sulit didapatkan sehingga nilai dasar VSWR yang digunakan pada antena umumnya ≤ 2.

c. Return Loss

Return loss adalah perbandingan antara gelombang amolitudo yang direfleksikan terhadap amplitudo gelombang yang dikirimkan. Return loss dapat terjadi akibat adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (missmatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi.

Nilai return loss yang biasa digunakan adalah di bawah -9,54 dB, untuk menentukan lebar bandwidth, 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 digunakan sebagai salah satu acuan apakah antena sudah bekerja pada frekuensi yang sesuai atau tidak.

d. Impedansi Masukan

Impedansi masukan adalah perbandingan (rasio) impedansi pada bagian terminal antena atau perbandingan antara tegangan dan arus listrik pada terminal antena. Impedansi masukan ini bervariasi untuk nilai posisi tertentu. Impedansi masukan, Zin terdiri dari dua bagian real (R_in) dan bagian imajiner (X_in).

Zin = R_in + X_in  Ω

Resistansi masukan (R_in) mewakili disipasi yang terjadi karena dua hal. Pertama karena daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali lagi (radiasi), yang kedua karena rugi-rugi ohmic yang terkait dengan panas pada struktur antena. Namun pada banyak antena, rugi-rugi ohmic sangat kecil bila dibandingkan dengan rugi-rugi akibat radiasi.

Komponen imajiner (X_in) mewakili reaktansi dari antena dan daya yang tersimpan pada medan dekat antena.Kondisi matching harus sedemikian rupa sehingga mendekati 50+j0 Ω.

e. Bandwidth Antena

Bandwidth antena adalah rentang frekuensi dimana kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi masukan, pola radiasi, beamwidth, polarisasi, gain, efisiensi VSWR, return loss, axial ratio) memenuhi spesifikasi standar. Dalam menentukan bandwidth antena perlu memspesifikasikan kriteria apa saja yang digunakan karena tidak ada definisi baku dalam menentukan bandwidth.

Bandwidth antena biasanya ditulis dalam bentuk persentase bandwidth karena bersifat relatif lebih konstan terhadap frekuensi dan dirumuskan :

Dimana, ƒ_h : frekuensi tertinggi dalam band (Ghz)

               ƒ₁ : frekuensi terendah dalam band (Ghz)

               ƒ_c : frekuensi tengah dalam band (Ghz)

5. Jenis-jenis Antena Mikrostrip

            Berdasarkan bentuk patch-nya antena mikrostrip terbagi menjadi :

a.                   Antena mikrostrip patch persegi panjang (rectangular)

b.                  Antena mikrostrip patch persegi (square)

c.                   Antena mikrostrip patch lingkaran (circular)

d.                  Antena mikrostrip patch elips (elliptical)

e.                   Antena mikrostrip patch segitiga (triangular)

f.                   Antena mikrostrip patch circular ring

Gambar 2.2 Bentuk patch antena

a. Rectangular Patch

Konfigurasi peradiasi persegi panjang (rectangular patch)  terdiri dari parameter lebar (W) dan parameter panjang (L) seperti pada gambar 2.4.1:

Gambar 2.3 Antena microstrip persegi panjang

Berikut merupakan formula yang digunakan untuk merancang  antena microstrip persegi panjang :

Frekuensi resonansi sebuah antena merupakan frekuensi kerja antena dimana pada frekuensi tersebut seluruh daya dipancarkan secara maksimal. Pada umumnya frekuensi resonansi menjadi acuan frekuensi kerja antena. Frekuensi Resonansi dirumuskan dengan :

Lebar elemen peradiasi :

Dimana c adalah kecepatan cahaya di ruang bebas sebesar 3x10⁸ m/s , ƒ₀ adalah frekuensi kerja dari antena , dan Ɛ_r adalah konstanta dielektrik dari bahan substrat. Untuk menentukan panjang patch (L) diperlukan diperlukan parameter ΔL yang merupakan pertambahan dari panjang (L) akibat fringing effect .Pertambahan panjang dari L (ΔL) dirumuskan sebagai berikut :

Dimana h merupakan tinggi dari substrat dan Ɛ_reff  adalah konstanta dielektrik.

Nilai konstanta dielektrik efektif :

Dengan demikian panjang patch (L) diberikan oleh :

Dimana L_eff Panjang elemen peradiasi efektif :

b. Circular Patch

Gambar 2.4 Gambar antenna mikrostrip patch lingkaran

Mode-mode yang dapat mendukung antena patch lingkaran dapat dilihat dengan menafsirkan patch, ground plane dan material diantara dua lingkaran cavity. Seperti patch persegi panjang,

Frekuensi resonansi :

Dimana    a        : jari-jari dari patch lingkarannya

               X’_mn    : turunan dari fungsi Bessel’s J_m (x)

6. Teknik Pencatuan

      Teknik pencatuan pada antena mikrostrip adalah teknik untuk mentransmisikan energi elektromagnetik ke antena mikrostrip dan teknik pencatuan merupakan salah satu hal penting dalam menentukan proses perancangan antena mikrostrip. Masing-Masing teknik mempunyai kelebihan dan kelemahan masing-masing.

a. Electromagnetically Coupled (EMC)

  Salah satu kelemahan antena mikrostrip adalah bandwidth yang sempit. Banyak cara yang dapat digunakan untuk mengatasi kelemahan ini, antara lain dengan menggunakan substrat yang tebal, dengan menambahkan parasitic agar mendapat tanggapan resonansi ganda. Kemudian dengan menggunakan saluran mikrostrip yang dikopel secara proximity pada patch yang terletak pada lapisan di atas saluran. Dengan posisi saluran catu di atas patch, maka saluran tersebut dapat dibawa ke bagian bawah antena,  sehingga ada dua substrat yang digunakan pada teknik ini yang berada diatas bidang petanahan , dengan menghilangkan bidang pentanahan pada substrat yang berada di atas. Geometri antena mikrostrip menggunakan saluran mikrostrip yang dikopel secara proximity .

Gambar 2.5 Electromagnetically coupled

Dua substrat dielektrik akan digunakan jika teknik pencatuan ini diterapkan. Saluran pencatu terletak diantara dua substrat tersebut dan elemen peradiasi tereletak pada substrat bagian atas. Keuntungan utama dari teknik pencatuan ini adalah dapat mengeliminasi radiasi pada elemen pencatu (spurious feed radiation) dan mampu menghasilkan bandwidth yang tinggi (13%), karena meningkatkan ketebalan pada patch antena. Pada teknik ini dapat digunakan dua substrat dielektrik yang berbeda (ketebalan dan konstanta dielektrik substrat), satu untuk elemen peradiasi dan satu substrat lainnya untuk saluran pencatu.

Substrat bagian atas (upper substrate) yaitu substrat dimana antena membutuhkan substrat yang relatif lebih tebal dengan nilain konstanta dielektrik yang relatif kecil. Hal tersebut meningkatkan bandwidth dan performa radiasi dari anteba. Substrat bagian bawah yaitu substrat dengan saluran pencatu membutuhkan substrat yang tipis dengan konstanta dielektrik yang relatif lebih tinggi dari substrat pada bagian atas.

b. Microstrip Feeding

Saluran transmisi mikrostrip tersusun dari dua konduktor, yaitu sebuah strip dengan lebar w dan bidang pentanahan, keduanya dipisahkan oleh suatu substrat yang memiliki permitivitas relatif Ɛ_r dengan tinggi h. Parameter utama yang penting untuk diketahui pada suatu saluran transmisi adalah impedansi karakteristiknya Z_0. Impedansi karakteristik Z₀ dari saluran mikrostrip ditentukan oleh lebar strip (w) dan tinggi substrat (h).

Gamabar 2.6 Saluran Mikrostrip

c. Coaxial Feeding

Coaxial feeding merupakan salah satu teknik pencatuan yang mana konduktor dalam coaxialnya disematkan pada elemen peradiasi yang konduktor luarnya terhubung dengan ground plane. Keuntungan menggunakan coaxial feeding adalah pembuatan yang mudah, mudah dimatchingkan, dan kerugiannya bandwidthnya sempit serta sulit dimodelkan ketika substractnya sempit.

Gambar 2.7 Coaxial Feeding

d. Aperture Feeding

Dalam teknik ini, Saluran transmisi dipisahkan dari antena menggunakan sebuah plat konduktor yang mempunyai aperture untuk melewatkan energi ke antena. Substrate yang diatas dapat dibuat denga permitivitas yang lebih rendah dari yang dibawah untuk menghasilkan radiasi yang lebih baik. Kerugiannya adalah sulit untuk disusun/dibuat.

Gambar 2.8 Aperture Feeding