Bab 14 Antena d4

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

1/18

1

ANTENA MIKROSTRIP

14.1 PENDAHULUAN

2.1.1 Karakteristik DasarAntena mikrostrip terdiri dari suatu lapisan logam yang sangat tipis ( , dimana merupakan panjang gelombang di udara) dan biasa disebut patch. Patch tersebutdiletakkan di atas groundplane dengan jarak . Patch dangroundplane dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik yang disebut substrat. Konstruksi antena

mikrostrip diperlihatkan pada Gambar-1.

Gambar 1. Konstruksi Antena Mikrostrip a) tampak atas dan b) tampak samping

Antena mikrostrip memiliki beberapa keunggulan bila dibandingkan dengan antena mikrostrip

konvensional lainnya [5]. Keunggulankeunggulan dari antena mikrostrip diantaranya :

Ringan dan memiliki penampang yang tipis Biaya pabrikasi yang murah karena menggunakan PCB Dapat menghasilkan polarisasi linear maupun sirkular

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

2/18

2

Mudah untuk di integrasikan Dapat memiliki dua atau lebih frekuensi kerja

Selain memiliki keunggulan keunggulan di atas, antena mikrostrip juga memiliki beberapa

kelemahan [5], yaitu :

Bandwidth yang sempit (15 %) Gain yang rendah

2.1.2 Teknik PencatuanSecara garis besar terdapat empat jenis teknik pencatuan pada antenna mikrsotrip, yaitu

microstrip line, coaxial probe, aperture coupling, dan proximity coupled seperti yang

digambarkan pada gambar 4. Teknik pencatuan microstrip line memiliki kemudahan dalam

pabrikasi, matching dengan mengontrol posisi inset dan lebih mudah dalam pemodelan.

a) Coaxial probe b) Microstrip line

c) Proximity Coupled d) Aperture coupling

Gambar 4. Teknik pencatuan pada antenna mikrostrip

Teknik pencatuan coaxial probe memiliki kemudahan dalam pabrikasi dan penyesuaian

impedansi, serta memiliki radiasi spurious yang rendah. Akan tetapi teknik pencatuan coaxial

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

3/18

3

probe ini juga memiliki kelemahan, yaitu memiliki bandwidth yang sempit dan lebih sulit

dalam pemodelan-nya , terutama untuk substrat yang memiliki ketebalan .Teknik pencatuan aperture couplingmerupakan teknik yang tersulit dari keempat teknik yang

lain dalam hal pabrikasi, dan memiliki bandwidth yang sempit. Akan tetapi teknik ini lebihmudah dalam pemodelannya dan memiliki radiasi spurious yang tidak terlalu besar.

Sedangkan teknik pencatuan proximity coupling memiliki bandwidth yang terlebar dari

keempat teknik pencatuan. Teknik ini memiliki kemudahan dalam pemodelan dan radiasi

spurious yang rendah, akan tetapi pabrikasinya lebih sulit.

14.2 Mikrostrip Segi-Empat

2.1.3 Fringing Eff ectPada dasarnya antena mikrostrip dapat dimodelkan sebagai suatu saluran yang terdiri dari 2buah konduktor (patch dan groundplane) dan dipisahkan oleh substrat yang memiliki

konstanta dielektrik. Konduktor pada saluran mikrostrip tidak bersifat perfectly magneticconducting sehingga medan elektromagnetik yang timbul tidak sepenuhnya tegak lurus

terhadappatch maupungroundplane. Fenomena ini kemudian disebutfringing effect[6].

Fringing effect ini menyebabkan sebagian medan elektromagnetik meradiasi ke udara dan

sebagian lagi ke dalam substrat seperti yang ditunjukan pada gambar 2. Oleh karena itu

terdapat 2 jenis dielektrik yang melingkupi saluran mikrostrip, yaitu dielektrik dengan bahan

udara dan substrat yang memiliki dielektrik . Dengan demikian saluranmikrostrip ini , secara keseluruhan, dapat kita lihat sebagai sebuah saluran dengan dielektrikhomogen yang besarnya Konstanta dielektrik ini disebut konstanta dielektrikefektif (effective dielectric constant).

Gambar-2. Fringing Effect

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

4/18

4

Besarnya eff didapat dari persamaan:

([ ] [ ]

) W/h 1 (14-1a)

([ ]) W/h 1 (14-1b)

2.1.4 Dimensi PatchFringing effectmenyebabkan dimensi medan elektromagnetik antena mikrostrip terlihat lebih

besar dari dimensi fisiknya [4]. Hal ini diperlihatkan pada Gambar-3.

Gambar-3

Seperti terlihat pada Gambar 3, panjang antena mikrostrip bertambah sebesar 2L. Sehingga

panjang efektif dari antena mikrostrip menjadi:

(14-2)

Ini diperoleh dari:

(14-3)

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

5/18

5

Untuk mode dominan , frekuensi resonansi untuk antena mikrostrip merupakan fungsidari panjangnya, dan biasanya diberikan oleh persamaan:

(14-4)

dimana merupakan kecepatan cahaya di ruang bebas. Persamaan (14-4) tidakmemperhitungkan efek fringing, oleh karena itu harus dimodifikasi dengan melibatkan efek

tepi dengan menggunakan persamaan:

(14-5)

(14-5a)

C. Perancangan

Berdasarkan formulasi sederhana yang diuraikan diatas, diberikan suatu prosedur perancangan

praktis untuk antena mikrostrip segi-empat. Prosedur tersebut mengasumsikan informasi

spesifik menyertakan konstanta dielektrik, frekuensi resonansi, dan tebal substrat sebagai

berikut:

1. Tentukan ,, dan 2. Hitung dan 3. Prosedur perancangan

Untuk radiator efisien, ukuran lebar praktis adalah:

(14-6)

dimana kecepatan cahaya di ruang bebas.

Hitung konstanta dielektrik antena mikrostrip dengan menggunakan (14-1). Tentukan dengan menggunakan (14-2). Hitung dengan menggunakan persamaan:

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

6/18

6

(14-7)

Contoh-14.1

Rancanglah sebuah antena mikrostrip segi-empat menggunakan substrat RT/duroid 5880

dengan konstanta dielektrik 2.2, tebal substrat 0.1588 cm sehingga beresonansi pada 10 GHz.

SOLUSI:

D. KONDUKTANSI

Masing-masing slot peradiasi digambarkan oleh admitansi ekivalen paralel (konduktansi dan suseptansi B). Hal ini diperlihatkan pada Gambar-14.9. kedua slot diberi label #1 dan #2.

Admitansi ekivalen slot #1 diberikan oleh:

(14-8)

dimana untuk lebar terbatas:

(14-8a)

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

7/18

7

(14-8b)

Karena slot #2 identik dengan slot #1:

(14-9)

Konduktansi slot tunggaldapat diperoleh dengan menggunakan ekspresi medan yang

diturunkan oleh model cavity. Secara umum, konduktansi didefinisikan oleh:

(14-10)

Dengan menggunakan medan listrik dari (14-41), daya radiasi dituliskan sebagai

(14-11)

Oleh karena itu konduktansi (14-10) dapat dinyatakan:

(14-12)

dimana

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

8/18

8

(14-12a)

(14-12b)

Nilai asimtut dari (14-2a) dan (14-2b) adalah

(14-13)

E. RESISTANSI INPUT RESONAN

Admitansi total pada slot #1 (admitansi input) diperoleh dengan mentransfer admitansi # slot

#2 dari terminal output ke terminal input dengan menggunakan persamaan transformasi

admitansi saluran transmisi. Idealnya, jarak kedua slot dimana panjang gelombang didalam dielektrik (substrat). Tetapi, akibat panjang fringing, panjang patch sedikit lebih pendek

dari .(14-14)

(14-14a)

(14-14b)

Oleh karena itu admitansi input resonan berharga ril dan diberikan oleh:

(14-15)

Karena admitansi total ril, impedansi input jug aril:

(14-16)

Resistansi input resonan di atas tidak memperhitungkan efek gandeng antara kedua slot. Hal

ini diperoleh dengan memodifikasi (14-16) menjadi:

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

9/18

9

(14-17)

dimana tanda (+) digunakan untuk mode ganjil (antisimetrik) dan tanda () untuk mode genap

(simetrik) distribusi tegangan resonan. Dalam medan jauh, konduktansi gandeng didefinisikansebagai:

(14-18)

dimana adalah medan listrik radiasi slot #1, medan magnet radiasi slot #2, teganganpada slot, dan integrasi dilakukan meliputi bola dengan radius yang besar.

(14-18a)

dimana adalah fungsi Bessel pertama dengan orde nol. Untuk antena mikrostrip tipikal,konduktansi gandeng yang diperoleh dengan menggunakan (14-18a) berharga kecil

dibandingkan dengan .Resistansi input resonan yang dihitung dari (14-17) di tetapkan pada slot #1. Tetapi, dapat

dilihat bahwa resistansi ini dapat diubah dengan menggunakan inset feed seperti pada

Gambar-14.1a.

(14-19)

dimana lebar saluran mikrostrip. Dengan menggunakan analisis ekspansi modal, resistansiinput inset feed diberikan oleh:

(14-20)

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

10/18

10

dimana . Mengingat untuk kebanyakan tipikal mikrostrip dan , persamaan (14-20) menjadi:

(14-20a)

Contoh-14.2

Sebuah antena mikrostrip dengan dimensi dan , tebal substrat , , frekuensi kerja . Hitunglah:

a. Impedansi inputb. Posisi inset feed

SOLUSI:

Dengan menggunakan (14-12) dan (14-12a)

Dan berdasarkan (14-18a)

Dari persamaan (14-17)

14.2.2 MODEL CAVITY

A. KONFIGURASI MEDAN (MODE) - Konfigurasi medan di dalam cavity dapat ditentukan dengan menggunakan pendekatan

potensial vector. Berdasarkan Gambar-14.13, volume di bawah patch dapat diperlakukan

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

11/18

11

sebagai sebuah cavity segi-empat yang dibebani material dengan konstanta dielektrik .Material dielektrik substrat diasumsikan terpotong. Potensial vector harus memenuhipersamaan gelombang homogeny:

(14-21)

yang solusinya dituliskan dengan menggunakan pemisahan variabel:

(14-22)

dimana , , dan merupakan angka gelombang dalam arah sumbu Medanlistrik dan magnet di dalam cavity dalam relasi potensial vektor:

(14-23)

Dengan kondisi syarat batas:

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

12/18

12

(14-24)

Dengan menerapkan syarat batas dan , dapat dilihat bahwa dan

(14-25)

Demikian pula dengan menerapkan syarat batas dan , dapat dilihat bahwa dan(14-26)

Akhirnya, dengan menerapkan syarat batas dan , dapat dilihat bahwa dan(14-27)

Jadi bentuk final dari potensial vector di dalam cavity adalah(14-28)

dimana menyatakan koefisien amplituda dari masing-masing mode . Angkagelombangnya adalah:

(14-29)

dimana menyatakan jumlah perubahan medan setengah siklus sepanjang arah .Karena , , dan bergantung pada persamaan

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

13/18

13

(14-30)

Frekuensi resonansi untuk cavity diberikan oleh:

(14-31)

Dengan mensubtitusikan (14-28) ke (14-23), medan listrik dan magnet di dalam cavity

dituliskan sebagai:

(14-32)

Untuk menentukan mode dominan dengan resonansi terendah perlu untuk menguji frekuensi-

frekuensi resonansi. Mode dengan frekuensi resonansi orde terendah disebut sebagai mode

dominan. Dengan menempatkan frekuensi-frekuensi resonansi dalam urutan naik menentukan

urutan dari operasi mode. Untuk semua antena mikrostrip dan . Jika , mode dengan frekuensi terendah (mode dominan) adalah yang frekuensiresonansinya diberikan oleh:

(14-33)

dimana adalah kecepatan cahaya di ruang bebas. Jika , mode ordeberikutnya (kedua) adalah dengan frekuensi resonansinya:

(14-34)

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

14/18

14

Tetapi jika , mode orde kedua adalah yang frekuensi resonansinya:(14-35)

B. Densiti arus ekivalen

Berdasarkan mode cavity antena mikrostrip dapat dimodelkan oleh cavity beban dielektrik

dengan dua buah bidang elektrik (atas dan bawah), dan empat buah dinding magnetic

(dinding-dinding samping). Keempat dinding samping membentuk empat buah slot sempit.

Bidang patch mikrostrip ini dinyatakan oleh densiti arus listrik ekivalen pada permukaanatas . Selain itu terdapat pula pada bagian bawah bidang patch. Keempat slot memilikidensiti arus listrik ekivalen dan densiti arus magnetik ekivalen seperti diperlihatkanpada Gambar-14.15.

(14-36)

(14-37)

dimana dan masing-masing adalah medan listrik dan medan magnet slot.

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

15/18

15

Harga dan sangat rendah sehingga dapat diabaikan.(14-38)

Dengan menganggap dalam cavity ini memiliki mode dominan , komponen medanmagnet dan listrik pada persamaan (14-32) menjadi:

(14-39)

dimana dan .

C. Radiasi MedanMode

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

16/18

16

Medan total adalah penjumlahan dari array dua elemen dimana kedua elemen tersebut adalah

kedua slot di atas. Karena kedua slot identik, bias diperoleh dengan menggunakan factor susun

untuk keud slot tersebut.

Radiasi medan listrik slot pada medan jauh adalah:

dimana

Faktor susun untuk dua buah elemen identik yang memiliki bobot dan fasa yang sama,

terpisah jarak pada arahy adalah:

Maka, medan listrik total kedua slot adalah:

Bidang principal Epada antena mikrostrip adalah bidang ( , 0 . Untuk bidang ini medan radiasinya adalah:

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

17/18

17

Bidang principalHpada antena mikrostrip adalah bidang ( , 0 .Untuk bidang ini medan radiasinya adalah:

Sebagai ilustrasi, telah dihitung pola prinsipal bidang-E dan bidang-H untuk antena mikrostrip

segi-empat pada dari Contoh-14.1 dan Gambar-14.8a, dengan , , , dan . Ini ditampilkan pada Gambar-14.19auntuk bidang-E dan Gambar-14.19b untuk bidang-H.

(a)Bidang-E

7/30/2019 Bab 14 Antena d4

18/18

18

(b)Bidang-HGambar-14.19