8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Umum Antena - USU-IR

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Umum
Antena mikrostrip telah dikembangkan diseluruh dunia secara khusus untuk
memenuhi kebutuhan antena yang low-profile. Banyak penelitian dimulai pada awal
1970, walaupun antena mikrostrip sudah mulai terindikasi pada tahun 1953 dan
dipatenkan pada tahun 1955. Antena mikrostrip secara terus menerus diteliti dan
dikembangkan sampai pada akhirnya mulai dipabrikasi pada awal tahun 1980.
Perkembangan material substrat juga menambah khasanah dari penelitian antena
mikrostrip [9].
2.2.
Karakteristik Antena Mikrostrip
Antena mikrostrip adalah jenis antena yang memiliki kelebihan dan
kekurangan sebagai berikut [9][10][11].
Tabel 2.1. Kelebihan dan kekurangan antena mikrostrip
Kelebihan
Kekurangan
Profil Tipis
Efisiensi rendah
Ringan
Bandwidth relatif kecil
Mudah di pabrikasi
Pengaruh radiasi tambahan dari
pencatu,
percabangan
dan
gelombang permukaan.
Pengaruh dari berbagai toleransi
yang tinggi.
Mudah untuk dibentuk
8
Universitas Sumatera Utara
Lanjutan Tabel 2.1
Kelebihan
Kekurangan
Biaya murah
Kebutuhan akan kualitas substrat dan toleransi
terhadap suhu yang baik
Dapat di-integrasikan
dengan circuits
Kebutuhan akan kualitas susunan yang tinggi,
membutuhkan sistem pancatuan yang kompleks
Mudah untuk membuat
tambahan array
Kemurnian dari polarisasi sangat sulit dicapai.
Terdapat sejumlah substrat dalam merancang antena mikrostrip, dengan
konstanta dielektrik berada pada rentang 2,2 < εr < 12. Salah satu hal penting lainnya
adalah ketebalan dari jenis substrat, dengan dielectric constant yang lebih rendah,
maka akan memiliki efisiensi lebih baik, bandwidth lebih lebar dan cukup baik dalam
loncatan radiasi medan ke ruang bebas, namun menjadi cukup mahal untuk ukuran
elemen yang besar. Substrat yang tipis dengan dielectric constant yang lebih besar
dibutuhkan dalam rangkaian microwave untuk kebutuhan menahan loncatan medan
dan mengurangi radiasi dan kopling yang tidak diperlukan. Kebutuhan akan ukuran
elemen yang lebih kecil dapat mengakibatkan rugi-rugi yang tinggi, sehingga menjadi
tidak efisien dan memiliki bandwidth yang relatif lebih kecil. Semakin banyaknya
penggunaan antena mikrostrip yang terintegrasi dengan rangkaian microwave lainnya,
maka dibutuhkan suatu kombinasi terbaik yang harus dicapai antara kebutuhan
kinerja antena dengan rancangan dari rangkaian secara keseluruhan [10].
Pada umumnya, antena mikrostrip direpresentasikan sebagai suatu antena
patch. Elemen peradiasi dan pencatu yang menyatu pada permukaan dielectric
9
Universitas Sumatera Utara
substrate seperti pada Gambar 2.1. Patch peradiasi biasanya square, rectangular,
strip tips (dipole), circular, elliptical, triangular atau konfigurasi lainnya seperti pada
Gambar 2.2 [10].
Gambar 2.1. Patch antena mikrostrip
Elemen peradiasi (patch) merupakan sebuah lempengan bahan konduktor tipis
yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara.
Gambar 2.2. Representasi bentuk-bentuk patch
10
Universitas Sumatera Utara
Elemen substrat (substrate) merupakan bahan dielektrik yang memisahkan
antara patch dan bidang pentanahan (ground plane). Tabel 2.2 memperlihatkan nilai
konstanta dielektrik dan loss tangent dari beberapa jenis bahan dielektrik [12][13].
Tabel 2.2. Konstanta bahan dielektrik
Jenis Bahan (material)
Konstanta Dielektrik
Loss Tangent
Udara
1
0
Foam
1,07
0,0009
Epoxy FR 4
4,4
0,02
RT/Duroid 5880
2,2
0,0009
Polysterene-quartz
2,6
0,0005
Teflon-ceramic
2,3
0,001
Polyolefin-ceramic
3 – 10
0,001
Polyester-ceramic
6
0,017
3 – 25
0,000
Silicon
Elemen substrat ini memiliki jenis yang bervariasi yang dapat
digolongkan berdasarkan nilai konstanta dielektrik (εr) dan loss tangent.
2.3.
Saluran Mikrostrip
Saluran mikrostrip (microstrip line) merupakan saluran transmisi yang bentuk
fisiknya bersifat kaku (rigid). Saluran jenis ini biasanya digunakan untuk bekerja
pada daerah frekuensi gelombang mikro (orde GHz) dan digunakan untuk
menghubungkan piranti-piranti elektronik yang berjarak dekat. Saluran mikrostrip
biasanya dibuat dari bahan dielectric dan metal track dengan bahan khusus yang
11
Universitas Sumatera Utara
mempunyai rugi-rugi rendah pada frekuensi gelombang mikro. Bentuk fisik dan pola
medannya dapat dilihat pada Gambar 2.3 [14].
Gambar 2.3. Bentuk fisik dan pola medan saluran mikrostrip
Impedansi karakteristik dari saluran mikrostrip untuk lebar saluran yang sempit
dengan w/h ≤ 2 dapat dinyatakan sebagai berikut [15]:
/
,
=
)
(
ln
+
+2
−
(
(
)
)
0,4516 +
,
……… (2.1)
Dan untuk w/h > 2 :
=
Dimana:
,
√
+ 0.8825 + 0,1645
+
1,4516 + ln + 0,9 4
…(2.2)
h = ketebalan bahan dielektrik (m)
w = lebar konduktor mikrostrip (m)
εr = konstanta bahan dielektrik
12
Universitas Sumatera Utara
2.4.
Dielektrik Substrat
Pada antena mikrostrip, bahan dielektrik substrat merupakan komponen yang
cukup penting. Berbagai parameter antena mikrostrip seperti ukuran patch dan lebar
saluran pencatu sangat bergantung dari nilai konstanta bahan dielektriknya. Effective
dielectric constant diberikan persamaan sebagai berikut [16].
=
+1
+
2
−1
2
1
1+
… … … … … … . . (2.3)
12
Effective dielectric constant dapat di terjemahkan sebagai dielectric constant
dari medium homogen yang setara sebagai pengganti udara dan area dielectric dari
saluran mikrostrip. Dari dimensi saluran mikrostrip, dapat di hitung impedansi
karakteristik sebagai berikut [10] [16].
ln
+
/ ≤1
=
,
,
≥1
,
… (2.4)
Dan dari impedansi karakteristik Z0 dan dielectric constant εr, perbandingan W/d
dapat ditentukan sebagai berikut [16].
=
<2
− 1 − ln(2 − 1) +
ln( − 1) + 0,39 −
,
>2
… (2.5)
Gambar 2.4 berikut memperlihatkan geometri dari dielektrik substrat [16].
13
Universitas Sumatera Utara
(a)
(b)
Gambar 2.4. Dielektrik substrat (a) Original geometry (b) Equivalent geometry
Dielektrik substrat dari relative permittivity εr digantikan dengan medium
homogen dari effective relative permittivity εe.
=
60
+1
+
2
=
2.5.
−1
0,11
0,23 +
−1
377
2 √
… … … … … … … … . (2.6)
… … … … … … … … … . … … … … … (2.7)
Parameter Antena Mikrostrip
Parameter penting yang digunakan untuk mengevaluasi kinerja dari suatu
antena mikrostrip antara lain voltage standing wave ratio (VSWR), gain dan
scattering parameter berupa return loss.
2.5.1. Voltage standing wave ratio (VSWR)
Voltage standing wave ratio (VSWR) adalah rasio perbandingan antara
amplitude tegangan maksimum dan tegangan minimum terjadi karena adanya
14
Universitas Sumatera Utara
superposisi antara gelombang datang dan gelombang pantul. Jika kedua gelombang
ini sefasa, akan terjadi tegangan maksimum dan bila berlawanan fasa akan terjadi
tegangan minimum. Harga untuk koefisien pantul adalah 0 < |Γ| < 1 dan untuk
VSWR adalah 1 < VSWR < ~. Nilai VSWR yang baik adalah mendekati 1 dan
diberikan oleh [4][11].
VSWR =
V
V
=
|V | + |V | 1 + |Γ|
=
… … … … … … … … . (2.8)
|V | − |V | 1 − |Γ|
2.5.2. Bandwidth
Bandwidth suatu antena didefinisikan sebagai rentang frekuensi dimana
kinerja antena yang berhubungan dengan beberapa karakteristik (seperti impedansi
masukan, efisiensi, VSWR, return loss, axial ratio) untuk memenuhi spesifikasi
standar [13] [17].
ℎ=
(
−
) … … … . . … … … … … … (2.9)
Frekuensi tengah (f0) dari sebuah bandwidth dapat dinyatakan sebagai berikut.
=
−
2
(
) … … … … . . … … … … … . (2.10)
Gambar 2.5 mengilustrasikan sebuah bandwidth yang diperoleh berdasarkan
grafik VSWR versus frekuensi dari nilai standar VSWR yaitu ≤ 2 [15].
15
Universitas Sumatera Utara
V. S. W. R.
specification V. S. W. R.
f1
f0
frequencybandwidth
f2
Gambar 2.5. Rentang frekuensi yang merepresentasikan bandwidth
Bandwidth dapat juga dinyatakan dalam bentuk persentase yang dirumuskan
sebagai berikut [17].
=
Dimana:
−
100% … … … … … . … . … … … . (2.11)
f2 = frekuensi tertinggi
f1 = frekuensi terendah
fc = frekuensi tengah
2.5.3. Return loss (RL)
Return loss (RL) 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
16
Universitas Sumatera Utara
adanya diskontinuitas diantara saluran transmisi dengan impedansi masukan beban
(antena).
Pada rangkaian
gelombang
mikro
yang
memiliki diskontinuitas
(mismatched), besarnya return loss bervariasi tergantung pada frekuensi [13] [16].
=
−1
. … … … … … … . . … … … … (2.12)
+1
=
= 20
| | . … . … … . . … … . … … … … (2.13)
Dengan menggunakan nilai VSWR ≤ 2 maka diperoleh nilai return loss yang
dibutuhkan adalah di bawah -10 dB. Dengan nilai ini, dapat dikatakan bahwa nilai
gelombang yang direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang
yang dikirimkan atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah dapat dianggap
matching. Nilai parameter ini dapat menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah
antena sudah mampu bekerja pada frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.5.4. Pola radiasi dan beamwidth
Pola radiasi (radiation pattern) adalah fungsi matematika atau representasi
grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi ruang. Sifat radiasi tersebut meliputi
kerapatan flux, intensitas radiasi, kuat medan, atau polarisasi. Biasanya sifat dari
radiasi yang sangat dipentingkan adalah persebaran secara tiga dimensi atau dua
dimensi dari energi yang diradiasikan antena. Contoh gambaran dari pola radiasi
antena secara tiga dimensi dan dua dimensi dapat dilihat dari Gambar 2.6 [10].
17
Universitas Sumatera Utara
First null
beamwidth
Major Lobe
Half power beamwidth
(HPBW)
Minor Lobe
Minor Lobe
Back Lobe
(a)
Radiation
Intensity
Major Lobe
Minor Lobe
HPBW
Side Lobe
Back Lobe
FNBW
(b)
Gambar 2.6. (a) Pola radiasi dan beamwidth (b) Linear plot pola daya dengan
lobe-lobe pendukung dan beamwidth
18
Universitas Sumatera Utara
Half Power Beamwidth (HPBW) didefenisikan sebagai suatu arah maksimum
dari beam, sudut antara dua arah yang intensitas radiasi nya adalah setengah dari nilai
maksimum dari beam.
2.5.5. Penguatan (Gain)
Gain adalah perbandingan antara intensitas radiasi suatu antenna pada suatu
arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropic yang menggunakan sumber
daya masukan yang sama, dan dapat dirumuskan sebagi berikut [10]:
=
… … … … … … … … … … … … … … . . (2.14)
Dimana:
G = gain
Um = intensitas radiasi maksimum suatu antenna
Umr = intensitas radiasi maksimum antena referensi dengan daya input
yang sama
Gain dapat dinyatakan sebagai perkalian dari efisiensi radiasi dan direkstivitas
yaitu [20]:
= .
……………………………… (2.15)
Dimana direktivitas (D) merupakan keterarahan intensitas radiasi antena dan e
merupakan efisiensi radiasi yang muncul akibat adanya rugi-rugi ohmic dari struktur
antena.
19
Universitas Sumatera Utara
Secara umum, hubungan antara direktivitas dan gain terhadap dimensi fisik dari
antena dapat dinyatakan dengan [11] [18].
=
=
4
… … … … … … … … … … … … … … . . . (2.16)
4
… … … … … … … … … … … … … … … . (2.17)
Dengan,
=
Dimana:
.
0≤
≤ 1 …………………………… (2.18)
Ap = Aperture fisik antena
A e = Aperture efektif antena
ε ap = efisiensi aperture antena
Dalam pengukuran 2-port gain, perhitungan gain antena penerima dapat peroleh
dengan persamaan berikut [19].
Pr / Pt = │S21│2 ………………………….. (2.19)
Dengan GT adalah fungsi gain dari pengukuran 2 port [20].
GT = │S21│2 ………………………….. (2.20)
Sehingga,
GT = Pr / Pt ……………………………(2.21)
Jika GA dan GB adalah gain antena pemancar dan antena penerima, maka
dengan menggunakan persamaan Friis diperoleh [21].
20
Universitas Sumatera Utara
+
= 20log
−10
…………………..(2.22)
Dengan r adalah jarak antara antena pemancar dengan antena penerima dan
adalah
panjang gelombang pada frekuensi kerja.
2.6.
Antena Mikrostrip Patch Segiempat
Patch berbentuk segi empat (rectangular) merupakan bentuk yang paling
sederhana dan umum digunakan pada antena mikrostrip. Bentuk ini memiliki dimensi
panjang (L) dan lebar (W). Gambar 2.7 menunjukkan bagian-bagian dari sebuah
antena mikrostrip patch segi empat [10].
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.7. (a) Mikrostrip patch segi empat (b) Model rangkaian ekuivalen, dan
(c) Mikrostrip patch segi empat dengan inset feed
Untuk mendapatkan frekuensi resonansi yang diinginkan, dibutuhkan dimensi
panjang dan lebar dari patch segi empat sebagai parameter utama. Dimana
dimensinya dipengaruhi oleh ketebalan substrat (h) dan nilai konstanta dielektrik (εr)
21
Universitas Sumatera Utara
dari substrat yang digunakan. Lebar patch dapat ditentukan dengan menggunakan
persamaan [9] [10]:
=
(
………………………………(2.19)
)
Dimana c adalah kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di ruang bebas yaitu
8
sebesar 3x10 m/det, fr adalah frekuensi resonansi dari antena dan εr adalah konstanta
dielektrik dari bahan substrat. Sedangkan untuk menentukan panjang patch (L)
dirumuskan sebagai [9] [10]:
=
− 2∆ ………………….………………..………(2.20)
Dimana Leff merupakan panjang patch efektif yang dapat ditentukan dengan [10]:
=
… … … … … … … . … … … … … (2.21)
2
Dan ΔL adalah perbedaan panjang antara L dan Leff yang dirumuskan sebagai [10]:
∆ = 0.412ℎ
(
+ 0.3) ℎ + 0,26 4
… … … … … . . (2.22)
− 0.258) ℎ + 0,8
(
Dengan εreff adalah konstanta dielektrik relatif yang dirumuskan sebagai [10]:
=
+
/
………………………..(2.23)
Impedansi input (Zin) antena mikrostrip patch segi empat diperhitungkan sebagai
berikut [11]:
≈ 90
( ℎ )……………………………(2.24)
22
Universitas Sumatera Utara
Secara formula, bandwidth yang dapat dicapai oleh antena mikrostrip patch
segiempat untuk VSWR < 2 adalah [11]:
∆
=
16
−1 ℎ
3√2
−1 ℎ
≈ 3,77
… … … … … … … . . (2.25)
Kemudian dengan semakin besar nilai W, maka akan semakin besar pula nilai
direktivitas antena mikrostrip. Maksimum nilai direktivitas antena mikrostrip tersebut
dinyatakan sebagai berikut [11]:
=
6,6 = 8,2
8 / ,
,
≪
≫
… … … … … … … … … … (2.26)
Gain antena mikrostrip patch segi empat dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan :
=
4
(
×
) … … … … … … … … … … … … . . (2.27)
Dengan,
=
… … … … … … … … … … … … … . . (2.28)
Dimana λ0 merupakan panjang gelombang pada frekuensi resonansi (fr).
Untuk lebar dan panjang substrat dari antena mikrostrip dapat dihitung dengan
persamaan sebagai berikut [22]:
= 6ℎ+
……………...………………..(2.29)
= 6ℎ+
…………………..…………….(2.30)
Dengan Ws adalah lebar substrat dan Ls adalah panjang substrat.
23
Universitas Sumatera Utara
2.7.
Antena Mikrostrip Broadband & Dualband
Terdapat jenis-jenis kebutuhan band frekuensi kerja pada antena mikrostrip,
diantaranya adalah antena mikrostrip broadband dan dualband. Masing-masing jenis
kebutuhan band frekuensi tersebut memilki kelebihan dan teknik tersendiri dalam
perancangan yang disesuaikan dengan aplikasi penggunaan antena mikrostrip.
2.7.1. Antena mikrostrip broadband
Antena mikrostrip broadband adalah antena yang bekerja pada suatu band
frekuensi tertentu, dengan lebar band (bandwidth) antara 50 MHz – 200 MHz. Pada
Gambar 2.8 terlihat kebutuhan bandwidth untuk frekuensi kerja GSM 1800 MHz
[23].
Gambar 2.8 Grafik VSWR antena mikrostrip broadband
Dari Gambar 2.8, grafik VSWR hasil pengukuran dan simulasi di peroleh
nilai VSWR < 2 berada pada band frekuensi 1800 MHz atau diantara 1700 MHz dan
1800 MHz. Bandwidth frekuensi untuk hasil simulasi adalah sebesar 87,23 MHz dan
untuk hasil pengukuran 82,01 MHz. Antena mikrostrip yang dirancang adalah antena
broadband [23].
24
Universitas Sumatera Utara
2.7.2. Antena mikrostrip dualband
Antena mikrostrip dualband dimaksudkan untuk mendapatkan kinerja terbaik
dari suatu antena pada dua band frekuensi aplikasi berbeda. Misalnya, band frekuensi
GSM 900 MHz dan LTE 1800 MHz, band frekuensi GSM 900 MHz dan WLAN
2400 MHz atau band frekuensi WLAN 2400 MHz dan WiMax 5,3 GHz.
Gambar 2.9 merupakan hasil rancangan antena mikrostrip untuk mendapatkan
dua frekuensi kerja dengan memperlihatkan parameter S11 (return loss) sebagai
indikator kinerja dari antena dualband [24].
Gambar 2.9 Grafik parameter S11 (return loss) antena mikrostrip dualband
Dari rancangan antena mikrostrip, diperoleh parameter return loss (S11) hasil
simulasi dan pengukuran bahwa antena bekerja pada band frekuensi WiFi 3,6 GHz
dan WiMax 5,3 GHz. Pada antena dualband, lebar band antena bersifat narrowband
atau memiliki band frekuensi yang sempit seperti terlihat pada Gambar 2.9.
25
Universitas Sumatera Utara
2.8.
Saluran Mikrostrip T-junction Multiple Section
Saluran T-junction diperlukan untuk perancangan antena mikrostrip 2 elemen
yang dibentuk seperti huruf T (T-junction) atau disebut sebagai parallel feed atau
corporate feed, dengan dua saluran pembagi mikrostrip 2Z0 dan saluran input
mikrostrip Z0. Quarter wave T-junction umumnya dipakai sebagai pembagi daya
(power divider) pada antena 2 elemen [9].
Gambar 2.10 T-Junction pembagi daya
Gambar 2.10 memperlihatkan saluran pencatu T-junction yang diperlukan
dalam perancangan antena mikrostrip 2 elemen atau lebih (array). Nilai Z0 saluran
input adalah 50 Ω, untuk pembagi daya saluran output Z adalah sebesar :
Z = 2Z0 …………………………………. (2.31)
Sehingga Z=100 Ω. Selanjutnya diperlukan suatu multiple section transformer untuk
kebutuhan saluran pencatu antena mikrostrip 2 elemen [15].
Gambar 2.11 Multiple section transformer ¼ λ
26
Universitas Sumatera Utara
Dengan rasio impedansi karakteristik saluran input dan output:
=
/
………………………….....(2.32)
Maka dapat di peroleh nilai ZA sebagai berikut:
=
…………………………….. (2.33)
=
…………………………….. (2.34)
Dan,
Gambar 2.12 menunjukkan suatu multiple section transformer ¼ λ yang
dibutuhkan dalam merancang suatu saluran pencatu 2 elemen dan dikombinasikan
dengan saluran T-junction. Nilai impedansi karakteristik setiap section nya dapat
diperoleh dari Persamaan (2.32) sampai Persamaan(2.34).
Representasi suatu saluran pencatu T-junction yang dikombinasikan dengan
multiple section transformer digambarkan seperti Gambar 2.12 [6].
Gambar 2.12. Saluran pencatu T-junction dengan multiple section transformer
Gambar 2.12 merupakan saluran pencatu yang digunakan untuk antena
mikrostrip 2 elemen dengan nilai impedansi pada masing-masing section nya. Sesuai
27
Universitas Sumatera Utara
dengan Gambar 2.10, maka nilai impedansi karakteristik saluran input Z0 adalah
sebesar 50 Ω dan panjang saluran mikrostrip dapat dihitung sebesar ¼ λg.
2.9.
Optimasi Dengan Simulator Microwave Office AWR 2004
Terdapat beberapa perangkat lunak sebagai simulator yang dapat digunakan
dalam perancangan antena mikrostrip, diantaranya:
a.
Advance Design System (ADS) adalah produk dari Keysight Technologies
yang merupakan simulator untuk perancangan rangkaian terpadu
elektronika maupun mikrostrip kebutuhan radio frequency (RF),
microwave dan aplikasi digital kecepatan tinggi.
b.
Ansoft High Frequensy Structure Simulator (HFSS) simulator produk dari
ANSYS, dapat juga digunakan dalam merancang antenna mikrostrip
selain kemampuan lainnya dalam perancangan rangkaian terpadu
elektronika.
c.
Microwave office AWR 2004 merupakan software yang digunakan untuk
merancang dan menganalisis kinerja pada radio frequency (RF),
microwave,
millimeterwave,
analog
dan
rancangan
RFIC
yang
memungkinkan untuk menggambar langsung kedalam sistem AWR.
Microwave Office (MWO) dan Analog Office (AO) memungkinkan untuk
merancang desain sirkuit yang rumit secara linear, non-linear, serta
struktur elektromagnet, dan menampilkan layout dari rancangan tersebut.
28
Universitas Sumatera Utara
Software ini juga bekerja dengan cepat dan menganalisis secara akurat.
Pada penelitian ini menggunakan simulator microwave office AWR 2004.
Fasilitas-fasilitas yang tersedia pada software ini digunakan untuk merancang
dan mensimulasikan antena yang akan dirancang. Setelah disimulasi akan diperoleh
beberapa karakteristik antena seperti frekuensi kerja, bandwidth, impedansi input,
return loss, VSWR, dan pola radiasi.
AWR Microwave Office dapat mensimulasikan struktur berupa 3D planar
yang berbahan metal dan lapisan dielektrik. Simulator ini menggunakan metode
Galerkin moments (MoM) dalam domain spectral, metode yang sangat akurat untuk
menganalisis mikrostrip, stripline, struktur coplanar serta media yang lainnya.
Berdasarkan proses pemberhentiannya, simulasi dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu:
terminating simulation dan non terminating simulation. Pada simulasi ini sistem
pemberhentian simulasi menggunakan non terminating simulation. Simulasi ini akan
berhenti berdasarkan absolute error dan relative error. Simulasi akan berhenti
apabila error telah berada dibawah absolute error dan relative error yang telah
ditetapkan. Adapun besar dari absolute error dan relative error adalah masingmasing sebesar 1
dan 1
(default).
Dalam menggunakan simulator diperlukan beberapa setting parameter yang
bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi yang mendekati hasil dari pengukuran
secara langsung. Adapun cara untuk pengaturan nilai frekuensi diperlihatkan pada
Gambar 2.13.
29
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13. Pengaturan nilai frekuensi pada simulator AWR 2004
Untuk mendapatkan tab seperti pada Gambar 2.13 dapat dilakukan dengan
cara memilih Option > Project Option atau bisa juga dengan cara memilih langsung
dari Project Option. Dari Gambar 2.13 diketahui bahwa frekuensi pada simulasi dapat
dimulai dan diakhiri dengan frekuensi yang diinginkan dengan selang (interval) yang
juga dapat diatur. Pada gambar diperlihatkan pengaturan frekuensi dari 2,3 GHz dan
berakhir pada 2,6 GHz dengan frekuensi tingkatan 0,05 GHz.
Menggunakan fitur harmonic balance yang merupakan salah satu fitur pada
AWR Microwave Office yang berfungsi untuk meningkatkan akurasi dari hasil
simulasi yang diinginkan. Untuk mendapatkan pengaturan harmonic balance dapat
dilakukan dengan memilih Option > Default Circuit Option. Adapun cara tampilan
pengaturan harmonic balance diperlihatkan pada Gambar 2.14.
30
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14. Pengaturan harmonic balance
Dari Gambar 2.14 dapat diketahui bahwa nilai default yang digunakan pada
absolute error dan relative error adalah masing-masing sebesar 1
dan 1
.
Dalam simulator AWR Microwave Office 2004 elemen/patch dibagi menjadi bagianbagian kecil yang tersusun (mesh). Gambar 2.15 menunjukkan contoh mesh dari
patch yang disimulasikan pada software AWR.
Wg
Wp
Lg
Lp
Wf
Lf
Gambar 2.15. Model simulasi dengan mesh
31
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 dengan dimensi antena Wg= lebar ground plane, Lg= panjang
ground plane, Wp= lebar patch, Lp= panjang patch, Lf= panjang pencatu dan Wf=
lebar pencatu, dapat diketahui bahwa sebuah model simulasi patch segi empat dengan
pembagian jaring/mesh dengan memiliki ukuran jaring tertentu yang dapat
disesuaikan dengan mengatur ukuran grid. Pada spesifikasi high mesh memiliki
tingkat keakuratan yang lebih baik dibandingkan dengan mesh yang berspesifikasi
low. Namun, proses simulasi yang dilakukan akan membutuhkan waktu yang lebih
lama karena banyaknya grid yang akan dihitung.
Dalam menganalisis suatu antena mikrostrip, pada simulator Microwave office
AWR 2014 digunakan metode Method of Moments (MoM). MoM pertama kali
diperkenalkan pada metode matematika dimana ide dasarnya adalah untuk mengubah
suatu persamaan integral atau diferensial ke dalam suatu persamaan linear aljabar
simultan (atau persamaan matriks) yang kemudian dapat diselesaikan dengan teknik
numerik. Gambar 2.16 menunjukkan sebuah plat tipis yang bermuatan yang dibagi ke
dalam N segmen yang mempunyai luas sebesar ∆ [25].
Gambar 2.16. Plat tipis bermuatan
32
Universitas Sumatera Utara
Pembagian segmen dilakukan sesuai dengan prinsip method of moments
dengan memecah objek yang diamati. Terdapat dua tahapan berdasarkan metode
momen ini yaitu tahap pertama adalah arus listrik yang belum diketahui
( )
ditunjukkan sebagai gabungan fungsi ({ , , , … . } seperti ditunjukkan oleh
Persamaan (2.34) dalam bentuk gabungan linier.
( )=
+
= ∑
+ …+
( ) …………..(2.34)
( = 1, 2, 3, … , ) adalah koefisien ekspansi yang telah ditentukan
Dimana
( ) dan ( = 1, 2, 3, … , ) adalah fungsi ekspansi (expansion function atau basis
function) yang sudah diketahui [25].
( ) bernilai bukan nol pada tiap bagian kecil ∆
Di sini
( ).
dan 1 mempunyai arti nilai “tidak” dan “ada”nya nilai
( )=
( )
, dimana nilai 0
∈ ∆
( )=0
lainnya
……………………… (2.35)
Kemudian Persamaan (2.34) disubstitusikan ke dalam komponen persamaan
integral Pocklington sebelah kiri menjadi:
∫
( )
( , )
+
( , )
+
( ) = 0 ………….(2.36)
+
( ) ………………..(2.37)
Bila nilai ini adalah ( ), maka dapat diperoleh
( )= ∑
∫∆
( )∏( , )
33
Universitas Sumatera Utara
Dimana,
( , )
∏( , ) =
Dalam Persamaan (2.37),
+
( , )
……………………(2.38)
( ) menunjukkan nilai selisih (residu), dimana
idealnya mempunyai nilai yang sangat kecil sehingga mendekati nilai nol.
Tahapan kedua adalah mengalikan fungsi yang sudah diketahui
( )(
=
1, 2, 3, … , )dengan ( ), kemudian diintegral, maka akan diperoleh persamaan
( ) ( )
∫
Dimana
( )(
=0
= 1, 2, 3, … , ) ……………….(2.39)
= 1, 2, 3, … , ) disebut juga sebagai fungsi beban atau
( ) mempunyai nilai bukan nol di bagian ruang
fungsi penguji. Fungsi beban
kecil ∆
(
( ) terbaik agar
. Dalam proses ini kita hendak mencari kombinasi deret
Persamaan (2.39) mempunyai jumlah yang mendekati nol [25].
( )=
( )
∈ ∆
( )=0
lainnya
………………………(2.40)
Sehingga Persamaan (2.40) akan menjadi seperti Persamaan (2.41)
∑
∫∆
( ) ∫∆
( ) ∏( , )
= − ∫∆
Persamaan (2.41) adalah persamaan deret
∑
=
( )
( )
……. (2.41)
yang dapat ditunjukkan sebagai:
(
= 1, 2, 3, … , ) ………………(2.42)
34
Universitas Sumatera Utara
Dimana,
= ∫∆
( ) ∏( , )
( ) ∫∆
= − ∫∆
( )
( )
…………….. (2.43)
……………………….. (2.44)
Persamaan (2.46) dapat disusun kembali dalam bentuk matriks [25].
[
Dimana [
], [
][ ]= [
]
…………………………….(2.45)
] masing – masing adalah matriks impedansi yang
terekspansi dan matriks tegangan listrik. Istilah terekspansi disini menunjukkan
bukan rumus impedance maupun tegangan seperti biasa. Koefisien ekspansi yang
belum diketahui [ ] dapat diperoleh dari [ ] = [
] [
]. [ ] yang telah
ditentukan kemudian disubsitusikan kembali ke dalam Persamaan (2.38) sehingga
arus listrik yang belum diketahui dapat ditentukan.
AWR Microwave Office 2004 menggunakan prinsip dari method of moment
dimana permukaan patch dari antena mikrostrip yang akan dianalisis dibagi ke dalam
bagian 3 dimensi yang lebih kecil (sumbu x, y dan z) kemudian dengan menggunakan
tahapan proses dari method of moment akan dihasilkan nilai dari distribusi arus dan
tegangan pada permukaan patch antena tersebut.
35
Universitas Sumatera Utara
2.10.
4G LTE (Long Term Evolution)
4G-LTE (4th Generation-Long Term Evolution) merupakan suatu jaringan
yang dikembangkan dari jaringan sebelumnya yaitu jaringan 3G. LTE merupakan
roadmap jangka panjang yang dimulai pada jaringan 4G yang mampu untuk
menghasilkan data rate sampai dengan 100 Mbps. Standar teknologi LTE
dikeluarkan oleh 3GPP forum. LTE dikembangkan untuk sejumlah band frekuensi,
saat ini dapat bekerja pada frekuensi 700 MHz hingga 2.7GHz. Bandwidth yang
tersedia juga fleksibel dimulai dengan 1,4 MHz hingga 20 MHz.
LTE (Long Term Evolution) atau E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial
Access Network), diperkenalkan di 3GPP R8 (release 8) yang juga dikenal sebagai
4G (4th Generation), adalah bagian akses dari Evolved Packet System (EPS).
Persyaratan utama untuk jaringan akses baru adalah spektrum
dengan efisiensi
tinggi, kecepatan data rate yang tinggi, waktu round trip yang singkat serta
fleksibilitas dalam frekuensi dan bandwidth [26].
Gambar 2.17. Solusi jaringan dari GSM menuju LTE
36
Universitas Sumatera Utara
Evolved Packet System (EPS) adalah murni berbasis IP. Kedua layanan real
time dan layanan komunikasi data akan dilakukan oleh protokol IP. Alamat IP
dialokasikan ketika ponsel diaktifkan dan dilepaskan ketika dimatikan.
Solusi akses terbaru LTE, didasarkan pada OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access) dan dikombinasikan dengan modulasi yang lebih tinggi
(hingga 64 QAM), bandwidth besar (sampai 20 MHz) dan multiplexing spasial dalam
downlink (hingga 4x4), sehingga kecepatan data yang tinggi dapat dicapai. Secara
teori data rate tertinggi pada saluran transport adalah 75 Mbps pada uplink, pada
downlink yang menggunakan multiplexing spasial, data rate dapat mencapai 300
Mbps.
Jaringan akses dari LTE hanyalah sebuah jaringan BTS, evolved Node B
(ENB) yang merupakan arsitektur datar seperti pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18. X2 dan S1 interface
37
Universitas Sumatera Utara
Pada LTE tidak terdapat pengendali cerdas terpusat (BSC/RNC), dan eNBs
saling terhubung melalui X2-interface dan terhubung dengan core network dengan
S1-interface (Gambar 2.18). X2-interface memungkinkan terjadinya handover antar
eNBs [26].
2.11.
Wireless LAN
Wireless LAN merupakan standar yang dikeluarkan oleh IEEE (Institute of
Electrical
and
Electronics
Engineers),
suatu
organisasi
non-profit
yang
mendedikasikan untuk membantu dibidang teknologi seperti teknologi listrik,
telekomunikasi, penerbangan, elektronik, biomedical dan teknologi komputer.
Pada Tahun 1980 bulan februari, IEEE membuat sebuah bagian yang
mengurusi standarisasi LAN dan MAN, bagian ini dinamakan 802. Angka 80
menunjukkan tahun dan 2 menunjukkan bulan.
Tabel 2.3 adalah perbandingan dasar dari standar 802.11 yang berbeda.
Produk yang berdasarkan standar 802.11 pada awalnya dirilis pada tahun 1997.
802.11 termasuk lapisan infra merah (IR) yang tidak pernah banyak digunakan [27].
Tabel 2.3. Standarisasi IEEE 802.11
IEEE
Kecepatan
Standard
802.11
1 Mbps, 2 Mbps
Band
Frekuensi
2,4 GHz
5 GHz
Catatan
Standar pertama (1997)
802.11a
up to 54 Mbps
Standar kedua (1999)
802.11b
5,5 Mbps, 11 Mbps
2,4 GHz
Standar ketiga
802.11g
up to 54 Mbps
2,4 GHz
Belum distandarkan
38
Universitas Sumatera Utara
Pada awalnya, produk 802.11 terbatas hanya pada rate 2 Mbps, yang
dianggap cukup lambat untuk standar jaringan modern. Kelompok kerja IEEE 802.11
mulai bekerja pada lapisan radio yang lebih cepat dan menghasilkan standar 802.11a
dan 802.11b pada tahun 1999. Produksi perangkat berdasarkan 802.11b yang dirilis
pada tahun 1999, dapat beroperasi pada kecepatan hingga 11 Mbps.
802.11a
menggunakan teknik radio ketiga yang disebut pembagian frekuensi orthogonal
multiplexing (OFDM). 802.11a beroperasi di band frekuensi yang berbeda sama
sekali dan saat ini memiliki persetujuan peraturan hanya di Amerika Serikat. Seperti
yang terlihat dari tabel, 802.11 sudah menyediakan kecepatan lebih cepat dari
10BASE-T Ethernet dan cukup kompetitif dengan Fast Ethernet [27].
Jaringan WLAN 802.11 terdiri dari empat komponen utama seperti terlihat
pada Gambar 2.19 [27].
Gambar 2.19. Komponen 802.11 WLAN
Distribution system adalah komponen logis dari 802.11 yang digunakan untuk
meneruskan frame ke perangkat yang dituju. 802.11 tidak menentukan suatu
teknologi tertentu untuk sistem distribusi. Kebanyakan produk komersial, sistem
39
Universitas Sumatera Utara
distribusi diimplementasikan sebagai kombinasi dari mesin penjembatan (bridging)
dan sistem distribusi menengah, yang merupakan jaringan backbone yang digunakan
untuk frame relay antara akses poin yang sering disebut sebagai jaringan backbone
saja. Hampir semua komersial produk menggunakan ethernet sebagai teknologi
jaringan backbone.
Access point berfungsi sebagai pengkonversi frame pada jaringan 802.11 ke
jenis lain dari frame, untuk pengiriman ke seluruh dunia. Perangkat yang disebut
sebagai jalur akses melakukan fungsi interface wireless-to-wireline dan sebaliknya.
Wireless medium berfungsi untuk memindahkan frame dari station ke station,
dengan menggunakan media nirkabel. Beberapa lapisan fisik yang berbeda
didefinisikan
sehingga
memungkinkan
arsitektur
beberapa
lapisan
fisik
dikembangkan untuk mendukung 802.11.
Jaringan yang dibangun mendukung untuk mentransfer data antar station.
Station merupakan perangkat komputasi dengan interface jaringan wireless. Pada
umumnya, stasiun merupakan perangkat yang dioperasikan dengan baterai berupa
laptop atau telepon genggam. Station tidak harus berupa perangkat komputasi
portable. Dalam lingkungan tertentu, jaringan wireless digunakan untuk menghindari
menarik kabel baru, sehingga desktop/laptop cukup dihubungkan dengan wireless
LAN [27].
40
Universitas Sumatera Utara