Microstrip Antena
Mikrostrip Slot Antena (MSA) merupakan sebuah evolusi dari antena strip line yang memiliki banyak sekali keunggulan seperti menghasilkan pola radiasi bidirectional dan unidirectional dengan bandwidth yang lebih lebar dibandingkan antena patch konvensional. Yang membuat MSA menarik bagi saya adalah kombinasi antara strip konduktor dan slot yang memberikan kebebasan untuk mendesain. Kemampuannya untuk menghasilkan polarisasi yang diinginkan dengan toleransi manufaktur yang lebih baik menjadikannya pilihan praktis untuk aplikasi komunikasi. Antena slot annular khususnya sangat berguna untuk komunikasi mobile, sementara tapered slot antenna menemukan aplikasinya pada frekuensi milimeter dengan karakteristik radiasi end-fire.7.1 Antena Slot Persegi Panjang yang Ditenagai oleh Microstrip
Antena slot mikrostrip
pada dasarnya adalah sebuah slot yang dipotong pada ground plane dibawah
jalur mikrostrip, dengan posisi slot tegak lurus terhadap konduktor strip.
Medan dari jalur mikrostrip inilah yang mengeksitasi slot tersebut agar dapat
meradiasi. Untuk mencapai eksitasi yang efisien, terdapat dua metode utama:
pertama, menghubung singkat strip konduktor secara langsung ke tepi slot, atau
kedua, mengakhiri strip konduktor dengan stub open circuited (sepanjang
seperempat panjang gelombang, 
)
di luar slot. Dengan adanya stub memberikan kondisi yang setara seperti hubung
singkat pada tepi slot. Tantangan utamanya ketika diberi center feed (umpan
ditengah) yangDalam menyusun persamaan-persamaan
di atas, bidang dasar antena slot diasumsikan tak terbatas, dan medanDalam menyusun persamaan-persamaan
di atas, bidang dasar antena slot diasumsikan tak terbatas, dan medan listrik
diasumsikan sepenuhnya melintasi lebar slot tanpa komponen medan sepanjang
panjang slot. Efek substrat juga diabaikan.
Pola radiasi
yang diukur dan dihitung dari slot resonan yang disesuaikan dengan pemasangan
offset ditampilkan pada Gambar 7.12. Pola radiasi pada bidang H serupa dengan
pola radiasi pada bidang E dari antena dipole. Lebar beam yang diukur pada
bidang H pada kasus offset-fed sekitar 68°. Distorsi pola radiasi E-plane yang
diukur disebabkan oleh ukuran terbatas dari ground plane [12], sedangkan titik
nol (nulls) disebabkan oleh lebar terbatas dari slot. Penggunaan fungsi Green
yang tepat dalam penentuan pola radiasi, bagaimanapun, menunjukkan bahwa titik
nol muncul pada arah end-fire di kedua bidang [14]. Antena slot dapat dianggap
sebagai pelengkap dari dipole. Selama h << λ₀, substrat dielektrik hanya
memiliki efek yang diabaikan pada medan jauh. Selain itu, karena lebar
konduktor mikrostrip untuk impedansi karakteristik 50Ω jauh lebih kecil
daripada panjang slot, gangguan medan yang disebabkan oleh kedekatan konduktor
strip hanya menghasilkan distorsi medan jauh yang diabaikan.
Polanya radiasi antena slot yang diberi daya oleh mikrostrip bersifat dua arah. Radiasi satu arah dapat diperoleh dengan menempatkan reflektor datar di satu sisi konduktor strip, sejajar dengan permukaan substrat (lihat Gambar 7.13). Ketergantungan impedansi masukan dan karakteristik radiasi pada jarak slot-ke-reflektor telah dibahas oleh Yoshimura [12]. Dari pengukuran pola H-plane untuk berbagai jarak slot-ke-reflektor, jarak optimum antara slot dan reflektor adalah sekitar λ₀/4 untuk tingkat sidelobe minimum dan rasio depan-belakang maksimum. Kesesuaian impedansi akhir untuk radiator dengan reflektor diperoleh dengan mengubah ukuran slot. listrik diasumsikan sepenuhnya melintasi lebar slot tanpa komponen medan sepanjang panjang slot. Efek substrat juga diabaikan.
Pola radiasi
yang diukur dan dihitung dari slot resonan yang disesuaikan dengan pemasangan
offset ditampilkan pada Gambar 7.12. Pola radiasi pada bidang H serupa dengan
pola radiasi pada bidang E dari antena dipole. Lebar beam yang diukur pada
bidang H pada kasus offset-fed sekitar 68°. Distorsi pola radiasi E-plane yang
diukur disebabkan oleh ukuran terbatas dari ground plane [12], sedangkan titik
nol (nulls) disebabkan oleh lebar terbatas dari slot. Penggunaan fungsi Green
yang tepat dalam penentuan pola radiasi, bagaimanapun, menunjukkan bahwa titik
nol muncul pada arah end-fire di kedua bidang [14]. Antena slot dapat dianggap
sebagai pelengkap dari dipole. Selama h << λ₀, substrat dielektrik hanya
memiliki efek yang diabaikan pada medan jauh. Selain itu, karena lebar
konduktor mikrostrip untuk impedansi karakteristik 50Ω jauh lebih kecil
daripada panjang slot, gangguan medan yang disebabkan oleh kedekatan konduktor
strip hanya menghasilkan distorsi medan jauh yang diabaikan.
Polanya radiasi
antena slot yang diberi daya oleh mikrostrip bersifat dua arah. Radiasi satu
arah dapat diperoleh dengan menempatkan reflektor datar di satu sisi konduktor
strip, sejajar dengan permukaan substrat (lihat Gambar 7.13). Ketergantungan
impedansi masukan dan karakteristik radiasi pada jarak slot-ke-reflektor telah
dibahas oleh Yoshimura [12]. Dari pengukuran pola H-plane untuk berbagai jarak
slot-ke-reflektor, jarak optimum antara slot dan reflektor adalah sekitar λ₀/4
untuk tingkat sidelobe minimum dan rasio depan-belakang maksimum. Kesesuaian
impedansi akhir untuk radiator dengan reflektor diperoleh dengan mengubah
ukuran slot. menyebabkan nilai resistansi tinggi sehingga diperlukan matching
network untuk menyamakan impedansinya.
Untuk mengatasi masalah resistansi radiasi yang
tinggi dilakukan tiga teknik
·
Off center
feeding, menggeser titik umpan agar tidak pas ditengah
· Stub
tuning, sama dengan teknik stub namun panjang stub dibuat lebih panjang yang
bisa berakibat mengubak frekuensi resonansinya
· membuat slot yang miring (inclined)
Microstrip-Fed Rectangular Slot Antena memiliki keunggulan berupa tingkat cross-polarization yang sangat rendah (umumnya -35 dB). Kelemahan dari Microstrip-Fed Rectangular Slot Antena adalah sifat radiasi yang bidirectional, sifat dari radiasi bidirectional ini bisa diatasi dengan menambahkan metallic cavity (rongga logam) atau reflector di salah satu sisi
Untuk menganalisis antena ini, insinyur memiliki dua
pilihan
·
Analisis Full-Wave:
Metode paling akurat (misalnya, Spectral Domain atau MPIE) yang
memecahkan persamaan elektromagnetik fundamental. Namun, metode ini sangat
intensif secara komputasi. Contohnya untuk menghitung daya yang diradiasikan ke
substrat (
) dengan metode full wave
menggunakan teorema Reaksi dan Parseval yang menghasilkan integral di domain
spektral
Di mana 
(admitansi moda) adalah
fungsi-fungsi kompleks yang bergantung pada frekuensi, substrat, dan gelombang,
seperti
·
Model Jaringan
Aproksimatif: Metode yang jauh lebih efisien untuk
desain. Pendekatan ini menyederhanakan antena yang rumit menjadi model
rangkaian ekuivalen seperti Trafo.
Dari gambar diatas celah
tersebut tampak sebagai dua bagian garis celah yang terhubung paralel dengan
impedansi karakteristik 
dan konstanta fasa 
. Daya yang diradiasikan
dari celah diperhitungkan oleh konduktansi radiasi 
.Panjang
efektif dari celah tersebut diambil sebagai 
di mana 
adalah panjang fisik celah dan 
adalah panjang ekuivalen yang terkait dengan
induktansi tak-nol (nonzero) di kedua ujung yang terhubung singkat (mirip
dengan perpanjangan ujung terbuka pada antena patch mikrostrip). Sebuah panjang
kompensasi 
diperkenalkan untuk
memperhitungkan efek kedekatan (proximity effect) dari garis mikrostrip pada
celah tanpa menggunakan ekspresi yang rumit untuk tegangan celah. Panjang ini
menjelaskan variasi frekuensi resonansi yang diamati terhadap lebar mikrostrip,
parameter substrat, jarak offset d, dan rasio lilitan n dari
transformator. Transformator ideal mewakili kopling (coupling) antara celah dan
garis mikrostrip, dan menentukan jumlah tegangan celah yang dikopel secara seri
ke mikrostrip. Tegangan ini juga disebut tegangan diskontinuitas. Rasio lilitan
$n$ dari transformator didefinisikan sebagai 
di mana 
adalah diskontinuitas tegangan pada garis
mikrostrip dan 
adalah tegangan di sepanjang celah pada titik
umpan (feed point).
Model ini pada dasarnya menghitung nilai-nilai
komponen dalam skematik rangkaian ekuivalen. Dua komponen terpenting adalah
1.
A.
Konduktansi Radiasi 
Ini adalah komponen "Resistor" dalam
rangkaian, yang mewakili daya yang berhasil dipancarkan oleh antena.
adalah tegangan referensi yang
didapat dari asumsi distribusi tegangan sinusoidal:
1.
B. Rasio
Belitan Trafo 
Ini adalah jantung dari model. Komponen
"Trafo" ini merepresentasikan seberapa kuat kopling (transfer energi)
antara jalur umpan mikrostrip dan slot
adalah diskontinuitas tegangan di jalur mikrostrip dan $V_s$ adalah
tegangan di slot. Nilai 
ini dihitung menggunakan Teorema
Resiprositas, yang menghasilkan integral kopling antara medan listrik slot 
dan medan magnet jalur umpan
:
Model ini
bahkan menggunakan "jalan pintas" berupa formula empiris
(berdasarkan data eksperimen) untuk menyempurnakan model, seperti untuk 
(panjang kompensasi)
Di mana
J₀(x) adalah fungsi Bessel orde nol. Dengan menggunakan pendekatan impedansi
spektral (h_y) pada bidang tanah di z=0 dapat diturunkan sebagai [23]
dengan
Ketika kita
mensubstitusikan (7.2) dan (7.15b) ke dalam (7.14), kita memperoleh
(7.18)
dimana
Kami memperoleh integral yang serupa dengan
(7.18) untuk 
kecuali bahwa eksponen e bersifat positif.
Ekspresi untuk 
Ekspresi empiris untuk panjang kompensasi 
telah dilaporkan dalam [13]. Ekspresi tersebut Adalah
Parameter garis slot 
dapat dihitung menggunakan berbagai metode
analisis [21]. Ekspresi tertutup untuk 
tersedia di
Lampiran B.
Hasil
Hasil untuk antena slot yang diberi daya
oleh mikrostrip yang tersedia dalam [13] diuraikan di bawah ini. Pertama, kita
mempertimbangkan antena dengan slot terpusat 
. Parameter
struktural yang dipertimbangkan adalah 
Parameter garis
slot yang dihitung, yaitu 
dan 
, rasio putaran
n, efek akhir hubungan singkat 
dan konduktansi radiasi, digambarkan dalam
Gambar 7.5 pada rentang frekuensi 2 hingga 4 GHz. Pada f = 3 GHz, nilai sekitar 2 mm, n sekitar 0.9, sekitar 1 mmho, 
dihitung sebesar 19,77 mm, dan efisiensi
radiasi sebesar 0,94. Dilaporkan bahwa jika 
dan m dari (7.18) dibatasi pada 
maka kesalahan dalam n kurang dari 0,5%. Hasil
perhitungan impedansi seri antena ditampilkan pada Gambar 7.6 dan dibandingkan
dengan hasil pengukuran Himdi dan Daniel [19], serta solusi persamaan integral
yang ketat. Perbandingan tersebut terlihat baik. Dari Gambar 7.5 dan 7.6 juga
dapat ditentukan bahwa panjang resonansi antena slot dapat diekspresikan
sebagai 
Pengaruh pergeseran posisi slot terhadap penurunan impedansi antena ditunjukkan pada Gambar 7.7. Perhatikan bahwa resistansi seri puncak berkurang seiring dengan peningkatan nilai d, dan dimungkinkan untuk memperoleh nilai yang sebanding dengan impedansi karakteristik microstrip.
7.2.3 Slot Miring
Seperti yang
telah dijelaskan sebelumnya, salah satu cara untuk mengurangi impedansi antena
yang dilihat oleh saluran pengumpan adalah dengan memutar slot relatif terhadap
saluran pengumpan mikrostrip. Geometri slot miring ditunjukkan pada Gambar 7.8.
Sirkuit ekivalen untuk geometri ini tetap sama [lihat Gambar 7.3(b)]. Selain
itu, nilai tetap sama tidak berubah akibat kemiringan.
Nilai 
, berubah
seiring dengan sudut kemiringan 
. Dampak
kemiringan slot terhadap impedansi yang dilihat oleh saluran pengumpan telah
diteliti oleh banyak penulis [13, 17, 18]. Gambar 7.9 menunjukkan pengaruh terhadap 
Gambar tersebut menunjukkan bahwa berkurang seiring dengan peningkatan nilai . Akibatnya,
impedansi antena berkurang. Impedansi antena digambarkan dalam Gambar 7.10.
Dimensi struktur dan parameternya sama seperti yang dibahas di atas. Axelrod
dkk. [15] telah menjelaskan lebar pita frekuensi antena slot yang diberi daya
di luar pusat menggunakan jaringan penyesuaian eksternal. Lebar pita VSWR = 3
dilaporkan sekitar 47%.
Radiator slot
lebar pita dengan punggung berongga juga telah dijelaskan di sana. Dari Gambar
7.7 dan 7.10 dapat dilihat bahwa reaktansi seri tidak nol pada frekuensi di
mana resistansi seri yang dinormalisasi sama dengan satu. Reaktansi seri antena
dapat dihilangkan dengan menggunakan panjang yang sesuai dari stub terbuka
mikrostrip pada garis suplai [14].
Gambar 7.5 Variasi
frekuensi parameter sirkuit ekivalen terpadu dari Gambar 7.3(c) (
(a) Impedansi
karakteristik , panjang
gelombang pandu yang dinormalisasi , dan efek
ujung pendek . (b)
Perbandingan lilitan dan konduktivitas radiasi . (Dari [13]. ©
1998 IEEE. Diterbitkan kembali dengan izin.)
Gambar 7.6 Impedansi seri
yang dinormalisasi dari antena slot yang diberi daya oleh mikrostrip (parameter
Gambar 7.5 berlaku). (Dari [13]. ©1998 IEEE. Diterbitkan kembali dengan izin.)
7.2.4 Desain Antena Slot yang Ditenagai oleh Microstrip
Langkah pertama
dalam desain antena slot adalah menentukan panjang fisik slot resonan. Telah
ditemukan bahwa untuk slot yang resonan pada mode dominannya, panjang resonan 
iberikan secara aproximatif oleh 
di mana ALs adalah panjang ekivalen yang
terkait dengan induktansi non-nol pada ujung-ujung yang dihubungkan. Langkah
berikutnya adalah merancang pemasukan sedemikian rupa sehingga resistansi seri
antena slot sesuai dengan impedansi pemasukan. Untuk ini, dapat digunakan
pemasukan microstrip yang tidak berpusat atau slot dapat dimiringkan relatif
terhadap Pemberian daya untuk mendapatkan impedansi antena 50Ω. Kurva desain,
serupa dengan yang terdapat pada Gambar 7.7 dan 7.10, perlu dihasilkan sebagai
fungsi dari jarak offset 
atau sudut kemiringan . Kurva-kurva
ini kemudian digunakan untuk menentukan posisi pemberian daya. Kurva kerugian
balik berdasarkan pendekatan slot miring dan pemberian daya offset digambarkan
pada Gambar 7.11 [13]. Gambar 7.11(a) sesuai dengan kasus ketika 
untuk Gambar 7.11(b).
Gambar 7.7 Pengaruh jarak
offset d pada slot terhadap impedansi seri normalisasi antena slot yang diberi
daya oleh microstrip (
(a) Resistansi
seri normalisasi dan (b) reaktansi seri normalisasi, (Dari [13]. © 1998 IEEE. Diterbitkan
kembali dengan izin.)
Gambar 7.8 Pandangan atas
antena slot yang diberi daya oleh mikrostrip dengan slot yang bergeser dan
miring. (Dari [13]. © 1998 IEEE. Diterbitkan kembali dengan izin.)
Gambar 7.9 Penurunan
rasio putaran 
akibat sudut
kemiringan (parameter pada Gambar 7.7 berlaku, , 
). (Dari [13].
© 1998 IEEE.Diterbitkan kembali dengan izin.)
7.2.5 Pola Radiasi
Pola radiasi
antena slot dapat dievaluasi dengan menggunakan metode potensial listrik vektor
dan distribusi medan listrik di dalam slot. Komponen medan jauh untuk antena
slot yang diberi daya di tengah dapat ditulis sebagai (dengan mengasumsikan
efek substrat dapat diabaikan)
di mana 
adalah arus
permukaan magnetik dan dapat diekspresikan dalam terms medan listrik celah 
sebagai
Ketika
lebar celah jauh lebih kecil dibandingkan dengan panjang gelombang ruang bebas,
yaitu 
dalam perkiraan
orde pertama, medan listrik melintasi celah dapat dianggap konstan. Jika 
, setelah
integrasi (7.22) menyederhanakan menjadi (dengan asumsi 
.)
Dimana
Pola radiasi pada bidang (
) diperoleh sebagai berikut :
Dan untuk
bidang H (ϕ=0) sebagai berikut :
Dalam menyusun persamaan-persamaan
di atas, bidang dasar antena slot diasumsikan tak terbatas, dan medan listrik
diasumsikan sepenuhnya melintasi lebar slot tanpa komponen medan sepanjang
panjang slot. Efek substrat juga diabaikan.
Pola radiasi
yang diukur dan dihitung dari slot resonan yang disesuaikan dengan pemasangan
offset ditampilkan pada Gambar 7.12. Pola radiasi pada bidang H serupa dengan
pola radiasi pada bidang E dari antena dipole. Lebar beam yang diukur pada
bidang H pada kasus offset-fed sekitar 68°. Distorsi pola radiasi E-plane yang
diukur disebabkan oleh ukuran terbatas dari ground plane [12], sedangkan titik
nol (nulls) disebabkan oleh lebar terbatas dari slot. Penggunaan fungsi Green
yang tepat dalam penentuan pola radiasi, bagaimanapun, menunjukkan bahwa titik
nol muncul pada arah end-fire di kedua bidang [14]. Antena slot dapat dianggap
sebagai pelengkap dari dipole. Selama h << λ₀, substrat dielektrik hanya
memiliki efek yang diabaikan pada medan jauh. Selain itu, karena lebar
konduktor mikrostrip untuk impedansi karakteristik 50Ω jauh lebih kecil
daripada panjang slot, gangguan medan yang disebabkan oleh kedekatan konduktor
strip hanya menghasilkan distorsi medan jauh yang diabaikan.
Polanya radiasi
antena slot yang diberi daya oleh mikrostrip bersifat dua arah. Radiasi satu
arah dapat diperoleh dengan menempatkan reflektor datar di satu sisi konduktor
strip, sejajar dengan permukaan substrat (lihat Gambar 7.13). Ketergantungan
impedansi masukan dan karakteristik radiasi pada jarak slot-ke-reflektor telah
dibahas oleh Yoshimura [12]. Dari pengukuran pola H-plane untuk berbagai jarak
slot-ke-reflektor, jarak optimum antara slot dan reflektor adalah sekitar λ₀/4
untuk tingkat sidelobe minimum dan rasio depan-belakang maksimum. Kesesuaian
impedansi akhir untuk radiator dengan reflektor diperoleh dengan mengubah
ukuran slot.
Gambar 7.10
Pengaruh sudut kemiringan θ_S slot yang diberi daya di tengah terhadap
impedansi seri normalisasi antena slot yang diberi daya oleh mikrostrip
(parameter Gambar 7.5 berlaku). (a) Resistansi seri normalisasi dan (b)
reaktansi seri normalisasi. (Dari [13). © 1998 IEEE. Diterbitkan kembali
dengan izin.)
Gambar 7.11 Kerugian
pantulan untuk antena slot yang diberi daya oleh microstrip (a) dengan slot
miring dan terpusat (parameter Gambar 7.5, dan =60°, panjang stub mikrostrip 
) dan (b)
dengan slot tidak miring dan tidak berpusat (parameter Gambar 7.7 berlaku, dan 
). (Dari [13].
© 1998 IEEE. Diterbitkan kembali dengan izin.)
Gambar 7.12 Pola radiasi
slot yang disesuaikan dengan pemasangan offset. (Dari [12]. © 1972 IEEE. Diterbitkan
kembali dengan izin.)
Gambar 7.13 Geometri slot
mikrostrip dengan pemasukan offset dan reflektor bidang aa untuk radiasi
unidireksional.
Antena Slot Silinder yang Ditenagai oleh Microstrip
Pendekatan rekurensi telah digunakan untuk menganalisis slot pada bidang tanah dari garis microstrip silinder [24]. Ditemukan bahwa radiasi belakang berkurang ketika ukuran silinder ditingkatkan. Hasil desain dan eksperimen dari radiator slot microstrip yang beroperasi pada 2,45 GHz untuk aplikasi hipotermi lokal telah dilaporkan oleh Bahl er al.
7.3 Antena Slot yang Ditenagai oleh CPW
Pemberian daya
mikrostrip pada antena slot menghadapi masalah kebutuhan penyesuaian yang
teliti terhadap ukiran pada kedua sisi papan. Selain itu, penggunaan garis
mikrostrip tidak kompatibel dengan fabrikasi monolitik, sehingga integrasi yang
lebih mudah dengan perangkat solid-state aktif tidak mungkin dilakukan.
Masalah-masalah ini telah diselesaikan dengan pengenalan pemberian daya
gelombang datar koplanar (CPW).
Antena slot
yang diberi daya oleh CPW telah diteliti secara mendalam [25-36]. Analisis
mendalam terhadap antena-antena ini didasarkan pada solusi persamaan integral
di domain spektral [25], solusi persamaan integral di domain ruang [33, 36],
dan analisis FDTD [35]. Hasil eksperimental untuk antena loop dengan CPW feed
(26] dan analisis transformasi aproximasi untuk slot sempit secara elektrik
[27] telah dipublikasikan. Antena loop [28, 29] dan antena slot [30,33-36] yang
diberi daya oleh CPW juga telah dilaporkan. Nesic menggunakan slot CPW-fed
sebagai radiator utama dalam antena yang dipindai fase [31, 32]. Konfigurasi
slot terlipat dapat digunakan untuk mengurangi impedansi antena [35]. Garis CPW
yang terhubung secara induktif dengan antena slot dapat digunakan untuk array
yang diberi daya seri [36]. Antena slot bow-tie [37] adalah konfigurasi slot
yang setara dengan dipole cetak bow-tie yang dibahas dalam Bab 6.
Salah satu
masalah utama pada antena slot yang diberi daya oleh CPW adalah kebutuhan akan
transisi yang sesuai. Banyak jenis transisi garis slot CPW telah diusulkan
untuk aplikasi antena. Beberapa di antaranya adalah antena slot bertenaga pusat
dengan panjang satu gelombang [31] yang ditunjukkan pada Gambar 7.14(a), antena
slot bertenaga offset dengan panjang satu gelombang [34] pada Gambar 7.14(b),
antena slot bertenaga kapasitif dengan panjang setengah gelombang pada Gambar
7.14(c), dan antena slot yang dihubungkan secara induktif [36) pada Gambar 7.14
(d). Gelombang datar koplanar (CPW) diaktifkan dalam mode ganjil dari garis
slot yang terhubung, yang juga disebut mode CPW. Dalam mode ini, arus magnetik
setara pada kedua slot CPW memancarkan hampir tidak sefase, sehingga
berkontribusi secara negligible terhadap komponen silang-polar dari pola
radiasi. Fitur ini CPW feed berguna dalam desain array
antena, karena interaksi mutual antara garis-garis yang berdekatan
diminimalkan.
Mekanisme pengaktifan pada Gambar 7.14(a) mudah
dipahami. Dalam kasus ini, garis medan listrik pada dua lubang CPW mengaktifkan
slot masing-masing antena. Medan yang dipancarkan antena berpolarisasi linier
sepanjang lebar slot. Antena slot aktif jenis ini pada substrat 
= 1 and = 12 telah dikembangkan [33]. Pengumpanan offset pada
Gambar 7.14(b) digunakan untuk penyesuaian impedansi yang tepat antara antena
slot dan impedansi karakteristik CPW. Pengaktifan antena slot yang terhubung
secara induktif pada Gambar 7.14(d) dijelaskan melalui interaksi medan magnet
antara CPW dan antena slot. Interaksi ini ditunjukkan pada Gambar 7.15. Medan
magnet menginduksi medan listrik pada slot yang terhubung, seperti yang ditunjukkan.
Karena medan listrik pada bagian horizontal slot berarah berlawanan, sehingga
tidak berkontribusi pada radiasi, tetapi digunakan untuk meningkatkan coupling
antara CPW dan antena slot, serta bertanggung jawab atas cross-polarization
pada pola radiasi. Lengan vertikal slot bertanggung jawab atas radiasi karena
medan aperture yang berarah serupa. Antena muncul sebagai beban seri pada garis
umpan CPW, dan sirkuit setara pada Gambar 7.3(b) berlaku. Pengumpan CPW yang
terhubung secara induktif memperkenalkan variabel tambahan seperti panjang
lengan horizontal slot dan jarak antara CPW dan lengan horizontal. Variabel
tambahan ini dapat digunakan untuk menyesuaikan karakteristik antena. Pengumpan
induktif sangat cocok untuk konfigurasi array yang diumpan secara seri. Tata
letak array slot log-periodik tiga elemen ditunjukkan pada Gambar 7.16 [36]
Gambar 7.14 Antena slot
yang diberi daya oleh CPW: (a) Antena slot yang diberi daya di tengah, (b)
antena slot yang diberi daya dengan offset, (c) antena slot yang dihubungkan
secara kapasitif, dan (d) antena slot yang dihubungkan secara induktif.
Gambar 7.15 Medan listrik
dan magnetik di daerah pengikatan antena CP-slot yang terhubung induktif,
(Berdasarkan [36]. © 1999 IEEE. Diterbitkan kembali dengan izin.)
Gambar 7.16 Susunan array
slot log-periodik tiga elemen yang diberi daya oleh CPW. (Dari [36]. © 1999
IEEE. Diterbitkan kembali dengan izin.)
Antena Slot Lipat
Resistansi
radiasi antena slot tunggal di ruang bebas hampir 500Ω. Penggunaan slot
tambahan memungkinkan resistansi radiasi disesuaikan dalam rentang yang luas
sesuai dengan [35].
Di mana 
adalah
impedansi antena slot berelemen N. Persamaan (7.26) dapat digunakan hingga
nilai 5 [35]. Susunan pemasukan pada Gambar 7.14(a) dapat digunakan untuk
mengembangkan antena slot ganda. Bagian inset pada Gambar 7.17 menunjukkan
beberapa antena slot ganda atau slot terlipat. Antena slot terlipat sesuai
dengan N = 2. Perubahan impedansi masukan dengan frekuensi untuk beberapa
antena slot terlipat ditunjukkan pada Gambar 7.17 [35]. Impedansi meningkat
sesuai dengan (7.26) seiring bertambahnya jumlah slot. Frekuensi resonansi
semua antena ini hampir sama, sekitar 10,5 GHz. Dalam studi lain, antena lipat
ganda/tiga slot pada = 2.2 Substrat dengan h = 0,813 mm memberikan
lebar pita kerugian pantulan -10 dB sekitar 30%. Impedansi masukan yang diukur
dari antena ini adalah 60Ω pada 1,66 GHz [35].
Antena Slot Unidireksional
Radiasi dari
antena slot yang dijelaskan sebelumnya bersifat bidireksional. Liu et al. telah
menggunakan substrat yang dibumikan untuk memperoleh radiasi unidireksional
dari antena slot persegi panjang dan antena loop slot [25]. Mereka menggunakan
lapisan dielektrik dengan konstanta dielektrik yang berbeda untuk menghindari
mode TEM pelat paralel antara dua bidang konduktor paralel. Konfigurasi
antena-antena ini ditunjukkan pada Gambar 7.18 [25]. Studi teoretis menunjukkan
bahwa bandwidth VSWR ≤ 2 sebesar sekitar 26,7% untuk antena loop yang berpusat
pada 14,6 GHz, dan sekitar 25,4% untuk antena slot pada resonansi 10,6 GHz
[25]. Substrat komposit yang digunakan adalah Duroid RT/5880 dengan ketebalan
0,787 mm dan = 2.2,, serta
dielektrik udara dengan ketebalan 0,635 mm ditempatkan di antara substrat atas
dan konduktor belakang.
Antena aperture
yang diberi daya oleh CPW yang dianalisis dalam [25] menggunakan celah yang
relatif lebar. Oleh karena itu, kedua komponen medan listrik dalam aperture
dimodelkan. Kesesuaian antara garis daya dan antena-antena ini dapat dicapai
dengan menyesuaikan lebar celah antena dan/atau ketebalan substrat. Frekuensi
resonansi dapat disesuaikan dengan menyesuaikan panjang loop dan celah, karena
panjang resonansi loop kira-kira sama dengan satu pandu Panjang gelombang dan
panjang resonansi dari sebuah slot kira-kira setengah dari panjang gelombang
terpandu.
Gambar 7.18 Konfigurasi
antena loop dan antena slot dengan pemancar CPW: (a) Antena loop dan (b) antena
slot. (Dari [25]. © 1995 IEEE. Diterbitkan kembali dengan izin.)
Efisiensi
radiasi antena loop ditemukan mencapai maksimum sebesar 54% pada kondisi resonansi,
sedangkan untuk antena slot sekitar 36% berdasarkan parameter substrat komposit
yang telah disebutkan sebelumnya [25]. Untuk verifikasi eksperimental terhadap
hasil teoretis, substrat komposit yang digunakan terdiri dari RT/5880 setebal
31 mil dengan konstanta dielektrik (εr) = 2,2 dan substrat honeycomb setebal 1
inci dengan εr = 1,08.Impedansi masukan antena slot lebar ditunjukkan pada
Gambar 7.19(a). Terlihat kesesuaian yang baik antara hasil perhitungan dan
hasil pengukuran impedansi masukan dalam rentang frekuensi 6 hingga 9,5 GHz. Pola radiasi medan jauh dari antena slot ini
pada bidang ϕ = 90° ditunjukkan pada Gambar 7.19(b) pada
frekuensi 9,5 GHz. Adanya null (titik minimum radiasi) di sekitar ±60°
disebabkan oleh faktor array yang timbul akibat jarak antar-slot yang cukup
lebar.
Pola radiasi medan jauh dari antena loop pada bidang ϕ = 90° pada
frekuensi 8,65 GHz diperlihatkan pada Gambar 7.20. Kesesuaian antara hasil
pengukuran dan hasil perhitungan tampak cukup baik, kecuali di arah end-fire.
Perbedaan ini disebabkan oleh penggunaan bahan penyerap di tepi papan antena
untuk mengurangi difraksi tepi.
Antena slot yang diberi umpan coplanar waveguide (CPW-fed) juga telah
digunakan untuk penggabungan daya pada frekuensi gelombang milimeter. Substrat
yang digunakan biasanya cukup tebal, dengan ketebalan dipilih sebagai kelipatan
ganjil dari seperempat panjang gelombang dalam dielektrik (λd/4). Daya yang
hilang pada substrat akibat gelombang permukaan dapat menjadi cukup besar bila
hanya digunakan satu slot [38]. Kehilangan daya tersebut berkurang hingga
setengahnya ketika digunakan antena array empat slot dengan dua elemen
parasitik, dan daya penguatannya meningkat sebesar 5 dB [38].
Antena Slot Bow-Tie dengan Umpan CPW
Antena slot
berbentuk bow-tie dengan umpan coplanar waveguide (CPW) telah diperkenalkan
oleh Soliman et al. [37]. Antena ini merupakan padanan dari antena dipol cetak, namun dalam
konfigurasi slot. Bentuk geometrinya serta berbagai dimensinya ditunjukkan pada
Gambar 7.22.
Antena ini telah diteliti dengan dua sudut flare (sudut pembukaan) yang berbeda, yaitu 60° dan 90°. Hasil penelitian menunjukkan bahwa antena slot bow-tie memiliki pola radiasi menyerupai antena dipol, dengan tingkat polarisasi silang (cross-polarization) yang terukur kurang dari −20 dB pada bidang E-plane, dan kurang dari −18 dB di sekitar arah boresight (arah utama radiasi).
Sudut flare sebesar 90° terbukti
lebih baik karena memberikan lebar pita (bandwidth) yang lebih besar, sekitar
34,6% dibandingkan 32% untuk sudut flare 60°. Tingkat cross-polarization juga
lebih rendah pada antena dengan sudut flare 90°.
Gambar 7.19 Impedansi
masukan dan pola radiasi dari sebuah antena slot (panjang slot = 11,6 mm, lebar
slot = 3,3 mm, lebar slot saluran umpan = 1,651 mm, lebar jalur tengah = 5,5
mm, substrat komposit: tebal 31 mil dengan εr = 2,2 dan substrat setebal 1 inci
dengan εr = 1,08).
(a) Impedansi masukan (__, percobaan —
analisis).
(b) Pola radiasi medan jauh pada bidang ϕ = 90° pada frekuensi f = 9,5 GHz (, hasil analisis; ‘’’’, hasil pengukuran).
(Diambil dari [25] © 1995, IEEE. Dicetak ulang dengan izin.)
Gambar 7.20 Pola medan
jauh dari antena loop pada bidang ϕ = 90 derajat (f = 8,65 GHz, panjang loop =
17,1 mm, lebar loop = 8,26 mm, lebar slot saluran pencatu = 1,651 mm, lebar
strip tengah = 4,95 mm, substrat komposit: tebal 31 mil dengan εr = 2,2 dan
tebal 1 inci dengan εr = 1,08; ———, hasil analisis; ––––, hasil pengukuran).
(Dikutip dari [25]. © 1995 IEEE. Dicetak ulang dengan izin.).
Gambar 7.21 menunjukkan dua
konfigurasi antena array slot dengan umpan CPW. Antena pada Gambar 7.21(a)
terdiri dari dua slot resonan yang diberi umpan CPW dan beberapa slot
parasitik. Jarak antar
pasangan slot parasitik dk diberikan oleh rumus dk = (k − 0,4)λd. Gambar
7.21(b) memperlihatkan susunan array slot di mana panjang CPW antara setiap
pasangan slot adalah 1 λm, sehingga semua slot terbangkitkan secara sefasa.
Ditemukan bahwa penguatan daya dari antena array slot seperti pada Gambar
7.21(b) pada frekuensi 94 GHz dapat meningkat sebesar 11 dB dibandingkan
antena slot tunggal, dengan menggunakan array dua dimensi berukuran 8 × 3
slot yang diberi umpan CPW [38].
7.4 Antena Celah Cincin (Annular Slot Antennas)
Antena loop
berbentuk persegi panjang (celah persegi panjang) telah dijelaskan pada bagian sebelumnya.
Variasi dari antena tersebut adalah antena loop melingkar yang disebut antena
celah cincin (annular slot antenna). Antena ini sangat serbaguna dan akan
dibahas berikutnya.
Antena celah
cincin terdiri dari celah melingkar pada bidang ground dari substrat
dielektrik, yang diberi catu daya melalui konduktor mikrostrip seperti
ditunjukkan pada Gambar 7.23. Geometri ini menarik karena memiliki potensi aplikasi sebagai antena
kendaraan untuk komunikasi bergerak, sebab antena ini dapat memancarkan daya
pada sudut elevasi rendah [39].
Dalam komunikasi bergerak di area perkotaan, gelombang
yang diterima stasiun bergerak umumnya datang dari arah dengan sudut elevasi
rendah, sekitar 30° dari bidang horizontal. Analisis pola radiasi antena celah
cincin akan dijelaskan selanjutnya.
Pertimbangkan geometri celah cincin pada sistem koordinat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.24. Sebuah celah cincin pada bidang konduktor berukuran tak hingga dapat dianggap sebagai distribusi cincin dari arus permukaan magnetik yang diberikan oleh.
di mana 
adalah medan
listrik pada aperture, dan 
adalah vektor
satuan yang tegak lurus terhadap aperture.
Pola radiasi
medan jauh dari antena celah cincin (annular slot antenna) dapat dihitung dengan
menggunakan metode potensial listrik vektor (vector electric potential method)
seperti yang telah dibahas pada Bab 1. Dari komponen potensial listrik vektor, komponen medan
listrik jauh 
dan 
dapat dituliskan sebagai...
di mana 
adalah
jari-jari dalam dari celah, 
adalah lebar
celah, dan …
dan 
masing-masing
merupakan komponen medan listrik celah pada arah 
dan 
. Penentuan kedua
komponen ini secara akurat memerlukan pendekatan yang ketat (rigorous
approach), seperti yang digunakan dalam analisis antena mikrostrip cincin
annular.
Berikut ini diberikan perhitungan pola radiasi untuk celah sempit, di mana 
, sehingga dapat
diasumsikan bahwa 
.
Kasus I: 
bernilai konstan dan sama dengan 
. Untuk kasus ini, persamaan (7.27)
disederhanakan menjadi…
Integrasi terhadap 
menghasilkan…
(7.30a)
(7.30b)
Dengan demikian…
(7.31a)
Kasus II: 
. Untuk kasus ini, persamaan (7.27)
disederhanakan menjadi…
Sekali lagi, integrasi terhadap (\phi^\prime)
menghasilkan…
(7.33a)
(7.33b)
Pola daya radiasi R(θ) = |E_θ|² +
|E_φ|² untuk n = 0, 1 dan a·k₀ = 1, 2 ditunjukkan pada Gambar 7.25, 7.26, dan
7.27 [40].
Gambar 7.25
memperlihatkan pola radiasi untuk n = 0, yaitu ketika medan listrik pada celah
cincin bersifat konstan. Dalam kasus ini, pola radiasi pada bidang E dan bidang
H adalah sama, dan radiasi maksimum terjadi pada arah end-fire.
Dari Gambar
7.26 dapat dilihat bahwa untuk n = 1, pola radiasi bergantung pada jari-jari
celah. Pola bidang E untuk n = 1 dan a·k₀ = 1 pada dasarnya konstan terhadap
sudut θ, sedangkan untuk a·k₀ = 2, pola radiasi memiliki lobus utama pada arah
broadside dan lobus samping (sidelobe) pada arah end-fire.
Tingkat lobus samping tersebut adalah –18 dB terhadap tingkat lobus
utama.
Gambar 7.21
Dua konfigurasi antena susun celah (slot-array antennas) yang diberi catu daya
oleh CPW (coplanar waveguide) untuk aplikasi penggabungan daya (power
combining) pada frekuensi gelombang milimeter.
(a) Antena susun celah dengan dua slot ber-catu CPW dan sejumlah slot
parasitik.
(b) Antena susun celah dengan jalur CPW berkelok (meandering CPW feed).
(Dikutip dari [38]. © 1993 IEEE. Dicetak ulang dengan izin.)
Gambar 7.22 Antena bow-tie
dalam konfigurasi celah yang diberi catu oleh CPW (coplanar waveguide). Semua
dimensi dinyatakan dalam milimeter (mm), dan dimensi yang terdapat dalam tanda
kurung menunjukkan kasus dengan sudut flare 60°.
(Dikutip dari [37]. © 1999 Electronic Letters. Dicetak ulang dengan
izin.)
Antena Slot Melingkar dan Slot Bertaper
dalam Aplikasi Gelombang Mikro
Antena slot
merupakan salah satu jenis antena yang banyak digunakan dalam system komunikasi
modern karena struktur fisiknya yang sederhana, mudah diintegrasikan dengan
sirkuit mikrostrip, serta memiliki kemampuan radiasi yang baik pada berbagai
frekuensi. Dua varian yang banyak diteliti adalah antena slot melingkar
(annular slot antenna) dan antena slot bertaper (tapered slot antenna, TSA).
Antena slot
melingkar menghasilkan polarisasi melingkar dengan cara memberi catuan sehingga
dua mode dengan polarisasi saling tegak lurus, amplitudo sama, dan memiliki
perbedaan fasa sebesar 90°. Catuan tersebut dapat menggunakan satu titik
(single-feed) atau dua titik (dual-feed). Dalam desain dua titik, penggunaan
hybrid coupler sering lebih disukai dibanding power splitter karena memiliki
isolasi bawaan antar port yang lebih baik.
 |
Antena Slot Melingkar dan Slot Bertaper
dalam Aplikasi Gelombang Mikro
Antena slot
merupakan salah satu jenis antena yang banyak digunakan dalam system komunikasi
modern karena struktur fisiknya yang sederhana, mudah diintegrasikan dengan
sirkuit mikrostrip, serta memiliki kemampuan radiasi yang baik pada berbagai
frekuensi. Dua varian yang banyak diteliti adalah antena slot melingkar
(annular slot antenna) dan antena slot bertaper (tapered slot antenna, TSA).
Antena slot
melingkar menghasilkan polarisasi melingkar dengan cara memberi catuan sehingga
dua mode dengan polarisasi saling tegak lurus, amplitudo sama, dan memiliki
perbedaan fasa sebesar 90°. Catuan tersebut dapat menggunakan satu titik
(single-feed) atau dua titik (dual-feed). Dalam desain dua titik, penggunaan
hybrid coupler sering lebih disukai dibanding power splitter karena memiliki
isolasi bawaan antar port yang lebih baik.
Menurut penelitian Morishita dan rekan-rekannya, efek pembebanan (loading effect) pada antena slot melingkar berpengaruh besar terhadap karakteristik antena. Dalam eksperimen mereka, antena yang digunakan adalah tipe cavity-backed annular slot, dengan pembebanan berupa hubungan singkat (short). Hasilnya menunjukkan bahwa posisi short dapat digunakan untuk mengatur frekuensi resonansi, lebar pita (bandwidth), serta pola radiasi antena. Ketika posisi short diubah, frekuensi resonansi antena juga bergeser, dan pemilihan posisi yang tepat dapat menghasilkan bandwidth lebih dari 10% (terutama pada posisi sekitar 90°–120°).
|
Gambar 7.29. Grafik hasil pengukuran frekuensi
resonansi dan bandwidth terhadap posisi short.
Fenomena ini
terlihat pada Gambar 7.31, di mana pola radiasi antena tanpa beban tampak
simetris, sedangkan ketika diberi beban −j80 Ω pada frekuensi kerja 1,5 GHz,
pola radiasinya menjadi asimetris. Dengan mengubah nilai kapasitansi melalui
pengaturan tegangan bias, arah pancaran antena dapat dikendalikan secara
elektronik. Teknologi ini sangat bermanfaat dalam sistem komunikasi bergerak di
lingkungan perkotaan karena mampu mengurangi efek multipath fading ketika
antena dipasang pada kendaraan.
Berbeda
dengan antena slot melingkar, antena slot bertaper (Tapered Slot Antenna, TSA)
merupakan jenis antena end-fire radiator yang dirancang untuk bekerja pada
frekuensi gelombang milimeter. Bentuk slot pada antena ini melebar secara
bertahap di atas substrat dielektrik. Beberapa jenis TSA yang umum digunakan
antara lain Vivaldi antenna dengan bentuk eksponensial, LTSA (Linear Tapered
Slot Antenna) dengan bentuk linear, dan CWSA (Constant Width Slot Antenna)
dengan lebar tetap.
Gambar 7.32. Tiga jenis antena slot bertaper: Vivaldi,
LTSA, dan CWSA.
Antena TSA
memiliki sejumlah keunggulan dibanding elemen antena konvensional. TSA dapat
menghasilkan sudut pancar yang sempit, sekitar 15°, dengan gain tinggi mencapai
16 dB untuk elemen yang lebih panjang. Selain itu, antena ini memiliki lebar
pita pola radiasi yang luas (hingga dua oktaf) dan impedansi masukan yang
relatif konstan dalam rentang frekuensi lebar (rasio 3:1). Karena struktur TSA
bersifat planar, antena ini mudah diintegrasikan dengan sistem catuan seperti
microstrip atau coplanar waveguide.
Secara
prinsip, TSA bekerja berdasarkan gelombang permukaan (surface wave) yang
merambat sepanjang struktur antena dan dipancarkan di ujungnya. Kecepatan fasa
gelombang ini lebih kecil dari kecepatan cahaya, sehingga TSA termasuk dalam
struktur slow-wave. Semakin panjang antena, maka sudut pancarnya semakin sempit
dan directivity-nya meningkat. Namun, perubahan kecepatan fasa akibat bentuk
taper membuat antena menghasilkan sidelobe yang lebih kecil, sesuai dengan
teori low-sidelobe case dari Zucker.
Penelitian yang dilakukan oleh Yngvesson dan timnya menunjukkan bahwa karakteristik radiasi TSA dapat diprediksi menggunakan pendekatan empiris. Mereka menemukan bahwa ketebalan substrat yang efektif berpengaruh langsung terhadap gain dan beamwidth antena. Misalnya, pada LTSA dengan substrat Kapton (εr = 3,5) yang diuji pada 94 GHz, peningkatan ketebalan substrat dari 0,025 mm ke 0,076 mm menyebabkan peningkatan gain namun juga perbedaan beamwidth antara bidang E dan bidang H.
Gambar 7.35. Hubungan panjang antena terhadap lebar
pancaran sinyal untuk LTSA.
Dalam hal
impedansi masukan, penelitian Yngvesson et al. menunjukkan bahwa metode
conformal mapping yang dikembangkan oleh Carrel dapat digunakan untuk
memperkirakan impedansi LTSA dengan akurasi tinggi pada substrat tipis. Hasil
pengukuran menunjukkan kesesuaian yang baik antara teori dan eksperimen.
Gambar 7.36. Perbandingan hasil perhitungan dan
pengukuran impedansi LTSA.
Antena TSA
banyak digunakan dalam berbagai aplikasi berteknologi tinggi. Misalnya, elemen
Vivaldi digunakan pada detektor dan penerima broadband dengan pola konstan
hingga 40 GHz. Elemen CWSA dapat diintegrasikan dengan sistem penerima
superconductor-insulator-superconductor (SIS) hingga frekuensi 700 GHz. TSA
juga sering digunakan sebagai feed pada antena reflektor, antena lensa, sistem
pencitraan gelombang milimeter, komunikasi satelit multi-beam, power combining,
serta sistem phased array.
Terakhir,
jika dibandingkan dengan antena mikrostrip, antena slot memiliki beberapa
perbedaan penting. Antena mikrostrip mudah dirancang dan dibuat dengan berbagai
bentuk seperti persegi panjang, segitiga, maupun lingkaran, serta dapat
menghasilkan polarisasi linear atau sirkular dengan mengubah posisi feed.
Namun, antena slot memiliki keunggulan berupa lebar pita yang lebih besar, pola
radiasi yang dapat diatur menjadi satu arah maupun dua arah, serta ketahanan
yang lebih baik terhadap variasi proses manufaktur.
Secara keseluruhan, baik antena slot melingkar maupun antena slot bertaper menunjukkan potensi besar untuk digunakan dalam sistem komunikasi modern, terutama pada frekuensi tinggi dan aplikasi yang memerlukan lebar pita luas serta kemampuan pengendalian pola radiasi secara elektronik
BIODATA ANGGOTA KELOMPOK 4
KELAS 2B D-III TEKNIK TELEKOMUNIKASI
|
|
Nama : Nim : |
Lolita
Shafa Dwikurnia 243101030033 |
|
|
Nama : NIM : |
Najwa
Salsabila 243101030029 |
|
|
Nama : NIM : |
Ramdhan Dika Tikantoro 243101030053 |
|
|
Nama : NIM : |
Royyan
Candrawinata 243101030042 |
