Makalah Sal Mikro [PDF]

Citation preview

DAFTAR ISI DAFTAR ISI .............................................................................................................................. i BAB I .........................................................................................................................................1 PENDAHULUAN ......................................................................................................................1 1. 1.



Latar Belakang ..........................................................................................................1



1. 2.



Tujuan .......................................................................................................................1



BAB II ........................................................................................................................................2 TEORI DASAR ..........................................................................................................................2 2. 1.



Saluran Transmisi ......................................................................................................2



2. 2.



Jenis Media Saluran Transrnisi ..................................................................................2



2. 3.



Karakteristik Saluran Transmisi .................................................................................3



2. 4.



Impedansi Karakteristik .............................................................................................5



2. 5.



Rugi-Rugi (Losses) pada Saluran Transmisi ...............................................................6



2. 6.



Teknik Pencatuan ......................................................................................................7



2. 7.



Kelebihan dan Kerugian Saluran Transmisi Mikrostrip ..............................................8



BAB III .......................................................................................................................................9 PEMBUATAN............................................................................................................................9 3. 1.



Perancangan ..............................................................................................................9



i



BAB I PENDAHULUAN 1. 1.



Latar Belakang Suatu informasi dari suatu sumber informasi dapat diterima oleh penerima informasi dapat terwujud bila ada suatu sistem atau penghubung diantara keduanya. Sistem transmisi itu dapat terdiri atas satu atau lebih media transmisi. Media transmisi yang digunakan dapat berupa media fisik maupun non-fisik (nirkabel). Media transmisi fisik merupakan suatu media yang dapat dilihat atau dipegang dan dapat diukur besaran fisiknya. Jenis media fisik yang sering digunakan yaitu kawat terbuka, dan kabel (kabel koaksial,serat optik). Sedangkan media transmisi non-fisik merupakan suatu media yang tidak dapat dilihat fisiknya yaitu berupa udara atau ruang bebas (free space). Sistem transmisi dengan media non-fisik merupakan sistem transmisi yang menggunakan gelombang radio sebagai penyalur informasinya. Gelombang radio terdiri dari garis-garis gaya medan listrik dan garis-garis gaya medan magnet yang merambat diruang bebas dengan kecepatan cahaya yakni c = 3x10 8 m/s. Meskipun gelombang yang merambat pada saluran transmisi berupa medan listrik dan medan magnet yang terdapat dikedua penghantarnya, tetapi saluran transmisi tersebut dapat dimodelkan sebagai suatu rangkaian listrik atau rangkaian ekivalen yang memiliki tegangan dan arus sehingga dapat dianalisis bagaimana gelombang yang merambat pada saluran transmisi tersebut



1. 2.



Tujuan Tujuan pembuatan makalah ini adalah untuk membuat perancangan sebuah saluran transmisi mikrostrip yang dapat bekerja pada rentang frekuensi 5 - 15 GHz.



1



BAB II TEORI DASAR 2. 1.



Saluran Transmisi Saluran transmisi merupakan suatu komponen yang sangat penting dalam sistem transmisi baik sistem kabel maupun nirkabel. Pada sistem transmisi nirkabel, saluran transmisi digunakan untuk menghubungkan pemancar dengan antena pemancar dan penerima dengan antena penerima. Walaupun gelombang yang merambat pada saluran transmisi berupa medan listrik dan medan magnet yang terdapat di antara kedua penghantarnya, tetapi dapat dimodelkan sebagai suatu rangkaian listrik yang memiliki tegangan dan arus sehingga dapat dianalisis, dimana yang membedakan analisis pada saluran transmisi dengan rangkaian listrika adalah ukuran dan karakteristik listrik saluran transmisi.



2. 2.



Jenis Media Saluran Transrnisi Secara umum media saluran transmisi yang digunakan pada frekuensi tinggi maupun gelombang mikro (microwaves) dapat berupa sepasang penghantar atau sebuah penghantar berongga, namun dalam aplikasinya dapat kita bedakan dalam 4 kategori. yakni: a. Saluran transmisi dua kawat sejajar (two-wire transmission line), b. Saluran transmisi koaksial (coaxial transmission line), c. Bumbung gelombang (waveguides), d. Microstrip dan stripline. Saluran transmisi two-wire hanya cocok dipakai pada daerah frekuensi terendah dari spektrum frekuensi radio sebab pada frekuensi yang lebih tinggi saluran transmisi jenis ini memiliki redaman yang sangat besar. Untuk memperbaiki keterbatasan saluran two-wire ini maka pada frekuensi yang lebih tinggi, penggunaan sepasang penghantar sejajar digantikan oleh sepasang penghantar yang disusun dalam satu sumbu yang sama, disebut "coaxial'. Dengan saluran ini redaman yang dialami medan elektromagnetik dapat dikurangi.



2



Pada daerah frekuensi yang lebih tinggi lagi (gelombang mikro), saluran coaxial tidak cocok dipakai karena gelombang elektromagnetik merambat dalasm bentuk radiasi menembus bahan dielektrik saluran sehingga redamannya semakin besar. Untuk itu, digunakan suatu saluran berupa penghantar berongga yang disebut bumbung gelombang. Sedangkan untuk menghubungkan jarak yang dekat, pada frekuensi ini biasanya digunakan saluran transmisi yang disebut stripline dan microstrip. Microstrip dan Stripline Merupakan saluran transmisi yang bentuk fisiknya berupa kabel yang bersifat kaku. Saluran transmisi jenis ini biasanya digunakan untuk bekerja pada daerah frekuensi gelombang mikro (orde GHz) dan digunakan untuk menghubungkan piranti elektronik yang berjarak dekat. Saluran microstrip biasanya dibuat dalam bentuk Printed Cabling Board (PCB) dengan bahan khusus yang mempunyai rugi-rugi rendah pada frekuensi gelombang mikro. Bentuk fisik dan polanya dapat dilihat pada gambar dibawah.



2. 3.



Karakteristik Saluran Transmisi Karakteristik listrik pada saluran transmisi berbeda dengan karakteristik dari rangkaian listrik biasa. Karakteristik listrik suatu saluran transmisi sangat bergantung pada konstruksi dan dimensi fisiknya. Ketika hubungan antara sumber sinyal dengan beban sedang berlangsung, maka sinyal akan merambat pada pasangan kawat penghantar saluran transmisi menuju ke ujung yang lain dengan kecepatan tertentu. Semakin panjang saluran transmisi, maka waktu tempuh dari rambatan sinyal itu akan semakin lama. Arus yang mengalir di sepanjang saluran akan membangkitkan suatu medan magnet yang menyelimuti kawat penghantar dan adakalanya saling berimpit dengan medan magnet lain yang berasal dari kawat penghantar lain di sekitarnya. Medan magnet yang 3



dibangkitkan oleh kawat penghantar berarus listrik, merupakan suatu timbunan energi yang tersimpan dalam kawat penghantar tersebut sehingga dapat dianggap bahwa kawat penghantar bersifat induktif atau memiliki induktansi. Tegangan yang ada di antara dua kawat penghantar akan membangkitkan medan listrik. Medan listrik ini juga merupakan timbunan energi yang mungkin juga saling berimpit dengan medan listrik lain di sekitarnya, sehingga akan timbul kapasitansi di antara dua kawat penghantar. Untuk saluran yang panjang, induktansi dan kapasitansi itu akan menyebar secara merata pada sepanjang saluran dan besarnya tergantung pada frekuensi sinyal atau gelombang yang merambat di dalamnya. Setiap jenis saluran transmisi dua kawat juga mempunyai suaru nilai konduktansi yakni nilai yang merepresentasikan kemungkinan banyaknya elektron yang mengalir (arus) melewati atau menembus bahan dielektrik saluran. Jika saluran diamggap seragam (uniform), dimana semua nilai besaran-besaran tersebut sama di sepanjang saluran, maka potongan kecil saluran dapat dianggap merepresentasikan panjang keseluruhan. Tiga hal inilah yang menjadi alasan bahwa saluran transmisi berbeda dari rangkaian-rangkaian listrik pada umumnya, sehingga karakteristik salurasn transmisi dapat dibedakan atas Lumped Constant dan Distributed Constant. Lumped Constant Saluran transmisi juga memiliki besaran atau konstanta seperti induktansi, kapasitansi dan resistansi sebagaimana seperti pada rangkaian listrik pada umumnya, akan tetapi pada rangkaian listrik konstanta-konstanta yang ada dalam rangkaian bertumpuk di dalam piranti rangkaian itu sendiri, maka besaran atau konstanta yang demikian disebut dengan lumped constant. Distributed Constant Idealnya saluran transmisi juga memiliki nilai induktansi, kapasitansi dan resistansi yang bersifat bertumpuk (lumped), namun tidak demikian halnya, karena saluran transmisi memiliki besaran atau konstanta dengan nilai yang terdistribusi di sepanjang saluran dan masing-masing tidak dapat dipisahkan satu dengan lainnya, maka besaran yang demikian disebut distributed constant, yang artinya nilainya terdistribusi di sepanjang saluran, diameter penghantar, jarak antar penghantar dan jenis bahan dielektrik yang memisahkan kedua penghantar. Maka ini berarti nilai-nilai konstanta ini akan berubah bila panjang saluran diubah. 4



2. 4.



Impedansi Karakteristik Saluran Besaran-besaran terdistribusi seperti induktansi, kapasitansi, resistansi dan konduktansi merupakan parameter primer suatu saluran transmisi yang terdapat dalam semua jenis saluran, terlepas apakah pada saat itu saluran tersebut dihubungkan atau tidak dengan sumber sinyal. Tetapi ada juga parameter yang penting dari saluran transmisi yang disebut “impedansi karakteristik”. Gelombang yangn merambat pada saluran transmisi yang panjangnya tak berhingga, tidak akan mempengaruhi apa yang ada di ujung saluran. Perbandingan antara tegangan dan arus di ujung masukan saluran sesungguhnya dapat dianggap sama dengan perbandingan antara tegangan dan arus setelah mencapai ujung lainnya. Dapat diartikan bahwa arus dan tegangan di antara kedua kawat penghantar saluran itu memandang saluran transmisi sebagai suatu impedansi. Impedansi inilah yang disebut “impedansi karakteristik (Zo)”.



Jadi dapat dikatakan bahwa impedansi karakteristik adalah impedansi yang diukur di ujung saluran transmisi yang panjangnya tak berhingga. Bila daya dirambatkan pada saluran transmisi dengan panjang tak berhingga, maka daya itu akan diserap seluruhnya di sepanjang saluran. Tegangan dan arus akan menurun di sepanjang saluran sebagai akibat bocornya arus pada kapasitansi antar penghantar dan hilangnya tegangan pada induktansi saluran.



Pada gambar diatas, diperlihatkan bahwa impedansi yang dipandang pada titik 1’2’ (jarak titik 1’-2’ ke 1-2 berhingga) ke arah kanan adalah sebesar Zo juga, tetapi dengan tingkat tegangan dan arus yang lebih kecil dibandingkan dengan tegangan pada titik 1-2. Sehingga bila impedansi pada titik 1’-2’ digantikan dengan impedansi beban sebesar Zo, 5



maka impedansi di titik 1-2 akan sebesar Zo juga. Impedansi karakteristik saluran tanpa rugi-rugi (loseless-line) dapat dituliskan sebagai:



√



Besar impedansi karakteristik suatu saluran transmisi maupun bumbung gelombang berbeda-beda dan nilainya ditentukan oleh ukuran fisik penampang dan bahan dielektrik yang digunakan sebagai isolator. Adapun impedansi karakteristik saluran transmisi Microstrip/Strip Line



√



( )



Dimana: et = konstanta dielektrik relative padre PCB (printed cabling board) T = ketebalan dari PCB W = lebar dari konduktor stripline atau microstrip 2. 5.



Rugi-Rugi (Losses) pada Saluran Transmisi Tegangan maupun arus dari sinyal yang merambat di sepanjang saluran transmisi akan mengalami penurunan seiring dengan jarak yang makin panjang, ini berarti saluran transmisi memiliki rugi-rugi. Pada umumnya ada tiga macam rugi-rugi yang terdapat pada saluran transmisi yang sedang dilalui sinyal, yaitu: a. Rugi-Rugi Tembaga Rugi-rugi ini antara lain berupa disipasi daya (I2 R) yang berupa panas yang bersifat resistif dan rugi-rugi akibat efek kulit (skin effect). Makin tinggi frekuensi, makin besar resistansi yang timbul akibat skin effect ini, sehingga ini mengakibatkan rugi-rugi saluran makin besar. Jadi selain disebabkan oleh resistansi penghantarnya sendiri, rugi-rugi tembaga ini juga disebabkan oleh skin effect, yang menyebabkan resistansi penghantar pada frekuensi tinggi juga meningkat.



6



b. Rugi-Rugi Dielektrik Rugi-rugi ini timbul diakibatkan oleh pemanasan yang terjadi pada kawat penghantar sewaktu dilalui arus bolak balik. Daya yang dikirimkan sumber sinyal sebagian berubah menjadi panas yang terjadi pada bahan dielektrik. Ketika dilalui arus bolak-balik, maka struktur atom dari bahan dielektrik akan mengalami perubahan



dan



perubahan



ini



membutuhkan



energi.



Energi



inilah



yang



mengakibatkan timbulnya rugi-rugi daya. Semakin sulit struktur atom suatu bahan dielektrik berubah, maka semakin besar energi yang dibutuhkannya, yang berarti semakin besar rugi daya yang disebabkannya. c. Rugi-Rugi Radiasi dan Induksi Rugi-rugi ini terjadi akibat adanya medan-medan yang ada disekitar kawat penghantar. Rugi-rugi induksi terjadi ketika medan elektromagnetik di sekeliling penghantar terkena langsung dengan suatu penghantar tersebut, akibatnya daya hilang pada penghantar tersebut. Rugi-rugi radiasi merupakan rugi-rugi yang disebabkan hilangnya sebagian garis-garis gaya magnet karena memancar keluar dari saluran transmisi. Rugi-rugi pada saluran ini mengakibatkan redaman yang dinyatakan dalam satuan decibel per satuan ataupun meper per satuan panjang. 2. 6.



Teknik Pencatuan Ada beberapa konfigurasi pencatuan yang dapat digunakan pada mikrostrip. Namun ada empat buah teknik pencatuan yang biasa digunakan, yaitu mikrostrip line, coaxial probe, aperture coupling dan proximity coupling. Teknik pencatuan microstrip line (saluran mikrostrip) merupakan metode yang paling mudah digunakan karena menyatu dengan patch dengan ukuran lebar yang lebih kecil dibandingkan dengan patch. Pencatuan microstrip line mudah untuk difabrikasi, mudah untuk dilakukan matching dengan mengubah letak inset, dan memiliki bentuk yang sederhana, karena patch dianggap sebagai perpanjangan dari microstrip line. Teknik pencatuan ini juga menghemat bahan karena hanya menggunakan satu substrat saja yaitu substrat yang sama dengan substrat yang dipakai untuk meletakkan patch.



7



2. 7.



Kelebihan dan Kerugian Saluran Transmisi Mikrostrip Kelebihan saluran transmisi mikrostrip, antara lain: 



Mempunyai berat yang ringan dan volum yang kecil,







Biaya fabrikasi yang murah, sehingga dapat diproduksi dalam jumlah yang besar,







Dapat dengan mudah diintegrasikan dengan microwave integrated circuits,







Mendukung operasi dua atau tiga frekuensi. Adapun kerugian dari saluran transmisi mikrostrip adalah:







Lebar pita yang kecil,







Efisiensi yang rendah,







Penguatan yang lemah.



8



BAB III PEMBUATAN 3. 1.



Perancangan Microstrip adalah jenis saluran transmisi yang terdiri dari konduktor yang dibuat pada substrat dielektrik dengan bidang yang dibumikan. Itu mudah miniatur dan terintegrasi dengan perangkat microwave menjadikannya pilihan populer saluran transmisi. Skema dasar ditunjukkan pada Gambar. 1.



Gambar 1 Saluran Transmisi Microstrip yang menampilkan mode propagasi quasi-TEM. Garis hijau mewakili bidang E dan garis ungu bidang H



mikrostrip terdiri dari konduktor dengan lebar W , substrat dielektrik dengan ketebalan d dan permitivitas ε r . Kehadiran dielektrik (biasanya tipis dengan d