Path: Top > S3-Dissertations

MATERIALDIELEKTRIKARTIFISIALSIRKULAR DENGANPERMITIVITASANISOTROPIKDAN PENERAPANNYAPADAANTENAMIKROSTRIP

CIRCULAR ARTIFICIAL DIELECTRIC MATERIAL OF ANISOTROPIC PERMITTIVITY AND ITS APPLICATION ON MICROSTRIP ANTENNA

PhD Theses from JBPTITBPP / 2018-07-03 12:07:50
Oleh : HepiLudiyati - NIM:33212015 , S3 - Electrical Engineering and Informatics-STEI
Dibuat : 2018-07-03, dengan 1 file

Keyword : material dielektrik artifisial, permitivitas anisotropik, resonator rongga,transverseelectric,transversemagnetic,finitedifferencetime domain (FDTD), frekuensi resonansi, sistem koordinat silinder

Penggunaan material dielektrik natural pada perangkat telekomunikasi secara langsung sudah mulai berkurang, terutama sejak peneliti di bidang elektromagnetik mengusulkan material dielektrik artifisial dengan berbagai karakteristik unik. Materialdielektriknaturalyangdiproduksipabrikmelaluiproseskimiawi,memiliki permitivitasdenganvariasinilaiyangterbatas. Kondisiinimengakibatkankesulitan dalam meningkatkan kinerja perangkat telekomunikasi. Berbeda dengan material dielektrik natural, material dielektrik artifisial dibuat dengan proses elektromagnetisasi, yaitu dengan memodifikasi sifat-sifat elektromagnetis dari material dielektrik natural. Sifat-sifat tersebut dinyatakan dengan suatu parameter yang dinamakan permitivitas. Dengan proses ini, nilai permitivitas material dapat dinaikanataudapatdiubahmenjadinilaipermitivitasbaruyangtidakdijumpaipada material dielektrik natural, salah satunya adalah permitivitas anisotropik.

Karakteristik permitivitas anisotropik yang merupakan tensor permittivity telah dieksplorasi oleh para peneliti yang umumnya dari Jepang. Termasuk pula kemampuan permitivitas anisotropik dalam miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi. Miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi sangat dibutuhkan terutama untuk perangkat telekomunikasi yang bekerja pada daerah frekuensi VHF dan beberapa frekuensi di batas bawah frekuensi UHF. Secara teknis, miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi seperti antena, filter, pembagi daya, resonator dan lain-lain membutuhkan material dielektrik yang memiliki permitivitas tinggi. Literatur tentang miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi ini, mengusulkan teknis peningkatan nilai permitivitas hanya di arah x, y atau z saja. Pada kasus ini sifat-sifat anisotropik dijabarkan dalam tata ruang sistem koordinat Kartesian.

Metoda peningkatan nilai permitivitas dilakukan dengan cara menambahkan lapisan-lapisan konduktor tipis yang berukuran kecil berbentuk persegi melalui proses etching. Lapisan-lapisan konduktor ini ditambahkan di atas material dielektrik natural yang diberi istilah host material. Dengan metoda ini, host material yang dapat digunakan hanyalah dalam bentuk printed circuit board atau PCB.Pengaturanukuran,jumlah,orientasidankerapatanlapisan-lapisankonduktor serta jarak antara lapisan-lapisan konduktor tersebut telah efektif meningkatkan nilai permitivitas di arah tertentu yang berdampak pada miniaturisasi ukuran

i

bandpass filter yang bekerja pada mode TE01δ. Sayangnya eksplorasi sifatsifat anisotropik material dielektrik artifisial beserta pengaruh sifat-sifat tersebut pada kinerja perangkat telekomunikasi hanya dilakukan dalam tata ruang sistem koordinat Kartesian. Pelaksanaan penelitian tentang material dielektrik anisotropik ini sejak tahun 2006 belum dikembangkan lagi.

Disertasiinimengembangkanpenelitiantentangmaterialdielektrikartifisialdengan permitivitas anisotropik pada tata ruang sistem koordinat silinder. Pada disertasi ini permitivitas anisotropik ditetapkan di arah ρ, φ dan z. Disertasi ini mengeksplorasi kemampuan permitivitas anisotropik dalam miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi yang memiliki konstruksi fisik berbentuk lingkaran. Eksplorasi dilakukan melalui kajian teoritis, numerik dan eksperimentasi. Pada kajian teoritis dannumerik,materialdielektrikartifisialdenganpermitivitasanisotropikdisisipkan padasebuahresonatorronggasirkularyangdiberiistilahresonatorronggaartifisial. Frekuensi resonansi yang dihasilkan oleh resonator rongga artifisial dikarakterisasi pada mode TE dan TM. Frekuensi resonansi sebagai fungsi ketebalan material dan nilai permitivitas anisotropik telah diformulasikan dengan metoda peubah variabel dan short open termination dengan memperhatikan syarat batas medan listrik pada dinding-dinding resonator rongga sirkular yang terbuat dari dinding PEC.

Potensi miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi diinvestigasi dengan membandingkan frekuensi resonansi yang dihasilkan oleh resonator rongga artifisial dengan frekuensi resonansi resonator rongga konvensional. Resonator rongga konvensional adalah istilah untuk resonator rongga sirkular yang disisipi material dielektrik natural. Pada kajian numerik, frekuensi resonansi yang dihasilkan oleh resonator rongga artifisial dan konvensional dihitung dengan menggunakan metoda FDTD. Metoda FDTD ini dibangun oleh persamaanpersamaan Maxwell dimensi 3 dalam bentuk diferensial. Solusi yang dihasilkan dari metoda FDTD adalah amplitudo medan listrik dan medan magnet yang ada di dalam resonator rongga artifisial dalam domain waktu. Dengan proses FFT, frekuensi resonansi yang dihasilkan resonator rongga artifisial dapat diketahui. Dari kedua kajian ini, diperoleh hasil bahwa frekuensi resonansi yang dihasilkan olehresonatorronggaartifisiallebihrendahdibandingkanfrekuensiresonansiyang dihasilkan oleh resonator rongga konvensional.

Pada mode TE, permitivitas anisotropik di arah ρ menghasilkan prosentase penurunan frekuensi resonansi terbesar pada mode dominan, yaitu mode TE11δ. Prosentase yang dihasilkan dari kajian teoritis dan numerik berturut-turut adalah 13,77 % dan 14,2 %. Pada mode TM, permitivitas anisotropik di arah z telah efektif menurunkan frekuensi resonansi yang dihasilkan resonator rongga bahkan menghasilkan prosentase penurunan frekuensi resonansi yang lebih besar daripada mode TE. Pada mode dominan, yaitu mode TM01δ, frekuensi resonansi yang dihasilkan melalui kajian teoritis dan numerik berturut-turut adalah 43,07 % dan 42,52 %. Sedangkan mode TM yang lain berturut-turut adalah 35,98 % dan 37,95 % untuk mode TM11δ dan 34,86 % dan 36,35 % untuk mode TM21δ. Dari hasil kajian teoritis dan numerik, terlihat adanya potensi pemilihan mode gelombang TE atau TM pada material dielektrik dengan permitivitas anisotropik.

ii

Selanjutnya, potensi permitivitas anisotropik pada miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi diujikan secara eksperimental pada perangkat antena mikrostrip. Antena mikrostrip dirancang dan difabrikasi pada frekuensi-frekuensi VHF dan UHF. Pada eksperimen ini yang diujikan adalah permitivitas anisotropik di arah z. Untuk membangkitkan permitivitas anisotropik di arah z ini, sejumlah kawatkawat konduktor dengan diameter 0,5 mm ditanamkan tegak lurus menembus permukaanhostmaterial. Peningkatannilaipermitivitasdiarahz dilakukandengan menanamkan kawat-kawat konduktor tersebut di posisi medan listrik maksimum dari distribusi medan listrik pada mode TM11. Host material yang digunakan adalah material dielektrik natural yang mudah didapatkan di pasaran dengan harga murah, yaitu styrofoam, acrylic, floral foam dan FR-4 epoxy. Return loss antenamikrostripartifisialyaitusebutanuntukantenamikrostripberbahanmaterial dielektrik artifisial diukur dan dibandingkan dengan return loss antena mikrostrip konvensional yaitu sebutan untuk antena mikrostrip berbahan material dielektrik natural. Pengukuraninidilakukandenganmenetapkandimensiradiatorkeduajenis antena mikrostrip sama.

Dari pengukuran, diperoleh hasil bahwa daerah frekuensi kerja antena mikrostrip artifisial pada keempat host material yang diujikan lebih rendah dibandingkan daerah frekuensi kerja antena mikrostrip konvensional. Daerah frekuensi kerja ini merupakan frekuensi-frekuensi pada nilai return loss minimal 10 dB. Hasil terbaik ditunjukan oleh kawat konduktor dengan diameter 0,5 mm yang dipasang sebanyak 110 buah menembus permukaan styrofoam. Frekuensi tengah antena mikrostrip artifisial lebih rendah 40,2 % dibandingkan frekuensi tengah antena mikrostrip konvensional yaitu dari 1832,3 MHz turun menjadi 1095,7 MHz. Sedangkanbandwidthnaikdari19,3MHzmenjadi56,4MHz. Darihasilini,kawat konduktor 0,5 mm sebanyak 110 buah pada konfigurasi medan listrik maksimum mode TM11 telah berhasil meningkatkan nilai permitivitas styrofoam dari 1,03 menjadi 2,88. Hasil kajian teoritis, numerik dan eksperimentasi telah menunjukan bahwa material dielektrik artifisial dengan permitivitas anisotropik dalam tata ruang sistem koordinat silinder memiliki potensi dalam miniaturisasi ukuran perangkat telekomunikasi. Potensi ini telah ditunjukan oleh frekuensi resonansi yang rendah di dalam sebuah resonator rongga sirkular dan daerah frekuensi kerja antena mikrostrip yang rendah pada return loss minimal 10 dB. Penanaman kawatkawat konduktor di posisi medan listrik maksimum suatu mode TE atau TM dapat memberikan keleluasaan dalam pengaturan nilai permitivitas material dielektrik.

Deskripsi Alternatif :

The usage of natural dielectric materials in telecommunication devices have began todecrease,especiallysinceresearchersinthefieldofelectromagneticproposedthe artificial dielectric materials with many unique characteristics. Natural dielectric materials which are produced by factories through the chemical processes have permittivity with limited value variations. This condition resulted difficulties in improving the performance of telecommunication devices. Unlike the natural dielectric material, the artificial dielectric material is made from the electromagnetismprocess,bymodifyingtheelectromagneticpropertiesofthenaturaldielectric material. These properties are expressed by a parameter called permittivity. By using this process, the permittivity of the material can be increased or converted into a new permittivity value which can’t be found in natural dielectric material, one of which is the anisotropic permittivity.

The characteristic of anisotropic permittivity which is a tensor permittivity, has been explored by the researchers, whom are generally from Japan. One of the explorations are anisotropic permittivity capabilities in the miniaturization of the telecommunicationdevice’ssize. Miniaturizationofthetelecommunicationdevice’s size is needed especially for telecommunication devices which work on VHF frequencies and some frequencies on lower UHF frequencies. Technically, the miniaturizationsizeofthetelecommunicationdevicessuchasantenna,filter,power divider, and resonator require the use of high-permittivity dielectric materials. The literatures on miniaturization size of the telecommunication devices have proposed a method of increasing the permittivity value only by the x-, y- or z-direction. Within this case the anisotropic properties are described in a Cartesian coordinate system.

The increased method of the permittivity value was done by adding small squareshaped conductor layers throughout the process of etching. These conductor layers were added on top of the natural dielectric material layer termed as host material. In this method, host material could be used only in the form of a printed circuit board or PCB. By setting the size, number, orientation and the density of the conductor layers as well as the distance between the conductor layers had effectively increased the permittivity value in a particular direction that affects the

iv

miniaturization of the size of the bandpass filter which is working on the TE01δ mode. Unfortunately,theexplorationoftheanisotropicpropertiesofmaterialswere only conducted by the Cartesian coordinate system and since 2006 the research on anisotropic dielectric material has not been developed yet.

This dissertation develops a research on artificial dielectric material with an anisotropic permittivity in a cylindrical coordinate system. The anisotropic permittivity is set within the ρ-direction, φ-direction, and z-direction. This dissertation explores the anisotropic permittivity capability in miniaturization of telecommunication device’s size which has a circular physical construction. The exploration is done through theoretical, numerical and experimental studies. In theoretical and numerical studies, an artificial dielectric material with anisotropic permittivity is encapsulated in a circular cavity resonator. The resonator is termed asanartificialcavityresonator. Theresonantfrequenciesgeneratedbytheartificial cavity resonator have been characterized in TE and TM modes. The resonance frequency as a function of material thickness and anisotropic permittivity value has beenformulatedbyvariableseparationmethodandshortopenterminationmethod by considering the electrical field boundary conditions on the conductor walls of the circular cavity resonator.

Thepotentialminiaturizationofthetelecommunicationdevice’ssizehasbeeninvestigated by comparing the resonant frequency which is generated by the artificial cavity resonator with the resonant frequency of a conventional cavity resonator. The conventionalcavity resonatoris amention of acircular cavityresonator which it is encapsulated by the natural dielectric material. In a numerical study, the resonant frequencies generated by the artificial and conventional cavity resonators have been calculated using the FDTD method. The FDTD method is constructed by the Maxwell equations of 3 dimensions in differential forms. The solution of the FDTD method is the time domain of electric and the magnetic fields amplitude that present in the artificial cavity resonator. Using FFT process, the resonant frequencythatgeneratedbytheartificialcavityresonatorcanbedetermined. From these studies, the results have shown that the resonant frequencies generated by the artificial cavity resonator are lower than the resonant frequencies generated by the conventional cavity resonator. In TE mode, anisotropic permittivity in the ρ-direction has resulted the highest percentage of resonance frequency lowering, especially in the dominant mode, i.e. TE11δ mode. The percentages generated from the theoretical and numerical studies are 13.77 % and 14.2 %, respectively.

InTMmode,anisotropicpermittivityinthez-directionhaseffectivelydecreasedthe resonant frequency even if the percentage is higher than the TE mode percentage. In the dominant mode, which is the TM01 delta mode, the resonant frequencies generated through theoretical and numerical studies are 43.07 % and 42.52 %, respectively. While the other TM modes are 35.98 % and 37.95 % for TM11δ and 34,86 % and 36.35 % for mode TM21δ. From the results of theoretical and numerical studies, there are the potentials for selecting TE or TM wave modes on dielectric materials with anisotropic permittivity. Furthermore, the potential of anisotropic permittivity in miniaturization of telecommunication device’s sizes was

v

implemented on microstrip antenna devices. Microstrip antenna is designed and fabricated at VHF and UHF frequencies. The experiment within this dissertation is anisotropic permittivity in the z-direction. To generate anisotropic permittivity in the z-direction, the amount of 0.5 mm diameter conductor wires are implanted perpen-dicularly through the surface of host material. To increase the permittivity value in the z-direction, the wires are implanted in the position of the maximum electric field from the TM11 mode electric field distribution.

Thehostmaterialthatisusedisadielectricmaterialwhichisavailableeasilyonthe market with a low cost, i.e. styrofoam, acrylic, floral foam, and FR-4 epoxy. The return loss of artificial microstrip antenna which is called for microstrip antenna is fabricated using the artificial dielectric material which has been measured and compared with return loss of conventional microstrip antenna. The conventional microstrip antenna which is a mention for a microstrip antenna that fabricated usinganaturaldielectricmaterial. Themeasurementhasbeenconductedbysetting dimension of both radiator microstrip antennas equally. From the measurement result, it result shows that the working frequencies of the artificial microstrip antenna on the four host material are lower than the working frequencies of the conventional microstrip antenna. The working frequencies are the frequencies in whichthereturn loss valueisboundednotless than10dB.Thebest result isshown when110conductorwiresareplacedthroughthesurfaceofstyrofoam. Thecentral frequency of the artificial microstrip antenna is lower than the frequency of the conventional microstrip antenna from 1832.3 MHz down to 1095.7 MHz.

The results of theoretical, numerical and experimental studies have shown that the artificialdielectricmaterialwithanisotropicpermittivityinacylindricalcoordinate systems has a good potential in the miniaturization of the telecommunication device’ssize. Thepotentialhasbeendemonstratedbythelowresonantfrequencyin acircularcavityresonatorandthelowworkingfrequencyofthemicrostripantenna. The planting of conductor wires in the position of the maximum electric field of TE or TM modes can provide flexibility in setting the permittivity value of dielectric material. The permittivity setting capability can be taken into consideration by an engineer in the selection of an inexpensive artificial dielectric material type when miniaturizing the size of telecommunication devices as well as for the purpose of improving the performance of telecommunication equipment.

Copyrights : Copyright (c) 2001 by Perpustakaan Digital ITB. Verbatim copying and distribution of this entire article is permitted by author in any medium, provided this notice is preserved.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiS3 - Electrical Engineering and Informatics-STEI
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Prof. Andriyan Bayu Suksmono

    Dr. Achmad Munir, Editor: Karya Sumpena

File PDF...