Perpustakaan Digital ITB

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.