SEJARAH PERKEMBANGAN DAN KONSEP DASAR ANTENNA
Di susun oleh :
Nama
: Andreas
NIM
: 151.041.008
Jurusan : Teknik Teknik Elektro (S1) Tugas 1 : Antena dan Perambatan Gelombang
INSTITUT SAINS DAN TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA 2017
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya panjatkan kehadirat Tuhan yang telah memberikan rahmat dan hidayahnya sehingga saya dapat menyelesaikan karya tulis yang berbentuk makalah ini dengan judul “SEJARAH PERKEMBANGAN DAN KONSEP DASAR ANTENNA”, penyusunan makalah ini merupakan salah satu tugas pada
mata kuliah Antena dan Perambatan Gelombang di program studi teknik Elektro Institut Sains dan Teknologi AKPRIND Yogyakrta. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Dr.Samuel Kristyana, S.T, M.T selaku dosen mata kuliah Antena dan Perambatan Gelombang dan kepada segenap pihak yang telah memberikan bimbingan serta arahan selama penulisan makalah ini. Akhirnya penulis menyadari bahwa banyak terdapat kekurangan-kekurangan dalam penulisan makalah ini, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang konstruktif dari para pembaca demi kesempurnaan makalah ini dan semoga makalah ini bermanfaat untuk perkembangan ilmu pengetahuan khususnya bagi penulis dan umumnya bagi kita semua. Atas segala bantuan, dorongan dan motivasi yang diberikan semua pihak, semoga mendapat balasan dari Tuhan. Amin.
Yogyakarta, 18 September 2017 Penulis
Andreas 151.041.008
ii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
........................................... ................................................................. ........................................ ..................
KATA PENGANTAR DAFTAR ISI
i
......................................... ............................................................... ........................................ ..................
ii
.......................................... ................................................................ ............................................ ............................... .........
iii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
......................................... ............................................................... .................................. ............
1
........................................... ................................................................. ............................................ ......................
1
1.2. Rumusan Masalah
............................................ .................................................................. ...................................... ................
2
1.3.Tujuan ...................................................................................................... 2 1.4.Manfaat Penelitian
............................................ .................................................................. ...................................... ................
2
BAB II LANDASAN TEORI ............................................ .................................................................. .......................... ....
3
2.1. Pengertian Antena
3
............................................ .................................................................. ...................................... ................
2.2. Sejarah Perkembangan Antena
......................................... .............................................................. .....................
4
......................................... ............................................................... .................................. ............
7
3.1. Konsep Dasar Antena ........................................... ................................................................. .................................. ............
7
BAB III PEMBAHASAN
3.2. Radiasi Gelombang Elektromagnetik 3.3. Pola Radiasi
........................................... ..................................................... .......... 7
......................................... ............................................................... ............................................ .......................... ....
3.3.1. Side Lobe Level
......................................... ............................................................... .................................. ............
3.3.2. Half Power Beam Width (HPBW)
iii
10 12
.......................................... ................................................ ...... 13
3.4. Direktivitas dan Gain
.............................................................................
3.4.1. Direktivitas Antena
14
......................................................................
15
3.4.2. Gain Antena
..................................................................................
16
3.5. Impedansi Antena
..................................................................................
18
3.6. Polarisasi Antena
..................................................................................
21
3.7. Bandwidth Antena
................................................................................ 23
3.8. Macam – macam antenna 3.9. Polarisasi
......................................................................
24
..............................................................................................
29
3.10. Impedansi Antena 3.11. Return Loss
................................................................................ 29
........................................................................................
3.12. Kabel Transmisi Radio 3.13. Penangkal Petir
........................................................................
30 30
..................................................................................... 31
3.14. Perhitungan Link Budget ......................................................................
31
3.15. Fade Margin
32
.........................................................................................
BAB IV PENUTUP
...................................................................................
33
.............................................................................................
33
......................................................................................................
34
4.1. Kesimpulan 4.2. Saran
DAFTAR PUSTAKA
..................................................................................
iv
35
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Sejak Hertz dan Marconi, antena menjadi sangat penting untuk kehidupan kita sampai sekarang antena diperlukan. Antena ada dimana-mana, di rumah kita dan tempat kerja, di mobil, pesawat, semetara kapal, satelit dan pesawat ruang angkasa sudah menyatu dengan antena. Antena merupakan salah satu elemen penting didalam terselenggaranya hubungan komunikasi nirkabel antara dua user atau lebih yang ingin berkomunikasi. Peranan antena sendiri tidak lepas dari perkembangan teknologi informasi, karena kini penggunaan antena tidak hanya terbatas pada komunikasi suara saja, tetapi sudah terintegrasi dengan komunikasi data, Perkembangan komunikasi data beberapa tahun belakangan semalin pesat membutuhkan perkembangan perangkat fisik yang mampu menjadi jembatan komunikasi
antara
satu
perangkat
komunikasi
dengan
yang
lainnya.
Perkembangan itu akhirnya memunculkan konsep Local Area Network (LAN), sebuah jaringan fisik dengan media transmisi berupa kabel. Dengan semakin bertambahnya pemakaian komputer, semakin besar kebutuhan akan pentransferan data dari satu terminal ke terminal lain yang dipisahkan oleh jarak yang semakin jauh, sehingga penggunaan jaringan kabel menjadi kurang efisien. Kondisi diatas melahirkan suatu konsep baru yang disebut Wireless LAN (WLAN). WLAN menggunakan frekuensi radio (RF) dan udara sebagai media transmisi. Walaupun konsep Wireless LAN (WLAN) dinilai sangat efisien tetapi tetap memiliki beberapa kelemahan, salah satunya adalah sangat terbatasnya area yang dapat dilayani oleh sebuah accesspoint.
1
1.2.Rumusan Masalah
Dari uraian latar belakang di atas, beberapa permasalahan yang akan dibahas pada makalah ini adalah: a. Apakah yang dimaksud dengan Antena? b. Bagaimana sejarah terciptanya sebuah antena? c. Bagaimakah konsep dasar terbentuknya antena? d. Berapa macamkah tipe dan jenis antena secara umum?
1.3. Tujuan
Adapun yang menjadi tujuan dari penulisan makalah ini adalah: a. Dapat mengetahui arti sebuah antena b. Dapat mengetahui sejarah terciptanya antena c. Dapat paham konsep dasar terbentuknya antena dan dapat mengetahui jenis serta tipe antena
1.4. Manfaat Penelitian
a. Menambah pengalaman dan pengetahuan bagi Penulis tentang sejarah dan konsep dasar antena b. Menambah pengalaman dan pengetahuan pada Masyarakat tentang konsep pembuatan antena. c. Menambah pengetahuan bagi pemerintah untuk dapat dikembangkan teknologi antena untuk masa depan dalam menunjang sistem komunikasi yang lebih modern.
2
BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Pengertian Antena
Antena (antenna atau areal ) adalah perangkat yang berfungsi untuk memindahkan energi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke media kabel. Karena merupakan perangkat perantara antara media kabel dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan media kabel pencatunya. Prinsip ini telah diterangkan dalam saluran transmisi. Dalam perancangan suatu antena, baberapa hal yang harus diperhatikan adalah :
bentuk dan arah radiasi yang diinginkan polarisasi yang dimiliki
frekuensi kerja,
lebar band (bandwidth), dan
impedansi input yang dimiliki.
Untuk antena yang bekerja pada band VLF, LF, HF, VHF dan UHF bawah, jenis antena kawat (wire antenna) dalam prakteknya sering digunakan, seperti halnya antena dipole 1/2 , antena monopole dengan ground plane, antena loop, antena Yagi-Uda array, antena log periodik dan sebagainya. Antena-antena jenis ini, dimensi fisiknya disesuaikan dengan panjang gelombang dimana sistem bekerja. Semakin tinggi frekuensi kerja, maka semakin pendek panjang gelombangnya, sehingga semakin pendek panjang fisik suatu antena. Untuk antena gelombang mikro (microwave), terutama SHF ke atas, penggunaan antena luasan (aperture antena) seperti antena horn, antena 3
parabola, akan lebih efektif dibanding dengan antena kawat pada umumnya. Karena antena yang demikian mempunyai sifat pengarahan yang baik untuk memancarkan gelombang elektromagnetik..
2.2. Sejarah Perkembangan Antena
Pada tahun 600 SM Thales Matematikawan asal yunani menemukan bahwa batu amber yang digosokkan ke kain sutra dapat menarik potongan jerami atau rambut. Batu amber dalam bahasa yunani disebut Elektron. Thales juga mencatat daya tarik yang dihasilkan oleh kepingan magnet alami, yang ditemukan pada suatu daerah yang bernama Magnesia. Tahun 1819 seorang profesor fisika Denmark yang bernama Hans Christian Oersted menemukan bahwa arus pada sebuah kawat yang didekatkan dengan kompas, akan menyebabkan jarum kompas bergerak, sehingga ditemukan bahwa Magnet dapat diciptakan dari Listrik. Sebelum penemuan Oersted ini listrik dan magnet dianggap sesuatu yang independent. Pada tahun-tahun berikutnya, André Marie Ampère ahli fisika perancis melanjutkan penelitian Oersted. Dia menemukan teori selenoidal coil (lilitan kawat) untuk menghasilkan medan magnet. Pada tahun 1831, Michael Faraday dari London mendemonstrasikan perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus listrik. James Clerk Maxwell, meneliti mengenai Listrik dan Magnet. Selanjutnya Maxwell menyatukan Teori kelistrikan dan kemagnetan dan ditemukan disimplin ilmu baru Elektromagnetik dan menyatakan bahwa memungkinkan terjadi radiasi elektromagnetik. Banyak ilmuan di zamannya meragukan teori Maxwell selama beberapa decade sampai teori tersebut akhirnya dibuktikan oleh Heinrich Rudolph Hertz dan menemukan RADIO. Eksperimen pertama Hertz telah mampu mengirimkan sinyal dengan panjang
4
gelombang 8 meter sampai akhirnya dia mampu mengirimkan sinyal dengan panjang gelombang sekitar 30 cm. Heinrich Rudolf Hertz (22 Februari 1857 - 1 Januari 1894) adalah fisikawan Jerman yang menemukan pengiriman energi listrik dari 2 titik (point) tanpa kabel (nirkabel). Penemuannya yang paling mutakhir adalah electric charge jump. Dia juga adalah orang yang berjasa membuktikan teori Elektromagnetisme yang ditemukan oleh Maxwell itu benar - benar ada. Dia juga adalah orang yang membuat gelombang radio dan berhasil memancarkannya. Heinrich Rudolf Hertz adalah orang yang menciptakan alat pemancar (transmitter), dan penerima sinyal (reciever). Dan Heinrich Rudolf Hertz lah orang yang menciptakan antena untuk pertama kalinya untuk menerima sinyal dari pemancarnya. Untuk antena yang lebih sering kita kenal dengan nama antena tv ( antena yagi ) ditemukan oleh Hidetsugu Yagi, seorang profesor di Departemen Teknik di Universitas Tohoku, meneliti gelombang ultrashort dan pada tahun 1925, menemukan bahwa gelombang listrik dapat sangat diterima di bawah kondisi tertentu. dengan bantuan Shintaro Uda dari Yagi Laboratorium, Ia menemukan antena untuk gelombang ultrashort.
Gambar 2.1 : Prof. Hidetsugu Yagi
Namun, teknologi yang dihasilkan mendapat sedikit evaluasi dari masyarakat akademik di Jepang, tapi menerima pujian yang tinggi di negaranegara asing.Radar dikembangkan dengan menggunakn antena Yagi teknologi di Amerika Serikat dan Eropa. Namun, Jepang tidak melihat
5
kepentingan ini dan bahkan menolak permintaan perpanjangan untuk paten, sedikit saja yang percaya penggunaan praktis dan kebutuhan. Dikatan bahwa ini sangat mempengaruhi kemajuan perang dunia II. Saat itu pada tahun 1942, ketika tentara Jepang yang menduduki Singapura disita perangakat radar dan catatan teknologi dan menemukan karakter "Yagi" tertulis dalam catatan, mengakui pentingnya Antena Yagi. Setelah perang usai siaran televisi dimulai di setiap negara. Para Antena Yagi tersebar di seluruh dunia sebagai antena televisi. Di abad ke 21, siaran satelit telah menyebar bersama dengan perubahan ke era digital. Namun, Antena Yagi sekarang tetap digunakan di seluruh dunia sebagai antena penerima untuk televisi di rumah-rumah saat ini. Radi Hertz selanjutnya dikembangkan oleh Marconi. Pada penelitian selanjutnya di lakukan uji coba untuk panjang gelombang yang lebih pendek sampai ukuran milimeter maupun nanometer
6
BAB III PEMBAHASAN
3.1 Konsep Dasar Antena
Antena merupakan instrumen yang penting dalam suatu sistem komunikasi radio. Antena adalah suatu media peralihan antara ruang bebas dengan piranti pemandu (dapat berupa kabel koaksial atau pemandu gelombang/Waveguide)
yang
digunakan
untuk
menggerakkan
energi
elektromagnetik dari sumber pemancar ke antena atau dari antena ke penerima. Berdasarkan hal ini maka antena dibedakan menjadi antena pemancar dan antena penerima. Perancangan
antena
yang
baik
adalah
ketika
antena
dapat
mentransmisikan energi atau daya maksimum dalam arah yang diharapkan oleh penerima. Meskipun pada kenyataannya terdapat rugi-rugi yang terjadi ketika penjalaran gelombang seperti rugi-rugi pada saluran transmisi dan terjadi kondisi tidak matching antara saluran transmisi dan antena. Sehingga matching impedansi juga merupakan salah satu faktor penting yang harus dipertimbangkan dalam perancangan sebuah antena. 3.2 Radiasi Gelombang Elektromagnetik
Struktur
pemancaran
gelombang
elektromagnetik
yang
paling
sederhana adalah radiasi gelombang yang ditimbulkan oleh sebuah elemen aus kecil yang berubah-ubah secara harmonik. Elemen arus terkecil yang dapat menimbulkan pancaran gelombang elektromagnetik itu disebut sebagai sumber elementer . Jika medan yang ditimbulkan oleh setiap sumber elementer di dalam suatu konduktor antena dapat dijumlahkan secara keseluruhan, maka sifat-sifat radiasi dari sebuah antena tentu akan dapat diketahui.
7
Timbulnya radiasi karena adanya sumber yang berupa arus bolak-balik ini diketahui secara matematis dari penyelesaian gelombang Helmhotz. Persamaan Helmholtz tidak lain merupakan persamaan baru hasil penurunan lebih lanjut dari persamaan-persamaan Maxwell dengan memasukkan kondisi lorentz sebagai syarat batasnya. Dari hasil penyelesaian persamaan differrensial Helmholtz dengan menggunakan dyrac Green’s function, ditemukanlah bahwa potensial vektor pada suatu titik yang ditimbulkan oleh adanya arus yang mempunyai distribusi arus J adalah :
Az
je
j R
4 R
dv 1
je
j r r 1
4 r r
1
1
dv
v1
(1.1)
dimana : A z
= vektor potensial pada arah z
J
= kerapatan arus
= bilangan gelombang (2 /)
R
= jarak titik pengamatan P dengan suber elementer
v’
= sumber elementer. Volume Sumber v’ z
J
R = r’ r’
P
r’ 0
y Titik pengamat
Gambar 3.1 :Vektor-vektor di dalam Sistem Radiasi
8
Persamaan di atas berlaku umum untuk segala bentuk sumber dan di dalam semua sistem koordinat, sehingga untuk mencari medan yang ditimbulkan oleh bermacam-macam bentuk dapat dipilih sistem koordinat yang paling sesaui dengan bentuk antena. Dengan diketahui potensial vektor A dari suatu sistem, maka medan magnet H dan medan listrik E yang dipancarkan oleh sumber itu akan dapat diketahui pula. Untuk medan magnet H dapat diperoleh dari persamaan : H = x A
(1.2)
Sedangkan medan listrik E dapat diperoleh dari salah satu bentuk persamaan Maxwell : x H
= J + j E
(1.3)
Sehingga medan listrik E untuk daerah di dalam konduktor sumber adalah: 1
E =
j
( x H – J)
(1.4)
Dan untuk daerah di luar konduktor di mana J = 0, maka medan listrik E dari persamaan menjadi : 1
E
=
j
x H
(1.5)
Apabila elemen sumber dan medana radiasinya berada di dalam koordinat bola, maka arah propagasi gelombangnya akan searah dengan vektor jari-jarinya. Sedangkan medan listrik dan medan magnet hanya mempunyai komponen atau , yang dalam ruang bebas akan berlaku : E
I
H =
dan H =
9
(1.6)
Dengan
: =
( impedansi intrinsik medium) z Pr E
R
E
0
x Gambar 3.2 : Vektor Medan dan Pointing Vektor pada Koordinat Bola 3.3 Pola Radiasi
Pola radiasi (radiation pattern) suatu antena adalah pernyataan grafis yang menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah. Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan ( field pattern) apabila yang digambarkan adalah kuat medan dan disebut pola daya ( power pattern)
apabila
yang
digambarkan poynting
vektor .
Untuk
dapat
menggambarkan pola radiasi ini, terlebih dahulu harus ditemukan potensial Dalam koordinat bola, medan listrik E dan medan magnet H telah diketahui, keduanya memiliki komponen vetor dan Sedangkan poynting vektor nya dalam koordiant ini hanya mempunyai komponen radial saja. Besarnya komponen radial dari poynting vektor ini adalah : E
P r Dengan
=½
2
(1.7)
:
10
E 0
2
2
E
|E|
=
(resultan dari magnitude medan listrik)
E
: komponen medan listrik
E
: komponen medan listrik
: impedansi intrinsik ruang bebas (377 ).
Untuk menyatakan pola radiasi secara grafis, pola tersebut dapat digambarkan dalam bentuk absolut atau dalam bentuk relatif. Maksud bentuk realtif adalah bentuk pola yang sudah dinormalisasikan, yaitu setiap harga dari pola radiasi tersebut telah dibandingkan dengan harga maksimumnya. Sehingga pola radiasi medan, apabila dinyatakan didalam pola yang ternormalisasi akan mempunyai bentuk
F ( )
=
P , E , max
:
(1.8)
Karena poynting vektor hanya mempunyai komponen radiasi yang sebenarnya berbanding lurus dengan kuadrat magnitudo kuat medannya, maka untuk pola daya apabila dinyatakan dalam pola ternormalisasi, tidak lain sama dengan kuadrat dari pola medan yang sudah dinormalisasikan itu. P ( ) = | F ( ) |2
(1.9)
Seringkali juga pola radiasi suatu antena digambarkan dengan satuan decibel (dB). Intensitas medan dalam decibel didefinisikan sebagai : F ( ) dB
= 20 log | F ( ) |
(dB)
(1.10)
Sedangkan untuk pola dayanya didalam decibel adalah : P ( ) dB
= 10 log P ( ) = 20 log | F ( ) |
(1.11)
Jadi didalam decibel , pola daya sama dengan pola medannya. Semua pola radiasi yang dibicarakan di atas adalah pola radiasi untuk kondisi medan jauh. Sedangkan pengukuran pola radiasi, faktor jarak adalah faktor yang amat
11
penting guna memperoleh hasil pengukuran yang baik dan teliti. Semakin jauh jarak pengukuran pola radiasi yang digunakan tentu semakin baik hasil yang akan diperoleh. Namun untuk melakukan pengukuran pola radiasi pada jarak yang benar-benar tak terhingga adalah suatu hal yang tak mungkin. Untuk keperluan pengukuran ini, ada suatu daerah di mana medan yang diradiasikan oleh antena sudah dapat dianggap sebagai tempat medan jauh apabila jarak antara sumber radiasi dengan antena yang diukur memenuhi ketentuan berikut : 2 D
r
>
2
(1.12)
r >> D dan r .>> Dimana : r
: jarak pengukuran
D
: dimensi antena yang terpanjang
: panjang gelombang yang dipancarkan sumber.
3.3.1. Side Lobe Level
Suatu contoh pola daya antena digambarkan dengan koordinat polar. Lobe utama (main lobe) adalah lobe yang mempunyai arah dengan pola radiasi
maksimum.
Biasanya
juga
ada
lobe-lobe yang
lebih
kecil
dibandingkan dengan main lobe yang disebut dengan minor lobe. Lobe sisi ( side lobe) adalah lobe-lobe selain yang dimaksud. Secara praktis disebut juga minor lobe. Side lobe dapat berharga positif ataupun negatif. Pada kenyataannya suatu pola mempunyai harga kompleks. Sehingga digunakan magnitudo dari pola medan medan | F( ) | atau pola daya | P( ) |. Ukuran yang menyatakan seberapa besar daya yang terkonsentrasi pada side lobe dibanding dengan main lobe disebut Side Lobe Level (SLL), yang merupakan rasio dari besar puncak dari side lobe terbesar dengan harga
12
maksiumum dari main lobe. Side Lobe Level (SLL) dinyatakan dalam decibel (dB), dan ditulis dengan rumus sebagai berikut : F SLL
SLL
= 20 log
F maks
dB
Dengan
:
F (SLL)
: nilai puncak dari side lobe terbesar
F (maks)
: nilai maksimum dari main lobe
(1.13)
Untuk normalisasi, F (maks) mempunyai harga = 1 (satu). 3.3.2. Half Power Beam Width (HPBW)
HPBW adalah sudut dari selisih titik-titik pada setengah pola daya dalam main lobe, yang dapat dinyatakan dalam rumus sebagai berikut : HPBW = | HPBW left - HPBW right |
(1.14)
Dengan HPBW left dan HPBW right : titik-titik pada kiri dan kanan dari main lobe dimana pola daya mempunyai harga ½ . Seringkali dibutuhkan antena yang mempunyai pola radiasi broad side atau end fire. Suatu antena broad side adalah antena dimana pancaran utama maksimum dalam arah normal terhadap bidang dimana antena berada. Sedangkan antena end fire adalah antena yang pancaran utama maksimum dalam arah paralel terhadap bidang utama dimana antena berada. Namun demikian ada juga antena yang mempunyai pola radiasi di mana arah maksimum main lobe berada diantara bentuk broad side dan end fire yang disebut dengan intermediate. Antena yang mempnyai pola radiasi intermediate banyak dijumpai pada phased array antenna. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
13
a) BROAD SIDE b) INTERMEDIATE
c) END
Gambar 3.3 :Model Pola Radiasi 3.4 Direktivitas dan Gain
Satu gambaran penting dari suatu antena adalah seberapa besar antena mampu mengkonsentrasikan energi pada suatu arah yang diinginkan, dibandingkan dengan radiasi pada arah yang lain. Karakteristik dari antena tersebut dinamakan direktivitas (directivity) dan power gain. Biasanya power gain dinyatakan relatif terhadap suatu referensi tertentu, seperti sumber isotropis atau dipole ½ . Intensitas radiasi adalah daya yang diradiasikan pada suatu arah per unitsudut dan mempunyai satuan watt per steradian. Intensitas radiasi, dapat dinyatakan sebagai berikut : U( ) = ½ Re (E x H * ) r 2 = P r r 2
(1.15)
U( ) = U m | F( ) |2
(1.16)
Dimana : P r
= kerapatan daya
U m
= intensitas maksimum
| F( ) |2
= magnitudo pola medan normalisasi
Intensitas radiasi dari sumber isotropis adalah tetap untuk seluruh ruangan pada suatu harga U( ). Dan untuk sumber non isotropis, intensitas
14
radiasinya tidak tetap pada seluruh ruangan tetapi suatu daya rata-rata per steradian, dapat dinyatakan sebagai berikut : 1
U ave
4
=
U . d
P T 4
(1.17)
Dengan : d = sin d d P T : kerapatan daya total 3.4.1. Direktivitas Antena
Directive gain merupakan perbandingan dari intensitas radiasi pada suatu arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata, yang dinyatakan sebagai berikut :
D( ) =
U
.
(1.18)
Uave
Dimana : U( ) = intensitas radiasi U ave
= intensitas radiasi rata-rata
Jika pembilang dan penyebut dibagi dengan r 2 maka akan diperoleh rasio kerapatan daya dengan kerapatan daya rata-rata. Dengan memasukkan persamaan 1.16 dan 1.17 kedalam persamaan 1.18 maka akan diperoleh persamaan sebagai berikut :
D ,
U m
4
Dengan
A
4
F , 2
, d
4
A
2
F ,
(1.19)
: F . =
2
d
(1.20)
15
Sedangkan direktivitas merupakan harga maksimum dari directive gain, yang dapat dinyatakan dengan : U m
D
=
U are
4 1
(1.21)
3.4.2. Gain Antena
Ketika antena digunakan pada suatu sistem, biasanya lebih tertarik pada bagaimana efisien suatu antena untuk memindahkan daya yang terdapat pada terminal input menjadi daya radiasi. Untuk menyatakan ini, power gain (atau gain saja) didefinisikan sebagai 4 kali rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya yang diterima antena, dinyatakan dengan :
G( ) = 4 Definisi
ini
U .
(1.22)
P m tidak
termasuk
losses yang
disebabkan
oleh
ketidaksesuaian impedansi (impedance missmatch ) atau polarisasi. Harga maksimum dari gain adalah harga maksimum dari intensitas radiasi atau harga maksimum dari persamaan (1.22), sehingga dapat dinyatakan kembali :
G
= 4
U m
(1.23)
P m
Jadi gain dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi dari dan ,, dan juga dapat dnyatakan sebagai suatu harga pada suatu arah tertentu. Jika tidak ada arah yang ditentukan dan harga power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari dan , diasumsikan sebagai gain maksimum.
Direktivatas dapat ditulis sebagai D = 4
U m P r
, jika dibandingakn dengan
persamaan (1.23) maka akan terlihat bahwa perbedaan gain maksimum 16
dengan direktivitas hanya terletak pada jumlah daya yang digunakan. Direktivitas dapat menyatakan gain suatu antena jika seluruh daya input menjadi daya radiasi. Dan hal ini tidak mungkin terjadi karena adanya losses pada daya input. Bagian daya input (P in) yang tidak muncul sebagai daya radiasi diserap oleh antena dan struktur yang dekat dengannya. Hal tersebut menimbulkan suatu definisi baru, yaitu yang disebut dengan efisiensi radiasi, dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :
e
=
P r
(1.24)
P m
dengan catatan bahwa harga e diantara nol dan satu ( 0 < e < 1) atau ( 0 < e < 100%). Sehingga gain maksimum suatu antena sama dengan direktivitas dikalikan dengan efisiensi dari antena, yang dapat dinyatakan sebagai berikut : G
=eD
(1.25)
Persamaan di atas adalah persamaan yang secara teoritis bisa digunakan untuk menghitung gain suatu antena. Namun dalam prakteknya jarang gain antena dihitung berdasarkan direktivitas (directivity) dan efisiensi yang dimilikinya, karena untuk mendapatkan directivity antena memang diperlukan perhitungan yang tidak mudah. Sehingga pada umumnya orang lebih suka menyatakan gain maksimum suatu antena dengan cara membandingkannya dengan antena lain yang dianggap sebagai antena standard (dengan metode pengukuran). Salah satu metode pengukuran power gain maksimum terlihat seperti pada gambar dibawah. Sebuah antena sebagai sumber radiasi, dicatu dengan daya tetap oleh transmitter sebesar Pin. Mula-mula antena standard dengan power gain maksimum yang sudah diketahui (G s) digunakan sebagai antena penerima seperti terlihat pada gambar a. Kedua antena ini kemudian saling diarahkan sedemikian sehingga diperoleh daya output Ps yang maksimum pada antena penerima. Selanjutnya dalam posisi yang sama antena
17
standard diganti dengan antena yang hendak dicari power gain-nya, sebagaimana terlihat pada gambar b. Dalam posisi ini antena penerima harus mempunyai polarisasi yang samadengan antena standard dan selanjutnya diarahkan sedemikian rupa agar diperoleh daya out put P t yang maksimum. Apabila pada antena standard
sudah diketahui gain
maksimumnya, maka dari pengukuran di atas gain maksimum antena yang dicari dapat dihitung dengan : P 1
Gt
=
P s
G s
(1.26)
Atau jika dinyatakan dalam decibel adalah : Gt (dB) = P t (dB) - P s (dB) + G s (dB)
(1.27)
Pin (a)
Pin
Pt
(b)
Gambar 3.4 : Metode Pengukuran Gain Antena dengan Antena Standar (a) Pengukuran daya output yang diterima oleh antena standar (PS) (b) Pengukuran daya output yang diterima oleh antena yang dites (P t) 3.5.
Impedansi Antena
Impedansi input suatu antena adalah impedansi pada terminalnya. Impedansi input akan dipengaruhi oleh antena-antena lain atau obyek-obyek
18
yang
dekat
dengannya.
Untuk
mempermudah
dalam
pembahasan
diasumsikan antena terisolasi. Impedansi antena terdiri dari bagain riil dan imajiner, yang dapat dinyatakan dengan : Z in
= Rin + j X in
(1.29)
Resistansi input ( Rin) menyatakan tahanan disipasi. Daya dapat terdisipasi melalui dua cara, yaitu karena panas pada srtuktur antena yang berkaitan dengan perangkat keras dan daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali (teradiasi). Reaktansi input ( X in) menyatakan daya yang tersimpan pada medan dekat dari antena. Disipasi daya rata-rata pada antena dapat dinyatakan sebagai berikut : P in
= ½ R | I in |2
(1.30)
Dimana : I in
: arus pada terminal input
Faktor ½ muncul karena arus didefinisikan sebagai harga puncak. Daya dissipasi dapat diuraikan menjadi daya rugi ohmic dan daya rugi radiasi, yang dapat ditulis dengan : P in
= P ohmic + P r
P r
: ½ Rin | I in |2
(1.31)
Dimana :
P ohmic = ½ Rohmic | I in |2 Sehingga definisi resistansi radiasi dan resistansi ohmic suatu antena pada terminal input adalah :
19
Rin
Rohmic
2 P r
P m
2
(1.32a)
2 P m
P m
P r
2
(1.32b)
Resistansi radiasi merupakan relatif terhadap arus pada setiap titik antena. Biasanya digunakan arus maksimum, dengan kata lain arus yang digunakan pada persamaan 1.30 adalah arus maksimum. Si fat ini sangat mirip dengan impedansi beban pada teori rangkaian. Antena dengan dimensi kecil secara listrik mempunyai reaktansi input besar, sebagai contoh dipole kecil mempunyai reaktansi kapasitif dan loop kecil mempunyai reaktansi induktif, Untuk memaksimumkan perpindahan daya dari antena ke penerima, maka impedansi antena haruslah conjugate match (besarnya resistansi dan reaktansi sama tetap berlawanan tanda). Jika hal ini tidak terpenuhi maka akan terjadi pemanulan energi yang dipancarkan atau diterima, sesaui dengan persamaan sebagai berikut :
e1
L Dengan
=
e1
Z 1
Z m
Z 1
Z m
(1.33)
:
e- L = tegangan pantul
Z L = impedansi beban
e+ L = tegangan datang
Z in = impedansi input
Sedangkan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), dinyatakan sebagai berikut: 1
VSWR =
1
(1.34)
Dalam prakteknya VSWR harus bernilai lebih kecil dari 2 (dua).
20
3.6.
Polarisasi Antena
Polarisasi antena didefinisikan sebagai arah vektor medan listrik yang diradiasikan oleh antena pada arah propagasi. Jika jalur dari vektor medan listrik maju dan kembali pada suatu garis lurus dikatakan berpolarisasi linier. sebagai contoh medan listrik dari dipole ideal. Jika vektor medan listik konstan dalam panjang tetapi berputar disekitar jalur lingkaran, dikatakan ber polarisasi lingkaran. Frekuesnsi putaran radian adalah dan terjadi satu dari dua arah perputaran. Jika vektornya berputar berlawanan arah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kanan (right hand polarize) dan yang searah jarum jam dinamakan polarisasi tangan kiri ( left hand polarize). Suatu gelombang yang berpolarisasi ellip untuk tangan kanan dan tangan kiri. Secara umum polarisasi berupa polarisasi ellips, seperti pada gambar 3.5 dengan suatu sistem sumbu referensi. Gelombang yang menghasilkan polarisasi ellip adalah gelombang berjalan sepanjang sumbu z
yang
perputarannya dapat ke kiri dan ke kanan, dan vektor medan listrik sesaatnya e mempunyai arah komponen e x dan ey sepanjang sumbu x dan sumbu y. Harga puncak dari komponen-komponen tersebut adalah E 1 dan E 1. y
E 2
E 1
Gambar 3.5 : Polarisasi Ellips secara umum
21
X
Sudut menyatakan harga ralatif dari E1 dan E2, dapat dinyatakan sebagai berikut:
y
arctan
E 1 E 2
(1.35)
Sudut kemiringan ellips adalah sudut antara sumbu x dengan sudut utama ellips. adalah fase, dimana komponen y mendahului komponen x. Jika komponennya sefase ( =0), maka vektor akan ber polarisasi linier. Orientasi dari polarisasi linier tergantung tergantung harga relatif dari E 1 dan E 2, jika : E 1 = 0 maka terjadi polarisasi linier vertikal E 2 = 0 maka terjadi polarisasi linier horisontal E 1 = E 2 maka terjadi polarisasi linier membentuk sudut 45 0 Untuk memaksimumkan sinyal yang diterima, maka polarisasi antena penerima haruslah sama dengan polarisasi antena pemancar. Dan kadang terjadi antara antena penerima dan pemancar berpolarisasi berbeda. Hal ini akan mengurangi intensitas sinyal yang diterima. Sebuah antena dapat memancarkan energi dengan polarisasi yang tidak diinginkan, yang disebut polarisasi silang (cross polarized). Polarisasi silang ini menimbulkan side lobe yang mengurangi gain. Untuk antena polarisasi linier, polarisasi silang tegak lurus dengan polarisasi yang diinginkan dan untuk antena polarisasi lingkaran, polarisasi silang berlawanan dengan arah perputarannya yang diinginkan. Ini biasa yang disebut dengan deviasi dari polarisasi lingkaran sempurna, yang mengakibatkan polarisasinya berubah menjadi polarisasi ellips.
22
Pada umumnya karakteristik polarisasi sebuah antena relatif konstan pada main lobe. Tetapi polarisasi beberapa minor lobe berbeda jauh dengan polarisasi main lobe. 3.7.
Bandwidth Antena
Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemacar atau penerima selalu dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut antena dituntut harus dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu. Pengertian harus dapat bekerja dengan efektif adalah bahwa distribusi arus dan impedansi dari antena pada range frekuensi tersebut benar-benar belum banyak mengalami perubahan yang berarti. Sehingga pola radiasi yang sudah direncanakan serta VSWR yang dihasilkannya masih belum keluar dari batas yang diijinkan. Daerah frekuensi kerja dimana antena masih dapat bekerja dengan baik dinamakan bandwidth antenna. Suatu misal sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar f C , namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f 1 (di bawah f C ) sampai dengan f 2 ( di atas f C ), maka lebar bandwidth dari antena tersebut adalah ( f 1 – f 2). Tetapi apabila dinyatakan dalam prosen, maka bandwidth antena tersebut adalah : f 2 f 1 BW
f c
=
x 100 %
(1.36)
Bandwidth yang dinyatakan dalam prosen seperti ini biasanya digunakan untuk menyatakan bandwidth antena-antena yang memliki band sempit (narrow band ). Sedangkan untuk band yang lebar (broad band ) biasanya digunakan definsi rasio antara batas frekuensi atas dengan frekuensi bawah. f 2
BW
=
f 1
(1.37)
23
Suatu antena digolongkan sebagai antena
broad band apabila
impedansi dan pola radiasi dari antena itu tidak mengalami perubahan yang berarti untuk f 2 / f 1 > 1. Batasan yang digunakan untuk mendapatkan f 2 dan f 1 adalah ditentukan oleh harga VSWR = 1. Bandwidth antena sangat dipengaruhi oleh luas penampang konduktor yang digunakan serta susunan fisiknya (bentuk geometrinya). Misalnya pada antena dipole, ia akan mempunyai bandwidth yang semakin lebar apabila penampang konduktor yang digunakannya semakin besar. Demikian pula pada antena yang mempunyai susunan fisik yang berubah secara smoth, biasanya iapun akan menghasilkan pola radiasi dan impedansi input yang berubah secara smoth terhadap perubahan frekuensi (misalnya pada antena biconical , log periodic, dan sebagainya ). Selain daripada itu, pada jenis antena gelombang berjalan (tavelling wave) ternyata ditemukan lebih lebar range frekuensi kerjanya daripada antena resonan. 3.8.
Macam – macam antenna
Jenis antena yang akan dipasang harus sesuai dengan sistem yang akan kita
bangun,
juga
disesuaikan
dengan
kebutuhan
penyebaran
sinyalnya. Ada dua jenis antena secara umum : a) Antena Directional (Antena pengarah) b) Antena Omnidirectional
A) Antena Directional
Antena jenis ini merupakan jenis antena dengan narrow beamwidth, yaitu punya sudut pemancaran yang kecil dengan daya lebih terarah, jaraknya jauh dan tidak bisa menjangkau area yang luas, contohnya : antena Yagi, Panel, Sektoral dan antena Parabolik 802.11b yang dipakai sebagai Station atau Master bisa menggunakan jenis antena ini di kedua titik, baik untuk Point to Point atau Point to Multipoint.
24
B) Antena Omni-Directional
Antena ini mempunyai sudut pancaran yang besar ( wide beamwidth) yaitu 3600; dengan daya lebih meluas, jarak yang lebih pendek tetapi dapat melayani area yang luas Omni antena tidak dianjurkan pemakaian-nya, karena
sifatnya
yang
terlalu
luas
se-hingga
ada
kemungkinan
mengumpulkan sinyal lain yang akan menyebabkan inter-ferensi. Type Antena
a) Antena Yagi
Sangat cocok untuk jarak pendek
Gain-nya rendah biasanya antara 7 sampai 15 dBi
Gambar 3.6 : Type yagi dan Pola Radiasinya b) Antena Parabolik Dipakai untuk jarak menengah atau jarak jauh Gain-nya bisa antara 18 sampai 28 dBi
25
Pola radiasi dari antena Parabolik
Gambar 3.7 : Type dan Pola radiasi dari antena Parabolik
26
c) Antena Sektoral Pada dasarnya adalah antena directional, hanya bisa diatur antara 450
sampai 1800 derajat. Gain-nya antara 10 sampai 19 dBi
Pola radiasi dari antena Sektoral
Gambar 3.8 : Type dan Pola radiasi dari antena Sektoral
27
d) Antena Omni Dipakai oleh radio base untuk daerah pelayanan yang luas Gain-nya antara 3 sampai 10 dBi
Pola radiasi dari antena Omni
Gambar 3.9 : Type dan Pola radiasi dari antena Omni
28
Pola Radiasi Antena
Parameter umum : main lobe (boresight) half-power beamwidth (HPBW) front-back ratio (F/B) pattern nulls Biasanya, diukur pada dua keadaan :
Vector electric field yang mengacu pada E-field
Vector magnetic field yang mengacu pada H-field
3.9. Polarisasi
Polarisasi antena relatif terhadap E-field dari antena. Jika E-field-nya horisontal, maka antenanya Horizontally Polarized. Jika E-field vertikal, maka antenanya Vertically Polarized. Polarisasi apapun yang dipilih, antena pada satu jaringan RF harus memiliki polarisasi yang sama. Polarisasi dapat dimanfaatkan untuk :
Meningkatkan isolasi dari sinyal yang tidak diinginkan (Cross Polarization Discrimination (x-pol) biasanya sekitar 25 dB)
Mengurangi interferensi
Membantu menentukan satu daerah pelayanan tertentu.
3.10. Impedansi Antena
Impedansi yang cocok akan menghasilkan pemindahan daya yang maksimum. Antena juga berfungsi sebagai matching load-nya transmitter (50 Ohms). Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) adalah satuan yang menunjukan sampai dimana antena sesuai (match) dengan jalur transmisi yang dikirimnya. VSWR adalah rasio dari tegangan yang keluar dari antena dengan tegangan pantulan. Kesesuaian didapatkan jika nilai VSWR menjadi sekecil mungkin, nilai 1,5:1 pada pita frekwensi yang dipakai merupakan batasan maksimum. 29
3.11. Return Loss Return Loss berhubungan dengan VSWR, yaitu mengukur daya dari
sinyal yang dipantulkan oleh antena dengan daya yang dikirim ke antena. Semakin besar nilainya (dalam satuan dB), semakin baik. Angka 13.9dB sama dengan VSWR 1,5:1. Return Loss 20dB adalah nilai yang cukup bagus, dan setara dengan VSWR of 1,2:1 Tabel 3.1. Perbandingan VSWR dengan kehilangan daya.
3.12. Kabel Transmisi Radio
Pemilihan jenis kabel harus disesuaikan dengan panjang kabel yang akan dipakai. Semakin panjang jarak yang ditempuh, kwalitas kabel harus semakin baik. Redaman akan menunjukan penurunan daya sinyal yang merambat di kabel, biasanya dihitung dalam bentuk redaman dalam dB untuk setiap 100 feet.
Gambar 3.10 : Type kabel antena
30
Tabel 3.2. keterangan jenis kabel antena
3.13. Penangkal Petir
Untuk menghindari sambaran petir, kita harus menggunakan penangkal petir. Untuk proteksi yang maksimum, ground harus disambung ke dekat bangunan, maksimal 2 feet. Jangan menggunakan pipa gas atau pipa air sebagai ground, dan periksa tahanan listrik ground-nya.
Gambar 3.11 : conector protector 3.14. Perhitungan Link Budget
Untuk membuat satu sambungan tanpa kabel yang baik, kita harus memenuhi ketentuan yang hasilnya didapat dari perhitungan Link Budget. Dengan melakukan perhitungan ini, kita mendapat gambaran berapa besar path loss yang kita dapatkan, sehingga akhirnya dapat menentukan kwalitas dari jalurnya. WaveRider Link Path Analysis Tool (LPA Tool) adalah program Excel yang sangat mudah dijalankan, untuk menghitung semua parameternya.
31
Gambar 3.12 : Perhitungan Link Bugdet
Received Signal Level – (dBm) = Tx Output (dBm) – Path
Loss(dB) – Field Factor (dB) + Total Antenna Gains (dB) – Total
Cable Losses (dB) – Total Connector Losses (dB)
3.15. Fade Margin
Satuan yang menunjukan perbedaan antara Receive Signal Level (RSL) dan Rx Threshold atau referensi lainnya.
Untuk jarak kurang dari 16 km, Fade Margin minimum yang dianjurkan adalah 10dB
Gambar 3.13 : Fade Margin
32
BAB IV PENUTUP
4.1. Kesimpulan
1. Antena didefinisikan sebagai sebuah atau sekelompok konduktor yang digunakan
untuk
memancarkan
atau
meneruskan
gelombang
elektromagnetik menuju ruang bebas atau menangkap gelombang elektromegnetik dari ruang bebas. Energi listrik dari pemancar dikonversi menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena yang kemudian gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas. Pada penerima akhir gelombang elektromagnetik dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan antena., maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan media kabel pencatunya. Prinsip ini telah diterangkan dalam saluran transmisi. 2. Perancangan
antena
yang
baik
adalah
ketika
antena
dapat
mentransmisikan energi atau daya maksimum dalam arah yang diharapkan oleh penerima. Meskipun pada kenyataannya terdapat rugirugi yang terjadi ketika penjalaran gelombang seperti rugi-rugi pada saluran transmisi dan terjadi kondisi tidak matching antara saluran transmisi dan antena. Sehingga matching impedansi juga merupakan salah satu faktor penting yang harus dipertimbangkan dalam perancangan sebuah antena. 3. Parameter Dasar Antena Parameter – parameter antena adalah suatu hal yang sangat penting untuk menjelaskan unjuk kerja antena. Maka diperlukan parameter – parameter antena yang akan memberikan informasi suatu antena sebagai pemancar maupun sebagai penerima.
Impedansi
masukan
didefinisikan
sebagai
impedansi
yang
ditunjukkan oleh antena pada terminal – terminalnya atau
33
perbandingan tegangan terhadap arus pada pasangan terminalnya (Balanis, 1982: 53).
Pola radiasi suatu antena didefinisikan sebagai ”Gambaran secara grafik dari sifat – sifat radiasi suatu antena sebagai fungsi koordinat ruang”.
Keterarahan dari suatu antena didefinisikan sebagai ”perbandingan antara intensitas radiasi maksimum dengan intensitas radiasi dari antena referensi isotropis”. Keterarahan dari sumber non-isotropis adalah sama dengan perbandingan intensitas radiasi maksimumnya di atas sebuah sumber isotropis (Balanis, 1982: 29).
Return loss adalah salah satu parameter yang digunakan untuk mengetahui berapa banyak daya yang hilang pada beban dan tidak kembali sebagai pantulan. RL adalah parameter seperti VSWR yang menentukan matching antara antena dan transmitter.
Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”range frekuensi antena dengan beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan”.
Polarisasi suatu antena didefinisikan sebagai ”polarisasi dari gelombang
yang
diradiasikan
pada
saat
antena
dibangkitkan/dioperasikan”. Polarisasi antena dibedakan menjadi 3 : polarisasi linier, polarisasi lingkaran dan polarisasi elips (Balanis, 1982: 48).
WaveRider Link Path Analysis Tool (LPA Tool) adalah program Excel yang sangat mudah dijalankan, untuk menghitung semua parameternya.
4.2. Saran
Dalam perancangan antena harus dapat memahami dan yang perlu diperhatikan yaitu pada parameter - parameter yang menjadi pegangan atau konsep dasar untuk menciptakan sebuah antena yang benar-benar bisa difungsikan secara baik untuk sistem telekomunikasi 34
