BAB I PENDAHULUAN
Antena adalah suatu piranti yang digunakan untuk merambatkan dan menerima gelombang radio atau elektromagnetik. Pemancaran merupakan
suatu
proses
perpindahan
gelombang
radio
atau
elektromagnetik dari channel transmisi ke ruang bebas melalui antena pemancar. Sedangkan penerimaan adalah suatu proses penerimaan gelombang radio atau elektromagnetik dari ruang bebas melalui antena penerima. Karena merupakan perangkat perantara antara channel transmisi dan udara, maka antena harus mempunyai sifat yang sesuai dengan channel pencatunya. Secara umum, antena dibagi atas : a. Antena Isotropis; merupakan merupakan sumber titik yang yang memancarkan memancarkan daya ke segala arah dengan intensitas yang sama, seperti permukaan bola. b. Antena Omniderectional; Omniderectional; merupakan antena yang yang memancarkan daya daya ke segala arah dan bentuk pola radiasinya digambarkan seperti bentuk donat (doughmut (doughmut ) dengan pusat berimpit. c. Antena Phase Array; merupakan gabungan atau konfigurasi array dari beberapa antena sederhana dan menggabungkan sinyal yang menginduksi masing – masing – masing masing antena tersebut untuk membentuk pola radiasi tertentu pada keluaran array. d. Antena Optimal; merupakan suatu antena antena dimana penguatan (gain (gain)) dan fase relatif setiap elemennya diatur sedemikian rupa untuk mendapatkan kinerja pada keluaran yang seoptimal mungkin. e. Antena Adaptif; merupakan merupakan pengembangan pengembangan dari antena antena phase phase array maupun antena optimal, dimana arah gain maksimum dapat diatur sesuai dengan gerakan dinamis obyek yang dituju.
4|Page
Gambar 1. Komunikasi menggunakan antena
Antena dapat dibentuk dari panjang sebuah kabel, tongkat logam, atau tabung. Banyak ukuran dan bentuk yang berbeda digunakan. Panjang dari konduktor tergantung frekuensi yang bekerja. Antena memancarkan sinyal seefisien mungkin ketika panjangnya sesuai dengan panjang gelombang dari sinyal yang dipancarkan. Kebanyakan antena memiliki panjang yang sama dengan panjang gelombang. Yang sering digunakan adalah antenna setengah panjang gelombang atau seperempat panjang gelombang. Kriteria yang lebih penting dari pemancaran adalah panjang
konduktor,
kira-kira
setengah
atau
seperempat
panjang
gelombang dari sinyal AC. Sebuah sinyal gelombang sinus 60Hz memiliki panjang gelombang λ λ = 300,000,000/60 = 50,000,000 m. Radiasi yang sangat kecil dari sebuah medan elektromagnetik didapat jika antena kurang dari panjang ini. Hal yang sama terjadi ketika kabel membawa sinyal audio. Sebuah sinyal audio 3kHz memiliki panjang gelombang 300,000,000/3000 = 100,00m, panjang gelombang ini masih terlalu panjang dibandingkan dengan kabel yang normalnya membawa sinyal dengan tingkat radiasi kecil. Tetapi jika frekuensi ditambah, maka panjang gelombang berkurang. berkurang. Pada frekuensi dari 1Mhz sampai 100GHz, panjang gelombang dalam rentang konduktor dan kabel yang nyata. Dengan rentang ini maka radiasi dengan jarak yang jauh akan didapat. Sebagai contoh, sinyal UHF
5|Page
Gambar 1. Komunikasi menggunakan antena
Antena dapat dibentuk dari panjang sebuah kabel, tongkat logam, atau tabung. Banyak ukuran dan bentuk yang berbeda digunakan. Panjang dari konduktor tergantung frekuensi yang bekerja. Antena memancarkan sinyal seefisien mungkin ketika panjangnya sesuai dengan panjang gelombang dari sinyal yang dipancarkan. Kebanyakan antena memiliki panjang yang sama dengan panjang gelombang. Yang sering digunakan adalah antenna setengah panjang gelombang atau seperempat panjang gelombang. Kriteria yang lebih penting dari pemancaran adalah panjang
konduktor,
kira-kira
setengah
atau
seperempat
panjang
gelombang dari sinyal AC. Sebuah sinyal gelombang sinus 60Hz memiliki panjang gelombang λ λ = 300,000,000/60 = 50,000,000 m. Radiasi yang sangat kecil dari sebuah medan elektromagnetik didapat jika antena kurang dari panjang ini. Hal yang sama terjadi ketika kabel membawa sinyal audio. Sebuah sinyal audio 3kHz memiliki panjang gelombang 300,000,000/3000 = 100,00m, panjang gelombang ini masih terlalu panjang dibandingkan dengan kabel yang normalnya membawa sinyal dengan tingkat radiasi kecil. Tetapi jika frekuensi ditambah, maka panjang gelombang berkurang. berkurang. Pada frekuensi dari 1Mhz sampai 100GHz, panjang gelombang dalam rentang konduktor dan kabel yang nyata. Dengan rentang ini maka radiasi dengan jarak yang jauh akan didapat. Sebagai contoh, sinyal UHF
5|Page
sebesar 300MHz memiliki panjang gelombang 1m, ini adalah panjang yang dapat dipraktekkan.
Gambar 2. Sinyal UHF
Faktor lain yang dapat mempengaruhi seberapa banyak energi yang terpancar adalah penyusunan dari konduktor yang membawa sinyal. Jika dalam bentuk kabel seperti transmission line dengan generator yang berakhir dengan tanpa beban (open) seperti gambar 2, line ini memiliki standing wave seperti wave seperti tegangan maksimum pada akhir line dan arus yang minimum. Seperempat gelombang kembali dari line yang open, tegangan menjadi minimum dan arus maksimum, seperti yang ditunjukkan gambar 3. Dengan menggabungkan konduktor dalam sudut yang tepat pada transmission line pada seperempat gelombang sebuah antena terbentuk. Total panjang antena adalah setengah panjang gelombang pada frekuensi yang beroperasi. Ingatlah distribusi dari teganan dan arus pada standing wave dalam antena. Tegangan adalah minimum dan arusnya maksimum.
6|Page
Gambar 3. Standing wave pada wave pada transmission line yang open dan pada antena.
7|Page
BAB II TEORI ANTENA DASAR
A.
GELOMBANG RADIO
Gelombang radio atau yang lebih dikenal dengan gelombang elektromagnetik terdiri dari medan listrik (elektro) dan medan magnet. Ketika tegangan diberikan ke antena, maka medan listrik akan muncul. Pada saat yang sama, tegangan ini menyebabkan arus mengalir di antena dan menciptakan medan magnetik. Medan listrik dan magnetik ini memiliki sudut yang tepat. Kemudian medan listrik dan medan magnet ini yang teremisi dari antena dan terpropagasi melewati udara dengan jarak tertentu dan pada kecepatan cahaya.
1. Medan Magnetik Medan magnetik adalah sebuah medan gaya yang tidak terlihat yang diciptakan oleh magnet. Antena adalah salah satu jenis elektromagnetik. Suatu medan magnet tercipta di sekeliling konduktor ketika arus mengalir melalui konduktor tersebut. Gambar 4 menunjukan medan magnet atau flux di sekeliling kabel yang dilalui arus. Walaupun medan magnet adalah medan
gaya
yang
berkelanjutan,
untuk
tujuan
perhitungan
dan
pengukuran dapat diibaratkan sebagai sebuah garis dari gaya. Kekuatan dan arah dari medan magnet bergantung dari magnitude dan arah dari aliran arus. Kekuatan dari medan magnetik H (A/m) dihasilkan dari kabel antena yang dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Dimana I = arus (A) dan d = jarak dari kabel (m)
8|Page
Gambar 4. Medan Magnetik
2. Medan Listrik Medan listrik juga adalah medan gaya yang tidak terlihat yang dihasilkan oleh keberadaan beda potensial antara dua konduktor. Contoh sederhana dalam dunia elektronika yaitu medan listrik yang dihasilkan dari dua keepingan dalam kapasitor ( gambar 5 ). Sebuah medan listrik bertahan diantara dua titik ketika beda potensial juga t etap ada. Kekuatan dari medan listrik E (V/m) dapat dihitung dengan persamaan berikut.
Dimana q = muatan antara dua titik (C), = permitivitas ( 8.85 x 10-12)
Gambar 5. Medan listrik pada kepingan kapasitor
9|Page
3. Medan Magnet dan Listrik pada Transmission Line Gambar 6 menunjukkan medan magnetik dan listrik pada dua kabel transmission line. Catatan penting bahwa kedua kabel tersebut memiliki polarity yang berbeda. Ketika setengah cycle ac input, salah satu kabel positif dan satunya negatif. Dan saat setengah cyle negatif polaritasnya berubah. Ini berarti arah dari medan listrik antara kabel berbalik tiap cyclenya. Gambar 6(b) adalah detail dari medan listrik disekeliling konduktor.
Gambar 6. Medan magnet dan listrik pada transmission line
Perhatikan
juga arah dari aliran arus selalu berlawanan pada tiap
kabel tersebut. Sehingga medan magnet menyatu sesuai gambar 6(c). Garis – garis medan magnet menyatu tetapi sebagai garis gaya yang menyebar, arah dari medan magnetik dari salah satu konduktor lainnya sehingga medan tersebut saling menghilangkan. Tetapi keadaan ini tidaklah selesai secara keseluruhan, tetapi hasil dari medan magnet sangatlah kecil. Walaupun medan magnet dan listrik muncul terpisah pada gambar 7, sebenarnya keduanya didapat bersamaan dan dengan sudut yang tepat satu sama lainnya.
10 | P a g e
Sebenarnya transmission line menyerupai antena, terbuat dari konduktor. Walaupun sebenarnya transmission line tidak mirip dengan antena karena tidak memancarkan sinyal radio secara efisien, konfigurasi dari konduktor dalam transmission line ini berisikan medan magnet dan listrik. Jarak yang sangat dekat antar konduktor ini menjaga medan listrik terkonsentrasi dalam dielektrik pada transmission line. Medan magnetik kebanyakan saling menghilangkan. Medan listrik dan magnet ini keluar dari transmission line tapi dengan radiasi yang sangat kecil dihasilkan dan ini sangatlah tidak efisien.
Gambar 7. Medan listrik dan magnet pada kabel coaxial
Gambar 7(a) menunjukan medan listrik berhubungan dengan kabel coaxial, dan gambar 7(b) menunjukkan medan magnetik berhubungan dengan kabel coaxial. Garis-garis medan listrik banyak terkandung pada pelindung luar pada kabel, sehingga tidak ada yang dipancarkan. Arah dari medan listrik berlawanan tiap satu cycle. Medan magnet di sekeliling pusat konduktor melewati pelindung terluar. Bagaimanapun, medan magnet dihasilkan juga oleh konduktor luar dalam arah yang berlawanan dari medan yang dihasilkan oleh konduktor dalam. Karena amplitudo dari kedua konduktor samam maka kekuatan
11 | P a g e
medan magnet sama. Sehingga medan magnet luar dan dalam saling menghilangkan
satu
dan
lainnya,
sehingga
kabel
coaxial
tidak
memancarkan energi elektromagnetik. Itulah kenapa kabel coaxial disarankan
untuk
penggunaan
transmission
line
untuk
banyak
pengaplikasian.
B. OPERASI ANTENA
Dalam penjelasan sebelumnya, sebuah antena berperan dalam perantara transmitter dan/atau receiver dalam ruang bebas (free space). Berfungsi dalam memancarkan ataupun menerima sebuah medan elektro magnetik.
1. Kealamian Antena Jika sebuah kabel transmission line yang paralel di biarkan terbuka, maka medan magnet dan listrik akan keluar dari ujung line dan terpancarkan ke udara, walaupun pancaran ini tidak efisien dan tidak sesuai dengan pemancar atau penerima. Radiasi dari transmission line dapat ditingkatkan dengan menggabungkan transmission line dengan konduktor sehingga terjadi suatu sudut yang tepat pada transmission line, sesuai dengan yang ditunjukan pada gambar 8. Medan magnet tidak lagi saling menghilangkan dan sesungguhnya membantu lainnya. Medan listrik juga menyebar dari konduktor ke konduktor. Hasil dari ini maka terciptalah antena. Pancaran yang optimal didapat jika bagian dari kabel di ubah menjadi antena dalam seperempat panjang gelombang sesuai frekuensi kerjanya. Sehingga ini menyebabkan antena bekerja dalam seperempat panjang gelombang.
12 | P a g e
Gambar 8. Transmission line yang diubah menjadi antena
Dapat diartikan juga antena adalah konduktor atau pasangan konduktor yang mana diberikan ac pada frekuensi yang diinginkan. Pada gambar 8. Antena dihubungkan ke transmitter dengan transmission line yang digunakan untuk membentuk antena. Dalam banyak praktek penggunaan antena di remote transmitter dan receiver, dan sebuah transmission line digunakan untuk mengirimkan energi antena dengan transmitter atau receiver. Kadang ini sangat berguna walaupun untuk menganalisa sebuah antena seolah-olah konduktor tersebut tersambung langsung ke generator atau transmitter.
13 | P a g e
Gambar 9. Medan listrik(elektrik) dan magnet diantara konduktor transmission line saat antena dibentuk
Medan magnet ini sesuai dengan sinyal yang digunakan pada generator yang mana biasanya dimodulasikan dengan gelombang carrier sinus. Medan listrik sinusoidal yang berubah-ubah tiap waktunya mirip dengan arus yang menyebabkan pembentukan medan magnet sinusoidal. Sehingga kedua medan gaya tersebut saling mendukung satu dan lainnya. Rasio dari kekuatan medan listrik dari sebuah gelombang yang terpancar dengan kekuatan medan magnetik adalah konstan. Ini disebut space impedance, atau impedansi gelombang sebesar 377Ω. Medan yang dihasilkan kemudian terpancar ke ruang bebas dalam kecepatan cahaya (3x108 m/s atau 186.400 m/s). Antena yang memancarkan energi elektro magnetik menuju ke generator sebagai sebuah beban resistif listrik yang ideal sehingga power yang digunakan menjadi energi yang terpancar. Sebagai komponen resistif, sebuah antena juga menjadi komponen reaktif. Komponen resistif antena
disebut
hambatan
pancaran
antena.
Hambatan
ini
tidak
mendisipasi power dalam bentuk panas sebagai rangkaian elektronik.
14 | P a g e
Sehingga
power
yang
di-disipasi
menjadi
pancaran
energi
elektromagnetik.
2. Medan Elektromagnetik Medan listrik dan medan magnet dihasilkan oleh antena dalam suatu sudut yang tepat satu dan yang lainnya, dan keduanya tegak lurus dengan propagasi gelombang. Ini diilustrasikan dalam beberapa cara pada gambar 10. Asumsikanlah bahwa yang dilihat itu adalah medan kecil dari ruang yang ada di sekitar antena dan sinyal tersebut bergerak bersamaan langsung keluar jalur menuju kita atau menuju jalur m enjauhi kita. Ingatlah bahwa amplitude dan arah dari medan magnet dan listrik mirip dengan bentuk
sinusoidal
dipancarkan.
15 | P a g e
tergantung
dengan
frekuensi
dari
sinyal
yang
Gambar 10. Gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena
3. Medan Dekat dan Medan Jauh Antena juga menghasilkan dua jenis medan. Medan dekat dan medan jauh. Medan dekat diartikan daerah langsung dari sekeliling antena yang mana medan listrik dan magnet dibedakan. Medan ini bukanlah gelombang radio, tetapi ini mengandung informasi yang akan dikirimkan. Medan ini melemah dengan jarak dari antena, kira-kira empat kali lipat dari jarak. Medan dekat juga disamakan dengan zona Fresnel. Medan jauh kira-kira 10λ dari antena adalah gelombang radio dengan gabungan
16 | P a g e
dengan medan listrik dan magnet. Sebagai contoh, pada 2.4 GHz satu gelombangnya adalah 984/2400 = 0.41 feet. Medan jauh ini 10 kali lipat dari itu, 4.1 feet atau lebih. Didalam 4.1 feet itu terdapat medan dekat. Medan yang menyatu tersebut melepaskan diri dari antena dan kemudian terpancar
ke
ruang
bebas
sesuai
yang
dijelaskan
sebelumnya.
Kekuatannya juga berkurang dipengaruhi jaraknya tetapi hanya kuadrat dari jarak. Medan jauh juga disebut zona Fraunhofer. Banyak penggunaan sistem wireless (tanpa kabel) menggunakan gelombang medan jauh. Dan banyak pola radiasi antena sama hanya jika pengukuran di ambil pada medan jauh. Medan dekat sangat jarang digunakan, tapi pengunaannya seperti Radio-Frequency Identification (RFID) dan Near Field Communication (NFC) menggunakan medan dekat. Banyak telepon genggam yang dibuat dalam rentang pendek medan dekat untuk penggunaan seperti akses wireless pada gedung, pembelian tiket, atau penggunaan pada otomotif.
4. Polarisasi Polarisasi disederhanakan sebagai orientasi dari medan listrik dan magnetik dengan melihat dari bumi. Jika medan listrik pararel dengan bumi, gelombang elektromagnetik akan terpolarisasi secara horisontal; Jika medan listrik tegak lurus dengan bumi, maka gelombang akan terpolarisasi vertikal. Antena yang horisontal dengan bumi menghasilkan polarisasi horisontal, dan antena yang vertikal dengan bumi menghasilkan polarisasi vertikal. Banyak antena menghasilkan polarisasi yang sirkular., yang mana medan listrik dan magnet berputar seolah olah meninggalkan antena. Ini dapat terjadi sebuah polarisasi sirkular tangan kanan (Right-Hand Circular Polarization) dan polarisasi sirkular tangan kiri (Left-Hand Circular Polarization); jenisnya tergantung pada arah dari perputaran yang seolaholah sinyal meninggalkan antena. Medan listrik dapat digambarkan berputar seperti jika antena tersebut terhubung dengan kipas yang besar. Medan listrik dan diikuti medan magnet berputar pada frekuensi dari
17 | P a g e
transmitter, dengan satu rotasi penuh yang didapat dari satu putaran gelombang. Dilihat dari transmitter ke jarak antena RHCP berputar searah jarum jam ke medan listrik dan LHCP berputar berlawanan arah jarum jam. Untuk transmitter (pemancar) dan receiver (penerima) yang optimal, kedua antenanya harus memiliki polarisasi yang sama. Secara teori, polarisasi vertikal akan menghasilkan 0V dalam antena horisontal dan bolak balik. Tetapi sebelum pemancaran melewati jarak yang jauh, polarisasi gelombang berubah sedikit karena berbagai macam efek propagasi dalam ruang bebas. Ini pun ketika polarisasi pada antena pemancar dan penerima tidak sama, sinyal tersebut dit erima. Antena yang vertikal atau horisontal dapat menerima polarisasi sinyal yang sirkular, tetapi kekuatan sinyal tersebut berkurang. Ketika polarisasi sirkular digunakan pada transmitter dan receiver keduanya harus menggunakan salah satu polarisasi tangan kanan atau kiri jika sinyal tersebut ingin diterima.
5. Resiprositas Antena Maksud dari resiprositas antena berarti karakteristik antena dan kemampuan antena yang sama dimana antena tersebut memancarkan atau
menerima
sebuah
sinyal
elektromagnetik.
Antena
pemancar
mengambil tegangan dari transmitter dan merubahnya menjadi sinyal elektromagnetik. Sebuah antena penerima mendapat tegangan dari induksi sinyal elektromagnetik yang melewati antena tersebut. Tegangan tersebut kemudian disambungkan ke receiver. Dalam kasus yang sama, - jumlah gain pada antena, arah, frekuensi yang beroperasi, dan lain-lain-adalah sama. Walaupun antena digunakan untuk memancarkan power yang kuat, seperti broadcast stasiun TV atau radio, harus dibentuk dari material yang dapat bertahan dengan tegangan dan arus yang tinggi tersebut. Sebuah antena penerima, tidak peduli bagaimana desainnya, dapat di bentuk dari kabel. Tapi antena transmitter untuk penggunaan
18 | P a g e
power yang kuat harus didisain dengan bahan yang lebih besar, lebih bera, seperti metal tubing (tabung metal). Pada banyak sistem komunikasi, antena yang sama digunakan untuk mengirim dan menerima, dan keadaan ini dapat menerima pada waktu yang berbeda atau secara bersamaan. Antena dapat mengirim dan menerima dalam waktu yang sama atau dapat diartikan dibuat untuk menjaga power transmitter yang keluar dari receiver. Alat ini disebut diplexer digunakan dalam berbagai tujuan.
19 | P a g e
BAB III JENIS – JENIS ANTENA
Semua jenis antena yang digunakan dalam telekomunikasi berdasarkan antena dipol yang standar, dan kebanyakan lainnya adalah modifikasi dari bentuk dipol setengah lamda.
A.
ANTENA DIPOL
Salah satu antena yang paling sering digunakan adalah jenis antena dipol setengah lamda seperti gambar 11. Antena ini juga lebih dikenal dengan sebutan Antena Hertz yang ditemukan oleh Heinrich Hertz, orang pertama yang mendemontrasikan keberadaan gelombang elektromagnetik. Disebut juga doublet , antena dipol terdiri dari dua kabel, tongkat atau tabung yang masing-masing memiliki seperempat lamda pada frekuensi yang beroperasi. Kabel dipol didukung dengan kaca, keramik, atau pelastik isulator pada akhir dan tengah-tengahnya, seperti ditunjukkan gambar 12. Dipol dibuat dari tongkat atau tabung logam yang kokoh dan kaku.
1. Resistansi Pancaran Transmission line dihubungkan pada tengah dari antena. Dipol memiliki impedansi sebesar 73Ω pada pertengahannya, yang mana disebut resistansi pancaran (radiation resistance). Pada frekuensi resonan, antena memiliki resistansi murni sebesar 73Ω. Untuk power transfer yang maksimum, maka sangat pentinglah impedansi dari transmission line sama dengan beban. Sebuah kabel coaxial 73Ω seperti RG-59/U adalah transmission line yang sempurna untuk antena dipol.
20 | P a g e
Gambar 11. Antena Dipol
Gambar 12. Dipol Setengah lamda dari 18 MHz
Kabel coaxial RG-11/U dengan impedansi 75Ω juga memiliki kecocokan yang bagus. Ketika resistansi pancaran dari antena sama dengan karakteristik impedansi yang dimiliki transmission line maka SWR akan minimun dan power yang mencapai antena adalah maksimum. Resistansi pancaran pada dipol idealnya adalah 73Ω ketika konduktor sangatlah tipis dan antena pada ruang bebas. Impedansi ini berubah tergantung pada ketebalan konduktor, rasio dari diameter panjang dan dekatnya dipol pada objek terutama bumi. Jika ketebalan konduktor bertambah maka sebanding lurus dengan panjang antena, dan resistansi pancaran akan berkurang.
Rasio dari
diameter panjang kira-kira 10,000 untuk antena dengan kabel, untuk
21 | P a g e
resistansi pancaran kira-kira 65Ω sampai 73Ω. Resistansi akan berkurang ketika diameter bertambah. Dengan tabung konduktor yang besar, resistansi akan sangat rendah kira-kira 55Ω.
Gambar 13. Resistansi Pancaran
Grafik pada gambar 13 menunjukan bagaimana resistansi pancaran dipengaruhi oleh tinggi dari dipol di atas tanah. Kurva horisontal dan vertikal yang ditunjukan pada gambar menunjukan resistansi berubah naik dan turun dengan rata-rata 73Ω, tergantung pada tinggi panjang gelombang. Semakin tinggi antena maka efek dari bumi dan objek yang mengelilinginya akan semakin sedikit, dan semakin dekat resistansi pancaran dengan teori idealnya. Resistansi pancaran dipengaruhi oleh beberapa faktor, ini kadang merubah besarnya yang 73Ω. Namun, kabel coaxial dengan resistansi 75Ω memiliki kecocokan yang bagus.
2. Panjang Dipol Sebuah persamaan dapat digunakan untuk menghitung panjang gelombang pada frekuensi yang lebih spesifik yaitu λ = 984/f digunakan
22 | P a g e
untuk menghitung satu panjang gelombang dan λ=492/f digunakan untuk menghitung setengah panjang gelombang. Sebagai contoh setengah panjang gelombang dari 122 Mhz adalah 492/122=4.033 ft. Untuk mendapatkan dipol yang beresonan pada frekuensi yang bekerja, panjang fisiknya harus lebih pendek dari setengah panjang gelombang yang dihitung dengan persamaan yang diberikan tadi, karena panjang sesungguhnya berhubungan dengan rasio panjang diameter, bentuk konduktor, Q, dielektrik (ketika bahan bukan udara), dan kondisi yang kita ketahui sebagai efek. End Effect (efek akhir) adalah keadaan yang disebabkan oleh insulator yang digunakan pada akhir kabel yang menuju ke antena dan mempengaruhi kapasitansi pada sambungan tersebut. Pada frekuensi lebih dari 30 Mhz, end effect memperpendek antena sekitar 5%. Maka dari itu panjang antena sesungguhnya kira-kira 95% dari panjang yang diukur. Persamaan harus diubah sebagai berikut:
dimana L adalah panjang setengah gelombang dipol antena. Untuk kabel antena dipol setengah gelombang yang digunakan untuk frekuensi di bawah 30 MHz, persamaan L=468/f menghasilkan angka perkiraan. Pengaturan kecil dalam panjang dapat dibuat untuk mengubah antena ke tengah dari rentang frekuensi. Sebagai contoh, jika antena untuk frekuensi 27 Mhz maka akan memiliki panjang 468/27=17.333 ft. Untuk menghasilkan dipol setengah gelombang, dua kabel dengan panjang 8.666 ft harus dipotong, kira-kira 12-14 meter kawat tembaga dibutuhkan. Fisiknya, antena harus ditaruh setinggi-tingginya dari bumi. Kabel konduktor akan tersambung ke kaca atau
keramik
sebagai
insulator
pada
masing-masing
akhir
dan
pertengahan untuk menghasilkan penghambat yang baik antara antena dan penyangganya. Transmission line akan dipasang ke dua konduktor pada insulator yang di tengah. Transmission line harus ditempatkan pada sudut yang tepat agar tidak terganggu oleh radiasi antena.
23 | P a g e
Pada frekuensi diatas 30 MHz, konduktor biasanya lebih tipis dikarenakan semakin tipis tongkat atau tabung dari pada kabel yang digunakan. Menggunakan bahan yang lebih tipis juga memperpendek panjang
faktor
kira-kira
2
atau
3
persen.
Asumsikan
bahwa
memperpendek faktor sebesar 3 persen, maka setengah panjang gelombang menjadi 492 x 0.97/f.
3. Resonansi Antena Antena dengan panjang setengah gelombang pada satu frekuensi akan menghasilkan rangkaian yang resonan. Pada generator, antena akan terlihat sebagai rangkaian seri resonan (gambar 14). Induktansi sebagai medan magnet dan kapasitansi sebagai medan listrik. Resistansi adalah resistansi pancaran. Dan selalu resistansi ini berubah sesuai dengan ketebalan dan ketinggian konduktor.
Gambar 14. Resonansi Antena
Jika sinyal yang digunakan pada antena setengah panjang gelombang seperti antena di atas, rangkaian equivalennya akan resonan dan reaktansi induktif akan menghilangkan reaktansi kapasitif. Hanya ada efek dari resistansi pancaran dan sinyal akan terpancarkan. Jika frekuensi yang bekerja dan panjang antena tidak sama, maka rangkaian ekuivalen tidak akan resonan. Itu akan seperti rangkaian resonan lainnya dan akan memiliki impedansi yang kompleks terbentuk dari komponen resistif dan reaktif. Jika frekuensi yang beroperasi terlalu rendah, antena akan short
24 | P a g e
dan impedansi ekuivalen akan kapasitif karena reaktansi kapasitif lebih tinggi. Jika dipol digunakan pada frekuensi yang berbeda dari desain yang digunakan dalam frekuensi operasi, impedansi antena tidak lagi sama dengan impedansi transmission line, jadi SWR akan bertambah dan power akan hilang. Walaupun jika frekuensi operasi dekat juga dengan desain antena, ketidak cocokan tidak akan bagus dan antena akan bekerja dengan SWR yang lebih tinggi.
4. Q Antena dan Bandwidth Bandwidth dari sebuah antena ditentukan dengan frekuensi yang beroperasi dan Q dari antena bergantung pada hubungan BW = f r/Q. Walaupun Q sulit untuk dihitung pada antena dengan persamaan sebelumnya, kita bisa mengetahui bahwa semakin besar Q maka semakin sempit bandwidthnya BW. Memperkecil Q akan menyebabkan bandwidth semakin lebar. Dalam rangkaian resonan Q yang tinggi (>10) lebih diinginkan karena menyebabkan rangkaian lebih selektif. Untuk sebuah antena. Q yang rendah akan menyebabkan bandwith yang lebih lebar, yang diinginkan adalah antena bekerja dengan rentang frekuensi yang lebar dengan SWR yang lebih rasional. Dengan kaidah jempol, beberapa SWR dibawah 2:1 diharapkan baik adalah praktek kerja antena. Komunikasi modern dengan transceiver sangat jarang beroperasi hanya pada satu frekuensi; biasanya alat-alat tersebut beroperasi pada channel didalam
rentang
frekuensi
tertentu.
Selanjutnya,
transmitter
memodulasikan sinyal pesan dengan pembawa (carrier) sehingga adanya sideband. Jika antena memiliki Q terlalu tinggi dan bandwidthnya terlalu sempit sehingga SWR lebih tinggi dari 2:1 dan ini akan menyebabkan terjadinya clipping (potongan) pada sideband. Q dan bandwith pada sebuah antena ditentukan langsung oleh rasio panjang dari konduktor ke diameternya. Ketika kabel yang tipis digunakan sebagai konduktor, rasio ini akan sangat tinggi, sekitar 10,000 sampai 30,000, hasil yang tinggi dari Q akan menyebabkan bandwidth semakin
25 | P a g e
sempit. Rasio panjang diameter sekitar 25,000 akan menghasilkan Q sekitar 14. Jika konduktor pada antena terbuat dari kabel atau tabung dengan diameter yang lebih besar, rasio panjang diameter dan Q akan berkurang, dan ini menghasilkan bandwidth yang lebih lebar. Rasionya sekitar 1200 dan menghasilkan bandwidth kira-kira 8. Ketika diameter konduktor yang lebih besar digunakan untuk membentuk antena, lempengan yang lebih lebar akan menyebabkan induktansi pada konduktor menjadi berkurang dan kapasitansinya bertambah. Rasio L/C dikurangi untuk memberikan frekuensi yang resonan. Menurunkan L akan menurunkan reaktansi induktif, yang mana akan mempengaruhi Q karena Q = XL/R dan BW = f r/Q, penurunan XL menurunkan Q dan menambahkan bandwidth. Pada UHF dan frekuensi gelombang mikro, antena dibuat pendek, dengan konduktor yang tebal, seperti tabung. Ini tidak hanya melihat konduktor dengan diameter yang besar sekitar 0.5 in, sehingga menghasilkan bandwidth yang lebih lebar. Q dan bandwith dari sebuah antena dipengaruhi juga oleh faktor-faktor yang lain. Pada antena jenis array dengan banyak konduktor Q dipengaruhi oleh banyaknya konduktor yang digunakan dan jarak antar dipolnya. Antena ini biasanya digunakan untuk mendapatkan Q yang tinggi sehingga bandwidth yang didapat lebih sempit dan terarah, sehingga frekuensi operasi menghasilkan perubahan yang besar terhadap SWR daripada dengan antena yang memiliki Q rendah.
26 | P a g e
5. Antena Connical
Gambar 15. Antena Konikal
Cara lain untuk menambahkan bandwidth dengan menggunakan jenis antena dipol yang disebut conical antena (gambar 15). Gambar 15 (b) menunjukkan secara datar dari tampilan antena konikal. Panjang sebenarnya antena adalah 0.73λ atau 0.73(984)/f = 718.32/f . Ini bukan lagi antena dipol setengah lamda yang tradisional, tapi bentuk fisiknya
27 | P a g e
sudah diubah secara dimensi untuk menghasilkan resonan. Bentuknya seperti kerucut sehingga daerah yang menaungi dan tidak dinaungi adalah sama. Jarak antara batasan-batasan ditandai dengan A dan B di gambar 15 (b) memiliki setengah panjang gelombang, kurang sekitar 5 persen atau kira-kira 468/f , f dalam MHz. Resistansi pancaran antena konikal memiliki resistansi lebih tinggi dari pada 73Ω yang digunakan dengan bahan konduktor kabel lurus atau tabung. Impedansinya dihitung dengan Z = 120 ln (θ/2), dimana Z adalah resistansi pancaran pada tengah antena saat resonan dan θ adalah sudut yang dibentuk oleh kerucut [lihat gambar 15(b)]. Untuk sudut 30ᵒ, impedansinya adalah Z = 120 ln ( 30/2 ) = 120 ln 15 = 120 (2.7) = 325Ω. Nilai ini sangat rasional dan cocok dengan transmission line twin-lead yang memiliki impedansi 300Ω. Untuk menggunakan kabel coaxial, yang biasa diharapkan, maka jaringan matching impedance diperlukan untuk menghasilkan impedansi tinggi menjadi karakteristik impedansi kabel coaxial yaitu 50 Ω atau 75 Ω. Kerucut ini sangat susah dan mahal jika ingin dibuat, dan antena konikal yang lebih populer dan efektif adalah bow tie antena. Kerucut dua dimensi dibuat segitiga, sehingga versi datar antena konikal akan terlihat seperti dua segitiga atau bow tie. Satu versi bow tie antena konikal seperti gambar 15(b) akan memiliki bentuk dan dimensi yang sama, tetapi ini dibuat dari aluminium yang datar. Antena bow tie dapat juga dibuat dari konduktor terali besi. Malah ada yang dibuat dari kepingan datar seperti gambar (c); pengaturan ini mengurangi resistansi angin. Jika jarak antar konduktor dibuat kurang dari 0.1 panjang gelombang pada frekuensi beroperasi yang tinggi maka antena akan terlihat seperti konduktor yang solid terhadap transmitter atau receiver. Keuntungan utama dari antena konikal adalah besarnya bandwidth. Antena konikal dapat mempertahankan impedansi yang konstan dan memiliki gain dengan rentang frekuensi lebih dari 4:1. Panjang antena dihitung menggunakan frekuensi tengah dari rentangan yang dicakup. Sebagai contoh, sebuah antena mencakup rentangan 4:1 pada 250 MHz
28 | P a g e
sampai 1GHz (1000MHz) akan didapat frekuensi tengahnya (1000 + 250)/2 = 1250/2 = 625 MHz.
6. Polarisasi Dipol Kebanyakan antena dipol setengah lamda dibuat horisontal terhadap bumi. Ini menyebabkan medan listrik horisontal terhadap bumi sehingga, antena terpolarisasi secara horisontal. Penyusunan secara horisontal ini lebih digunakan untuk frekuensi rendah (<30MHz) karena susunan fisik dan penyangganya lebih mudah. Susunan ini juga membuat pemasangan transmission line menjadi lebih mudah. Dipol antena juga dapat disusun secara vertikal, yang mana medan listrik akan tegak lurus dengan bumi, menyebabkan polarisasinya vertikal. Susunan vertikal biasanya digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi (VHF dan UHF), ketika antena lebih pendek dan penyangga tabung digunakan.
7. Polarisasi dan Direktivitas Pola radiasi dari antena adalah bentuk dari energi elektromagnetik yang dipancarkan dari atau diterima oleh antena. Kebanyakan antena memiliki karakteristik langsung sehingga menyebabkan pancaran atau penerimaan energi dengan arah yang spesifik. Secara khasnya pancaran ini terpusat dalam pola dan bentuk yang tampak geomet rik. Pola radiasi dari dipol setengah lamda memiliki bentuk seperti donat. Gambar 16 menunjukan pola dari setengah dari donat yang dipotong. Dipol terletak di tengah-tengah lubang dari donat dan donat itu sendiri menggambarkan energi yang dipancarkan. Sebagai pengamat dapat dilihat pada bagian bawah dan atas dari dipol, pola pancaran akan terlihat seperti angka 8 pada gambar 17. Polarisasi pola pancaran ini digambarkan dalam grafik koordinat polar pada gambar. Tengah-tengah antena di asumsikan pada tengah dari grafik. Dipol diasumsikan sejajar pada sudut 90ᵒ dan 270ᵒ. Seperti yang ditampilkan, jumlah maksimum dari energi yang dipancarkan pada sudut yang tepat adalah pada 0ᵒ dan 180ᵒ .
29 | P a g e
Dengan alasan itu dipol kita ketahui sebagai antena terarah (directional ). Untuk pengiriman dan penerimaan yang optimal, antena harus sejajar dengan sumber sinyal atau tujuan. Untuk transmisi sinyal yang optimal, antena pemancar dan penerima harus pararel satu dan la innya. Bila saja antena dipol penerima diarahkan ke transmitter, atau sebaliknya sama dengan arah dari transmitter. Jika antena dengan sudut yang berbeda, sinyal maksimum tidak akan diterima. Seperti yang dapat dilihat pada pola radiasi gambar 17, jika akhir dari antena penerima di arahkan langsung pada antena pemancar, maka tidak ada sinyal yang diterima. Seperti yang indikasi sebelumnya, tidak mungkin kondisi sinyal yang didapat adalah nol pada prakteknya, karena radisi gelombang mengalami perubahan pada propagasi sehingga sinyal minimal akan diterima pada antena.
Gambar 16. Pola dari setengah dari donat yang dipotong
30 | P a g e
Gambar 17. Polarisasi pola Pancaran
Pengukuran arah dari antena adalah beam width, sudut yang dibentuk dari pola pancaran yang mana energi transmitter diarahkan atau diterima. Beam width diukur dalam sebuah pola radiasi antena. Pusat dari lingkaran diperpanjang keluar dari pola dalam gambar 17 menunjukan kekuatan relatif dari sinyal sesuai pergerakan dari antena. Beam width diukur antara titik dari kurva pada 3dB dari amplitudo maksimum pada kurva. Sesuai yang disebutkan sebelumnya, maksimum amplitudo pada pola didapat pada sudut 0ᵒ dan 180ᵒ. 3dB berarti nilainya turun sampai 70.7 % dari maksimum. Sudut yang dibentuk dari dua garis diperpanjang dari tengah kurva adalah titik 3 dB dari beam width. Pada contoh ini beam widthnya adalah 90ᵒ. Semakin kecil sudut beam width akan semakin terarah antena tersebut.
31 | P a g e
8. Gain pada Antena Gain
sebelumnya
didefinisikan
sebagai
output
dari
rangkaian
elektronik dibagi dengan input. Nyatanya, alat pasif seperti antena tidak memiliki gain seperti ini. Power yang dipancarkan oleh antena tidak akan pernah lebih besar dari power input. Walaupun antena directional dapat memancarkan power lebih dalam arah yang ditentukan daripada antena nondirectional, dan pada arah yang menguntungkan ini akan seperti adanya gain. Antena gain pada jenis ini diungkapkan dengan rasio power dari pancaran efektif dengan input power. Power pancaran adalah power sesungguhnya yang seharusnya dipancarkan oleh antena referensi (nondirectional atau dipol antena) untuk menghasilkan sinyal dengan kekuatan yang sama pada receiver seperti yang sesungguhnya dihasilkan oleh antena. Antena gain dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Power dipancarkan oleh antena dengan arah sehingga gain disebut juga effective radiated power (ERP) atau power pancaran yang efektif. ERP dihitung dengan mengalikan power transmitter yang diberikan ke antena Pt oleh power gain pada antena.
Untuk menghitung ERP, desibel harus diubah menjadi rasio power atau gain. Gain dari sebuah antena juga diungkapkan dengan referensi dipol atau radiator isotropik. Radiator isotropik adalah titik sumber teorikal dari energi elektromagnetik. Medan E dan H memancar dari satu titik sumber dan pada jarak yang diberikan dari titik sumber. Untuk menampilkan ini, pikirkan bahwa ada sebuah lightbulb pada tengah-tengah sebuah globe
32 | P a g e
dunia dan cahaya itu illuminates dari dalam bola sebagai energi elektromagnetik. Ini juga diketahui sebagai near field antena, didefinisikan sebagai bagian dari medan kurang dari 10 panjang gelombang dari frekuensi yang bekerja pada antena, pada daerah permukaan bola akan seperti gambar 18. Pada far field , 10 atau lebih jarak panjang gelombang dari sumber, bola akan terlalu besar sehingga daerah kecil akan muncul datar dari pada kurva, lebih mirip seperti daerah kecil pada bumi yang tampilannya datar. Kebanyakan analisa far-field dari antena diselesaikan dengan mengasumsikan bahwa daerah permukaan yang datar pada pancaran dengan medan listrik dan magnet pada sudut yang tepat satu dan lainnya. Pada kenyataannya, tidak ada antena yang memancarkan secara isotropikal; walaupun pancaran dipusatkan pada pola yang mengkhusus seperti gambar 16 dan 17. Pemusatan dari energi elektromagnetik memiliki
efek
menambahkan
kekuatan
pancaran
yang
melewati
permukaan. Dengan kata lain, direktifitas antena memberikan antena tersebut melewati radiator isotropik.
Gambar 18. Gain Pada Antena
33 | P a g e
9. Folded Dipol Variasi populer dari antena dipol setengah gelombang adalah folded dipol , gambar 19. Seperti dipol standar lainnya, panjangnya juga setengah lamda. Walaupun dibentuk dari dua kondukter pararel yang tersambung di akhirnya dengan salah satu sisinya open pada tengah-tengah dari koneksi transmission line. Impedansi antena ini biasanya adalah 300Ω, sehingga sama dengan kabel twin-lead. Jarak antara kedua konduktor tersebut tidak terlalu besar, tetapi berbanding terbalik dengan frekuensi. Untuk antena dengan frekuensi tinggi, jaraknya kurang dari 1 inci untuk antena dengan frekuensi rendah, jaraknya antara 2 sampai 3 inci.
(a)
(b)
Gambar 19. Folded Dipol
Pola radiasi dan gain dari folded dipol sama dengan dipol lainnya. Walaupun folded depole sebenarnya memiliki bandwidth lebih lebar. Resistansi pancaran dapat dirubah dengan merubah ukuran dari konduktor dan jaraknya. Cara yang mudah untuk membuat antena folded dipol adalah dengan memotong kabel twin-lead dengan panjang yang sama yaitu setengah lamda, dan keduanya disolder sesuai gambar 19 (b). Ketika setengah lamda sudah dihitung, maka faktor volicity (0.8) dari twin lead harus ikut diperhitungkan. Sebagai contoh
antena yang terbuat dari twin lead
dengan frekuensi 100MHz adalah λ/2 = 492/f = 492/100 = 4.92 ft, dengan
34 | P a g e
memperhitungkan faktor velocity dari twin lead akan mempengaruhi juga panjang antena menjadi 4.92 x 0.8 = 3.936ft. Tengah dari satu konduktor kabel twin lead harus di open dan 300Ω twin lead transmission line disolder dengan kedua kabel tersebut. Hasilnya adalah sebuah antena efektif dan murah dapat digunakan untuk pemancaran dan penerimaan, seperti yang bisanya digunakan pada antena TV atau penerima Radio FM.
B. ANTENA MONOPOLE
1. Directivity Dalam
berbagai
jenis
sistem
komunikasi,
diinginkan
untuk
menggunakan antena dengan karakteristik omnidirectional, yaitu antena yang dapat mengirim pesan ke segala arah dan menerima dari segala arah. Di sisi lain, itu lebih menguntungkan untuk membatasi arah di mana sinyal yang dikirim atau diterima. Hal ini memerlukan antena dengan directivity. Directivity mengacu pada kemampuan antena untuk mengirim atau menerima sinyal melalui horisontal yang sempit dari berbagai arah. Dengan kata lain, orientasi fisik antena memberikan respon yang sangat terarah atau kurva directivity. Sebuah antena directional menghilangkan gangguan dari sinyal lain yang diterima dari segala arah selain arah sinyal yang diinginkan. Sebuah antena sangat terarah bertindak sebagai jenis filter untuk memberikan selektivitas berdasarkan arah sinyal. Penerima antena menunjuk langsung pada stasiun yang akan diterima, sehingga secara efektif menolak sinyal dari pemancar ke segala arah lain. Antena directional memberikan efisiensi yang lebih besar dari daya transmisi. Dengan antena omnidirectional, daya yang ditransmisikan memancar keluar ke segala arah. Hanya sebagian kecil dari daya yang diterima oleh stasiun yang diinginkan, sisanya terbuang. Ketika antena dibuat directional, kekuatan pemancar dapat difokuskan menjadi sinar sempit yang diarahkan ke stasiun tujuan. Konvensional dipol setengah gelombang memiliki beberapa directivity dalam mengirimkan atau
35 | P a g e
menerima sinyal dalam arah tegak lurus terhadap garis antena. Antena dipol setengah gelombang adalah searah pada bagian yang tidak ada sinyal terpancar dari atau diambil dari ujung-ujungnya. Antena ini disebut sebagai bidirectional, karena menerima sinyal terbaik dalam dua arah.
Gambar 20. Pola radiasi dari antena sangat terarah dengan gain. (a) pola radiasi horisontal. (b) pola radiasi tiga dimensi.
Antena juga dapat dirancang untuk menjadi searah, antena searah mengirim atau menerima sinyal dalam satu arah saja. Gambar 20 (a) menunjukkan pola directivity dari antena satu arah. Lingkaran besar mewakili kurva respon utama untuk antena. Radiasi maksimum atau penerimaan dalam arah 00. Tiga pola yang lebih kecil atau loop pergi ke arah yang berbeda dari pola utama yang lebih besar disebut lobus kecil. Sebuah versi tiga dimensi dari pola radiasi horisontal ditunjukkan pada gambar 20 (a) diberikan pada gambar 20 (b). Beberapa antena adalah sempurna searah. Karena berbagai ketidaksempurnaan, beberapa daya dipancarkan (atau diterima) di arah lain (lobus kecil). Tujuannya adalah untuk menghilangkan atau setidaknya meminimalkan lobus kecil melalui berbagai penyesuaian antena dan perangkat tambahan yang dirancang untuk menempatkan kekuatan lebih ke lobus utama.
36 | P a g e
Lebar balok pada standar dipol setengah gelombang adalah sekitar 900. Ini bukan antena satu arah. Sempit lebarnya balok, tentu saja, semakin baik directivity dan sinyal akan lebih terfokus. Antena yang dipola ditunjukkan pada gambar 20 memiliki lebar balok 300. Pada frekuensi gelombang mikro, antena dengan lebar beam kurang dari 1 0 telah dibangun, ini memberikan tingkat akurasi komunikasi pinpoint.
2. Gain Ketika
antena
penyearah
digunakan,
semua
power
yang
ditransmisikan akan terfokus pada satu arah. Karena power terpusat pada beam
yang
Terarahkan
kecil
dan
karena
menyebabkan
power
sinyal
terfokuskan,
transmissi
dikuatkan.
menyebabkan
antena
memperlihatkan gain, yang menyebabkan sinyal dikuatkan. Antena sebenarnya tidak dapat menguatkan sinyal; tetapi karena antena memfokuskan energi pada satu arah, maka efeknya sinyal pancaran seperti lebih tinggi dari power output dari transmitter. Karena itu antena mempunyai power gain. Power gain dari antena dapat dinyatakan dalam persamaan ini :
Dimana Ptrans adalah power transmitter dan Pin adalah power inputan antena. Jumlah keseluruhan power yang dipancarkan oleh antena adalah ERP, seperti yang dijelaskan sebelumnya, Power yang diterapkan pada antena mengalami pengalian dengan antena gain. Power gain sebesar 10 atau lebih sangat mudah didapat, terutama dengah RF yang lebih tinggi. Ini berarti transmitter dengan 100-W akan menghasilkan 1000-W saat diterapkan di antena dengan gain tersebut.
37 | P a g e
3. Hubungan Gain dengan Directivity Hubungan
gain
dengan
dapat
dinyatakan
dengan
persamaan
matematika berikut :
Dimana ;
√
B = beam width antena (derajat) dan x = power gain antena dalam decibel (x = dB/10)
Beam width yang diukur pada 3-dB dari pola radiasi di asumsikan sebagai lobe mayor simetris. Sebagai contoh, beamwidth antena dengan gain 15 dB di hitung sebagai berikut (x = dB/10 = 1.5)
√
Memungkinkan untuk menentukan gain dengan merubah persamaan tersebut dengan menggunakan algoritma, sebagai berikut:
Beamwidth dari antena yang tidak diketahui gainnya dapat diukur di lapangan dan kemudian gain dapat dihitung. Misal sebuah terukur sebesar -3dB dengan beam width 7ᵒ maka gainnya adalah:
Karena x = dB/10 maka dB = 10x. Sehingga gain dalam desibel menjadi 2.925x10 = 29.25dB. Untuk membuat antena dengan directivity dan gain, dua atau lebih bahan antena digabungkan untuk membentuk array . Dua jenis antena array yang dasar adalah parasiticic array dan driven ar ray.
C. ANTENA ARRAY
1. Parasitic Array Parasitic array terdiri dari antena dasar yang terhubung ke channel transmisi ditambah satu atau lebih konduktor tambahan yang tidak
38 | P a g e
terhubung ke channel transmisi, konduktor
tambahan ini yang disebut
sebagai unsure parasitic, dan antena sendiri disebut sebagai pengarah elemen. Biasanya driven elemen itu setengah gelombang dipol atau beberapa variasi. Unsur-unsur parasitic ini sedikit lebih panjang dan kurang lebih satu setengah panjang gelombang, unsur – unsur parasitic ditempatkan secara parallel dan dekat dengan elemen driven. Salah satu contoh diilustrasikan pada gambar 21. Unsur – unsur antena semua dipasang pada common boom. Boom tidak harus menjadi isolator, karena ada tegangan null di tengah panjang gelombang konduktor pada ½ frekuensi resonansi, tidak ada perbedaan potensial antara elemen sehingga mereka semua dihubungkan ke boom tanpa melakukan efek yang tidak diinginkan. Dengan kata lain, unsur - unsur tidak ‘korsleting’. Reflector adalah elemen parasitic yang biasanya sekitar 5 % lebih panjang dari setengah gelombang elemen dipol-driven, yang berjarak dari elemen driven sebesar 0.15λ – 0.25λ. Ketika sinyal terpancar dipol mencapai reflector, menginduksi tegangan ke dalam reflector dan reflector menghasilkan beberapa radiasi sendiri. Karena jarak, radiasi reflector adalah sebagian besar difase dengan radiasi elemen driven. Akibatnya, sinyal yang dipantulkan akan ditambahkan ke sinyal dipol, dan menguatkannya, dan lebih terfokus ke arah elemen driven. Reflector meminimalkan radiasi elemen driven sebelah kanan dan memperkuat radiasi di sebelah kiri elemen driven( lihat gambar 21).
Gambar 21. Parasiticic array dikenal sebagai antena Yagi
39 | P a g e
Gambar 22. Antena Yagi
Jenis lain dari parasiticic adalah director. Sebuah director biasanya 5% lebih pendek dari ½ gelombang dipol elemen driven dan dipasang di depan director yang ditempatkan di depan elemen driven dan dipisahkan oleh jarak sekitar sepersepuluh dan dua per sepuluh panjang gelombang dari elemen driven. Sinyal dari elemen driven menyebabkan tegangan akan diinduksi ke director. Sinyal dipancarkan oleh director kemudian menambahkan fase dari elemen driven. Hasilnya adalah peningkatan focus dari sinyal, lebar beam, dan gain pada antena yang lebih tinggi ke arah director. Pola radiasi keseluruhan antena pada gambar 21 sangat mirip dengan yang ditunjukan pada gambar 22. Sebuah antena yang terdiri dari elemen driven dan umumnya terdiri dari satu atau lebih elemen parasitic disebut antena Yagi. Elemen dari antena ini biasanya terbuat dari tabung aluminum dan dipasang pada aluminum cross member atau boom. Karena pusat elemen parasitic yang netral dari elektrikal, maka elemen – elemen ini dapat dihubungkan langsung ke boom. Untuk memproteksi petir, boom kemudian dapat dihubungkan ke tiang logam dan tanah. Sebuah antena dikonfigurasi dengan cara ini sering disebut sebagai antena beam karena sangat
40 | P a g e
terarah dan memiliki gain yang sangat tinggi. Nilai gain dari 3 – 15 dB yang setara dengan sudut beam dari 20 0 – 400. Tiga elemen antena Yagi ditunjukan pada gambar 21 memiliki gain sekitar 8 dB bila dibandingkan dengan halfwave dipol. Antena Yagi yang paling sederhana adalah elemen driven, reflector, dan reflector dengan gain sekitar 3dB. Kebanyakan Yagi memiliki elemn driven, reflector, dan dari 1 – 20 director. Semakin besar jumlah director, semakin tinggi gain dan sudut beam, semakin sempit. Tambahan
gain
dan
directivity
dapat
diperoleh
dengan
menggabungkan dua atau lebih antan Yang untuk membentuk sebuah array. Dua contoh yang ditunjukan pada gambar 23. Gambar 23 (a), sembilan elemen ditumpuk pada 2 antena Yagi. 23 (b), Sembilan elemen dipasang berdampingan pada bidang yang sama pada dua antena Yagi. Gain dan lebar beam tegantung pada jarak antara dua array dan bagaimana channel transmisi terhubung.
Gambar 23. Yagi arrays : (a) Stacked (b) Side by side
Impedansi driven pada antena Yagi bervariasi dengan jumlah elemen dan jarak. Unsur – unsur parasitic sangat menurunkan impedansi dari elemen driven, sehingga kurang dari 10 ohm dalam beberapa pengaturan. Biasanya
beberapa
jenis
rangkaian
matching
-
impedance
atau
mekanisme harus benar – benar di matching sebesar 50 ohm pada coaxial cable, yang merupakan kabel yang paling umum digunakan. Meskipun fokus dari reflector dan director dalam antena Yagi, sebagian besar daya yang dipancarkan dari Yagi diarahkan ke depan,
41 | P a g e
sebagian kecil daya hilang ke belakang, membuat pancaran arah antena Yagi belum sempurna. Dengan demikian, disamping gain dan lebar beam, spesifikasi lain antena Yagi adalah rasio daya radiasi dalam arah forward dengan daya radiasi dalam arah backward atau front-to-back ( F/B ) ratict:
Dimana,
Pf = forward power Pb = backward power
Nilai relatif forward dan backward
power ditentukan dengan
memperkirakan ukuran dari loop dalam pola radiasi antena. Ketika pola radiasi diplot dalam decibel bukan dari power, rasio F/B adalah perbedaan antara nilai maksimum power dan nilai maksimum backward dalam decibel. Dengan memvariasikan jumlah parasitic elemen dan jarak untuk memaksimalkan rasio F/B. Tentu saja, berbagai jumlah parasitic elemen dan jarak mereka juga mempengaruhi forward gain. Namun, gain maksimum tidak terjadi dengan kondisi yang sama yang diperlukan untuk mencapai rasio F/B maksimum. Kebanyakan antena Yagi dirancang untuk memaksimalkan F/B rasio daripada gain, sehingga meminimalkan radiasi dan penerimaan dari backward antena. Yagi secara luas digunakan untuk antena komunikasi karena directivity dan gain. Pada suatu waktu antena yagi banyak digunakan untuk penerimaan pada antena TV, tapi karena yagi dibuat hanya untuk satu frekuensi, antena yagi tidak baik untuk penerimaan atau transmisi selama rentang frekuensi yang luas. Operator radio amatir adalah pengguna utama
antena
beam
dan
banyak
layanan
komunikasi
lainnya
menggunakannya karena kinerja antena tersebut sangat baik dan biaya rendah. Beam antena seperti antena Yagi yang digunakan terutama di VHF dan UHF. Sebagai contoh, pada frekuensi 450 MHz, unsur-unsur Yagi hanya sekitar 1 kaki, membuat antena relatif kecil dan mudah untuk ditangani. Semakin rendah frekuensi, semakin besar elemen dan semakin lama boom. Secara umum, antena tersebut hanya praktis di atas frekuensi
42 | P a g e
sekitar 15 MHz. Pada 15 MHz, unsur-unsur panjangnya lebih dari 35 kaki. Meskipun antena ini panjang,tapi sulit untuk digunakan, antena tersebut masih banyak digunakan di beberapa layanan komunikasi.
2. Driven Array Jenis antena utama lainnya dari antena directional adalah driven array, antena yang memiliki dua atau lebih elemen driven. Setiap elemen menerima energi RF dari transmission line, dan pengaturannya yang berbeda dari elemen menghasilkan perbedaan dejarat pada directivity dan gain. Tiga tipe dasar driven array adalah collinear, broadside, dan end-fire. Jenis keempat adalah wide-bandwidth log-periodik antena.
43 | P a g e
Gambar 24. Tipe Colinear Antena
44 | P a g e
3. Antena Collinear Array Antena Collinear biasanya terdiri dari dua atau lebih setengah gelombang dipol yang dipasang dari ujung ke ujung (lihat Gambar 24). Panjang transmission line yang menghubungkan berbagai elemen driven yang dipilih secara cermat sehingga setiap energi mencapai fase antena satu dengan antena lainnya. Dengan konfigurasi ini, sinyal antena individu menggabungkan dan menghasilkan sinar yang lebih terfokus. Tiga sambungan
transmission
line
yang
berbeda
ditunjukkan
pada
gambar. Seperti antena dipol, antena collinear memiliki pola radiasi dua arah, tetapi dua lebar beam yang jauh lebih sempit, memberikan directivity dan gain yang lebih besar. Dengan empat atau lebih setengah gelombang elemen, minor lobes mulai muncul. Pola collinear di tunjukan pada gambar 25. Antena collinear pada gambar 24 (b) dan (c) menggunakan bagian dari setengah gelombang yang dipisahkan oleh seperempat-gelombang yang menjamin bahwa sinyal yang dipancarkan oleh setiap bagian dari setengah gelombang berada dalam fasenya. Semakin besar jumlah dari bagian pada setengah gelombang yang digunakan, semakin tinggi gain dan sempit lebar beamnya. Antena collinear umumnya digunakan hanya pada band VHF dan UHF karena panjangnya menjadi penghalang pada frekuensi yang lebih rendah. Pada frekuensi tinggi, antena collinear biasanya dipasang secara vertikal untuk memberikan gain pada antena omnidirectional.
45 | P a g e
Gambar 25. Pola radiasi empat elemen Antena Collinear
4. Antena Broadside Antena broadside, pada dasarnya adalah antena collinear yang ditumpuk dan terdiri dari jarak
setengah gelombang dipol dgn satu
setengah panjang gelombang lainnya, seperti ditunjukkan pada gambar 26. Dua atau lebih elemen dapat dikombinasikan. Masing-masing transmission line terhubung ke yang lain. Transmission line crossover memastikan sinyal yang benar pada tahapannya. Antena menghasilkan pola radiasi terarah, bukan di garis unsur-unsur, seperti dalam sebuah Yagi, tapi broadside atau tegak lurus terhadap bidang array. Seperti antena collinear, broadside mempunyai dua arah radiasi, tetapi pola radiasi memiliki lebar beam yang sangat sempit dan gainnya tinggi. Pola radiasinya juga menyerupai antena collinear, seperti ditunjukkan pada gambar 25. Pola radiasi di sudut kanan terhadap bidang elemen driven.
46 | P a g e
Gambar 26. Broadside Array
5. End-fire Antena End-fire array,
seperti yang ditunjukkan pada gambar 27 (a),
menggunakan dua dipol setengah gelombang antara
satu setengah
panjang gelombang yang terpisah. dua atau lebih elemen driven dikombinasikan dengan transmission line. Antena ini memiliki pola radiasi dua arah, tetapi dengan lebar beam yang sempit dan gain yang lebih rendah. Radiasi pada bidang elemen driven ini seperti pada antena Yagi. End-fire array pada gambar 27 (b)
menggunakan lima elemen driven
yang terpisah antara beberapa fraksi dari panjang gelombang D. Dengan seleksi yang cermat terkait dari jumlah elemen dengan jarak tepat yamg optimal, antena ini dibuat sangat searah. Jarak tersebut menyebabkan lobe dalam satu arah dibatalkan sehingga menambah lobe lain, menciptakan gain yang tinggi dan directivity dalam satu ar ah.
47 | P a g e
Gambar 27. End-Fire Antena (a) Bidirectional (b) Unidirectional
6. Log-periodic Antena Jenis khusus dari driven array ini adalah antena wide-bandwidth logperiodic nya (lihat Gambar 28). Panjang dari elemen driven bervariasi dari panjang ke pendek dan terkait logaritma. Unsur terpanjang memiliki panjang satu-setengah panjang gelombang tapi frekuensi terendah yang akan dibahas, dan unsur terpendek adalah satu-setengah panjang gelombang pada frekuensi yang lebih tinggi. Jarak ini juga variabel. Setiap elemen diberikan segmen channel transmisi yang pendek yang khusus untuk fase sinyal. Channel transmisi terpasang pada elemen terkecil. Driven impedansi berkisar sekitar 200-800ohm dan tergantung pada rasio panjang-diameter element driven. Hasilnya adalah antena sangat terarah dengan gain yang sangat baik.
48 | P a g e
