11 BAB III WAVEGUIDE 3.1 Bumbung Gelombang Persegi

11
BAB III
WAVEGUIDE
3.1 Bumbung Gelombang Persegi (waveguide)
Bumbung gelombang merupakan pipa yang terbuat dari konduktor
sempurna dan di dalamnya kosong atau di isi dielektrik, seluruhnya atau sebagian.
Gelombang elektromagnetik yang menjalar dalam bumbung gelombang adalah
mode TE dan mode TM. Berdasarkan bentuk penampangnya, bumbung
gelombang dibagi menjadi beberapa jenis; yang banyak dikenal adalah bumbung
gelombang dengan penampang persegi dan lingkaran. Bumbung gelombang
persegi (rectangular waveguide) lebih populer dalam penggunaan daripada
bumbung gelombang lingkaran (circular waveguide).
Gambar 3.1 bumbung gelombang persegi dan lingkaran
Cara menghubungkan sumber tegangan dan arus bumbung gelombang
berbeda dengan pada saluran transmisi. Pada saluran transmisi, sumer terdiri dari
line dan ground. Masing-masing dihubungkan dengan inner dan outer conductor
12
pada kasus kabel sesumbu (koaxial). Pada bumbung, tidak ada konduktor dalam
dan konduktor luar, dan dinding-dinding bumbung seluruhnya terhubung dan
membentuk short circuit, sehingga tidak mungkin menghubungkan sumber ke
bumbung seperti pada saluran transmisi. Caranya adalah dengan melubangi
dinding bumbung dan memasukkan probe kabel sesumbu ke dalamnya. Cara ini
disebut pengeksitasian.
Pada bumbung gelombang, konduktor dalam dari kabel sesumbu masuk ke
dalam bumbung dan konduktor luarnya dihubungkan dengan dinding bumbung
gelombang. Kabel ini bertindak sebagai antena. Pada ujung antena, gelombang
menghambur ke segala arah dan memasuki ruangan bumbung. Berarti banyak
sekali (secara teoritis tak berhingga) gelombang yang keluar dari probe antena
tersebut sehingga dalam bumbung pun akan ada tak berhingga mode gelombang
TE dan TM. Oleh sebab itu, mode-mode ini diberi notasi TEmn dan TMmn, dengan
m dan n merupakan bilangan intejer dan menunjukkan banyaknya gelombang
berdiri dalam arah yang normal terhadap arah jalar.
Dalam praktek, dirancang supaya hanya satu mode gelombang yang
menjalar. Mode ini disebut mode dominan. Mode yang lain mengalami redaman
atau tidak menjalar. Mode yang tidak menjalar disebut mode cutoff dan mode
yang diredam disebut mode evanescent. Pada mode cutoff dan evanescent, daya
gelombang tidak hilang, tapi disimpan di sekitar diskontinyuitas dalam bentuk
energi listrik dan energi magnetik. Sifat diskontinyuitas ditentukan oleh energi
yang dominan. Bila energi listrik lebih dominan daripada energi magnetik, maka
diskontinyuitas akan bersifat kapasitif, dan bila sebaliknya maka akan bersifat
induktif.
3.2 Mode TMmn
Pada mode TM, seluruh medan magnetik transversal terhadap arah jalar, berarti
Hz berharga nol.
Konstanta kc disebut bilangan gelombang cutoff.
Untuk impedansi gelombang dicari dengan rumus :
13
ηo adalah impedansi intrinsik vakum dan berharga 120π = 377 Ω (impedansi
intrinsik udara dianggap sama dengan ηo).
3.3 Mode TEmn
Pada mode TE, semua medan listrik transversal pada arah propagasi, Ez =
0, tapi ada medan magnetik yang longitudinal terhadap arah propagasi.
Impedansi gelombang adalah :
(m dan n tidak boleh berharga nol secara bersamaan,)
Bila m = n = 0, adalah gelombang mode TEM, padahal dalam bumbung
gelombang tidak ada mode TEM.
Frekuensi cutoff mode-mode gelombang dapat dinyatakan dengan
frekuensi cutoff mode TE10, dan mode TE10 frekuensi cutoffnya paling kecil.
Dengan demikian frekuensi cutoff sebuah mode gelombang dalam bumbung
gelombang persegi dapat dituliskan dalam bentuk.
Waveguide harus dirancang dengan ukuran sedemikian rupa sehingga
yang menjalar hanya satu mode gelombang, mode dominan. Agar hanya satu
mode gelombang yang menjalar, maka gelombang tersebut harus mempunyai
frekuensi cutoff paling kecil. Jadi pada bumbung gelombang persegi, dengan a > b
mode dominannya adalah mode TE10.
Setelah mode TE10, mode berikutnya adalah mode TE20 atau mode TE01,
tergantung apakah a ≥ 2b atau a < 2b. Jadi lebar bidang frekuensi sebuah
bumbung, agar hanya menjalarkan gelombang dengan mode tunggal, harus
diperhatikan frekuensi cutoff ketiga mode ini. Untuk a < 2b, lebar bidang
frekuensi ditentukan oleh mode TE10 dan mode TE01.
3.4 Gelombang Elektromagnetik dalam Waveguide
Ketika pengiriman sinyal melalui suatu saluran, maka medan-medan listrik
dan magnet yang dikirimkan dari sumber sampai ke beban dan setelah sampai di
beban, energi yang tersimpan dalam medan-medan tersebut diubah menjadi energi
yang diinginkan, dimana energi tersebut dikenal sebagai medan-medan
elektromagnetik.
14
Perambatan energi listrik disepanjang saluran transmisi adalah dalam
bentuk medan elektromagnetik transversal yaitu gelombang yang arah
perambatannya tegak lurus terhadap perpindahannya. Ada dua tipe perambatan
yang dikenal dalam bumbung gelombang waveguide yaitu tipe TE Transverse
Elektric dan TM Transverse Magnetic yang umumnya terjadi pada bumbung
gelombang waveguide.
Medan
magnet
Medan
magnet
Medan
listrik
Medan
listrik
Gambar 3.2 TE mode dan TM mode
3.5 Saluran Transmisi Waveguide
Ada dua masalah besar yang muncul pada saluran coaxial, yaitu redaman
yang relatif besar dan power handling yang relatif rendah. Kedua masalah ini
bahkan semakin memburuk ketika frekuensi sinyal yang disalurkannya semakin
tinggi. Power handling adalah kemampuan menyalurkan daya. Besarnya daya RF
maksimum pada saluran coaxial ditentukan oleh kemampuannya menahan
tegangan tembus (voltage breakdown). Tegangan tembus adalah besarnya
tegangan yang mampu menembus hambatan di antara dua konduktor hingga
menghasilkan lompatan arus listrik (spark).
Di dalam saluran koaxial tegangan tembus ini sangat berbahaya dan
sedapat mungkin harus harus dihindari. Jika tidak, tegangan tembus ini akan
membakar hangus dielektriknya. Sebaliknya, keberadaan tegangan tembus ini
justru
sangat
dibutuhkan
pada
kendaraan
bermotor,
khususnya
untuk
15
menghasilkan lompatan arus listrik pada busi. Lompatan listrik pada busi (spark)
digunakan untuk membakar bahan bakar yang telah dimampatkan di ruang bakar,
dan dari pembakaran inilah energi gerak dihasilkan. Jadi di satu sisi keberadaan
tegangan tembus ini sangat dibutuhkan, tetapi di sisi lain harus dihindari.
Salah satu cara untuk mengatasi tegangan tembus pada saluran coaxial
adalah dengan memperlebar jarak konduktor, atau dengan memperbesar diameter
konduktor luar. Dengan cara ini maka jarak antara inner dan outer akan makin
lebar, sehingga makin besar pula kemampuannya dalam menahan tegangan tinggi.
Tetapi makin besar ukuran saluran ini jelas harganya menjadi semakin mahal.
Pada saluran koaxial, redaman yang diakibatkan oleh rugi-rugi dielektrik
akan semakin memburuk ketika frekuensi sinyal yang disalurkannya semakin
tinggi. Bahkan semakin tinggi frekuensi, redaman akibat rugi-rugi dielektrik
malah semakin dominan dibanding redaman karena resistansi pada konduktornya.
Hal ini disebabkan karena redaman akibat resistansi konduktor hanya sebanding
dengan akar dari frekuensi, sedangkan redaman akibat rugi-rugi dielektrik
berbanding lurus terhadap frekuensi.
Gambar 3.3 kurva hubungan antara redaman pada saluran coaxial terhadap
frekuensi
Berdasarkan gambar kurva di atas mudah di lihat bahwa dua komponen
yang sangat dominan dalam menyumbang redaman adalah inner dan dielektrik.
Bila kedua komponen ini bisa dikurangi, atau bahkan dihilangkan, maka dengan
sendirinya redaman saluran akan jauh berkurang. Solusi ini terjadi pada saluran
transmisi jenis waveguide.
16
Di dalam waveguide tidak ada lagi konduktor dalam (inner). Sebab daya
RF yang disalurkannya tidak lagi berupa arus listrik melainkan gelombang
elektromagnetik yang menjalar melalui mekanisme pantulan. Sinyal yang hendak
disalurkan cukup dimasukkan kedalam waveguide melalui port input yang
terhubung ke antena dalam waveguide. Fungsi antena dalam waveguide ini adalah
untuk memancarkan gelombang elektromagnetik yang selanjutnya akan
dipantulkan oleh dinding-dinding waveguide untuk kemudian dibimbing menuju
ke tempat tujuan.
Dengan tidak adanya inner di dalam waveguide maka diperoleh
keuntungan yang berlipat ganda. Pertama, resistansi inner sebagai penyumbang
redaman paling besar menjadi hilang. Kedua, tidak diperlukan lagi dielektrik
untuk memegang inner, sehingga konstruksi saluran menjadi lebih sederhana.
Ketiga, bahan dielektrik yang dibutuhkan hanyalah udara, dimana udara justru
merupakan bahan dielektrik yang bermutu tinggi (resistansinya sangat tinggi),
mudah diperoleh dan gratis. Keempat, nilai resistansi udara yang demikian tinggi
berarti rugi-rugi yang timbul di dalamnya juga semakin kecil, dengan kata lain
redaman yang ditimbulkannya semakin kecil. Kelima, daya rata-rata yang bisa
disalurkan meningkat drastis, karena arus listrik yang diserap oleh dielektrik ini
menjadi jauh berkurang. Keenam, jarak antar konduktor yang semakin jauh
menjadikan waveguide lebih tahan terhadap tegangan tembus (tegangan tinggi),
dengan kata lain peak power rating-nya meningkat tajam. Dari keuntungan yang
berlipat ganda ini waveguide langsung menuntaskan dua masalah besar yang ada
pada saluran koaxial : redaman dan power handling.
Namun keunggulan waveguide ini tentu bukannya tanpa konsekuensi.
Bagian dalam waveguide yang kosong melompong (hanya berisi udara)
membutuhkan perlakuan khusus. Kedua ujung waveguide harus ditutup rapat dan
dibutuhkan sebuah dehydrator untuk menjaga udara di dalamnya agar tetap
kering. Ini berarti pemakaian waveguide membutuhkan perawatan ekstra dan
tambahan dana.
Penjalaran gelombang elektromagnetik di dalam waveguide pada
prinsipnya sama dengan penjalarannya di ruang terbuka, tetapi tidak sama persis /
17
tidak identik. Di ruang terbuka gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh
antena akan menyebar ke segala arah, sedangkan di dalam waveguide penyebaran
gelombang elektromagnetik ini dibatasi oleh dinding-dinding yang terbuat dari
logam / konduktor. Gelombang elektromagnetik tidak bisa menembus logam,
tetapi sebaliknya malah akan dipantulkan. Pantulan sempurna dari dinding
waveguide inilah yang membuat gelombang elektromagnetik seolah-olah
mengalir didalamnya. Itulah sebabnya saluran transmisi ini disebut dengan
waveguide yang berarti membimbing gelombang (melalui dinding-dindingnya).
Dalam
bahasa
Indonesia
waveguide
diterjemahkan
sebagai
“bumbung
gelombang”.
Ada dua syarat batas (boundary condition) yang harus dipenuhi agar
gelombang elektromagnetik menjalar di dalam waveguide. Syarat pertama adalah
medan listrik dari gelombang elektromagnetik itu harus tegak lurus terhadap
dinding waveguide, dan syarat yang kedua adalah medan magnetnya harus
berbentuk lingkaran tertutup, sejajar dengan dinding waveguide dan harus tegak
lurus dengan arah medan listriknya. Dalam praktek kedua syarat ini mudah
dipenuhi dengan cara meletakkan konektor pada titik yang tepat.
3.6 Karakteristik Waveguide
Dalam waveguide ada dua karakteristik penting yaitu :
1. Frekuensi cut off, yg di tentukan oleh dimensi waveguide.
2. Mode gelombang yang ditransmisikan, yang memperlihatkan ada
tidaknya medan listrik atau medan magnet pada arah rambat.
Faktor-faktor dalam pemilihan waveguide sebagai saluran transmisi
antara:
1. Band frekuensi kerja, tergantung pada dimensi.
2. Transmisi daya, tergantung pada bahan.
3. Rugi-rugi transmisi, tergantung mode yang digunakan.
18
3.7 Waveguide Input / Output Metode
Sebuah waveguide beroperasi secara berbeda dari saluran transmisi biasa.
Oleh karena itu, perangkat khusus harus digunakan untuk meletakkan energi
menjadi Waveguide di satu ujung dan keluarkan dari ujung lain.
Tiga perangkat yang digunakan untuk menyuntikkan atau menghapus
waveguides adalah energi dari probe, loop, dan slot. Slots juga mungkin disebut
apertures atau WINDOWS.
Sebagaimana dibahas sebelumnya, ketika probe kecil dimasukkan ke
dalam Waveguide dan disertakan dengan energi gelombang mikro, ia bertindak
sebagai antena gelombang seperempat. Arus mengalir pada probe dan mendirikan
sebuah bidang E. E garis melepaskan diri dari pemeriksaan. Bila probe terletak
pada titik efisiensi tertinggi, E garis membentuk sebuah bidang E intensitas yang
cukup besar.
3.8 Electromagnetic Interference (EMI)
EMI (interferensi gelombang elektromagnetik) merupakan suatu fenomena
perambatan energi elektromagnetik. Terjadinya EMI ditandai dengan tiga buah
syarat, yaitu :
a. Sumber interferensi (source).
b. Media pembawa/penghantar/perambatan energi elektromagnetik
(coupling path) yang berperan untuk merambatkan /meneruskan
energi elektromagnetik dari sumber interferensi (source) ke
penerima interferensi (receptor).
c. Penerima interferensi (receptor)
Dimana ketiga syarat tersebut tersusun/terhubung.
Apabila ketiga syarat di atas telah terpenuhi, maka telah terjadi apa yang
kita sebut dengan interferensi gelombang elektromagnetik (EMI). Selanjutnya
yang perlu diperhatikan adalah efek dari EMI terhadap receptor :
Bila receptor tersebut sensitif terhadap EMI, maka tentunya akan
berakibat
pada
penurunan/degradasi
kinerja
receptor
yang
19
selanjutnya dapat dijadikan sebagai indikasi utama dalam melakukan
suatu analisa EMI.
Bila receptor tersebut tidak atau kurang sensitif terhadap EMI,
maka tentunya tidak atau belum akan terdeteksi terjadinya penurunan
kinerja receptor .
Dengan kata lain, penurunan kinerja dari suatu receptor merupakan salah
satu indikasi utama yang dapat digunakan sebagai pendekatan awal dalam
melakukan suatu analisa EMI.
3.9 Karakteristik EMI
Setelah kita mengetahui secara umum mengenai syarat-syarat dan indikasi
terjadinya EMI, selanjutnya yang perlu diperhatikan adalah determinasi dari
ketiga syarat tersebut. Secara umum, determinasi dari ketiga faktor tersebut dapat
dilakukan dengan mengelompokkan peralatan elektronik berdasarkan amplitudo
dan frekuensinya masing-masing. Yang dimaksud dengan amplitudo di sini adalah
tegangan, arus, maupun kuat medan (field strength) gelombang elektromagnetik,
baik yang dinyatakan sebagai fungsi arus f(i), maupun fungsi tegangan f(v).
Pada kenyataannya, cukup sulit untuk melakukan pemisahan-pemisahan
apakah sebuah perangkat elektronik berperan sebagai source atau sebagai
receptor. Akan tetapi terdapat kecenderungan yang dapat dijadikan sebagai acuan
bahwa suatu peralatan elektronik dengan amplitudo atau frekuensi yang lebih
tinggi akan cenderung berperan sebagai sumber interferensi bagi peralatan
elektronik lainnya dengan amplitudo atau frekuensi yang lebih rendah.
3.10 Kuat Medan
Kuat medan merupakan salah satu parameter seberapa besar pengaruh
EMI dari suatu source terhadap receptor. Kuat medan dinyatakan dalam
volt/meter dan diperoleh melalui persamaan :
Dimana :
E = nilai rms kuat medan (volt/meter)
P = rapat daya (watt/meter)
20
120π = impedansi ruang bebas (ohm)
Rapat daya ditunjukkan dengan persamaan berikut :
Dimana :
P = rapat daya (watt/meter)
PT = daya yang ditransmisikan (watt)
r = jarak (meter)
Kita dapat mengetahui besar kuat medan dari suatu transmiter (yang
berperan sebagai source) dengan melakukan pengukuran yang menggunakan
antena sebagai indikatornya. Di bawah ini adalah gambar set-up pengukuran kuat
medan dari suatu transmiter.
Tabel 1. Dimensi dan cut-off frekuensi
untuk bumbung gelombang persegi waveguide
Tipe
WG
Frekuensi
WG00
WG0
WG1
WG2
WG3
WG4
WG5
WG6
WG6
WG7
WG8
WG8
WG9A
WG9A
WG10
WG10
WG11A
WG12
WG12
WG13
WG14
WG14
WG15
WG15
0.32 - 0.49
0.35 - 0.53
0.41 - 0.625
0.49 - 0.75
0.64 - 0.96
0.75 - 1.12
0.96 - 1.45
1.12 - 1.70
1.12 - 1.70
1.45 - 2.20
1.70 - 2.60
1.70 - 2.60
2.20 - 3.30
2.20 - 3.30
2.60 - 3.95
2.60 - 3.95
3.30 - 4.90
3.95 x 5.85
3.95 x 5.85
4.90 - 7.05
5.85 - 8.20
5.85 - 8.20
7.05 - 10.0
7.05 - 10.0
Frekuensi Redaman dB
cut-off
/ 30m
0.256
0.281
0.328
0.393
0.513
0.605
0.766
0.908
0.908
1.157
1.372
1.372
1.736
1.736
2.078
2.078
2.577
3.152
3.152
3.711
4.301
4.301
5.26
5.26
Bahan
0.051 - 0.031
0.054 - 0.034
0.056 - 0.038
0.069 - 0.050
0.128 - 0.075
0.137 - 0.095
0.201 - 0.136
0.317 - 0.212
0.269 - 0.178
Alumunium
Alumunium
Alumunium
Alumunium
Alumunium
Alumunium
Alumunium
Kuningan
Alumunium
0.588 - 0.385
0.501 - 0.330
0.877 - 0.572
0.751 - 0.492
1.102 - 0.752
0.940 - 0.641
Kuningan
Alumunium
Kuningan
Alumunium
Kuningan
Alumunium
2.08 - 1.44
1.77 - 1.12
Kuningan
Alumunium
2.87 - 2.30
2.45 - 1.94
4.12 - 3.21
3.50 - 2.74
Kuningan
Alumunium
Kuningan
Alumunium
Dimensi
waveguide
(mm)
584 x 292
533 x 267
457 x 229
381 x 191
292 x 146
248 x 124
196 x 98
165 x 83
165 x 83
131 x 65
109 x 55
109 x 55
86 x 43
86 x 43
72 x 34
72 x 34
59 x 29
48 x 22
48 x 22
40 x 20
35 x 16
35 x 16
29 x 13
29 x 13