penentuan frekuensi maksimum komunikasi radio

Penentuan Frekuensi Maksimum Komunikasi Radio dan Sudut…..(Jiyo)
PENENTUAN FREKUENSI MAKSIMUM
KOMUNIKASI RADIO DAN SUDUT ELEVASI ANTENA
Jiyo
Peneliti Bidang Ionosfer dan Telekomunikasi, LAPAN
ABSTRACT
In this paper, the calculation of two parameters of HF radio communication were
discussed. That are maximum frequency and elevation angle. By using formulas of
calculation, we made a simulation by using an assumption of Earth radius at equatorial
region (6788.388 km). The analysis of relationship between that two parameters and
diurnal variation of ionosphere, we have 5 conclutions: (1) the maximum frequency of HF
communication depend on critical frequency (foF2) and height (h) of the ionosphere, and
distance (d) of transmiter-reciever, (2) in relation to diurnal variation, maximum
frequency of HF communication at day time are higher than its value in the night time,
(3) the longer distance of HF communication need higher value of maximum frequency,
(4) the longer distance of HF communication need higher antenna tower, and (5) night
time HF communication more sensitive to the objects in near area and it was need higher
antenna tower.
ABSTRAK
Pada makalah ini dibahas tentang perhitungan dua parameter komunikasi radio
HF yakni frekuensi maksimum dan sudut elevasi. Kemudian dengan perumusan
tersebut dilakukan simulasi menggunakan asumsi jari-jari bumi di ekuator yaitu
6378,388 kilometer. Dari analisis tentang hubungan antara dua parameter komunikasi
radio HF tersebut dengan variasi harian lapisan ionosfer, maka disimpulkan hal-hal
berikut : (1) frekuensi maksimum komunikasi radio HF bergantung kepada frekuensi
kritis (foF2) dan ketinggian (h) lapisan ionosfer serta jarak komunikasi (d); (2) karena
variasi harian lapisan ionosfer, maka frekuensi maksimum komunikasi radio pada siang
hari lebih besar dibandingkan nilainya pada malam hari; (3) untuk komunikasi radio
jarak jauh diperlukan frekuensi yang lebih tinggi dibandingkan komunikasi jarak dekat;
(4) untuk komunikasi jarak jauh diperlukan tiang antena yang lebih tinggi; (5) komunikasi
radio pada malam hari lebih rentan terhadap gangguan oleh obyek di sekitar antena
sehingga diperlukan tiang antena yang lebih tinggi.
Kata kunci: Frekuensi maksimum, Sudut elevasi, Komunikasi radio HF, Ionosfer
1
PENDAHULUAN
Perambatan
gelombang
radio
adalah perjalanan gelombang radio dari
stasiun pemancar (Tx) menuju stasiun
penerima (Rx). Prosesnya ada tiga cara
yaitu secara langsung (line of sight),
melalui permukaan bumi (ground wave),
dan melalui angkasa (sky wave).
Gelombang radio yang merambat di
angkasa dapat dipantulkan oleh lapisan
ionosfer sehingga menjangkau jarak
ribuan kilometer, dan bahkan mengelilingi
bumi tanpa perangkat pemancar ulang
(repeater). Pemantulan oleh lapisan
ionosfer bergantung kepada frekuensi
gelombang radio, frekuensi lapisan
ionosfer, ketinggian, dan jarak antara
stasiun
pemancar
dengan
stasiun
penerima.
Pemahaman tentang perambatan/
propagasi gelombang radio di angkasa
dan pemantulannya oleh lapisan ionosfer
menjadi penting agar dapat diketahui
25
Majalah Sains dan Teknologi Dirgantara Vol. 4 No. 1 Maret 2009:25-30
rentang frekuensi dan waktu pemantulan
itu terjadi. Selain itu dapat pula diketahui
perubahan frekuensi maksimum dari
gelombang radio yang dapat dipantulkan
oleh lapisan ionosfer ketika terjadi
perubahan frekuensi dan ketinggian
lapisan serja jarak komunikasi. Selanjutnya, jika terjadi perubahan frekuensi
maksimum komunikasi radio maka
dapat diambil langkah-langkah untuk
mengatisipasi akibatnya. Selain frekuensi
maksimum komunikasi radio, informasi
tentang sudut elevasi juga penting untuk
dipahami.
Penentuan frekuensi maksimum
komunikasi radio dapat menggunakan
perumusan secant dengan mempertimbangkan kelengkungan permukaan bumi.
Kelengkungan bumi bergantung kepada
jejarinya. Bentuk bumi tidak bulat
sempurna seperti bola akan tetapi
berbentuk bola pejal. Oleh karenanya,
jejari bumi di kutub dan di ekuator
berbeda nilainya. Untuk penyederhanaan,
maka pada makalah ini jari-jari bumi
yang digunakan adalah jejari bumi
daerah ekuator sehingga perumusan ini
hanya berlaku untuk daerah tersebut.
Tujuan dari pembahasan ini
adalah untuk memperoleh pemahaman
tentang penentuan frekuensi maksimum
komunikasi radio dan sudut elevasinya
serta perubahan kedua parameter tersebut
ketika frekuensi dan ketinggian lapisan
tersebut berubah. Dengan pemahaman
ini maka dapat diketahui pengaruh dari
kondisi ekstrim di lapisan ionosfer
terhadap kinerja komunikasi radio.
2
MENENTUKAN
MAKSIMUM
FREKUENSI
Frekuensi maksimum adalah satu
besaran yang sangat penting dalam
komunikasi HF (3-30 MHz). Frekuensi
maksimum bergantung kepada dua hal
yakni frekuensi kritis pada titik pantul di
lapisan ionosfer dan geometri dari sirkit
komunikasinya
(McNamara,
1992).
Perhatikan skema penjalaran gelombang
angkasa pada Gambar 2-1. Besaran yang
diketahui adalah jarak di permukaan
bumi antara stasiun pemancar (Tx) dan
penerima (Rx) yaitu d, ketinggian lapisan
ionosfer h, dan jari-jari bumi RB.
Ketiganya dalam satuan kilometer.
Rumus
frekuensi
maksimum
gelombang radio yang dapat dipantulkan
lapisan ionosfer (MOF, Maximum Oblique
Frequency) dengan frekuensi kritisnya fc
dan ketinggian h serta jarak lurus antara
Tx dan Rx d’ adalah sebagai berikut:
MOF  f c
1
(d ' )2
4
 ( h  h) 2
( h  h)
h
Gambar 2-1: Skema pemantulan gelombang radio oleh lapisan ionosfer
26
(2-1)
Penentuan Frekuensi Maksimum Komunikasi Radio dan Sudut…..(Jiyo)
Nilai fc dan h dapat diperoleh dari
pengamatan
ionosfer
menggunakan
ionosonda. Karena tidak semua parameter
ruas kanan persamaan (2-1) diketahui,
maka diturunkan dengan menggunakan
rumus-rumus pada alinea berikut.
Sudut 1 (dalam radian) dapat
dihitung menggunakan perbandingan
panjang busur ½ d dengan jejari bumi
(RB) sehingga diperoleh rumus berikut:
1 
d
2 RB
(elv) maka langkah penurunannya sebagai
berikut:
(2-2)
Gambar 3-1: Skema sudut elevasi
Kemudian h dapat diturunkan dari
perumusan cos 1 menggunakan perbandingan ruas RB dengan ruas (RB-h)
sehingga diperoleh rumus berikut :
Perhatikan Gambar 3-1 yang
merupakan cuplikan dari Gambar 2-1 di
titik Tx. Dari skema pada gambar ini,
maka diperoleh:
h  (1  cos 1 ) RB
(2-3)
 2   2  elevasi   90
(2-3)
atau
Jadi dengan
diperoleh :
rumus
(2-2)
dan
elevasi   2   2  90

 d 
  RB (2-4)
(h  h)  h  (1  cos1) RB  h  1  cos


 2RB  

Kemudian d’ dapat dihitung menggunakan
rumus berikut:
d '  2 RB sin 
(2-5)
Dengan demikianmaka
menjadi.

2
rumus
(2-1)
2
 d   
 d  
  h  1 cos
RB



 2RB   
 2RB  
 
 
 h  1 cos d R 



 B

 2RB  
 
MOF fc
3
(3-2)
Karena 1 =90-2 maka diperoleh rumus:
elevasi   2  1
(3-3)
Dengan 1 dari persamaan (2-2) dan
perumusan tangen 2 maka diperoleh
rumus berikut :
 h  1  cos 1 RB 

 2  arctan
2 RB sin  1


(3-4)
Jadi perhitungan sudut elevasi menjadi:
1
2R sin
4 B

(3-1)
(2-6)
MENGHITUNG SUDUT ELEVASI
Sudut elevasi mencakup dua hal
sekaligus yakni sudut pancar dan sudut
datang. Sudut pancar merupakan sudut
yang dibentuk oleh berkas gelombang
radio yang dipancarkan dan garis
horisontal di stasiun pemancar (Tx).
Sedangkan sudut datang diartikan
sebagai sudut yang dibentuk oleh berkas
gelombang datang dengan garis horisontal
di stasiun penerima (Rx) (McNamara,
1992). Untuk menentukan sudut elevasi


 
 h  1  cos  d   R 
 2R   B 


d
 B 


elevasi  arctan
 d 

 2 RB
 2 RB sin 2 R 1 
 B


(3-5)
Besaran sudut elevasi pada rumus (3-5)
adalah radian, sehingga untuk aplikasinya
perlu diubah menjadi derajat. Caranya
dengan mengalikan nilai sudut elevasi
dengan (180/π).
4
HASIL SIMULASI
Simulasi perhitungan MOF menggunakan rumus (2-6) menghasilkan
grafik pada Gambar 4-1. Untuk sirkit
komunikasi radio dengan jarak 1000 km,
27
Majalah Sains dan Teknologi Dirgantara Vol. 4 No. 1 Maret 2009:25-30
ketinggian titik pantul di lapisan ionosfer
200 km, dan beberapa nilai frekuensi
kritis dari 3 MHz hingga 15 MHz
dihasilkan grafik MOF pada Gambar 4-1(a).
Sedangkan grafik pada Gambar 4-1(b)
menunjukkan perubahan nilai MOF
dengan frekuensi kritis tetap (7 MHz)
dan untuk nilai ketinggian titik pantul
dari 200 km hingga 500 km. Kemudian
grafik pada Gambar 4-1(c) menunjukkan
perubahan MOF terhadap jarak sirkit
dengan frekuensi kritis 7 MHz dan
ketinggian titik pantul 200 km. Dalam
simulasi ini radius Bumi diasumsikan
untuk wilayah ekuator saja - seperti
wilayah Indonesia - sehingga diambil
nilainya 6378,388 kilometer (Esiklopedia
Indonesia).
Gambar
4-2
menunjukkan
perubahan sudut elevasi terhadap
perubahan jarak dan ketinggian titik
pantul. Grafik pada Gambar 4-2(a)
menunjukkan penurunan besaran sudut
elevasi terhadap pertambahan jarak
sirkit komunikasi untuk ketinggian titik
pantul 200 km. Sedangkan grafik pada
Gambar 4-2(b) menunjukkan kenaikan
besaran sudut elevasi sebagai akibat
semakin tingginya titik pantul di lapisan
ionosfer pada sirkit komunikasi radio
dengan jarak 1000 km.
Dengan simulasi tersebut diperoleh
informasi perubahan MOF dan sudut
elevasi yang lebih mudah dilihat secara
visual daripada menganalisis perubahan
variabel pada rumus (2-6) dan (3-5).
Dengan demikian akan mempermudah
analisis selanjutnya.
(a)
40
(b)
30
h =200km; d =1000km
d =1000 km; f c =7 MHz
27
35
h =200 km; f c =7MHz
30
25
20
15
MOF (MHz)
24
30
MOF (MHz)
MOF (MHz)
(c)
35
21
18
15
12
10
9
5
6
20
15
10
5
0
3
0
25
200
250
300
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
350
400
450
500
100
600
1100
1600
2100
2600
3100
d (Km)
h (Km)
f c (MHz)
Gambar 4-1: Variasi frekuensi maksimum (MOF) terhadap perubahan frekuensi kritis
lapisan ionosfer (a), terhadap ketinggian (b), dan jarak (c)
(a)
70
h =200km; RB=6378,388km;
d =1000km; RB=6378,388km
60
60
50
50
Elevasi (derajat)
Elevasi (derajat)
70
(b)
40
30
20
10
40
30
20
10
0
0
0
500
1000
1500
d (Km)
2000
2500
3000
200
250
300
350
400
450
500
h (Km)
Gambar 4-2 : Variasi sudut elevasi terhadap perubahan jarak (a) dan terhadap
ketinggian (b)
28
Penentuan Frekuensi Maksimum Komunikasi Radio dan Sudut…..(Jiyo)
5
PEMBAHASAN
Telah disebutkan bahwa MOF
merupakan salah satu besaran yang
penting dalam komunikasi radio HF.
Oleh karena itu pemahaman tentang
perubahannya
juga
akan
menjadi
penting untuk diketahui.
Dari grafik pada Gambar 4-1(a)
terlihat bahwa nilai MOF bertambah
tinggi seiring bertambah besarnya nilai fc.
Jadi, apabila terjadi kenaikan frekuensi
kritis lapisan ionosfer, maka frekuensi
maksimum komunikasi juga akan bertambah tinggi. Demikian pula sebaliknya
jika terjadi penurunan frekuensi kritis.
Variasi harian frekuensi kritis lapisan
ionosfer Indonesia (Jiyo, 2007) menunjukkan bahwa pada pukul 04.00-05.00
waktu setempat nilainya mencapai
minimum dan kemudian naik relatif
cepat pada selang waktu pukul 07.00
hingga pukul 11.00 waktu setempat.
Pada selang waktu pukul 11.00-15.00
waktu setempat nilai frekuensi kritis
relatif tidak berubah. Selanjutnya dari
pukul 15.00 waktu setempat hingga
tengah malam terjadi penurunan nilai
frekuensi kritis secara perlahan-lahan.
Sebagai akibatnya maka nilai MOF juga
akan mencapai minimum pada pukul
04.00-05.00 waktu setempat, MOF akan
berubah dengan cepat pada selang waktu
pukul 07.00-11.00 waktu setempat, MOF
relatif stabil pada pukul 11.00-15.00
waktu setempat, kemudian MOF akan
menurun perlahan-lahan hingga tengah
malam.
Kemudian grafik pada Gambar
4-1(b) menunjukkan bahwa nilai MOF
menurun seiring bertambahnya ketinggian
titik pantul. Ketinggian lapisan ionosferkhususnya lapisan F2 – pada siang hari
relatif lebih tinggi dibandingkan nilainya
pada malam hari (misalnya Jiyo, 2008).
Sebagai dampaknya adalah jika nilai
frekuensi kritis tetap maka MOF pada
siang hari lebih rendah dibandingkan
pada malam hari. Pada kenyataannya
justru pada malam hari cenderung
terjadi penurunan nilai fc maupun h
sehingga akan menurunkan dan sekaligus
menaikkan nilai MOF. Yang terjadi
justru MOF siang hari lebih tinggi
dibandingkan pada malam hari. Hal ini
menunjukkan bahwa pengaruh faktor fc
pada
persamaan
2-7
lebih
kuat
dibandingkan h.
Selanjutnya grafik pada Gambar
4-1(c) memperlihatkan kenaikan MOF
terhadap pertambahan jarak antara
pemancar dengan penerima (d). Semakin
jauh lokasi stasiun penerima maka
semakin tinggi nilai MOF-nya. Ini
pemahaman dengan mengabaikan faktor
fc dan h. Jika ketiga faktor fc, h, dan d
secara serentak diperhitungkan maka
pembahasannya sedikit lebih kompleks
sehingga pada pembahasan ini akan
ditinjau secara lebih sederhana dan
umum. Pada siang hari umumnya nilai
MOF lebih tinggi dibandingkan nilainya
pada malam hari. Kemudian nilai MOF
untuk sirkit komunikasi jarak jauh lebih
tinggi dibandingkan untuk komunikasi
jarak dekat. Dengan demikian untuk
komunikasi radio jarak jauh diperlukan
frekuensi yang lebih tinggi dibandingkan
komunikasi jarak dekat.
Grafik
pada
Gambar
4-2(a)
menunjukkan bahwa semakin jauh jarak
komunikasi, maka sudut elevasinya
semakin kecil. Sedangkan grafik Gambar
4-2(b) memperlihatkan kenaikan sudut
elevasi terhadap kenaikan ketinggian.
Komunikasi radio jarak dekat sudut
elevasinya besar sehingga ketinggian
antena tidak harus tinggi. Sebaliknya
untuk komunikasi jarak jauh diperlukan
tiang antena yang cukup tinggi. Jika
terlalu rendah, maka objek yang ada di
sekitar antena akan menghalangi berkas
gelombang yang seharusnya mencapai
stasiun penerima. Sudut elevasi yang
kecil artinya berkas gelombang hampir
sejajar dengan permukaan bumi di sekitar
antena sehingga terjadi kemungkinan
gelombang yang dipancarkan pada sudut
tersebut merambat di sepanjang permukaan bumi (ground wave). Jika terjadi
kondisi seperti ini maka kemungkinan
gelombang radio tidak bisa menjangkau
29
Majalah Sains dan Teknologi Dirgantara Vol. 4 No. 1 Maret 2009:25-30
stasiun yang dituju karena terserap oleh
permukaan bumi.
Selanjutnya, telah disebutkan
bahwa secara umum nilai h pada malam
hari lebih rendah daripada nilainya pada
siang hari. Berdasarkan grafik pada
Gambar 4-2(b), maka sudut elevasi pada
malam hari lebih kecil dibandingkan
siang hari. Ini memberikan implikasi
bahwa komunikasi malam hari diperlukan
tiang antena yang lebih tinggi untuk
meningkatkan keberhasilannya. Hal ini
juga memperlihatkan bahwa kemungkinan
gangguan komunikasi oleh objek di
sekitar antena akan lebih besar terjadi
pada malam hari. Sedangkan pada siang
hari relatif lebih kecil.
Pemahaman ini disimpulkan dari
analisis perilaku lapisan ionosfer dan
perumusan untuk menentukan besarnya
frekuensi maksimum. Pembuktian di
lapangan diperlukan untuk mengkonfirmasikan hasil-hasil tersebut.
6
KESIMPULAN
Dari pembahasan di bab 5 maka
dapat disimpulkan hal-hal berikut :
 Frekuensi maksimum komunikasi radio
HF bergantung kepada frekuensi kritis
(foF2) dan ketinggian (h) lapisan ionosfer
serta jarak komunikasi (d),
 Karena frekuensi kritis lapisan ionosfer
pada siang hari lebih tinggi dibandingkan
nilainya pada malam hari, maka
30
frekuensi maksimum komunikasi radio
pada siang hari juga lebih tinggi
dibandingkan nilainya pada malam hari,
 Untuk komunikasi radio jarak jauh
diperlukan frekuensi yang lebih tinggi
dibandingkan komunikasi jarak dekat,
 Untuk komunikasi jarak jauh diperlukan
tiang antena yang lebih tinggi,
 Komunikasi radio pada malam hari
lebih rentan terhadap gangguan oleh
objek di sekitar antena sehingga
diperlukan tiang antena yang lebih
tinggi.
DAFTAR RUJUKAN
----,
Ensiklopedia
Indonesia,
Edisi
Khusus, P.T. Ichtiar Baru – Van
Hove, Jakarta, halaman 543.
Jiyo, 2007. Variasi Lapisan F Ionosfer
Indonesia, Publikasi Ilmiah LAPAN:
Sains Atmosfer & Iklim, Sains
Antariksa serta Pemanfaatannya,
halaman 147-153.
Jiyo, 2008. Metode Pembacaan Data
Ionosfer Hasil Pengamatan Menggunakan Ionosonda FMCW, Berita
Dirgantara, Vol. 9 No. 2, halaman
25-30.
McNamara, L. F., 1992. The Ionosophere :
Cummunications, Surveillance, and
Direction Finding, Kreiger Publishing
Company, halaman 42-43.