BAB II Teori Dasar Antena Horn

BAB II
Teori Dasar Antena Horn
2.1
Studi Literatur Jurnal
Ada tiga tema mengenai antena horn yang penulis pelajari dan menjadi
referensi untuk tugas akhir ini yaitu :
a.
Dual-polarized double ridged horn antenna for wideband application
Antena horn ini menggunakan 2 tipe polarisasi dengan dipasangnya 2
tanduk pada 2 sisi corong antena tersebut. Antena ini dengan dual-polarization
secara luas digunakan dalam komunikasi sistem seperti ECM dan DF sistem.
Dalam antenan ini terdapat double-ridged dengan polarisasi ganda dengan
menggunakan frekuensi 8-18 Ghz. Secara umum antena horn dengan dual-ridged
hanya memiliki 1 polarisasi di dalam frekuansi kerja.
Gambar 2.1 Dual-ridged horn Antena dengan 5 Layer Polarizer
5
6
Oleh karena itu didalam antenan ini perancang penambahkan five layer
polarizer untuk memberikan 2 polarisasi dalam suatu frekuensi kerja. Dalam
rangka mencapai polarisasi ganda strip lebar, strip spasi dan lapisan jarak yang
dioptimalkan. Software CST digunakan untuk analisis antena yang dirancang. [3]
b.
Quad-Ridged Horn Antenna for UWB Applications
Antena horn ini menggunakan quad-ridged pada 4 sisi dalam aperture
antena horn. Berdasarkan VSWR ≤ 2.6 , dengan lebar pita untuk aplikasi UWB 8
- 18 Ghz. Antena jenis ini paling cocok digunakan untuk sistem radar dan aplikasi
gelombang mikro dengan gain yang didapatkan 10,5 - 13 dB. Metode Penelitian
pada antena ini adalah dengan pembuatan dari 3 tahapan bagian horn antena.
Dengan tahapan sebagai berikut :
1) Pembuatan quadruple-ridged waveguide
2) Pembuatan square shorting plate
3) Pembuatan flare section of the horn dengan tapered quadruple-ridges. [4]
Gambar 2.2 Quad-Ridged Horn Antenna
7
c.
Design and Optimisation of a High-Frequency EMC wideband Horn
Antena
Sebuah pendekatan baru untuk desain frekuensi tinggi antena dengan
kompatibilitas elektromagnetik double-ridged horn antena. Dalam pendekatan ini
dikenalkan tipe DRH antena yang dianggap memiliki frekuensi kerja 1-18 Ghz.
Dan dilakukan beberapa modifikasi bentuk antena untuk mengatasi kekurangan
terutama dalam pola radiasi antena ini pada frekuensi yang lebih tinggi. Kemudian
akan dirancang antena horn dengan frekuensi kerja 18-40 Ghz menggunakan
pendekatan ini.Untuk mendapatkan dan mengoptimalisasi nilai VSWR dalam
penelitian ini digunakan metode interpolated quasi-Newton method untuk
mendapatkan nilai VSWR < 1,5 pada frekuensi kerja 18-40Ghz. [5]
Gambar 2.3 DRH Antena dengan Frekuensi kerja 18-40 Ghz
2.2
Pengertian Antena
Antena
adalah
elemen penting
yang ada
pada
setiap sistem
Telekomunikasi tanpa kabel (nirkabel/wireless), tidak ada sistem telekomunikasi
8
wireless yang tidak menggunakan antena. Antena sendiri berfungsi sebagai
pemancar dan penerima gelombang radio elektromagnetik.
Antena pun berfungsi sebagai transduser (pengubah) elektromagnetis,
yaitu yang digunakan untuk mengubah gelombang tertuntun di dalam saluran
transmisi kabel menjadi gelombang yang merambat di ruang bebas, serta sebagai
alat penerima mengubah gelombang elektromagnetis ruang bebas menjadi
gelombang tertuntun.
2.2.1
Penggunaan Antena
Keberadaan antena pada sistem telekomunikasi tanpa kabel menjadi
suatu yang tidak bisa dihindarkan. Setiap aplikasi menuntun suatu karakteristik
dari antena yang dipakainya, yang harus didapatkan pada proses perencanaan
perancangan antena. Berikut tiga bidang aplikasi penting dari penggunaan antena.
a. Telekomunikasi
Penggunaan
antena
pada
sistem
telekomunikasi
diprioritaskan
penggunaannya ketimbang penggunaan kabel (saluran transmisi) dikarenakan
beberapa
alasan-alasan
yaitu
ketidak-mungkinan,
ketidakpraktisan
dan
ketidakefisiensian.
b. Radar (RAdio Detection And Ranging)
Radar adalah sistem pendeteksi obyek dengan menggunakan radio
gelombang electromagnetik untuk menentukan jarak, ketinggian, arah dan bahkan
kecepatan dari suatu obyek yang bergerak maupun yang tidak bergerak.
9
Diteknik radar, antena yang di pergunakan harus memiliki beamwidth
yang sangat kecil, sehingga bisa menentukan obyek satu dengan yang lainnya.
Gambar 2.4 Beamwidth sebuah Antena Radar
c. Astronomi Radio
Pada Astronomi digunakan pula beamwidth yang sangat kecil untuk
mendapatkan data-data obyek di luar angkasa yang lebih objektif.
2.2.2
Horn Antena
Antena yang memiliki pelebaran di dua bidang utamanya, yaitu antena
horn sektor E dan antena horn sektor H. Sebagai konsekuensi logis dari pelebaran
di dua sektor ini maka pemfokusan (gain) energi juga terjadi di dua bidang utama.
10
Gambar 2.5 Antena horn
2.3
Besaran Penting Antena
Besaran penting antena sangat penting dalam perakitan dan perancangan
sebuah antena. Hal ini untuk menentukan nilai-nilai dan tipe aplikasi antena yang
akan dirancang dan digunakan.
2.3.1
Diagram Radiasi
Diagram radiasi antena adalah sebagai besaran yang menentukan ke arah
sudut mana sebuah antena memancarkan energi elektromagnetisnya. Diagram
radiasi menggambarkan distribusi energi yang di pancarkan oleh antena di ruang
bebas. Besaran ini diukur pada medan jauh (far-field) dengan jarak yang konstan
ke antena, dan di variasikan terdahap sudut biasanya sudut ϑ dan φ. sehingga bisa
di bedakan antena-antena yang mempunyai sifat pancar berupa Isotrop,
Omnidireksional dan Direksional. Adapun pengertian dari masing-masing sifat
pancar sebagai berikut.
11
a) Pola Isotropis
Merupakan pola antena referensi dimana pola radiasi seperti bola
menyebar ke segala arah, namun dalam kenyataanya tidak dapat
direalisasikan (fiktif).
b) Pola Omnidirectional
Pola radiasi antena yang menyebar ke segala arah hanya di suatu bidang
tertentu.
c) Pola Directional
Merupakan pola radiasi yang bisa mengonsentrasikan energinya ke arah
sudut tertentu.
2.3.2
Main, Side dan Back Lobe Level
Radiasi antena yang dipancarkan memiliki tiga daerah pancaran yaitu
main lobe (radiasi utama), side lobe (radiasi samping) dan back lobe (radiasi
belakang). Pada radiasi utama ini energi difokuskan pada suatu arah tertentu yang
bersifat direktif seperti digambarkan pada Gambar 2.6. Semakin menjauh dari
radiasi utama pancaran antena akan semakin mengecil sampai ke garis nol yang
artinya tidak memiliki pancaran energi sama sekali.
Dan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6, pancaran energi dengan
semakin membesarnya sudut, setelah mencapai nilai minimum (yaitu level nol),
bisa kembali membesar dan mencapai suatu (lokal) maksimum. Nilai radiasi
maksimum ini yang disebut dengan radiasi samping (side lobe).
Pada banyak sekali aplikasi antena, tinggi dari radiasi samping ini tidak
boleh terlalu besar, sehingga harus ada perbandingn minimal tertentu antara
12
intensitas pada radiasi utama dengan intensitas pada radiasi samping yang tidak
boleh terlewati.
Pada sudut tepat bertolak belakang pada sudut arah pancaran utama
(main lobe) didapatkan arah yang dinamakan arah radiasi belakang (back lobe).
1
Radiasi Utama
(main lobe)
.8
Garis 1/√2 (medan)
Atau garis √0,5 (daya)
.6
hpbw
Radiasi samping
(side lobe)
.4
Radiasi belakang
(back lobe)
.2
fnbw
-π
0
π
Gambar 2.6 Diagram Radiasi antena direksional
2.3.3
Half Power Beam Width
Gambar 2.5 menunjukkan diagram radiasi dari sebuah antena direksional
secara kartesian, dengan sumbu horizontalnya merupakan sudut, misalnya φ.
Didefinisikan disini, φ = 0o adalah arah pancaran utama, dan di Gambar 2.6 bisa
dilihat diagram radiasinya memiliki nilai maksimum. Menjauh dari arah radiasi
utama, pancaran antena mengecil secara monoton, sehingga sampai pada suatu
besar tertentu pancaran energi ini bisa dianggap tak lagi memberikan kontribusi.
Di dalam fisika dan teknik didefinisikan suatu batasan, jika daya mengecil sampai
13
ke 50% dari daya maksimalnya (atau 70,7% dari intensitas listrik/magnetnya),
maka kita mendapatkan batas untuk wilayah efektif tersebut. Dan wilayah efektif
tersebut mempunyai lebar pancar yang dibatasi oleh kedua sudut batas pada daya
50%. Interval ini disebut juga half-power beamwdth (hpbw). Dengan kata lain
hpbw adalah sudut dari selisih titik-titik pada setengah pola daya dalam main
lobe, yang dapat dinyatakan dalam rumus sebagai berikut :
HPBW = | ӨHPBW left - ӨHPBW right |
(2.1)
Dengan ӨHPBW left dan ӨHPBW right : titik-titik pada kiri dan kanan dari main
lobe dimana pola daya mempunya harga
.
Makin menjauh dari radiasi utama (main lobe) pancaran antena makin
mengecil, dan sampai pada garis nol, yang artinya ke arah sudut tersebut tidak ada
pancaran energi sama sekali. Sudut interval yang dibatasi oleh level nol ke nol ini
disebut juga first null beamwidth (fnbw).
2.3.4
Direktivitas Antena
Karakter pancar antena didefinisikan pada meda jauh (far-field), atau
kemampuan antena dalam mengarahkan radiasi sinyal nya, atau penerimaan sinyal
dari arah tertentu. Satuan yang digunakan untuk gain adalah desibel (dB). Pada
kondisi medan jauh ini, pad suatu jarak/radius tertentu, kita akan mendapatkan
medan listrik yang merupakan fungsi dari sudut ϑ dan φ. dan medan magnet yang
juga merupakan fungsi dari kedua sudut tersebut.
14
E = E (ϑ,φ)
H = H (ϑ,φ)
(2.2)
Keduanya saling terkait satu dengan lainnya sesuai dengan rumus :
H(ϑ,φ) =
E(ϑ,φ)
Zo adalah impedansi gelombang ruang bebas, dengan Zo =
(2.3)
= 120π ohm.
Persamaan diatas memberikan hubungan proporsional antara medan magnet dan
medan listrik, tetapi secara vektor keduanya saling tegak lurus satu dengan
lainnya. Vektor pointing (kerapatan daya), yang secara singkatnya di sini
dituliskan dengan.
ϑφ
ϑφ
(2.4)
Vektor pointing menggambarkan aliran daya, yang pada rumus di atas
mempunyai arah radial keluar dari antena dan mempunyai besar sebagai fungsi
dari radial keluar dari antena dan mempunyai besar sebagai fungsi dari ϑ dan φ.
Sedangkan daya pancar total bisa didapatkan dengan perhitungan integrasi
permukaan tertutup yang menyelubungi antena pemancar itu.
Kerapatan daya S(ϑ, φ) di suatu tempat menggambarkan potensi daya
elektromagnetika yang bisa diterima. Tugas dari perancangan antena adalah
meletakan sebuah antena dengan luasan efektif tertentu Aeff sehingga didapatkan
daya terima minimal yang bisa dikirimkan ke elektronika penerima (Pr=S Aeff).
15
Besarnya komponen radial dari vektor pointing ini adalah :
(2.5)
Dengan
:
|E| =
(Resultan dari magnitude medan listrik)
EӨ : Komponen medan listrik
Eϕ : Komponen medan magnet
ɳ
2.3.5
: Impedansi ruang bebas
Gain Antena
Gain antena adalah salah satu besaran dan karakteristik penting dalam
merancang sebuah antena. Karakter antena yang terkait dengan kemampuan
antena mengarahkan radiasi sinyalnya, atau penerimaan sinyal dari arah tertentu.
Gain bukanlah kuantitas yang dapat diukur dalam satuan fisis pada umumnya
seperti watt, ohm atau lainnya, melaikan suatu bentuk perbandingan. Oleh karena
itu satuan yang digunakan untuk gain adalah desibel (dB).
Gain dapat diperoleh dengan mengukur power pada main lobe dan
membandingkan powernya dengan power pada antena referensi. Gain antena
diukur dalam desibel, bisa dalam dbi ataupun dBd. Jika antena referensi adalah
sebuah dipole, antena diukur dalam dBd. “d” di sini mewakili dipole, jadi gain
16
antena diukur relative terhadap sebuah antena dipole. Jika antena referensi adalah
sebuah isotropic, jadi gain antena diukur relatif terhadap sebuah antena isotropic.
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 (gain)
didefinisikan sebagai 4π kali rasio dari intensitas pada suatu arah dengan daya
yang diterima antena, dinyatakan dengan :
G (Ө, )
(2.6)
Definisi ini tidak termasuk losses yang disebabkan oleh ketidaksesuaian
impedansi atau polarisasi. Harga maksimul dari gain adalah harga maksimum dari
intensitas radiasi atau harga maksimum dari persamaan (2.6), sehingga dapat
dinyatakan kembali
G
(2.7)
Jadi gain dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi dari Ө dan ϕ, dan juga
dapat dinyatakan sebagai suatu harga pada suatu arah tertentu. Jika tidak ada arah
yang ditentukan dan harga power gain tidak dinyatakan sebagai suatu fungsi dari
Ө dan ϕ, diasumsikan sebagai gain maksimum.
Direktivitas dapat ditulis sebagai
D
,
jika dibandingkan
dengan persamaan (2.7) maka akan terlihat bahwa perbedaan gain maksimum
dengan direktivitas hanya terletak pada jumlah daya yang digunakan. Direktivitas
dapat menyatakan gain suatu antena jika seluruh daya input menjadi daya radiasi.
17
Dan hal ini tidak mungkin terjadi karena adanya losses pada daya input. Bagian
daya input (Pin) yang tidak muncul sebagai daya radiasi diserap oleh antena dan
struktur yang dekat dengannya.. Hal tersebut menimbulkan suatu definisi baru,
yaitu yang disebut dengan effisiensi radiasi, dapat dinyatakan dalam persamaan
berikut :
e=
(2.8)
Dengan catatan 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
(2.9)
Persamaan diatas adalah persamaan yang secara teori bisa digunakan
untuk menghitung gain suatu antena. Namun dalam prakteknya jarang gain antena
dihitung berdasarkan direktivitas dan efisiensi yang dimilikinya, karena untuk
mendapatkan
direktivitas antena memang diperlukan perhitungan yang tidak
mudah. Sehingga pada umumnya orang lebih suka menyatakan gain maksimum
suatu antenan dengan cara membandingkanya dengan antena lain yang dianggap
sebagai antena standard (dengan metode pengukuran). Salah satu metode
pengukuran power gain seperti pada gambar 2.7. Sebuah antena sebagai sumber
radiasi, dicatu dengan daya tetap oleh transmitter sebesar Pin. Pertama antena
standard dengan power gain maksimum yang sudah diketahui (Gs) digunakan
sebagai antena penerima seperti terlihat pada gambar 2.7a. Kedua antena ini
memang saling diarahkan sedemikian sehingga diperoleh daya output (Ps) yang
maksimum pada antena penerima. Selanjutnya dalam posisi yang sama antena
18
standard diganti dengan antena yang akan dicari power gain-nya, sebagaimana
terlihat pada gambar 2.7b. Dalam posisi ini antena penerima harus mempunyai
polarisasi yang sama dengan antena standard dan selanjutnya diarahkan
sedemikian rupa agar diperoleh daya output Pt yang maksimum. Apabila pada
antena standard sudah diketahui gain maksimumnya, maka dari pengukuran
diatas gain maksimum antena yang dicari dapat dihitung dengan :
Gt =
(2.10)
Atau jiga dinyatakan dalam desibel adalah :
Gt (dB) = Pt (dB) - Ps (dB) + Gs (dB)
Pin
Gs
(2.11)
Ps
(a)
Pin
Gt
Pt
(b)
Gambar 2.7 Metode Pengukuran Gain antena dengan antena standard
(a) Pengukuran daya output yang diterima oleh antena standard (Ps)
(b) Pengukuran daya output yang diterima oleh antena yang di test (Pt)
19
2.3.6
Impedansi
Impedansi masukan didefinisikan sebagai impedansi yang diberikan oleh
antena kepada rangkaian di luar, pada suatu titik acuant tertentu. Seperti
divisualisasikan pada gambar 2.8, saluran transmisi penghubung yang
dipasangkan antena, akan melihat antena tersebut sebagai beban dengan
impedansi beban sebesar Zin.
Impedansi ini merupakan perbandingan tegangan dan arus atau
perbandingan komponen medan listrik dan medan magnet yang sesuai dengan
orientasinya. Impedansi masukan penting untuk pencapaian kondisi matching
pada saat antena dihubungkan dengan sumber tegangan, sehingga semua sinyal
yang dikirimkan ke antena akan terpancarkan dengan baik. Atau antena penerima,
jika kondisi matching tercapai, energi yang diterima antena akan bisa dikirimkan
ke receiver.
Saluran
transmisi Zo
Zin
E
Gambar 2.8 Impedansi masukan
V
20
Kondisi beban dengan impedansi Zin yang dipasangkan pada saluran
transmisi dengan impedansi gelombang sebesar Zo akan mengakibatkan refleksi
sebesar.
r=
(2.12)
yang secara logaritma bisa dihitung dengan
rdB = 20log|r|
(2.13)
Selain dari itu dalam mengkuantifikasikan besaran refleksi, bisa
digunakan rasio gelombang tegangan berdiri (voltage standing wave ratio/
VSWR).
Dalam aplikasinya sebuah antena sering dianggap telah memiliki kinerja
refleksi yang bagus jika faktor refleksinya rdB ≤ -10dB atau |r| ≤ 0,316 (10 %
energinya direfleksikan kembali ke pemancar) dan VSWR < 1,92.
2.3.7
Faktor Refleksi
Faktor refleksi (return loss) adalah perbandingan antara amplitudo dari
gelombang
yang
direfleksikan
terhadap
amplitudo
gelombang
yang
dikirimkan. Return loss dapat terjadi karena adanya diskontinuitas di antara
saluran transmisi dengan impedansi masukan beban (antena). Pada rangkaian
gelombang mikro yang memiliki diskontinuitas (mismatched), besarnya return
loss bervariasi tergantung pada frekuensi seperti yang ditunjukkan oleh persamaan
(2.12) dan persamaan (2.13).
21
Nilai dari return loss yang baik adalah di bawah -9,54 dB, nilai ini
diperoleh untuk nilai VSWR ≤ 2 sehingga dapat dikatakan nilai gelombang yang
direfleksikan tidak terlalu besar dibandingkan dengan gelombang yang dikirimkan
atau dengan kata lain, saluran transmisi sudah matching. Nilai parameter ini
menjadi salah satu acuan untuk melihat apakah antena sudah dapat bekerja pada
frekuensi yang diharapkan atau tidak.
2.3.8
Polarisasi Antena
Polarisasi dari sebuah antena menginformasikan ke arah mana medan
listrik memiliki orientasi dalam perambatannya. Ada dua macam polarisasi :
1)
Polarisasi linier
Pada polarisasi linier, arah medan listrik tidak berubah dengan waktu,
yang berubah hanya orientasinya saja (positif-negatif).
x
y
z
Gambar 2.9 Polarisasi linier
Gambar 2.2 menunjukkan sebuah gelombang yang memiliki polarisasi linier yang
vertikal. Medan listrik terletak secara vertikal. Pada gambar tersebut arah medan
listrik selalu menunjuk ke sumbu x positif atau negatif dan arah medan magnetnya selalu ke sumbu y positif atau negatif.
22
Polarisasi linier vertikal bisa dihasilkan dengan antena dipole yang
vertikal. Gelombang yang memiliki polarisasi linier vertikal juga harus diterima
dengan antena yang bisa menghasilkan polarisasi vertikal. Antena horn dan antena
reflektor juga menghasilkan polarisasi vertikal sesuai dengan peletakannya. Jika
bidang lebar didatarkan, maka akan dihasilkan polarisasi vertikal. Jika bidang
lebarnya didirikan, akan didapatkan polarisasi horisontal (medan listrik terletak
horisontal).
2)
Polarisasi Eliptis
Berbeda dengan polarisasi linier, pada gelombang yang mempunyai
polarisasi eliptis, dengan berjalannya waktu dan perambatannya, medan listrik
dari gelombang itu melakukan putaran dengan ujung panah-panahnya terletak
pada permukaan silinder dengan penampang elips. Polarisasi eliptis digunakan
denga tujuan mengantisipasi kemungkinan penerimaan sinyal yang tidak diketahui
polarisasinya. Pada aplikasi satelit, sinyal akan mengalami depolarisasi ketika
menembus awan. Polarisasi gelombang akan berubah ke arah yang tidak bisa di
prediksikan. Bagi gelombang berpolarisasi eliptis hal ini tidak berpengaruh.
x
y
z
Gambar 2.10 Polarisasi Elips
23
2.3.9
Bandwidth Antena
Bandwidth sebuah antena didefinisikan sebagai interval frekuensi, di
dalamnya antena bekerja sesuai dengan yang ditetapkan oleh spesifikasi yang
diberikan. Spesifikasi tersebut meliputi: diagram radiasi, tinggi dari side lobe,
gain, polarisasi, impedansi masukan/faktor refleksi dan Frekuensi cut-off seperti
yang telah diterangkan pada bagian sebelumnya.
Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemancar 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.
Bandwidth dapat dicari dengan rumus sebagai berikut :
BW =
(2.14)
Dengan keterangan :
f1 = frekuesni terendah
f2 = frekuensi tertinggi
fc = frekuensi tengah
Dengan rumusan untuk perhitungan frekuensi cut-off pada waveguide
sebagai berikut :
π
π
π
(2.15)
24
2.3.10
VSWR
VSWR (voltage standing wave ratio) adalah perbandingan antara
tegangan maksimum dan minimum pada suatu gelombang berdiri akibat adanya
pantulan gelombang yang disebabkan tidak matching-nya impedansi input antena
dengan saluran feeder.
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 pemantulan energi yang dipancarkan atau diterima, VSWR adalah
perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum
(|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen
gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang
direfleksikan (V0-). Perbandingan antara tegangan yang direfleksikan dengan yang
dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (r), yaitu :
r=
(2.16)
di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi
saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (r) memiliki nilai kompleks, yang
merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Dan didapatkan
nilai untuk perhitungan VSWR sendiri yaitu :
VSWR =
(2.17)
25
2.3.11
Frekuensi Gelombang Radio
Gelombang adalah getaran (atau osilasi yaitu suatu gerakan bolak-balik
secara periodek) yang merambat. Bentuk ideal dari suatu gelombang akan
mengikuti gerak sinusoide. Contohnya seperti gelombang ombak di pantai. Radio
adalah bentuk radiasi elektromagnetik (gelombang elektromagnetik). Gelombang
radio adalah satu bentuk dari radiasi elektromagnetik, dan terbentuk ketika objek
bermuatan listrik dari gelombang osilator (gelombang pembawa) dimodulasi
dengan gelombang audio (ditumpangkan frekuensinya) pada frekuensi yang
terdapat dalam frekuensi gelombang radio (RF radio frequency) pada suatu
spektrum elektromagnetik, dan radiasi elektromagnetiknya bergerak dengan cara
osilasi elektrik maupun magnetik. Band frekuensi adalah bagian kecil dari
Spectrum frekuensi komunikasi radio.. Jenis band frekuensi yang digunakan
sebagai frekuensi RF (Radio Frequency) adalah SHF atau super high frequency.
Band ini biasa dikenal sebagai centi meter band karena memiliki dimensi 1
sampai 10 centimeter. Dibawah ini tabel frekuensi SHF band frekuensi.
Tabel 2.1 Band Frekuensi SHF
Nama band
Range Frequency (gHz)
Diameter Waveguide (mm)
S
2.60 - 3.95
72.136 x 34.036
C
5.85 - 8.20
34.8488 x 15.7988
X
8.2 - 12.4
22.86 x 10.16
Ku
12.4 - 18
15.7988 x 7.8994
Ka
26.5 to 40
7.112 x 3.556
26
2.4
Pengukuran Besaran Antena
Dalam proses perancangan suatu antena ada dua langkah penting yang
biasa dilakukan. Tahap pertama adalah perhitungan secara teoritis, tahap pertama
ini dilakukan perkiraan kasar akan besaran dari dimensi antena dengan
menggunakan rumus sederhana dan bantuan software yang bekerja dengan basis
metode numerik untuk elektromagnetika yang merupakan solusi dari persamaan
Maxwell secara eksak. Langkah ini memberikan model atau abstraksi dari antena
nyata yang dianggap bisa mewakili apa yang ada dilapangan.
Tahap kedua adalah pembuatan atau fabrikasi yang didapatkan dari hasil
langkah pertama. Dan yang terakhir adalah pengukuran atau validasi untuk
pengukur performansi elektrisnya dengan mengamati besaran-besaran penting
antena untuk memastikan keberhasilan dari proses perancangan itu sendiri.
2.4.1
Pengukuran Diagram Radiasi
Diagram radiasi dari suatu antena pemancar adalah distribusi energi yang
dipancarkan oleh antena itu ke ruang, jadi diagram radiasi adalah fungsi dari sudut
elevasi ϑ dan sudut azimut φ dan bukan fungsi dari jarak r. Untuk mengetahui
diagram radiasi ini secara pengukuran, dilakukan pengukuran dengan mensampel
medan listrik/magnet yang dihasilkan oleh AUT dengan menggunakan antena
pengukur.
Pengukuran diagram radiasi sebuah antena adalah suatu proses yang sulit,
karena adanya gangguan sinyal lain (pada ruang terbuka), ataupun sinyal
27
multipath akibat refleksi pada struktur disekitar tempat pengukuran. Oleh karena
itu pengukuran sebaiknya dilakukan pada anechoic chamber.
2.4.2
Pengukuran Gain
Pengukuran gain dari antena akan melengkapi data secara absolut. Cara
yang paling sederhana untuk mengukur sebuah gain antena adalah metode dua
antena. Dalam pengukuran ini digunakan dua antena yang sama, yang belum
diketahui gain nya. Antena ini dipakai sebagai antena pengukur sekaligus sebagai
AUT. Jadi harus difabrikasi dua buah antena yang eksak sama.
Jika kedua antena ini dipisahkan sejau R, antena pengukur menggunakan
daya pancar sebesar PT , maka daya terima untuk orientasi optimal kedua antena
adalah :
PR =
GTo . GRo . PT
(2.18)
Untuk antena yang sama (andaikan identis) berlaku GTo . GRo = Go , maka
dari daya yang diterima, bisa dihitung gain dari kedua antena tersebut.
Go =
(2.19)
Ada pula cara penentuan gain dengan menggunakan beamwidth antena
tersebut, yang terdiri dari hasil kali beamwidth bidang E (vertikal) BWE dan
bidang H (horisontal) BWH atau merupakan definisi beamwidth bidang (main
beam solid angle).
28
ΩM = BWE BWH
(2.20)
Dan gain bisa di aproksimasikan dengan
G=ε
(2.21)
ε adalah efisiensi pancaran yang nilainya sering diberikan dengan 0,63. BWE dan
BWH diberikan dalam radian, yang kalai diubah ke derajat melalui hubungan :
BWE,H = BWE,H,o
= 0,0175 BWE,H,o
(2.22)
Sehingga persamaan (2.20) menjadi :
G=
(2.23)
2.4.3 Pengukuran Impedansi dan Faktor Refleksi
Impedansi dari suatu antena bisa diukur apabila kita mengetahui faktor
refleksi yang ditimbulkan antena itu jika dipasangkan pada suatu kawat
pengalibrasi. Dari teori saluran transmisi dikenal, impedansi beban, disni
impedansi masukan antena bisa dihitung dengan faktor refleksi yang diketahui :
Zin,AUT =
. Zo
dengan r = |r| . e jγ faktor refleksi dengan nilai mutlaknya |r| dan phasanya γ.
(2.24)
29
2.5
Penggunaan Software Simulasi dengan WIPL-D
Berdasarkan studi literatur dan
pendekatan rumus teori dasar, penulis
menggunakan sofware simulasi perancangan antena dengan wipl-d. Wipl-d adalah
sebuah program yang dapat memberikan analisa secara cepat dan akurat pada
logam, struktur listrik, magnet (antena, pemancar, passive microwave circuit, dan
lain-lain). Perhitungan dilakukan berdasarkan frekuensi.
Program ini mudah untuk dipelajari dan digunakan, Anda dapat
mendefinisikan pengukuran pada beberapa struktur secara interaktif seperti
mengkombinasikan wire, plate, material object dan seterusnya. Serta tampilan
struktur 3-D sebagai perkembangan dari definisi ini. Sebagai sebuah keluaran,
WIPL-D menyediakan distribusi arus pada struktur, pola radiasi, distribusi nearfield, admintansi, impedansi dan S-parameter pada predefined feed point, WIPL-D
juga menyediakan variasi printer base dan kemampuan keluaran grafik, termasuk
gambar 2-D dan 3-D.