Revisi Februari 2002 Modul 4 EE2323 Elektromagnetika Telekomunikasi Gelombang Datar Lintas Medium Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT Organisasi Modul 3 Gelombang Datar Lintas Medium • A. Pendahuluan • B. Gelombang Jatuh Normal • C. Konsep Standing Wave Ratio • D. Gelombang Lintas 3 Medium dan Matching Gelombang • E. Persamaan Gelombang Jatuh Miring • F. Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring • G. Polarisasi Gelombang Lintas Medium Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 2 A. Pendahuluan Modul 4 Medan Elektromagnetika akan membicarakan mengenai gelombang datar serbasama yang melewati 2 atau lebih medium. Terdapat 2 kemungkinan perlakuan terhadap gelombang, yaitu : (1) gelombang dibiaskan atau diteruskan , dan (2) gelombang dipantulkan . Selanjutnya berkaitan dengan arah orientasi gelombang datang terhadap bidang batas, akan dibicarakan gelombang datang dengan sudut jatuh normal terhadap bidang batas sebagai kasus yang khusus, dan kemudian gelombang dengan sudut jatuh miring sebagai kasus yang umum Polarisasi juga akan kembali dibahas dalam kasus yang lebih umum. Dalam hal ini dibahas mengenai pengaruh pembiasan dan pantulan terhadap polarisasi gelombang. Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 3 B. Gelombang Jatuh Normal x Daerah 1 Daerah 2 1 , 1 , 1 2 , 2 , 2 Misalkan gelombang datang normal (tegaklurus) terhadap bidang batas, maka persamaan-persamaan gelombang dapat dituliskan dalam bentuk fasor sebagai berikut : E1 , H1 E 2 , H 2 Gelombang datang glb datang glb terus E xs1 E xo1 e 1z E1 , H1 H glb pantul z z=0 E P gelombang datang dan gelombang terus ys1 merambat ke sumbu z positif Gelombang pantul E xs1 E xo1 e 1z P H gelombang pantul E xs2 E xo2 e 2 z 1 2z 1 1z H ys2 E xo1 e E xo2 e 2 1 H E H Gelombang terus ys1 1 1z E xo1 e 1 merambat ke sumbu z negatif 4 Gelombang Jatuh Normal Intensitas medan listrik dan medan magnetik harus kontinyu (malar) pada bidang z = 0, sehingga harus memenuhi syarat batas : E xs1 E xs2 E xs1 E xs1 E xs 2 z=0 E xo1 E xo1 E xo2 xo1 xo1 xo 2 E E E 1 1 2 2 2 E xo1 E xo1 1 1 E xo1 E E xo1 2 1 E E xo1 xo1 2 1 Dengan H ys1 H ys2 H ys1 H ys1 H ys2 Dengan substitusi, didapatkan : xo1 E xo1 2 1 E xo1 2 1 “ Koefisien Pantul “ z=0 E xo2 22 E xo1 2 1 “ Koefisien Transmisi “ Gelombang Jatuh Normal Kasus 1 : Daerah 1 Dielektrik Sempurna Daerah 2 Konduktor Sempurna Daerah 1 Dielektrik Sempurna Daerah 2 Konduktor Sempurna 2 1 dan E xo1 E xo1 j 2 0 2 j 2 z Exs 1 Exo e 1 2 Amplitudo gelombang pantul sama dengan gelombang datang , tapi tanda berlawanan. Berarti semua energi yang datang dipantulkan seluruhnya Skin depth mendekati NOL, tidak ada medan berubah terhadap waktu E xs1 E xs1 E xs1 E xo1 e j1z E xo1 e j1z E xo1 e j1z e j1z 2 j E xo1 sin 1z E x1 2 E Nachwan Mufti A xo1 E x1 Re E xs1 e jt sin 1z sin t Gelombang berdiri !! Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 6 Gelombang Jatuh Normal E x1 2 E xo1 sin 1z sin t Daerah 1 ( 1 = 0 ) 2Exo1 • Pada tiap waktu, n t n = 0, + 1, + 2, dst Menyebabkan medan = 0 disemua titik posisi 2Exo1 • Pada posisi bidang, z n 1 n = 0, + 1, + 2, dst Menyebabkan medan = 0 di sepanjang waktu. Hal itu terjadi pada : 1 zn 2 Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 7 Gelombang Jatuh Normal Untuk medan magnet, H E xs1 H ys1 1 E xs1 H ys1 1 ys1 1 1 j1z E xs1 E xo1 e 1 1 H ys1 1 1 E xs1 E xo1 e j1z 1 1 E xo1 j1z j1z H ys1 e e 1 Jika, H y1 Re H ys1 e jt E x1 2 E xo1 sin 1z sin t maka : E xo1 H y1 2 cos1z cos t 1 Gelombang berdiri medan magnet, berbeda fasa sebesar /2 terhadap medan listrik. Amplitudo Hyi maksimum terjadi pada kedudukan Ex1 = 0, sehingga tidak terjadi transmisi daya rata-rata Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 8 Gelombang Jatuh Normal Kasus 2 : Daerah 1 Dielektrik Sempurna Daerah 2 Dielektrik Sempurna x Daerah 1 Daerah 2 1 , 1 , 1 2 , 2 , 2 Untuk kasus : daerah 1 dielektrik sempurna, dan daerah 2 dielektrik sempurna, akan memberikan kondisi yang lebih umum. Ada gelombang yang dipantulkan dan ada gelombang yang diteruskan. 1 , 1 2 , 2 Jika misalkan, 1 = 300 dan 2 = 100 E1 , H1 E 2 , H 2 glb datang glb terus m maka : dan, E xo1 100 V • Intensitas medan magnet datang : E1 , H1 glb pantul z=0 Nachwan Mufti A z E 100 xo1 H yo1 0,333 A m 1 300 Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 9 Gelombang Jatuh Normal • Intensitas medan yang dipantulkan : E xo1 • Intensitas medan yang diteruskan : 2 1 100 300 E xo1 100 2 1 100 300 E xo 2 2 2 2 100 E xo1 100 2 1 100 300 m m 50 V 50 V E 50 H yo1 xo1 0,167 A m 1 300 H yo2 E xo2 50 0,500 A m 2 100 1 Watt 2 P E . H • Daya datang : xo1 yo1 16,67 m 2 1 P E xo1.H yo1 4,17 Watt 2 • Daya pantul : 1,av m 2 1 • Daya Terus : P2,av E xo2 .H yo2 12,50 Watt 2 m 2 1,av Terpenuhi konservasi energi, P1,av P1,av P2,av 10 C. Konsep Standing Wave Ratio Bahan#1 1 , 1 , 1 Bahan#2 2 Konduktor sempurna 1 1 2 gelombang berdiri murni Pengukuran pada sistem transmisi yang sederhana adalah pengukuran perbandingan amplitudo kuat medan listrik dan magnet untuk bermacam posisi dalam bahan. E f z dan H f z Pengukuran kuat medan dapat dilakukan dengan probe berupa ujung kabel koaksial dikupas jika dipasang sejajar medan listrik, atau berupa loop kecil ditembus medan magnet akan membaca kuat medan relatif jika tegangan dan arus yang dihasilkan disearahkan. Arus dan tegangan yang disearahkan ini dapat dibaca langsung setelah dikuatkan lebih dahulu. Gelombang datar uniform menghasilkan pembacaan yang tetap untuk medium tak meredam , sedangkan fasa akan tergeser sebesar (z2 - z1) jika probe bergerak dari z1 ke z2 , hanya saja probe tidak peka terhadap perubahan dan pembacaan fasa. Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 11 Konsep Standing Wave Ratio Untuk gelombang berdiri murni, gelombang datang akan dipantulkan seluruhnya dan x1 xo1 1 persamaan gelombang berdiri murni sudah kita turunkan pada halaman-6 , seperti disamping : Pada gelombang berdiri murni, akan terbaca titik-titik yang menunjukkan harga 0 setiap jarak ½ seperti terlihat pada gambar di halaman sebelumnya (halaman-11). E 2E sin z sin t Jika bahan#2 merupakan dielektrik sembarang, maka sebagian energi akan dipantulkan , dan sebagian lagi diteruskan ke bahan#2. Sehingga, pada bahan#1 terdapat komponen gelombang berjalan dan berdiri sekaligus. Akan terlihat dari pengukuran, bahwa harga 0 (nol) untuk kuat medan tidak ada, akan tetapi tetap terdapat harga maksimum dan minimum. Derajat terbaginya gelombang menjadi gelombang berjalan dan gelombang berdiri dinyatakan dengan perbandingan harga maksimum terhadap harga minimum gelombang yang bersangkutan, dan inilah yang dimaksud sebagai Standing Wave Ratio (SWR), dan dapat dibaca melalui probe atau loop. SWR Nachwan Mufti A E x1 maks E x1 min Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 12 Konsep Standing Wave Ratio x Daerah 1 Daerah 2 1 , 1 , 1 2 , 2 , 2 1 , 1 2 , 2 E1 , H1 E 2 , H 2 glb datang glb terus Kuat medan total di daerah 1 : E xs1 E xs1 E xs1 E xo1 e j1z E xo1 e j1z E xo1 e j1z e j1z E1 , H1 glb pantul z=0 z Medan total di daerah #1 akan maksimum, jika gelombang datang dan gelombang pantul sefasa atau berbeda fasa sebesar kelipatan 2 1z maks 1z maks 2n n 0, 1, 2, .....dst Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 13 Konsep Standing Wave Ratio Sehingga, medan maksimum akan terjadi pada titik : z maks n 2 2 n 0, 1, 2, .....dst Medan total di daerah #1 akan minimum, jika gelombang datang dan gelombang pantul berbeda fasa sebesar atau 180o 1z min 1z min 2n n 0, 1, 2, .....dst Sehingga, medan minimum akan terjadi pada titik : z min n 2 2 2 Nachwan Mufti A n 0, 1, 2, .....dst Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 14 Konsep Standing Wave Ratio Standing Wave Ratio (SWR) Telah dijelaskan bahwa Standing Wave Ratio (SWR) adalah : Derajat terbaginya gelombang menjadi gelombang berjalan dan gelombang berdiri dinyatakan dengan perbandingan harga maksimum terhadap harga minimum gelombang yang bersangkutan. Didefinisikan dari penurunan sebelumnya : SWR E x1 maks E x1 min 1 1 Karena harga mutlak koefisien pantul selalu < 1, maka SWR selalu positif. Pada daerah perbatasan, z = 0, harga SWR adalah : daerah 1 daerah 2 2 1 SWR 0 1 0 1 0 dimana, 2 1 0 2 1 Jika daerah #1 tidak meredam, maka koefisien pantul akan ‘dirasakan’ sama di semua titik di daerah #1 z=0 Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 15 Konsep Standing Wave Ratio Jika daerah #1 adalah meredam (dielektrik tak sempurna), daerah 1 daerah 2 1 2 P akan ‘dirasakan’ tidak sama pada titik yang berbeda di daerah #1 Maka SWR di jarak d dari bidang batas adalah : d z = -d Jika daerah #1 meredam, maka koefisien pantul z=0 SWR d SWR d 1 d 1 d 1 0 e 2 d 1 0 e 2 d d 0 e 2 d 0 2 1 2 1 Dari rumus di atas kita mendapati kenyataan bahwa, untuk medium 1 meredam, maka koefisien pantul akan dirasakan semakin kecil jika jarak titik P terhadap bidang batas semakin besar. Sedemikian, SWR juga akan dirasakan semakin kecil. Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 16 D. Gelombang Lintas 3 Medium dan Matching Gelombang Pembahasan mengenai gelombang lintas 3 (tiga) medium umumnya adalah untuk kuantisasi matching gelombang, seperti yang terjadi pada radome (kubah pelindung antena). Analisis matching gelombang dengan radome dilukiskan dengan penampang melintang di bawah ini. Daerah 1 adalah daerah dimana antena ditempatkan (berupa udara), daerah 2 adalah lapisan radome, sedangkan daerah 3 adalah udara bebas Daerah 1 Daerah 2 Daerah 3 Radome 1 0 1 2 2 z -L in 0 17 Gelombang Lintas 3 Medium dan Matching Gelombang Impedansi Input …. Daerah 1 Daerah 2 Daerah 3 Medan total pada daerah 1, medium lossless, untuk z = -L Radome 1 0 E xs1 E 1 2 2 z -L xo1 E xo1 H ys1 1 e e j1z j1z e e j1z 0 in = Impedansi Input, didefinisikan sebagai : j1L j1L e e 1 j1L j1L e e E xs1 in H ys1 z = -L j1z 18 Gelombang Lintas 3 Medium dan Matching Gelombang j1L Matching Gelombang ... j1L e e in 1 j1L j1L e e Daerah 2 Daerah 1 Daerah 3 Radome 1 0 2 1 2 1 1 2 1 dan 2 real, tak meredam e j1L cos1L j sin 1L 2 z -L in 0 Syarat matching : 2 j1 tan 1L in 1 1 j2 tan 1L Nachwan Mufti A 2 in Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium Pada daerah antena (daerah 1) tidak terdapat pantulan gelombang 19 Gelombang Lintas 3 Medium dan Matching Gelombang Syarat matching : 2 in Pada daerah antena (daerah 1) tidak terdapat pantulan gelombang 2 j1 tan 1L in 2 1 1 j2 tan 1L 12 j22 tan 1L 12 j12 tan 1L Antena di dalam radome untuk hubungan LOS Persamaan terakhir akan dapat terpenuhi jika : tan 1L 0 1 n 1, L n 2 Nachwan Mufti A 1L n 1 Ln 2 Pada ketebalan tersebut, gelombang di daerah #1 tidak dipantulkan dan diteruskan seluruhnya. Pantulan hanya terjadi pada daerah #2. Radome biasanya dibuat dari bahan yang ringan dan cukup tipis. Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 20 E. Persamaan Gelombang Jatuh Miring Pada gelombang yang jatuh miring pada bidang batas, secara umum ada gelombang yang dipantulkan, dan ada juga gelombang yang diteruskan tetapi dibelokkan. Hal ini disebut sebagai fenomena pembiasan. Sebelum kita membahas tentang gelombang yang jatuh miring pada bidang batas, ada baiknya kita mempelajari tentang persamaan gelombang yang miring relatif terhadap sumbu-sumbu koordinat. 21 Persamaan Gelombang Jatuh Miring E x Visualisasi gelombang dengan arah rambatan sembarang P Jika gelombang medan listrik merambat dalam suatu medium tak meredam ke arah sumbu z positif, dan bergetar searah sumbu-x, maka dapat dituliskan dalam bentuk fasor sebagai berikut : H z E E 0 e jz â x y sumbu x’ x E H Perhatikanlah bahwa untuk gelombang jatuh miring seperti di samping kita dapat menuliskan : E E 0 e jz ' â x ' P sumbu z’ x y E 0 j z H e â y z’ z E 0 j z ' H e â y z 22 Persamaan Gelombang Jatuh Miring E E 0 e jz ' â x ' H E 0 e jz ' â y sumbu x’ x H E P Sedangkan, dapat dituliskan juga ... sumbu z’ x y z' x sin z cos z’ z â x ' â x cos â z sin z so simple... Sehingga, jika disubstitusikan akan didapatkan : jx sin z cos aˆ x cos aˆ z sin E E0 e E 0 jx sin z cos H e â y 23 Persamaan Gelombang Jatuh Miring P Persoalan yang lebih umum dapat n̂ z dilihat pada kasus di samping ini. Misalkan : • Garis putus-putus adalah arah perambatan gelombang, diwakili oleh vektor : z y r M n̂ n̂ vektor satuan, normal y x W x terhadap bidang equiphase (bidang dengan fasa yg sama) • Panah vektor r vektor posisi dari titik pusat ke suatu titik M pada bidang equiphase • Garis PW adalah garis pada bidang equiphase Maka, dapat diamati bahwa : r n̂ x â x y â y z â z konstan Persamaan bidang equiphase !! 24 Persamaan Gelombang Jatuh Miring r n̂ x â x y â y z â z konstan x cos x y cos y z cos z konstan Sekarang kita dapat menyimpulkan, persamaan medan listrik dan magnet untuk arah sembarang , sbb : j r E Ê m e n̂ E H Nachwan Mufti A E H Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium P E H n̂ 25 F. Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 1 : Medium pemantul konduktor sempurna Pada medium pemantul adalah konduktor sempurna, gelombang akan dipantulkan seluruhnya “ Hukum Snellius untuk pantulan “ Free space Ei Er Hi i i r Ekspresi medan total di free space : Hr E Ei E r Ê0i e ji r Ê 0r e jr r x y z Nachwan Mufti A i r r Konduktor sempurna dimana, i r x sin i z cos i r r x sin r z cos r Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 26 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik Pada medium pemantul adalah dielektrik, sebagian gelombang akan dipantulkan dan sebagian lagi dibiaskan • Untuk gelombang pantul CB AE v1 v1 dan i r • Untuk gelombang yang dibiaskan : CB AD v1 v2 sehingga, CB sin i v1 2 2 AD sin t v 2 11 Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 27 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Pada kasus yang umum, sehingga, 1 2 0 sin i 2 2 sin t 11 Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik , nonferromagnetik sin i 2 sin t 1 “ Hukum Snellius untuk pembiasan “ Koefisien Pantul …. 1) Polarisasi Vertikal Medan E terletak pada bidang jatuh, dan medan H sejajar perbatasan medium 2 cos t 1 cos i v 2 cos t 1 cos i Sebagai fungsi sudut datang saja, magnitudo koefisien pantul polarisasi vertikal dapat dinyatakan disamping Nachwan Mufti A Lihat penurunannya pada buku Iskander hal 453-454 !! v Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 2 cos i 2 sin 2 i 1 1 2 2 cos i sin 2 i 1 1 28 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik Sudut Brewster • Sudut datang ketika koefisien pantul minimum !! • Fasa akan berubah tanda setelah sudut Brewster Sudut Brewster, B : 2 2 sin B 1 2 Nachwan Mufti A Atau, lihat penurunannya pada buku Iskander hal 456 !! Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 2 tan B 1 29 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik Koefisien Pantul …. 2) Polarisasi Horisontal Medan E sejajar bidang perbatasan, medan H terletak pada bidang jatuh, incident plane 2 cos i 1 cos t h 2 cos i 1 cos t Bidang jatuh Lihat penurunannya pada buku Iskander hal 458 Sebagai fungsi sudut datang saja, magnitudo koefisien pantul polarisasi vertikal dapat dinyatakan di bawah ini : h Nachwan Mufti A 2 cos i sin 2 i 1 2 cos i sin 2 i 1 Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 30 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik Koefisien Transmisi (Koefisien Terus) …. 1) Polarisasi Vertikal / polarisasi sejajar 22 cos i v 1 cos i 2 cos t v 1 2 0 2 cos i 2 cos i cos t 1 2) Polarisasi Horisontal / polarisasi tegak lurus 22 cos i h 2 cos i 1 cos t Nachwan Mufti A h 1 2 0 Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 2 cos i cos i 2 cos t 1 31 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik Sudut Kritis (Critical Angle) Sudut kritis adalah sudut datang ketika sudut biasnya 90o. Untuk kedua bahan nonferoomagnetik, dapat dibuktikan dari hukum Snellius I : 2 sin c 1 Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 32 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik Koefisien pantul sebagai fungsi sudut jatuh untuk gelombang berpolarisasi horisontal dan vertikal dari udara ke air dan ke parafin, dianggap = 0 Dengan referensi bidang jatuh, polarisasi sering disebut sebagai polarisasi paralel dan polarisasi perpendicullar. Polarisasi paralel artinya medan E sejajar bidang jatuh, sedangkan polarisasi tegaklurus / perpendicullar artinya medan E tegaklurus bidang jatuh 33 Gelombang Lintas Medium, Jatuh Miring Kasus 2 : Medium pemantul dielektrik Dalam perambatan gelombang antara pemancar dan penerima di atas permukaan bumi (komunikasi terestrial) koefisien pantul digambarkan untuk nilainilai , , dan dari permukaan bumi tertentu untuk daerah frekuensi tertentu pula , sebagaimana digambarkan di samping : R R e j R ; 90 o i Jika, 0 maka Rv Rh 1 Dalam praktek R ~ 0,96 - 0,98 berlaku untuk hubungan terestrial, karena umumnya lebih kecil dari 1o. 34 G. Polarisasi Gelombang Lintas Medium Pemantulan akan mengubah arah orientasi polarisasi dari gelombang, seperti terlihat gambar berikut. Sebaliknya, gelombang yang dibiaskan adalah tetap arah orientasi polarisasinya Buktikan !! 35 Review 2 cos t 1 cos i v 2 cos t 1 cos i 22 cos i v 1 cos i 2 cos t 2 cos i 1 cos t h 2 cos i 1 cos t 22 cos i h 2 cos i 1 cos t Nachwan Mufti A Modul 4 Gelombang Datar Lintas Medium 36