BAB II Landasan Teori

 BAB II Landasan Teori
BAB II
TINJAUAN TEORITIS
2.1 TINJAUAN PUSTAKA
Sistem Televisi pada dasarnya terbagi menjadi dua bagian besar, yaitu, sisi
penghasil sinyal yang disebut sebagai sisi studio, dan sisi penyaluran yang disebut
sebagai sisi transmisi. Pada sisi transmisi antena berperan sebagai perangkat
transmiter atau pun receiver. Pada dasarnya antena mempunyai dua fungsi utama
sebagai matching device yang menyesuaikan karakteristik – karekteristik
yaitu
antara
saluran transmisi dengan ruang bebas dan juga sebagai pengarah energi
radiasi gelombang elektromagnetik ke arah yang diinginkan dan menekan radiasi
ke arah yang tidak diinginkan. Dimana pada Tugas Akhir ini antena pemancar
televisi yang akan direalisasikan diharapkan dapat memancarkan energi radiasi
gelombang elektromagnetik ke segala arah (omnidirectional).
Sebelumnya ada beberapa literatur (Tugas/Proyek Akhir) yang telah
merealisasikan antena folded dipole, diantaranya yaitu :
1. Rahmilldi Holymonth. 2006. Realisasi Antena Susun Delapan Elemen
Folded Dipole untuk Pemancar Televisi Kanal 62 UHF. Dalam
perealisasiannya disini dipol dilipat membentuk sudut 90o.[3]
2. Dhika Dwiputra. 2007. Rancang Bangun Antena Folded Dipole pada
Frekuensi HF sebagai Base Station untuk Komunikasi Laut. Dalam
perealisasiannya polaradiasi yang dihasilkan bidirectional dan bekerja
pada band maritim 6.2-6.525 MHz.[2]
3. Satria Yudha Kesuma. 2008. Perancangan Antena Mikrostrip Transmitter
Folded Dipole G Pada Frekuensi 900 Mhz. Antena folded dipole yang
direalisasikan adalah microstrip dan digunakan untuk aplikasi antena
mobile phone dan antena wireless.[4]
2.2
PENGERTIAN ANTENA
Antena adalah sebuah perangkat yang mentransformasikan dari arus dan
tegangan dari saluran transmisi kedalam bentuk medan magnet dan medan listrik
dalam ruang bebas, juga menangkap dan mengumpulkan medan magnet dan
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
4
BAB II Landasan Teori
medan listrik dari ruang bebas dan menstransformasikannya kedalam bentuk arus
dan tegangan pada saluran transmisi. [1]
Adapun ilustrasi mengenai pengertian antena adalah seperti yang di
tunjukkan
oleh gambar 1.
Gambar 1. Antena sebagai Pengirim dan Pemancar
Secara umum antena dibedakan menjadi antena isotropis, antena
omnidirectional, antena directional, antena phase array, antena optimal dan antena
adaptif. Antena isotropis (isotropic) merupakan sumber titik yang memancarkan
daya ke segala arah dengan intensitas yang sama, seperti permukaan bola. Antena
ini tidak ada dalam kenyataan dan hanya digunakan sebagai dasar untuk
merancang dan menganalisa struktur antena yang lebih kompleks. Antena
omnidirectional adalah antena yang memancarkan daya ke segala arah, dan bentuk
pola
radiasinya digambarkan seperti bentuk donat. Antena ini ada dalam
kenyataan, dan dalam pengukuran sering digunakan sebagai pembanding terhadap
antena yang lebih kompleks. Contoh antena ini adalah antena dipole setengah
panjang gelombang. Antena directional merupakan antena yang memancarkan
daya ke arah tertentu. Gain antena ini relatif lebih besar dari antena
omnidirectional. Ketiga jenis antena di atas merupakan antena tunggal, dan bentuk
pola radiasinya tidak dapat berubah tanpa merubah fisik antena atau memutar
secara mekanik dari fisik antena tersebut.[6]
Selanjutnya adalah antena phase array, yang merupakan gabungan atau
konfigurasi array dari beberapa antena sederhana dan menggabungkan sinyal yang
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
5
BAB II Landasan Teori
menginduksi masing-masing antena tersebut untuk membentuk pola radiasi
tertentu pada keluaran array. Setiap antena yang menyusun konfigurasi array
disebut dengan elemen array. Arah gain maksimum dari antena phase array dapat
ditentukan
dengan pengaturan fase antar elemen-elemen array.[6]
Antena optimal merupakan suatu antena dimana penguatan (gain) dan fase
relatif setiap elemennya diatur sedemikian rupa untuk
mendapatkan kinerja
(performance) pada keluaran yang seoptimal mungkin. Kinerja yang dimaksud
kinerja antara lain signal to interference ratio (SIR) atau signal to interference plus
ratio (SINR). Optimasi kinerja dapat dilakukan dengan menghilangkan atau
noise
meminimalkan
penerimaan sinyal-sinyal tak dikehendaki (interferensi) dan
mengoptimalkan penerimaan sinyal yang dikehendaki.[6]
Antena adaptif merupakan pengembangan dari antena-antena phase array
maupun antena optimal, dimana arah gain maksimum dapat diatur sesuai dengan
gerakan dinamis (dinamic fashion) obyek yang dituju. Antena dilengkapi dengan
Digital Signal Proccessor (DSP), sehingga secara dinamis mampu mendeteksi dan
melacak
berbagai
macam
tipe sinyal,
meminimalkan interferensi
serta
memaksimalkan penerimaan sinyal yang diinginkan.[6]
2.3
PARAMETER-PARAMETER ANTENA
Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji dan mengukur
kinerja atau performa antena yang akan digunakan. Beberapa dari parameter
tersebut saling berhubungan satu sama lain. Berikut beberapa penjelasan
parameter antena yang sering digunakan, yaitu : pola radiasi, polarisasi, bandwith,
voltage standing wave ratio (VSWR), impedansi input, gain dan direktivitas.
2.3.1 POLA RADIASI
Pola radiasi (radiation pattern) suatu antena adalah pernyataan grafis yang
menggambarkan sifat radiasi suatu antena pada medan jauh sebagai fungsi arah.
Pola radiasi dapat disebut sebagai pola medan (field pattern) apabila yang
digambarkan adalah kuat medan dan disebut pola daya (power pattern) apabila
yang digambarkan pointing vektor.
A.
JENIS – JENIS POLARADIASI
Pola radiasi antena pada dasarnya dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
6
BAB II Landasan Teori
1. Pola radiasi isotropis
Merupakan pola radiasi yang dipancarkan oleh sebuah sumber titik.
Sumber titik tersebut bisa memancarkan radiasi kesegala arah sama
besar, sehingga pancaran tiga dimensinya berbentuk bola seperti pada
gambar 2. Gambar ini merupakan gambar tiga dimensi, sedangkan
potongan pola-nya bisa dilihat (diukur) pada bidang y – z dan bidang x
– y seperti pada gambar 3.
z
y
x
Gambar 2. Pola Radiasi Isotropis
z
y
y
x
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Pola H – plane, (b) Pola E – plane
2. Pola radiasi omnidireksional
Merupakan pola radiasi yang dipancarkan oleh sebuah antena, yang
memancarkan dayanya kesekelilingnya pada satu bidang sama besar.
Contoh radiasi ini adalah radiasi yang dipancarkan oleh antena dipol
pada gambar 4 dan potongan polanya pada gambar 5.
Gambar 4. Pola radiasi antena dipol pada koordinat bola
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
7
BAB II Landasan Teori
z
y
z
78
x
o
y
0.707 1.0
x
(a)
(b)
Gambar 5. Pola radiasi antena dipole: (a) E – plane, (b) H – plane
3. Pola radiasi direksional
Pola radiasi yang arah pancar-nya diarahkan pada suatu tempat saja.
Gambar 6 merupakan bentuk pola radiasi dari antena reflektor sudut,
sedangkan gambar 7 memperlihatkan potongan pola-nya yang dilihat
pada bidang x – y dan bidang x – z.
z
x
  270
y
  0
  0
Gambar 6. Pola radiasi direksional antena korner reflektor
  0
y
  180
x
x
  90
y
(a)
(b)
  90
Gambar 7. (a) Pola azimuth, (b) Pola elevasi
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
8
  180
BAB II Landasan Teori
2.3.2 POLARISASI
Polarisasi adalah bentuk pergerakan medan listrik pada bidang tegak
lurus terhadap arah rambat gelombang. Polarisasi antena berarti arah gerak medan
listrik
dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena pada lobe
utamanya.
E
H
Gambar 8. Polarisasi Antena
Polarisasi antena ada tiga macam :
1.
Polarisasi Linear
Polarisasi linear bisa horizontal dan vertikal. Polarisasi ini bersesuaian
dengan pemasangan antena, jika elemen antena dipasang vertikal terhadap
permukaan tanah, maka polarisasi antena tersebut linear vertikal dan jika
elemen antena dipasang horizontal terhadap pemukaan tanah, maka
polarisasi antena tersebut linear horizontal.
Gambar 9. Polarisasi linier
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
9
BAB II Landasan Teori
2. Polarisasi Lingkaran
Pada polarisasi lingkaran besarnya medan listrik sama dan berputar dalam
lintasan berbentuk lingkaran. Ada dua jenis perputaran, yaitu : searah
jarum jam (left hand circulary) dan berlawanan arah jarum jam (right hand
circulary polarization).
Gambar 10. Polarisasi Lingkaran
3. Polarisasi Cross
Polarisasi Cross terjadi ketika antena pemancar mempunyai polarisasi
horizontal, sedangkan antena penerima mempunyai polarisasi vertikal atau
sebaliknya
Gambar 11. Polarisasi Cross
2.3.3 BANDWIDTH ANTENA
Penggunaan sebuah antena didalam sistem pemancar atau pun penerima
selalu dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut,
antena diusahakan dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima dan
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
10
BAB II Landasan Teori
memancarkan gelombang elektromagnetik pada frekuensi tertentu. Pengertian
harus dapat bekerja efektif disini adalah bahwa distribusi arus dan impedansi dari
antena pada range frekuensi tersebut bener – bener belum mengalami perubahan
yang berarti, sehingga masih sesuai dengan pola radiasi yang direncanakan serta
VSWR
yang diijinkan.
SWR
SWR1
SWR0
Gambar 12. Contoh Bandwidth pada Antena
Lebar band frekuensi atau bandwidth antena adalah range frekuensi kerja
dimana antena masih dapat bekerja dengan efektif. Misalnya sebuah antena
bekerja pada frekuensi tengah (fC) memperoleh nilai sebesar SWR0, namun ia juga
masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi fL (di bawah fC) sampai dengan fU
(di atas fC) dengan nilai yang dibatasi sebesar SWR1. Bandwidth antena dapat
dinyatakan dalam bentuk persen, yang dituliskan sebagai berikut:
𝐵𝑊 =
Dimana :
𝑓𝑈 − 𝑓𝐿
𝑓𝐶
× 100%
fu =
Frekuensi Upper (Atas)
fL =
Frekuensi Lower (Bawah)
fC =
Frekuensi Center (Tengah)
(1)
2.3.4 Return Loss dan VSWR
Return loss merupakan besarnya loss yang dialami oleh sinyal pantul yang
terjadi karena antena dan saluran transmisi yang tidak match. Jika pada saluran
transmisi impedansi beban tidak sama dengan karakteristik saluran, tegangan yang
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
11
BAB II Landasan Teori
datang ke beban tidak semua diserap, ada sebagian yang dipantulkan.
Perbandingan antara sinyal pantul terhadap sinyal datang disebut faktor refleksi.
Perbandingan level tegangan yang kembali ke pemancar (V-) dan yang
datang
menuju beban (V+) ke sumbernya lazim disebut koefisien pantul atau
koefisien
refleksi yang dinyatakan dengan simbol “Γ” , dimana 0 ≤ |Г| ≤1, atau
dapat dituliskan:
Г=
𝑉−
(2)
𝑉+
Ada tiga keadaan dari yang ditunjukan oleh nilai koefisien refleksi, yaitu:
1) Г = +1, menunjukan bahwa beban dalam keadaan open circuit
2) Г = -1, menunjukan bahwa beban dalam keadaan short circuit
3) Г = 0, menunjukan bahwa beban dalam keadaan match
Hubungan antara return loss dengan faktor refleksi dapat dituliskan secara
matematis sebagai berikut :
RL (dB) = - 20 log10 |Г|
(3)
Apabila antena sesuai (match), dimana impedansi antena sama dengan
impedansi saluran transmisi, maka semua energi yang sampai ke antena akan
diradiasikan ke ruang bebas. Namun, jika keduanya tidak sesuai (match), antena
tidak akan menerima semua daya dari saluran transmisi. Bagian daya yang tidak
diterima oleh antena akan dipantulkan kembali ke arah pemancar. Hal ini akan
membentuk pola gelombang di sepanjang saluran transmisi yang disebut Voltage
Standing Wave Ratio (VSWR).
Gambar 13. Gelombang Berdiri
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
12
BAB II Landasan Teori
VSWR didefinisikan sebagai perbandingan (ratio) antara tegangan
maksimum dan minimum di sepanjang saluran transmisi yang terjadi pada saluran
yang tidak sesuai (match). Tegangan maksimum didapat apabila tegangan yang
datang
dan pantul mempunyai fasa yang sama sehingga saling menjumlahkan,
sedangkan
tegangan minimum didapat apabila tegangan yang datang dan pantul
mempunyai fasa yang berbeda sehingga saling mengurangkan.
𝑉𝑆𝑊𝑅 =
𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠
(4)
𝑉𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑆𝑊𝑅 =
1+|Г|
(5)
1−|Г|
VSWR merupakan parameter untuk menentukan kualitas antena, yaitu
seberapa baik penyesuaian impedansi oleh sebuah antena. VSWR 1 ke 1 (1:1)
merupakan VSWR paling baik karena semua daya yang sampai ke terminal
antena akan diradiasilan ke ruang bebas. Semakin besar nilai VSWR
menunjukkan daya yang dipantulkan semakin besar dan semakin tidak match.
Hubungan return loss dan VSWR dinyatakan dengan persamaan:
𝑅𝐿 𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔10
𝑉𝑆𝑊𝑅 +1
𝑉𝑆𝑊𝑅 −1
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
(6)
13
BAB II Landasan Teori
Adapun tabel Konversi Return Loss ke VSWR adalah sebagai berikut :
Tabel 1. Return Loss to VSWR Conversion Table
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
14
BAB II Landasan Teori
2.3.5 IMPEDANSI INPUT
Impedansi input adalah impedansi yang diukur pada titik catu pada
terminal antena yang merupakan perbandingan tegangan dan arus pada titik
tersebut.
Impedansi input selain ditentukan oleh letak titik catu antena, juga
dipengaruhi
oleh antena lain atau benda-benda yang berada disekitar antena serta
frekuensi kerjanya.
Impedansi input antena dinyatakan dalam bentuk kompleks yang memiliki
bagian real dan bagian imajiner. Bagian real merupakan resistansi (tahanan)
masukan
yang menyatakan daya yang diradiasikan oleh antena pada medan jauh.
Sedangkan
bagian imajiner merupakan reaktansi masukan yang menyatakan daya
yang tersimpan pada medan dekat antena, atau dapat ditulis dengan :
𝑍𝑖𝑛 = 𝑅𝑖𝑛 + 𝑗𝑋𝑖𝑛
(7)
Resistansi input (Rin) menyatakan tahanan disipasi. Daya dapat terdisipasi
melalui dua cara, yaitu karena panas pada srtuktur antena yang berkaitan dengan
perangkat keras dan daya yang meninggalkan antena dan tidak kembali (teradiasi).
Reaktansi input (Xin) menyatakan daya yang tersimpan pada medan dekat dari
antena.
Impedansi input dapat juga dihitung dengan rumus :
𝑍𝑖𝑛 =
Dimana:
𝑉
𝐼
(8)
Zin = Impedansi Input (Ohm)
V = Tegangan terminal input (Volt)
I = Arus terminal input (A)
Impedansi antena penting untuk pemindahan daya dari pemancar ke antena
dan dari antena ke penerima. Sebagai contoh untuk memaksimumkan perpindahan
daya dari antena ke penerima, impedansi antena harus conjugate match. Jika ini
tidak dipenuhi maka akan terjadi pemantulan energi yang dipancarkan atau
diterima.
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
15
BAB II Landasan Teori
2.3.6 GAIN dan DIRECTIVITY
Satu gambaran penting dari suatu antena adalah seberapa besar antena
mampu
mengkonsentrasikan
energi
pada
suatu
arah
yang
diinginkan,
dibandingkan
dengan radiasi pada arah yang lain. Karakteristik dari antena
tersebut
dinamakan direktivitas (directivity).
Gain dari sebuah antena merupakan perbandingan rapat daya radiasi
maksimum suatu antena terhadap rapat daya radiasi maksimum antena referensi,
dengan syarat daya yang masuk ke kedua antena sama besar. Gain suatu antena
memiliki
keterkaitan erat dengan direktivitas yang dapat dihitung dengan nilai
efisiensi
suatu antena yang sama dengan kemampuan untuk mengarahkan.
Gain antena dapat dihitung dengan menggunakan antena lain sebagai
antena yang standar atau sudah memiliki gain yang standar. Dengan
membandingkan daya yang diterima antara antena standar dan antena yang akan
diukur dari antena pemancar yang sama dan dengan daya yang sama. Gain antena
omnidireksional antara 3 dBi sampai 12 dBi.
𝐺 =𝜂xD
Dimana :
(9)
𝐺 = penguatan (Gain)
𝜂 = Efisiensi ()
𝐷= pengarahan (direktivitas)
2.4
ANTENA DIPOL /2
Antena dipol dapat dikatakan merupakan cikal bakal dari jenis-jenis antena
kawat linier seperti dipol pendek, dipol setengah panjang gelombang, dipol limaper-empat panjang gelombang, dipol tiga-per-empat panjang gelombang, dsb.
Selain itu antena dipol juga mendasari antena-antena seperti antena Yagi – Uda,
antena log – periodik, dan antena monopol. Antena dipol juga biasa digunakan
sebagai elemen dasar dari antena susun (array antenna).
Dipol Setengah Gelombang (Dipol  / 2) adalah dipol dengan panjang
setengah dari panjang gelombang pada frekuensi kerjanya. Nilai resistansi
masukannya adalah 73, yang sangat dekat dengan impedansi karakteristik 75
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
16
BAB II Landasan Teori
dari beberapa saluran transmisi, sehingga memudahkannya untuk me-match
sambungan saluran transmisi ke antena, terutama pada saat resonansi.
Antena Dipole ½ λ adalah antena yang paling banyak digunakan karena
memiliki
konstruksi paling sederhana dan banyak dijadikan sebagai dasar untuk
konstruksi
antena kompleks. Persamaan distribusi arus antena dipole ½ λ ini pun
sederhana yaitu membentuk sinusoidal yang berharga maksimum pada feeding
point dan minimum pada kedua ujungnya. Secara matematis distribusi arus dapat
dituliskan sebagai berikut :
 L

I ( z )  I m sin    z 

 4
(10)
Dimana :
z 


4
(11)
2

(12)
L
z
2
I(z)
Im
L
2
(a)
(b)
Gambar 14. (a) Antena dipole dan (b) distribusi arus antena dipole saat L = λ/2
2.5
FOLDED DIPOLE
Ada banyak antena dipol yang digunakan dalam bentuk dasarnya. Yang
merupakan salah satu jenis dipol 1/2 adalah antena Folded Dipole (dipol dilipat).
Dipol dilipat digunakan secara luas, tidak hanya sendiri, tetapi juga biasanya
digunakan sebagai driven elemen antena dalam format lain seperti pada antena
Yagi.
Sebuah antena folded dipole adalah sebuah dipol dengan pencatuan
ditengah (center fed half dipole) dengan didampingi ½ dipol lain yang dipasang
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
17
BAB II Landasan Teori
dekat dengan dipol utama dan dihubungkan keduanya. Jarak antara kedua dipol
tersebut adalah 1/64 dari frekuensi kerjanya dan panjang secara keseluruhan
adalah ½ .[5]
Gambar 15. V dan I di antena folded dipole
Secara kelistrikan maka sebuah antena dipole dapat diexpresikan sebagai
sebuah rangkaian resonansi seri yang terdiri dari sebuah komponen resistive dan
dua buah komponen reaktive. Pada frekuensi resonansinya impedansinya akan
merupakan kombinasi diatas menjadi resistive karena pada saat resonansi
komponen reaktivenya menjadi sama dan saling menghilangkan dan tahanan
resultantnya menjadi 70 seperti dipol biasa. Umumnya dikarenakan dimensi
fisik dari antena yang berbeda-beda maka sebuah antena dipole ½  tidak
melebihi atau berkisar antara 68 tergantung pada rasio panjang dan diameter
dari kawat atau bahan yang dipakai.
Sebuah antena Folded Dipole secara kelistrikan berbeda dengan dipol
biasa dimana selain rangkaian resonan serinya dia juga mempunyai rangkaian
resonan paralel. Dengan menjadikan satu dikedua ujungnya akan menimbulkan
efek rangkaian resonansi paralel tersebut. Bila kedua ujungnya dijadikan satu
akan menjadikan tegangan RF dikedua ujungnya sama nilainya sehingga
distribusi tegangan dan arus RF di kedua element tersebut akan sama dengan dipol
biasa. Bilamana kedua bahan antena folded dipole tersebut sama diameternya
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
18
BAB II Landasan Teori
maka tahanan input di titik catunya menjadi 4 kali dari dipole tunggal biasa.
Secara teoritis 4 X 70 = 280 Ohm. Ini menjadikan alasan untuk menggunakan
kabel transmisi twin lead, dimana untuk daya pancar besar menggunakan kawat
paralel
dengan ukuran tertentu akan tetapi bila daya pancar kecil dapat
menggunakan
kabel transmisi penerima TV. [5]
Kenaikan tahanan di titik catu terjadi akibat dari adanya pembagian arus
yang sama besar pada kedua element paralel tersebut. Pembagian arus RF di titik
catu hanya sebesar ½ arus RF , hal tersebut sama seperti yang terjadi pada antena
biasa. Jadi dengan daya yang sama kuat ketika diukur di titik catu, baik
dipole
daya pancar maupun daya terima, arus RFnya hanya akan setengahnya sehingga
tahanan di titik catu tersebut naik 4 kali. Ini dapat dijelaskan dari rumus dibawah
ini :
½I
½I
Gambar 16. Pembagian arus pada antena Folded Dipole
R =
P
(13)
I2
≈ 70
Bila mempunyai arus RF (I) setengahnya dan daya (P) dibuat tetap,
bilamana setengah arus RF tersebut sinyal persegi (untuk mudahnya), harga
akhirnya hanya ¼ dari harga bila bukan sinyal persegi.
R=
P
[I/2]2
=
P
[I 2 /4]
=
Devi Rosauli ,091331042
Laporan Proyek Akhir Tahun 2012
4P
I2
= 280 ohms
(14)
19