MODUL 1 Konsep Dasar Antena03
-
Upload
rudy-setiawan -
Category
Documents
-
view
360 -
download
4
Transcript of MODUL 1 Konsep Dasar Antena03
---------------------------------------------------------------MODULKONSEP DASAR ANTENA---------------------------------------------------------------A. DEFINISI
Antena digunakan pada komunikasi radio sebagai pelepas energi elektromagnetik ke
ruang bebas dan sebagai penerima energi elektromagnetik dari ruang bebas.
Definisi antena sbb :
Sebuah divais metal (kawat) untuk meradiasikan atau menerima gelombang radio.(Webster’s Dictionary).
Sebuah alat untuk meradiasikan atau menerima gelombang radio.
[IEEE standard definitions of Terms for Antennas (IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vols. AP-17, No 3, May 1969 dan AP-22, No 1, Jan 1974)]
Sebuah struktur transisi antara ruang bebas dan sebuah divais terbimbing
Transformator antara gelombang terbimbing dengan gelombang bebas atau sebaliknya.
B. MACAM-MACAM ANTENA
Bentuk dan dimensi antena bermacam-macam, yang dapat dikelompokkan sbb :a. Antena kawat, merupakan jenis antena yang paling populer karena sering
dilihat sehari-hari – pada kendaraan mobil, gedung, kapal-kapal, pesawat
terbang, spacecraft, telepon, TV, dll.
Bentuk antena kawat bermacam-macam : linier (dipole, monopole, whip/pecut), loop
(sirkular, rektangular, segitiga, elips), dan helix.
b. Antena apertur, merupakan jenis antena yang banyak digunakan pada
frekuensi tinggi. Biasanya terdapat pada aircraft dan spacecraft karena
kemudahannya dalam pemasangannya.
c. Antena susunan, merupakan susunan beberapa antena sejenis sedemikian
sehingga karakteristik radiasi yang diinginkan dapat diperoleh.
d. Antena reflektor, merupakan antena yang cocok digunakan untuk eksplorasi
angkasa luar karena gain yang besar sebanding dengan dimensinya. Bentuk
reflektor dapat berupa bidang datar, sudut, dan parabola.
e. Antena lens. Lensa digunakan terutama untuk mengkolimasi energi
elektromagnetik agar tidak tersebar ke arah yang tidak diinginkan. Antena
lensa diklasifikasikan berdasarkan bahan konstruksi, atau berdasarkan bentuk
geometris.
C. DAERAH ANTENA
Ruang di sekeliling antena biasanya dibagi dalam 3 daerah:
D = panjang antenna dan = panjang gelombang
Daerah medan dekat reaktif (daerah antena)
Merupakan daerah dimana medan reaktif sangat dominan. Radius daerah ini
adalah:
Daerah medan dekat radiasi (daerah Freshnel)
Didefinisikan sebagai daerah medan antena antara medan-dekat reaktif dan daerah
medan jauh dimana medan radiasi dominan dan distribusi medan bergantung pada
jarak dari antena. Radius daerah Freshnel:
Daerah medan jauh (daerah Fraunhofer)
Merupakan daerah medan antena dimana distribusi medan tidak lagi bergantung
pada jarak dari antena. Di daerah ini, komponen medan transversal dan distribusi
angular tidak bergantung pada jarak radial dimana pengukuran dibuat. Pola radiasi
diperoleh dari pengukuran yang dilakukan di daerah ini.
D. KONSEP SUMBER TITIK
Konsep sumber titik berguna untuk lebih memudahkan perhitungan mengenai daya
terima, pada medan jauh / tempat yang jauh. Antena dianggap sebagai sumber
titik karena dimensinya adalah jauh lebih kecil dari jarak antara Antenna
pengirim dengan titik observasi.
Syarat Antenna sebagai sumber titik :
Mempunyai medan jauh transversal.
Medan magnet tegak lurus medan listrik.
Rapat daya P yang menembus bidang bola observasi mengarah radial keluar
semuanya.
Dengan ekstrapolasi, semua rapat dayanya berasal dari volume yang sangat kecil
atau titik O, tidak bergantung pada dimensi fisiknya.
Definisi sumber titik :
Sumber titik adalah titik potong semua rapat daya di tempat jauh
Untuk mengetahui distribusi medan/daya di tempat jauh, maka dilakukan
pengukuran pada pada jarak R konstan.
Sumber titik berlaku untuk medan jauh, dengan persyaratan : R>> , R>>d, dan
R>>b
Pengukuran :
Pengukuran medan dan rapat daya, pengukuran pada bola dengan R konstan,
dengan titik pusat bola observasi berimpit pada “sumber titik “, dapat dilakukan
pada satu titik ukur, tetapi antenanya yang diputar satu lingkaran penuh.
Untuk polarisasi eliptik, perlu diukur komponennya (amplitudo dan fasa).
Pengukuran fasa perlu M berimpit O, untuk menghindari beda fasa relatif.
E. TEOREMA RESIPROSITAS CARSON
Tujuan :Untuk membuktikan bahwa karakteristik antena sebagai pemancar berlaku juga
pada antena sebagai penerima.
Asumsi dasar :Jika, transmisi energi antara antenna A dan B yang melalui medium homogen,
isotropis, linear, dan pasif, dapat dimodelkan sebagai Rangkaian-T.
Antena A dan B sama,fungsinya dipertukarkan sebagai pengirim dan penerima.
Teorema Carson menyatakan bahwa,“ Untuk medium transmisi yang homogen dan isotropis, Jika suatu tegangan
dipasangkan pada terminal suatu antena A, maka arus yang sama ( amplitudo dan
fasa ) akan diperoleh pada terminal A seandainya tegangan yang sama dipasangkan
pada terminal B.”
F. PARAMETER-PARAMETER ANTENA
Diagram skematis parameter-parameter dasar antena yang menggambarkan
dualitas sebuah antena, yaitu di satu sisi antena sebagai elemen rangkaian dan di
sisi lain antena sebagai elemen ruang.
RADIATION PATTERN (POLA RADIASI) Pola radiasi dari suatu antena merupakan gambaran dari intensitas pancaran
antena sebagai fungsi dari parameter koordinat bola (θ,φ). Dalam berbagai kasus,
pola radiasi ditentukan dalam daerah medan jauh untuk jarak radial dan
frekuensi yang konstan. Sebuah pola radiasi tipikal dikarakterisasi oleh sebuah
berkas pancaran utama dengan lebar berkas 3 dB dan sidelobe pada berbagai
level yang berbeda. Kinerja antena sering dideskripsikan dalam pola utama
bidang-E dan bidang-H. Untuk sebuah antena dengan polarisasi linier, bidang-E
dan bidang-H nya didefinisikan sebagai bidang-bidang yang mengandung arah
maksimum radiasi dan vektor-vektor medan listrik dan medan magnet, secara
berurutan. Karakteristik radiasi meliputi: Intensitas Radiasi (U), Kuat Medan (
), fasa, atau polarisasi.
Berdasarkan pola radiasi dibagi menjadi :
1. Pola Endfire dimana pola radiasi terkuatnya diarahkan ke suatu arah tertentu ataudikenal dengan directional, contohnya antena penerima televisi, antena
untuk komunikasi terrestrial. Berikut contoh gambar pola radiasi endfire dari
antena yagi :
Gambar Pola radiasi antena yagi
2. Pola Broadside dimana pola radiasi menyebar ke segala arah disebut juga pola radiasiomnidireksional, contohnya pemancar siaran radio. Berikut conroh gambar pola
radiasi onidireksional dari antena dipole :
Gambar Pola radiasi antena
dipol
3. Pola Isotropis
radiasi idealnya sebagai standar. Berikut contoh gambar pola isotropis:
Pola radiasi diklasifikasikan dalam berbagai jenis, yakni:
Menurut besaran: pola medan, daya, dan fasa
Menurut skala: pola absolut, pola relatif (terhadap referensi) dan pola
ternormalisasi (terhadap maksimum)
BEAM AREA ( Ω A)
Beam area didefinisikan sebagai daerah permukaan bola yang dilihat dari titik pusat
bola tersebut. Dalam terminologi antena, beam area adalah sudut ruang yang seolah-
olah mengandung seluruh daya radiasi jika intensitas radiasinya konstan (dan sama
dengan nilai maksimum U) untuk seluruh sudut dalam A.
HALF POWE R BEAMWIDTH (HPBW)
Definisi HPBW adalah sudut yang dibentuk oleh dua arah yang mempunyai intensitas
radiasi ½ kali (- 3 dB) dari intensitas radiasi maksimumnya; sudut ini terletak dalam
sebuah bidang yang merupakan arah maksimum beam
EFISIENSI B E RKAS (BEAM EFFICIENCY / BE)
Definisi Beam Efficiency (BE) :
1 adalah sudut ½ sudut ruang dimana persentase daya total ingin diketahui.
Efisiensi berkas akan mengindikasikan jumlah daya dalam lobe major
dibanding dengan daya total. Efisiensi berkas yang sangat tinggi (antara null-null atau
minimum-minimum) biasanya dalam 90 %, dibutuhkan oleh antena-antena yang
digunakan dalam radiometry, astronomy, radar, dan aplikasi-aplikasi dimana sinyal
terima melalui sidelobe harus diminimalisir.
RAPAT DA Y A RADIASI ( P )
Besaran yang digunakan untuk menggambarkan daya yang berkaitan dengan
gelombang elektromagnetik adalah vektor Poynting sbb :
dengan rapat daya rata-rata :
Daya total yang menembus permukaan diperoleh dengan mengintegralkan vektor
Poynting terhadap permukaan yang ditembusnya.
dengan daya rata-rata: )* INTENSITA S RADIAS I (U)
Intensitas radiasi dalam arah tertentu adalah daya yang diradiasikan dari sebuah
antena per satuan sudut ruang. Intensitas radiasi adalah parameter medan jauh.
dimanaU = intensitas radiasi (W/sr)
Prad = rapat daya radiasi (W/m2)
Daya total diperoleh dengan mengintegrasikan intensitas radiasi terhadap seluruh
sudut ruang 4. Maka:
Untuk antena isotropis, diperoleh bahwa intensitas radiasinya ke segala arah sama
sehingga:
DIREKTIVITAS (D)
Sebelum mendefinisikan direktivitas, perlu diperkenalkan besaran gain direktif
(directive gain). Gain direktif (Dg) pada arah tertentu adalah perbandingan intensitas
radiasi di arah tersebut terhadap intensitas radiasi antena referensi. Antena referensi
yang digunakan biasanya adalah antena isotropis.
Direktivitas adalah nilai gain direktif di arah nilai maksimumnya (MAG = Maximum
Available Gain).
Direktivitas biasanya dinyatakan dalam dB, yaitu 10 log D0 dB.
Direktivitas sebuah antena isotropis adalah 1, karena daya yang diradiasikan ke segala
arah sama. Untuk antena yang lain, direktivitas akan selalu lebih dari satu, dan ini
adalah figure of merit relatif yang memberikan sebuah indikasi karakteristik
pengarahan antena dibandingkan dengan karakteristik pengarahan antena isotropis.
Untuk menganalisis/menghitung direktivitas ada tiga cara, yaitu :
a. Dengan cara eksak
b. Dengan pendekatan
c. Teknik numerik
GAIN (G)
Gain antena berkaitan erat dengan direktivitas, merupakan besaran yang
memperhitungkan efisiensi antena dan kemampuan direksionalnya. Gain daya sebuah
antena didefinisikan sebagai
4 kali perbandingan intensitas radiasi di arah tersebut terhadap daya terima antena
dari transmitter yang terhubung. Biasanya arah yang dimaksud adalah arah radiasi
maksimum.
Gain relatif adalah perbandingan gain daya di arah tertentu terhadap gain daya antena
referensi dalam arah referensinya. Daya input harus sama untuk kedua antena. Antena
referensi biasanya adalah dipole /2, horn, dan antena lain yang telah diketahui gain-
nya.
dimana Gg = gain direktif; G0 = gain; = efisiensi (%)
Dimensi gain, G0, dinyatakan dalam dB : 10 log G0 dB
EFISIENSI ( )
Efisiensi antena total digunakan untuk menghitung loss-loss pada terminal input
dan dalam struktur antena. Loss-loss tersebut adalah :
Refleksi akibat ketidaksesuaian impedansi antara saluran transmisi dan antena
Loss konduksi dan loss dielektrik
dimana,
t = efisiensi total
r = efisiensi refleksi = (1 - ||2)
c = efisiensi konduksi
d = efisiensi dielektrik
EFISIENSI RADIASI ANTENA ( R)
Di atas telah dijelaskan mengenai efisiensi antena yang disebabkan oleh loss konduksi
dan loss dielektrik. Efisiensi akibat hal ini dapat juga dinyatakan sebagai
perbandingan daya radiasi terhadap daya input total.
Sulit dihitung, diperoleh secara empiris
Dimana, tahanan ohmik adalah sbb : Sedangkan jika kita bekerja pada
frekuensi tinggi dimana terjadi skin effect ( : skin depth = ) pada konduktor
bahan antena, maka tahanan ohmiknya menjadi sbb :
BANDWIDTH (B)
Bandwidth sebuah antena adalah daerah/range frekuensi dimana performansi antena,
yang bergantung pada beberapa karakteristik, berada pada standar tertentu. Biasanya,
bandwidth antena dibatasi oleh SWR 1,5 atau 1,3. Untuk antena broadband,
bandwidth biasanya dinyatakan dalam perbandingan frekuensi atas terhadap frekuensi
bawah, contoh bandwidth 10:1 mengindikasikan bahwa frekuensi atas 10 kali lebih
tinggi dari frekuensi bawah. Sedangkan untuk antena narrowband, bandwidth
dinyatakan dalam persentase dari perbedaan frekuensi (atas dikurangi bawah) yang
melewati frekuensi tengah bandwidth, contoh: bandwidth 5% mengindikasikan bahwa
perbedaan frekuensi adalah 5% dari frekuensi tengah bandwidth.
POLARISASI
Polarisasi antena pada arah tertentu didefinisikan sebagai polarisasi gelombang
teradiasi dimana antena dicatu, atau polarisasi gelombang datang dari arah tertentu
yang menghasilkan daya maksimum pada terminal antena. Biasanya arah yang
dimaksud adalah arah gain maksimum.
Polarisasi gelombang teradiasi adalah karakteristik gelombang elektromagnetik
teradiasi yang menggambarkan arah fungsi waktu dan magnitude relatif dari vektor
medan listrik yang diamati sepanjang arah propagasi.
Polarisasi dikelompokkan menjadi polarisasi eliptik, sirkular, dan linier.
Medan sesaat gelombang datar yang merambat di arah z negatif, dapat ditulis sbb:
;
Komponen sesaatnya sbb:
dan
Dimana Ex dan Ey adalah magnitude maksimum komponen x dan y.
Polarisasi Linier
Untuk gelombang agar polarisasinya linier, beda fasa antara dua komponen harus :
dengan n = 0, 1, 2, …
Polarisasi Sirkular
Polarisasi sirkular dapat dicapai hanya bila magnitude 2 komponen sama dan beda
fasanya adalah kelipatan ganjil dari /2. Sehingga,
dan
Polarisasi Eliptik
Polarisasi eliptik dapat diperoleh hanya jika beda fasa antara dua komponen
adalah kelipatan ganjil dari /2 dan magnitude-nya tidak sama atau jika beda
fasanya tidak sama dengan kelipatan /2, sehingga
dan
dan
Perbandingan antara sumbu minor dan sumbu major disebut sebagai axial ratio (AR),
dan sama dengan:
POLARIZATION LOSS FACTOR (PLF)
Polarisasi antena penerima tidak akan sama dengan polarisasi gelombang datang. Hal
ini disebut ketidaksesuaian polarisasi (polarization mismatch).
Jika polarisasi medan membuat sudutsebesar dengan polarisasi antena, maka
daya terima akan mengalami penurunan yang dinyatakan dengan PLF (Polarization
Loss Factor)
dimana,
vektor medan listrik
orientasi antena
Jika antena mempunyai polarisasi yang sesuai (atched), PLF akan sama dengan 1 dan
antena akan mendapatkan daya maksimum dari gelombang yang datang. Jika
polarisasi gelombang datang ortogonal (tegak lurus) terhadap polarisasi antena maka
tidak ada daya yang diperoleh antena dari gelombang yang datang dan PLF akan sama
dengan nol atau - dB.
IMPEDANSI INPUT (Z A)
Impedansi input adalah impedansi pada terminal antena atau rasio tegangan terhadap
arus pada terminal atau perbandingan komponen-komponen bersesuaian dari medan
elektrik terhadap medan magnetik pada sebuah titik.
Dimana, ZA adalah impedansi antena, RA = resistansi antena, XA = reaktansi
antena, Rr = resistansi radiasi (tahanan pancar) dan RL = tahanan ohmik
ANTENA SEBAGAI SEBUAH APERTUR
Konsep apertur muncul dengan menganggap bahwa antena sebagai penerima. Antena
kita anggap sebagai sebuah permukaan bidang yang menerima rapat daya dari
gelombang datang. Total daya yang diserap oleh antena dengan luas permukaan A,
dan gelombang datang mempunyai rapat daya uniform P adalah :
jadi
Apertur Efektif (Ae)
Apertur efektif adalah
perbandingan daya yang dikirim
ke beban terhadap rapat daya gelombang datang.
Pada kondisi transfer daya maksimum (match kompleks konjugat), Rr + RL =
RT dan XA = - XT, maka apertur efektif menjadi apertur efektif maksimum.
Effectiveness Ratio ( ) , sering juga disebut sebagai efisiensi antena :
dengan
Besarnya apertur efektif tidak harus sama dengan apertur fisik antena, bahkan dalam
beberapa kasus, seperti dipole tipis, apertur efektif lebih besar dari apertur fisiknya.
Daya yang termanfaatkan / sampai pada pesawat penerima akan kurang dari WT, jika
saluran transmisi memberikan redaman, contoh antena batang pendek biasa memiliki
tinggi efektif 70 % dari tinggi sebenarnya.
Apertur Hambur (As)
Apertur hambur berkaitan dengan daya yang diradiasi ulang (daya yang dihamburkan)
didefinisikan sebagai perbandingan daya yang diradiasi ulang terhadap rapat daya
gelombang jatuh.
Pada kondisi :
Antena matched (RT = Rr, RL = 0, dan XA = -XT)
Antena resonan hubung singkat (RT =RL= 0, dan XA = -XT)
Antena open circuit (ZT = )
SCATTERING RATIO, perbandingan hambur :
dengan
Apertur Loss
Jika RL tidak nol, sebagian daya akan didisipasi sebagai panas di antena.
Apertur Pengumpul
Apertur ini berkaitan dengan daya yang dikumpulkan oleh antena dari
gelombang datang, yaitu: daya yang diberikan ke terminal, daya yang diradiasikan
kembali, dan daya yang didisipasi sebagai panas.
Apertur Fisik
Apertur ini merupakan ukuran fisik antena, didefinisikan sebagai penampang
fisik antena yang tegak lurus terhadap arah propagasi gelombang jatuh dengan antena
diarahkan pada respon maksimum.
Untuk antena dengan pemantul atau berupa celah, luas apertur fisis ini sangat
menentukan, tetapi untuk beberapa antena tidak ada arti sama sekali.
Contoh : apertur fisik antena horn adalah daerah luas di mulutnya. Apertur fisik
antena paraboloid adalah lingkaran sedangkan antena parabolic cylinder mempunyai
apertur fisik berupa empat persegi panjang.
ABSORBTION RATIO : perbandingan antara apertur efektif maksimum dengan
aperture fisis
dengan
Beberapa contoh apertur:
1. Apertur efektif maksimum dipole pendek ( )
dengan dan ; sedangkan
maka:
Terlihat bahwa apertur efektif maksimum untuk antena dipole pendek tidak
bergantung pada panjangnya.
2. Apertur efektif maksimum dipole /2
Distribusi arus dalam antena dipole /2 :
sehingga ; Rr = 73 Ohm sehingga :
Dalam hal ini Aem >> Ap, atau besar. Jika antena dibuat sangat tipis, maka Ap
sangat kecil tetap Aem tetap .
Hubungan Apertur Dengan Direktivitas
Hubungan apertur dengan direktivitas adalah berbanding lurus, dinyatakan :
Jika tidak MATCHED sempurna,
sehingga
effectiveness ratio
Jika antenna 1 isotropis, D = 1 ,maka :
sehingga
Rumus di atas cukup penting untuk menghitung direktivitas antena jika aperturnya
diketahui !!
RUMUS TRANSMISI FRIIS
Tujuan : Menghitung transfer daya dari Tx ke Rx
Asumsi / syarat :
Jarak Tx-Rx cukup jauh (pada medan jauh) ;
dengan D = dimensi terbesar dari antena
Medium tidak meredam
Tak ada multipath dari refleksi
antena pengirim adalah isotropis
Rapat daya pada penerima Rx, ( PR ) :
Daya yang diperoleh di antena penerima yang dikirim ke
beban adalah: ; karena
dengan asumsi efisiensi () 100% (D = G), maka akan diperoleh:
Persamaan di atas disebut sebagai persamaan Transmisi Friis, menggambarkan
hubungan daya terima dengan daya kirim.
Komponen pada persamaan diatas disebut sebagai Free Space Loss, yaitu loss
akibat penyebaran energi elektromagnetik (daya) oleh antena, dan bukan disebabkan
adanya penyerapan daya. Bila dinyatakan dalam dB sbb:
atau
TEMPERATUR NOISE ANTENA
Setiap benda dengan temperatur fisik diatas nol absolut (0 K = 273o C) akan
meradiasikan energi. Jumlah energi yang diradiasikan biasanya dinyatakan oleh
sebuah temperatur ekivalen TB. Temperatur TB ini diemisikan oleh sumber dan
diterima oleh antena yang kemudian muncul di terminal antena sebagai temperatur
antena, TA.
Temperatur antena, TA, didefinisikan sebagai temperatur noise efektif tahanan
radiasi antena. Daya noise yang ditransfer ke penerima adalah:
Dimana, N = Daya noise antena (W), k = konstanta Boltzman (1,38 x 10 -23 J/K) , TA =
temperatur antena (K) dan B = bandwidth (Hz).