bab-5 esr

Gelombang Mikro

Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

5

Aplikasi Gelombang Mikro

Aplikasi atau penerapan dari gelombang

mikro cukup luas mencakup berbagai bidang.

Dalam buku ini hanya dibicarakan beberapa

aplikasi dalam bidang-bidang tertentu saja yaitu

antara lain yang berkaitan dengan spektroskopi,

pelacakan obyek dan telekomunikasi. Pada

spektroskopi yang terutama adalah dalam

spektroskopi atom berdasarkan peristiwa

resonansi spin electron (ESR). Dalam masalah

pelacakan (deteksi) dibicarakan terutama yang

berkaitan dengan sistem RADAR untuk

pelacakan obyek menggunakan gelombang mikro.

Dalam bidang telekomunikasi, banyak

dibicarakan masalah telekomunikasi modern

menggunakan gelombang mikro yang

penggunaannya sudah meluas diseluruh dunia.

5.1 Resonansi Spin Elektron (Electron Spin

Resonance, ESR)

Resonansi spin electron adalah peristiwa

terjadinya resonansi magentik pada electron

atom oleh adanya interaksi magentik antara

electron dengan medan magnet dari luar. Suatu

cupling tertentu yang bersifat paramagnetic bila

dimasukkan dalam magnet kuat homogen, akan

Gelombang Mikro


6

mengalami interaksi magnetic, terjadi

pengarahan arah spin electron datau momen

magnet spin electron terhadap arah medan

magnet. Apabila ditambahkan medan magnet

osilasi gelombang mikro akan terjadi resonansi

magnetic untuk frekuensi gelombang mikro

tertentu dan terjadi pembalikan arah spin atau

momen magnet spin electron. Peristiwa resonansi

ini dapat menimbulkan sinyal yang dapat

diamati. Dari besarnya harga medan magnet

homogen dan frekuensi gelombang mikro tersebut

dapat dihitung besaran-besaran electron antara

lain momen dipole magnet electron, factor

tetapan Lande, lebar resonansi dan sebagainya.

5.1.1 Dasar Teori

Semua electron dalam atom bergerak

mengelilingi inti (gerak orbit) sambil berputar

pada dirinya (spin). Gerakan tersebut

menimbulkan momentum putar orbital dan spin

serta momen magnet spin dan orbital. Momen

magnet total electron dapat dituliskan,

0

00

Jgsglg

j

slj

=

+= (5.1)

slJ +=

Gelombang Mikro


7

lg adalah factor tetapan Lande orbital, sg tetapan Lande spin, jg tetapan Lande total, l adalah bilangan kuantum orbital dan s adalah

bilangan kuantum spin. Harga 2, 1, ,0=l dan seterusnya bergantung pada bentuk orbit sedang

harga 21=s sama untuk semua electron. 0 adalah satuan momen dipole magnet atom =1

magneton Bohr = 9,273 1024 Joule/T. hJ = momentum putar total electron.

Apabila suatu sample bersifat paramagnet

(berarti harga atom ),0m dimasukkan dalam medan magnet homogen 0B dari luar, akan terjadi interaksi berupa gaya magnetic dituliskan,

0BFrrr

= (5.2)

Gaya Fr ini arahnya r dan ,0B

r akibatnya

vector r akan berputar mengelilingi arah ,0Br

disebut presesi (presesi Larmor). Besarnya

frekuensi presesi dapat diturunkan berdasarkan

hokum Newton dimana, gaya F = turunan

kewaktu dari momentum putar electron.

Momentum putar electron dapat dituliskan hl= untuk orbital dan hs= untuk spin.

Untuk medan magnet 0Brcukup kuat T, 2,0>

ikatan (kopling) antara spin dan orbit

membentuk J akan lepas, masing-masing akan

Gelombang Mikro


8

berinteraksi sendiri-sendiri terhadap medan .0Br

Frekuensi presesi vector spin terhadap medan B

dapat diturunkan dari hokum Newton di atas,

dapat dituliskan,

0

000

BBgs

=

= h (5.3)

h0 sg= disebut factor giromagnetik. Tenaga interaksi magnetic dari momen

dipole magnet spin dengan medan magnet

homogen luar 0B cukup tinggi, berdasarkan teori elektromagnet adalah,

.

cos

00

00

00

0

BmgBsg

Bsg

BE

=

=

=

=

r

v

(5.4)

adalah sudut antara dan .0B ,cossm = proyeksi s dan B0. Untuk spin s = harga m

terkuantisasi = +1/2 dan 1/2, jadi hanya

mempunyai 2 tingkat. Faktor Lande spin g

berdasarkan experimen dan teori besarnya

adalah = 2 (neg) sama untuk semua elektron.

Gelombang Mikro


9

Gambar 5.1 a. Momen dipol magnet spin dalam medan magnet luar B0. b. Tingkat tenaga

interaksi magnetik.

Dari Gbr. 5.1, tenaga interaksi magnetik

spin dengan medan magnet luar B0 pecah

menjadi 2 tingkat, masing-masing 200gB+ dan 200gB dengan selisih tenaga,

.00gBE = (5.5)

Elektron akan berada pada tingkat tenaga yang

lebih rendah dengan ,2/1=m jadi arah vektor spinnya berlawanan arah terhadap medan B0.

Apabila dari luar ditambahkan lagi medan

magnet, tetapi yang berosilasi misalnya dengan

frekuensi atau frekuensi sudut ,2pi = akan terjadi resonansi magentik bila tenaga medan

osilasi ini .Eh = Dari pers. (5.5), dapat diperoleh,

hgB 00 = atau,

. 0

00

BgB

=

= h (5.6)

Gelombang Mikro


10

Ternyata pers. (5.6) ini sama dengan pers. (5.3).

Jadi frekuensi resonansi magnetik spin ini sama

dengan frekuensi presesi Larmor.

Untuk medan magnet T, 3,00 =B besarnya frekuensi resonansi yaitu frekuensi medan

magnet osilasi,

( )( )( )( )

GH. 8,4 Hertz 104,8

106254,610273,93,02

9

34

24

=

=

=

Frekuensi sebesar ini adalah termasuk

gelombang mikro.

Sewaktu resonansi, terjadi serapan tenaga

gelombang elektromagnetik sebesar ,h dimana

tingkat tenaganya naik dari E ke E+. Adanya

serapan tenaga ini menimbulkan perubahan

induksi magnetik yang terasakan sampai di

osilator dan menghasilkan sinyal keluaran yang

dapat diamati dengan osiloskop sesudah

diperkuat. Apabila besarnya frekuensi resonansi

dan medan magnet B0 dapat diukur, maka dari persamaan (5.6) dapat ditentukan faktor Lande

spin g dan selanjutnya faktor giromagnetik dan besarnya momen dipol magnet spin .

5.1.2 Peralatan dan Experimen

Gelombang Mikro


11

Alat-alat yang diperlukan dalam

spektroskopi ESR ini antara lain, osilator sebagai

sumber gelombang mikro yang biasa disebut

klistron, elektromagnet untuk menghasilkan

medan magnet homogen B0, rongga cuplikan yang

biasa (cavity), detektor gelombang mikro untuk

menangkap sinyal resonansi, osiloskop dll. Bagan

peralatan ditunjukkan pada gambar 5.2. Bentuk

rongga cuplikan berbentuk segi 4 prisma atau

silinder dengan ukuran geometri tertentu sesuai

dengan ragam gelombang mikro yang digunakan

yaitu TEmnp atau TMmnp. Bilangan p berkaitan

dengan panjang rongga yang merupakan

kelipatan .2 Besaran yang biasa divariasi biasanya medan magnet B0, sedang frekuensi dibuat tetap. Untuk memperoleh medan magnet

resonasi lebih cepat, pada B0 dapat ditambahkan

medan sapuan selebar .B

Gambar 5.2 Bagan peralatan spektrometer ESR.

a). Klistron, b). Pandu gelombang, c). Detektor, d)

Osiloskop, e). Kutub magnet, f). Rongga cuplikan,

g). Cuplikan.

Frekuensi gelombang mikro yang biasa

digunakan umumnya sekitar 10 GHz, frekuensi

tersebut termasuk pita X.

Gelombang Mikro


12

Sinyal resonansi keluaran berbentuk

Gaussian atau Lorentzian simetri yang kemudian

diambil turunan pertamanya menjadi bentuk

kurva dispersi yang ditampilkan pada osiloskop.

Gambar 5.3 Sinyal resonansi keluaran. a) Sinyal

resonansi serapan. b) Sinyal turunan pertama.

Pada sinyal turunan pertama (b), penentuan

medan magnet resonansi dan lebar resonansi pB menjadi lebih tepat. Panjang absis medan magnet

B sesuai dengan lebar sapuan .B Lebar resonansi pB berkaitan dengan waktu relaksasi magnetisasi. Pelebaran resonansi ini juga akibat

medan magnet yang tak homogen. Umumnya

medan magnet yang dibuat selalu mempunyai

besar ketidak homogenan tertentu tergantung

kualitas elektromagnetnya. Lebar resonansi ini

juga bergantung pada jenis cuplikan.

Bahan cuplikan yang akan diselidiki harus

bersifat paramagnetik. Bahan paramagnetik

yang bersifat alami tidak bagitu banyak antara

lain garam-garam sulfat yang besifat kristal

serbuk, batu bara dan arang dari kayu atau

bahan hidrokarbon, bahan yang mengandung

Gelombang Mikro


13

silikon, germanium, beberapa jenis bahan kimia

tertentu antara lain, antrasin, DPPH dsb. Bahan

paramagnetik lebi banyak diperoleh dengan

dibuat dengan cara melepas elektron dari atom

atau memisah ikatan molekul sehingga bersifat

paramagnetik atau bisa disebut bersifat radikal.

Pada gambar 5.4 diberikan contoh spektrum

resonansi bahan batubara alami.

Gambar 5.4 Spektrum resonansi bahan batubara.

Dari gambar spektrum tersebut dapat

ditentukan medan magnet resonansi B0 res

frekuensi res, lebar resonansi .pB Dari besaran tersebut dapat ditentukan antara lain faktor

Lande spin g yang besarnya sekitar 2. Harga

tersebut dan juga lebar resonansi pB bervariasi bergantung pada jenis batubara dan lokasi

tempat penambangan.

Pada bahan garam sulfat dan bahan kimia

lain, spektrum resonansinya dapat bersifat

kompleks, tidak hanya tunggal. Hal ini

diakibatkan oleh adanya interaksi magnetik

antar atom atau molekul, antara inti dan

Gelombang Mikro


14

elektron, bentuk kristral yang isotrop dsb. Bentuk

kristal tak isotrop menghasilkan harga faktor

Lande g pecah sesuai dengan arah sumbu-sumbu

kristal (g bersifat tensor). Untuk bahan garam

logam sulfat, pemecahan spektrum terutama

berasal dari interaksi magnetik antara inti dan

elektron. Spektrumnya akan pecah menjadi

beberapa puncak disebut spektrum halus.

Pemecahan spektrum adalah akibat

interaksi magnetik momen dipol magnet spin inti

dan elektron. Tenaga interaksinya dapat

dituliskan sbb.,

. IsIs mmaE = (5.7)

21+=sm dan 21 dari spin 21=s . Im dari tinti I yaitu proyeksi I terhadap arah .0B

.,2,1, IIIImI ++= Ada sebanyak 12 +I buah Im . a adalah tetapn interaksi spin inti-elektron.

Inti mn mempunyai spin inti ,25=I jadi harga Im ada 6 buah. Pemecahan tenaga

interaksinya diberikan pada gambar 5.6.

Gambar 5.5 Pemecahan tingkat-tingkat tenaga

pada elektron oleh adanya interaksi magnetik

Gelombang Mikro


15

spin inti dan elektron. Tampak ada 6 terjunan

yang menghasilkan 6 puncak spektrum.

Dari gambar di atas dapat terjadi terjunan

(transisi) tenaga elektron yang memenuhi syarat

kuantisasi ,1= sm ,0= Im sebanyak 6 buah yang akan menghasilkan 6 spektrum. Gambar

spektrum yang diharapkan ditunjukkan pada

gambar 5.6.

Gambar 5.6 Spektrum resonansi halus dari bahan

garam mangan sulfat MnSO4.6H2O.

Apabila spektrometer ESR resolusinya

rendah, ke 6 puncak tersebut tampak menjadi

hanya 1 spektrum yang lebar. Dari gambar 5.5

dapat diturunkan frekuensi masing-masing

puncak resonansi.

( ) haE 251 =

( ) haE 256 +=

ha516 == (5.8)

Gelombang Mikro


16

Dari persamaan ini, bila dapat diukur, tetapan interaksi magnetik antara inti dan

elektron dapat ditentukan.

5.1.3 Bahan Paramagnetik Buatan

Berbagai cara atau metoda dapat dilakukan

untuk menghasilkan bahan yang bersifat

paramagnetik atau radikal tersebut antara lain

dengan radiasi sinar ultra-violet, sinar X, sinar

radioaktif , , , dengan reaksi kimia dsb. Bahan-bahan yang diradiasi akan mengalami

kerusakan oleh adanya pelepasan elektron atau

pemecahan molekul. Apabila dosis radiasi belum

melebihi batas tertentu, kerusakan tersebut

dapat pulih lagi dengan kecepatan tertentu.

Kecepatan timbulnya radikal dan kembalinya

pulih dapat diukur dari perubahan intensitas

sinyal resonansi terhadap waktu. Apabila

intensitas radiasi melebihi dosis aman, bahan

akan tetap rusak dalam jangka lama, mungkin

tak dapat kembali pulih.

Pada gambar 5.7 diberikan contoh

perubahan tinggi sinyal resonansi dari bahan

yang mengandung Fe yang diradiasi dengan sinar

dari radioaktif Cs137 dengan tenaga 662 KeV.

Gambar 5.7 Perubahan tinggi sinyal resonansi

ESR terhadap waktu dari bahan yang

Gelombang Mikro


17

mengandung Fe setelah diradiasi dengan sinar Cs137.

Dari grafik di atas tampak perubahan tinggi

sinyal yang besarnya sebanding dengan besarnya

sifat paramagnetik bahan setelah diradiasi turun

secara exponensial terhadap waktu. Selanjutnya

dapat dihitung kecepatan pulih, umur serta

kekuatan sifat paramagnetiknya atau tingkat

kerusakan bahan.

5.2 Radar

Radar adalah singkatan dari Radio

Detection and Ranging. Radar berfungsi untuk

melacak obyek tertentu menggunakan gelombang

mikro. Jadi radio yang dimaksudkan disini

adalah gelombang mikro. Gelombang mikro bila

mengenai obyek bahan konduktor (logam) akan

memantul seperti cahaya. Gelombang pantul ini

bila dapat ditangkap (deteksi), akan dapat

diketahui adanya obyek sasaran dan dimana

posisinya.

Gelombang mikro dipancarkan secara

kontinu atau pulsa (denyut). Untuk mengetahui

jarak atau posisi sasaran, digunakan gelombang

mikro pulsa. Gelombang ini dipancarkan dari

pemancar berbentuk antena parabola. Parabola

ini berfungsi sebagai pemancar dan penerima

gelombang mikro yang dipantulkan oleh sasaran.

Arah antena parabola dapat diatur ketempat

Gelombang Mikro


18

sasaran. Posisi sasaran dapat ditentukan dari

selang waktu saat gelombang dipancarkan dan

diterima kembali.

Jumlah pulsa bervariasi antara 800 2000

per sekon. Jangkau pelacakan bergantung pada

daya pemancar. Makin kuat dayanya, makin jauh

jarak sasaran yang dapat dilacak. Sumber

gelombang mikro yang biasa digunakan adalah

jenis magnetron. Frekuensi gelombang mikro

yang banyak digunakan adalah antara 3 10

GHz (termasuk pita X).

Sinyal yang dihasilkan oleh antena

penerima umumnya sudah lemah sekali, maka

diperlukan penguat sehingga dapat ditampilkan

dimonitor. Sinyal diterima oleh penerima secara

periodik bergantian dengan keluaran dari

magnetron. Hal ini dapat diatur dengan

pemindah hubungan (switch). Bagan unit radar

dapat dilihat pada gambar 5.8. Pada switch ini

akan terhubung secara otomatis ke magnetron

atau ke penerima, sesuai dengan kontrol selang

waktu pulsa.

Gambar 5.8 Bagan peralatan sistem radar. M

adalah magnetron

Selang waktu antara pulsa yang

dipancarkan dan diterima kembali adalah,

Gelombang Mikro


19

cdt 2= (5.9)

Untuk jarak sasaran 10=d km,

58

3

107103

10102

=

=t det.

Selang waktu t ini dapat dilihat pada monitor. Daya gelombang yang digunakan

bergantung pada keperluan. Untuk keperluan

militer dapat mencapai MW pulsa. Gelombang

mikro dalam radar dapat di lewatkan dengan

kebel atau pandu gelombang. Dengan pandu

gelombang dayanya hanya sedikit yang hilang di

jalan. Bila menggunakan kabel, pada ujung

pemancar dihubungkan dengan kawat

panjangnya kelipatan .21 Apabila menggunakan

pandu gelombang, ujungnya dihubungkan dengan

corong (horn) mengarah ke parabola.

Untuk gelombang mikro dengan frekuensi

10 GHz, ternyata lebih mudah terganggu oleh

hujan deras dibanding dengan frekuensi 3 GHz.

Daya gelombang sebagian terserap oleh air hujan.

Selain gangguan hujan, gangguan lain dapat

berasal dari antara lain,

a. Gerakan motor pemutar antena.

b. Keadaan cuaca, panas, dingin, angin dsg.

c. Rangkaian elektronik misalnya penguat,

filter dsb.

d. Sinyal radar dari sumber lain.

Gelombang Mikro


20

Sinyal pantulan dari sasaran setelah diperkuat,

dapat dimunculkan menjadi bunyi, sehingga

apabila dianggap sebagai bahaya, segera dapat

diketahui oleh banyak orang.

Pesawat radar dapat mengetahui atau

membedakan sasaran yang diam atau bergerak

berdasarkan prinsip Doppler. Hal ini banyak

digunakan di militer ataupun sipil. Efek Doppler

berkaitan dengan timbulnya efek perubahan

frekuensi oleh adanya gerakan sumber atau

sasaran. Misalnya pengamat berada di unit radar

dalam keadaan diam sedang sasaran dalam

keadaan bergerak dengan kecepatan v seperti

ditunjukkan pada gambar 5.9.

Gambar 5.9 Efek Doppler dalam teknik radar.

Radar dan pengamat diam dikoordinat O sedang

sasaran bergerak dengan kecepatan menjauh

vditempatkan di koordinat O.

Gelombang radar dipancarkan dari antena

parabola di O dengan kecepatan u, sedang

gelombang terpantul oleh sasaran bergerak di O

kecepatan baliknya u menuju penerima.

Kecepatan ini dipengaruhi oleh kecepatan gerak

sasaran .v Pembahasan secara sederhana, yaitu

Gelombang Mikro


21

peninjauan secara klasik, dapat dituliskan, bila

kecepatan gelombang di O = u, kecepatan di O.

vuu =' (5.10)

Bila dibagi dengan ,

( ) ''' vuu = (5.11)

Panjang gelombang ditempat diam dan bergerak

adalah sama, jadi '. = Persamaan (5.11) dapat dituliskan dalam frekuensi,

( )

( )uvvuu

=

==

1 '''

(5.12)

' adalah frekuensi gelombang mikro yang kembali. Tampak bahwa frekuensi yang diterima

kembali < dari frekuensi datang atau yang

dipancarkan oleh pemancar. Bila sasaran

bergerak mendekat pengamat, kecepatan v

tandanya positip, maka frekuensi yang

dikembalikan akan > dari frekuensi datang.

Untuk sasaran diam ,0=v maka .' = Dari selisih frekuensi ,' = dapat untuk menentukan kecepatan gerak sasaran.

Pada pesawat radar modern, semua sistem

dikontrol dengan komputer dan terprogram,

dapat menentukan posisi, arah dan kecepatan

sasaran dengan cepat. Untuk tujuan menembak

Gelombang Mikro


22

sasaran setelah semua data terkumpul,

kemudian diproses sehingga tembakan dapat

mengenai sasaran dengan lebih tepat. Pesawat

radar buatan Amerika yang paling canggih saat

ini adalah yang bernama AWACS (sistem kontrol

dini kawasan lingkungan) yang dapat melacak

semua obyek didaerah yang luas dari pesawat.

Dayanya sangat kuat dan sistem pelacaknya

sangat peka.

5.3 Komunikasi dengan Gelombang Mikro

Komunikasi menggunakan gelombang mikro

adalah jenis komunikasi modern yang paling

banyak digunakan secara luas di dunia sekarang

ini. Dengan gelombang mikro, jangkaua sasaran

komunikasi menjadi hampir tak terbatas seperti

bila menggunakan gelombang radio dll., baik

dipermukaan bumi maupun di angkas luar.

Dengan menggunakan antena parabola,

gelombang mikro dapat difokuskan ke satu arah

seperti halnya cahaya, sehingga jarak jangkau

menjadi semakin jauh. Media komunikasi yang

secara umum digunakan orang disemua negara

adalah televisi, telepon, facimile dsb. Berikut

dibicarakan secara singkat bagaimana daerah

frekuensi gelombang mikro yang digunakan

untuk komunikasi, sistem pemancar dan

penerima dan sistem satelit komunikasi.

Gelombang Mikro


23

5.3.1 Pembagian Daerah Frekuensi

Untuk komunikasi menggunakan gelom-

bang mikro, daerah frekuensi yang biasa

dioperasikan adalah antara 1 GHz sampai 40

GHz. Daerah frekuensi dibagi-bagi menjadi

interval frekuensi yang biasa disebut pita

frekuensi (frequency band). Gelombang mikro

yang dihasilkan dari pembangkit gelombang

mikro dilewatkan pada pandu gelombang yang

umumnya berbentuk segi empat dengan pola

atau ragam tertentu. Pada tabel berikut

diberikan pembagian daerah frekuensi

gelombang mikro dan ukuran pandu gelombang.

Ukuran pandu gelombang adalah .21

Pada pita X dengan GHz, 10= cm. 31010103 98 === vc Jadi ukuran pandu

gelombang adalah cm. 5,13 Gelombang mikro dengan panjang gelombang < 2 akan diteruskan sedang yang > 2 akan terserap oleh pandu gelombang jadi tak dapat diteruskan.

Tabel 5.1 Pembagian pita gelombang mikro untuk

komunikasi dan ukuran pandu gelombang.

Pita Frekuensi,

(GHz)

Ukuran

panjang

gelombang

(cm)

L 1,12 2,7 16,5 8,26 S 2,6 3,95 7,21 3,40

Gelombang Mikro


24

G 3,95 5,85 4,75 2,21 C 4,90 7,05 4,04 2,02 J 5,85 8,20 3,48 1,57 H 7,05 10,0 2,84 1,26 X 8,20 12,4 2,29 1,02 M 10,0 15,0 1,91 0,95 P 12,4 18,0 1,57 0,79 N 15,0 22,0 1,30 0,65 K 18,0 26,5 1,07 0,43 R 26,5 40,0 0,71 0,36

5.3.2 Pemancar dan Penerima

Jenis pembangkit gelombang mikro yang

umum banyak digunakan adalah klistron,

magnetron dan diode semikonduktor, sesuai

dengan daya yang diperlukan. Disamping itu

biasa digunakan pula penguat gelombang mikro

yaitu TWA atau TWT (Travelling wabe tube

amplifier) yang dapat memperkuat daya antara

30 60 dB. Untuk komunikasi, sinyal-sinyal

input dimasukkan pada anoda (grid) jadi

potensial anoda akan termodulasi oleh sinyal

input dan diteruskan pada keluaran gelombang

mikro. Gelombang mikro yang sudah termodulasi

diteruskan keantena pemancar lewat pandu

gelombang. Antena ini biasanya berbentuk

parabola atau kawat panjang tertentu kelipatan

.21 Pada ujung pandu gelombang dipasang corong (horn) diarahkan ke permukaan parabola.

Gelombang Mikro


25

Pada antena parabola, gelombang mikro menjalar

hanya satu arah sesuai dengan arah pembukaan

parabola sedang pada antena kawat gelombang

mikro menjalar kesegala arah.

Gambar 5.10 Sistem pemancar dan penerima

komunikasi dengan gelombang mikro

menggunakan antena parabola.

Pada input modulasi (dengan frekuensi

sekitar 700 MHz) dapat dimasukkan sinyal

suara, gambar, data dsb secara analog maupun

digital. Pada sistem penerima, gelombang mikro

yang tertangkap oleh parabola dipancarkan ke

horn atau kawat penerima yang dipasang di

tempat fokus. Sinyal tersebut diteruskan dengan

kabel ke penguat, disaring (filter) sehingga sinyal

dari input tadi dapat dipisahkan yang kemudian

setelah diperkuat, ditampilkan dilayar pendar

pesawat TV ataupun monitor lain. Sinyal input

siaran TV berasal dari kamera atau video

umumnya berupa analog.

Sinyal input digital semakin banyak

digunakan dalam komunikasi modern karena

tidak mudah mengalami gangguan secara

mekanik maupun elektronik dan dapat

dipancarkan dengan jangkauan yang lebih jauh.

Sinyal audio maupun gambar yang mula-mula

Gelombang Mikro


26

berupa analog dapat diubah menjadi sinyal

digital. Sinyal yang diterima oleh pesawat

penerima berbentuk digital tersebut dapat diubah

menjadi analog lagi bila diperlukan.

Untuk memperbesar dan memperluas

jangkau komunikasi dengan gelombang mikro,

digunakan sistem satelit. Satelit yang selalu

berada di angkasa dalam garis edarnya berfungsi

sebagai antena penerima gelombang mikro yang

dikirimkan dari parabola di Bumi dan juga

sebagai pemancar mengembalikan sinyal ke

permukaan Bumi dalam daerah yang cukup luas.

Pesawat satelit tersebut khusus dinamakan

setelit komunikasi.

Sistem komunikasi umum modern yang

makin populer jaman sekarang adalah

penggunaan telepon genggam. Prinsipnya sama

dengan komunikasi sistem radio, tetapi disini

menggunakan frekkuensi gelombang mikro denga

frekuensi GHz. Pelaksanaannya seperti sistem

telepon jadi secara digital. Sumber gelombang

mikro adalah semikonduktor denga catu daya

baterai. Bentuknya kecil sebagai gagang telpon,

dapat digenggam atau disaku, jadi dapat dibawa

kemana saja. Dengan kode digital seperti pada

nomor telpon konvensional (biasa), pulsa isarat

telpon genggam dapat dimasukkan kekode pulsa

telpon biasa. Jangkauan telpon genggam ini

menjadi tak terbatas, baik dalam negeri maupun

ke luar negeri seperti telpon konvensional.

Gelombang Mikro


27

Isyarat komunikasi lewat jasa telpon digital

dapat mengambil dari komputer dengan sistem

modem. Komputer pribadi yang ada di rumah

dengan sistem modem dihubungkan ke

sambungan telpon. Isyarat komunikasi dapat

dimasukkan lewat komputer dengan kode digital

secara internasional seperti pada telpon

genggam. Sistem komunikasi ini biasa dikenal

sebagai internet. Komunikasi jarak jauh antar

negara yang umum, baik dengan telpon

konvensional, telpon genggam maupun internet,

semuanya menggunakan media gelombang mikro

sistem satelit.

5.3 Satelit Komunikasi

Satelit komunikasi yang berfungsi sebagai

penerima dan pemancar sinyal komunikasi yang

dibawa oleh gelombang mikro, biasa ditempatkan

di angkasa diposisi tertentu terhadap daerah

kawasan di bumi yang cukup luas dan tetap.

Satelit tersebut harus tetap beredar mengelilingi

bumi dengan kecepatan tertentu sehingga

tercapai kesetimbangan antara gaya tarik

gravitasi bumi dengan gaya setripetalnya.

Agar posisinya tetap di atas suatu daerah di

bumi, maka kecepatan sudut edar satelit harus

sama dengan kecepatan sudut putar bumi. Dalam

waktu 24 jam bumi berputar 360o. Misalkan

satelit dalam keadaan setimbang tersebut

ketinggian dari pusat bumi = R. Bila massa

Gelombang Mikro


28

satelit m, kecepatan edar, persamaan gaya

gravitasi dan gaya sentripetal dapat dituliskan,

Rmv

RGMm 2

2 = (5.13)

Dengan G adalah tetapan gravitasi bumi =

6,671011 m3/kg, dan M adalah massa bumi = 61024 kg. Bila kecepatan sudut bumi sama dengan , kecepatan satelit adalah,

RT

Rv pi 2== (5.14)

dengan 24=T jam. Substitusi v pada pers. (5.14) ke pers. (5.13), diperoleh,

2

224T

RR

GM pi= atau

31

2

2

4

=

pi

GMTR (5.15)

Bila dimasukkan angka-angka di atas,

( ) km. 1023,414,346060241061067,6 4

31

2

2411

=

=

R

Gelombang Mikro


29

Karena jari-jari Bumi = 6,4103 km, maka ketinggian satelit dari permukaan bumi,

km 1035,9km 104,61023,4 334 ==h

Satelit komunikasi yang dimiliki Indonesia

dinamakan Palapa. Satelit Palapa yang pertama

diluncurkan pada sekitar tahun 1980. Satelit

palapa mempunyai kemampuan dan umur

tertentu. Kemampuan satelit dinyatakan dengan

jumlah transponden yaitu banyak saluran

frekuensi yang digunakan untuk komunikasi.

Umur satelit adalah antara 5 s/d 8 tahun, dengan

demikian tiap kali menghadapi habis masa

kerjanya, perlu diganti dengan satelit lain.

Sampai sekarang sudah diluncurkan beberapa

satelit antara lain jenis Palapa B1, Palapa B2,

Palapa C1 dan Palapa C2.

Satelit Palapa ditempatkan pada orbit di

atas equator pada ketinggian 3,6 103 km di atas laut. Posisi satelit dapat diatur dari bawah

dengan antena parabola di Cibinong. Satelit

komunikasi umumnya menggunakan daerah

kerja frekuensi pada pita 4-6, 7-8, 12-14 atau 20-

30 GHz.

Gelombang mikro yang membawa sinyal

komunikasi dikirim ke atas ke satelit Palapa dari

pemancar parabola yang dapat dipasang di

berbagai temapt di Indonesia. Satelit Palapa yang

dilengkapi dengan antena parabola penerima

menerima sinyal tersebut, kemudian diperkuat

dan diadakan pergeseran frekuensi menjadi

Gelombang Mikro


30

sedikit lebih rendah oleh transponden dan

selanjutnya memancarkan kembali ke bumi.

Daya yang digunakan oleh satelit berasal dari

solar cell. Transponden berfungsi sebagai

penggeser frekuensi terdiri dari antena, solar

panel, sistem penterjemah dan sistem kontrol.

Sinyal komunikasi yang dipancarkan

kembali ke bumi oleh satelit mencapai daerah

cukup luas, seluruh Indonesia bahkan dapat

meluas ke negara tetangga sampai Australia,

Cina, Asia selatan. Daya gelombang mikro yang

diterima di bumi sudah sangat lemah turun

sampai 200 dB. Untuk menerimanya harus

digunakan antena parabola dan sistem penguat

yang besar.

Misalkan dari pemancar di bumi dikirimkan

sinyal ke satelit dengan daya pancar 1000 W.

Sesudah dikembalikan oleh satelit dan diterima

oleh antena di bumi tinggal 1016 W. Bila sinyal

tersebut dilewatkan pada kabel 50 Ohm, sinyal

yang dihasilkan hanya 7108 Volt. Untuk dapat diproses lebih lanjut, diperlukan sistem penguat

yang berkemampuan tinggi dan penekan noise

yang baik sehingga selanjutnya dapat diperoleh

sinyal yang cukup untuk ditampilkan dilayar

atau pada monitor.

Satu satelit dapat menerima dan

memancarkan beberapa frekuensi sekaligus

untuk berbagai keperluan. Untuk komunikasi

modern, sinyal dipancarkan secara digital. Untuk

modulasi sinyal suara, jumlah bit rata-ratanya 64

Gelombang Mikro


31

kilobit/det sedang sinyal TV memerlukan 40-90

Mbit/det.

Satelit Palapa C mempunyai jumlah

trasnponden sebanyak 34, lebih besar dibanding

dengan jumlah transponden pada palapa

sebelumnya jenis B1 dan B2. Ke 34 transponden

tersebut dibagi 2, yang 30 bekerja pada pita C (5-

6 GHz) dengan lebar 60 MHz sedang yang 4

transponden bekerja pada pita K (20 GHz)

dengan lebar pita 80 MHz. Berat satelit Palapa C

sekitar 2 ton diluncurkan oleh roket Arianne di

Amerika Selatan.

Pita C mencakup Indonesia, Australia, Cina,

Sibiria dan India. Pita K dapat mencakup

Indonesia Timur, Asia Timur sampai Guam. Pita

C untuk komunikasi telepon karena tahan

terhadap cuaca sedang pita K baik untuk siaran

TV, tapi peka terhadap cuaca. Negara-negara

Asia yang sudah dapat membangun satelit

komunikasi sendiri adalah Jepang, Cina dan

India.

Daftar Pustaka.

1. Elecron Spin Resonance. Oleh Charles P.

Poole Jr. John Wiley & Sons, 1983.

2. Introduction to Microwave Theory and

Meaurements. Oleh A. L. Lance. Mc Graw

Hill Book, 1964.

3. Electron Spin Resonance. Oleh N. M.

Atherton. Ellis Harwood, 1973

Gelombang Mikro


32

4. Theory and Applications of Electron Spin

Resonance. Oleh Walter Gordy. John Wiley

& Sons, 1980

5. Electronic and Microwave Communication

System. Oleh Kennedy. McGrw Hill 1984

6. Microwave. K.C. Gupta Wiley Kastern 1979

7. fdfdfdf

8. fdfdfdfdf

Soal-soal Ujian

1. Tulislah persamaan Maxwell untuk di luar

sumber dalam medium yang mempunyai

tetapan dielektrik relatip ,r tetapan

permeabilitas relatip r dan konduktivitas listrik . Selanjutnya turunkan persamaan gelombang mikro yang

menjalar menuju arah X. Oleh adanya ,

tunjukkan bahwa amplitude gelombang

mikro mengalami penurunan secara

exponensial.

2. Suatu pandu gelombang mikro bentuk segi

4 panjang dengan ukuran penampang

cm, 53 dimasukkan gelombang mikro dengan panjang gelombang 3 cm dan

amplitude medan listriknya 0,12 V/cm.

Apabila dikehendaki gelombang mikro

yang dapat dilewatkan adalah pola TM12,

tulislah semua komponen medan

Gelombang Mikro


33

listriknya. Ingat E0 adalah jumlah vector

komponen amplitudo.

3. Pada pesawat ESR, untuk suatu cuplikan

tertentu, frekuensi gelombang mikro

terukur = 10 GHz. Sesudah divariasi

medan magnetnya, diperoleh resonansi

pada 0,33 T dengan lebar resonansinya = 1

mT.

a. Gambarkan spectrum resonansinya

kemudian hitung faktor Lande cuplikan

dan waktu relaksasinya.

b. Apabila resolusi alat cukup tinggi, oleh

adanya interaksi magnetik antara

elektron dan inti, terjadi pemecahan

spektrum. Gambarkan spektrumnya

bila I dari intinya = .

4. Jelaskan tentang factor kualitas Q pada

rongga resonator dan cara pengukurannya.

5. Sebuah pandu gelombang segi 4 panjang,

lebarnya 6 cm, tingginya 4 cm, dimasukkan

gelombang mikro deng frekuensi 8 GHz.

Amplitudo gelombang medan listrik adalah

0,2 V/cm dengan pola gelombang dalam

p.g. tersebut TM21.

a. Tulislah semua komponen medan listrik

dan magnet gelombang mikro dalam

p.g. tersebut.

b. Hitung kecepatan grup, kecepatan fase

dan impedansinya.

6. Pada sebuah pandu gelombang silinder

dengan diameter 6 cm, dimasukkan

Gelombang Mikro


34

gelombang mikro dengan cm. 2= Pola gelombang mikro yang menjalar dalam p.g.

tersebut adalah TM12.

a. Apabila diketahui daya rata-rata

gelombang mikro yang dimasukkan

2 watt, tulislah semua komponen

medan listrik dalam p.g. tersebut.

b. Bila bagian ujung p.g. ditutup, akan

terbentuk gelombang berdiri TM128.

Berdasarkan panjang silinder

tertutup tersebut. Tulislah semua

komponen medan listriknya.

7. Garam kristal MnSO4.xH2O dimasukkan

dalam tabung cuplikan pesawat ESR.

Apabila medan magnet terpasang = 0,36 T,

terjadi resonansi pada frekuensi 9 GHz.

a. Bila diketahui inti Mn mempunyai I

= 5/2, berapakah faktor Landenya.

b. Oleh adanya interaksi magnetik

antara elektron dan inti, terjadi

pemecahan tingkat tenaga elektron.

Gambarkan tingkat-tingkat tenaga

dan juga bentuk spektrum halusnya.

8. Sebuah pesawat Radar dengan

cm 6= (secara pulsa), diarahkan ke pesawat Jet yang sedang bergerak

menjauh. Dari pengamatan dimonitor,

diketahui gelombang mikro pantulan

mengalami pergeseran frekuensi 5,5 kHz

terhadap gelombang datang.

Gelombang Mikro


35

a. Berapakah kecepatan pesawat

tersebut.

b. Diketahui lebar pulsa = 2 ms.

Apabila selisih waktu sinyal

pantulan gelombang dengan pulsa

yang dikirimkan = 0,4 ms,

berapakah selisih waktu sinyal

pantulan tersebut sesudah bergerak

selama satu lebar pulsa.

9. Gelombang mikro dari suatu klistron

dimasukkan dalam pandu gelombang segi

4 ukuran cm. 24 Frekuensi gelombang mikro 25 GHz (pita K) dengan daya 5 watt.

Pola gelombang mikro dalam pandu

gelombang adalah TM32.

a. Hitung kecepatan menjalar

gelombang dalam p.g. dan juga

impedansinya.

b. Tuliskan semua komponen medan

magnetnya.

10. Sebuah tabung silinder bahan konduktor

berukuran diameter 7 cm, dimasukkan

gelombang mikro dengan cm 3= pola TE12. Ke dalam silinder dimasukkan bahan

plastik yang mempunyai tetapan dielektrik

relatip 8 dan tetapan permeabilitas relatip

12. Tabung ditutup sehingga membentuk

rongga/cavity.

a. Bila pola gelombang dalam rongga

TE125, berapa panjang silinder.

Gelombang Mikro


36

b. Tulis komponen medan listrik

resonansinya.

11. Sebuah elektron keluar dari katoda

menuju dinding silinder dalamtabung

magnetron dengan sudut keluar 60o

terhadap sumbu oleh pengaruh potensial

tetap 100 kV. Medan magnet terpasang 0,1

T.

a. Hitung kecepatan gerak elektron.

b. Jelaskan lintasan gerakannya

12. Suatu cuplikan bahan kimia radikal

dimasukkan dalam pesawat ESR.

Diketahui inti atom radikalnya

mempunyai I = 2.

a. Gambarkan pemecahan tingkat

tenaga magnetik elektron akibat

adanya interaksi magnetik elektron

dengan inti.

b. Bila terukur jarak pemisahan

spektrum terjauh = 300 gauss

hitunglah tetapan interaksi

magnetiknya.

c. Bila bahan tersebut dikenai radiasi

sinar X, terjadi peningkatan kuat

radikalnya menjadi 4 kali. Dari

waktu paro peluruhan penguatan

sifat magnetiknya, terukur = 10

menit. Gambarkan pola grafik

peluruhan tinggi sinyal

resonansinya.

Gelombang Mikro


37

bab-5 esr

Documents

Transcript of bab-5 esr