propagasi1

Propagasi Gelombang Radio

PROPAGASI GELOMBANG RADIO

Dengan beberapa pertimbangan teknis dan terutama ekonomis, untuk komunikasi pentransmisian gelombang dalam jarak yang jauh, akan lebih efisien apabila menggunakan udara bebas sebagai media transmisinya. Hal ini memungkinkan karena gelombang radio atau RF (radio frequency) akan diradiasikan oleh antena sebagai matching device antara sistem pemancar dan udara bebas dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik. Gelombang ini merambat atau berpropagasi melalui udara dari antena pemancar ke antena penerima yang jaraknya bisa mencapai beberapa kilometer, bahkan ratusan sampai ribuan kilometer.

Pada bab ini akan dikhususkan membahas tentang beberapa mekanisme gelombang elektromagnetik berpropagasi antara dua tempat. Pada Gambar 1 diperlihatkan beberapa jenis lintasan propagasi yang merupakan mekanisme perambatan gelombang radio di udara bebas.

Gambar 1: Mekanisme propagasi gelombang radio

Bila kita deskripsikan, jenis-jenis gelombang yang ada dapat dibedakan menjadi empat macam. Penjelasan untuk jenis gelombang itu adalah sebagai berikut :

dengan propagasi segaris

1. Gelombang langsung. Propagasi gelombang yang demikian biasa disebut dengan propagasi segaris pandang (line of sight)

2. Gelombang terpantul, yakni merupakan gelombang yang datang setelah adanya pantulan pada suatu titik antara di permukaan bumi.

3. Gelombang permukaan, yakni merupakan gelombang yang merambat pada permukaan bumi mengikuti kelengkungan yang ada.

4. Gelombang langit (Sky Wave)merupakan gelombang yang mengarah ke atas langit meninggalkan pemancar kemudian bengkok karena ada lapisan konduksi dari lapisan pada atmosfir yang lebih tinggi, setelah itu kembali ke permukaan bumi.

1


Gelombang langsung, gelombang terpantul dan gelombang permukaan bersama-sama muncul, maka gabungan gelombang ini disebut sebagai gelombang tanah (ground wave). Sementara itu yang disebut gelombang ruang (space wave) merupakan gabungan antara gelombang langsung dan gelombang yang dipantulkan oleh permukaan bumi.

Gambar 2 : Antena pemancar memancarkan beberapa jenis gelombang

1. Propagasi Gelombang Tanah (Ground Wave)

Sudah dijelaskan bahwa gelombang tanah pada prinsipnya dibentuk dari dua komponen gelombang yang terpisah. Komponen gelombang itu adalah:

Gelombang permukaan (surface wave) Gelombang ruang (space wave)

Untuk menentukan apakah komponen gelombang tersebut diklasifikasikan sebagai gelombang permukaan atau gelombang ruang cukuplah sederhana. Pengertian dari gelombang permukaan adalah gelombang yang menjalar sepanjang permukaan bumi, sedangkan gelombang ruang adalah gelombang yang menjalar di atas permukaan bumi. Antara kata ”sepanjang” dan di atas ada sedikit perbedaan. Menjalar di atas artinya penjalaran gelombang beberapa puluh meter di atas permukaan bumi pada ketinggian antena.

Gambar 3 Gelombang permukaan (surface wave) dan gelombang ruang (space wave)

2


Gelombang permukaan mencapai bagian penerima dengan cara menjalar sepanjang permukaan tanah. Gelombang permukaan dapat mengikuti kontur (liku-liku) permukaan tanah di atas bumi karena mengalami proses difraksi (penyebaran). Pada saat gelombang permukaan menemukan obyek penghalang yang ukurannya lebih besar besar dari panjang gelombang, maka gelombang tersebut cenderung akan melengkung atau berbelok ke arah obyek. Untuk obyek yang lebih kecil, penjalaran gelombang tidak menjadi masalah karena akan mengalami difraksi.

Gelombang permukaan yang menjalar di atas tanah akan menyebabkan berkurangnya energi atau daya pancar sebagai akibat adanya pelemahan. Akibat ini tentu sinyal penerimaan menjadi lebih lemah atau kecil. Untuk menghindari hal ini, maka penghalang harus dihilangkani atau dengan membuat gelombang terpolarisasi vertikal untuk mengurangi gelombang bersinggungan dengan permukaan bumi.

Gelombang permukaan biasanya dialami oleh gelombang dengan frekuensi di bawah 500 KHz. Gelombang ini akan mengalami perubahan propagasi sebab dipengaruhi oleh ketidaksempurnaan konduktivitas atau daya hantar di permukaan bumi.

Gambar 4 Gelombang permukaan menjalar diatas tanah

Pelemahan yang dialami oleh gelombang ini sebagai fungsi dari konduktivitas dan permitivitas bumi. Penetrasi gelombang pada lapisan tanah, bergantung pada frekuensi dan nilai konstanta bumi relatif. Nilai konstanta relatif permitivitas berkisar antara 80 hingga 4, sedangkan konduktivitas bervariasi dari 5 hingga 0,001 mho/m. Kalau kita cermati adanya gelombang menjalar di atas permukaan laut dan tanah kering, maka akan ditemui suatu fenomena yang berbeda. Dalam hal ini popagasi gelombang permukaan akan menjadi paling baik bila berada di atas permukaan laut, terutama air garam (air laut), sementara menjadi paling buruk bila berada di atas tanah kering (berkonduktivitas rendah), seperti padang pasir pada frekuensi-frekuensi yang masih dalam rentangnya. Dengan demikian dapat dipahami bahwa perbedaan antara propagasi di permukaan

3


laut dan di atas tanah kering untuk frekuensi-frekuensi rendah menjadi tidak begitu berarti. Perbedaan yang cukup tajam akan muncul apabila terjadi peningkatan frekuensi untuk daya pemancar tertentu, dan akan terjadi penurunan tajam pada frekuensi tinggi.Karena alasan tersebut, gelombang permukaan sangat tidak efektif pada frekuensi di atas 2 MHz.

Namun demikian, gelombang permukaan sangat handal bagi hubungan komunikasi. Penerimaan gelombang tidak terpengaruh oleh perubahan harian maupun musiman, sebagaimana yang terjadi pada gelombang langit (gelombang ionosfir). Propagasi gelombang tanah merupakan satu-satunya cara untuk berkomunikasi di dalam lautan.

Untuk memperkecil redaman laut, maka digunakan frekuensi yang sangat rendah, yaitu band ELF (Extremely Low Frequency), yaitu antara 30 hingga 300 Hz. Dalam pemakaian tertentu dengan frekuensi 100 Hz, redamannya hanya sekitar 0,3 dB per meter. Redaman ini akan meningkat drastis bila frekuensinya makin tinggi, misalnya pada 1 GHz redamannya menjadi 1000 dB per meter.

2. Propagasi Gelombang Langit (Sky Wave)

Pada frekuensi tinggi atau daerah HF, yang mempunyai range frekuensi 3 – 30 MHz, gelombang dapat dipropagasikan menempuh jarak yang jauh akibat dari pembiasan dan pemantulan lintasan pada lapisan atmosfir. Gelombang yang berpropagasi melalui lapisan atmosfir ini disebut sebagai disebut gelombang langit (sky wave).

Gelombang langit terpancar dari antena pemancar dengan suatu arah yang menghasilkan sudut tertentu dengan acuhan permukaan bumi. Dalam perjalanannya, bisa melalui beberapa kali pantulan lapisan atmosfir dan permukaan bumi, sehingga jangkauannya bisa mencapai antar pulau, bahkan antar benua.

Aksi pembiasan pada lapisan atmosfir dan permukaan bumi tersebut disebut dengan skipping . Ilustrasi dari efek skipping ini, dapat dilihat pada Gambar 5.

Gelombang radio yang dipancarkan dari pemancar melalui antena menuju ionofir, dan dibiaskan/dipantulkan kembali pada titik B ke permukaan bumi pada titik C. Kemudian oleh permukaan tanah dipantulkan kembali ke ionosfir dan sekali lagi dibiaskan ke bumi kembali pada titik D menuju penerima di titik E pada permukaan bumi.

Untuk memahami proses pembiasan lebih lanjut pada atmofir bumi, maka susunan kita harus mengetahui proses kimiawi lapisan atmosfir dan faktor-faktor yang mempengaruhinya.

4


Gambar 5: Ilustrasi efek skipping gelombang langit

Lapisan atmofir bumi terdiri dari 3 (tiga) lapisan, yaitu :

Lapisan troposfir (troposphere) terletak di permukaan bumi hingga mencapai ketinggian kira-kira 15 km.Lapisan troposfir adalah lapisan terendah dari bumi, dan di dalamnya berisi zat-zat yang diperlukan untuk kelangsungan hidup. Lapisan ini dapat dilalui gelombang yang berfrekuensi tinggi menuju lapisan berikutnya. Karena itu, tidak akan terjadi inversi temperatur atau juga tidak bisa menyebabkan pembiasan yang berarti

Lapisan stratosfir (stratosphere) berada mulai dari batas troposfir sampai ketinggian sekitar 50 km. Lapisan stratosfir dengan temperaturnya yang konstan tersebut disebut juga daerah isothermal

Lapisan ionosfir (ionosphere) berada mulai dari batas stratofir hingga ketinggian 250 km Lapisan ionosfir adalah nama yang benar-benar sesuai, karena lapisan ini tersusun dari partikel-partikel yang terionisasi. Lintasan ini tidak terkontrol dan bervariasi terhadap waktu, musim dan aktivitas matahari. Kerapatan pada bagian yang paling atas adalah sangat rendah dan semakin ke bawah, makin tinggi kerapatannya. Bagian yang lebih atas mengalami radiasi matahari yang relatif lebih kuat. Radiasi ultraviolet dari matahari menyebabkan udara yang terionisasi menjadi ion-ion positip, dan ion-ion negatip. Sekalipun kerapatan molekul udara di bagian atas ionosfir kecil, namun partikel-partikel udara di ruang angkasa mempunyai energi yang sedemikian tinggi pada daerah tersebut. Sehingga menyebabkan ionisasi dari molekul-molekul udara bisa bertahan lama. Ionisasi ini meluas ke bagian bawah di seluruh lapisan ionosfir dengan intensitas yang lebih rendah. Karena itu, derajat paling tinggi terjadi proses ionisasi adalah bagian paling atas dari ionosfir, sedangkan derajat ionisasi terendah terjadi pada bagian paling bawah.

Di atas ionofir adalah ruang angkasa

2.1 Lapisan Ionosfir

5


Ionosfir tersusun dari 3 (tiga) lapisan, mulai dari yang terbawah yang disebut dengan lapisan D, E dan F. Sedangkan lapisan F dibagi menjadi dua, yaitu lapisan F1 dan F2 (yang lebih atas), seperti Gambar 6. Ada atau tidaknya lapisan-lapisan ini dalam atmosfir dan ketinggiannya di atas permukaan bumi, berubah-ubah sesuai dengan posisi matahari. Pada siang hari (tengah hari), radiasi dari matahari adalah terbesar, sedangkan di malam hari adalah minimum. Saat radiasi matahari tidak ada, banyak ion-ion yang bergabung kembali menjadi molekul-molekul. Keadaan ini menetukan posisi dan banyaknya lapisan dalam ionosfir. Karena posisi matahari berubah-ubah terhadap titik-titik tertentu di bumi, dimana perubahan itu bisa harian, bulanan, dan tahunan, maka karakteristik yang pasti dari lapisan-lapisan tersebut sulit untuk ditentukan/ dipastikan.

Gambar 6: Lapiran-lapisan ionosfir yang berpengaruh untuk propagasi

Untuk lebih jelasnya tentang fenomena masing-masing lapisan pada ionosfir diberikan berikut ini.

6


Lapisan D terletak sekitar 50 km – 90 km. Ionisasi di lapisan D sangat rendah, karena lapisan ini adalah daerah yang paling jauh dari matahari. Lapisan ini mampu membiaskan / memantulkan gelombang-gelombang yang berfrekuensi rendah (LF, VLF). Frekuensi-frekuensi yang tinggi (MF dan HF), terus dilewatkan tetapi mengalami redaman. Setelah matahari terbenam, lapisan ini segera menghilang karena onionnya dengan cepat bergabung kembali menjadi molekul-molekul.

Lapisan E terletak sekitar 90 km – 150 km. Lapisan ini, dikenal juga dengan lapisan Kenelly- Heaviside, karena orang-orang inilah yang pertama kali menyebutkan keberadaan lapisan E ini. Setelah matahari terbenam, pada lapisan ini juga terjadi penggabungan ion-ion menjadi molekul-molekul, tetapi kecepatan penggabungannya lebih rendah dibandingkan dengan lapisan D, dan baru bergabung seluruhnya pada tengah malam. Lapisan ini mampu membiaskan/memantulkan gelombang dengan frekuensi lebih tinggi dari gelombang yang bisa dibiaskan lapisan D (MF dan HF). Dalam praktek, lapisan E mampu membiaskan gelombang hingga frekuensi 20 MHz.

Lapisan F terdapat pada ketinggian sekitar 150 km – 500 km. Selama siang hari, lapisan F terpecah menjadi dua, yaitu lapisan F1 dan F2.

Lapisan F1 ketinggiannya kira-kira 200 km, kepadatannya pada musim dingin lebih sedikit dari pada musim panas. Pada lapisan ini bersifat melemahkan semua gelombang radio yang melewati.

Lapisan F2 ketinggian 250 – 300 km pada musim dingin, dan 300- 500 km pada musim panas, bersifat memantulkan gelombang pada frekuensi tinggi (HF).

Pada malam hari lapisan F1 dan F2 menjadi lapisan F yang bermanfaat sekali untuk transmisi jarak jauh pada frekuensi tinggi dan mampu membiaskan / memantulkan gelombang pada frekuensi tinggi (HF) hingga 30 MHz.

Sebagai tambahan, pada lapisan-lapisan ionosfir yang ditunjukkan di atas, ada juga variasi-variasi lain yang tidak menentu yang terjadi akibat dari partikel-partikel radiasi dari matahari, sehingga mengakibatkan kacau atau rusaknya propagasi gelombang radio. Jenis badai ini dapat berlangsung beberapa hari, tetapi komunikasi masih dapat dipertahankan dengan menurunkan frekuensi kerjanya.

Radiasi yang berlebihan dari matahari, juga dapat mengakibatkan ionisasi yang berat sekali pada daerah/lapisan bawah yang dapat menyebab-kan komunikasi black out sama sekali untuk gelombang dengan frekuensi di atas 1 MHz.

2.1.1 Frekuensi Kritis

Jika frekuensi gelombang radio yang dipancarkan secara vertikal perlahan-lahan dipertinggi, maka akan dicapai titik dimana gelombang tidak akan bisa dibiaskan untuk kembali ke bumi. Gelombang ini tentu akan ke atas menuju lapisan berikutnya, dimana proses pembiasan berlanjut. Bila frekuensi-nya cukup tinggi, gelombang tersebut akan dapat menembus semua lapisan ionosfir dan

7


terus menuju ruang angkasa. Frekuensi tertinggi dimana gelombang masih bisa dipantulkan ke bumi bila ditransmisikan secara vertikal pada kondisi atmosfir yang ada disebut dengan frekuensi kritis .

Sebagai ilustrasi tentang frekuensi kritis gelombang untuk frekuensi 25 MHz, ditunjukkan pada Gambar 7. Gelombang ditembakkan secara vertikal oleh transmitter (pemancar dan sekaligus penerima), dengan frekuensi yang bervariasi, mulai 24 MHz sampai 26 MHz. Untuk frekuensi kerja 25 MHz ke bawah, gelombang yang dipancarkan ke atas, dapat diterima kembali di bumi. Tetapi untuk gelombang yang dipancarkan dengan frekeunsi 26 MHz ke atas, gelombang di tidak dapat diterima oleh transmitter di bumi.

Gambar 7: Ilustrasi frekuensi kritis dalam propagasi gelombang

2.1.2 Sudut Kritis

Secara umum, gelombang dengan frekuensi lebih rendah akan mudah dibiaskan, sebaliknya gelombang dengan frekuensi lebih tinggi lebih sulit dibiaskan oleh ionosfir. Gambar 7 menggambarkan hal yang demikian, dimana sudut pancaran memegang peranan penting dalam menentukan apakah suatu gelombang dengan frekuensi tertentu akan dikembalikan ke bumi oleh ionosfir atau tidak. Di atas frekuensi tertentu, gelombang yang dipancarkan secara vertikal merambat terus menuju ruang angkasa. Namun demikian, bila sudut radiasi (angle of radiation)-nya lebih rendah, maka sebagian dari gelombang berfrekuensi tinggi di bawah frekuensi kritis akan dikembalikan ke bumi.

Sudut terbesar dimana suatu gelombang dengan frekuensi yang masih bisa dikembalikan (dibiaskan ke bumi) disebut dengan sudut kritis bagi frekuensi tersebut. Sudut kritis adalah sudut yang dibentuk oleh lintasan gelombang yang menuju dan masuk ionosfir dengan garis yang ditarik dari garis vertikal titik pemancar di bumi ke pusat bumi. Gambar 8 menunjukkan sudut kritis untuk 20 MHz. Semua gelombang yang mempunyai frekuensi di atas 20 MHz (misalnya 21 MHz) tidak dibiaskan kembali ke bumi, tetapi terus menembus ionosfir menuju ruang angkasa.

8


Gambar 8: Ilustrasi sudut kritis dalam propagasi gelombang

2.1.3 Maximum Usable Frequency ( M U F )

Ada frekuensi terbaik untuk bisa berkomunikasi secara optimum antara dua titik, pada setiap kondisi ionosfir yang bagaimanapun. Seperti yang bisa dilihat dalam Gambar 9, jarak antara antena pemancar dan titik dimana gelombang tersebut kembali ke bumi tergantung pada sudut propagasinya, yang mana sudut tersebut dibatasi oleh frekuensinya.

Gambar 9: Peta Maximum Usable Frequency (MUF)

Frekuensi tertinggi, dimana gelombang masih bisa dikembalikan ke bumi dengan jarak tertentu disebut dengan “ Maximum Usable Frequency (MUF) “. Parameter ini mempunyai nilai rata-rata bulanan tertentu. Frekuensi kerja optimum adalah frekuensi yang memberikan kualitas komunikasi paling konsisten dan oleh karenanya paling baik digunakan.

Untuk propagasi yang menggunakan lapisan F2, frekuensi kerja optimum adalah sekitar 85 % dari MUF, sedangkan propagasi melalui lapisan E akan tetap konsisten/bekerja dengan baik, bila frekuensi yang digunakan adalah sekitar MUF. Karena redaman ionosfir terhadap gelombang radio adalah berbanding terbalik dengan frekuensinya, maka menggunakan MUF berarti menghasilkan kuat medan yang maksimum. Karena adanya variasi frekuensi kritis, maka dibuatlah data-data dan

9


tabel frekuensi yang berisi perkiraan-perkiraan MUF untuk tiap-tiap jam dan hari dari tiap-tiap daerah. Informasi-informasi ini dibuat berdasarkan data yang didapatkan secara eksperimental dari stasiun-stasiun yang tersebar di penjuru dunia.

2.2. Lapisan Troposfir

Propagasi pada lapisan troposfir bisa dianggap sebagai kasus dari propagasi gelombang langit. Gelombang tidak ditujukan ke ionosfir, tetapi ditujukan ke troposfir. Batas troposfir hanya sekitar 6,5 mil atau 11 km dari permukaan bumi. Frekuensi yang bisa digunakan adalah sekitar 35 MHz sampai dengan 10 GHz dengan jarak jangkau mencapai 400 km.

Proses penghaburan (scattering) oleh lapisan troposfir, dilukiskan seperti Gambar 10. Seperti ditunjukkan oleh gambar tersebut, dua antena pengarah diarahkan sedemikian rupa sehingga tembakan keduanya bertemu di troposfir. Sebagian besar energinya merambat lurus ke ruang angkasa. Namun demikian, dengan proses yang sulit dimengerti, sebagian energinya juga dihamburkan ke arah depan. Seperti juga ditunjukkan dalam gambar tersebut, sebagian energi juga dihamburkan ke arah depan yang tidak dikehendaki.

Gambar 10: Ilustrasi propagasi troposfir (troposcatter)

Namun demikian, besarnya gelombang yang diterima hanyalah seper seribu hingga seper satu juta dari daya yang dipancarkan. Disini jelas diperlukan daya pemancar yang sangat besar, dan penerima yang sangat peka. Selain itu, proses hamburan mengalami dua macam fading. Yang pertama, fading yang disebabkan oleh transmisi dengan banyak lintasan (multipath fading ) yang bisa timbul beberapa kali dalam 1 menit. Yang kedua, fading yang disebabkan oleh perubahan atmosfir, tetapi lebih lambat dari yang pertama, yang mengakibatkan perubahan level/kuat gelombang yang diterima.

Meskipun sistem propagasi radio dengan menggunakan hamburan lapisan ini memerlukan daya yang sangat besar dan perlunya diversiti, penggunaan sistem ini telah tumbuh pesat sejak pemakaian pertamanya tahun 1955. Karena sistem ini memberikan jarak jangkau jauh yang handal di daerah-daerah seperti padang pasir dan daerah-daerah seperti padang pasir dan daerah pegunungan dan antar pulau. Jaringan ini digunakan untuk komunikasi suara dan data dalam militer dan komersial.

10


Dalam komunikasi gelombang melalui troposfir, antena penerima dan pemancar harus mempunyai type polaisasi yang sama, karena gelombang ini sepanjang perjalanan tetap bertahan pada polarisasi yang sama.

Lapisan ini pada kondisi cuaca yang khusus, maka akan terbentuk duck-duck yang akan mengarahkan/memantulkan gelombang yang terjerat dalam duck ini, sehingga jangkauan gelombang tanah menjdi abnormal dan dapat mencapai jarak yang cukup jauh,transmisi ini sering disebut transmisi melalui troposferic duck

3. Propagasi Gelombang Langsung ( Line of Sight)

Sesuai dengan namanya, propagasi secara garis pandang yang lebih dikenal dengan line of sight propagation , mempunyai keterbatasan pada jarak pandang. Dengan demikian, ketinggian antena dan kelengkungan permukaan bumi merupakan faktor pembatas yang utama dari propagasi ini. Jarak jangkauannya sangat terbatas, kira-kira 30 – 50 mil per link, tergantung topologi daripada permukaan buminya. Dalam praktek, jarak jangkaunya sebenarnya adalah 4/3 dari line of sight (untuk K = 4/3), karena adanya faktor pembiasan oleh atmosfir bumi bagian bawah.

Propagasi line of sight, disebut dengan propagasi dengan gelombang langsung (direct wave), karena gelombang yang terpancar dari antena pemancar langsung berpropagasi menuju antena penerima dan tidak merambat di atas permukaan tanah. Oleh karena itu, permukaan bumi/tanah tidak meredamnya. Selain itu, gelombang jenis ini disebut juga dengan gelombang ruang (space wave), karena dapat menembus lapisan ionosfir dan berpropagasi di ruang angkasa.

Propagasi jenis ini garis pandang merupakan andalan sistem telekomunikasi masa kini dan yang akan datang, karena dapat menyediakan kanal informasi yang lebih besar dan keandalan yang lebih tinggi, dan tidak dipengaruhi oleh fenomena perubahan alam, seperti pada propagasi gelombang langit pada umumnya.

Band frekuensi yang digunakan pada jenis propagasi ini sangat lebar, yaitu meliputi band VHF (30 – 300 MHz), UHF (0,3 – 3 GHz), SHF (3 – 30 GHz) dan EHF (30 – 300 GHz), yang sering dikenal dengan band gelombang mikro ( microwave).

Aplikasi untuk pelayanan komunikasi, antara lain : untuk siaran radio FM, sistem penyiaran televisi (TV), komunikasi bergerak, radar, komunikasi satelit, dan penelitian ruang angkasa.

11


4. Fading dan Distorsi

Fading terjadi karena adanya fenomena lebih dari satu lintasan, dan bahkan banyak/ganda lintasan (multipath fenomena). Fading bisa terjadi di sembarang tempat, dimana kedua sinyal gelombang tanah dan gelombang ionosfir/langit diterima. Kedua gelombang tersebut mungkin tiba dengan fasa yang berbeda, sehingga menyebabkan efek saling menghilangkan. Fading jenis ini dijumpai dalam komunikasi jarak jauh yang melewati daerah berair dimana propagasi gelombang bisa mencapai tempat yang jauh. Di tempat/daerah di luar jangkauan gelombang tanah, yaitu daerah yang hanya bisa dijangkau oleh gelombang langit, fading bisa terjadi karena adanya dua gelombang langit yang merambat dengan jarak yang berbeda. Keadaan ini bisa disebabkan oleh karena sebagian gelombang yang terpancar dibiaskan kembali ke bumi oleh lapisan E, sedangkan sebagian yang lain dibiaskan dan dikembalikan oleh lapisan F. Efek saling menghilangkan bisa terjadi bila kedua gelombang tiba di antena penerima dengan beda fasa 180 derajat dan mempunyai amplitudo sama. Biasanya salah satu sinyal lebih lemah dari yang lain dan karena itu masih ada sinyal yang bisa diterima.

Gambar 11 :Transmisi multijalur

Gambar 12. Sinyal pancaran diterima dari beberapa jalur

Karena ionosfir menyebabkan efek-efek yang sedikit berbeda pada frekuensi-frekuensi yang berlainan, maka sinyal yang berlainan akan mengalami distorsi fasa. SSB (single side band) paling

12


sedikit mengalami distorsi fasa ini, sedangkan FM (frequency modulation) sangat terganggu oleh distorsi ini, karena itu FM jarang digunakan pada frekuensi di bawah 30 MHz (dimana propagasinya adalah dengan gelombang ionosfir/langit). Semakin besar bandwidth-nya, semakin besar masalah yang timbul karena distorsi fasa ini.

Badai ionosfir sering menyebabkan komunikasi radio menjadi tidak menentu. Beberapa frekuensi akan benar-benar hilang, sedangkan yang lain mungkin akan menjadi lebih kuat. Kadang-kadang badai ini terjadi beberapa menit dan ada kalanya beberapa jam, dan bahkan beberapa hari.

Untuk mengurangi masalah fading ini, digunakan beberapa bentuk penganekaragaman penerimaan atau diversity reception. Diversiti adalah suatu proses memancarkan dan atau menerima sejumlah gelombang pada saat yang bersamaan dan kemudian menambah/ menjumlahkan semuanya di penerima atau memilih salah satu yang terbaik. Beberapa jenis diversiti adalah sebagai berikut :

(1) Diversiti ruang (space diversity) yaitu memasang/menggunakan dua atau lebih antena dengan jarak tertentu. Sinyal yang terbaik yang akan diterima, akhirnya dipilih untuk kemudian diolah di penerima.

(2) Diversiti frekuensi (frequency diversity), yaitu mentransmisikan sinyal informasi yang sama meng-gunakan dua buah frekuensi yang sedikit berbeda. Frekuensi yang berbeda mengalami fading yang berbeda pula sekalipun dipancarkan/diterima dengan antena yang sama. Kemudian penerima memilih mana yang terbaik.

(3) Diversiti sudut (angle diversity), yaitu mentransmisikan sinyal dengan dua atau lebih sudut yang berbeda sedikit. Hal ini akan menghasilkan dua atau lebih lintasan yang memiliki volume hamburan yang berbeda.

5. Faktor K dan Profil Lintasan

Pengalaman menunjukkan bahwa lintasan propagasi berkas gelombang radio selalu mengalami pembiasan/pembengkokan (curved ) karena pengaruh refraksi (pembiasan) oleh atmosfir yang paling bawah. Keadaan ini, tergantung pada kondisi atmosfir pada suatu daerah, yang pada akhirnya bisa diketahui indeks refraksi atmosfir di daerah itu. Karena adanya indeks refraksi yang berbeda-beda ini, maka bisa diperkirakan kelengkungan lintasan propagasi di atas permukaan bumi. Akibatnya, kalau dipandang bahwa propagasi gelombang langsung merupakan line of sight, maka radius bumi seakan-akan berbeda dengan radius bumi sesungguhnya (actual earth radius). Sebagai gantinya, dalam penggambaran radius bumi dibuat radius ekuivalen (equivalent earth radius), dengan tujuan sekali lagi agar lintasan propagasi gelombang radio dapat digambarkan secara lurus.

Parameter yang menyatakan perbandingan antara radius bumi ekuivalen (equivalent earth radius) dengan bumi sesungguhnya (actual earth radius), disebut dengan faktor kelengkungan ; faktor K.

13


Dinyatakan :

K = ae/a

Dimana :

ae = radius bumi ekuivalen (equivalent earth radius) , dan a = radius bumi sesungguhnya (actual earth radius).

Pada kondisi atmosfir normal, dalam perhitungan radius bumi ekuivalen biasanya digunakan K = 4/3. Bila kita menggunakan K = 4/3 dan dengan mengalikan radius bumi yang sesungguhnya dengan harga K tersebut, maka pada waktu memetakan lintasan propagasi gelombang, kita dapat memodifikasi kurvatur bumi sedemikian rupa , sehingga lintasan radio dapat digambarkan secara garis lurus (straight line). Gambar 12 menunjukkan hasil modifikasi kurvatur bumi untuk radius bumi ekuivalen untuk harga K = 4/3, yang disebut dengan Profile Lintasan atau Path Profile K = 4/3.

Gambar 12: Kurvatur bumi dari radius bumi ekuivalen untuk harga K = 4/3

6. Daerah Fresnel Pertama

Daerah Fresnel pertama merupakan hal yang patut diperhatikan dalam perencanaan lintasan gelombang radio line of sight. Daerah ini sebisa mungkin harus bebas dari halangan pandangan (free of sight obstruction), karena bila tidak, akan menambah redaman lintasan.

14


Untuk memahami daerah Fresnel pertama, marilah diikuti keterangan berikut ini. Gambar 13 menunjukkan 2 (dua) bekas lintasan propagasi gelombang radio dari pemancar (Tx) ke penerima (Rx), yaitu berkas lintasan langsung (direct ray) dan berkas lintasan pantulan (reflected ray), yang mempunyai radius F1 dari garis lintasan langsung. Jika berkas lintasan pantulan mempunyai panjang setengah kali lebih panjang dari berkas lintasan langsung, dan dianggap bumi merupakan pemantul yang sempurna (koefisien pantul = -1, artinya gelombang datang dan gelombang pantul berbeda fasa 180 derajat), maka pada saat tiba di penerima akan mempunyai fasa yang sama dengan gelombang langsung. Akibatnya akan terjadi intensitas kedua gelombang pada saat mencapai antena penerima akan saling menguatkan.

Gambar 13: Daerah Fresnel pertama di sekitar lintasan langsung

Berdasarkan Gambar 13 dan keterangan di atas, F1 disebut sebagai radius daerah Fresnel pertama , yang dirumuskan dengan:

dimana : F1 = radius daerah Fresnel pertama (m) f = frekuensi kerja (GHz) d1 = jarak antara Tx dengan halangan (km) d2 = jarak antara Rx dengan halangan (km) d = d1+ d2 = jarak antara Tx dan Rx (km)

15


Untuk daerah Fresnel pertama di tengah lintasan d = d1+ d2, dan d1 = d2 =1/2 d, sehingga:

Di daerah yang dekat dengan antena, misal d1 dar i antena :

Gambar 14: Pemetaan daerah-daerah Fresnel

Sedangkan untuk radius daerah Fresnel kedua , daerah Fresnel ketiga, dan seterusnya seperti diilustrasikan pada Gambar 14, dinyatakan dengan rumusan berikut:

n = 1,2,3, … . Atau secara singkat dinyatakan:

dimana F1 = radius daerah Fresnel pertama (m)

16


Contoh :

Merancang ketinggian antena

Diketahui profil lintasan (path profile) seperti pada Gambar di bawah. Jarak antara Tx (pada titik A) dan Rx (pada titik B) adalah 50 Km. Pada jarak 20 Km dari A, terdapat bukit dengan ketinggian tertentu. Rancanglah ketinggian antena pada Tx dan Rx, agar lintasan tersebut bisa digunakan untuk mentransmisikan gelombang pada frekuensi 3 GHz secara line of sight.

Penyelesaian: Evaluasi dari profil lintasan pada Gambar diatas, menunjukkan bahwa halangan pandangan atau (sight obstruction) harus kita antisipasi adalah bukit yang berjarak 20 Km dari A atau 30 Km dari B. Perlu dicari radius Fresnel pertama dari persamaan berikut :

d1 = 20 Km, d2 = 50 – 20 = 30 Km.

F1 » 34,5 m

Harga F1 ini merupakan daerah Fresnel pertama ini dipetakan di atas bukit tersebut. Setelah garis line of sight geometris di atas F1 dibuat, maka ketinggian antena di titik A dan B dapat ditentukan

17


(Gambar 15). Dari profil lintasan tersebut, ketinggian antena di titik A: hA = ± 75 m, dan di titik B: hB = ± 90 m.

Gambar 15 : Hasil penyelesian untuk contoh

7. Pantulan (Refleksi)

Pantulan terjadi bila gelombang radio tersimpul pada bidang/permukaan datar. Pada dasarnya ada dua jenis pantulan yang terjadi di atmosfir yaitu pantulan bumi dan pantulan ionosfir. Pada gambar 16. di bawah ini dapat ditunjukkan adanya dua gelombang yang mengalami pantulan oleh permukaan bumi. Perhatikan bahwa dua gelombang tersebut mengalami perubahan fasa antara gelombang yang satu dengan gelombang lainnya.

Gambar 16. Pengaruh frekuensi terhadap arah pembelokan gelombang radio

18


Gambar 17. Gelombang pantulan oleh permukaan bumi

8. Refraksi

Pembiasanan gelombang radio akibat dari berpindahnya dari suatu lapisan dengan kepadatan tertentu ke lapisan lain dengan kepadatan lain.Ada tiga fakor penting terhadap refraksi gelombang radio :

Kepadatan ionisasi lapisan Frekuensi gelombang Sudut datang gelombang radio menuju lapisan.

Pada gambar 18 gelombang yang dipancarkan dari pemancar melalui lapisan-lapisan mengalami pembengkokkan yang tidak sama. Pada daerah yang sangat kurang ionisasinya gelombang radio mengalami pembengkokan keluar. Sementara daerah yang lebih padat gelombang radio akan dibelokkan ke bumi hingga sinyal dapat ditangkap lagi oleh antena penerima.

Gambar 18. Pembelokan gelombang radio oleh lapisan ionosfir

19


9. Defraksi

Defraksi adalah kemampuan gelombang radio untuk berputar pada sudut yang tajam dan membelok disekitar penghalangnya (penghamburan gelombang radio). Perhatikan gambar 19. berikut ini, defraksi menghasilkan perubahan arah dari energi gelombang radio di sekitar tepi penghalang. Gelombang radio dengan panjang gelombang panjang dibandingkan dengan diameter suatu penghalang, maka dengan mudah dipropagasikan disekitar penghalang itu. Namun demikian, bila panjang gelombang turun akan terjadilah pelemahan, hingga frekuensi-frekuensi sangat tinggi membentuk daerah bayangan (Shadow zone). Daerah bayangan pada dasarnya adalah daerah kosong dari sisi berlawanan datangnya gelombang dalam arah segaris pandang dari pemancar terhadap penerima.

Gambar 19. Defraksi gelombang radio pada sekitar penghalang

9. Daerah dan jarak lompatan(Skip)

Ingat kembali tentang adanya jenis-jenis gelombang radio, yakni gelombang langit dan gelombang tanah. Untuk itu di sini akan dijelaskan tentang jarak skip dan daerah skip.

9.1 Jarak SkipPerhatikan gambar 20 di bawah ini tentang hubungan jarak skip, daerah skip dan gelombang tanah. Jarak skip adalah jarak dari pemancar hingga ke titik di mana gelombang langit pertama kali kembali ke bumi. Jarak skip bergantung kepada frekuensi gelombang radio dan sudut datangnya, serta tingkat ionisasi pada lapisan itu

9.2. Daerah skipDaerah skip adalah daerah tenang antara 2 titik di mana gelombang tanah terlalu lemah untuk dapat diterima oleh antena penerima dan titik dimana gelombang langit pertama kali kembali ke bumi. Batas luar daerah skip bervariasi bergantung pada frekuensi kerja, kapan terjadinya (hari), musim, aktivitas matahari dan arah pancaran.

20


Pada frekuensi rendah dan sangat rendah, daerah skip tidak kelihatan, tetapi yntuk frekuensi tinggi dapat diketahui daerah skip tersebut. Apabila frekuensi kerja semakin tinggi, maka daerah skip menjadi semakin lebar terhadap titik di mana batas luar daerah skip dapat mencapai beberapa ribu kilometer jauhnya.

Gambar 20 : Daerah Skip dan JarakSkip

21


TEORI DAN PREDIKSI REDAMAN PROPAGASI

Model deterministik untuk menentukan redaman propagasi yang telah dikenal adalah model bumi datar (plane earth model) yang dapat dituliskan sebagai berikut :

....(1)L Redaman propagasi totalPt Daya RF pada terminal keluaran pemancarPr Daya RF pada terminal masukan penerimagt Faktor penguatan pada antena pemancargr Faktor penguatan pada antena penerima

Koefisien refleksiA Faktor redaman gelombang permukaan

Suku pertama dalam tanda kurung besar pada persamaan (1) mewakili redaman ruang bebas, suku kedua mewakili redaman akibat refleksi, dan suku ketiga mewakili redaman pada gelombang permukaan.

Model deterministik yang paling sederhana adalah apabila kondisi saling melihat antara pemancar dan penerima terpenuhi dan hanya ada satu sinyal langsung yang diterima, sehingga perhitungan redaman dilakukan dengan menggunakan rumus redaman ruang bebas (free space loss) sebagai berikut :

....(2) Lf Redaman propagasi ruang bebas D Jarak pemancar-penerima f Frekuensi gelombang radio.

Formulasi redaman ruang bebas ini merupakan bentuk desibel (dB) dari suku pertama persamaan (1) dengan asumsi antena isotropis tanpa redaman kabel pada kedua sisi pemancar dan penerima (gt = gr = 1). Redaman ruang bebas mengekspresikan daya sinyal turun 6 dB ketika jarak pemancar-penerima berlipat dua.

Model deterministik yang lain adalah apabila sinyal yang sampai di penerima hanya terdiri dari dua buah : sinyal langsung dan sinyal refleksi. Model ini dikenal sebagai model dua sinar yang setelah beberapa penyederhanaan pada suku pertama dan kedua persamaa (1), dapat ditulis sebagai berikut:

....(3)L Redaman propagasi pada model dua sinard Jarak pemancar-penerimaht Tinggi antena pemancarhr Tinggi antena penerima.

22


Rumus ini merupakan bentuk desibel dari gabungan suku pertama dan kedua dalam tanda kurung besar pada persamaan (1) dengan asumsi gt = gr = 1. Nampak pada model ini bahwa redaman propagasi tak lagi bergantung pada frekuensi gelombang radio, sedangkan besarnya redaman akan naik 12 dB apabila jarak pemancar-penerima berlipat dua.

Lintasan sinyal pada sistem telepon radio biasanya melalui beberapa pantulan dan difraksi oleh berbagai objek, sehingga bila perhitungan redaman propagasi didasarkan pada model deterministik maka perlu penyederhanaan yang berlebihan, yang hasilnya cenderung tidak teliti. Namun demikian model deterministik tetap memegang peranan penting untuk perhitungan dan pengecekan pada kondissi tertentu.

Pendekatan yang lebih praktis pada penentuan redaman propagasi sistem telepon radio adalah pendekatan empirik, yakni pendekatan yang berdasarkan hasil pengukuran di lapangan. Bentuk lain dari ekspresi persamaan (1) sesuai definisi redaman propagasi dari suatu sistem transmisi radio yang merupakan rasio daya terima terhadap daya pancar, dapat ditulis sebagai

....(4)L Redaman propagasi totalPr Daya RF pada masukan terminal penerimaPt Daya RF pada keluaran terminal pemancarλ Panjang gelombang RFd Jarak pemancar-penerimagt Faktor penguatan pada antena pemancargr Faktor penguatan pada antena penerimaLex Redaman ekses akibat refleksi, difraksi, hamburan, penghalang, dsb.

Suku pertama pada persamaan (4) merupakan redaman ruang bebas, suku kedua dan ketiganya masing-masing merupakan faktor penguatan pada antena di sisi pemancar dan penerima setelah memperhitungkan redaman kabel antena, sedangkan suku terakhir merepresentasikan redaman ekses akibat penghalang, refleksi, difraksi, hamburan, dan sebagainya. Secara praktis redaman ekses merupakan selisih dari redaman total hasil pengukuran terhadap redaman berdasarkan perhitungan ruang bebas. Ada juga model-model redaman ekses yang dikembangkan sendiri-sendiri, misalnya redaman akibat lintasan ganda (multipath fading), redaman akibat daun dan pohon (foliage loss), dan sebagainya. Sebagai contoh, model redaman akibat daun dan pohon yang direkomendasikan oleh ITU-R (dulu CCIR) ditulis dalam bentuk :

....(5)Lfol Redaman akibat daun dan pohon [dB]f Frekuensi gelombang radio [GHz]d Jarak penetrasi gelombang yang merambat pada daun dan pohon [m].

Akan tetapi penggunaan model redaman propagasi pada sistem telepon radio dengan dipisah-pisah seperti itu sangat sulit pada kenyataan di lapangan karena lintasan sinyal biasanya merupakan

23


kombinasi dari berbagai kondisi, seperti daerah reflektif, daerah hutan, daerah berbukit, berair, dan sebagainya.

Model empirik yang paling lengkap dan mudah dipergunakan adalah model Okumura-Hatta yang didasarkan pada hasil pengukuran Okumura di sekitar Tokyo, Jepang. Model ini ditampilkan dalam bentuk kurva yang kemudian oleh Hatta diformulasikan dalam bentuk rumus analitik untuk tiga kategori daerah, yakni daerah kota, daerah pinggiran kota, dan daerah terbuka. Rumus redaman propagasi untuk ketiga kategori tersebut didasarkan pada perhitungan di daerah kota, sedangkan redaman pada daerah pinggiran kota dan daerah terbuka diperoleh dengan membuat koreksi terhadap daerah kota.

Redaman propagasi pada daerah kota dituliskan sebagai berikut :

.... (6)

Lk Redaman propagasi daerah kota [dB]F Frekuensi gelombang radio [MHz], berlaku dari 150 - 1500 MHzht Tinggi antena pemancar [m], dari 30 - 200 meterhr Tinggi antena penerima [m], dari 1-10 meterd Jarak pemancar-penerima [km], dari 1-20 kma(hr) koreksi tinggi antena penerima terhadap tinggi standar hr = 1,5 meter.

Koreksi a(hr) dibedakan dalam dua kategori yakni koreksi untuk kota kecil sampai kota menengah dan koreksi untuk kota besar. Dalam satuan dB koreksi untuk kota kecil sampai menengah adalah :

.... (7)

untuk f 200 MHz ....(8)

untuk f 400 MHz

Kemudian redaman propagasi pada daerah pinggiran kota diformulasikan sebagai berikut :

... (9)dan redaman untuk daerah terbuka adalah :

....(10)

24


dengan Lk pada persamaan (6), (9), dan (10) merupakan redaman propagasi daerah kota. Kesulitan yang dihadapi pada pemakaian model empirik seperti yang dikembangkan oleh Okumura-Hatta ini adalah pada penentuan kategori daerah pengukuran yang oleh Okumura dibagi ke dalam tiga kelompok tadi, yakni daerah kota, daerah pinggiran kota, dan daerah terbuka. Okumura-Hatta tidak membuat spesifikasi yang tegas tentang parameter eksak untuk mengidentifikasikan kondisi daerah tersebut di atas, sehingga hasil pengukuran akan berbeda apabila kondisinya tidak sama.

25

propagasi1

Documents

Transcript of propagasi1