Teknik Dasar Antena

12

Click here to load reader

Transcript of Teknik Dasar Antena

Page 1: Teknik Dasar Antena

1

Bab 1

DASAR TEKNIK ANTENA POKOK BAHASAN: ü Pendahuluan ü Dasar Radiasi Antena ü Radiasi Dipole Pendek ü Pendekatan Medan Jauh ü Kerapatan Daya Radiasi

TUJUAN BELAJAR: Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan dapat:

ü Mendefinisikan tentang antena dan menyebutkan fungsi antena dalam sistem telekomunikasi.

ü Menyebutkan contoh berbagai macam antena yang ada dalam praktek di lapangan.

ü Menurunkan secara matematis mekanisme radiasi yang ditimbulkan oleh antena dipole pendek.

ü Menghitung kerapata n daya radiasi antena dipole pendek dan sekaligus menggambarnya dalam koordinat bola.

ü Mendefiniskan dan menuliskan syarat secara matematis tentang pendekatan daerah medan jauh.

1.1 PENDAHULAN

Suatu antena dapat diartikan sebagai suatu tranduser antara saluran transmisi

atau pandu gelombang dalam suatu saluran transmisi dan suatu medium yang tak terikat

(zona bebas) tempat suatu gelombang elektromagnetik berpropagasi (biasanya udara),

ataupun sebaliknya.

Page 2: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

2

Dalam aplikasinya, suatu antena dapat berfungsi selain sebagai media pemancar

gelombang elektromagnetik, juga sebagai pe nerima gelombang elektromagnetik secara

efisien dan berpolarisasi sesuai dengan struktur yang dimilikinya. Selain itu, untuk

meminimalkan refleksi gelombang pada titik antara saluran transmisi dan titik catu

antena, maka suatu antena harus mempunyai kesesuaian (matched) dengan saluran

transmisi yang digunakan.

Beberapa contoh antena dalam berbagai bentuk dapat dilihat pada Gambar 1-1.

Dan aplikasinya, antena banyak digunakan pada penyiaran radio dan televisi, sistem

komunikasi satelit, telepon selular, sistem radar dan sensor otomatis mobil anti

tabrakan, dan masih banyak fungsi-fungsi yang lain. Sifat radiasi dan impedansi dari

hambatan suatu antena banyak dipengaruhi oleh struktur atau bentuk, ukuran dan bahan

pembuatannya. Dimensi dari suatu antena selalu diukur dalam unit panjang gelombang

(disimbolkan dengan “λ” dibaca: “lamda”). Sebagai contoh, antena dipole dengan

panjang 1 m yang berkerja pada suatu panjang gelombang λ = 2 m, akan menunjukkan

karakterisitik yang sama dengan antena dipole dengan panjang 1 cm yang bekerja pada

panjang gelombang λ = 2 cm. Oleh karena itu, dalam membahas permasalahan antena

dalam buku ini, dimensi antena selalu dinyatakan dalam satuan panjang gelombang (λ)?.

Gambar 1-1: Contoh berbagai macam bentuk antena Suatu karakteristik yang menggambarkan daya radiasi relatif yang dipancarkan

oleh suatu antena fungsi terhadap arah pada daerah medan jauh, dikenal dengan pola

Page 3: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

3

radiasi antena, atau disingkat dengan pola antena (antenna pattern). Karakteristik ini,

akan menunjukkan arah kerja suatu antena dalam memancarkan atau kepekaan

menerima gelombang elektromagnetik.

Suatu antena isotopis merupakan suatu antena hipotetikal yang meradiasikan

daya ke segala arah dengan intensitas yang sama. Antena ini hanya ada dalam teori, dan

sering digunakan untuk referensi pada saat menggambarkan sifat radiasi dari antena

yang sesungguhnya.

Kebanyakan antena memiliki sifat timbal-balik atau resiprositas, yang

menyatakan bahwa suatu antena mempunyai pola radiasi yang sama, pada saat

memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetik. Dengan sifat resiprositas ini,

jika dalam mode pemancar suatu antena memancarkan daya pada arah A sebesar 100

kali dari arah B, maka bila antena tersebut digunakan sebagai sebagai penerima , akan

mempunyai kepekaan penerimaan gelombang elektromagnetik pada arah A 100 kali

lebih sensitif dari pada arah B. Semua antena yang ditunjukkan pada Gambar 1-1

mengikuti aturan resiprositas, tapi tidak semua antena mempunyai sifat resiprositas.

Untuk antena-antena yang mempunyai material non-linier semikonduktor atau material

ferit, maka sifat resiprositas ini sulit dipertahankan.

Performansi antena terdiri dari dua aspek, yaitu sifat radiasi dan impedansi yang

dimiliki. Sifat radiasi antena, mencakup pola radiasi dan polarisasi ketika antena

digunakan dalam mode transmisi. Model polarisasi yang dimiliki antena , bersesuaian

dengan arah medan listrik yang dipancarkan oleh suatu antena, dan disebut sebagai

polarisasi antena. Aspek kedua adalah impedansi antena, menyangkut masalah

transfer energi dari sebuah sumber ke suatu antena, pada saat antena digunakan sebagai

sebuah pemancar. Selain itu, parameter ini digunakan sebagai pertimbangan, apakah

suatu antena pantas dipasangkan pada suatu terminal untuk dihubungkan dengan saluran

transmisi atau tidak. Hal ini dilakukan untuk menghindarkan masalah refleksi

gelombang yang terjadi pada titik catu antena.

1.2 DASAR RADIASI ANTENA

Mekanisme radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu

sebuah antena, ditunjukkan pada Gambar 1-2a. Pada gambar tersebut , antena digunakan

Page 4: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

4

sebagai mode pemancar. Garis-garis medan listrik yang dihasilkan dari radiasi suatu

antena, mempunyai arah vertikal dan tegak lurus dengan arah rambat gelombang, yang

arahnya menjahui antena. Kondisi ini bisa berlaku sebaliknya, bila antena digunakan

sebagai mode penerima gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena lain

(Gambar 1-2b).

Gambar 1-2: Antena sebagai tranduser antara saluran transmisi dan udara sebagai mode transmisi dan mode penerima

Jika antena dianggap sebagai sumber radiasi, maka sumber radiasi tersebut dapat

dibedakan menjadi 2 kelompok, yaitu sumber arus dan bidang medan . Antena dipole

dan antena loop (Gambar 1-12a dan 1-1c) merupakan contoh antena sebagai sumber

radiasi dari sumber arus. Yakni, arus yang berubah terhadap waktu dalam suatu kawat

konduktor, yang akhirnya membangkitkan gelombang elektromagnetik. Antena horn

(Gambar 1-1g) merupakan contoh antena dari kelompok yang kedua ini. Hal ini karena

medan listrik dan medan magnet yang terjadi dalam antena ini, berfungsi sebagai

sumber radiasi dan mempunyai arah yang saling tegak lurus terhadap bidang lua san

Garis-garis medan listrik gelombang teradiasi

Saluran transmisi

Daerah transisi

Antena

Gelombang EM terpandu

Generator

Gelombang teradiasi di

ruang bebas

(a) Mode pemancar

Saluran transmisi

Gelombang EM terpandu Daerah

transisi

Antena

Gelombang datang

Penerima

(b) Mode penerima

Page 5: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

5

horn. Bidang-bidang medan itu sendiri, diinduksi oleh arus yang berubah terhadap

waktu dari permukaan dinding-dinding horn. Pemisahan sumber arus dan bidang medan

sebagai sumber radiasi di sini, dilakukan untuk mengklasifikasi perhitungan medan

yang diradiasikan oleh suatu antena berdasarkan strukt ur antena yang dimiliki.

1.3 RADIASI ANTENA DIPOLE PENDEK

Pada bagian ini, kita mempelajari tentang suatu antena linear yang tersusun atas

elemen konduktor pendek sangat kecil dalam jumlah yang banyak. Dan masing-masing

elemen tersebut, dicatu dengan arus serba-sama (uniform) di seluruh bagian. Antena

demikian ini dikenal sebagai antena dipole pendek, dan disebut juga antena dipole

Hertzian. Medan yang dihasilkan oleh antena tersebut, diperoleh dengan menjumlahkan

medan-medan yang dibangkitkan oleh seluruh antena yang sangat kecil, dengan

perhitungan yang didasarkan pada magnitudo dan fasa relatif yang dimiliki. Dengan

demikian, kita dapat menganalisa sifat radiasi dari suatu antena linier kecil ini.

Diasums ikan suatu antena dipole pendek, merupakan konduktor tipis dan linear

dengan panjang l; sangat pendek bila dibandingkan dengan panjang gelombangnya ( l <<

?). Untuk memenuhi syarat arus serba-sama (uniform), panjang dipole tidak boleh

melebihi ?/50 (l = ?/50). Bila struktur tersebut diimplementasikan pada sistem

koordinat, maka dapat digambarkan sebagai kawat konduktor yang memanjang sepan-

jang arah-z dengan membawa arus sinusoidal, seperti ditunjukkan pada Gambar 1-3.

Secara matematis, arus sinusoidal tersebut dinyatakan dengan:

i(t) = Io cos ? t = [ ]tje eIR ω

0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1. 1)

Dimana: I0 adalah amplitudo arus.

Gambar 1-3: Antena dipole pendek pada pusat koordinat bola

Page 6: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

6

Dari Pers. (1.1), dapat dinyatakan bahwa bentuk fasor arus I = I0. Karena antena

ini sangat pendek, maka dalam analisa nanti kita dapat mengasumsikan arus ini sebagai

konstanta, pada saat arus melewati struktur antena tersebut.

Metode umum pertama yang digunakan untuk mencari medan listrik dan medan

magnet pada point Q di suatu medium (berdasarkan Gambar 1-3), adalah dengan teknik

radiasi dari sebuah sumber arus, sehingga menghasilkan vektor potensial A. Bentuk

fasor vektor potensial Ã(R) pada jarak vektor R dari suatu struktur dengan volume v’

yang dialiri arus dengan distribusi arus (bentuk fasor) J~ dinyatakan dengan :

Ã(R) = ''

~

4 '

'0 dv

Re

v

jkR

∫−J

πµ . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.2)

Dimana µ0 adalah permeabilitas magnetik dari suatu ruang bebas dan k = ?/c = 2π/?

merupakan konstanta gelombang. Untuk dipole pendek, kerapatan arus dinyatakan

dengan sederhana J~ = z(I0 / s), dimana s adalah luas penampang dari kawat dipole;

dv’ = s dz, dan batas integrasinya mulai dari z = -l /2 sampai z = l /2.

Berdasarkan Gambar 1-3, jarak R’ antara titik pengamatan dan suatu titik yang

diambil sepanjang dipole, tidaklah sama dengan jarak ke tengah-tengah dipole, R.

Tetapi untuk dipole sangat pendek, maka dapat dianggap R’ R , sehingga:

à = ∫−

− 2/

2/0

0 ˆ4

l

l

jkRdzI

Re

µ

=

Re

lIjkR

00

πµ

z . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.3)

Fungsi ( jkRe− /R) disebut sebagai faktor propagasi bentuk bola, dimana 1/R merupakan

penurunan magnitude yang bersesuaian dengan bertambahnya jarak, sedangkan jkRe−

menyatakan perubahan fasa gelombang. Arah vektor à ditentukan oleh arah aliran arus

(arah-z).

Dalam analisa ini, tujuan akhir kita adalah mendapatkan formulasi dari daya

radiasi yang dipancarkan oleh antena dipole pendek pada suatu titik R dari antena

tersebut. Untuk itu, perlu kiranya mengkonversi analisa kita dari koordinat tabung ke

sistem koordinat bola , dengan menyatakan variabel R, ?, φ sebagai batasan sudut

elevasi atau zenith dan sudut azimut, seperti ditunjukkan pada Gambar 1-4.

Page 7: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

7

Gambar 1-4: Sistem koordinat bola

Pada akhirnya, kita dapat menyatakan A~ dalam hubungannya dengan

komponen-komponen koordinat bola, yang dalam unit vektor -vektor dari sistem

koordinat bola:

z = R cos −θ θsin? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.4)

dengan substitusi Pers. (1.4) ke dalam Pers.(1.3) diperoleh:

à = ( R cos −θ θsin? )

RelI jkR

πµ

400

= φφ AAAR~ˆ~ˆ~ˆ f?R ++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.5)

dimana :

=

RelI

AjkR

R θπ

µcos

4~ 00 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.6a)

=

RelI

AjkR

θπ

µθ sin

4~ 00 - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.6b)

.0~ =φA

Dengan mengetahui komponen-komponen A~ dalam sistem kordinat bola, maka untuk

mendapatkan vektor medan listrik dan medan magnet digunakan persamaan Maxwell

pada ruang bebas :

AH~1~

0×∇=

µ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.7a)

Page 8: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

8

HE~1~

0×∇=

ϖεj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.7b)

dan diperoleh persamaan vektor medan-medan berikut:

θπφ sin

)(1

4 2

20

+= −

kRkRj

elkI

H jkR . . . . . . . . . . . . . . . (1.8a)

θηπ

cos)(

1)(4

2~320

20

−= −

kRkRj

elkI

E jkRR . . . . . . . . . . (1.8b)

θηπθ sin

)(

1

)(4~

320

20

−+= −

kRkR

jkRj

elkI

E jkR . . . . . . . . (1.8c)

dimana )(120/ 000 Ω≅= πεµη adalah harga impedansi intrinsik dari ruang bebas.

Komponen medan yang lain ( φθ EdanHHR~~,~ ) di mana-mana adalah nol. Gambar 1-6

menunjukkan garis-garis medan listrik dari gelombang teradiasi oleh dipole pendek.

Gambar 1-6: Garis-garis medan listrik radiasi dari antena dipole

Persamaan (1.18a), (1.18b) dan (1.18c) merupakan persamaan-persamaan medan

radiasi dari antena dipole pendek. Untuk mengaplikasikan persamaan-persamaan

tersebut, diperlukan pendekatan kondisi medan jauh, yang merupakan daerah dimana

antena bekerja memacarkan atau menerima gelombang elektromagnetik.

Sumbu dipole

Page 9: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

9

1.4 PENDEKATAN MEDAN JAUH

Dalam analisa dengan bentuk koordinat bola, gelombang elektro-magnetik yang

diradiasikan oleh suatu antena mempunyai permukaan gelombang yang bergerak secara

radial dengan kecepatan up (atau kecepatan cahaya c = 3 x 108 m/s, jika merambat pada

medium ruang bebas). Jika R adalah jarak antara antena pemancar dan antena penerima,

maka dibutuhkan jarak ya ng cukup agar permukaan gelombang tersebut setelah tiba

pada penerima , menjadi gelombang datar (plane wave), seperti Gambar 1-7.

Gambar 1-7: Pendekatan daerah medan jauh

Suatu daerah dimana gelombang yang dipancarkan oleh suatu antena, sudah

dianggap membentuk gelombang datar disebut dengan daerah medan jauh (far-field

region). Daerah ini, penting untuk pengukuran pola radiasi dan jaraknya tergantung dari

panjang gelombang operasi dan dimensi antena.

Untuk dipole listrik, jarak pada daerah medan jauh dari sumber dinyatakan

dengan terhadap R, dimana R >> ? atau ekuivalen dengan kR = 2πR/? >> 1. Kondisi

ini mengijinkan kita untuk mengabaikan harga 1/(kR)2 pada Pers.(1.8a) sampai (1.8c),

sehingga diperoleh vektor medan listrik dan medan magnet pada medan jauh, yang

dinyatakan dengan pendekatan:

θπ

ηθ sin

4~ 00

=

RekljI

EjkR

(V/m) . . . . . . . . . . . . . . . (1.9a)

0

~~η

θφ

EH = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.9b)

Sumber

Antena pemancar

Antena penerima

Gelombang datar

Gelombang bola

Page 10: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

10

dan RE~ dapat diabaikan. Pada titik pengamatan Q (Gambar 1-3), gelombang terlihat

menyerupai sebuah gelombang bidang serba-sama, dengan medan listrik dan medan

magnet dalam kondisi sefasa, dan besarnya berbanding lurus dengan impedansi

intrinsik dari medium ?0. Keduanya saling tegak lurus dengan arah propagasi (R ).

Kedua medan tersebut, berbanding lurus dengan komponen sin ? dan tidak tergantung

dari sudut φ (karena pertimbangan simetri).

1.5 KERAPATAN DAYA

Dengan menyatakan E~ dan H

~ dalam bentuk fasor, vektor Poynting rata-rata

waktu dari gelombang teradias i, yang lebih dikenal dengan kerapatan daya, dapat

diperoleh dengan rumusan:

)H~

E~

(21

SAV ×ℜ= e (W/m2) . . . . . . . . . . . . . . (1.10)

Dimana eℜ menyatakan komponen riil hasil perkalian E~ dan H

~ . Untuk antena dipole

pendek, dengan menggunakan Pers. (1.9a) dan (1.9b) akan diperoleh kerapatan daya

radiasi:

),(ˆAV θRSRS = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.11)

dengan:

θ

θπ

µθ

20

222

220

20

sin

sin32

),(

S

R

lIkRS

=

=

(W/m2) . . . . . . . . . . . . . . (1.12)

Pola radiasi antena , digambarkan dalam intensitas radiasi ternormalisasi F(?,φ), yang

didefinisikan sebagai perbandingan dari kepadatan daya S(R,?,φ) pada harga R

tertentu, dengan harga maksimum daya yang dapat diterima :

max

),,(),(

SRS

Fφθ

φθ = (tanpa satuan) . . . . . . . . . . . . . . . (1.13)

Untuk dipole pendek, fungsi sin2 ? dari Pers. (1.12) menunjukkan bahwa kerapatan

radiasi maksimum pada arah sisi pancarnya (? = p/2) berhubungan dengan bidang

azimut, yang ditunjukkan oleh :

Page 11: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

11

22

220

20

0max32 R

lIkSS

πµ

==

2

2

2015

=

λπ lR

I (W/m2) . . . . . . . . . . . .(1.14)

dimana harga k = 2p/? dan πη 1200 ≅ . Bila kita amati, maka Smax berbanding lurus

dengan harga 20I dan 2l (dimana l terukur dalam panjang gelombang), dan terus

menurun berbanding terbailik dengan R2.

Dari definisi intensitas radiasi ternormalisasi yang ditunjukkan pada P ers. (1.13),

dapat dinyatakan dengan:

θθφθ 2sin)(),( == FF . . . . . . . . . . . . . . . . (1.15)

Gambar dari pola F(?), baik untuk bidang elevasi (disebut juga bidang-?) dan

bidang azimut (disebut juga bidang-φ ), ditunjukkan pada Gambar 1-8. Tidak ada daya

yang dipancarkan oleh dipole sepanjang sumbu dipole dan radiasi maximum (F = 1)

terjadi pada arah pancarnya. Untuk pe metaan pola F(?) pada pengamatan φ konstan,

akan terlihat bahwa polanya berbentuk donat dalam ruang ? -φ .

Gambar 1-8: Pola radiasi dari dipole pendek

Contoh 1 -1: Kerapatan daya radias i antena dipole pendek

Suatu antena dipole pendek dengan panjang l = 0,01 λ, dicatu oleh arus 10 mA.

Hitunglah kerapatan daya radiasi maksimum yang dihasilkan pada jarak 10 meter dari

antena tersebut.

(a) Pola elevasi (b) Pola azimuth

Page 12: Teknik Dasar Antena

Bab 1 : Dasar Teknik Antena

12

Penyelesaian: Dengan menggunakan persamaan (1.14), maka kerapatan daya radiasi

maksimum dapat dihitung sebagai berikut:

Smax

2

2

2015

=

λπ l

R

I 2

2

22 01,0

10

)10)(14,3(15

=

λλ

= 47,1 x 10-10 W/m2

SOAL-SOAL:

1.1 Jelaskan tentang definisi antena dan berilah 10 contoh antena yang pernah anda

kenal di masyarakat.

1.2 Jelaskan tentang antena syarat-syarat satu antena dikatakan sebgai antena dipole

pendek, dan mengapa antena ini begitu pentingnya di analisa dalam mempelajari teknik

antena.

1.3 Dinyatakan bahwa harga impedansi intrinsik dari ruang bebas adalah 120π Ω.

Hitunglah impedanasi intrinsik bahan yang mempunyai permeabilitas relative µr = 10

dan permitivitas relative ε r = 7,5.

1.4 Jelaskan mengapa dalam analisa daya radiasi suatu antena, menggunakan analisa

pendekatan medan jauh.

1.5 Titik tengah dari suatu dipole pendek atau dipole Hertzian dicatu dengan arus I0 =

10 A. Jika dipole tersebut panjangnya λ/50, tentukan kerapatan daya maksimum yang

diradiasikan pada jarak 1 km.

1.6 Dipole dengan panjang 1 m bekerja pada frekuensi 1 MHz dan dicatu dengan arus

dengan amplitudo 12 A. Hitunglah kerapatan daya rata-rata yang diradiasikan oleh

dipole pada jarak 5 km pada arah 30o dari sumbu dipole.